Was macht/unterbricht die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen DNA und RNA während der Transkription?

Ich würde nicht wirklich sagen, dass die RNA-Polymerase die Wasserstoffbrücken so sehr „erzeugt“, wie es die Thermodynamik ist, die sie erzeugt. Wenn wir von einem Enzym sprechen, das eine Bindung "erzeugt", beziehen wir uns im Allgemeinen auf ein Enzym, das eine Reaktion erleichtert, indem es seine Aktivierungsenergie senkt, damit sie ablaufen kann.

Bei der Wasserstoffbrückenbindung zwischen Basenpaaren ist jedoch nicht wirklich viel Aktivierungsenergie zu überwinden. Vor der Bildung schwimmt das Nukleotid einfach in der Zelle herum (solvatisiert durch Wasser), und die Bildung eines Basenpaars ist energetisch stabiler als keine Paarung. Wenn ein Ribonukleotid zufällig in Kontakt mit dem ungepaarten DNA-Strang diffundiert, bildet sich die Wasserstoffbrücke spontan, weil sie energetisch günstig ist. Die Sache mit Wasserstoffbrückenbindungen ist jedoch, dass sie ziemlich schwach sind, also gibt es ein Gleichgewicht zwischen Bildung und Bruch. Wenn ein nicht übereinstimmendes Nukleotid in diesen Raum diffundiert, ist die Wasserstoffbindung nicht so stark und möglicherweise in einer falschen Ausrichtung, sodass es wieder herausdiffundiert. Wenn das richtige Nukleotid eintritt, bilden sich spontan Wasserstoffbrückenbindungen, halten es dort länger, und richtig ausrichten. Dadurch werden die Phosphate für die Rückgratbildung richtig platziert, was es der RNA-Polymerase ermöglicht, mit der Herstellung des Rückgrats fortzufahren.

Was das Aufbrechen der Wasserstoffbindungen betrifft, so ist es die Energie, die bei der Bildung der Phosphodiesterbindung freigesetzt wird, die dazu führt, dass die Bindungen am anderen Ende des RNA-DNA-Hybrids aufbrechen. Um die Dinge sehr zu vereinfachen, es ist eine Art Reißverschluss, bei dem die Vorwärtstranslokation der RNA-Polymerase entlang des DNA-Strangs durch die Bildung von Phosphodiesterbindungen angetrieben wird, die die Wasserstoffbrückenbindungen des RNA-DNA-Hybrids etwas mechanisch aufbrechen, wenn der entstehende RNA-Strang geht durch einen anderen Kanal als die DNA.

Verweise:

Strukturmodell des RNA-Polymerase-II-Verlängerungskomplexes mit vollständiger Transkriptionsblase zeigt den NTP-Eintrittsweg

Transkriptionsverlängerung: Heterogene Verfolgung von RNA-Polymerase und ihre biologischen Implikationen

Obwohl die Antwort von @StephenB im Wesentlichen richtig ist, möchte ich sie durch weitere visuelle Illustrationen ergänzen – einschließlich eines Links zu einer Animation, die das Poster angefordert hat – und die wichtigen Punkte wiederholen, die er zu Enzymen macht. Dies ist eine Frage der Enzymologie und Strukturbiologie und im Wesentlichen chemischer Natur.

Enzyme und Chemie

Um die konkret gestellte Frage zu beantworten:

Nein. Enzyme sind nicht dafür verantwortlich , irgendeine Art von Bindung herzustellen.

Die Bildung von Bindungen – einschließlich der Wasserstoffbrückenbindungen von Basenpaaren – wird von der Thermodynamik bestimmt. Enzyme sind Katalysatoren und beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit nur bei thermodynamisch günstigen Reaktionen. In Kürze:

1. Es treten nur Reaktionen auf, die zu einer Abnahme der freien Gibbs-Energie führen.
Wir vergleichen immer zwei alternative Situationen. Im Fall der Nukleinsäure-Hybridisierung müssen wir beispielsweise in verschiedenen Stadien der Transkription ssDNA vs. dsDNA, ssDNA und ssRNA vs. RNA-DNA-Heteroduplex, DNA-DNA-Homoduplex vs. RNA-DNA-Heteroduplex berücksichtigen. Das Problem bei der Transkription besteht nicht darin, warum rNTPs an DNA binden, sondern warum verschiedene Wasserstoffbrückenstrukturen notwendigerweise in verschiedenen Stadien des Zyklus auftreten.

2. Reaktionen beinhalten ein Gleichgewicht zwischen Vorwärts- und Rückwärtsrichtung.
Wenn ein Reaktionsprodukt nicht entfernt wird, gibt es im Allgemeinen keine konzeptionellen Schwierigkeiten, dass die Reaktion auch in umgekehrter Richtung abläuft. Inwieweit dies geschieht, hängt von der Lage des Gleichgewichts ab. Für die Transkription ist eine solche Umkehrung wichtig, da RNA-Abschnitte, die anfänglich über Wasserstoffbrückenbindungen an die DNA gebunden waren, davon freigesetzt werden müssen und DNA-Abschnitte zwischen Doppelstrang und Einzelstrang wechseln müssen.

3. Enzyme beschleunigen Reaktionen (sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung). Sie haben keinen Einfluss darauf, ob eine Reaktion thermodynamisch günstig ist oder nicht.
Wie @StephenB erwähnte, beschleunigen Enzyme Reaktionen, indem sie die Aktivierungsenergie beeinflussen – im Allgemeinen den Grundzustand erhöhen oder die Aktivierungsenergie senken, indem sie eine alternative Reaktionssequenz erleichtern. Bei der Bindung des an rNTP wissen wir aus der Chemie, dass die Stärke einer Wasserstoffbrücke von ihrer Richtung abhängt. Daher werden viele zufällige Kollisionen unproduktiv sein. Ohne etwas über die wirkliche Situation zu wissen, können wir spekulieren, dass schwache Bindungen an Reste an der rNTP-Bindungsstelle der RNA-Polymerase eine Neuorientierung zur optimalen Position für die Basenpaarung erleichtern könnten.

Dieses Material wird ausführlicher in Lehrbüchern der Biochemie behandelt, z . B. Berg et al. CH. 8 .

Transkription – Der Film

In einem Artikel von Cell Perspectives aus dem Jahr 2012 beschrieben Cheung und Cramer einen Film über die mRNA-Transkription durch RNA-Polymerase II und andere Faktoren, die auf veröffentlichten Strukturen verschiedener Zwischenprodukte basieren. Obwohl dies durch Interpolation zwischen statischen „Schnappschüssen“ von Strukturen erzeugt wurde, ist es ein umfassender Versuch, dreidimensionale Strukturen zu verwenden, um verschiedene Stadien der Transkription anzusprechen – Schmelzen der dsDNA, Bewegung relativ zum DNA-Duplex und Dissoziation des transienten Heteroduplex. Dies wird in einer Abbildung aus dem Papier veranschaulicht:

Ich habe meine eigene Zusammenstellung von Screenshots des Abschnitts des Films (ab etwa 3,00 min) erstellt, der sich mit der Bindung von rNTPs befasst. Im Gegensatz zur obigen Abbildung zeigt es nur einen kleinen Ausschnitt der RNA-Polymerase, um den Fokus auf die dynamischen Veränderungen zu lenken, die in zwei Abschnitten dieses Proteins bei der Bindung des Substrats (ein weiteres Merkmal vieler Enzyme) auftreten.

Der rNTP-Bindungsschritt

Die Darstellung der rNTP-Bindung im Film wird wie folgt zusammengefasst:

…ein NTP-Substrat bindet zuerst an eine Konformation mit offenem aktivem Zentrum und nimmt einen Zustand vor der Insertion an…. Das NTP bewegt sich dann leicht, um die Insertionsstelle zu besetzen, während sich die Triggerschleife faltet, um das aktive Zentrum zu schließen…. Das Schließen des aktiven Zentrums um das NTP erzeugt Kontakte, die für die korrekte NTP-Selektion erforderlich sind, und führt zum katalytischen Nukleotideinbau und zur RNA-Verlängerung ….

Dies basiert auf der Arbeit von Vassylyev et al. die die molekularen Wechselwirkungen näher beschreiben. Ich zitiere einen Auszug aus ihrer Arbeit, um zu veranschaulichen, dass die Annahme über die Wechselwirkung des Substrats mit Resten des Enzyms bestätigt wird, aber auch, dass die Komplexität der Wechselwirkungen so groß ist, dass eine einfache Zusammenfassung nicht möglich ist:

Im ttEC/AMPcPP-Komplex bildet AMPcPP ein Watson-Crick-Basenpaar, wobei das Akzeptortemplat zwischen dem 39-Ende des RNA/DNA-Hybrids auf der einen Seite und den Proteinresten von TH und BH auf der anderen Seite liegt. Met b91238 (TH) und Thr b91088 (BH), die sich direkt auf die Substrat- bzw. Templatbasen stapeln, scheinen für die Positionierung und Auswahl des Substrats wesentlich zu sein (Abb. 2); die entsprechenden RNAPII-Reste Leu 1081 und Thr 831 scheinen ähnliche Funktionen in der Hefe EC13 zu haben. In Übereinstimmung mit Modellierungs- und biochemischen Studien1,4,15 bildet Asn b9737 Wasserstoffbrückenbindungen sowohl mit O39 als auch mit O29 des Substrats Ribose, wodurch eine Unterscheidung von den nicht verwandten dNTPs ermöglicht wird, denen eines oder beide dieser Atome fehlen (Abb. 2b, c). .

Der interessierte Leser muss die Arbeit selbst studieren. Ich beschränke mich darauf, ihn daran zu erinnern, dass die Strukturen von Enzymen dynamisch sind, weil es ein Gleichgewicht zwischen verschiedenen möglichen Strukturen geben kann und die Position dieses Gleichgewichts durch die Bindung anderer Moleküle an das Enzym verändert werden kann. Es ist immer noch Chemie – keine Magie!

Coda – Warum keine klare Antwort?

Der Leser, der daran gewöhnt ist, Reaktionsmechanismen von Enzymen in dogmatischer Form präsentiert zu bekommen, mag sich fragen, warum es so viele Wenn und Aber und Molekulardynamiken gibt, die daran beteiligt sind, herauszufinden, wie das rNTP die richtige Konformation erhält, um an die DNA-Matrize zu binden. Die Antwort ist, dass zwar die Struktur der Bindungsstelle (eigentlich scheint es zwei Alternativen zu geben) im Detail bekannt ist, die aufeinanderfolgenden Positionen des rNTP jedoch nicht, da es keine Möglichkeit gibt, es in diesen verschiedenen Stadien „einzufrieren“. Im Allgemeinen fängt man Zwischenprodukte in einer Reaktion ein, indem man beispielsweise Derivate davon herstellt, die binden, aber nicht reagieren. Es ist also relativ einfach, Strukturen für das gebundene und wasserstoffgebundene rNTP zu erhalten, aber nicht auf dem Weg dorthin. Eine Veröffentlichung von 2017 im Journal of Biophysicsweist darauf hin, dass mathematische Methoden immer noch als Grundlage für Argumente über den detaillierten Bindungsmechanismus verwendet werden.