ДНҚ полимеразаларының процессивтігі және репликация механизмі
Processivity
Молекулярлық биологияда ферменттердің процессивтігі – ДНК полимераза сияқты ферменттердің субстраттан бөлінбей қатар реакцияларды катализдеу қабілеті. ДНК көшірмесінің жылдамдығына әсер етеді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Молекулалық биология мен биохимияда процессивтілік – ферменттің "субстратын бөліп шығармай, тізбектей реакцияларды" катализдеу қабілеті. Мысалы, процессивтілік – ДНК полимераза сияқты полимераза ферментінің, үлгілік тізбекпен байланысқанда қосатын нуклеотидтердің орташа саны. Полимеразаның үлгіге байланысуы ДНК синтезінің баяулайтын кезеңі болғандықтан, жасуша циклінің S фазасында ДНК көшірмесінің жалпы жылдамдығы көшірме жасауға қатысатын ДНК полимеразаларының процессивтілігіне байланысты. ДНК қысқыш ақуыздары ДНК көшірмесі механизмінің маңызды бөлігі болып табылады және олармен байланысты полимеразалардың процессивтілігін арттыруға көмектеседі. Кейбір полимеразалар үлгіден ажырамас бұрын, өсіп келе жатқан ДНК тізбегіне 50 000-нан астам нуклеотид қосады, бұл секундына 1000-ға дейін нуклеотид көшіру жылдамдығын қамтамасыз етеді.
In molecular biology and biochemistry, processivity is an enzyme's ability to catalyze "consecutive reactions without releasing its substrate". For example, processivity is the average number of nucleotides added by a polymerase enzyme, such as DNA polymerase, per association event with the template strand. Because the binding of the polymerase to the template is the rate limiting step in DNA synthesis, the overall rate of DNA replication during S phase of the cell cycle is dependent on the processivity of the DNA polymerases performing the replication. DNA clamp proteins are integral components of the DNA replication machinery and serve to increase the processivity of their associated polymerases. Some polymerases add over 50,000 nucleotides to a growing DNA strand before dissociating from the template strand, giving a replication rate of up to 1,000 nucleotides per second.
ДНҚ-ға байлау өзара әсерлері
Полимеразалар ДНК-ның фосфат тірекшесімен және кіші ойығымен өзара әрекеттеседі, сондықтан олардың өзара әрекеттесуі нақты нуклеотидтік тізбекке байланысты емес. Байланыс негізінен ДНҚ мен метафоралық қол пішіндес ДНҚ полимераза молекуласының "бас бармағы" және "ладонь" домендері арасындағы электростатикалық өзара әрекеттесу арқылы жүзеге асырылады. Полимераза нуклеотид қосылғаннан кейін ДНК тізбегі бойымен жылжығанда, кіші ойықпен байланыс ажыратылады, бірақ фосфат тірекшесімен байланыс тұрақты болып қалады, бұл келесі нуклеотидтегі кіші ойыққа жылдам қайта байланысуға мүмкіндік береді. ДНҚ-мен өзара әрекеттесуді ДНҚ-ны толық қоршап тұратын мультимерлі ақуыздар – ДНҚ тұтқалары да жеңілдетеді, олар көбейту шатырындағы ДНҚ-мен байланысады. Олардың орталық тесігі ДНК тізбектері мен кейбір су молекулаларын қабылдауға жеткілікті үлкен, бұл тұтқаға ДНК бойымен ажырамай және тороид пішінін сақтайтын белок-белок өзара әрекеттесуін әлсіздетпей жылжуға мүмкіндік береді. ДНҚ-полимераза ДНҚ тұтқасымен байланысқанда, оның процессивтігі күрт артады; тұтқасыз көптеген полимеразалардың процессивтігі шамамен 100 нуклеотидке жетеді. Полимераза мен тұтқа арасындағы өзара әрекеттесу полимераза мен ДНҚ арасындағы өзара әрекеттесуге қарағанда тұрақтырақ. Полимераза ДНҚ-дан ажырағанда, ол әлі де тұтқаға байланған күйде болады және ДНҚ-мен жылдам қайта байланыса алады. Мұндай ДНҚ тұтқасының мысалы – S. cervesiae-де кездесетін PCNA (көбейіп өсетін жасушалық ядролық антиген).
Polymerases interact with the phosphate backbone and the minor groove of the DNA, so their interactions do not depend on the specific nucleotide sequence. The binding is largely mediated by electrostatic interactions between the DNA and the "thumb" and "palm" domains of the metaphorically hand shaped DNA polymerase molecule. When the polymerase advances along the DNA sequence after adding a nucleotide, the interactions with the minor groove dissociate but those with the phosphate backbone remain more stable, allowing rapid re binding to the minor groove at the next nucleotide. Interactions with the DNA are also facilitated by DNA clamp proteins, which are multimeric proteins that completely encircle the DNA, with which they associate at replication forks. Their central pore is sufficiently large to admit the DNA strands and some surrounding water molecules, which allows the clamp to slide along the DNA without dissociating from it and without loosening the protein–protein interactions that maintain the toroid shape. When associated with a DNA clamp, DNA polymerase is dramatically more processive; without the clamp most polymerases have a processivity of only about 100 nucleotides. The interactions between the polymerase and the clamp are more persistent than those between the polymerase and the DNA. Thus, when the polymerase dissociates from the DNA, it is still bound to the clamp and can rapidly reassociate with the DNA. An example of such a DNA clamp is PCNA (proliferating cell nuclear antigen) found in S. cervesiae.
Полимераза процессивностьтері
Бірнеше ДНК полимеразалар ДНК репликация процесінде белгілі бір мақсаттарда қолданылады. E. coli бактериясында, геномының барлығы бір репликациялық түймеден көбейтілетін болса, ДНК Pol III полимеразасы ДНК репликациясы үшін жауапты негізгі фермент болып табылады және өте жоғары процессивтілікке ие репликациялық кешен құрайды. ДНК Pol I полимеразасы экзонуклеазалық активтілікке ие және ДНК синтезін бастау үшін қолданылатын РНК праймерлерін ыдыратады. Содан кейін Pol I бұрынғы РНК фрагменттерінің орнына қысқа ДНК фрагменттерін синтездейді. Осылайша, Pol I полимеразасы Pol III-ке қарағанда процессивтілігі төмен, себебі ДНК репликациясындағы оның негізгі функциясы – бірнеше ұзақ ДНК аймақтарын емес, көптеген қысқа ДНК аймақтарын жасау болып табылады. Эукариоттарда, ДНК полимеразаларының әртүрлілігі жоғары болғандықтан, төмен процессивтілікке ие бастаушы фермент Pol α, ал жоғары процессивтілікке ие кеңейту ферменттері Pol δ және Pol ε деп аталады. Прокариоттар мен эукариоттар бастаудан ұзартуға өту үшін байланысқан полимеразаларды алмастыруы керек. Бұл процесс полимераза алмасу деп аталады.
Multiple DNA polymerases have specialized roles in the DNA replication process. In E. coli, which replicates its entire genome from a single replication fork, the polymerase DNA Pol III is the enzyme primarily responsible for DNA replication and forms a replication complex with extremely high processivity. The related DNA Pol I has exonuclease activity and serves to degrade the RNA primers used to initiate DNA synthesis. Pol I then synthesizes the short DNA fragments in place of the former RNA fragments. Thus Pol I is much less processive than Pol III because its primary function in DNA replication is to create many short DNA regions rather than a few very long regions. In eukaryotes, which have a much higher diversity of DNA polymerases, the low processivity initiating enzyme is called Pol α, and the high processivity extension enzymes are Pol δ and Pol ε. Both prokaryotes and eukaryotes must "trade" bound polymerases to make the transition from initiation to elongation. This process is called polymerase switching.