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DNA 复制 - 定义、酶、步骤、机制、图表(真核生物和原核生物中DNA复制的差异)

发布时间:2022-01-21 09:59:35 阅读:18892次 来源:百度学术

  什么是 DNA 复制?

  这是一个复杂的过程,发生在细胞分裂(间期,S 期)期间,DNA 在细胞通过有丝分裂和减数分裂之前复制(复制)。

  DNA复制是一个半保守的过程,其中亲本链(模板)用于合成新的互补子链,使用包括酶和RNA分子在内的几种蛋白质元素。

  DNA 复制过程使用DNA 聚合酶 作为主要酶催化脱氧核糖核苷 5'-三磷酸 (dNTPs) 连接形成不断增长的 DNA 链。

  其他蛋白质也参与了该过程的启动和 DNA 的复制,以及确保复制过程准确进行的校对能力。

  因此,DNA 复制是一个从 DNA 分子的单链产生相同 DNA 螺旋的过程。

  DNA复制是促进生物体细胞生长、修复和繁殖的重要机制。

dna复制

  DNA复制的机制

  摘要:DNA 复制分三个主要步骤进行。

  DNA双链螺旋结构的打开和链的分离

  模板链的启动

  组装新形成的 DNA 片段。

  在 DNA 分离过程中,两条链在称为起点的特定位点展开。在几种酶和蛋白质的参与下,它们为复制准备(准备)链。

  在该过程结束时,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,但它们可能会有所不同,具体取决于生物体和细胞类型。

  酶在 DNA 复制中发挥着重要作用,因为它们催化了整个过程的几个重要阶段。

  DNA 复制是细胞功能最重要的机制之一,因此已经进行了深入的研究以了解其过程。

  DNA复制的机制在大肠杆菌中是众所周知的,这也与真核细胞中的相似。

  在大肠杆菌中,DNA 复制在 oriClocus (oriC) 处开始,在发生 ATP 水解时,DnaA 蛋白与该处结合。

  DNA复制酶和蛋白质

  DNA聚合酶

  DNA聚合酶是用于通过将核苷酸一一添加到生长的DNA链来合成DNA的酶。该酶将互补氨基酸掺入模板链。

  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 修复机制中的不同功能。

  DNA解旋酶

  这种酶参与解开 DNA 的双螺旋结构,从而开始 DNA 复制。

  它利用 ATP 水解过程中释放的能量来破坏 DNA 碱基之间的氢键并分离链。

  这在每条分开的链上形成了两个复制叉,向相反的方向打开。

  在每个复制叉处,亲本 DNA 链必须展开,暴露出单链模板的新部分。

  解旋酶准确地解开链,同时保持 DNA 分子上的形貌。

  DNA引发酶

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

  DNA连接酶

  这是通过在核苷酸之间形成磷酸二酯键将 DNA 片段连接在一起的酶。

  核酸外切酶

  这些是一组从 DNA 链末端去除核苷酸碱基的酶。

  拓扑异构酶

  这是解决展开过程中引起的拓扑应力问题的酶。

  他们切割一条或两条 DNA 链,使两条链相互移动以在重新连接末端之前释放张力。

  因此,酶通过连接断裂的链来催化它引起的可逆断裂。

  拓扑异构酶也称为大肠杆菌中的 DNA 促旋酶。

  端粒酶

  这是一种在真核细胞中发现的酶,它在染色体分裂后将特定的 DNA 序列添加到染色体的端粒中,从而随着时间的推移稳定染色体。

  DNA复制步骤/阶段

  引发

  这是启动 DNA 复制的阶段。

  DNA 合成在模板链内的特定编码区位点(称为起点)处开始。

  起始位点以起始蛋白为目标,它们募集额外的蛋白质,帮助复制过程,在 DNA 起始点周围形成复制复合物。

  有几个起始位点可以启动 DNA 复制,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,露出两条链,作为复制的模板。

  DNA解旋酶的机制是通过水解用于在核碱基之间形成键的ATP,从而破坏保持两条链的键。

  此外,在启动过程中,DNA 引物酶会合成小 RNA 引物,从而启动 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

  这是 DNA 聚合酶通过连接到原始解压缩的模板链和起始的短 RNA 引物来生长新的 DNA 子链的阶段。

  DNA聚合酶能够合成一条与模板匹配的新链,通过在3'端添加游离核苷酸来延伸引物。

  其中一个模板从 3' 到 5' 方向读取,因此 DNA 聚合酶在 5' 到 3' 方向合成新链,称为前导链。

  沿着模板链,DNA 引物酶在模板开始处从 5' 到 3' 方向合成一个短的 RNA 引物,从而启动 DNA 聚合酶继续合成新的核苷酸,延伸新的 DNA 链。

  通过添加填充有其他连接片段的短 RNA 引物,另一个模板(5' 到 3')在反平行方向上被拉长,形成新形成的滞后链。这些短片段被称为冈崎片段。

  滞后链的合成是不连续的,因为新形成的链是不连续的。

  来自短 RNA 引物的 RNA 核苷酸必须被去除并被 DNA 核苷酸取代,然后由 DNA 连接酶连接。

  终止

  在连续和不连续链的合成和延伸之后,一种酶知道外切核酸酶会从原始链中去除所有 RNA 引物。

  用正确的核苷酸碱基替换引物。

  在去除引物的同时,另一种类型的核酸外切酶对新支架进行校对,检查、去除和替换合成过程中形成的任何错误。

  DNA 连接酶将冈崎片段连接起来形成一条统一的链。

  亲本链的末端由称为端粒的重复 DNA 序列组成,端粒充当染色体末端的保护帽,防止附近染色体融合。

  端粒由一种特殊类型的 DNA 聚合酶合成,称为端粒酶。

  它催化 DNA 末端的端粒序列。

  完成后,母链和互补链盘绕成双螺旋形状,产生两个 DNA 分子,每个分子从母体分子中通过一条链和一条新链。

  冈崎碎片

  两条 DNA 链以相反或反平行的方向运行,因此在复制叉处连续合成两条新链需要一条链在 5'to3' 方向合成,而另一条链在相反方向合成,3'to 5'。

  然而,DNA聚合酶只能催化dNTPs仅在5'到3'方向的聚合。

  这意味着另一条相反的新链的合成方式不同。但是怎么做?

  通过连接从复制叉的运动方向向后合成的不连续的小片段 DNA。这些新 DNA 链的小片段或片段被称为冈崎片段。

  然后通过 DNA 连接酶的作用将冈崎片段连接起来,形成一条完整的新 DNA 链,称为滞后链。

  滞后期不是由启动前导链合成的引物合成的。

  取而代之的是,一小段 RNA 用作启动滞后链复制的引物(RNA 引物)。

  RNA 引物是在从头开始的 RNA 合成过程中形成的,一种称为 primase 的酶合成这些 RNA 的短片段,这些片段长 3-10 个核苷酸,与复制叉处的滞后链模板互补。

  然后通过 DNA 聚合酶对 RNA 引物的延伸合成冈崎片段。

  然而,新合成的滞后链是它包含一个 RNA-DNA 接头,定义了 RNA 在 DNA 复制中的关键作用。

  复制叉形成及其作用

  复制叉是活性 DNA 合成的位点,DNA 螺旋在此展开,单链 DNA 复制。

  几个原始站点代表复制叉。

  复制叉是在 DNA 链解旋过程中由暴露复制起点的解旋酶形成的。通过引物酶合成短 RNA 引物,并通过 DNA 聚合酶进行延伸。

  复制叉向新链合成的方向移动。新的 DNA 链以两个方向合成,即 3' 至 5' 方向为前导链,5' 至 3' 方向为滞后链。

  新 DNA 链的两侧(前导链和滞后链)从复制叉沿两个相反方向复制。

  因此复制叉是双向的。

DNA 复制叉

  主导股

  为什么 DNA 复制很重要?

  DNA 复制发生在细胞分裂过程中,它通过从单个亲本基因组制作基因组的两个副本来实现 DNA 的增殖和分裂。

  因此,它的重要性在于创建新的和下一个 DNA 副本,从而从单个亲本细胞产生两个子细胞。

  每个新细胞都有自己的基因组形成。

  这通过繁殖和细胞分裂增强了遗传。

  DNA复制压力

  在 DNA 复制过程中,该过程和 DNA 基因组经历了由机制产生的各种压力。这些压力导致复制停滞和复制叉形成停滞。有几个事件导致了这些压力,包括:

  不寻常的 DNA 结构

  错配的核糖核苷酸

  复制和转录的并发机制引起的紧张局势

  重要复制因子的可用性不足

  复制 DNA 链上的脆弱位点

  癌基因的过表达或组成型激活

  无法接近的染色质

  激酶调节蛋白如 ATM(ATM 丝氨酸/苏氨酸激酶)和 ATP 是有助于缓解复制压力的蛋白质。这些蛋白质被 DNA 损伤招募和激活。

  如果调节蛋白不稳定,停滞的复制叉可能会崩溃,如果发生这种情况,就会启动修复机制以重新组装复制叉。这有助于修复受损的 DNA 末端。

  真核生物中的 DNA 复制(与原核生物的差异)

  原核生物和真核生物中的 DNA 复制具有几个相似的特征和差异。这取决于细胞大小和基因组大小。

  原核和真核DNA复制之间的相似之处

  原核生物和真核生物在复制开始之前 DNA 的解旋机制是相同的。

  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的复制模式,在不同的方向上形成领先链和落后链。冈崎碎片构成了滞后链。

  最后,两种生物都使用短 RNA 引物启动 DNA 复制。

  前导链是由 DNA 聚合酶连续合成的新 DNA 链。

  它是在复制过程中合成的最简单的链。

  合成在 DNA 链解压缩和分离后开始。这会通过 DNA 引物酶生成一小段称为引物的 RNA。

  引物与链的 3' 末端(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 引物以不连续方式合成的模板链(5' 到 3')。

  在前导链的合成过程中,它会暴露出小的短链或模板,然后用于合成冈崎片段。

  冈崎片段通过 DNA 聚合酶的活性合成滞后链,DNA 聚合酶将 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 链的片段化。

  真核生物和原核生物中DNA复制的差异

  真核生物和原核生物中DNA复制的差异


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