DNA复制：原核生物和真核生物中的机制 - 生物学 - 2025

所述DNA的复制（脱氧核糖核酸）是复制基因组中，即，所有在生物体的DNA以产生两个相同拷贝的遗传信息。基因组具有构建完整生物所需的信息。

细胞分裂之前，会发生DNA复制。通过减数分裂，产生配子以进行有性生殖。通过有丝分裂，发生细胞置换（例如皮肤和血液）和发育（例如组织和器官）。

资料来源：我，Madprime

了解DNA的结构可以使我们了解其复制过程。DNA的结构由双螺旋组成，双螺旋由两个连续核苷酸的反平行链组成，其含氮碱基以特定方式相互补充。

在复制过程中，DNA双链的每条链都充当新链生物合成的模板。两条新合成的链具有与模板链的碱基互补的碱基：腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T），胞嘧啶（C）和鸟嘌呤（G）。

DNA复制涉及各种酶和蛋白质。例如，打开DNA双螺旋，保持DNA开放，并添加脱氧核糖核苷5'-三磷酸（dNTP）以形成新链。

DNA复制是半保守的

根据DNA的结构，Watson和Crick提出DNA复制是半保守的。梅塞尔森（Meselson）和斯塔尔（Stahl）通过用¹⁵ N的重氮同位素标记大肠埃希氏菌的DNA来证明这一点，并遵循了在¹⁴ N的轻氮培养基中的分布模式。

Meselson和Stahl发现，在第一代中，两个子DNA分子的每个分子都标记有一条链，该链上有氮的重同位素，而另一个则有轻同位素。与亲本DNA分子的两条链均标有重同位素¹⁵ N的分子不同。

在第二代中，50％的DNA分子与第一代中的相似，而另外50％仅具有轻氮。此结果的解释是，子双螺旋具有父链（用作模板）和新链。

半保守复制机制涉及通过连续的核苷酸配对分离DNA链和互补碱基，产生两个子双螺旋。

电池复制

细菌中DNA复制的启动

细菌DNA由环形染色体组成，并且只有一个复制起点。从该位点开始，两个子链的生物合成双向发生，形成两个复制叉，它们沿着与原点相反的方向移动。最后，发夹相遇，完成复制。

复制开始于DnaA蛋白与原始位点的结合。这些蛋白质反过来形成复合物。然后，HU和IHF蛋白等结合在一起，将DNA折叠在一起，从而在富含胸腺嘧啶和腺嘌呤的区域中导致两条DNA链分离。

接下来，DNaC蛋白结合，这导致DNA解旋酶结合。它们有助于解开DNA并打破碱基对之间形成的氢键。因此，两条链进一步分离，形成两条简单链。

拓扑异构酶II（或DNA回旋酶）在DNA解旋酶之前移动，从而减少了阳性超螺旋。单链DNA结合（SSB）蛋白使DNA链分开。因此，子链的生物合成可以开始。

细菌中子代DNA链的生物合成

primase酶负责合成称为引物的短RNA链，其长度为10-15个核苷酸。DNA聚合酶开始向引物糖的3'-OH末端添加5'-三磷酸脱氧核苷（dNTPs），此后链从同一末端继续生长。

因为DNA链是反平行的，所以在前导链上合成了一个引物，在滞后链上合成了许多引物。因此，延迟链的生物合成是不连续的。尽管DNA链是反平行的，但复制叉仅在一个方向上移动。

DNA聚合酶负责在5'®3'方向上新合成的链的相邻核苷酸之间形成共价键。在大肠杆菌中，有五种DNA聚合酶：DNA聚合酶I和III进行DNA复制； DNA聚合酶I和DNA进行DNA复制。DNA聚合酶II，IV和V负责修复和复制受损的DNA。

大多数复制是由DNA聚合酶III进行的，DNA聚合酶III是一种全酶，具有10个不同的亚基，在DNA复制中具有各种功能。例如，α亚基负责在核苷酸之间建立连接。

酶的复合体负责细菌中DNA的复制

DNA解旋酶和引物酶结合形成称为引物的复合体。它沿着DNA移动，以协调的方式分离两条亲本链，并在延迟链上每隔一定间隔合成引物。

原始体与DNA聚合酶III物理结合，并形成复制体。两种DNA聚合酶III负责复制引导链和延迟链的DNA。关于DNA聚合酶III，延迟链形成向外的环，其允许核苷酸向该链的添加以与前导链相同的方向发生。

核苷酸向前导链的添加是连续的。在延迟中，它是不连续的。形成长度为150个核苷酸的片段，称为冈崎片段。

DNA聚合酶I的5'-> 3'核酸外切酶活性负责消除引物并填充，添加核苷酸。连接酶封闭片段之间的间隙。当两个复制挂钩按终止顺序相遇时，复制结束。

Tus蛋白与终止序列结合，从而阻止复制叉的运动。拓扑异构酶II可以分离两条染色体。

DNA聚合酶使用三磷酸脱氧核糖核苷酸

脱氧核苷三磷酸（dNTP）包含三个与脱氧核糖5'碳相连的磷酸基团。dNTP（dATP，dTTP，dGTP和dCTP）遵循AT / GC规则绑定到模板链。

DNA聚合酶催化以下反应：生长链核苷酸的3'羟基（-OH）与传入的dNTP的α磷酸反应，释放出无机焦磷酸盐（PPi）。PPi的水解产生能量，用于在生长链的核苷酸之间形成共价键或磷酸二酯键。

确保DNA复制保真度的机制

在DNA复制过程中，DNA聚合酶III犯了1亿个核苷酸的错误。尽管出错的可能性非常低，但是有一些机制可以确保DNA复制的准确性。这些机制是：

1）碱基配对的稳定性。AT / GC之间的氢键能比错误的碱基对更高。

2）DNA聚合酶活性位点的结构。DNA聚合酶优先催化相反链上具有正确碱基的核苷酸连接。不良的碱基配对会导致DNA双螺旋的变形，从而防止错误的核苷酸占据酶的活性位点。

3）阅读测试。DNA聚合酶识别掺入的错误核苷酸并将其从子链中去除。DNA聚合酶的核酸外切酶活性破坏了新链3'端核苷酸之间的磷酸二酯键。

真核生物中的DNA复制

与原核生物的复制不同，原核生物的复制始于单个位点，而真核生物的复制则始于多个原点，而复制叉则双向移动。随后，所有复制发夹融合，形成在着丝粒处连接的两个姐妹染色单体。

真核生物拥有多种类型的DNA聚合酶，其名称使用希腊字母。DNA聚合酶α与primase形成复合物。这种复合物合成短的引物，该引物由10个核苷酸的RNA和20至30个核苷酸的DNA组成。

接下来，ε或δDNA聚合酶催化引物的子链延伸。DNA聚合酶ε参与前导链的合成，而DNA聚合酶δ合成延迟链。

DNA聚合酶δ延长左侧的Okazaki片段，直至到达右侧的RNA引物，产生引物的短瓣。与原核生物不同，在原核生物中，DNA聚合酶会去除引物，而在真核生物中，Flap内切核酸酶会去除RNA引物。

接下来，DNA连接酶封闭相邻的DNA片段。复制的完成是由于蛋白质从复制叉中解离而发生的。

DNA在真核细胞周期和细胞中的复制。

真核生物中的复制发生在细胞周期的S期。复制的DNA分子在有丝分裂过程中被分泌到两个子细胞中。G1和G2期将S期和有丝分裂分开。激酶，磷酸酶和蛋白酶高度调节细胞周期各个阶段的进程。

在细胞周期的G1期，起源识别复合物（OCR）结合到起源部位。这会诱导MCM解旋酶与其他蛋白质（例如Cdc6和Cdt1）结合，形成复制前复合物（preRC）。MCM解旋酶与引导链结合。

在S阶段，preRC成为活动复制站点。OCR，Cdc6和Cdt1蛋白被释放，MCM解旋酶沿3'到5'方向移动。复制完成后，它将在下一个单元周期中重新启动。

真核生物中染色体末端的复制

染色体的末端称为端粒，由重复的串联序列和一个3'区域组成，该区域突出，长度为12至16个核苷酸。

DNA聚合酶无法复制DNA链的3'末端。这是由于以下事实：DNA聚合酶只能在5'-3'方向上合成DNA，并且只能延长预先存在的链，而不能在该区域合成引物。因此，端粒随着每一轮复制而缩短。

端粒酶可防止端粒缩短。端粒酶是一种具有蛋白质和RNA亚基（TERC）的酶。后者结合DNA的重复序列，并允许端粒酶结合端粒的3'端。

连接位点后面的RNA序列充当模板，用于在DNA链末端合成六个核苷酸序列（聚合）。端粒酶的延长是由端粒酶亚基（称为端粒酶逆转录酶（TERT））催化的。

聚合后，发生了易位，包括端粒酶移动到DNA链的新末端，再连接另外六个核苷酸直到末端。

真核生物中其他DNA聚合酶的功能

DNA聚合酶β在从DNA去除不正确的碱基中起重要作用，但不参与DNA复制。

许多发现的DNA聚合酶属于“复制转移”的聚合酶。这些聚合酶负责在受损DNA区域合成互补链。

有几种类型的“转移复制”聚合酶。例如，DNA聚合酶η可以在由紫外线产生的胸腺嘧啶二聚体上复制。

细菌中的DNA复制

古细菌DNA复制与真核生物相似。这是由于以下原因：1）参与复制的蛋白质与真核生物的蛋白质比原核生物的蛋白质更相似；2）尽管只有一个复制位点，例如在原核生物中，但其序列与真核生物的起源位点相似。

古细菌和真核生物在复制方面的相似性支持这样的观点，即两组在系统发育上彼此之间的亲缘关系远高于与原核生物上的亲缘关系。

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