¿Por qué la replicación del ADN se realiza en dirección 5' a 3'?

El Prof. Allen Gathman tiene un excelente video de 10 minutos en Youtube, que explica la reacción de agregar un nucleótido en la dirección de 5' a 3' y por qué no funciona al revés.

Brevemente, la energía para la formación del enlace fosfodiéster proviene del dNTP, que debe agregarse. dNTP es un nucleótido que tiene dos fosfatos adicionales unidos a su extremo 5'. Para unir el grupo 3'OH con el fosfato del siguiente nucleótido, se debe eliminar un oxígeno de este grupo fosfato. Este oxígeno también está unido a dos fosfatos adicionales, que también están unidos a un Mg++. Mg ++ atrae los electrones del oxígeno, lo que debilita este enlace y tiene éxito el llamado ataque nucleofílico del oxígeno del 3'OH, formando así el enlace fospodíster.

Si intenta unir el grupo 3'OH del dNTP al fosfato 5' del siguiente nucleótido, no habrá suficiente energía para debilitar el enlace entre el oxígeno conectado al fósforo 5' (los otros dos fosfatos del dNTP son en el extremo 5', no en el 3'), lo que dificulta el ataque nucleofílico.

Mira el video, ahí está mejor explicado.

Las replicaciones de ADN necesitan una fuente de energía para continuar, esta energía se obtiene al escindir el 5'-trifosfato del nucleótido que se agrega a la cadena de ADN existente. Cualquier mecanismo de polimerasa alternativo debe tener en cuenta la fuente de energía requerida para agregar un nucleótido.

La forma más sencilla que uno puede imaginar para realizar la polimerización inversa 3'-5' sería usar nucleótido-3'-trifosfato en lugar del nucleótido-5'-trifosfato que usa cada polimerasa existente. Esto permitiría un mecanismo prácticamente idéntico al de las polimerasas existentes, solo que con diferentes nucleótidos como sustratos. El problema con este modelo es que los ribonucleótidos-3'-trifosfatos son menos estables en condiciones ácidas debido al vecino 2'-OH (aunque esto obviamente solo se aplica al ARN, no al ADN).

Por lo tanto, es probable que cualquier polimerasa 3'-5' necesite usar los mismos nucleótidos-5'-trifosfatos que la polimerasa 5'-3'. Esto significaría que el trifosfato que proporciona la energía para la adición de un nuevo nucleótido estaría en la cadena de ADN que se extiende, y no en el nucleótido recién agregado.

Una desventaja de este enfoque es que los trifosfatos de nucleótidos se hidrolizan espontáneamente en condiciones acuosas. Este no es un problema significativo para la polimerasa 5'-3', ya que el trifosfato está en el nuevo nucleótido y la polimerasa solo tiene que encontrar un nuevo nucleótido. Para la polimerasa 3'-5', la hidrólisis espontánea es un problema porque el trifosfato está en la cadena en crecimiento. Si ese se hidroliza, se debe cancelar toda la polimerización o se debe volver a agregar el trifosfato mediante algún mecanismo.

Puede consultar el artículo "Un modelo para la evolución de la direccionalidad de la polimerasa de nucleótidos" de Joshua Ballanco y Marc L. Mansfield para obtener más información al respecto. Crearon un modelo sobre la evolución temprana de la polimerasa, aunque no llegan a ninguna conclusión final.

En mi opinión, el "gran video de 10 minutos en Youtube" del profesor Allen Gathman es una gran pérdida de tiempo si ya sabes cómo ocurre la hidrólisis. De hecho, no ha considerado la ruta 3'->5' de manera imparcial; no parece considerar la posibilidad de que aparezca un trifosfato en la punta creciente 5' de la hebra en el caso 3'->5'.

En realidad, la única diferencia entre las dos rutas (5'->3' y 3'->5') es que el trifosfato que reacciona aparece en lugares diferentes. En el caso habitual, el trifosfato que se hidroliza pertenece al nucleótido añadido, mientras que en el último caso, el trifosfato que se hidroliza pertenece al nucleótido de la cadena en crecimiento. Ambos son factibles.

De hecho, se sabe que la ARN polimerasa tiene actividad dual, pero verás, ¡la ARN polimerasa no tiene actividad correctora!. La corrección de pruebas requiere la eliminación de la base no coincidente, pero en la dirección 3'->5, la unión de la base había consumido el trifosfato en la punta 5' de la hebra, por lo que ya no está disponible para agregar la base de reemplazo. La actividad 3'->5' destruye fácilmente la capacidad de corrección de una polimerasa . Entonces, básicamente, es la necesidad de corrección lo que restringe la síntesis de hebras de ADN a 5'->3' . Por qué es así, necesitaría mucha más explicación (si es con palabras), pero creo que una imagen tiene un poder explicativo mucho mejor que mil palabras. He añadido una imagen de Essential Cell Biologyque muestra la respuesta a la pregunta 'POR QUÉ':

La otra consideración importante es la reparación. Si falta uno o más nucleótidos en una hebra, la reparación del nucleótido faltante sería imposible para la síntesis de 3' a 5', porque no está presente el 5'-trifosfato. Por otro lado, la síntesis de 5' a 3' no requiere la presencia de un 3'-trifosfato en el sitio de reparación. Esto es importante. Es decir, la síntesis de 3' a 5' no permite la reparación de nucleótidos.

En realidad, existe una polimerasa que cataliza la elongación 3' - 5'. Véase, por ejemplo, la superfamilia Thg1. "Haciéndolo a la inversa: polimerización de 3' a 5' por la superfamilia Thg1". Jackman, et al.