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[[File:DNA replication zh.png|thumb|350px|DNA复制]] '''DNA复制'''是指[[DNA]]双链在细胞分裂[[分裂间期]]进行的以一个[[亲代]]DNA[[分子]]为模板合成[[子代]]DNA链的过程。复制的结果是一条双链变成两条一样的双链(如果复制过程正常的话),每条双链都与原来的双链一样(排除[[突变]]等不定因素)。 DNA复制是一种在所有的生物体内都会发生的[[生物学]]过程,是生物[[遗传]]的基础。对于[[双链DNA]],即绝大部分生物体内的DNA来说,在正常情况下,这个过程开始于一个亲代DNA分子,最后产生出两个相同的子代DNA分子。亲代双链DNA分子的每一条[[单链]]都被作为模板,用以合成新的互补单链,这一过程被称为[[半保留复制]]。[[细胞]]的[[校正(遗传学)|校正]]机制确保了DNA复制[[突变|近乎完美的]]准确性。<br /> 在细胞当中,DNA复制起始于[[基因组]]的特殊[[位点]],称为“起始位点”。起始于起始位点的DNA解链和新链的合成会形成[[复制叉]]。除了[[DNA聚合酶]]外,一些酶通过添加和模板相配的[[核苷酸]]来合成新DNA,一些和复制叉连接的其他[[蛋白]]对DNA的复制起始和延伸起辅助作用。<br /> DNA复制也可以在体外(即人工地)进行,从细胞中分离的DNA[[聚合酶和]]人造的DNA复制[[引物]]可以用来启动以已知序列的DNA分子为模板的复制,[[聚合酶链式反应]](PCR)是一种常见的实验室技术,这种采用了循环方式的人工合成,在一个DNA池中[[扩增]]出特定的DNA片段。 [[Image:DNA replication split.svg|thumb|200px|right|DNA复制]] 此时,原本呈双螺旋结构的两条链已经打开,并且每一条单链都作为下一条新链的模板。各个[[核苷酸]]按照碱基互补配对原则被合成新的[[碱基对]]。 == DNA的结构 == {{Main|脱氧核糖核酸}} DNA通常是一个双链的结构,两条单链互相盘绕从而表现出[[双股螺旋|双螺旋]]结构。[[脱氧核糖核苷酸]]是DNA的单体。DNA的每一条单链都是由四种碱基不同的脱氧核糖核苷酸构成的,这四种碱基即:[[腺嘌呤]]('''A''')、[[胞嘧啶]]('''C''')、[[鸟嘌呤]]('''G''')和[[胸腺嘧啶]]('''T''')。一个核苷酸可以是一[[磷酸]]、[[二磷酸]]或者三磷酸的,也就是说,一个[[脱氧核糖]][[磷酸化|连接]]着一个、两个或者三个磷酸基团。每条单链中相邻的脱氧核糖核苷酸都通过化学反应生成[[磷酸二酯键]]相连接,以此形成了DNA双[[螺旋结构]]中由磷酸基团和脱氧核糖组成的骨架,而骨架里面既是碱基对。两条单链之间的[[核苷]](即碱基)通过氢键形成碱基对相连。一般情况下,A只与T相连,而C只与G相连。<br /> DNA链是具有方向性的,对于DNA的一条单链来说,它的两个末端分别被命名为“3'端”和“5'端”。DNA两条单链的结构之所以被描述为“[[反向平行]]双螺旋”,其中的“反向”即指两条单链中,一条链的方向是从3'端到5'端,而另一条则相反,是从5’端到3’端。5和3指的是在一个脱氧核糖中连接着相邻的磷酸基团的两个碳原子。方向性对于DNA合成有重要的意义,因为在DNA合成的过程中,DNA聚合酶只能向3'端的方向添加新的脱氧核糖核苷酸。<br /> DNA中两条链的碱基是通过氢键连接实现一一配对的,这意味着一个DNA中的两条单链都包含着完全相同的信息。这样,一条单链中的核苷酸可以用来重建互补链中预期相对的核苷酸。 == DNA聚合酶 == {{Main|DNA聚合酶}} [[Image:DNA polymerase.svg|thumb|250px|right|DNA聚合酶在一条链的5'端添加核苷酸.如果意外地出现了一个错配,那么DNA聚合酶将会停止继续合成DNA。[[校正(遗传学)|校正]]机制会移去错配的核苷酸,之后继续合成DNA。]] 在所有形式的DNA复制中,DNA聚合酶都是必需的一类酶。不过,一个DNA聚合酶只能根据[[模板链]],延长已经存在的DNA链,并不能直接开始合成一条新链以起始DNA复制。要起始DNA复制,必须先合成一小段与模板链配对的,被称之为引物的DNA或者[[RNA]]链。<br /> 之后,DNA聚合酶会通过磷酸二酯键的连接,添加与模板链配对的核苷酸,从而向引物链的3'端方向合成DNA。每一个未结合的碱基都连着三个[[磷酸基]],DNA合成的能量即来自于其中的两个磷酸基。(自由的碱基和与之相连的磷酸基团统称为三[[磷酸核苷]])当一个核苷酸被添加到正在延长的DNA链上时,它的两个磷酸基团将脱落,释放的能量将会生成一个磷酸二酯键把剩下的磷酸基团和DNA链连接起来。这样的能量机制也可以用来解释复制的方向性——如果DNA是从5'端向3'端合成的话,那么能量就会通过5'端提供而不是自由的核苷酸了。<br /> 一般来说,DNA聚合酶是相当精准的,每添加10^7个核苷酸,发生的错误不超过一个。即使是这样,有些DNA聚合酶也具有[[校正(遗传学)|校正]]的能力,他们可以移除错配的碱基。如果5'端核苷酸在校正的过程中需要被移除,那么三磷酸末端就会丢失。因此,用于提供添加新核苷酸的能量来源也就丢失了。! == 预测和实验 == DNA复制是透过名为半保留复制的机制来得以顺利完成的。半保留复制是由[[詹姆斯·杜威·沃森|沃森]]与[[弗朗西斯·克里克|克里克]]所预测,并且由[[马修·梅瑟生|马修·梅塞尔森]](Matthew Meselson)和[[富兰克林·史达|富兰克林·斯塔尔]](Franklin Stahl)于1958年进行研究而得以证实。 === 预测 === 沃森和克里克在提出DNA的[[双股螺旋|双螺旋结构]]模型时就对DNA的复制过程进行了预测。由于DNA碱基对的配对原则,两条链是互补的,因此,双链中的任意一条链都含有完整的[[遗传信息]]。沃森和克里克推测,在DNA复制过程中氢键首先断裂,双螺旋[[解旋]]并被分开,每条链分别作为模板各自合成一条新的互补链。这样就产生了两个与原来DNA分子的[[碱基顺序]]一样的新的DNA分子。而新DNA分子的一条链来自亲代DNA分子,另一条链是新合成的,因此,这种复制方式称为半保留复制。 === 实验 === {{Main|米西尔逊-斯塔尔实验}} 1958年,[[马修·梅瑟生|马修·梅塞尔森]](Matthew Meselson)和[[富兰克林·史达|富兰克林·斯塔尔]](Franklin Stahl)用[[同位素]]标记法和[[氯化铯]][[密度梯度离心]]法证明了沃森和克里克的半保留复制模型。这个实验被称作[[米西尔逊-斯塔尔实验|梅塞尔森-斯达尔实验]]。 == 过程 == 复制可以分为以下几个阶段: * 起始阶段:[[解旋酶|DNA解旋酶]]在局部展开双螺旋结构的DNA分子为单链,[[引物酶]]辨认起始位点,以解开的一段DNA为模板,按照5'到3'方向合成RNA短链。形成[[RNA]]引物。 * DNA片段的生成:在引物提供了3'-OH末端的基础上,[[DNA聚合酶]]催化DNA的两条链同时进行复制过程,由于复制过程只能由5'->3'方向合成,因此一条链能够连续合成,另一条链分段合成,其中每一段短链成为[[冈崎片段]](Okazaki fragments)。 * RNA引物的水解:当DNA合成一定长度后,DNA聚合酶水解RNA引物,补填缺口。 * [[DNA连接酶]]将DNA片段连接起来,形成完整的DNA分子。 最后DNA新合成的片段在[[旋转酶]]的帮助下重新形成螺旋状。 === 起始 === 细胞若要[[细胞分裂|分裂]],必先复制其DNA。这个过程在DNA上的一个特殊位点上开始,称之为“[[复制原点|起始位点]],相关的酶作用于这个位点,DNA的双链被分开,复制随即开始。起始位点包含一段可以被复制启动蛋白(比如[[大肠杆菌]]中的dnaA以及[[酵母菌]]中的起始点识别[[复合物]])识别的[[DNA序列]]。这些启动蛋白吸引其他的[[蛋白质]]把DNA的双链打开并开启复制叉。<br /> 启动蛋白吸引其他相关蛋白组成了前复制复合物,它可以在起始位点打开DNA链并形成一个泡。起始位点的序列倾向于富含A-T碱基对,这有益于启动的实现,因为A-T碱基对只有两条氢键相连(C-G碱基对有三个),一般来说,这样的结构使得打开双链更加容易,因为氢键的数量越多则打断它们需要的能量也越多。<br /> 所有已知的DNA复制系统在复制开始前都需要一个自由的3'羟基。现在已发现四种不同的复制机制。 #所有的真核生物、许多DNA病毒、噬菌体和质粒用引物酶合成一小段包含有一个自由3'羟基的RNA引物,DNA聚合酶随后会顺着3'羟基延长序列。 #反转录转座子(包括反转录病毒)在反转录酶的辅作用下利用转移RNA为DNA的复制延伸提供自由 3′ OH。 #在腺病毒和细菌噬菌体 φ29家族中,DNA聚合酶将核苷酸添加到基因组附蛋白以合成新链,组成基因组附蛋白的氨基酸侧链提供 3' OH。 #在单链DNA病毒(包括环状病毒、双粒病毒、细小病毒以及其他单链DNA病毒)、许多噬菌体和质粒中,采用环状复制机制(RCR)。RCR内切酶先在基因链上(对于单链病毒)或者DNA的一条链上(对于质粒)制造一个缺口。缺口链的5'端被运送到核酸酶的酪氨酸残基上,而自由的3'羟基端则被用作DNA聚合酶复制新链的起点。 这些机制中被了解最深入的是[[真核生物]]的复制机制。DNA首先解开螺旋,双链被打开,RNA引物与模板链结合。特别来说,[[前导链]]的活动区域只结合一个RNA引物;而[[后随链]]则结合几个,这几个RNA引物生成的断断续续的后随链称之为冈崎片段,以其发现者命名。<br /> DNA聚合酶在合成前导链时是持续合成的,而在后随链时却是[[不连续合成]]的(这是因为合成的方向性,请参考冈崎片段)。[[核糖核酸酶|RNA水解酶(RNase)]]会水解那些曾用于使DNA聚合酶起始复制的RNA片段,另一些DNA聚合酶会进去缺口并生成DNA填补缺口。当这一步完成时,前导链的一个缺口和后随链的数个缺口都会被填补上。DNA[[连接酶]]将会填补这些缺口,从而完成新DNA分子的合成。<br /> [[古菌]]、真核生物在这个过程中使用的引物酶,和[[细菌]]使用的有所不同。细菌用的[[引发酶]]属于DnG[[蛋白质超家族]]含有一个TOPRIM折叠型的[[催化]]域。TOPRIM折叠包含一个α/β核心和四条保守链,以罗斯曼拓扑结构存在。这种结构同时在许[[多酶]]的催化[[结构域]]中发现,如[[拓扑异构酶]] I a,[[拓扑异构酶II]],OLD家族[[核酸酶]],与RecR蛋白有关的[[DNA修复]]蛋白。<br /> 比较而言,古菌和真核生物中的引发酶含有高度派生的RNA识别模式。这种引发酶在结构上和许多参与DNA复制与修复的酶相似,如:依赖于RNA的[[RNA聚合酶]],[[反转录酶]],核苷酸生成循环酶,A/B/Y家族的DNA聚合酶。所有这些蛋白质共有一个催化机制:双向[[金属离子]]介导的核苷酸转移,其中在第一条链末端和RRM-LIKE单位的第二条链和第三条链之间分别附着着两个[[酸性]][[核酸]][[残基]],由二价阳离子[[螯合]]。<br /> 随着DNA合成的继续,原始DNA链继续沿复制泡两边解旋,形成具有两个叉子的复制叉结构。在细菌的[[环形染色体]]上只有一个复制起始位点,复制过程最终形成一个θ结构。比较起来,真核生物具有较长的[[线性染色体]],可在多个位点进行复制起始。 === 复制叉 === [[File:Replication fork.svg|right|thumb|图为复制叉。图解:a为模板DNA;b为前进股、c为延迟股、d为复制叉、e为引子、f为[[冈崎片段]]。 复制叉是[[细胞核]]内DNA复制时形成的结构。这是由[[解旋酶]]创造的,解旋酶用来打断连接两条DNA链的氢键。复制叉有两个由[[DNA单链]]组成的“叉子”。这两条打开的单链将会作为前导链和后随链的模板,前导链和后随链将会由DNA聚合酶按碱基互补配对原则依照模板链合成。模板链的信息可以被严格地复制到前导链和后随链上。]] ==== 前导链 ==== 合成后的前导链作为新DNA的模板链,所以复制叉沿3'向5'移动。从而使新合成的链与原始链互补,在新链沿着5'到3'合成DNA,这和复制叉移动的方向相同。<br /> 在前导链上,一个[[聚合酶]]不断地“阅读”被复制的DNA并向前导链添加核苷酸。这个聚合酶就是[[原核生物]]中的DNA聚合酶Ⅲ(DNA Pol III);在酵母菌中,推测是聚合酶ε。在人[[体细胞]]中,前导链和后随链在细胞核中是由聚合酶α和聚合酶δ合成,在[[线粒体]]中由聚合酶 γ合成。在特殊情况下聚合酶ε可以替代聚合酶δ。 ==== 后随链 ==== 后随链是新DNA双链的[[编码链]],所以复制叉沿5'向3'移动。因为它的方向性和DNA聚合酶Ⅲ从3'到5'的工作方向相反,复制过程在后随链上比前导链更为复杂。<br /> 在后随链上,引物酶“读”DNA并添加数小段分开的RNA引物。在真核生物中引物酶是聚合酶α。DNA聚合酶Ⅲ或聚合酶δ延长引物片段,形成冈崎片段。之后引物的去除也由聚合酶α完成。而在[[原核细胞]]中,[[DNA聚合酶Ⅰ]](DNA polymerase I)将RNA引物去除后再用对应的脱氧核糖核苷酸替换。最后DNA连接酶再将片段连接起来。 ko == 参考文献 == {{Reflist|2}} {{-}} {{DNA复制}} {{分子生物学}} [[Category:DNA复制]] [[Category:衰老]] {{Link GA|cs}} {{Link FA|eu}} ==参考来源== *[http://zh.wikipedia.org/wiki/DNA%E5%A4%8D%E5%88%B6 维基百科-DNA复制]
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