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DNA复制过程中的疑难点分析

 生物学教学 2021-11-26
【疑问 1】DNA 复制时,两条子链的合成都是连续的吗?

【释疑】不是。由于 DNA 复制的方向只能是 5' → 3',而两条模板链的方向是反向平行的,一条链的走向为5' → 3',另一条链为 3' → 5'。这就很难说明,DNA 在复制时两条链如何能够同时作为模板合成其互补链。为了解决这个矛盾,日本学者冈崎等提出了 DNA 的不连续复制模型,认为 3' → 5' 方向合成的 DNA 实际上是由许多 5' → 3'方向合成的 DNA 片段连续拼接起来的(图 1),这些刚合成的 DNA 片段就叫冈崎片段,连续合成的链叫前导链,不能连续合成,由冈崎片段拼接形成的链叫滞后链。所以DNA 的复制是半不连续复制。

【疑问 2】DNA复制为什么只能从5'到3',不能从3'端到5'端呢?

这个和执行DNA复制的酶,也就是DNA聚合酶(DNA polymerase)的活性有关。因为DNA聚合酶只能把核苷酸加到3'-OH末端。(见下图)

因此DNA复制只能从5’到3'(下图箭头方向,DNA replication),也就在复制过程中形成了先导链(leading strand,下图b)和滞后链(lagging strand,下图c),滞后链上还有一个个的冈崎片段(Okazaki fragments)。

【疑问 3】DNA 复制需要 DNA 连接酶吗?

【释疑】需要。由于滞后链是不连续合成的,会产生很多冈崎片段。DNA 聚合酶只能在单个的脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键,不能在 DNA 片段之间形成磷酸二酯键,这些冈崎片段是由 DNA 连接酶连成长链的 。

【疑问 4】DNA 复制为什么需要引物?

【释疑】DNA 聚合酶有两大特点:第一,只能从 5' → 3'依次连接单个的脱氧核苷酸,不能连接两个已有的 DNA片段;第二,DNA 聚合酶不能发动新链的合成,只能催化已有链的延长反应。在 DNA 模板上先合成一小段 RNA,DNA 聚合酶再从引物的 3'—OH 端开始合成新的 DNA 链 ,这一小段 RNA 就是引物。

【疑问 4】细胞内DNA 复制时,为何需要RNA片段为引物,而不是DNA片段?(如果有一 个能起始链延长的特定DNA聚合酶来催化合成引物的话 , DNA复制就可稍简单些
原因如下[1]:(1)从生命起源上看,RNA在生命起源中起主导与中心作用,然后才产生了蛋白质与DNA。因此有些生物现仍以RNA作为遗传物质。并且,生命活动中所有生物都是以RNA作为信息中介来完成DNA指令的使命。所以,DNA合成时需要RNA引物很可能是早期DNA活动需 RNA参与的遗迹而被保存下来。

(2)从DNA聚合酶的活性看,没有RNA聚合酶的参与就不能提供DNA合成时必需的3'-OH端,也就无法启动DNA的合成。所以DNA复制需要RNA 作引物。

(3)从DNA复制的忠实性上看,一般认为,线状DNA两端的碱基对并不稳定,因此在合成起始段时,开头的几个碱基如果发生差错将不易校正。因为靠极短的寡核苷酸的堆积所能提供给双链结构稳定性的力太小,以致氢键相当微弱,使原有的校正功能难以检出不配对碱基予以校正,所以引物起始部位的差错率不能通过校正而减少。也就是先延长一个要丢弃的引物,使新加上的碱基有严格的碱基配对,以保证复制的忠实性。

另外,使用RNA作为DNA 合成的引物,主要在于它易被DNA聚合酶Ⅲ作为DNA 合成终止的信号所识别,使DNA聚合酶I进行切口移位,以减少DNA复制的出错率。如果用DNA作为引物,就不能被 DNA聚合酶Ⅲ识别(RNA、DNA的化学组成不同),从而影响了DNA的复制。

参考文献:[1]王昌留.DNA复制时为何需要RNA作引物[J].生物学教学,1998(12):21.

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