DNA聚合酶

DNA聚合酶（DNA Polymerase，EC編號2.7.7.7）是一種參與DNA複製的酶。它主要是以模板的形式，催化去氧核糖核苷酸的聚合。聚合後的分子將會組成模板鏈並再進一步參與配對。

人類DNA聚合酶β中螺旋-轉角-螺旋基序的三維模型

DNA replication

DNA聚合酶以去氧核苷酸三磷酸（dATP、dCTP、dGTP、或dTTP，四者統稱dNTPs）為底物，沿模板的3'→5'方向，將對應的去氧核苷酸連接到原有DNA鏈的3'端，使新生鏈沿5'→3'方向延長。新鏈與原有的模板鏈序列互補，亦與模板鏈的原配對鏈序列一致。

已知的所有DNA聚合酶均以5'→3'方向合成DNA，且均不能「重新」（de novo）合成DNA，而只能將去氧核苷酸加到已有的RNA或DNA的3'端羥基上。因此，DNA聚合酶除了需要模板做為序列指導，也必需引子來起始合成。合成引物的酶叫做引發酶。

反應式：

${\mbox{dNTP}}+{\mbox{DNA}}_{\mbox{n}}{\mbox{-3-OH}}\rightarrow {\mbox{DNA}}_{\mbox{n+1}}{\mbox{-3-OH}}+2{\mbox{Pi}}$

歷史

1957年，美國科學家阿瑟·科恩伯格（Arthur Kornberg）首次在大腸桿菌中發現DNA聚合酶，這種酶被稱為DNA聚合酶I（DNA polymerase I，簡稱：Pol I）。1970年，德國科學家羅爾夫·克尼佩爾斯（Rolf Knippers）發現DNA聚合酶II（Pol II）。隨後，DNA聚合酶III（Pol III）被發現。原核生物中主要的DNA聚合酶及負責染色體複製的是Pol III。

種類

原核生物

細菌中，已有數種DNA聚合酶被發現。

• DNA聚合酶I（Pol I）：大腸桿菌K-12株的DNA聚合酶I由基因polA編碼，由928個氨基酸組成，分子量103.1kDa，結構類似球狀，直徑約6.5nm，每個細胞約有400個分子。
• DNA聚合酶II（Pol II）：在DNA穩定期的損傷修復中起作用。
• DNA聚合酶III（Pol III）：在大腸桿菌DNA複製過程中起主要作用。
• DNA聚合酶IV（Pol IV）：與DNA聚合酶II一起負責穩定期的損傷修復。
• DNA聚合酶V（Pol V）：參與SOS修復。
• D族DNA聚合酶（family D）

真核生物

• Pol α：與引發酶(DNA Primase)形成複合體(Pol α-primase complex)，合成約10nt RNA引子，然後做為DNA合成酶延伸此段RNA引子；合成約20個鹼基(iDNA)後，將後續的延伸過程交給Pol δ與ε。
• Pol β：在DNA修復中起作用，低保真度的複製
• Pol γ：複製線粒體DNA。
• Pol δ：Pol δ與Pol ε是真核細胞的主要DNA聚合酶。用於延遲股(lagging strand)合成
• Pol ε：填補引物空隙，切除修復，重組，用於領導股(Leading strand)合成
• Pol ζ：

DNA聚合酶介導的DNA合成

DNA鏈延伸的親核取代機理

DNA聚合酶介導的DNA合成起始於引物（primer）和DNA配對，配對的引物3'端帶有一個自由的羥基，隨後是在DNA聚合酶的催化下由這個自由羥基氧上的配對電子攻擊三磷酸鹼基上的磷原子的親核取代，繼而在戊糖和磷酸之間形成脂鍵從而完成一個鹼基的延伸。

在整個過程中，能量是由三磷酸鹼基所攜帶的高能磷酸鍵提供的，磷酸酯形成以後，一個焦磷酸分子脫落，焦磷酸分子再次分裂提供足夠的能量給DNA聚合過程。

不同的DNA聚合酶廣泛應用於分子生物學實驗。

內部連結

• DNA複製
• DNA修復
• 聚合酶鏈式反應
• RNA聚合酶