Waarom wordt DNA-replicatie uitgevoerd in de richting van 5 'naar 3'?
DNA-replicatie gaat in de richting van 5 'naar 3' omdat DNA-polymerase inwerkt op de 3'-OH van de bestaande streng voor het toevoegen van vrije nucleotiden. Is er een biochemische reden waarom alle organismen zijn geëvolueerd om van 5 ′ naar 3 ′ te gaan?
Zijn er energetische / hulpbronnenvoordelen bij het gebruik van 5 'tot 3'? Is het gebruik van de 3'-OH van de bestaande streng om het fosfaat van het vrije nucleotide te binden energetisch gunstiger dan het gebruik van de 3'-OH van het vrije nucleotide om het fosfaat van de bestaande streng te binden? Zijn er meer middelen nodig om een ​​polymerase van 3 'tot 5' te maken?
Waarom is dit zelfs een goede vraag? U kunt een antwoord vinden in elk basishandboek over moleculaire biologie. Er is helemaal niets interessants aan! Kan iemand me alsjeblieft uitleggen waarom basisvragen als deze zoveel likes krijgen en echte vragen op onderzoeksniveau worden genegeerd?
Prof. Allen Gathman heeft een geweldige video van 10 minuten op YouTube, waarin de reactie wordt uitgelegd van het toevoegen van nucleotide in de 5 'naar 3'-richting en waarom het niet werkt in de andere manier.
In het kort, de energie voor de vorming van de fosfodiësterbinding komt van het dNTP, dat moet worden toegevoegd. dNTP is een nucleotide waaraan twee extra fosfaten zijn gehecht aan het 5'-uiteinde. Om de 3'OH-groep te verbinden met het fosfaat van de volgende nucleotide, moet één zuurstof uit deze fosfaatgroep worden verwijderd. Deze zuurstof zit ook vast aan twee extra fosfaten, die ook aan een Mg ++ zijn vastgemaakt. Mg ++ trekt de elektronen van de zuurstof omhoog, wat deze binding verzwakt en de zogenaamde nucleofiele aanval van de zuurstof uit de 3'OH slaagt, waardoor de fosfodiesterbinding wordt gevormd.
Als je probeert je aan te sluiten bij de dNTP's 3 'OH-groep naar het 5'-fosfaat van het volgende nucleotide, er zal niet genoeg energie zijn om de binding tussen de zuurstof die is verbonden met het 5'-fosfor te verzwakken (de andere twee fosfaten van het dNTP bevinden zich aan het 5'-uiteinde, niet op het 3'-uiteinde), wat de nucleofiele aanval moeilijker maakt.
Bekijk de video, daar wordt het beter uitgelegd.
Hoewel de video de basis goed uitlegt, negeert het de mogelijkheid om een ​​trifosfaat aan de primer toe te voegen (via een ander enzym of een secundaire polymerase-functionaliteit). De spontane hydrolyse van het trifosfaat zet de 3'-5'-variant in het nadeel, maar het idee is niet zo onmogelijk als prof. Gathman in de video beweert.
DNA-replicaties hebben een energiebron nodig om verder te gaan, deze energie wordt gewonnen door het 5'-trifosfaat van het nucleotide dat aan de bestaande DNA-keten wordt toegevoegd, te splitsen. Elk alternatief polymerase-mechanisme moet rekening houden met de bron van de energie die nodig is om een ​​nucleotide toe te voegen.
De eenvoudigste manier die men zich kan voorstellen om omgekeerde 3'-5'-polymerisatie uit te voeren, is het gebruik van nucleotide-3'- trifosfaat in plaats van het nucleotide-5'-trifosfaat dat elke bestaande polymerase gebruikt. Dit zou een praktisch identiek mechanisme mogelijk maken als bestaande polymerasen, alleen met verschillende nucleotiden als substraten. Het probleem met dit model is dat ribonucleotide-3'-trifosfaten minder stabiel zijn onder zure omstandigheden vanwege het naburige 2'-OH (hoewel dit uiteraard alleen geldt voor RNA, niet voor DNA).
Dus alle 3'-5'-polymerase zou waarschijnlijk dezelfde nucleotide-5'-trifosfaten moeten gebruiken als het 5'-3'-polymerase. Dit zou betekenen dat het trifosfaat dat de energie levert voor de toevoeging van een nieuw nucleotide, zich op de DNA-streng bevindt die wordt verlengd, en niet op het nieuw toegevoegde nucleotide.
Een nadeel van deze benadering is dat nucleotide-trifosfaten spontaan hydrolyseren onder waterige omstandigheden. Dit is geen significant probleem voor het 5'-3'-polymerase, aangezien het trifosfaat op het nieuwe nucleotide zit en het polymerase alleen een nieuw nucleotide moet vinden. Voor het 3'-5'-polymerase is spontane hydrolyse een probleem omdat het trifosfaat zich op de groeiende keten bevindt. Als die gehydrolyseerd raakt, moet de hele polymerisatie worden afgebroken of moet het trifosfaat door een of ander mechanisme worden gelezen.
U kunt het artikel "A Model for the Evolution of Nucleotide Polymerase Directionality" door Joshua Ballanco en Marc L. Mansfield bekijken voor meer informatie hierover. Ze creëerden een model over vroege polymerase-evolutie, hoewel ze geen definitieve conclusie trekken.
Naar mijn mening is de "geweldige video van 10 minuten op YouTube" van prof. Allen Gathman behoorlijk tijdverspilling als je al weet hoe hydrolyse gebeurt. In feite heeft hij de 3 '-> 5' route niet op een onbevooroordeelde manier bekeken; hij lijkt niet te kijken naar de mogelijkheid dat er een trifosfaat verschijnt aan de groeiende 5 'punt van de streng in het 3' -> 5 'geval.
Eigenlijk is het enige verschil tussen de twee routes (5 '-> 3' en 3 '-> 5') dat het reagerende trifosfaat op verschillende plaatsen verschijnt. In het gebruikelijke geval behoort het trifosfaat dat wordt gehydrolyseerd tot het toegevoegde nucleotide, terwijl in het laatste geval het trifosfaat dat wordt gehydrolyseerd tot het nucleotide op de groeiende streng behoort. Beide zijn mogelijk.
In feite is het bekend dat RNA -polymerase een dubbele activiteit heeft, maar u ziet dat RNA-polymerase geen proefleesactiviteit heeft !. Proeflezen vereist het verwijderen van de niet-overeenkomende basis, maar in de 3 '-> 5-richting had de bevestiging van de basis het trifosfaat aan de 5' punt van de streng verbruikt, dus het is niet langer beschikbaar om de vervangende basis toe te voegen. 3 '-> 5'-activiteit vernietigt gemakkelijk het proefleesvermogen van een polymerase Dus in feite is het de behoefte aan proeflezen die de synthese van DNA-strengen beperkt tot 5' -> 3 '. Waarom het zo is, zou veel meer uitleg nodig hebben (als het in woorden is), maar ik denk dat een foto een veel betere verklarende kracht heeft dan duizend woorden. Ik heb een afbeelding van Essential Cell Biology toegevoegd die het antwoord op de 'WAAROM'-vraag laat zien:
De andere belangrijke overweging is reparatie. Als een of meer nucleotiden ontbreken in een streng, is reparatie van het ontbrekende nucleotide onmogelijk voor 3 'tot 5' synthese, omdat er geen 5'-trifosfaat aanwezig is. Aan de andere kant vereist 5 'naar 3' synthese geen 3'-trifosfaat aanwezig op de reparatielocatie. Dit is belangrijk. Dat is 3 'tot 5' synthese maakt nucleotideherstel niet mogelijk.
Dit zou het geaccepteerde antwoord moeten zijn.
In feite is er een polymerase dat verlenging van 3 '- 5' katalyseert. Zie bijvoorbeeld de Thg1 superfamilie. "Omgekeerd: 3'-tot-5'-polymerisatie door de Thg1-superfamilie." Jackman, et al.