Что создает/разрывает водородные связи между ДНК и РНК во время транскрипции?

Я бы не сказал, что РНК-полимераза «создает» водородные связи настолько, насколько их создает термодинамика. Когда мы говорим о ферменте, «создающем» связь, мы обычно имеем в виду фермент, облегчающий реакцию за счет снижения энергии активации, чтобы она могла протекать.

Однако в водородных связях между парами оснований на самом деле не так много энергии активации, которую нужно преодолеть. Перед образованием нуклеотид просто плавает в клетке (сольватируется водой), и образование пары оснований более энергетически стабильно, чем отсутствие пары. Когда рибонуклеотид диффундирует в контакт с неспаренной цепью ДНК, спонтанно образуется водородная связь, потому что это энергетически выгодно. Однако проблема водородных связей в том, что они довольно слабые, поэтому существует равновесие между образованием и разрушением. Когда несовпадающий нуклеотид диффундирует в это пространство, водородная связь становится не такой прочной, и он может иметь неправильную ориентацию, поэтому он снова диффундирует. Когда попадет правильный нуклеотид, водородные связи будут образовываться спонтанно, дольше удерживать его там, и правильно сориентировать. Это правильно размещает фосфаты для формирования остова, что позволяет РНК-полимеразе продолжить создание остова.

Что касается разрыва водородных связей, то энергия, высвобождаемая при образовании фосфодиэфирной связи, вызывает разрыв связей на другом конце гибрида РНК-ДНК. Чтобы сильно упростить ситуацию, это что-то вроде молнии, где прямое перемещение РНК-полимеразы вдоль нити ДНК приводит к образованию фосфодиэфирной связи, которая разрывает водородные связи гибрида РНК-ДНК несколько механически, когда зарождающаяся нить РНК уходит. через другой канал, чем ДНК.

Использованная литература:

Структурная модель комплекса элонгации РНК-полимеразы II с пузырем полной транскрипции раскрывает путь входа NTP

Удлинение транскрипции: гетерогенное отслеживание РНК-полимеразы и его биологические последствия

Хотя ответ, предоставленный @StephenB, по сути верен, я хотел бы дополнить его дополнительными наглядными иллюстрациями, включая ссылку на анимацию, которую запросил автор, а также повторить важные замечания, которые он делает о ферментах. Это вопрос энзимологии и структурной биологии, и он по сути своей химический.

Ферменты и химия

Чтобы ответить на конкретный поставленный вопрос:

Нет. Ферменты не несут ответственности за создание какой-либо связи.

Создание связей, включая водородные связи пар оснований, регулируется термодинамикой. Ферменты являются катализаторами и влияют только на скорость термодинамически выгодных реакций. Вкратце:

1. Происходят только реакции, приводящие к уменьшению свободной энергии Гиббса.
Мы всегда сравниваем две альтернативные ситуации. В случае гибридизации нуклеиновых кислот, например, мы можем на разных стадиях транскрипции рассматривать оцДНК против двухцепочечной ДНК, оцДНК и оцРНК против гетеродуплекса РНК-ДНК, гомодуплекса ДНК-ДНК против гетеродуплекса РНК-ДНК. Проблема с транскрипцией заключается не в том, почему rNTP связываются с ДНК, а в том, почему разные структуры с водородными связями по необходимости возникают на разных стадиях цикла.

2. Реакции предполагают равновесие между прямым и обратным направлением.
Если продукт реакции не удален, обычно не возникает концептуальных затруднений в отношении того, что реакция также протекает в обратном направлении. Степень, в которой это произойдет, будет зависеть от положения равновесия. Для транскрипции такая реверсия важна, потому что участки РНК, изначально связанные водородными связями с ДНК, должны быть освобождены от нее, а участки ДНК должны чередоваться между двухцепочечными и одноцепочечными.

3. Ферменты ускоряют реакции (как в прямом, так и в обратном направлении). Они не влияют на то, является ли реакция термодинамически благоприятной.
Как упоминал @StephenB, ферменты ускоряют реакции, влияя на энергию активации — обычно повышая основное состояние или понижая энергию активации, способствуя альтернативной последовательности реакций. В случае связывания рНТФ мы знаем из химии, что прочность водородной связи зависит от ее направленности. Следовательно, многие случайные столкновения будут непродуктивными. Ничего не зная о реальной ситуации, мы можем предположить, что слабые связи с остатками на сайте связывания rNTP РНК-полимеразы могут способствовать переориентации в оптимальное положение для спаривания оснований.

Этот материал более полно освещен в учебниках по биохимии, например Berg et al. Ч. 8 .

Транскрипция — Фильм

В статье Cell Perspectives в 2012 году Чеунг и Крамер описали фильм о транскрипции мРНК с помощью РНК-полимеразы II и других факторов на основе опубликованных структур различных промежуточных продуктов. Хотя это было получено путем интерполяции между статическими «моментальными снимками» структур, это всесторонняя попытка использования трехмерных структур для рассмотрения различных стадий транскрипции — плавления двухцепочечной ДНК, движения относительно дуплекса ДНК и диссоциации переходного гетеродуплекса. Это показано на рисунке из статьи:

Я создал свою собственную композицию скриншотов той части фильма (примерно с 3.00 мин.), которая посвящена связыванию rNTP. В отличие от рисунка выше, здесь показан лишь небольшой участок РНК-полимеразы, чтобы акцентировать внимание на динамических изменениях, происходящих в двух участках этого белка при связывании с субстратом (еще одна особенность многих ферментов).

Этап связывания rNTP

Описание связывания rNTP в фильме резюмируется следующим образом:

…субстрат NTP сначала связывается с конформацией открытого активного центра, принимая состояние перед внедрением…. Затем NTP немного перемещается, чтобы занять место вставки, когда триггерная петля складывается, закрывая активный центр… Закрытие активного центра вокруг NTP создает контакты, необходимые для правильного отбора NTP, и приводит к каталитическому включению нуклеотидов и удлинению РНК…

Это основано на работе Васильева и др. которые описывают молекулярные взаимодействия более подробно. Я цитирую выдержку из их статьи, чтобы проиллюстрировать, что предположение о взаимодействии субстрата с остатками на ферменте подтверждается, но также и то, что сложность взаимодействий такова, что невозможно сделать простой вывод:

В комплексе ttEC/AMPcPP AMPcPP образует пару оснований Уотсона-Крика с акцепторной матрицей, расположенной между 39-м концом гибрида РНК/ДНК с одной стороны и остатками белка из TH и BH с другой. Met b91238 (TH) и Thr b91088 (BH), которые укладываются непосредственно на основу подложки и матрицы соответственно, кажутся важными для позиционирования и выбора подложки (рис. 2); соответствующие остатки RNAPII Leu 1081 и Thr 831, по-видимому, имеют сходные функции в дрожжах EC13. В соответствии с моделированием и биохимическими исследованиями1,4,15, Asn b9737 образует водородные связи как с O39, так и с O29 субстрата рибозы, что позволяет различать неродственные dNTP, в которых отсутствует один или оба этих атома (рис. 2b, c). .

Заинтересованному читателю придется самостоятельно изучить статью. Я ограничусь тем, что напомню ему, что структуры ферментов динамичны, поскольку между различными возможными структурами может существовать равновесие, и положение этого равновесия может быть изменено за счет связывания с ферментом других молекул. Это все-таки химия — не магия!

Кода — Почему нет прямого ответа?

Читатель, привыкший к тому, что механизмы реакции ферментов представлены в догматической форме, может задаться вопросом, почему существует так много «если» и «но» и молекулярной динамики, связанных с выяснением того, как rNTP приобретает правильную конформацию для связывания с ДНК-матрицей. Ответ заключается в том, что хотя структура сайта связывания (на самом деле существует две альтернативы) известна в деталях, последовательные положения rNTP неизвестны, потому что нет способа «заморозить» его на этих разных стадиях. Обычно промежуточные продукты захватываются в реакции, например, путем создания из них производных, которые будут связываться, но не вступать в реакцию. Таким образом, относительно легко получить структуры для связанного и связанного водородными связями rNTP, но не на его пути. Статья 2017 года в Journal of Biophysics.указывает на то, что математические методы все еще используются в качестве основы для аргументов в пользу подробного механизма связывания.