¿Qué hace/rompe los enlaces de hidrógeno entre el ADN y el ARN durante la transcripción?

Realmente no diría que la ARN polimerasa está "creando" los enlaces de hidrógeno sino que es la termodinámica la que los crea. Cuando hablamos de una enzima que "crea" un enlace, generalmente nos referimos a una enzima que facilita una reacción al reducir su energía de activación para que pueda continuar.

Sin embargo, en el enlace de hidrógeno entre pares de bases, en realidad no hay mucha energía de activación que superar. Antes de la formación, el nucleótido está simplemente flotando en la célula (solvatado por agua), y formar un par de bases es más estable energéticamente que no estar emparejado. Cuando un ribonucleótido se difunde y entra en contacto con la hebra de ADN no apareada, el enlace de hidrógeno se formará espontáneamente porque es energéticamente favorable. Sin embargo, lo que pasa con los enlaces de hidrógeno es que son bastante débiles, por lo que hay un equilibrio entre la formación y la ruptura. Cuando un nucleótido que no coincide se difunde en ese espacio, el enlace de hidrógeno no es tan fuerte y puede estar en una orientación incorrecta, por lo que se difundirá nuevamente. Cuando ingresa el nucleótido correcto, los enlaces de hidrógeno se formarán espontáneamente, lo mantendrán allí por más tiempo, y orientarlo correctamente. Esto coloca correctamente los fosfatos para la formación de la columna vertebral, lo que permite que la ARN polimerasa proceda con la formación de la columna vertebral.

En cuanto a la ruptura de los enlaces de hidrógeno, es la energía liberada por la formación del enlace fosfodiéster lo que hace que los enlaces se rompan en el otro extremo del híbrido ARN-ADN. Para simplificar mucho las cosas, es como una cremallera, donde la translocación hacia adelante de la polimerasa de ARN a lo largo de la hebra de ADN está impulsada por la formación de enlaces fosfodiéster, que rompen los enlaces de hidrógeno del híbrido ARN-ADN de forma un tanto mecánica, a medida que la hebra de ARN naciente se va. a través de un canal diferente al que lo hace el ADN.

Referencias:

El modelo estructural del complejo de elongación de ARN polimerasa II con burbuja de transcripción completa revela la ruta de entrada de NTP

Elongación de la transcripción: seguimiento heterogéneo de la ARN polimerasa y sus implicaciones biológicas

Aunque la respuesta proporcionada por @StephenB es esencialmente correcta, me gustaría complementar esto con más ilustraciones visuales, incluido un enlace a una animación que solicitó el cartel, además de reiterar los puntos importantes que él hace sobre las enzimas. Esta es una pregunta sobre enzimología y biología estructural y es esencialmente de naturaleza química.

Enzimas y Química

Para responder a la pregunta específica planteada:

No. Las enzimas no son responsables de crear ningún tipo de enlace.

La creación de enlaces, incluidos los enlaces de hidrógeno de los pares de bases, se rige por la termodinámica. Las enzimas son catalizadores y solo afectan la velocidad de las reacciones que son termodinámicamente favorables. En breve:

1. Solo ocurren reacciones que resultan en una disminución de la energía libre de Gibbs.
Siempre estamos comparando dos situaciones alternativas. En el caso de la hibridación de ácidos nucleicos, por ejemplo, es posible que en diferentes etapas de la transcripción tengamos que considerar ssDNA versus dsDNA, ssDNA y ssRNA versus RNA-DNA heteroduplex, DNA-DNA homoduplex versus RNA-DNA heteroduplex. El problema con la transcripción no es por qué los rNTP se unen al ADN, sino por qué diferentes estructuras de enlaces de hidrógeno, necesariamente, ocurren en diferentes etapas del ciclo.

2. Las reacciones implican un equilibrio entre la dirección directa e inversa.
A menos que se elimine un producto de reacción, generalmente no hay dificultad conceptual acerca de que la reacción también ocurra en la dirección inversa. La medida en que esto suceda dependerá de la posición del equilibrio. Para la transcripción, tal inversión es importante porque los tramos de ARN, inicialmente unidos por enlaces de hidrógeno al ADN, deben liberarse de él, y los tramos de ADN deben alternar entre ser de doble cadena y de cadena sencilla.

3. Las enzimas aceleran las reacciones (tanto en dirección directa como inversa). No tienen ningún efecto sobre si una reacción es o no termodinámicamente favorable.
Como mencionó @StephenB, las enzimas aceleran las reacciones al afectar la energía de activación, generalmente aumentando el estado fundamental o disminuyendo la energía de activación al facilitar una secuencia de reacción alternativa. En el caso de la unión de un rNTP, sabemos por la química que la fuerza de un enlace de hidrógeno depende de su direccionalidad. Por lo tanto, muchas colisiones aleatorias serán improductivas. Sin saber nada sobre la situación real, podemos especular que los enlaces débiles a los residuos en el sitio de unión de rNTP de la ARN polimerasa pueden facilitar una reorientación a la posición óptima para el apareamiento de bases.

Este material se cubre más completamente en los libros de texto de bioquímica, por ejemplo, Berg et al. cap. 8 _

Transcripción — La película

En un artículo de Cell Perspectives en 2012 , Cheung y Cramer describieron una película de transcripción de ARNm por ARN polimerasa II y otros factores basados ​​en estructuras publicadas de varios intermediarios. Aunque esto se produjo mediante la interpolación entre "instantáneas" estáticas de estructuras, es un intento integral que utiliza estructuras tridimensionales para abordar diferentes etapas de la transcripción: fusión del dsDNA, movimiento relativo al dúplex de ADN y disociación del heterodúplex transitorio. Esto se ilustra en una figura del documento:

He construido mi propia composición de capturas de pantalla de esa sección de la película (de aproximadamente 3,00 min) que trata sobre la unión de rNTP. A diferencia de la figura anterior, muestra solo una pequeña sección de la ARN polimerasa para centrarse en los cambios dinámicos que ocurren en dos secciones de esta proteína al unirse al sustrato (otra característica de muchas enzimas).

El paso de unión a rNTP

La representación de la unión de rNTP en la película se resume como:

…un sustrato NTP primero se une a una conformación de centro activo abierto, adoptando un estado previo a la inserción…. Luego, el NTP se mueve ligeramente para ocupar el sitio de inserción a medida que el bucle de activación se pliega para cerrar el centro activo... El cierre del sitio activo alrededor del NTP genera contactos que son necesarios para la correcta selección del NTP y conduce a la incorporación catalítica de nucleótidos y la extensión del ARN….

Esto se basa en el trabajo de Vassylyev et al. quienes describen las interacciones moleculares con más detalle. Cito un extracto de su artículo para ilustrar que se confirma la suposición sobre la interacción del sustrato con los residuos de la enzima, pero también que la complejidad de las interacciones es tal que no es posible hacer un resumen simple:

En el complejo ttEC/AMPcPP, AMPcPP forma un par de bases Watson-Crick con la plantilla aceptora intercalada entre el extremo 39 del híbrido ARN/ADN por un lado y los residuos de proteína de TH y BH por el otro. Met b91238 (TH) y Thr b91088 (BH), que se apilan directamente sobre el sustrato y las bases de la plantilla, respectivamente, parecen esenciales para el posicionamiento y selección del sustrato (Fig. 2); los residuos RNAPII correspondientes Leu 1081 y Thr 831 parecen tener funciones similares en la levadura EC13. De acuerdo con los estudios bioquímicos y de modelado1,4,15, Asn b9737 forma enlaces de hidrógeno con O39 y O29 del sustrato ribosa, lo que permite la discriminación contra los dNTP no relacionados que carecen de uno o ambos átomos (Fig. 2b, c) .

El lector interesado tendrá que estudiar el artículo por sí mismo. Me limito a recordarle que las estructuras de las enzimas son dinámicas porque puede haber un equilibrio entre diferentes estructuras posibles y la posición de este equilibrio puede cambiarse por la unión de otras moléculas a la enzima. Sigue siendo química, ¡no magia!

Coda: ¿Por qué no hay una respuesta directa?

El lector acostumbrado a tener los mecanismos de reacción de las enzimas presentados en forma dogmática puede preguntarse por qué hay tantos peros y dinámicas moleculares involucradas en averiguar cómo el rNTP llega a la conformación correcta para unirse a la plantilla de ADN. La respuesta es que aunque la estructura del sitio de unión (en realidad parece haber dos alternativas) se conoce en detalle, las posiciones sucesivas del rNTP no lo son, porque no hay forma de 'congelarlo' en estas diferentes etapas. Generalmente, uno captura los intermedios en una reacción haciendo derivados de ellos que se unirán pero no reaccionarán, por ejemplo. Por lo tanto, es relativamente fácil obtener estructuras para el enlace rNTP y el enlace de hidrógeno, pero no en camino. Un artículo de 2017 en el Journal of Biophysicsindica que los métodos matemáticos todavía se utilizan como base de los argumentos sobre el mecanismo de enlace detallado.