ENZIM SEKATAN: FUNGSI, JENIS, DAN CONTOH - BIOLOGI - 2026

The enzim sekatan adalah endonucleases bekerja oleh Arkea dan bakteria tertentu untuk menghalang atau "menyekat" penyebaran virus di dalam. Mereka sangat biasa pada bakteria dan merupakan bagian dari sistem pertahanan mereka terhadap DNA asing yang dikenali sebagai sistem larangan / pengubahsuaian.

Enzim ini memangkin pemisahan DNA jalur dua di lokasi tertentu, boleh dihasilkan semula dan tanpa menggunakan tenaga tambahan. Sebilangan besar memerlukan kehadiran kofaktor seperti magnesium atau kation divalen lain, walaupun ada juga yang memerlukan ATP atau S-adenosil metionin.

Skema reaksi enzim sekatan HindIII (Sumber: Helixitta melalui Wikimedia Commons)

Endonuklease sekatan ditemui pada tahun 1978 oleh Daniel Nathans, Arber Werner dan Hamilton Smith, yang menerima Hadiah Nobel dalam bidang perubatan untuk penemuan mereka. Nama mereka biasanya berasal dari organisma di mana mereka mula-mula diperhatikan.

Enzim sedemikian banyak digunakan dalam pengembangan kaedah pengklonan DNA dan strategi biologi molekul dan kejuruteraan genetik yang lain. Ciri khas pengecaman urutan mereka dan kemampuan untuk memotong urutan dekat dengan laman pengenalan menjadikannya alat yang kuat dalam eksperimen genetik.

Fragmen yang dihasilkan oleh enzim sekatan yang telah bertindak pada molekul DNA tertentu dapat digunakan untuk membuat "peta" molekul asli dengan menggunakan maklumat mengenai laman web di mana enzim memotong DNA.

Sebilangan enzim sekatan mungkin mempunyai laman pengenalan yang sama pada DNA, tetapi tidak semestinya memotongnya dengan cara yang sama. Oleh itu, ada enzim yang memotong meninggalkan hujung tumpul dan enzim yang memotong meninggalkan ujung kohesif, yang mempunyai aplikasi yang berbeza dalam biologi molekul.

Pada masa ini terdapat beratus-ratus enzim sekatan yang tersedia secara komersial, yang ditawarkan oleh rumah komersial yang berbeza; Enzim ini berfungsi sebagai gunting molekul "khusus" untuk tujuan yang berbeza.

ciri-ciri

Enzim sekatan memenuhi fungsi polimerase yang berlawanan, kerana mereka menghidrolisis atau memutuskan ikatan ester dalam ikatan fosfodiester antara nukleotida bersebelahan dalam rantai nukleotida.

Dalam biologi molekul dan kejuruteraan genetik, alat ini digunakan secara meluas untuk pembinaan vektor ekspresi dan pengklonan, serta untuk mengenal pasti urutan tertentu. Mereka juga berguna untuk pembinaan genom rekombinan dan mempunyai potensi bioteknologi yang besar.

Kemajuan baru-baru ini dalam terapi gen menggunakan enzim pembatasan semasa untuk memperkenalkan gen tertentu ke dalam vektor yang merupakan alat untuk mengangkut gen tersebut ke dalam sel hidup, dan mungkin mempunyai kemampuan untuk memasukkan ke dalam genom sel untuk melakukan perubahan kekal.

Mekanisme tindakan

Enzim sekatan dapat menjadi pemangkin pemisahan DNA jalur dua, walaupun ada yang mampu mengenali urutan DNA jalur tunggal dan bahkan RNA. Keratan berlaku setelah pengecaman urutan.

Mekanisme tindakan terdiri daripada hidrolisis ikatan fosfodiester antara kumpulan fosfat dan deoksiribosa di kerangka setiap helai DNA. Sebilangan besar enzim mampu memotong di tempat yang sama yang mereka kenal, sementara yang lain memotong antara 5 dan 9 pasangan asas sebelum atau sesudahnya.

Biasanya enzim ini dipotong pada hujung 5 'kumpulan fosfat, menimbulkan serpihan DNA dengan hujung fosforil 5' dan hujung hidroksil terminal 3 '.

Oleh kerana protein tidak bersentuhan langsung dengan laman pengenalan dalam DNA, protein mesti ditranslokasi berturut-turut sehingga tapak tertentu dicapai, mungkin dengan mekanisme "gelongsor" pada helai DNA.

Semasa pembelahan enzimatik, ikatan fosfodiester setiap helai DNA diposisikan dalam salah satu tapak aktif enzim sekatan. Apabila enzim meninggalkan tempat pengecaman dan pembelahan, ia melakukannya melalui persatuan sementara yang tidak spesifik.

Jenis-Jenis

Lima jenis enzim sekatan diketahui. Berikut adalah penerangan ringkas masing-masing:

Enzim sekatan Jenis I

Enzim ini adalah protein pentamerik besar dengan tiga subunit, satu untuk sekatan, satu untuk metilasi, dan satu untuk pengecaman urutan dalam DNA. Endonuklease ini adalah protein multifungsi yang mampu mengkatalisis reaksi sekatan dan pengubahsuaian, mereka mempunyai aktiviti ATPase dan juga DNA topoisomerase.

Enzim jenis ini adalah endonuklease pertama yang ditemui, ia pertama kali disucikan pada tahun 1960-an dan telah dikaji dengan mendalam sejak itu.

Enzim Jenis I tidak digunakan secara meluas sebagai alat bioteknologi, kerana tapak pembelahan dapat berada pada jarak berubah hingga 1.000 pasang pangkalan dari laman pengenalan, yang menjadikannya tidak dapat dipercayai dari segi kebolehulangan eksperimen.

Enzim sekatan Jenis II

Mereka adalah enzim yang terdiri daripada homodimer atau tetramer yang memotong DNA di lokasi yang ditentukan antara 4 dan 8 bp panjangnya. Laman pemisahan ini biasanya palindromik, iaitu, mereka mengenali urutan yang dibaca dengan cara yang sama di kedua arah.

Sebilangan besar enzim sekatan jenis II pada bakteria memotong DNA ketika mereka mengenali wataknya yang asing, kerana ia tidak mempunyai modifikasi khas yang seharusnya dimiliki oleh DNAnya sendiri.

Ini adalah enzim sekatan termudah kerana tidak memerlukan kofaktor selain magnesium (Mg +) untuk mengenali dan memotong urutan DNA.

Ketepatan enzim sekatan jenis II dalam mengenali dan memotong urutan sederhana dalam DNA pada kedudukan yang tepat menjadikannya salah satu yang paling banyak digunakan dan sangat diperlukan dalam kebanyakan cabang biologi molekul.

Dalam kumpulan enzim sekatan jenis II terdapat beberapa subkelas yang diklasifikasikan mengikut sifat tertentu yang unik bagi masing-masing. Pengelasan enzim ini dilakukan dengan menambahkan huruf abjad, dari A hingga Z mengikuti nama enzim.

Beberapa subkelas yang terkenal dengan kegunaannya adalah:

Subkelas IIA

Mereka dimer dari subunit yang berbeza. Mereka mengenali urutan asimetri dan digunakan sebagai pelopor ideal untuk penghasilan enzim pemotong.

Subkelas IIB

Mereka terdiri daripada satu atau lebih dimer dan memotong DNA di kedua sisi urutan pengecaman. Mereka memotong kedua helai DNA selang pasangan asas menjelang laman pengenalan.

Subkelas IIC

Enzim jenis ini adalah polipeptida dengan fungsi pembahagian dan pengubahsuaian helai DNA. Enzim ini memotong kedua-dua helai secara tidak simetri.

Subkelas IIE

Enzim subkelas ini paling banyak digunakan dalam kejuruteraan genetik. Mereka mempunyai tapak pemangkin dan umumnya memerlukan efektor alosterik. Enzim ini perlu berinteraksi dengan dua salinan urutan pengecamannya untuk melakukan pembelahan yang cekap. Dalam subkelas ini terdapat enzim EcoRII dan EcoRI.

Enzim sekatan Jenis III

Endonuklease sekatan Jenis III hanya terdiri daripada dua subunit, satu bertanggungjawab untuk pengecaman dan pengubahsuaian DNA, sementara yang lain bertanggungjawab untuk pemisahan urutan.

Enzim ini memerlukan dua kofaktor untuk berfungsi: ATP dan magnesium. Enzim sekatan jenis ini mempunyai dua laman pengecaman asimetri, mengubah DNA dengan cara yang bergantung pada ATP dan memotongnya antara 20-30 bp berdekatan dengan laman pengecaman.

Enzim sekatan jenis IV

Enzim jenis IV mudah dikenali kerana mereka memotong DNA dengan tanda metilasi, mereka terdiri daripada beberapa subunit yang berbeza yang bertanggungjawab untuk mengenali dan memotong urutan DNA. Enzim ini menggunakan GTP dan magnesium divalen sebagai kofaktor.

Tapak pembelahan khusus merangkumi helai nukleotida dengan residu sitosin metilasi atau hidroksimetilasi pada satu atau kedua helai asid nukleik.

Enzim sekatan jenis V

Klasifikasi ini mengelompokkan enzim jenis CRISPER-Cas, yang mengenal pasti dan memotong urutan DNA tertentu dari organisma yang menyerang. Enzim Cas menggunakan helai RNA panduan yang disintesis CRISPER untuk mengenali dan menyerang organisma yang menyerang.

Enzim yang dikelaskan sebagai jenis V adalah polipeptida yang disusun mengikut enzim jenis I, II dan II. Mereka boleh memotong bahagian DNA hampir semua organisma dan dengan panjang lebar. Fleksibiliti dan kemudahan penggunaannya menjadikan enzim ini salah satu alat yang paling banyak digunakan dalam kejuruteraan genetik hari ini, bersama dengan enzim jenis II.

Contoh

Enzim sekatan telah digunakan untuk mengesan polimorfisme DNA, terutama dalam kajian genetik populasi dan kajian evolusi menggunakan DNA mitokondria, untuk mendapatkan maklumat mengenai kadar penggantian nukleotida.

Pada masa ini, vektor yang digunakan untuk transformasi bakteria untuk pelbagai tujuan mempunyai laman berbilang panggilan di mana terdapat laman web pengiktirafan untuk pelbagai enzim sekatan.

Antara enzim yang paling popular adalah EcoRI, II, III, IV dan V, yang diperoleh dan dijelaskan untuk pertama kalinya dari E. coli; HindIII dari H. influenzae dan BamHI dari B. amyloliquefaciens.

Rujukan

1. Bickle, TA, & Kruger, DH (1993). Biologi Sekatan DNA. Ulasan Mikrobiologi, 57 (2), 434–450.
2. Boyaval, P., Moineau, S., Romero, DA, & Horvath, P. (2007). CRISPR Memberikan ketahanan terhadap virus dalam prokariota. Sains, 315 (Mac), 1709-1713.
3. Goodsell, D. (2002). Perspektif molekul: Sekatan Endonuklease. Stem Cells Fundamentals of Cancer Medicine, 20, 190–191.
4. Halford, SE (2001). Hopping, jumping and looping oleh enzim sekatan. Transaksi Masyarakat Biokimia, 29, 363-373.
5. Jeltsch, A. (2003). Pemeliharaan identiti spesies dan mengawal spesiasi bakteria: fungsi baru untuk sistem pembatasan / pengubahsuaian? Gene, 317, 13-16.
6. Krebs, J., Goldstein, E., & Kilpatrick, S. (2018). Lewin Genes XII (12 ed.). Burlington, Massachusetts: Pembelajaran Jones & Bartlett.
7. Li, Y., Pan, S., Zhang, Y., Ren, M., Feng, M., Peng, N., … Dia, Q. (2015). Memanfaatkan sistem Jenis I dan Jenis III CRISPR-Cas untuk penyuntingan genom. Penyelidikan Asid Nukleik, 1–12.
8. Loenen, WAM, Dryden, DTF, Raleigh, EA, & Wilson, GG (2013). Enzim sekatan jenis I dan saudara-mara mereka. Penyelidikan Asid Nukleik, 1-25.
9. Nathans, D., & Smith, HO (1975). Batasan Endonuklease dalam analisis dan penyusunan semula molekul DNA. Annu. Biokimia Pendeta , 273-293.
10. Nei, M., & Tajima, F. (1981). Polimorfisme Dna dapat dikesan oleh endonuklease sekatan. Genetik, 145-163.
11. Pingoud, A., Fuxreiter, M., Pingoud, V., & Wende, W. (2005). Endonuklease sekatan Jenis Sains Hayat Sel dan Molekul: struktur dan mekanisme. CMLS Sains Hayat Sel dan Molekul, 62, 685-707.
12. Roberts, R. (2005). Bagaimana enzim sekatan menjadi tenaga kerja biologi molekul. PNAS, 102 (17), 5905–5908.
13. Roberts, RJ, & Murray, K. (1976). Endonuklease sekatan. Ulasan Kritikal dalam Biokimia, (November), 123-164.
14. Stoddard, BL (2005). Struktur dan fungsi endonuklease homing. Ulasan Suku Tahunan Biofizik, 1-47.
15. Tock, MR, & Dryden, DTF (2005). Biologi sekatan dan anti-sekatan. Pendapat Semasa dalam Mikrobiologi, 8, 466-472. https://doi.org/10.1016/j.mib.2005.06.003
16. Wilson, GG, & Murray, NE (1991). Sistem Sekatan dan Pengubahsuaian. Annu. Pendeta Genet. , 25, 585-627.
17. Wu, Z., & Mou, K. (2016). Pemahaman genomik mengenai Campylobacter jejuni virulence dan genetik penduduk. Maklumat lanjut Dis. Terjemahkan. Med., 2 (3), 109–119.
18. Yuan, R. (1981). Struktur dan Mekanisme Endonukleas Sekatan Multifungsi. Annu. Biokimia Pendeta , 50, 285-315.