医学百科

复制

1 拼音

fù zhì

2 英文参考

replication

3 复制是一种生物分子合成过程

复制是与遗传物质结构相同的生物分子合成过程。生物通过复制将遗传信息传递给后代。一般指DNA生物合成(关于作为遗传物质的RNA的合成,见RNA复制酶、逆转录酶)。

3.1 DNA进行半保留复制

双链DNA复制时先是两条链分开,然后每条链再作为模板,被酶作用产生互补的新DNA链。这样合成的子代DNA分子结构与母链完全相同,其一条链来自母本,另一条链是新合成的。这种半保留复制的方式已经实验证实,催化这个过程的酶是DNA聚合酶。细菌DNA和许多病毒DNA是双螺旋环形结构。完整的大肠杆菌DNA以环状形式复制,复制始于染色体上固定的起始点,朝两个相反的方向进行。复制时,两条新链沿旧链不断延伸形成叉子的形状(叫做复制叉)前进。双向复制有两个复制叉,待两个复制叉相遇时,环DNA的复制便停止。染色体上的复制点是一段由100~200碱基对组成的核苷酸序列。也有一些病毒DNA朝一个方向,用其他不同的方式复制。

3.2 冈崎片段和半不连续复制

DNA双螺旋结构的两条链方向相反,以之为模板,新生DNA的两条链必定沿相反方向的旧链延伸。已知的DNA聚合酶都催化DNA链从5′向3′延伸,从3′到5′延伸的DNA链是怎样合成的呢?1968年,日本科学家冈崎等用放射性标记的核苷参入实验,发现短时间内合成的是较短的DNA片段,接着出现较大的分子。据此,他认为至少有一条新DNA链的合成是不连续过程。从5′向3′连续合成的新生DNA链叫做前导链,另一条叫做后随链,其合成则是先从5′到3′合成若干短片段(冈崎片段),再经DNA连接酶的作用连接起来。实验证明,冈崎片段在细菌中普遍存在。细菌的冈崎片段含1000~2000个核苷酸残基。冈崎片段合成的引物一般是含少数核苷酸残基的RNA。引物是由一种特定的RNA聚合酶(叫做引发酶)催化合成的。引发酶有时与其他酶连在一起,有时与几种其他蛋白质组成引发体在DNA复制中起作用。引发酶随复制叉的移动,断断续续地生成与后随链模板互补的RNA引物,在引物的3′端合成冈崎片段,再连接起来。冈崎片段的合成并无专一的起始部位。

3.3 亲本DNA双链的分离

DNA双螺旋结构较紧密且常扭曲成超螺旋,而在复制时亲本DNA双链必须解开一部分,才便于DNA聚合酶识别单链模板。现已发现一些有利于超螺旋结构松弛或双螺旋分子解旋的酶或蛋白质。一种DNA解链酶能依靠ATP水解供给的能量解开复制叉前方的DNA双链。有的解链酶与引发酶结合在一起(如大肠杆菌T4噬菌体)。双链解开后立即有一种单链结合蛋白SSB与DNA单链紧密结合。SSB是四聚体,它不但可避免两条DNA单链再相遇因而重新结合成双链分子,也可保护单链模板免受细胞核酸酶的降解。另一种DNA旋转酶兼有内切核酸酶和连接酶的活性,能迅速使DNA链断开又连上。当与ATP供应能量的反应偶联时,旋转酶可引入超螺旋,即使处于松弛态的双螺旋DNA分子转变为超螺旋状态;在没有ATP时,旋转酶又使超螺旋DNA转变为松弛态。在旋转酶、解链酶、单链结合蛋白等共同的作用下可使DNA双链部分解开。

3.4 DNA复制的分子机制

本世纪80年代中后期得知DNA复制时前导链与后随链同时延伸,且DNA聚合酶Ⅲ全酶以二聚体的形式起作用,推断后随链模板在复制时暂时成环。解链酶解开母本DNA双链后,产生的单链模板随即被单链结合蛋白包上。前导链沿其模板从5′到3′在DNA聚合酶Ⅲ全酶的作用下连续合成,合成方向与复制叉前进的方向一致。这时沿后随链模板断续合成引物,在引物的3′端合成冈崎片段,合成方向从5′到3′,也是DNA聚合酶Ⅲ全酶催化的。因为模板成环,合成方向实际上与复制叉前进的方向也一致。合成完毕的冈崎片段的RNA引物被DNA聚合酶Ⅰ的5′→3′外切核酸酶活性切除,所造成的序列空隙又被DNA聚合酶Ⅰ的聚合酶活化,用前一冈崎片段作为引物,以相应的脱氧核苷酸填满。这样在合成完毕的短DNA片段间只遗留一个切口,最后经DNA连接酶封口。DNA短片段逐步连接成大片段,终于完成后随链的合成。DNA聚合酶有校正作用,能改正复制中的错误。DNA复制有高度的忠实性。经研究,发现DNA聚合酶的3′→5′外切核酸酶活性可以校对新生DNA链的碱基序列并改正其聚合酶活性所造成与模板相应核苷酸的“错配”。当进入一个错配的脱氧核苷酸时,该核苷酸不能用氢键与模板链结合。此时DNA聚合酶向执行聚合酶功能时的相反方向移动,切除新DNA链3′端的脱氧核苷酸残基,插入能与模板链正确配对的脱氧核苷酸,并按照正常的程序重新开始复制。估计人的一组遗传指令约有30亿个核苷酸,人基因组复制的差错率即使低到只有百万分之一,每次复制也将出现3000处差错。从一个受精发育成人,这个基因组大约要复制1000万亿次。出现的差错将是惊人的数字。事实上,实际的错误率约是100亿分之一。

3.5 真核生物DNA的复制

真核生物DNA的复制远比大杆菌复杂。其染色体上有多个复制起始点,从这些起始点开始,复制双向进行。真核细胞中也有冈崎片段(100~200个核苷酸长)、RNA引物(约含10个核苷酸)、DNA连接酶和一些有关DNA双螺旋分子解旋的酶和蛋白质。推测其DNA复制过程的分子机制极可能与原核生物类似。人类细胞和大肠杆菌细胞的DNA复制可大致比较如下表。

有关大肠杆菌的数据是在37℃培育该细胞所得。有关人类细胞的数据来自Hela细胞。这种细胞原取自肿瘤,已在培养基中保留了多年。

4 复制是一种炮制方法

复制是用多种制法反复地处理药材。复制的目的主要是减低或消除药物毒性,增强疗效,使鲜品易于干燥。如半夏天南星白附子川乌草乌何首乌紫河车香附

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