Frage:
Warum wird die DNA-Replikation in 5'- bis 3'-Richtung durchgeführt?
Damian Kao
2012-01-05 05:57:35 UTC
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Die DNA-Replikation verläuft in 5'- bis 3'-Richtung, da die DNA-Polymerase auf das 3'-OH des vorhandenen Strangs einwirkt, um freie Nukleotide hinzuzufügen. Gibt es einen biochemischen Grund, warum sich alle Organismen von 5 'auf 3' entwickelt haben?

Gibt es energetische / ressourcenbezogene Vorteile bei der Verwendung von 5 'bis 3'? Ist die Verwendung des 3'-OH des vorhandenen Strangs zur Bindung des Phosphats des freien Nukleotids energetisch günstiger als die Verwendung des 3'-OH des freien Nukleotids zur Bindung des Phosphats des vorhandenen Strangs? Benötigt man mehr Ressourcen, um eine 3'- bis 5'-Polymerase zu erzeugen?

Warum ist das überhaupt eine gute Frage? Eine Antwort finden Sie in jedem grundlegenden molekularbiologischen Lehrbuch. Daran ist überhaupt nichts Interessantes! Kann mir bitte jemand erklären, warum grundlegende Fragen wie diese so viele Likes bekommen und aktuelle Fragen auf Forschungsebene ignoriert werden?
Vier antworten:
#1
+31
Gergana Vandova
2012-01-05 06:42:58 UTC
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Prof. Allen Gathman hat ein großartiges 10-minütiges -Video auf Youtube, in dem die Reaktion der Zugabe von Nukleotid in der 5'- bis 3'-Richtung erklärt wird und warum es bei der anderen nicht funktioniert Kurz gesagt.

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

Wenn Sie versuchen, sich den dNTP 3 anzuschließen 'OH-Gruppe zum 5'-Phosphat des nächsten Nukleotids, es gibt nicht genug Energie, um die Bindung zwischen dem mit dem 5'-Phosphor verbundenen Sauerstoff zu schwächen (die anderen beiden Phosphate des dNTP befinden sich am 5'-Ende, nicht am das 3'-Ende), was den nukleophilen Angriff schwieriger macht.

Sehen Sie sich das Video an, es wird dort besser erklärt.

Während das Video die Grundlagen gut erklärt, ignoriert es die Möglichkeit, dem Primer ein Triphosphat hinzuzufügen (durch ein anderes Enzym oder eine sekundäre Polymerasefunktionalität). Die spontane Hydrolyse des Triphosphats benachteiligt die 3'-5'-Variante, aber die Idee ist nicht so unmöglich, wie Prof. Gathman im Video behauptet.
#2
+20
Mad Scientist
2012-01-05 15:33:38 UTC
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DNA-Replikationen benötigen eine Energiequelle, um fortzufahren. Diese Energie wird durch Spaltung des 5'-Triphosphats des Nukleotids gewonnen, das der vorhandenen DNA-Kette hinzugefügt wird. Jeder alternative Polymerasemechanismus muss die Quelle der Energie berücksichtigen, die für die Zugabe eines Nukleotids erforderlich ist.

Der einfachste Weg, eine umgekehrte 3'-5'-Polymerisation durchzuführen, wäre die Verwendung von Nukleotid-3'- Triphosphat anstelle des Nucleotid-5'-Triphosphats, das jede vorhandene 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 aufgrund des benachbarten 2'-OH unter sauren Bedingungen weniger stabil sind (obwohl dies offensichtlich nur für RNA gilt, nicht für DNA).

Also alle 3'-5'-Polymerase müsste wahrscheinlich die gleichen Nucleotid-5'-triphosphate wie die 5'-3'-Polymerase verwenden. Dies würde bedeuten, dass sich das Triphosphat, das die Energie für die Zugabe eines neuen Nukleotids liefert, auf dem verlängerten DNA-Strang und nicht auf dem neu hinzugefügten Nukleotid befindet.

Ein Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass Nucleotidtriphosphate unter wässrigen Bedingungen spontan hydrolysieren. Dies ist kein signifikantes Problem für die 5'-3'-Polymerase, 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 an der wachsenden Kette befindet. Wenn dieses hydrolysiert wird, muss die gesamte Polymerisation entweder abgebrochen werden oder das Triphosphat muss durch einen Mechanismus zurückgelesen werden.

Weitere Informationen hierzu finden Sie im Artikel "Ein Modell für die Entwicklung der Nucleotidpolymerase-Direktionalität" von Joshua Ballanco und Marc L. Mansfield. Sie haben ein Modell zur frühen Polymeraseentwicklung erstellt, kommen jedoch zu keinem endgültigen Ergebnis.

#3
+15
Asish George
2014-05-14 10:46:37 UTC
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Meiner Meinung nach ist Prof. Allen Gathmans "großartiges 10-minütiges 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 zu prüfen, dass ein Triphosphat an der wachsenden 5'-Spitze des Strangs im 3'-> 5'-Fall auftritt.

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

Tatsächlich ist bekannt, dass RNA -Polymerase eine doppelte Aktivität aufweist, aber Sie sehen, RNA-Polymerase hat keine Korrekturleseaktivität!. Das Korrekturlesen erfordert das Entfernen der nicht übereinstimmenden Basis, aber in der 3 '-> 5-Richtung hatte der Ansatz der Basis das Triphosphat an der 5'-Spitze des Strangs verbraucht, so dass es nicht mehr verfügbar ist, die Ersatzbasis hinzuzufügen. 3 '-> 5'-Aktivität zerstört leicht die Korrekturlesefähigkeit einer Polymerase Im Grunde genommen ist es die Notwendigkeit des Korrekturlesens, die die Synthese von DNA-Strängen auf 5' -> 3 ' beschränkt em>. Warum es so ist, würde viel mehr Erklärung brauchen (wenn in Worten), aber ich denke, ein Bild hat eine weitaus bessere Erklärungskraft als tausend Worte. Ich habe ein Bild aus Essential Cell Biology hinzugefügt, das die Antwort auf die 'WARUM'-Frage zeigt: enter image description here

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'- bis 5'-Synthese unmöglich, da kein 5'-Triphosphat vorhanden ist. Andererseits erfordert die 5'- bis 3'-Synthese kein 3'-Triphosphat, das an der Reparaturstelle vorhanden ist. Das ist wichtig. Das heißt, die 3'- bis 5'-Synthese erlaubt keine Nukleotidreparatur

Dies sollte die akzeptierte Antwort sein.
#4
+6
Peter Kramer
2014-02-28 03:44:20 UTC
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Tatsächlich gibt es eine Polymerase, die die Dehnung von 3 '- 5' katalysiert. Siehe zum Beispiel die Thg1-Superfamilie. "Umgekehrt: 3'-zu-5'-Polymerisation durch die Thg1-Superfamilie." Jackman et al.

Keine Referenz, keine Verwendung.


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