为什么DNA复制的延伸方向不能从3′-5’？

 

来源公众号：Bioinfotec

在大学分子生物学课本上有写到：“DNA复制是以DNA为模板的DNA合成，是基因组的复制过程。并且由于DNA聚合酶只能催化DNA链从5’-3’方向的合成，因此子链沿着模板链复制的时候，只能从5’-3’的方向延伸。”

遗憾的是，课本中并没有告诉我们为什么DNA聚合酶只能催化DNA链从5-3’的方向合成。虽然在后面介绍引物的合成这一小节中有提到：”DNA聚合酶不具备催化两个游离dNTP之间形成磷酸二脂键的能力，只能催化核苷酸片段的3’-OH末端于dNTP间的聚合。”但这依旧没有从本质上解释为什么DNA复制的方向不能是3’-5’。

有的时候，感觉生物就是在微观世界里观察一个又一个的现象，最终很多呈现在课本上的知识也只是对这些现象的描述，告诉我们这个基因有什么作用，那个酶只能催化什么…..为了考试，我们不得不去背这些知识，一段时间后能留在脑海中的恐怕是所剩无几。

言归正题，我们已经知道DNA复制从5’到3’方向进行，这是因为DNA聚合酶只能作用于模板连的3′-OH端以添加游离的脱氧核苷酸。下面从能量和校对的角度来看待这一问题，在此之前，先回顾一下DNA复制的过程和脱氧核苷酸的结构。

DNA复制过程

在DNA复制过程中，双螺旋结构的DNA被酶类分子（解旋酶）解开，形成两条单链DNA模板。解旋酶通过打开双螺旋结构，在两DNA链之间产生一个称为复制起始点的开放区域。在复制起始点，DNA聚合酶结合到单链DNA上，并开始合成新的DNA链。DNA聚合酶沿着模板链滑动，识别配对的碱基，不断地将新的脱氧核苷酸添加到新合成链的3’末端，形成新的DNA链。

脱氧核苷酸结构

脱氧核苷酸由三个主要部分组成：碱基（base），脱氧核糖糖（deoxyribose），以及磷酸基团（phosphate group）：

能量角度

DNA聚合酶能够将游离的核苷三磷酸（dNTP）与现有DNA链连接起来，也就是dNTP的一个磷酸基团与合成链上的3′-OH基团发生反应来完成连接。这种连接方式利用了磷酸基团的高能磷酸键，从而实现了DNA链的扩增。需要注意的是，dNTP一共有三个磷酸基团，反应过程中，其5′ 末端附加的两个磷酸基团会丢失，也就是变成焦磷酸。

从能量角度来看，使用合成链的3′-OH端连接dNTP的5‘-磷酸基团比使用游离核苷酸的3′-OH端连接合成链的5’-磷酸基团更加有利。这是因为连接过程涉及磷酸基团的转移，而转移过程中涉及到的高能磷酸键的断裂和形成是能量消耗较大的反应。为了将3′-OH基团与5’-磷酸连接起来，需要从5‘-磷酸基团中去除一个氧原子（上图中红色箭头指向的）。但由于这个氧原子还与另外两个磷酸基团连接在一起，同时这两个磷酸基团也与Mg++相连（未标出），于是Mg++能吸引这个氧原子的电子，从而削弱了氧原子与磷酸基团之间的相互作用力，使得来自3′-OH的亲核攻击成功，形成磷酸二酯键。

而如果是dNTP的3′-OH基团与合成链的5′-磷酸（只有一个磷酸基团）相连接，这种情况下将无法产生足够的能量来削弱与连接在5′-磷酸上的氧原子之间的键，3′-OH的亲核攻击变得更加困难，反应也不容易进行下去。或许你会有疑问，此时合成链5’端的核苷酸为什么只能是有一个磷酸基团，而不能是像dNTP一样有三个磷酸基团。有两个原因，一个是复制刚开始时，引物的5’端只有1个磷酸基团，还有一个原因时，此时三磷酸酯会自发水解。

实际上，两种复制方向（5’到3’和3’到5’）之间唯一的区别在于反应的三磷酸盐出现的位置不同。在前一种情况下，被水解的三磷酸盐属于被添加的核苷酸（也就是dNTP），而在后一种情况下，被水解的三磷酸盐属于正在延伸的链上的核苷酸。

校对角度

我们知道DNA聚合酶具有校对能力，这是确保DNA复制的准确性和高保真性的重要机制之一。

校对需要去除不匹配的碱基，如果复制方向是从3’-5’并且假设此时合成链的5’端有三个磷酸基团，由于反应会消耗了合成链末端5’处的三磷酸盐，因此发生错误后，末端核苷酸被移除，此时只剩下了一个磷酸基团，反应无法继续进行下去。因此，倘若DNA聚合酶催化的活性是从3’到5’，这将破坏聚合酶的校对能力。从这个角度来看，对校对的需求限制了DNA链合成的方向为5’到3’。如下图所示：

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