В молекулярной биологии и биохимии процессивность — это способность фермента катализировать « последовательные реакции без высвобождения субстрата ». [1]
Например, процессивность — это среднее число нуклеотидов, добавляемых ферментом - полимеразой , например ДНК-полимеразой , за одно событие ассоциации с матричной цепью. Поскольку связывание полимеразы с матрицей является лимитирующим этапом синтеза ДНК [ требуется ссылка ] , общая скорость репликации ДНК во время S-фазы клеточного цикла зависит от процессивности ДНК-полимераз, выполняющих репликацию. Белки -зажимы ДНК являются неотъемлемыми компонентами аппарата репликации ДНК и служат для увеличения процессивности связанных с ними полимераз. Некоторые полимеразы добавляют более 50 000 нуклеотидов к растущей цепи ДНК перед тем, как отделиться от матричной цепи, обеспечивая скорость репликации до 1000 нуклеотидов в секунду.
Полимеразы взаимодействуют с фосфатным остовом и малой бороздкой ДНК, поэтому их взаимодействия не зависят от конкретной последовательности нуклеотидов. [2] Связывание в значительной степени опосредовано электростатическими взаимодействиями между ДНК и доменами «большого пальца» и «ладони» молекулы ДНК-полимеразы, метафорически напоминающей руку. Когда полимераза продвигается вдоль последовательности ДНК после добавления нуклеотида, взаимодействия с малой бороздкой диссоциируют, но взаимодействия с фосфатным остовом остаются более стабильными, что позволяет быстро повторно связываться с малой бороздкой на следующем нуклеотиде.
Взаимодействие с ДНК также облегчается белками -зажимами ДНК , которые являются мультимерными белками, которые полностью окружают ДНК, с которой они связываются в репликационных вилках . Их центральная пора достаточно велика, чтобы впустить нити ДНК и некоторые окружающие молекулы воды, что позволяет зажиму скользить вдоль ДНК, не диссоциируя от нее и не ослабляя белок-белковые взаимодействия , которые поддерживают форму тороида. При ассоциации с зажимом ДНК, ДНК-полимераза значительно более процессивна; без зажима большинство полимераз имеют процессивность всего около 100 нуклеотидов. Взаимодействия между полимеразой и зажимом более устойчивы, чем между полимеразой и ДНК. Таким образом, когда полимераза диссоциирует от ДНК, она все еще связана с зажимом и может быстро повторно ассоциировать с ДНК. Примером такого зажима ДНК является PCNA (пролиферирующий клеточный ядерный антиген), обнаруженный в S. cervesiae .
Несколько ДНК-полимераз играют специализированные роли в процессе репликации ДНК. В E. coli , которая реплицирует весь свой геном с одной репликационной вилки, полимераза ДНК Pol III является ферментом, в первую очередь ответственным за репликацию ДНК и образует репликационный комплекс с чрезвычайно высокой процессивностью. Родственная ДНК Pol I обладает экзонуклеазной активностью и служит для деградации РНК-праймеров, используемых для инициации синтеза ДНК. Затем Pol I синтезирует короткие фрагменты ДНК вместо бывших фрагментов РНК. Таким образом, Pol I гораздо менее процессивна, чем Pol III, поскольку ее основная функция в репликации ДНК заключается в создании множества коротких участков ДНК, а не нескольких очень длинных участков.
У эукариот , которые имеют гораздо большее разнообразие ДНК-полимераз, инициирующий фермент с низкой процессивностью называется Pol α , а ферменты удлинения с высокой процессивностью — Pol δ и Pol ε . И прокариоты , и эукариоты должны «торговать» связанными полимеразами, чтобы осуществить переход от инициации к удлинению. Этот процесс называется переключением полимеразы. [3] [4]