高中生物：DNA的復(fù)制比你想象的更精彩！

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DNA復(fù)制最主要的特點(diǎn)是半保留復(fù)制、半不連續(xù)復(fù)制。

在復(fù)制過程中，原來雙螺旋的兩條鏈并沒有被破壞，它們分成單獨(dú)的鏈，每一條舊鏈作為模板再合成一條新鏈，這樣在新合成的兩個(gè)DNA分子中，一條鏈?zhǔn)桥f的而另外一條鏈?zhǔn)切碌模虼诉@種復(fù)制方式被稱為半保留復(fù)制。

DNA的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?，一條是5\'→3\'方向，另一條是3\'→5\'方向。在復(fù)制起點(diǎn)處，兩條鏈解開形成復(fù)制泡(replication bubble ), DNA向兩側(cè)復(fù)制形成兩個(gè)復(fù)制叉(replication fork)。

隨著DNA的不斷解旋，兩條鏈變成單鏈形式，可以作為模板合成新的互補(bǔ)鏈。但是，生物細(xì)胞內(nèi)所有的DNA聚合酶都只能催化5\'→3\'延伸。因此，以3\'→5\'的鏈為模板鏈時(shí)，DNA聚合酶可以沿5\'→3\'的方向合成互補(bǔ)的新鏈，這條鏈稱為前導(dǎo)鏈(leading strand )。當(dāng)以另一條鏈為模板時(shí)則不能連續(xù)合成新鏈，這條鏈稱為滯后鏈(lagging strand )。

這時(shí)，DNA聚合酶從復(fù)制叉的位置開始向遠(yuǎn)離復(fù)制叉的方向合成1?2 kb的新鏈片段，待復(fù)制叉向前移動(dòng)相應(yīng)的距離后，又重復(fù)這一過程，合成另一個(gè)類似大小的新鏈片段，這些片段被稱為岡崎片段(Okazaki fragment)。

最后，由另一種DNA聚合酶和DNA連接酶負(fù)責(zé)把這些岡崎片段之間的RNA引物除去，并把缺口補(bǔ)平，使岡崎片段連成完整的DNA鏈。這種前導(dǎo)鏈的連續(xù)復(fù)制和滯后鏈的不連續(xù)復(fù)制在生物細(xì)胞中是普遍存在的，稱為DNA的半不連續(xù)復(fù)制。

1.參與DNA復(fù)制的物質(zhì)

DNA的復(fù)制是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要模板、原料——脫氧核苷三磷酸(dATP、dGTP、 dCTP、dTTP)、酶和蛋白質(zhì)等多種物質(zhì)的參與。

(1)解旋酶(helicase)

DNA復(fù)制涉及的第一個(gè)問題就是DNA的兩條單鏈要在復(fù)制叉位置解開。DNA雙鏈并不會(huì)自動(dòng)解旋，細(xì)胞中有一類特殊的蛋白質(zhì)可以促使DNA在復(fù)制叉處打開，這就是解旋酶。解旋酶可以和單鏈DNA以及ATP結(jié)合，利用ATP水解生成ADP時(shí)產(chǎn)生的能量沿DNA鏈向前運(yùn)動(dòng)促使DNA雙鏈打開。

(2)單鏈DNA結(jié)合蛋白(SSB)

解旋酶沿復(fù)制叉方向向前推進(jìn)產(chǎn)生了一段單鏈區(qū)，但是這種單鏈DNA極不穩(wěn)定，很快就會(huì)重新配對(duì)形成雙鏈DNA或被核酸酶降解。在細(xì)胞內(nèi)有大量單鏈DNA結(jié)合蛋白(single strand DNA binding protein, SSB),能很快地和單鏈DNA結(jié)合，防止其重新配對(duì)或降解。SSB結(jié)合到單鏈DNA上之后，使DNA呈伸展?fàn)顟B(tài)，有利于復(fù)制的進(jìn)行。當(dāng)新DNA鏈合成到某一位置時(shí), 該處的SSB便會(huì)脫落,脫落的SSB可以重復(fù)利用。

(3)DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶(DNA topoisomerase)

DNA在細(xì)胞內(nèi)往往以超螺旋狀態(tài)存在，DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶催化同一DNA分子在不同超螺旋狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶有兩類。DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶I的作用是暫時(shí)切斷一條DNA鏈，形成酶—DNA共價(jià)中間物，使超螺旋DNA松弛，再將切斷的單鏈DNA連接起來，不需要任何輔助因子；DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶II能將負(fù)超螺旋引入DNA分子，該酶能暫時(shí)性地切斷和重新連接雙鏈DNA,同時(shí)需要ATP水解提供能量，如大腸桿菌中的DNA旋轉(zhuǎn)酶(DNAgyrase)。

(4)引發(fā)酶(primase)

引發(fā)酶在復(fù)制起點(diǎn)處合成RNA引物，引發(fā)DNA的復(fù)制。它與RNA聚合酶的區(qū)別在于引發(fā)酶可以催化核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸的聚合，而RNA聚合酶只能催化核糖核苷酸的聚合, 其功能是啟動(dòng)DNA轉(zhuǎn)錄合成RNA,將遺傳信息由DNA傳遞到RNA。

(5)DNA聚合酶(DNA polymerase)

DNA聚合酶最早是在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)的，以后陸續(xù)在其他原核生物中找到。它們的共同性質(zhì)是：以脫氧核苷三磷酸(dNTP)為前體催化DNA合成；需要模板和引物的存在；不能起始合成新的DNA鏈；催化dNTP加到延伸中的DNA鏈的3\'-OH末端；催化DNA合成的方向是5\'→3\'。

(6)DNA連接酶(DNA ligase)

DNA連接酶是1967年在三個(gè)實(shí)驗(yàn)室同時(shí)發(fā)現(xiàn)的。它是一種封閉DNA鏈上缺口的酶，借助ATP或NAD水解提供的能量催化DNA鏈的5\'-磷酸基團(tuán)的末端與另一條DNA鏈的3\'-0H生成磷酸二酯鍵。只有兩條緊鄰的DNA鏈才能被DNA連接酶催化連接。

2.DNA復(fù)制的引發(fā)

所有DNA的復(fù)制都是從固定起始點(diǎn)開始的，而目前已知的DNA聚合酶都只能延長(zhǎng)已存在的DNA鏈，而不能從頭合成DNA鏈，那么一個(gè)新DNA的復(fù)制是怎樣開始的呢？研究發(fā)現(xiàn)，DNA 復(fù)制時(shí)，往往先由引發(fā)酶在DNA模板上合成一段RNA引物，再由DNA聚合酶從RNA引物3\'端開始合成新的DNA鏈。對(duì)于前導(dǎo)鏈來說，這一引發(fā)過程比較簡(jiǎn)單，只要有一段RNA引物，DNA聚合酶就能以此為起點(diǎn)一直合成下去。但對(duì)于滯后鏈來說，引發(fā)過程就十分復(fù)雜，需要多種蛋白質(zhì)和酶的協(xié)同作用，還牽涉岡崎片段的形成和連接。

滯后鏈的引發(fā)過程通常由引發(fā)體(primosome)來完成。引發(fā)體由6種蛋白質(zhì)共同組成，只有當(dāng)引發(fā)前體與引發(fā)酶組裝成引發(fā)體后才能發(fā)揮其功效。引發(fā)體可以沿著滯后鏈分叉的方向移動(dòng)，并在滯后鏈模板上斷斷續(xù)續(xù)地引發(fā)生成滯后鏈的引物RNA。由于引發(fā)體在滯后鏈模板上的移動(dòng)方向與其合成引物的方向相反，所以在滯后鏈上所合成的RNA引物非常短，長(zhǎng)度一般只有3?5個(gè)核苷酸。

在同一種生物體細(xì)胞中這些引物都具有相似的序列，表明引發(fā)酶要在滯后鏈模板上比較特定的位置才能合成RNA引物。DNA復(fù)制開始處的幾個(gè)核苷酸最容易出現(xiàn)差錯(cuò)，用RNA引物即使出現(xiàn)差錯(cuò)最后也要被DNA聚合酶I切除，不影響DNA復(fù)制的準(zhǔn)確性。

RNA引物形成后，由DNA聚合酶III催化，將第一個(gè)脫氧核苷酸按堿基互補(bǔ)配對(duì)原則加在RNA引物3\'-0H端，而進(jìn)入DNA鏈的延伸階段。

3.DNA鏈的延伸

DNA新鏈的延伸由DNA聚合酶III所催化。為了復(fù)制的不斷進(jìn)行，解旋酶須沿著模板前進(jìn), 邊移動(dòng)邊解開雙鏈。由于DNA的解鏈，在DNA雙鏈區(qū)勢(shì)必產(chǎn)生正超螺旋，在環(huán)狀DNA中更為明顯，當(dāng)達(dá)到一定程度后就可能造成復(fù)制叉難以再繼續(xù)前進(jìn)，但在細(xì)胞內(nèi)DNA的復(fù)制不會(huì)因出現(xiàn)拓?fù)鋵W(xué)問題而停止，因?yàn)橥負(fù)洚悩?gòu)酶會(huì)解決這一問題。

隨著引發(fā)體合成RNA引物，DNA聚合酶III開始不斷地將引物延伸，合成DNA。DNA聚合酶III是一個(gè)多亞基復(fù)合二聚體，一個(gè)單體用于前導(dǎo)鏈的合成，另一個(gè)單體用于滯后鏈的合成，因此它可以在同一時(shí)間分別復(fù)制DNA前導(dǎo)鏈和滯后鏈。雖然DNA前導(dǎo)鏈和滯后鏈復(fù)制的方向不同，但如果滯后鏈模板環(huán)繞DNA聚合酶III,并通過DNA聚合酶III,然后再折向未解鏈的雙鏈DNA的方向，則滯后鏈的合成可以和前導(dǎo)鏈的合成在同一方向進(jìn)行。

當(dāng)DNA聚合酶III沿著滯后鏈模板移動(dòng)時(shí)，由特異的引發(fā)酶催化合成的RNA引物即可以由DNA聚合酶III所延伸，合成DNA。當(dāng)合成的DNA鏈到達(dá)前一次合成的岡崎片段的位置時(shí)，滯后鏈模板及剛合成的岡崎片段從DNA聚合酶III上釋放出來。由于復(fù)制叉繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，便又產(chǎn)生了一段單鏈的滯后鏈模板，它重新環(huán)繞DNA聚合酶III,通過DNA聚合酶III開始合成新的滯后鏈岡崎片段。通過這種機(jī)制，前導(dǎo)鏈的合成不會(huì)超過滯后鏈太多，這樣引發(fā)體在DNA鏈上和DNA聚合酶III以同一速度移動(dòng)。

在復(fù)制叉附近，形成了以DNA聚合酶III二聚體、引發(fā)體和解旋酶構(gòu)成的類似核糖體大小的以物理方式結(jié)合成的復(fù)合體，稱為DNA復(fù)制體。復(fù)制體在DNA前導(dǎo)鏈模板和滯后鏈模板上移動(dòng)時(shí)便合成了連續(xù)的DNA前導(dǎo)鏈，以及由許多岡崎片段組成的滯后鏈。當(dāng)岡崎片段形成后，DNA聚合酶I通過其5\'→3\'外切酶活性切除岡崎片段上的RNA引物，并利用后一個(gè)岡崎片段作為引物由5\'→3\'合成DNA填補(bǔ)缺口。最后由DNA連接酶將岡崎片段連接起來，形成完整的DNA滯后鏈。

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