In che modo gli enzimi di restrizione tagliano le sequenze di DNA?

In natura, organismi devono costantemente proteggersi dagli invasori stranieri, anche a livello microscopico. Nei batteri esiste un gruppo di enzimi batterici che agiscono smantellando gli estranei DNA. Questo processo di smantellamento è chiamato restrizione e gli enzimi che svolgono questo processo sono chiamati enzimi di restrizione.

Gli enzimi di restrizione sono molto importanti in tecnologia del DNA ricombinante. Gli enzimi di restrizione sono stati usati per aiutare a produrre vaccini, prodotti farmaceutici, colture resistenti agli insetti e una miriade di altri prodotti.

Key Takeaways

Gli enzimi di restrizione sono una classe di enzimi che tagliano il DNA in frammenti in base al riconoscimento di una specifica sequenza di nucleotidi. Gli enzimi di restrizione sono anche noti come endonucleasi di restrizione.

Mentre ci sono centinaia di diversi enzimi di restrizione, funzionano tutti essenzialmente allo stesso modo. Ogni enzima ha quella che è nota come sequenza o sito di riconoscimento. Una sequenza di riconoscimento è in genere una specifica, breve nucleotide sequenza nel DNA. Gli enzimi tagliano in determinati punti all'interno della sequenza riconosciuta. Ad esempio, un enzima di restrizione può riconoscere una specifica sequenza di guanina, adenina, adenina, timina, timina, citosina. Quando è presente questa sequenza, l'enzima può eseguire tagli sfalsati nella spina dorsale zucchero-fosfato nella sequenza.

Ma se gli enzimi di restrizione tagliano in base a una determinata sequenza, in che modo le cellule come i batteri proteggono il proprio DNA dall'abbattimento degli enzimi di restrizione? In una cella tipica, gruppi metilici (CH₃) vengono aggiunti alle basi nella sequenza per impedire il riconoscimento da parte degli enzimi di restrizione. Questo processo viene eseguito da enzimi complementari che riconoscono la stessa sequenza di basi nucleotidiche degli enzimi di restrizione. La metilazione del DNA è nota come modifica. Con i processi di modifica e restrizione, le cellule possono sia tagliare il DNA estraneo che rappresenta un pericolo per la cellula preservando l'importante DNA della cellula.

Basato sulla configurazione a doppio filamento del DNA, le sequenze di riconoscimento sono simmetriche sui diversi supporti ma corrono in direzioni opposte. Ricordiamo che il DNA ha "direzione" indicata dal tipo di carbonio alla fine del filo. L'estremità 5 'ha un gruppo fosfato attaccato mentre l'altra estremità 3' ha un gruppo idrossile attaccato. Per esempio:

5 'fine -... guanina, adenina, adenina, timina, timina, citosina... - 3 'fine

3 'fine -... citosina, timina, timina, adenina, adenina, guanina... - 5 'fine

Se, ad esempio, l'enzima di restrizione taglia all'interno della sequenza tra la guanina e l'adenina, esso lo farebbe con entrambe le sequenze ma alle estremità opposte (poiché la seconda sequenza si svolge nell'opposto direzione). Poiché il DNA è tagliato su entrambi i fili, ci saranno estremità complementari che possono legarsi l'idrogeno tra loro. Queste estremità sono spesso chiamate "estremità appiccicose".

Le estremità appiccicose dei frammenti prodotti dagli enzimi di restrizione sono utili in un ambiente di laboratorio. Possono essere usati per unire frammenti di DNA provenienti da fonti e organismi diversi. I frammenti sono tenuti insieme da legami di idrogeno. Dal punto di vista chimico, i legami idrogeno sono attrazioni deboli e non permanenti. Utilizzando un altro tipo di enzima, tuttavia, i legami possono essere resi permanenti.

La DNA ligasi è un enzima molto importante che funziona in entrambi i replicazione e riparazione del DNA di una cellula. Funziona aiutando l'unione dei filamenti di DNA insieme. Funziona catalizzando un legame fosfodiesterico. Questo legame è a legame covalente, molto più forte del suddetto legame idrogeno e in grado di tenere insieme i diversi frammenti. Quando vengono utilizzate fonti diverse, il DNA ricombinante risultante che viene prodotto ha una nuova combinazione di geni.

Esistono quattro grandi categorie di enzimi di restrizione: enzimi di tipo I, enzimi di tipo II, enzimi di tipo III ed enzimi di tipo IV. Tutti hanno la stessa funzione di base, ma i diversi tipi sono classificati in base al loro riconoscimento sequenza, come si fendono, la loro composizione e i requisiti delle loro sostanze (la necessità e il tipo di cofattori). Generalmente, gli enzimi di tipo I tagliano il DNA in posizioni distanti dalla sequenza di riconoscimento; Il tipo II taglia il DNA all'interno o vicino alla sequenza di riconoscimento; Il tipo III taglia il DNA vicino alle sequenze di riconoscimento; e DNA metilato fenduto di tipo IV.

• Biolabs, New England. "Tipi di endonucleasi di restrizione." New England Biolabs: reagenti per l'industria delle scienze della vita, www.neb.com/products/restriction-endonucleases/restriction-endonucleases/types-of-restriction-endonucleases.
• Reece, Jane B. e Neil A. Campbell. Campbell Biology. Benjamin Cummings, 2011.