Процессивность ДНК-полимераз и роль белков-зажимов.
Processivity
Процессивность ферментов в биохимии: способность к последовательным реакциям без отсоединения от субстрата. Важна для скорости репликации ДНК и работы ДНК-полимераз.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
В молекулярной биологии и биохимии процессивность – это способность фермента катализировать последовательные реакции, не отсоединяясь от своего субстрата. Например, процессивность определяется как среднее число нуклеотидов, добавляемых ферментом полимеразой, таким как ДНК-полимераза, за один цикл связывания с матрицей. Поскольку связывание полимеразы с матрицей является лимитирующей стадией синтеза ДНК, общая скорость репликации ДНК в S-фазу клеточного цикла зависит от процессивности ДНК-полимераз, осуществляющих репликацию. Белки-зажимы ДНК являются важными компонентами механизма репликации ДНК и служат для повышения процессивности ассоциированных с ними полимераз. Некоторые полимеразы способны присоединить более 50 000 нуклеотидов к растущей цепи ДНК, прежде чем диссоциировать от матрицы, обеспечивая скорость репликации до 1000 нуклеотидов в секунду.
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.
Взаимодействие с ДНК
Полимеразы взаимодействуют с фосфатным остовом и малой бороздкой ДНК, поэтому их взаимодействие не зависит от конкретной последовательности нуклеотидов. Связывание в значительной степени опосредовано электростатическими взаимодействиями между ДНК и доменами "большой палец" и "ладонь" метафорически сформированной в форме руки молекулы ДНК-полимеразы. Когда полимераза продвигается вдоль последовательности ДНК после добавления нуклеотида, взаимодействия с малой бороздкой прерываются, но взаимодействия с фосфатным остовом остаются более стабильными, что позволяет быстро повторно связываться с малой бороздкой на следующем нуклеотиде. Взаимодействие с ДНК также облегчается белками-зажимами ДНК, которые являются мультимерными белками, полностью окружающими ДНК, с которой они ассоциируются в точках репликации. Их центральное отверстие достаточно велико, чтобы пропускать нити ДНК и некоторые окружающие молекулы воды, что позволяет зажиму скользить вдоль ДНК, не диссоциируя от нее и не ослабляя белок-белковые взаимодействия, поддерживающие тороидальную форму. При ассоциации с зажимом ДНК, ДНК-полимераза значительно более процессивна; без зажима большинство полимераз имеют процессивность всего около 100 нуклеотидов. Взаимодействие между полимеразой и зажимом более устойчиво, чем взаимодействие между полимеразой и ДНК. Таким образом, когда полимераза диссоциирует от ДНК, она все еще связана с зажимом и может быстро повторно ассоциироваться с ДНК. Примером такого зажима ДНК является PCNA (пролиферирующий клеточный ядерный антиген), обнаруженный у S. cerevisiae.
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.
Процессивность полимеразы
Многочисленные ДНК-полимеразы выполняют специализированные роли в процессе репликации ДНК. У E. coli, которая реплицирует весь геном из одной репликационной вилки, полимераза ДНК Pol III является основным ферментом, ответственным за репликацию ДНК, и формирует репликационный комплекс с исключительно высокой процессивностью. Родственная Pol I обладает экзонуклеазной активностью и служит для удаления РНК-праймеров, используемых для инициации синтеза ДНК. Затем Pol I синтезирует короткие фрагменты ДНК на месте бывших РНК-фрагментов. Таким образом, Pol I гораздо менее процессивна, чем Pol III, поскольку её основная функция в репликации ДНК заключается в создании множества коротких участков ДНК, а не нескольких очень длинных. У эукариот, обладающих гораздо большим разнообразием ДНК-полимераз, инициирующий фермент с низкой процессивностью называется Pol α, а ферменты, обеспечивающие удлинение, с высокой процессивностью – Pol δ и Pol ε. И прокариотам, и эукариотам необходимо "заменять" связанные полимеразы для перехода от инициации к удлинению. Этот процесс называется переключением полимераз.
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.