培养技能

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\(\PageIndex{1}\)）。

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？

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

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。

链接到学习

在此处查看 DNA 复制的完整过程。

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。