Química de la formación de enlaces fosfodiéster por la ADN polimerasa

Encontré este documento , que profundiza en los detalles moleculares de los pasos individuales de esta reacción y también analiza cómo se acopla esto a la selectividad de nucleótidos.

Los detalles 'básicos' sobre la reacción (citados de esta sección , que también tiene una buena figura):

La reacción de polimerización procede mediante un simple ataque nucleofílico del 3'OH del cebador sobre el fosfato α del dNTP entrante, seguido de la eliminación del pirofosfato [...] La reacción utiliza un mecanismo de "dos iones metálicos" en el que el metal el ion A activa el 3'OH como un hidróxido de metal, mientras que los metales A y B estabilizan la carga negativa en desarrollo en el fosfato α en el estado de transición.

Los iones metálicos son Magnesio (Mg$^{2+}$) y están correctamente posicionados por la estructura de la enzima y algunas cadenas laterales de aminoácidos adicionales también ayudan con la activación de la reacción.

Apología

La respuesta dada por @Nicolai es esencialmente correcta (y la he votado). Sin embargo, creo que la pregunta incorpora ciertas suposiciones erróneas que deben cuestionarse para que los lectores ingenuos de la pregunta no se dejen engañar y acepten. (Me refiero a estos a continuación como 'problemas'). También creo que se necesitan ilustraciones, no incluidas en la respuesta proporcionada por @Nicolai, a este respecto).

autoridad de apoyo

He usado un artículo de 2016 en Science de Gao y Wang como mi autoridad, citándolo y reproduciendo parte de una de sus cifras para aquellos que no tienen acceso a la biblioteca de esta revista. Los autores en realidad proponen un mecanismo de 'iones de tres metales', en lugar del mecanismo de 'iones de dos metales' mencionado por @Nicolai. Sin embargo, esto no afecta los puntos básicos que estoy planteando, aunque sirve para ilustrar que los detalles del mecanismo enzimático son de una complejidad que no es adecuada para la enseñanza a un nivel introductorio.

Aquí hay dos fotogramas clave de la Fig. 1 de ese documento:

Problema 1

"Supongo que la ADN polimerasa se aprovecha de los fosfatos liberados del ATP (y las formas apropiadas de GTP, CTP, TTP) para activarse".

Una enzima no es "activada" por los productos de la reacción que cataliza. La unión del sustrato puede resultar en un cambio de conformación que resulte en un estado más favorable para la catálisis, y que podría denominarse 'activación'‡ en una discusión sobre ese tema; pero el uso de esa palabra solo puede confundir en el nivel en el que se formula la pregunta actual. Esto se debe a que uno de los conceptos clave en la catálisis enzimática es la "energía de activación" , la energía requerida para lograr el estado de transición . La energía de activación se refiere a la activación de los reactivos, no de la enzima. Para citar del periódico:

Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones químicas, lo que se cree que ocurre por una reducción en la energía de activación requerida para alcanzar el estado de transición (Fig. 1A)

Las reacciones químicas que resultan en una disminución de la energía libre (Gibbs) (el eje de 'Energía' en la Fig. 1A) son termodinámicamente favorables. Ocurren lentamente porque proceden a través de un estado de transición de energía superior. El papel de un catalizador enzimático es reducir la energía para llegar a ese estado de transición (la energía de activación). Como muestra la figura, esta reacción es termodinámicamente favorable. El pirofosfato liberado no tiene ninguna función, excepto ser hidrolizado por pirofosfatasas para evitar que se invierta la polimerización.

Problema 2

No está claro qué representa la flecha a la izquierda de la figura en la pregunta (desde el fosfato α del dNTP hasta el cebador OH)†. Normalmente, uno asumiría que esto sería un electrón, sin embargo, aquí esto no tiene sentido. Como dice @Nicolai

“…la reacción procede por un simple ataque nucleofílico del 3'OH del cebador sobre el α-fosfato del dNTP entrante”

es decir, la flecha debe ir desde los electrones de oxígeno del OH al fosfato nucleofílico. Esto se muestra en la Fig. 1B (donde la cadena de ADN naciente está a la izquierda y el dNTP a la derecha). La última figura en realidad muestra el estado de transición, lo que permite ver de manera general cómo este podría ser de menor energía que para la reacción no enzimática no catalizada. Está estabilizado por los dos iones metálicos (Mg ²⁺ ), que se mantienen en la posición adecuada mediante cadenas laterales ácidas en el sitio activo de la enzima.

Notas
al pie ‡Como señala @user1136, la expresión 'activación enzimática' también se usa para describir la acción de los efectores alostéricos positivos: pequeñas moléculas que aumentan la actividad del sitio activo mediante un cambio estructural iniciado por su unión en un sitio distal del activo sitio — el sitio alostérico. Esta es otra posible causa de confusión ya que no tiene relevancia aquí.

†En un comentario, el cartel escribe "La flecha en la... imagen... representa el movimiento conceptual de las moléculas y no las interacciones químicas del 'mundo real'". Si esto es lo que se pretendía (no estoy familiarizado con la fuente), en mi opinión, los autores deberían haber usado un estilo de flecha diferente (por ejemplo, uno más ancho, ➡︎ en lugar de ➛, y no dibujarlo desde el fosfato hasta el OH Delata una falta de conocimiento o preocupación por las convenciones químicas, y es particularmente engañoso para el estudiante que desea entender la biología a un nivel químico.Lo encuentro imperdonable en una editorial con una reputación como la de Benjamin.