五、DNA的复制

DNA作为遗传物质的基本特点就是能够准确地自我复制，而DNA的互补双螺旋结构对于维持这类遗传物质的稳定性和复制的准确性都是极为重要的。 （一）DNA复制的方式 从前面的内容可知，DNA是由两条互补的多核苷酸链组成的，其中一条链上的核苷酸排列顺序可以决定另一条链上的核苷酸顺序。据此推测，在复制过程中，首先DNA双螺旋的两条多核苷酸链之间氢键断裂，双链解开，然后每条链各自作为模板，以脱氧核糖核苷酸为原料，按照碱基配对规律，合成新的互补链。这样形成的两个子代DNA分子与原来的亲代DNA分子的核苷酸顺序完全相同。在此过程中，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的。这种复制方式称为半保留复制。实验证明，DNA半保留复制的方式是正确的。由于DNA在代谢上的稳定性，经过许多代的复制，DNA分子上的遗传信息仍可传给后代。 （二）参与复制的酶类 DNA的复制过程极为复杂，但其速度甚快，这是由于许多酶参与了复制过程。 1．DNA聚合酶（DNApolymerase）。四种脱氧核糖核苷酸（dNTP，N代表A、T、G、C四种碱基）是DNA合成的原料。在原有DNA模板链存在时，DNA聚合酶催化四种dNTP通过与模板链的碱基互补规律，合成新的DNA链，故此酶又被称为DNA指导的DNA聚合酶（DNa directed DNA polymerase，缩写为DDDP）。 值得注意的是，DNA聚合酶不能自行从头合成DNA链，而必须有一个原有的多核苷酸链作为引物，DNA聚合酶只能在引物的3′末端上逐步合成DNA链。由此可见，DNA链的合成方向是从5′端至3′端进行的。 无论在原核细胞或真核细胞中，均存在着多种DNA聚合酶，它们的性质不完全相同。目前认为，在真核细胞中，DNA聚合酶α在复制中起关键作用，而DNA聚合酶β主要在DNA损伤的修复中起作用。 2． 引物酶。由于DNA聚合酶不能自行从头合成DNA链，因此在复制过程中首先需要合成一小段RNA的多核苷酸链作引物，在这段RNA引物的基础上引导DNA链的合成，催化RNA引物合成的酶是引物酶，实际上它是一种特殊的RNA聚合酶。 3．DNA连接酶。因为复制过程中，DNA链的合成方向只能由5′端→3′端方向进行，因此其中有一条新链的合成是不连续的。起初生成的是许多短链。需要DNA连接酶将它们连接起来。 4．参与DNA解旋、解链的酶及因子。已知DNA具有超螺旋结构。复制时必须松弛DNA模板的超螺旋结构，并使DNA的双链分开，暴露碱基，否则不可能在模板上按碱基配对原则合成新的互补DNA链。松驰模板DNA超螺旋，分开双链主要由拓扑异构酶，解链酶及DNA结合蛋白等来完成。 （三）DNA复制的过程 DNA复制大致可分为以下几个阶段。 1．起始与引物RNA的合成 DNA复制有固定的起始部位，在真核细胞DNA双链上有多个起始部位。复制时，解链酶等先使DNA的一段双链解开，形成复制点。这个复制点的形状象一个叉子，故称为复制叉。引物酶能辩认起始部位，并以四种核糖核苷酸为底物，以解开的一段DNA链为模板，按5′-3′方向合成RNA片段。在这一阶段只合成了引物RNA，为DNA链的合成做好了准备工作。 2．DNA片段的生成 在细胞内，DNA的两条链都可作为模板，同时合成两条DNA链。由于DNA两条链是反向平行的，即一条链是5′→3′方向，而另一条链则是3′→5′方向。但是，DNA聚合酶催化DNA链的合成只能顺着5′→3′方向进行。因此，在新的DNA链中有一条连续合成的（称前导链），而另一条是不连续合成的（称随从链。在随从链合成过程中，先合成的是较短的片段（称为冈崎片段），然后将这些片段再连结起来，形成完整的DNA链。冈崎片段的合成方向仍然是5′→3′，反应直至下一个引物RNA的5′端为止。 3．RNA引物的水解 DNA片段合成一定长度后，链中的RNA引物被核酸酶水解而切掉。此时出现的缺口由DNA片段继续延长而填补。 4．完整的DNA分子的形成 相邻的两个DNA片段在DNA连接酶作用下连接起来，形成大分子DNA链，与其对应的模板DNA链一起生成子代双螺旋DNA，即完整的DNA分子。 DNA复制过程十分准确，极少发生错误，由此保证了子代DNA与亲代DNA分子完全相同，这是遗传稳定性的重要基础。某些因素可使DNA结构改变，则导致子代DNA结构的相应变化，称为遗传的变异。