Warum wird die DNA-Replikation in der 5'-3'-Richtung durchgeführt?

Prof. Allen Gathman hat ein großartiges 10-minütiges Video auf Youtube, das die Reaktion beim Hinzufügen von Nukleotiden in der 5'- bis 3'-Richtung erklärt und warum es andersherum nicht funktioniert.

Kurz gesagt kommt die Energie für die Bildung der Phosphodiesterbindung vom dNTP, das hinzugefügt werden muss. dNTP ist ein Nukleotid, an dessen 5'-Ende zwei zusätzliche Phosphate angehängt sind. Um die 3'OH-Gruppe mit dem Phosphat des nächsten Nukleotids zu verbinden, muss ein Sauerstoff von dieser Phosphatgruppe entfernt werden. Dieser Sauerstoff ist auch an zwei zusätzliche Phosphate gebunden, die ebenfalls an Mg++ gebunden sind. Mg++ zieht die Elektronen des Sauerstoffs hoch, wodurch diese Bindung geschwächt wird und es gelingt der sogenannte nukleophile Angriff des Sauerstoffs aus dem 3'OH, wodurch die Phosphodiesterbindung entsteht.

Wenn Sie versuchen, die 3'OH-Gruppe des dNTP mit dem 5'-Phosphat des nächsten Nukleotids zu verbinden, wird nicht genug Energie vorhanden sein, um die Bindung zwischen dem Sauerstoff zu schwächen, der mit dem 5'-Phosphor verbunden ist (die anderen beiden Phosphate des dNTP sind am 5'-Ende, nicht am 3'-Ende), was den nukleophilen Angriff erschwert.

Schau dir das Video an, dort ist es besser erklärt.

DNA-Replikationen benötigen eine Energiequelle, um fortzufahren, diese Energie wird gewonnen, indem das 5'-Triphosphat des Nukleotids gespalten wird, das der bestehenden DNA-Kette hinzugefügt wird. Jeder alternative Polymerasemechanismus muss die Energiequelle berücksichtigen, die zum Hinzufügen eines Nukleotids erforderlich ist.

Der einfachste Weg, den man sich vorstellen kann, um eine reverse 3'-5'-Polymerisation durchzuführen, wäre die Verwendung von Nukleotid-3'-Triphosphat anstelle des Nukleotid-5'-Triphosphats, das jede existierende Polymerase verwendet. Dies würde einen praktisch identischen Mechanismus wie bestehende Polymerasen ermöglichen, nur mit unterschiedlichen Nukleotiden als Substraten. Das Problem bei diesem Modell ist, dass Ribonukleotid-3'-Triphosphate unter sauren Bedingungen aufgrund des benachbarten 2'-OH weniger stabil sind (obwohl dies offensichtlich nur für RNA gilt, nicht für DNA).

Daher müsste jede 3'-5'-Polymerase wahrscheinlich die gleichen Nukleotid-5'-Triphosphate wie die 5'-3'-Polymerase verwenden. Dies würde bedeuten, dass das Triphosphat, das die Energie für die Addition eines neuen Nukleotids bereitstellt, auf dem verlängerten DNA-Strang und nicht auf dem neu hinzugefügten Nukleotid wäre.

Ein Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass Nukleotidtriphosphate unter wässrigen Bedingungen spontan hydrolysieren. Dies stellt für die 5'-3'-Polymerase kein signifikantes Problem dar, da sich das Triphosphat auf dem neuen Nukleotid befindet und die Polymerase nur ein neues Nukleotid finden muss. Für die 3'-5'-Polymerase ist die spontane Hydrolyse ein Problem, da sich das Triphosphat auf der wachsenden Kette befindet. Wenn dieses hydrolysiert wird, muss die gesamte Polymerisation entweder abgebrochen werden oder das Triphosphat muss durch einen Mechanismus erneut zugeführt werden.

Weitere Informationen hierzu finden Sie im Artikel „A Model for the Evolution of Nucleotide Polymerase Directionality“ von Joshua Ballanco und Marc L. Mansfield . Sie erstellten ein Modell zur frühen Polymerase-Evolution, kommen jedoch zu keinem endgültigen Ergebnis.

Meiner Meinung nach ist Prof. Allen Gathmans „großartiges 10-Minuten-Video auf Youtube“ eine ziemliche Zeitverschwendung, wenn Sie bereits wissen, wie Hydrolyse abläuft. Tatsächlich hat er die 3'->5'-Route nicht unvoreingenommen betrachtet; Er scheint nicht die Möglichkeit in Betracht zu ziehen, dass im 3'-> 5'-Fall ein Triphosphat an der wachsenden 5'-Spitze des Strangs auftritt.

Tatsächlich besteht der einzige Unterschied zwischen den beiden Wegen (5'->3' und 3'->5') darin, dass das reagierende Triphosphat an unterschiedlichen Stellen auftritt. Im Normalfall gehört das hydrolysierte Triphosphat zum hinzugefügten Nukleotid, während im letzteren Fall das hydrolysierte Triphosphat zum Nukleotid am wachsenden Strang gehört. Beides ist machbar.

Tatsächlich ist bekannt, dass die RNA- Polymerase eine doppelte Aktivität hat, aber sehen Sie, die RNA-Polymerase hat keine Korrekturleseaktivität! Das Korrekturlesen erfordert das Entfernen der nicht übereinstimmenden Base, aber in der 3'->5-Richtung hatte die Befestigung der Base das Triphosphat an der 5'-Spitze des Strangs verbraucht, sodass es nicht länger verfügbar ist, um die Ersatzbase hinzuzufügen. Die 3'->5'-Aktivität zerstört leicht die Korrekturlesefähigkeit einer Polymerase . Im Grunde genommen ist es also die Notwendigkeit des Korrekturlesens, die die Synthese von DNA-Strängen auf 5'->3' beschränkt . Warum das so ist, müsste viel mehr erklärt werden (wenn in Worten), aber ich denke, ein Bild hat eine weitaus bessere Erklärungskraft als tausend Worte. Ich habe ein Bild aus Essential Cell Biology hinzugefügtdas zeigt die Antwort auf die 'WARUM'-Frage:

Die andere wichtige Überlegung ist die Reparatur. Wenn ein oder mehrere Nukleotide in einem Strang fehlen, wäre eine Reparatur des fehlenden Nukleotids für die 3'-zu-5'-Synthese unmöglich, da kein 5'-Triphosphat vorhanden ist. Andererseits erfordert die 5'-zu-3'-Synthese kein 3'-Triphosphat, das an der Reparaturstelle vorhanden ist. Das ist wichtig. Das heißt, die 3'- bis 5'-Synthese erlaubt keine Nukleotidreparatur.

Tatsächlich gibt es eine Polymerase, die die 3'-5'-Elongation katalysiert. Siehe zum Beispiel die Thg1-Superfamilie. "Umgekehrt: 3'-zu-5'-Polymerisation durch die Thg1-Superfamilie." Jackmanet al.