Chemie der Phosphodiesterbindungsbildung durch DNA-Polymerase

Ich habe dieses Papier gefunden , das sehr tief in die molekularen Details der einzelnen Schritte dieser Reaktion eingeht und auch diskutiert, wie dies mit der Nukleotidselektivität gekoppelt ist.

Die "grundlegenden" Details zur Reaktion (zitiert aus diesem Abschnitt , der auch eine schöne Figur hat):

Die Polymerisationsreaktion verläuft durch einen einfachen nukleophilen Angriff des 3'OH des Primers auf das α-Phosphat des ankommenden dNTP, gefolgt von der Eliminierung von Pyrophosphat [...] Die Reaktion verwendet einen "Zwei-Metallionen"-Mechanismus, bei dem Metall Ion A aktiviert das 3'OH als Metallhydroxid, während beide Metalle A und B die sich entwickelnde negative Ladung auf dem α-Phosphat im Übergangszustand stabilisieren.

Die Metallionen sind Magnesium (Mg$^{2+}$) und werden durch die Enzymstruktur richtig positioniert, und einige zusätzliche Aminosäureseitenketten helfen auch bei der Aktivierung der Reaktion.

Apologie

Die Antwort von @Nicolai ist im Wesentlichen richtig (und ich habe sie positiv bewertet). Ich bin jedoch der Meinung, dass die Frage bestimmte falsche Annahmen enthält, die in Frage gestellt werden sollten, damit naive Leser der Frage nicht dazu verleitet werden, sie zu akzeptieren. (Ich bezeichne diese im Folgenden als "Probleme".) Ich bin auch der Meinung, dass in dieser Hinsicht Illustrationen erforderlich sind, die nicht in der Antwort von @Nicolai enthalten sind.)

Unterstützende Autorität

Ich habe einen Artikel von Gao und Wang in Science aus dem Jahr 2016 als meine Quelle verwendet, daraus zitiert und einen Teil einer seiner Zahlen für diejenigen reproduziert, die keinen Bibliothekszugang zu dieser Zeitschrift haben. Die Autoren schlagen tatsächlich einen „Drei-Metallionen“-Mechanismus vor und nicht den von @Nicolai erwähnten „Zwei-Metallionen“-Mechanismus. Dies berührt jedoch nicht die grundlegenden Punkte, die ich anführe, obwohl es dazu dient, zu veranschaulichen, dass die Details des Enzymmechanismus von einer Komplexität sind, die für den Unterricht auf einer einführenden Ebene ungeeignet ist.

Hier sind zwei Keyframes aus Abb. 1 dieses Papiers:

Problem 1

„Ich gehe davon aus, dass die DNA-Polymerase die freigesetzten Phosphate von ATP (und den entsprechenden Formen von GTP, CTP, TTP) nutzt, um aktiviert zu werden?“

Ein Enzym wird nicht durch die Produkte der Reaktion, die es katalysiert, „aktiviert“. Die Bindung des Substrats kann zu einer Konformationsänderung führen, die zu einem günstigeren Zustand für die Katalyse führt – und die in einer Diskussion zu diesem Thema als „Aktivierung“‡ bezeichnet werden könnte; aber die Verwendung dieses Wortes kann nur auf der Ebene verwirren, auf der die aktuelle Frage gestellt wird. Dies liegt daran, dass eines der Schlüsselkonzepte in der Enzymkatalyse die „Aktivierungsenergie“ ist – die Energie, die zum Erreichen des Übergangszustands erforderlich ist . Aktivierungsenergie bezieht sich auf die Aktivierung der Reaktanten – nicht des Enzyms. Um aus dem Papier zu zitieren:

Enzyme erhöhen die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen, was vermutlich durch eine Verringerung der Aktivierungsenergie erfolgt, die zum Erreichen des Übergangszustands erforderlich ist (Abb. 1A).

Chemische Reaktionen, die zu einer Abnahme der (Gibbs) Freien Energie (der „Energie“-Achse in Abb. 1A) führen, sind thermodynamisch günstig. Sie treten langsam auf, weil sie einen Übergangszustand höherer Energie durchlaufen. Die Rolle eines Enzymkatalysators besteht darin, die Energie zu senken, um diesen Übergangszustand zu erreichen (die Aktivierungsenergie). Wie die Abbildung zeigt, ist diese Reaktion thermodynamisch günstig. Das freigesetzte Pyrophosphat hat keine Funktion, außer dass es durch Pyrophosphatasen hydrolysiert wird, um zu verhindern, dass die Polymerisation rückgängig gemacht wird.

Problem 2

Es ist unklar, was der Pfeil links in der Abbildung in der Frage (vom α-Phosphat des dNTP zum Primer OH) darstellen soll†. Normalerweise würde man davon ausgehen, dass es sich um ein Elektron handelt, aber hier macht das keinen Sinn. Wie @Nicolai sagt

„… die Reaktion verläuft durch einen einfachen nukleophilen Angriff des 3'OH des Primers auf das α-Phosphat des ankommenden dNTP“

dh der Pfeil sollte von den Sauerstoffelektronen des OH zum nucleophilen Phosphat zeigen. Dies ist in Fig. 1B gezeigt (wo sich die entstehende DNA-Kette links und das dNTP rechts befindet). Die letztere Abbildung zeigt tatsächlich den Übergangszustand, was es allgemein erlaubt, zu sehen, wie dieser von niedrigerer Energie sein könnte als für die unkatalysierte nicht-enzymatische Reaktion. Es wird durch die beiden Metallionen (Mg ²⁺ ) stabilisiert, die ihrerseits durch saure Seitenketten am aktiven Zentrum des Enzyms in der richtigen Position gehalten werden.

Fußnoten
‡Wie @user1136 betont, wird der Ausdruck „Enzymaktivierung“ auch verwendet, um die Wirkung positiver allosterischer Effektoren zu beschreiben – kleine Moleküle, die die Aktivität des aktiven Zentrums durch eine strukturelle Veränderung erhöhen, die durch ihre Bindung an einer vom Wirkstoff entfernten Stelle ausgelöst wird Seite – die allosterische Seite. Dies ist eine weitere mögliche Ursache für Verwirrung, da es hier keine Relevanz hat.

†In einem Kommentar schreibt das Plakat: „Der Pfeil auf dem … Bild … repräsentiert die konzeptionelle Bewegung von Molekülen und nicht die chemischen Wechselwirkungen der ‚realen Welt‘“. Wenn dies beabsichtigt war (Quelle ist mir nicht bekannt), hätten die Autoren meiner Meinung nach einen anderen Pfeilstil verwenden sollen (z. B. einen breiteren, ➡︎ statt ➛, und ihn nicht vom Phosphat zum OH ziehen sollen). ... Es verrät einen Mangel an Wissen oder Interesse an chemischen Konventionen und ist besonders irreführend für den Studenten, der die Biologie auf chemischer Ebene verstehen möchte.Ich finde es bei einem Verlag mit einem Ruf wie dem von Benjamin unentschuldbar.