聚合酶(polymerase)又稱(chēng)多聚酶。是專(zhuān)門(mén)生物催化合成脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的一類(lèi)酶的統稱(chēng)。1957年，美國科學(xué)家阿瑟·科恩伯格(Arthur Kornberg)發(fā)現。

      分類(lèi)

可分為以下幾個(gè)類(lèi)群:(1)依賴(lài)DNA的DNA聚合酶;(2)依賴(lài)RNA的DNA聚合酶;(3)依賴(lài)DNA的RNA聚合酶;(4)依賴(lài)RNA的RNA聚合酶。前兩者是DNA聚合酶，它使DNA復制鏈按模板順序延長(cháng)。如在原核生物中僅就大腸桿菌中已被發(fā)現的就有三種(分別簡(jiǎn)稱(chēng)為PolⅠ，PolⅡ和PolⅢ等);DNA聚合酶只能在有引物的基礎上，即在DNA或RNA引物的3′-OH延伸，這DNA的合成方向記為5′→3′。換言之DNA聚合酶催化反應除底物(αNTP)外，還需要Mg2+ 、模板DNA和引物，迄今細胞內尚無(wú)發(fā)現可從單體起始DNA的合成。同樣，上述(3)和(4)是催化RNA生物合成反應中最主要的RNA合成酶，它們以四種三磷酸核糖核苷(NTP)為底物，并需有DNA模板以及Mn2 及Mg2 的存在下，在前一個(gè)核苷酸3′-OH與下一個(gè)核苷酸的5′-P聚合形成3′，5′-磷酸二酯鍵，其新生鏈的方向也是5′→3′。RNA聚合酶也大量存在于原核和真核生物的細胞中。如大腸桿菌RNA聚合酶分子量4.8×105，由5條多肽鏈組成，分別命名為α，α，β，β′，和γ，全酶可用α2ββ′λ表示。真核生物RNA聚合酶分子大于5×105，由10~12個(gè)大小不等亞基組成。聚合酶除作為自然界生命活動(dòng)中*的組分外，在實(shí)驗室中大多用作生命科學(xué)研究的工具酶類(lèi)之一。

特性

聚合作用

在引物RNA'-OH末端，以dNTP為底物，按模板DNA上的指令由DNApolⅠ逐個(gè)將核苷酸加上去，就是DNApolⅠ的聚合作用。酶的專(zhuān)一性主要表現為新進(jìn)入的脫氧核苷酸必須與模板DNA配對時(shí)才有催化作用。dNTP進(jìn)入結合位點(diǎn)后，可能使酶的構象發(fā)生變化，促進(jìn)3'-OH與5'-PO4結合生成磷酸二酯鍵。若是錯誤的核苷酸進(jìn)入結合位點(diǎn)，則不能與模板配對，無(wú)法改變酶的構象而被3'-5'外切酶活性位點(diǎn)所識別并切除之。

3'5'外切酶活性──校對作用

這種酶活性的主要功能是從3'→5'方向識別和切除不配對的DNA生長(cháng)鏈末端的核苷酸。當反應體系中沒(méi)有反應底物dNTP時(shí)，由于沒(méi)有聚合作用而出現暫時(shí)的游離現象，從而被3'→5'外切酶活性所降解。如果提高反應體系的溫度可以促進(jìn)這種作用，這表明溫度升高使DNA生長(cháng)鏈3'末端與模板發(fā)生分離的機會(huì )更多，因而降解作用加強。當向反應體系加入dNTP，而且只加放與模板互補的上述核苷酸才會(huì )使這種外切酶活性受到抑制，并繼續進(jìn)行DNA的合成。由此推論，3'→5'外切酶活性的主要功能是校對作用，當加入的核苷酸與模板不互補而游離時(shí)則被3'→5'外切酶切除，以便重新在這個(gè)位置上聚合對應的核苷酸。在某些T4噬菌體突變株中DNA復制的真實(shí)性降低，而易發(fā)生突變，從此突變株分離得到的聚合酶的3'→5'外切酶活性很低。相反，另外一些具有抗突變能力的T4突變株中的聚合酶的3'→5'外切酶活性比野生型高得多，因此，其DNA復制真實(shí)性好，變異率低?？梢?jiàn)，3'→5'外切酶活性對DNA復制真實(shí)性的維持是十分重要的。

5'3'外切酶活性──切除修復作用

5'→3'外切酶活性就是從5'→3'方向水解DNA生長(cháng)鏈前方的DNA鏈，主要產(chǎn)生5'-脫氧核苷酸。這種酶活性只對DNA上配對部份(雙鏈)磷酸二酯鍵有切割活力作用，方向是5'→3'。每次能切除10個(gè)核苷酸，而且DNA的聚合作用能刺激5'→3'外切酶活力達10倍以上。因此，這種酶活性在DNA損傷的修復中可能起著(zhù)重要作用。對岡崎片段5'末端DNA引物的去除依賴(lài)此種外切酶活性。

焦磷酸解作用

DNApolⅠ的這種活性可以催化3'末端焦磷酸解DNA分子。這種作用就是無(wú)機焦磷酸分解DNA生長(cháng)鏈，可以認為是DNA聚合作用的逆反應，而且這種水解DNA鏈作用需要有模板DNA的存在。(dNMP)n XPPi←(dNMP)n-x X(dNPPP)→DNA

焦磷酸交換作用

催化dNTP末端的PPi同無(wú)機焦磷酸的交換反應。反應式為32P32Pi dNPPP←dNP32P32P PPi→DNA

最后兩種作用，都要求有較高濃度的PPi，因此，在體內由于沒(méi)有足夠高的PPi而無(wú)重要意義。DNApolⅠ的DNA聚合酶活性和5'→3'外切酶活性協(xié)同作用，可以使DNA鏈上的切口向前推進(jìn)，即沒(méi)有新的DNA合成，只有核苷酸的交換。這種反應叫缺口平移(Nicktranslation)。當雙鏈DNA上某個(gè)磷酸二酯鍵斷裂產(chǎn)生切口時(shí)，DNApoIⅠ能從切口開(kāi)始合成新的NDA鏈，同時(shí)切除原來(lái)的舊鏈。這樣，從切口開(kāi)始合成了一條與被取代的舊鏈*相同的新鏈。如果新?lián)饺氲拿撗鹾塑账崛姿釣棣?32P-dNTP，則重新合成的新鏈即為帶有同位素標記的DNA分子，可以用作探針進(jìn)行分子雜交實(shí)驗。

盡管DNApolⅠ是第一個(gè)被鑒定的DNA聚合酶，但它不是在腸桿菌中DNA復制的主要聚合酶。主要證據如下:[1]純化的DNApolⅠ催化dNTP摻入的速率為667堿基/分，而體內DNA合成速率要比此高二倍數量級;[2]大腸桿菌的一個(gè)突變株中，此酶的活力正常，但染色體DNA復制不正常;[3]而在另一些突變株中，DNApolⅠ的活力中只是野生型的1%，但是DNA復制卻正常，而且此突變株增加了對紫外線(xiàn)、烷化劑等突變因素的敏感性。這表明該酶與DNA復制關(guān)系不大，而在DNA修復中起著(zhù)重要的作用。

一些特定的DNA聚合酶對于化學(xué)修飾性核苷分子顯示出驚人的耐受性，從而為高度功能化的核酸分子的有效合成提供了令人激動(dòng)的新機遇。