聚合酶(polymerase)又稱多聚酶。是專門生物催化合成脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的一類酶的統(tǒng)稱。1957年，美國(guó)科學(xué)家阿瑟·科恩伯格(Arthur Kornberg)發(fā)現(xiàn)。
分類
可分為以下幾個(gè)類群:(1)依賴DNA的DNA聚合酶;(2)依賴RNA的DNA聚合酶;(3)依賴DNA的RNA聚合酶;(4)依賴RNA的RNA聚合酶。前兩者是DNA聚合酶，它使DNA復(fù)制鏈按模板順序延長(zhǎng)。如在原核生物中僅就大腸桿菌中已被發(fā)現(xiàn)的就有三種(分別簡(jiǎn)稱為PolⅠ，PolⅡ和PolⅢ等);DNA聚合酶只能在有引物的基礎(chǔ)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(yīng)除底物(αNTP)外，還需要Mg2+ 、模板DNA和引物，迄今細(xì)胞內(nèi)尚無發(fā)現(xiàn)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(yīng)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(xì)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(yàn)室中大多用作生命科學(xué)研究的工具酶類之一。
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。酶的專一性主要表現(xiàn)為新進(jìn)入的脫氧核苷酸必須與模板DNA配對(duì)時(shí)才有催化作用。dNTP進(jìn)入結(jié)合位點(diǎn)后，可能使酶的構(gòu)象發(fā)生變化，促進(jìn)3'-OH與5'-PO4結(jié)合生成磷酸二酯鍵。若是錯(cuò)誤的核苷酸進(jìn)入結(jié)合位點(diǎn)，則不能與模板配對(duì)，無法改變酶的構(gòu)象而被3'-5'外切酶活性位點(diǎn)所識(shí)別并切除之。
3'5'外切酶活性──校對(duì)作用
這種酶活性的主要功能是從3'→5'方向識(shí)別和切除不配對(duì)的DNA生長(zhǎng)鏈末端的核苷酸。當(dāng)反應(yīng)體系中沒有反應(yīng)底物dNTP時(shí)，由于沒有聚合作用而出現(xiàn)暫時(shí)的游離現(xiàn)象，從而被3'→5'外切酶活性所降解。如果提高反應(yīng)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(zhǎng)鏈3'末端與模板發(fā)生分離的機(jī)會(huì)更多，因而降解作用加強(qiáng)。當(dāng)向反應(yīng)體系加入dNTP，而且只加放與模板互補(bǔ)的上述核苷酸才會(huì)使這種外切酶活性受到抑制，并繼續(xù)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(duì)作用，當(dāng)加入的核苷酸與模板不互補(bǔ)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(duì)應(yīng)的核苷酸。在某些T4噬菌體突變株中DNA復(fù)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(fù)制真實(shí)性好，變異率低?？梢?，3'→5'外切酶活性對(duì)DNA復(fù)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(fù)作用
5'→3'外切酶活性就是從5'→3'方向水解DNA生長(zhǎng)鏈前方的DNA鏈，主要產(chǎn)生5'-脫氧核苷酸。這種酶活性只對(duì)DNA上配對(duì)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(dá)10倍以上。因此，這種酶活性在DNA損傷的修復(fù)中可能起著重要作用。對(duì)岡崎片段5'末端DNA引物的去除依賴此種外切酶活性。
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。這種作用就是無機(jī)焦磷酸分解DNA生長(zhǎng)鏈，可以認(rèn)為是DNA聚合作用的逆反應(yīng)，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同無機(jī)焦磷酸的交換反應(yīng)。反應(yīng)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(nèi)由于沒有足夠高的PPi而無重要意義。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)，即沒有新的DNA合成，只有核苷酸的交換。這種反應(yīng)叫缺口平移(Nicktranslation)。當(dāng)雙鏈DNA上某個(gè)磷酸二酯鍵斷裂產(chǎn)生切口時(shí)，DNApoIⅠ能從切口開始合成新的NDA鏈，同時(shí)切除原來的舊鏈。這樣，從切口開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(biāo)記的DNA分子，可以用作探針進(jìn)行分子雜交實(shí)驗(yàn)。
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(fù)制的主要聚合酶。主要證據(jù)如下:[1]純化的DNApolⅠ催化dNTP摻入的速率為667堿基/分，而體內(nèi)DNA合成速率要比此高二倍數(shù)量級(jí);[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(fù)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(fù)制卻正常，而且此突變株增加了對(duì)紫外線、烷化劑等突變因素的敏感性。這表明該酶與DNA復(fù)制關(guān)系不大，而在DNA修復(fù)中起著重要的作用。
一些特定的DNA聚合酶對(duì)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(jī)遇。
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