Функции. Многие процессы жизнедеятельности, происходящие в клетке, требуют разделения цепей и расплетения биополимеров вторичной структуры нуклеиновых кислот:

Многие процессы жизнедеятельности, происходящие в клетке, требуют разделения цепей и расплетения биополимеров вторичной структуры нуклеиновых кислот:

· репликация ДНК

· рекомбинация

· репарация ДНК

· транскрипция

· сплайсинг

· трансляция

Хеликазы разделяют цепи двухцепочечной молекулы ДНК или внутримолекулярные связи в молекулах РНК, используя энергию гидролиза АТФ или ГТФ. Они движутся вдоль цепи нуклеиновой кислоты в направлении (5'-> 3' или 3'-> 5'), характерном для данного фермента. В клетке существует несколько десятков хеликаз (в E. coli известно 14, в человеческих клетках 24). Хеликазам присущи несколько типов структурной организации, они могут быть активны в качестве мономера или димера, хотя наиболее хорошо изученные хеликазы, например, DnaB активны в качестве гексамера, образующего баранкообразную структуру.

Экзонуклеазы — белки из группы нуклеаз, отщепляющие концевые мононуклеотиды от полинуклеотидной цепи путём гидролиза фосфодиэфирных связей между нуклеотидами.

В зависимости от способности гидролизовать связи на 3' и 5' концах полинуклеотидной цепи различают 3' и 5' экзонуклеазы. Экзонуклеазы встречаются в клетках как обособленно, так и в составе ферментативных комплексов. Например, ДНК-полимераза I содержит 5' экзонуклеазу, которая отщепляет РНК-праймер, прикреплённый непосредственно к тому месту, на котором происходит синтез ДНК. После этого ДНК-полимераза I начинает присоединять нуклеотиды на место отсоединённого праймера. У архебактерий и эукариот один из основных путей деградации РНК осуществляется белковым комплексом, состоящим, по большей части из 3' и 5' экзорибонуклеаз.

ДНК-полимераза — фермент, участвующий в репликации ДНК. Ферменты этого класса катализируют полимеризацию дезоксирибонуклеотидов вдоль цепочки нуклеотидов ДНК, которую фермент «читает» и использует в качестве шаблона. Тип нового нуклеотида определяется по принципу комплементарности с шаблоном, с которого ведётся считывание. Собираемая молекула комплементарна шаблонной моноспирали и идентична второму компоненту двойной спирали.

Выделяют ДНК-зависимую ДНК-полимеразу (КФ 2.7.7.7), использующую в качестве матрицы одну из цепей ДНК, и РНК-зависимую ДНК-полимеразу (другое название обратная транскриптаза, КФ 2.7.7.49), способную также к считыванию информации с РНК (обратная транскрипция).

ДНК-полимеразу считают холоферментом, поскольку для нормального функционирования она требует присутствия ионов магния в качестве кофактора. В отсутствие ионов магния о ней можно говорить как об апоферментe.

ДНК-полимераза начинает репликацию ДНК, связываясь с отрезком цепи нуклеотидов. Среднее количество нуклеотидов, присоединяемое ферментом ДНК-полимеразой за один акт связывания/диссоциации с матрицей, называют процессивностью.

Действие ДНК-полимеразы

Как известно, две цепи молекулы ДНК антипараллельны. Разные концы одной цепи называются 3’-конец и 5’-конец. Репликация происходит путём непрерывного роста нуклеотида за нуклеотидом обеих новых цепей одновременно. Матрица считывается ДНК-полимеразой только в направлении 3’-5’, добавляя свободные нуклеотиды к 3’-концу собираемой цепочки. Поэтому синтез ДНК происходит непрерывно только на одной из матричных цепей, называемой «лидирующей». Во второй цепи («отстающей») синтез происходит короткими фрагментами.

Ни одна из известных ДНК-полимераз не может создать цепочку «с нуля»: они в состоянии лишь добавлять нуклеотиды к уже существующей 3’-гидроксильной группе. По этой причине ДНК-полимераза нуждается в праймере, к которому она могла бы добавить первый нуклеотид. Праймеры состоят из оснований РНК и ДНК, при этом первые два основания всегда РНК-основания. Праймеры синтезируются другим ферментом — праймазой.

Ещё один фермент — хеликаза — необходим для раскручивания двойной спирали ДНК с формированием одноцепочечной структуры, которая обеспечивает репликацию обеих цепочек в соответствии с полуконсервативной моделью репликации ДНК.

Некоторые ДНК-полимеразы обладают также способностью исправлять ошибки во вновь собираемой цепочке ДНК. Если происходит обнаружение неправильной пары нуклеотидов, ДНК-полимераза откатывается на один шаг назад. Благодаря своей 3'-5' экзонуклеазной гидролитической активности ДНК-полимераза может исключить неправильный нуклеотид из цепочки и затем вставить на его место правильный, после чего репликация продолжается в нормальном режиме.