DNA的复制机制

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1、DNA的复制机制所有的生物体在每个细胞分裂之前必须以非同寻常的准确度复制其DNA。在这一部分，我们将探索生物体内一个精巧的“复制机器”在以1000个核苷酸每秒的速度复制DNA的同时，是如何达到这一准确度的。碱基配对是DNA复制和DNA修复的基础第一章已经简单讨论过，DNA模板化是一条DNA链（或选定的部分）的核苷酸序列通过碱基互补配对（A与T，G与C）被拷贝出一条互补的DNA序列(Figure5-2)。该过程需要DNA模板链中每个核苷酸被一个自由的（未聚合的）互补核苷酸识别，而且要求DNA螺旋的两条链被分开。这一

2、分开，使得每个DNA碱基上的氢键的供体或受体基团暴露出来，以便和进来的合适的自由核苷酸配对，为其酶催化聚合为一条新DNA链校准。Figure5-2DNA双螺旋作为自身复制的模板。因为核苷酸A只能和T成功配对，G之和C，所以DNA的每条链都作为一个模板通过碱基配对来指定其互补链的核苷酸序列。这样，一个双螺旋DNA分子可被精确复制。第一个聚合核苷酸的酶，DNA聚合酶发现与1957年。作为该酶底物的自由核苷酸是三磷酸脱氧核糖核苷，它们聚合为DNA要求一个单链模板。这一反应的逐步机制在Figures5-3和5-4中说明。

3、Figure5-3DNA的合成化学一个脱氧核糖核苷酸被加到一条多聚核苷酸链（引物链）的3‘端是DNA合成的基础反应。如图所示，一个新来的三磷酸脱氧核糖核苷和一条存在的DNA链（模板链）进行碱基配对，引导新DNA链的形成，并且使之有一条互补核苷酸序列。Figure5-4由DNA聚合酶催化的DNA合成（A）如图所示，DNA聚合酶催化一个脱氧核糖核苷酸向一条多聚核苷酸链（引物链，已和另一模板链配对）的3‘-OH端的逐步添加。新合成的DNA链因此是以5‘-3’的方向聚合的，正如前一幅图所示。因为每个新来的三磷酸脱氧核糖核

4、苷必须和模板链配对以被DNA聚合酶识别，模板链决定了哪种脱氧核糖核苷酸（A,T,C,或者G）将被添加。焦磷酸盐的释放及其后续水解为两个无机磷酸盐分子导致巨大的有利的自由能改变，驱动了脱氧核苷酸的添加反应。（B）一个由X-线晶体学确定的大肠杆菌DNA聚合酶分子结构。通俗的讲，它就像一只右手，手掌手指和大拇指握住DNA。该图示例的是一个在DNA修复时起作用的DNA聚合酶，但是复制DNA的酶有相似的特征。DNA复制叉非对称在细胞内DNA复制期间，每条旧DNA链都作为形成一条完整新链的模板。因为一个分裂细胞的两个子细胞都

5、遗传了包含旧链和新链的新DNA双螺旋（Figure5-5），该DNA双螺旋据说是被DNA聚合酶半保留复制。这一任务是如何完成的呢？Figure5-5DNA复制的半保留性质在一轮复制中，DNA的每条链都用左形成互补链的模板。原始链因此经历很多代而完好无损。1960年代早期对完全复制的染色体进行的分析发现，一个局部的复制区域沿母DNA双螺旋向前移动。因其Y形结构该活跃区域被称为复制叉（Figure5-6）在复制叉处，两条新的子链被一个包含DNA聚合酶在内的多酶复合物合成。Figure5-6在一个环形染色体上两个复制叉

6、朝相反方向移动。一个活跃的DNA复制区域沿正在复制的DNA分子向前移动，形成一个Y形DNA结构即复制叉：Y的两条臂是两个子DNA分子，Y的茎是母DNA螺旋。图中，母链为橙色；新合成的链为红色。DNA合成中不存在3‘-5’的DNA聚合，只有5‘-3’。Figure5-7一种不正确的DNA复制模型。虽然看起来像是最简单的DNA复制模型，这里所示例的机制并非细胞使用的。在这个方案中，两条子DNA链都连续增长，利用两个末端磷酸（图中发红光黄圈所示）水解的能量在每条链上添加下一个核苷酸。这就要求链既以5‘-3’方向增长也以

7、3‘-5’方向增长。催化3‘-5’方向的核苷酸聚合的酶尚未发现。那么，3‘-5’方向的总体链增长是如何实现的呢？答案是冈崎片段——复制叉处短暂存在的1000-2000个核苷酸长度的DNA碎片（真核生物中也有相似的复制中介，长度只有100-200个核苷酸）。冈崎片段只以5‘-3’链方向被聚合而成，合成以后被连接在一起形成连续的长DNA链。复制叉因此具有一个不对成的结构（Figure5-8）.被连续合成的子链叫前导链，其合成稍微领先于另一条非连续的合成子链，即后随链。后随链的核苷酸聚合方向和DNA链的总体增长方向相反

8、。后随链合成之所以要延迟，是因为必须等待前导链将合成冈崎片段的模板链暴露出来。后随链通过一种不连续的“后缝”机制合成意味着DNA复制只需要5‘-3’类型的DNA聚合酶。Figure5-8DNA复制叉结构。因为两条DNA子链都以5‘-3’方向聚合，后随链上的DNA合成开始时必须被做成一系列短的DNA分子，称为冈崎片段。DNA复制的高保真要求几种校对机制正如本章开始所述，复制