Skip to main content
Global

14.4: 原核生物中的 DNA 复制

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    202968

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    培养技能

    • 解释原核生物中 DNA 复制的过程
    • 讨论不同酶和蛋白质在支持这一过程中的作用

    DNA复制在原核生物中得到了非常好的研究，这主要是因为基因组体积很小，而且有可用的突变体。 大肠杆菌在单个圆形染色体中有460万个碱基对，所有碱基对在大约42分钟内被复制，从单一复制起源开始，沿着圆圈向两个方向移动。 这意味着每秒添加大约 1000 个核苷酸。 这个过程非常快速，并且没有很多错误。

    DNA复制使用大量的蛋白质和酶，每种蛋白质和酶在此过程中都起着至关重要的作用。 关键参与者之一是DNA聚合酶，也称为DNA pol，它在不断增长的DNA链中逐一添加核苷酸，这些核苷酸与模板链互补。 添加核苷酸需要能量；这种能量是从附着有三个磷酸盐的核苷酸中获得的，类似于附着三个磷酸基团的 ATP。 当磷酸盐之间的键被破坏时，释放的能量用于在传入的核苷酸和生长链之间形成磷酸二酯键。 在原核生物中，已知有三种主要的聚合酶类型：DNA pol I、DNA pol II 和 DNA pol III。 现在众所周知，DNA pol III 是 DNA 合成所需的酶；DNA pol I 和 DNA pol II 主要是修复所必需的。

    复制机制怎么知道从哪里开始？ 事实证明，有特定的核苷酸序列称为复制起源，从那里开始复制。 在其一条染色体上具有单一复制源的大肠杆菌中（与大多数原核生物一样），它的长度约为245个碱基对，并且富含AT序列。 与该位点结合的某些蛋白质可以识别复制的起源。 一种叫做解旋酶的酶通过破坏含氮碱基对之间的氢键来解开 DNA。 此过程需要 ATP 水解。 随着DNA的开放，形成了称为复制叉的Y形结构。 两个复制分叉在复制的起点形成，随着复制的进行，它们会双向扩展。 单链结合蛋白覆盖复制叉附近的单链 DNA，以防止单链 DNA 回归双螺旋。 DNA聚合酶只能在5'到3'方向添加核苷酸（新的DNA链只能向这个方向延伸）。 它还需要一个游离的 3'-OH 基团，它可以通过在 3'-OH 末端和下一个核苷酸的 5' 磷酸之间形成磷酸二酯键来添加核苷酸。 这本质上意味着，如果没有游离的 3'-OH 基团，它就无法添加核苷酸。 那么它是如何添加第一个核苷酸的呢？ 这个问题在提供免费的 3'-OH 端的入门的帮助下得以解决。 另一种酶 RNA primase 合成了一种 RNA 引物，该引物长约五到十个核苷酸，与 DNA 互补。 由于该序列引发了 DNA 的合成，因此它被恰当地称为引物。 DNA聚合酶现在可以扩展这种RNA引物，逐一添加与模板链互补的核苷酸（图\(\PageIndex{1}\)）。

    插图显示了复制分支。 Helicase 解开螺旋，单链结合蛋白阻止螺旋重新形成。 拓扑异构酶可防止 DNA 在复制分叉之前盘绕得太紧。 DNA primase 形成 RNA 引物，而 DNA 聚合酶延伸了 RNA 引物中的 DNA 链。 DNA 合成仅在 5' 到 3' 方向进行。 在前导链上，DNA合成持续进行。 在滞后的链上，随着螺旋的展开，DNA合成会多次重启，从而产生许多被称为 “冈崎片段” 的短片段。 DNA 连接酶将冈崎片段组合成单个 DNA 分子。
    图\(\PageIndex{1}\)：当解旋酶在复制起点分离 DNA 链时，就会形成复制分叉。 在复制分叉之前，DNA往往会变得更加盘绕。 拓扑异构酶在复制分叉之前会破坏并改造 DNA 的磷酸盐骨干，从而缓解这种超级线圈所产生的压力。 单链结合蛋白与单链 DNA 结合以防止螺旋重新形成。 Primase 合成 RNA 引物。 DNA 聚合酶 III 使用该引物合成子代 DNA 链。 在前导链上，DNA是连续合成的，而在滞后链上，DNA是以短片段合成的，称为冈崎片段。 DNA 聚合酶 I 用 DNA 取代 RNA 引物。 DNA 连接酶封住了冈崎片段之间的间隙，将这些片段连接成单个 DNA 分子。 （来源：玛丽安娜·鲁伊斯·比利亚雷尔对作品的修改）

    练习\(\PageIndex{1}\)

    你分离出一种细胞菌株，其中冈崎片段的结合受到损害，并怀疑在复制叉上发现的酶发生了突变。 哪种酶最有可能发生突变？

    回答

    DNA 连接酶，因为这种酶将冈崎片段结合在一起。

    复制分叉以每秒 1000 个核苷酸的速度移动。 DNA聚合酶只能向5'至3'方向延伸，这在复制分叉上构成了一个小问题。 众所周知，DNA双螺旋是反平行的；也就是说，一条链在5'到3'的方向上，另一条在3'到5'的方向上。 一条与3'至5'亲本DNA链互补的链是向复制叉连续合成的，因为聚合酶可以在这个方向上添加核苷酸。 这种连续合成的链被称为前导链。 另一条链与5'至3'的亲本DNA互补，从复制叉延伸到被称为冈崎片段的小片段中，每个片段都需要引物才能开始合成。 冈崎碎片以首次发现它们的日本科学家的名字命名。 带有冈崎碎片的链条被称为滞后链。

    前导链可以单独用一根引物延伸，而滞后的股线需要为每个较短的冈崎碎片添加新的引物。 滞后股线的总方向将为3英尺至5英尺，而前导股线的总方向为5英尺至3英尺。 一种叫做滑动夹的蛋白质在DNA聚合酶继续添加核苷酸时将其固定在适当的位置。 滑动夹是一种环形蛋白质，它与 DNA 结合并将聚合酶固定在适当的位置。 Topoisomerase 可防止 DNA 双螺旋在 DNA 开放时在复制分叉之前过度缠绕；它通过在 DNA 螺旋中造成暂时的划痕然后重新封住来做到这一点。 随着合成的进行，RNA 引物被 DNA 所取代。 引物通过DNA pol I的外切核酸酶活性去除，空隙由脱氧核糖核苷酸填补。 新合成的 DNA（取代了 RNA 引物）和先前合成的 DNA 之间残留的缺口由 DNA 连接酶密封，该酶催化一个核苷酸的 3'-OH 端与另一个片段的 5' 磷酸末端之间形成磷酸二酯连接。

    一旦染色体被完全复制，两个 DNA 拷贝在细胞分裂过程中会移动到两个不同的细胞中。 DNA复制过程可以概括如下。

    DNA 复制步骤

    1. DNA 在复制的起源处解开。
    2. Helicase 打开了形成 DNA 的复制分叉；这些分叉是双向扩展的。
    3. 单链结合蛋白覆盖复制叉周围的 DNA，以防止 DNA 倒带。
    4. 拓扑异构酶在复制分叉之前在该区域绑定，以防止超级线圈。
    5. Primase 合成与 DNA 链互补的 RNA 引物。
    6. DNA 聚合酶开始在引物的 3'-OH 末端添加核苷酸。
    7. 滞后和前导股的伸长率仍在继续。
    8. RNA 引物通过外切核酸酶活性被去除。
    9. DNA pol 通过添加 dnTP 来填补空白。
    10. 两个DNA片段之间的间隙由DNA连接酶封住，这有助于磷酸二酯键的形成。

    表\(\PageIndex{1}\)总结了参与原核生物 DNA 复制的酶以及每种酶的功能。

    表\(\PageIndex{1}\)：原核生物 DNA 复制：酶及其功能
    酶/蛋白质 特定功能
    DNA pol I 外切核酸酶活性去除 RNA 引物，取而代之的是新合成的 DNA
    DNA pol I 修复功能
    DNA pol I 在 5'-3' 方向添加核苷酸的主要酶
    Helicase 通过破坏含氮碱基之间的氢键来打开 DNA 螺旋
    Ligase 封住冈崎片段之间的空隙以创建一条连续的 DNA 链
    Primase 合成开始复制所需的 RNA 引物
    滑动钳 添加核苷酸时有助于将 DNA 聚合酶保持在原位
    拓扑异构酶 通过造成 DNA 断裂然后重新密封，帮助缓解 DNA 在解卷时承受的压力
    单链结合蛋白 (SSB) 与单链 DNA 结合，避免 DNA 倒带。

    链接到学习

    在此处查看 DNA 复制的完整过程。

    摘要

    原核生物中的复制从染色体上发现的称为复制起源的序列开始，这是 DNA 打开的点。 解旋酶打开了 DNA 双螺旋结构，从而形成了复制分叉。 单链结合蛋白与复制叉附近的单链 DNA 结合，以保持分叉开放。 Primase 合成 RNA 引物以启动 DNA 聚合酶的合成，DNA 聚合酶只能在 5' 到 3' 方向添加核苷酸。 一条链沿着复制分叉的方向连续合成；这被称为前导链。 另一条链是在远离复制分叉的方向上合成的，用称为冈崎片段的短片段DNA片段合成。 这条线被称为滞后链。 复制完成后，RNA引物被DNA核苷酸所取代，DNA用DNA连接酶密封，DNA连接酶在一端的3'-OH和另一端的5'磷酸盐之间产生磷酸二酯键。

    词汇表

    解旋酶
    在复制过程中，这种酶通过破坏氢键来帮助打开 DNA 螺旋结构
    滞后股线
    在复制过程中，在短片段中复制的链，远离复制分叉
    领先的股线
    在 5'-3' 方向连续合成的链，沿复制分叉的方向合成
    连接酶
    催化在 DNA 的 3' OH 和 5' 磷酸末端之间形成磷酸二酯连接的酶
    冈崎片段
    在滞后链上短时间合成的 DNA 片段
    primase
    合成 RNA 引物的酶；DNA pol 需要该引物才能开始合成新 DNA 链
    底漆
    启动复制所需的核苷酸很短；如果是复制，则引物含有 RNA 核苷酸
    复制分叉
    在复制开始时形成的 Y 形结构
    单链结合蛋白
    在复制过程中，与单链 DNA 结合的蛋白质；这有助于将两条 DNA 链分开，以便它们可以用作模板
    滑动钳
    环形蛋白，将 DNA pol 保持在 DNA 链上
    拓扑异构酶
    在 DNA 复制时导致 DNA 下卷或过卷的酶