ДНК, служащая первичным носителем генетической информации, является линейным или кольцевым гетерополимером, состоящим из 4 дезоксирибонуклеотидов (dA, dT, dG и dC), соединенных (3’®5’)-фосфодиэфирными связями. ДНК чаще всего находится в форме двойной спирали Крика-Уотсона (даунитевая двунитевая ДНК, или днДНК), в которой две нити спарены друг с другом водородными связями с соблюдением правила комплементарности (остатки А спарены с Т, а остатки G c C). Лишь у некоторых фагов и эукариотических вирусов геномная ДНК может находиться в однонитевом состоянии. Однако участки однонитевой онДНК (бреши) могут возникать в процессах репарации и рекомбинации в днДНК.
Под биосинтезом ДНК в широком смысле слова понимается ферментативное удлинение нити ДНК хотя бы на один нуклеотидный остаток с использованием в качестве субстратов дезоксирибонуклеотид-5’-трифосфатов (5’-дНТФ). Соединение друг с другом сегментов нити онДНК, катализируемое ДНК-лигазами, также вызывает удлинение нити, но не сопровождается синтезом ДНК de novo. Синтез нитей ДНК идет в направлении от 5’-конца к 3’-концу, т.е. добавление каждого нового нуклеотида увеличивает длину вновь синтезируемой нити на один остаток со стороны 3’-конца (рис. 1.1, А).
Синтез ДНК катализируется ферментами, относящимися к общему классу нуклеотидилтрансфераз, которые вызывают перенос нуклеотида на акцепторную ОН-группу. Большинство ферментов, катализирующих биосинтез ДНК, являются матричными ферментами: они копируют исходный «родительский» полинуклеотид (матрицу) с образованием комплементарной матрице нити вновь синтезированной ДНК. Исключение составляют терминальные дезоксинуклеотидилтрансферазы, нематричным образом присоединяющие нуклеотид к 3’-концу даже изолированной онДНК. Ферменты, использующие в качестве матрицы нить ДНК, называются ДНК-полимеразами. Ферменты, использующие для синтеза нити ДНК матрицу РНК, называются РНК-зависимыми ДНК-полимеразами, или обратными транскриптазами. Обратные транскриптазы используются для синтеза ДНК ретровирусами и параретровирусами и подвижными ретроэлементами в геномах преимущественно эукариотов. К обратным транскриптазам относится и теломераза, участвующая в сохранение терминальных областей линейных эукариотических хромосом (см. гл. 00). Все эти полимеразы во время синтеза ДНК перемещаются по матричной нити полинуклеотидов в направлении 3’®5’. Важной характеристикой ферментов синтеза ДНК является процессивность – способность фермента последовательно осуществлять многие каталитические акты без отрыва от матрицы после каждого из них. Степень процессивности определяется числом нуклеотидных остатков, включенных в растущую цепь за всю серию таких непрерывных актов полимеризации. Полимеразы, отрывающиеся от матрицы после каждого акта включения нуклеотида в растущую цепь, называются дистрибутивными.
Механизм реакции полимеризации нуклеиновых кислот является общим для всех ДНК-полимераз, обратных транскриптаз и РНК-полимераз и состоит в нуклеофильном атаке замещении типа SN2 b,g-пирофосфатной части 5’-(д)НТФ 3’-атомом кислорода 3’-концевого остатка РНК или ДНК (рис. 1.1, А). В результате этой реакции новый остаток (д)НМФ присоединяется к 3’-концу цепи и освобождается неорганический пирофосфат PPi. В промежуточном (переходном) состоянии в этой реакции атом Р a-фосфатной группы НТФ имеет пентаковалентную конфигурацию (рис. 1В). Он расположен в центре треугольной бипирамиды, в экваториальной плоскости, в которой находится треугольник атомов О a-фосфатной группы, а в апикальных положениях - 3’-атом О- растущей цепи ДНК и атом O a,b-связи дНТФ. Образование такой структуры обеспечивается 2 катионами Mg2+. Атом КатионА. А понижает рКa у 3’-ОН-группы и превращает ее в группу 3’-O-, а также стабилизирует угол 90o между связью 3’-O- - P и экваториальной плоскостью. Катион В также стабилизирует геометрию переходного состояния и способствует уходу пирофосфатного продукта. Оба катиона Mg2+ координационно связаны с карбоксильными группами остатков асп или глу в полимеразе.
Выравнивание первичных аминокислотных последовательностей, предсказанных на основании данных секвенирования структурных генов, позволил разбить все известные ДНК-полимеразы на 6 больших гомологических семейств гомологии. Четыре Три из этих семейств содержат как прокариотические, так и эукариотические ДНК-полимеразы. Семейство С встречается только у эубактерий, семейство D – только у архееев и семейство Х