DNA复制

DNA复制，也称为半保守复制，是DNA加倍的过程。这是分裂细胞内发生的一个重要过程。

在本文中，我们将讨论DNA 的结构、 DNA 复制所涉及的步骤（起始、延伸和终止）以及该过程出错时可能发生的临床后果。

DNA结构

DNA由数百万个核苷酸组成。这些分子由脱氧核糖组成，并附有磷酸盐和碱基（或核碱基）。这些核苷酸通过磷酸二酯键彼此连接成链，形成“糖-磷酸主链”。形成的键位于一个核苷酸的脱氧核糖上的第三个碳原子（称为 3'）和下一个核苷酸上的另一个糖的第五个碳原子（称为 5'）之间。

注意：3' 发音为“三素数”，5' 发音为“五素数”。

有两条 DNA 链，它们的运行方向彼此相反（反平行） 。这些链通过每个核苷酸上的碱基在整个长度上相互连接。

有 4 种不同的碱基与 DNA 相关：胞嘧啶、鸟嘌呤、A腺嘌呤和T腺嘌呤。在正常 DNA 链中，胞嘧啶与鸟嘌呤结合，腺嘌呤与胸腺嘧啶结合。当结合在一起时，两条链形成双螺旋结构。

通过 Difference_DNA_RNA-DE[CC BY-SA 3.0]，来自维基共享资源

图 1 – RNA 和 DNA 的结构

DNA复制的阶段

DNA复制可以分为三个阶段：起始、延伸和终止

引发

DNA 合成是在 DNA 链内称为“起点”的特定点开始的，这些点具有特定的编码区。这些起点是起始蛋白的目标，起始蛋白会继续招募更多有助于复制过程的蛋白质，在 DNA 起点周围形成复制复合物。DNA 结构内存在多个起始位点；当DNA复制开始时，这些位点被称为复制叉。

复制复合物内有DNA 解旋酶。这种酶解开双螺旋并暴露两条链，以便它们可以用作复制的模板。它通过水解用于在核碱基之间形成键的 ATP 来实现这一点，从而破坏将两条链固定在一起的键。

DNA引物酶是另一种在DNA复制中很重要的酶。它合成一个小RNA 引物，充当 DNA 聚合酶的“启动器” 。这种酶最终负责新 DNA 链的产生和扩展。

伸长

一旦 DNA 聚合酶附着到两条解开的 DNA 链（即模板链）上，它就能够开始合成新的 DNA 链以匹配模板。DNA 聚合酶只能通过在3' 端添加游离核苷酸来延伸引物。

其中一条模板链在3' 至 5'方向上读取，因此新链将在 5' 至 3' 方向上形成。该新形成的链称为前导链。沿着前导链，DNA引物酶只需在开始时合成一次RNA引物即可启动DNA聚合酶。这是因为 DNA 聚合酶能够通过读取模板 3' 至 5' 来延伸新的 DNA 链，如上所述以 5' 至 3' 方向合成。

然而，另一条模板链（滞后链）是反平行的，因此以5' 到 3'方向读取。连续的 DNA 合成（如前导链）需要从 3' 到 5' 方向进行，但这是不可能的，因为 DNA 聚合酶无法在 5' 端添加碱基。相反，当螺旋解开时，RNA 引物被添加到滞后链上新暴露的碱基上 ，并且 DNA 合成以片段形式发生，但仍然像以前一样沿 5' 到 3' 方向进行。这些碎片被称为O kazaki 碎片。

终止

扩展新 DNA 链的过程持续进行，直到不再有 DNA 模板链可供复制（即在染色体末端）或两个复制叉相遇并随后终止。两个复制叉的相遇不受调控，并且沿着染色体的过程随机发生。

DNA 合成完成后，新合成的链就会结合并稳定。对于滞后链，需要两种酶来实现这种稳定：RNAase H去除每个冈崎片段开头的 RNA 引物，DNA 连接酶将这些片段连接在一起以创建一条完整的链。

作者：LadyofHats Mariana Ruiz [公共领域]，来自 Wikimedia Commons

图 2 – DNA 复制的图示

临床相关性 -镰状细胞性贫血

镰状细胞性贫血是一种常染色体隐性遗传疾病，由单碱基替换引起，其中一个碱基被替换为另一个碱基。在某些情况下，单碱基替换可能导致“沉默突变”，其中整个基因不受影响，然而，在镰状细胞性贫血等疾病中，它会导致编码不同蛋白质的链。

在这种情况下，在编码血红蛋白的基因之一中，腺嘌呤碱基被替换为胸腺嘧啶碱基；这导致谷氨酸被缬氨酸取代。当它被转录成多肽链时，它所拥有的特性发生了根本性的改变，因为谷氨酸是亲水性的，而缬氨酸是疏水性的。这个疏水区域导致血红蛋白具有异常结构，可能导致毛细血管堵塞，导致组织和器官缺血和潜在坏死——这被称为血管闭塞危机。

这些危机通常通过镇痛来控制，包括根据严重程度使用阿片类药物和非甾体抗炎药。在紧急情况下可能需要输红细胞，例如，如果肺部发生阻塞。

作者：国家心肺血液研究所 (NHLBI) [公共领域]，来自 Wikimedia Commons

图 3 – 正常红细胞和受镰状细胞病影响的红细胞之间的结构差异。