I naturen, organismer måste ständigt skydda sig mot utländska inkräktare, även på mikroskopisk nivå. I bakterier finns det en grupp bakterieenzymer som fungerar genom att ta bort främmande DNA. Denna demonteringsprocess kallas restriktion och enzymerna som utför denna process kallas restriktionsenzymer.
Restriktionsenzymer är mycket viktiga i rekombinant DNA-teknik. Restriktionsenzymer har använts för att hjälpa till att producera vacciner, farmaceutiska produkter, insektsresistenta grödor och en mängd andra produkter.
Key Takeaways
- Restriktionsenzymer demonterar främmande DNA genom att skära det i fragment. Denna demonteringsprocess kallas restriktion.
- Rekombinant DNA-teknik bygger på restriktionsenzymer för att producera nya generkombinationer.
- Cellen skyddar sitt eget DNA från demontering genom att lägga till metylgrupper i en process som kallas modifiering.
- DNA-ligas är ett mycket viktigt enzym som hjälper till att sammanfoga DNA-strängar via kovalenta bindningar.
Vad är ett restriktionsenzym?
Restriktionsenzymer är en klass av enzymer som skär DNA i fragment baserade på igenkänning av en specifik sekvens av nukleotider. Restriktionsenzymer är också kända som restriktionsendonukleaser.
Även om det finns hundratals olika restriktionsenzymer, fungerar de alla på väsentligen samma sätt. Varje enzym har vad som kallas en igenkänningssekvens eller -sida. En igenkänningssekvens är vanligtvis en specifik, kort nukleotid sekvens i DNA. Enzymerna skärs vid vissa punkter inom den erkända sekvensen. Till exempel kan ett restriktionsenzym känna igen en specifik sekvens av guanin, adenin, adenin, tymin, tymin, cytosin. När denna sekvens finns, kan enzymet göra förskjutna skär i sockerfosfatryggraden i sekvensen.
Men om restriktionsenzymer skärs ut baserat på en viss sekvens, hur skyddar celler som bakterier sitt eget DNA från att skäras upp av restriktionsenzymer? I en typisk cell, metylgrupper (CH3) tillsätts till baserna i sekvensen för att förhindra igenkänning av restriktionsenzymerna. Denna process utförs av komplementära enzymer som känner igen samma sekvens av nukleotidbaser som restriktionsenzymer. Metylering av DNA kallas modifiering. Med processerna för modifiering och restriktion kan celler båda skära upp främmande DNA som utgör en fara för cellen medan de bibehåller cellens viktiga DNA.
Baserat på den dubbelsträngade konfigurationen av DNA är igenkänningssekvenser symmetriska på de olika ställena men körs i motsatta riktningar. Kom ihåg att DNA har "riktning" indikerat med typen av kol i slutet av strängen. 5'-änden har en fosfatgrupp fäst medan den andra 3'-änden har en hydroxylgrupp fäst. Till exempel:
5 'slut -... guanin, adenin, adenin, tymin, tymin, cytosin... - 3 'slut
3 'slut -... cytosin, tymin, tymin, adenin, adenin, guanin... - 5 'slut
Om till exempel restriktionsenzymet skärs inom sekvensen mellan guanin och adenin, kommer det skulle göra det med båda sekvenserna men i motsatta ändar (eftersom den andra sekvensen går motsatt riktning). Eftersom DNA skärs på båda strängarna kommer det att finnas komplementära ändar som kan vätebinda till varandra. Dessa ändar kallas ofta "klibbiga ändar."
Vad är DNA-ligas?
De klibbiga ändarna av fragmenten som produceras av restriktionsenzymer är användbara i laboratorieinställningar. De kan användas för att förena DNA-fragment från både olika källor och olika organismer. Fragmenten hålls samman av vätebindningar. Ur ett kemiskt perspektiv är vätebindningar svaga attraktioner och är inte permanenta. Med användning av en annan typ av enzym kan emellertid bindningarna göras permanenta.
DNA-ligas är ett mycket viktigt enzym som fungerar i båda replikation och reparation av cellens DNA. Det fungerar genom att hjälpa sammanfogningen av DNA-strängar. Det fungerar genom att katalysera en fosfodiesterbindning. Denna bindning är en kovalent bindning, mycket starkare än den ovannämnda vätebindningen och kan hålla de olika fragmenten samman. När olika källor används har det resulterande rekombinanta DNA som produceras en ny kombination av gener.
Restriktionsenzymtyper
Det finns fyra breda kategorier av restriktionsenzymer: typ I-enzymer, typ II-enzymer, typ III-enzymer och typ IV-enzymer. Alla har samma grundläggande funktion, men de olika typerna klassificeras utifrån deras erkännande sekvens, hur de klyver, deras sammansättning och deras substansbehov (behovet av och typen av kofaktörer). I allmänhet skär typ I-enzymer DNA på platser avlägsna till igenkänningssekvensen; Typ II skuren DNA inom eller nära igenkänningssekvensen; Typ III skar DNA nära igenkänningssekvenser; och metylerat DNA av typ IV klyver.
källor
- Biolabs, New England. "Typer av restriktionsendonukleaser." New England Biolabs: Reagents for Life Sciences Industry, www.neb.com/products/restriction-endonucleases/restriction-endonuclease/types-of-restriction-endonucleases.
- Reece, Jane B. och Neil A. Campbell. Campbellbiologi. Benjamin Cummings, 2011.