Почему репликация ДНК осуществляется в направлении от 5' к 3'?

У профессора Аллена Гатмана есть отличное 10-минутное видео на Youtube, объясняющее реакцию добавления нуклеотида в направлении от 5' к 3' и почему это не работает в обратном направлении.

Вкратце, энергия для образования фосфодиэфирной связи исходит от dNTP, который необходимо добавить. dNTP представляет собой нуклеотид, к 5'-концу которого присоединены два дополнительных фосфата. Чтобы соединить группу 3'ОН с фосфатом следующего нуклеотида, из этой фосфатной группы необходимо удалить один кислород. Этот кислород также связан с двумя дополнительными фосфатами, которые также связаны с Mg++. Mg++ притягивает электроны кислорода, что ослабляет эту связь, и происходит так называемая нуклеофильная атака кислорода из 3'ОН, в результате чего образуется фосфодиэфирная связь.

Если вы попытаетесь соединить 3'ОН-группу dNTP с 5'-фосфатом следующего нуклеотида, не будет достаточно энергии, чтобы ослабить связь между кислородом, соединенным с 5'-фосфором (два других фосфата dNTP являются на 5'-конце, а не на 3'-конце), что затрудняет нуклеофильную атаку.

Посмотрите видео, там лучше объяснено.

Для репликации ДНК требуется источник энергии, эта энергия получается за счет расщепления 5'-трифосфата нуклеотида, который добавляется к существующей цепи ДНК. Любой альтернативный механизм полимеразы должен учитывать источник энергии, необходимой для добавления нуклеотида.

Самый простой способ, который можно представить для осуществления обратной 3'-5'-полимеризации, - это использовать нуклеотид-3'-трифосфат вместо нуклеотид-5'-трифосфата, который использует каждая существующая полимераза. Это позволило бы использовать практически такой же механизм, как у существующих полимераз, только с другими нуклеотидами в качестве субстратов. Проблема с этой моделью заключается в том, что рибонуклеотид-3'-трифосфаты менее стабильны в кислых условиях из-за соседнего 2'-ОН (хотя это, очевидно, относится только к РНК, а не к ДНК).

Таким образом, любая 3'-5'-полимераза, вероятно, должна использовать те же нуклеотид-5'-трифосфаты, что и 5'-3'-полимераза. Это означало бы, что трифосфат, обеспечивающий энергию для добавления нового нуклеотида, будет находиться на удлиняемой цепи ДНК, а не на вновь добавленном нуклеотиде.

Одним из недостатков этого подхода является то, что нуклеотидтрифосфаты спонтанно гидролизуются в водных условиях. Это не представляет серьезной проблемы для 5'-3'-полимеразы, поскольку трифосфат находится на новом нуклеотиде, а полимеразе просто нужно найти новый нуклеотид. Для 3'-5'-полимеразы спонтанный гидролиз представляет собой проблему, поскольку трифосфат находится в растущей цепи. Если он подвергается гидролизу, вся полимеризация должна быть либо прервана, либо трифосфат должен быть прочитан каким-то механизмом.

Вы можете взглянуть на статью «Модель эволюции направленности нуклеотидной полимеразы» Джошуа Балланко и Марка Л. Мэнсфилда для получения дополнительной информации об этом. Они создали модель ранней эволюции полимеразы, хотя и не пришли к какому-либо окончательному выводу.

На мой взгляд, «отличное 10-минутное видео на Youtube» профессора Аллена Гатмана — пустая трата времени, если вы уже знаете, как происходит гидролиз. На самом деле, он не рассматривал маршрут 3'->5' беспристрастно; он, кажется, не рассматривает возможность появления трифосфата на растущем 5'-конце нити в случае 3'->5'.

На самом деле единственная разница между двумя путями (5'->3' и 3'->5') состоит в том, что реагирующий трифосфат появляется в разных местах. В обычном случае гидролизуемый трифосфат принадлежит добавленному нуклеотиду, тогда как в последнем случае гидролизуемый трифосфат принадлежит нуклеотиду на растущей цепи. Оба осуществимы.

На самом деле известно, что РНК -полимераза обладает двойной активностью, но ведь у РНК-полимеразы нет корректирующей активности!. Вычитка требует удаления несовпадающего основания, но в направлении 3'-> 5 основание израсходовало трифосфат на 5'-конце нити, поэтому больше невозможно добавить заменяющее основание. Активность 3'->5' легко разрушает корректирующую способность полимеразы. Таким образом, в основном именно потребность в корректуре ограничивает синтез цепей ДНК до 5'->3' . Почему это так, потребуется гораздо больше объяснений (если на словах), но я думаю, что картинка имеет гораздо большую объяснительную силу, чем тысяча слов. Я добавил картинку из Essential Cell Biologyкоторый показывает ответ на вопрос «ПОЧЕМУ»:

Другим важным моментом является ремонт. Если в одной цепи отсутствует один или несколько нуклеотидов, восстановление отсутствующего нуклеотида будет невозможно для синтеза 3'-5', потому что 5'-трифосфат отсутствует. С другой стороны, 5'-3'-синтез не требует присутствия 3'-трифосфата в месте репарации. Это важно. То есть синтез от 3' до 5' не позволяет репарировать нуклеотиды.

На самом деле существует полимераза, которая катализирует 3'-5'-элонгацию. См., например, надсемейство Thg1. «Делаем это в обратном порядке: полимеризация 3'-в-5' суперсемейством Thg1». Джекман и др.