DNA复制-定义，酶，步骤，机制，图表

表的内容

什么是DNA？

脱氧核糖核酸(DNA)是一种核酸，它由三种成分组成:脱氧核糖糖、磷酸盐和含氮碱。脱氧核糖核酸，DNA是定义细胞的遗传物质。它是一种长分子，含有独特的编码，为合成所有身体蛋白质提供指令。

DNA结构

DNA的结构模型最初由James Watson和Francis Click提出。
他们发现，DNA是一个双螺旋结构，由两条核苷酸序列互补的成对DNA链组成。
双链DNA分子有两条螺旋状的核酸链，它们被扭曲成双螺旋状。这种扭曲赋予了DNA的致密性。
DNA是由数百万核苷酸。核苷酸是由脱氧核糖糖组成的分子，其上有一个磷酸基和一个碱基。
每个核苷酸与另一条链上的互补核苷酸紧密碱基配对，即腺嘌呤（a）与胸腺嘧啶（T）配对或鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）配对，因此一条链的序列充当复制过程中形成的新链的模板。
核苷酸通过磷酸二酯键相互结合形成糖-磷酸骨干。
它们在脱氧核糖糖上的第三个碳原子之间形成了一个键它被命名为3 '(3 ')另一个糖上的第五个碳原子被命名为5 ' (5 ')
在复制过程中，序列的任何部分都可以用来创建或识别邻近的核苷酸序列。
DNA通过紧密地包裹在称为染色质的紧密线圈中而与细胞核相匹配。在细胞分裂过程中，染色质浓缩形成染色体。
在DNA复制之前，染色质会松开，使复制机制接触到DNA链。

图片来源:复利．

读也:DNA-结构，性质，类型和功能

什么是DNA复制？

这是发生在细胞分裂(间期，S期)期间的一个复杂过程，在细胞通过有丝分裂和减数分裂分裂之前，DNA进行复制。
DNA复制是一种半保留的过程其中一个亲代链(模板)被用来合成一个新的互补子链，使用的蛋白质元素包括酶和RNA分子。
DNA复制过程使用DNA聚合酶作为催化脱氧核糖核苷5 ' -三磷酸(dNTPs)连接形成生长的DNA链的主要酶。
其他蛋白质也参与DNA的启动和复制过程，以及校对功能，以确保复制过程准确进行。
因此，DNA复制是一个从DNA分子的单链中产生相同的DNA螺旋的过程。
DNA复制是促进细胞生长、修复和生物体繁殖的重要机制。

DNA复制的机制

总结DNA复制有三个主要步骤。

1. 打开DNA的双链螺旋结构并分离链
2. 模板链的引物
3. 组装新形成的DNA片段。

在DNA分离过程中，两股DNA在一个特定的位置展开，这个位置被称为起源．在几种酶和蛋白质的参与下，它们为复制准备(启动)链。
在这个过程的最后，DNA聚合酶开始组织新DNA链的组装。
这些是所有细胞DNA复制的一般步骤，但它们可能有具体的不同，取决于生物体和细胞类型。
酶在DNA复制中起着重要作用，因为它们催化了整个过程中的几个重要阶段。
DNA复制是细胞功能最重要的机制之一，因此人们对其过程进行了深入的研究。
DNA复制的机制在大肠杆菌,这和真核细胞的情况类似。
在大肠杆菌中，DNA复制开始于oriC位点(oriC)，当ATP水解时，DnaA蛋白与oriC位点结合。

DNA复制酶和蛋白质

DNA聚合酶

DNA聚合酶是一种通过将核苷酸一个一个地添加到生长的DNA链中来合成DNA的酶。这种酶在模板链上加入互补的氨基酸。
DNA聚合酶存在于原核细胞和真核细胞中。它们都含有几种不同的DNA聚合酶，负责DNA复制和DNA修复机制的不同功能。

DNA解旋酶酶

这是一种酶，参与解开DNA的双螺旋结构，允许DNA复制开始。
它利用ATP水解过程中释放的能量，打破DNA碱基之间的氢键，分离DNA链。
这在每个分离的链上形成了两个复制分叉，向相反的方向打开。
在每个复制叉上，亲代DNA链必须展开，以暴露单链模板的新片段。
解旋酶准确地解开链，同时保持DNA分子上的地形。

DNA引物酶酶

这是一种RNA聚合酶，用于合成或生成RNA引物。RNA引物是作为DNA复制起始模板的短RNA分子。

DNA连接酶酶

这种酶通过在核苷酸之间形成磷酸二酯键将DNA片段连接在一起。

核酸外切酶

这是一组酶，可以去除DNA链末端的核苷酸碱基。

拓扑异构酶

这是一种能解决解缠绕过程中产生的拓扑应力问题的酶。
他们切断一条或两条DNA链，让DNA链在重新连接两端之前围绕彼此移动以释放张力。
因此，酶通过连接断裂链来促进可逆断裂。
拓扑异构酶又称DNA旋回酶大肠杆菌。

端粒酶

这是在真核细胞中发现的一种酶，它在染色体分裂后将特定的DNA序列添加到染色体端粒中，使染色体随着时间稳定下来。

视频:DNA复制酶及其功能(Shomu 's Biology)

DNA复制步骤/阶段

初始化

这是DNA复制开始的阶段。
DNA合成是在模板链内的一个被称为起源．
起源地点是由引发剂的蛋白质它会招募额外的蛋白质，帮助复制过程在DNA起源周围形成一个复制复合体。
DNA复制的起始点有几个，它们都被称为复制叉。
形成的复制复合物包含DNA解旋酶，其功能是解开双螺旋，暴露两条链，作为复制的模板。
DNA解旋酶的机制是通过水解ATP来形成碱基之间的键，从而打破连接两条链的键。
此外，在起始阶段，DNA引物酶合成小RNA引物，启动DNA聚合酶的功能。
DNA聚合酶通过生长新的DNA子链发挥作用。

伸长

在这个阶段，DNA聚合酶将新的DNA子链附着在原始的未拉链的模板链和起始的短RNA引物上，从而生长出新的DNA子链。
DNA聚合酶能够合成与模板匹配的新链，通过在3 '端添加游离核苷酸来延长引物。
其中一个模板在3 '到5 '方向读取，因此，DNA聚合酶在5 '到3 '方向合成新的链，这被称为前导链。
沿着模板链，DNA引物酶在模板的5 '到3 '方向合成一个短RNA引物，启动DNA聚合酶继续合成新的核苷酸，延长新的DNA链。
另一个模板(5 '到3 ')是通过添加短RNA引物，以反平行的方向拉长的，短RNA引物充满了其他连接片段，形成了新形成的滞后股。这些短片段被称为冈崎片段。
滞后链的合成是不连续的，因为新形成的链是断开的。
短RNA引物中的RNA核苷酸必须被移除并被DNA核苷酸取代，然后由DNA连接酶连接。

终止

在连续型和断续型支架合成和延伸之后，一种被称为核酸外切酶的酶会从原链上去除所有的RNA引物。
引物被正确的核苷酸碱基取代。
当移除引物时，另一种核酸外切酶对新的支架进行校对，检查、移除和替换合成过程中形成的任何错误。
DNA连接酶连接冈崎片段形成一个单一的统一链。
母链的末端由一个重复的DNA序列组成，称为端粒，端粒在染色体的末端起着保护帽的作用，阻止附近染色体的融合。
端粒是由一种叫做端粒酶的特殊类型的DNA聚合酶合成的。
它催化DNA末端的端粒序列。
完成后，母链和互补链缠绕成双螺旋形，产生两个DNA分子，分别从母链和新链中传递一条链。

DNA复制视频动画(阿米巴姐妹)

冈崎片段

两条DNA链以相反或反平行的方向运行，因此，要在复制叉处连续合成两条新链，需要一条在5'到3'方向合成，而另一条在相反方向3'到5'方向合成。
然而，DNA聚合酶只能催化dNTPs在5 '到3 '方向的聚合。
这意味着另一条相反的新链以不同的方式合成。但如何?
通过从复制叉的运动方向向后合成的不连续的小DNA片段的连接。这些新DNA链的小片段或片段被称为Okasaki碎片。
冈崎片段通过DNA连接酶的作用连接，形成一条完整的新DNA链，称为滞后链。
滞后相不是由引发前导链合成的引物合成的。
相反，一个短片段的RNA作为一个引物(RNA引物)，用于启动滞后链的复制。
RNA引物是在RNA合成过程中形成的，它是从头开始的，一种称为引物酶的酶合成这些RNA短片段，长度为3-10个核苷酸，与复制叉上的滞后链模板互补。
冈崎片段随后通过DNA聚合酶的RNA引物延伸合成。
然而，新合成的后向链中含有一个RNA-DNA关节，这就确定了RNA在DNA复制中的关键作用。

图:冈崎片段。图片来源:大卫O摩根．

复制叉的形成及其功能

复制叉是活跃的DNA合成位点，DNA螺旋解开，DNA单链复制。
几个起始点代表复制叉。
复制叉是在DNA链被解旋酶解开的过程中形成的，解旋酶暴露了复制的起源。短RNA引物由引物酶合成，DNA聚合酶进行延伸。
复制叉向合成新链的方向移动。新的DNA链在两个方向合成，即3 '至5 '方向是先导链，5 '至3 '方向是滞后链。
新DNA链的两端(前导链和后导链)在复制叉的两个相反方向进行复制。
因此复制分叉是双向的。

图:DNA复制叉。图片来源:MDPI (Adam R. Leman和Eishi Noguchi)．

主导股

前导链是由DNA聚合酶不断合成的新DNA链。
它是复制过程中合成的最简单的链。
在DNA链被解开和分离后，合成就开始了。这就产生了一小段RNA，称为a底漆通过DNA引物酶。
引物与链的3 '端(起始)结合，从而启动新链(前导链)的合成。
前导链的合成是一个连续的过程。

滞后链

这是由RNA引物不连续合成的模板链(5 ' - 3 ')。
在前导链的合成过程中，它暴露出小的、短的链或模板，然后用于冈崎片段的合成。
冈崎片段通过DNA聚合酶的活性合成滞后链，将DNA片段（冈崎片段）添加到引物之间的链中。
滞后链的形成是一个不连续的过程，因为新形成的链(滞后链)是短DNA链的碎片。

视频讲座:DNA复制-前导链vs后导链&冈崎片段(有机化学导师)

为什么DNA复制很重要?

DNA复制发生在细胞分裂过程中，它通过从一个单亲基因组中复制两个基因组来实现DNA的增殖和分裂。
因此，它的重要性在于产生新的和下一个DNA拷贝，从一个单亲细胞产生两个子细胞。
每个新细胞都有自己的基因组。
这通过繁殖和细胞分裂增强了遗传。

DNA复制的压力

在DNA复制过程中，DNA基因组会因其机制而承受各种压力。这些应力导致停滞复制和停滞复制叉的形成。有几个事件导致了这些压力，包括;

不寻常的DNA结构
不匹配的核苷酸
由复制和转录的并发机制引起的张力
重要复制因素的可用性不足
复制DNA链上的脆弱位点
癌基因的过度表达或结构性激活
无法访问染色质

激酶调节蛋白，如ATM (ATM丝氨酸/苏氨酸激酶)和ATP是帮助减轻复制压力的蛋白质。这些蛋白质被DNA损伤吸收并激活。

如果调节蛋白不稳定，停滞不前的复制叉可能会崩溃，如果和当这种情况发生时，修复机制的重新组装复制叉发生。这有助于修复受损的DNA末端。

真核生物的DNA复制(与原核生物的差异)

原核生物和真核生物的DNA复制既有相似之处，也有不同之处。这取决于细胞大小和基因组大小。

原核生物和真核生物DNA复制的相似性

原核生物和真核生物在DNA复制开始前的解开机制是相同的。
在这两种生物体中，DNA聚合酶协调新DNA链的合成。
此外，这两种生物都使用半保守复制模式，使前导链和滞后链向不同的方向。冈崎片段形成滞后链。
最后，两种生物都使用短RNA引物启动DNA复制。

真核生物与原核生物DNA复制的差异

S.N.	真核生物DNA复制	原核DNA复制
1.	由于真核生物的体积很大，它们拥有的DNA是真核生物的25倍	由于体型小，它们的DNA非常少
2.	真核细胞有多个起源点，它们利用细胞核内的单向复制。	原核细胞有一个单一的起源点，复制在两个相反的方向同时发生，它发生在细胞质中。
3.	真核生物有四种或四种以上的聚合酶。	原核细胞具有一种或两种聚合酶。
4.	真核细胞的复制速度较慢，需要400小时。	原核细胞的复制速度更快，需要40分钟。
5.	真核生物有一个独特的过程来复制染色体末端的端粒。	原核生物具有环状染色体DNA，因此它们没有任何末端需要合成。
6.	真核细胞只在细胞周期的s期进行DNA复制。	原核生物的复制几乎是连续不断的。

引用和来源

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