Prof. Allen Gathman ha un fantastico video di 10 minuti su Youtube, che spiega la reazione dell'aggiunta di nucleotidi nella direzione da 5 "a 3" e perché non funziona nell'altra

In breve, l'energia per la formazione del legame fosfodiestere proviene dal dNTP, che deve essere aggiunto. dNTP è un nucleotide che ha due fosfati aggiuntivi attaccati alla sua estremità 5 '. Per unire il gruppo 3'OH con il fosfato del nucleotide successivo, è necessario rimuovere un ossigeno da questo gruppo fosfato. Questo ossigeno è anche attaccato a due fosfati extra, anch'essi attaccati a un Mg ++. Mg ++ tira su gli elettroni dell'ossigeno, che indebolisce questo legame e il cosiddetto attacco nucleofilo dell'ossigeno da 3'OH ha successo, formando così il legame fosfodiestere.

Se provi a unire i 3 dNTP 'Gruppo OH al fosfato 5' del prossimo nucleotide, non ci sarà abbastanza energia per indebolire il legame tra l'ossigeno connesso al fosforo 5 '(gli altri due fosfati del dNTP sono all'estremità 5', non l'estremità 3 '), che rende più difficile l'attacco nucleofilo.

Guarda il video, è meglio spiegato lì.

Le repliche del DNA hanno bisogno di una fonte di energia per procedere, questa energia si ottiene scindendo il 5'-trifosfato del nucleotide che viene aggiunto alla catena del DNA esistente. Qualsiasi meccanismo alternativo della polimerasi deve tenere conto della fonte dell'energia richiesta per aggiungere un nucleotide.

Il modo più semplice che si possa immaginare per eseguire la polimerizzazione inversa 3'-5 'sarebbe usare il nucleotide-3'- trifosfato invece del nucleotide-5'-trifosfato utilizzato da ogni polimerasi esistente. Ciò consentirebbe un meccanismo praticamente identico alle polimerasi esistenti, solo con nucleotidi diversi come substrati. Il problema con questo modello è che i ribonucleotide-3'-trifosfati sono meno stabili in condizioni acide a causa del vicino 2'-OH (anche se questo ovviamente vale solo per l'RNA, non per il DNA).

Quindi qualsiasi La polimerasi 3'-5 'dovrebbe probabilmente utilizzare gli stessi nucleotidi-5'-trifosfati della polimerasi 5'-3'. Ciò significherebbe che il trifosfato che fornisce l'energia per l'aggiunta di un nuovo nucleotide si troverebbe sul filamento di DNA che è esteso e non sul nucleotide appena aggiunto.

Uno svantaggio di questo approccio è che i nucleotidi trifosfati si idrolizzano spontaneamente in condizioni acquose. Questo non è un problema significativo per la polimerasi 5'-3 ', poiché il trifosfato si trova sul nuovo nucleotide e la polimerasi deve solo trovare un nuovo nucleotide. Per la 3'-5 'polimerasi l'idrolisi spontanea è un problema perché il trifosfato è sulla catena in crescita. Se quello viene idrolizzato, l'intera polimerizzazione deve essere interrotta o il trifosfato deve essere riadattato con qualche meccanismo.

Puoi dare un'occhiata all'articolo "A Model for the Evolution of Nucleotide Polymerase Directionality" di Joshua Ballanco e Marc L. Mansfield per ulteriori informazioni su questo. Hanno creato un modello sull'evoluzione iniziale della polimerasi, sebbene non raggiungano alcuna conclusione finale.

A mio parere, il "fantastico video di 10 minuti su Youtube" del Prof. Allen Gathman è una bella perdita di tempo se sai già come avviene l'idrolisi. Non ha infatti considerato il percorso 3 '-> 5' in modo imparziale; non sembra considerare la possibilità che un trifosfato appaia sulla punta crescente di 5 'del filo nel caso 3' -> 5 '.

In realtà, l'unica differenza tra i due percorsi (5 '-> 3' e 3 '-> 5') è che il trifosfato reagente appare in posti diversi. Nel caso abituale, il trifosfato idrolizzato appartiene al nucleotide aggiunto, mentre in quest'ultimo caso il trifosfato idrolizzato appartiene al nucleotide del filamento in crescita. Entrambi sono fattibili.

In effetti, è noto che la RNA polimerasi ha una doppia attività, ma vedi, l'RNA polimerasi non ha attività di correzione di bozze !. La correzione di bozze richiede la rimozione della base non corrispondente, ma nella direzione 3 '-> 5 l'attacco della base aveva consumato il trifosfato all'estremità 5' del filo, quindi non è più disponibile per aggiungere la base sostitutiva. 3 '-> 5' attività distruggono prontamente la capacità di correzione di bozze di una polimerasi Quindi, in pratica, è la necessità di correzione che limita la sintesi di filamenti di DNA a 5 '-> 3' . Perché è così, avrebbe bisogno di molte più spiegazioni (se a parole) ma penso che un'immagine abbia un potere esplicativo molto migliore di mille parole. Ho aggiunto un'immagine da Biologia cellulare essenziale che mostra la risposta alla domanda "PERCHÉ":

L'altra considerazione importante è la riparazione. Se uno o più nucleotidi mancano in un filamento, la riparazione del nucleotide mancante sarebbe impossibile per la sintesi da 3 'a 5', perché non è presente 5'-trifosfato. D'altra parte, la sintesi da 5 'a 3' non richiede un 3'-trifosfato presente nel sito di riparazione. Questo è importante. Cioè la sintesi da 3 'a 5' non consente la riparazione dei nucleotidi.

In realtà esiste una polimerasi che catalizza l'allungamento di 3 '- 5'. Vedi ad esempio la superfamiglia Thg1. "Facendolo al contrario: polimerizzazione da 3 'a 5' da parte della superfamiglia Thg1." Jackman, et al.