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21.11: 脱氧核糖核酸(DNA)复制
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DNA Replication
 
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21.11: 脱氧核糖核酸(DNA)复制

DNA 复制包括分离双螺旋线的两个线束,每个线束用作复制新互补线束的模板。  复制后,每个双链 DNA 包括一条亲链或“旧”链和一条“新”链。 这被称为半系统复制。 由此产生的 DNA 分子具有相同的序列,并均匀地分为两个子细胞。

原核生物中的复制

DNA 复制使用大量蛋白质和酶。 酶氦酶分离了 DNA 的两股。 随着螺旋酶沿着 DNA 移动,它将两条线分开,形成一个称为复制叉的 Y 形结构。 此后,酶原酶添加了称为底漆的 RNA 短段,以通过 DNA 聚合酶 (即 DNA 合成的酶) 对 DNA 进行合成。 在细菌中,已知有三种主要类型的 DNA 聚合酶: DNA pol I , DNA pol II 和 DNA pol III DNA pol III 是 DNA 合成所需的酶; DNA pol I 和 DNA pol II 主要需要进行修复。 DNA pol III 增加了脱氧核糖核酸,每一种都与模板股上的核苷酸互补,一对一生长中的 DNA 链中的 3 ’ -OH 组。 DNA 聚合酶 III 只能沿 5 ’至 3 ’方向延伸。 添加这些核苷酸需要能量。 该能量存在于每个核苷酸附带的三个磷酸盐组的键中,类似于能量如何存储在三磷酸腺素 (ATP) 的磷酸盐键中。 当磷酸盐之间的键为破损且释放二磷酸盐时,释放的能量允许通过脱水合成形成共价磷酸二酯键。

DNA 双螺旋是反平行的;即一条线束以 5 ’到 3 ’的方向为导向,另一条线束以 3 ’到 5 ’的方向为导向。 在复制过程中,一条对 3 ’到 5 ’父母 DNA 链的补充,由于聚合酶可以在这一方向添加核苷酸,因此会向复制叉持续合成一条链。 这股持续合成的股称为股前股。 另一条线是 5 ’到 3 ’父母 DNA 的补充,它与复制叉成了一条距离,因此聚合酶必须移回复制叉,以开始将碱添加到新底漆中,这也是朝着远离复制叉的方向。 它会这样做,直到它撞击到之前合成的股,然后它再次返回。 这些步骤可产生称为 Okazaki 片段的小 DNA 序列片段,每个片段均由 RNA 底物分离。 含有冈崎碎片的股称为滞后股,据说其合成是不连续的。

DNA 聚合酶 III 合成后,引物通过 DNA 聚合酶 I 的核酸外切酶活性被去除,并填充缝隙。 新合成 DNA (取代 RNA 底漆) 之间的缺口 以前合成的 DNA 由酶 DNA 连体封堵,该连体催化一个 DNA 片段的 3'-OH 端与另一个片段的 5 ’磷酸盐端之间的共价磷酸二酯连杆的形成,从而稳定了 DNA 分子的糖磷酸骨干。

真核生物中的复制

真核基因组基因组比原子核基因组多了很多化合物,而且通常由多条线性染色体组成。 例如,人类基因组中每一个小类染色体组有 30 亿碱对,复制过程中插入了 60 亿碱对。 每一个真核染色体都有多种复制来源;人类基因组有 30,000 至 50,000 个复制来源。 复制的率值约为每秒 100 个核苷酸—比原子核复制慢 10 倍。

真核生物中复制的基本步骤与原核生物中的步骤相同。 在开始复制之前,必须将 DNA 作为模板提供。 真核 DNA 是高度超卷和包装的,这由许多蛋白质 (包括组性蛋白) 促成。 在启动复制后,在类似于原核生物的过程中,通过真核 DNA 聚合酶促进伸长。 股前 δ 由真核多糖酶 pol ε 连续合成,而滞后股由 pol 合成。 酶二核苷酶 H (RNase H) 取代了细菌中的 DNA 聚合酶,去除了 RNA 底漆,随后将其替换为 DNA 核苷酸。 残留的缝隙由 DNA 韧带密封。

与原核生物一样,真核 DNA 聚合酶只能沿 5 ’到 3 ’方向添加核苷酸。 在前束中,合成将持续到染色体末端或另一个沿相反方向发展的复制叉。 在滞后的链上, DNA 被短时间合成,每一种都由单独的引物启动。 当复制叉到达线性染色体末端时,没有地方为 DNA 片段在染色体末端复制制作底漆。 因此,这些目标仍然没有配对,随着时间的推移,随着细胞继续分裂,它们可能会逐渐缩短。

本文改编自 Openstax, 微生物学,第 11.2 章: DNA 复制


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