Химия образования фосфодиэфирной связи ДНК-полимеразой

Я нашел эту статью , в которой очень подробно рассматриваются молекулярные детали отдельных стадий этой реакции, а также обсуждается, как это связано с селективностью по нуклеотидам.

«Основные» сведения о реакции (цитируются из этого раздела , в котором также есть хороший рисунок):

Реакция полимеризации протекает путем простой нуклеофильной атаки 3'ОН праймера на α-фосфат входящего dNTP с последующим отщеплением пирофосфата [...] В реакции используется механизм «двух ионов металлов», в котором металл ион A активирует 3'OH в виде гидроксида металла, в то время как оба металла A и B стабилизируют развивающийся отрицательный заряд на α-фосфате в переходном состоянии.

Ионы металлов представляют собой магний (Mg$^{2+}$) и правильно расположены в структуре фермента, а некоторые дополнительные боковые цепи аминокислот также помогают активировать реакцию.

Апология

Ответ, данный @Nicolai, по существу правильный (и я проголосовал за него). Однако я чувствую, что вопрос воплощает в себе определенные ошибочные предположения, которые следует оспорить, чтобы наивные читатели вопроса не были введены в заблуждение и не приняли их. (Я называю это ниже «проблемами».) Я также чувствую, что в этом отношении необходимы иллюстрации, не включенные в ответ, предоставленный @Nicolai.)

Вспомогательный орган

Я использовал статью Гао и Вана в журнале Science 2016 года в качестве авторитета, цитируя ее и воспроизводя часть одного из рисунков для тех, у кого нет библиотечного доступа к этому журналу. Авторы фактически предлагают механизм «иона трех металлов», а не механизм «иона двух металлов», упомянутый @Nicolai. Это, однако, не затрагивает основных моментов, которые я излагаю, хотя и служит иллюстрацией того, что детали механизма фермента настолько сложны, что не подходят для обучения на вводном уровне.

Вот два ключевых кадра с рис. 1 этой статьи:

Проблема 1

«Я предполагаю, что ДНК-полимераза использует преимущества высвобождаемых фосфатов из АТФ (и соответствующих форм ГТФ, ЦТФ, ТТФ) для активации?»

Фермент не «активируется» продуктами реакции, которую он катализирует. Связывание субстрата может привести к изменению конформации, которое приводит к более благоприятному состоянию для катализа, и которое можно назвать «активацие黇 при обсуждении этой темы; но использование этого слова может только сбить с толку на том уровне, на котором задается текущий вопрос. Это связано с тем, что одним из ключевых понятий ферментативного катализа является «энергия активации» — энергия, необходимая для достижения переходного состояния . Энергия активации относится к активации реагентов, а не фермента. Цитата из бумаги:

Ферменты увеличивают скорость химических реакций, что, как считается, происходит за счет снижения энергии активации, необходимой для достижения переходного состояния (рис. 1А).

Химические реакции, которые приводят к уменьшению свободной энергии (Гиббса) (ось «Энергия» на рис. 1А), являются термодинамически благоприятными. Они происходят медленно, потому что проходят через переходное состояние с более высокой энергией. Роль фермента-катализатора заключается в снижении энергии, необходимой для достижения этого переходного состояния (энергии активации). Как видно из рисунка, эта реакция термодинамически выгодна. Высвобожденный пирофосфат не выполняет никакой функции, кроме гидролиза пирофосфатазами, чтобы предотвратить обратную полимеризацию.

Проблема 2

Неясно, что означает стрелка слева от рисунка в вопросе (от α-фосфата dNTP к праймеру OH)†. Обычно можно было бы предположить, что это электрон, однако здесь это не имеет смысла. Как говорит @Nicolai

«…реакция протекает путем простой нуклеофильной атаки 3'ОН праймера на α-фосфат входящего dNTP»

т.е. стрелка должна идти от электронов кислорода ОН к нуклеофильному фосфату. Это показано на рис. 1B (где зарождающаяся цепь ДНК находится слева, а dNTP — справа). Последний рисунок фактически показывает переходное состояние, что позволяет в общих чертах увидеть, как это может иметь более низкую энергию, чем для некатализируемой неферментативной реакции. Он стабилизируется двумя ионами металлов (Mg ²⁺ ), которые удерживаются в соответствующем положении кислотными боковыми цепями в активном центре фермента.

Сноски
‡ Как указывает @user1136, выражение «активация фермента» также используется для описания действия положительных аллостерических эффекторов — небольших молекул, которые повышают активность активного центра за счет структурных изменений, инициируемых их связыванием на участке, удаленном от активного. сайт — аллостерический сайт. Это еще одна потенциальная причина путаницы, поскольку здесь она не имеет значения.

† В комментарии плакат пишет: «Стрелка на… картинке… представляет собой концептуальное движение молекул, а не химические взаимодействия в «реальном мире». Если это и имелось в виду (я не знаком с источником), то, на мой взгляд, авторам следовало использовать другой стиль стрелки (например, более широкую, ➡︎, а не ➛, а не проводить ее от фосфата к ОН ). ... Это выдает недостаток либо знаний, либо интереса к химическим условностям, и особенно вводит в заблуждение студента, который хочет понять биологию на химическом уровне Я нахожу это непростительным для издателя с такой репутацией, как у Бенджамина.