🧬 DNA/RNA与基因表达

DNA的合成（复制）

从半保留复制到半不连续复制，掌握DNA复制的核心机制。

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免责声明： 本内容仅供医学学习参考，不作为临床诊断依据。

📊 学习进度

7个知识模块

预计学习时间：30分钟

01 DNA复制概述

❓ DNA复制的定义

DNA复制：以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程

复制特点

半保留性

半不连续性

方向性

❓ 半保留复制（Semiconservative replication）

定义：复制后每个子代DNA分子含有一条亲代链和一条新合成的链

复制过程示意

亲代DNA（双链） → 解旋 → 各自作为模板 → 合成新链 → 2个子代DNA分子

（每个子代DNA含1条亲代链+1条新链）

💡 实验证明：

Meselson-Stahl实验（1958年）用¹⁵N同位素标记证实

02 DNA复制的方向性

❓ DNA复制的方向

复制方向：5' → 3'

5'端

磷酸基团

→

3'端

羟基(-OH)

新链只能沿5'→3'方向延伸

❓ 为什么只能5'→3'方向复制？

DNA聚合酶只能在3'-OH上添加新的核苷酸

💡 化学基础：

新加入的dNTP的5'-磷酸基团与DNA链3'-OH形成3',5'-磷酸二酯键

03 DNA复制的关键酶

❓ DNA聚合酶（DNA polymerase, DNAP）

DNA聚合酶

功能：催化dNTP聚合形成DNA链

模板需求

需要DNA模板链

引物需求

需要RNA引物

方向：只能5'→3'方向延伸

保真性：具有3'→5'外切酶活性（校对功能）

❓ 原核生物DNA聚合酶

DNA pol I

5'→3'聚合活性 + 5'→3'外切酶活性（去除引物）+ 3'→5'外切酶活性（校对）

DNA pol III（主要复制酶）

负责DNA链延长，3'→5'外切酶活性（校对）

❓ 真核生物DNA聚合酶

DNA pol α（引物酶活性）

合成RNA-DNA引物

DNA pol δ（主要复制酶）

负责后随链合成，3'→5'外切酶活性

DNA pol ε（主要复制酶）

负责前导链合成，3'→5'外切酶活性

❓ 其他复制相关酶

解旋酶（Helicase）

解开DNA双螺旋，消耗ATP

拓扑异构酶（Topoisomerase）

切断并再连接DNA链，释放超螺旋张力

单链结合蛋白（SSB）

稳定解开的单链DNA，防止复性

引物酶（Primase）

合成RNA引物，提供3'-OH

DNA连接酶（Ligase）

连接DNA片段（冈崎片段），形成磷酸二酯键

04 半不连续复制

❓ 前导链（Leading strand）

定义：与解旋方向相同的DNA链

合成方向

连续5'→3'合成

特点

连续复制

💡 记忆："前导链一路领先，连续前进"

❓ 后随链（Lagging strand）

定义：与解旋方向相反的DNA链

合成方向

不连续5'→3'合成

特点

分段复制（冈崎片段）

💡 记忆："后随链走走停停，分段前进"

❓ 冈崎片段（Okazaki fragment）

定义：后随链上不连续合成的DNA片段

原核生物

1000-2000nt

真核生物

100-200nt

处理：RNA引物被去除，冈崎片段由DNA连接酶连接

05 DNA复制过程

❓ 复制起始阶段

1 识别复制起点（Ori）

2 解旋酶解开双链

3 SSB稳定单链

4 引物酶合成RNA引物

❓ 复制延伸阶段

5 DNA pol III/δ/ε沿5'→3'方向合成DNA

6 前导链连续合成，后随链分段合成

❓ 复制终止阶段

7 RNA引物被去除（DNA pol I/RNase H）

8 冈崎片段间缺口由DNA连接酶封闭

06 复制的高保真性

❓ DNA复制保真性的机制

① 严格遵守碱基配对原则

A与T，G与C配对

② DNA聚合酶的校对功能

3'→5'外切酶活性切除错配碱基

③ 复制后修复

错配修复系统纠正残留错误

🏥 临床意义：

DNA复制错误累积→基因突变→肿瘤发生

07 特殊复制方式

❓ 滚环复制（Rolling circle replication）

特点：从一个缺口开始，一边滚动一边复制

实例：噬菌体DNA复制

环状DNA切开一个链 → 3'端延伸 → 5'端被置换 → 形成 concatemer

❓ D环复制（D-loop replication）

特点：线粒体DNA的复制方式

过程：两条链不同步复制，形成D环结构

🎯自测题

1 关于DNA半保留复制，下列说法正确的是？必考

▶

A. 复制后每个子代DNA分子含有一条母链和一条新合成链

B. 复制后每个子代DNA分子含有两条母链

C. 复制后每个子代DNA分子含有两条新合成链

D. 复制后母链被降解，完全由新链组成

答案：A

半保留复制：DNA复制时，双链解开，每条母链作为模板合成互补的新链。复制完成后，每个子代DNA分子由一条母链（旧链）和一条新合成链组成。

这是Meselson-Stahl实验（1958年）证实的。

"半保留，一条旧一条新；母链当模板，子链互补生"

2 DNA复制的方向是？必考

▶

A. 3'→5'

B. 5'→3'

C. N端→C端

D. C端→N端

答案：B

DNA复制方向：5'→3'

DNA聚合酶只能在引物的3'-OH末端添加脱氧核苷酸，因此DNA链只能沿5'→3'方向延伸。这是所有DNA聚合酶的共同特性。

"复制5到3，聚合酶特性；新链延伸，三撇端进行"

3 原核生物DNA复制的主要酶是？必考

▶

A. DNA聚合酶I

B. DNA聚合酶II

C. DNA聚合酶III

D. DNA聚合酶IV

答案：C

原核生物DNA聚合酶分工：

DNA pol III：主要的复制酶，负责链的延伸（高活性、高持续性）
DNA pol I：切除RNA引物、填补缺口、修复
DNA pol II：参与DNA修复

"pol III延伸主，pol I修复补缺口；复制主要靠三，修复一和二"

4 冈崎片段存在于哪条链？高频考点

▶

A. 前导链（Leading strand）

B. 后随链（Lagging strand）

C. 两条链都有

D. 两条链都没有

答案：B

半不连续复制：

前导链（Leading strand）：沿5'→3'方向连续合成
后随链（Lagging strand）：沿5'→3'方向不连续合成，形成冈崎片段

冈崎片段是后随链上不连续合成的DNA片段，之后由DNA pol I切除RNA引物并填补，DNA连接酶连接。

"前导连续后随断，冈崎片段在后随；方向都向三撇走，连续与否看模板"

5 DNA复制时，复制叉的移动方向与后随链合成方向的关系是？易混淆

▶

A. 相同

B. 相反

C. 垂直

D. 无关

答案：B

复制叉移动方向：

复制叉向一个方向移动
前导链：合成方向与复制叉移动方向相同
后随链：合成方向与复制叉移动方向相反

这是"半不连续复制"的本质原因：两条模板链的方向相反，但DNA聚合酶只能沿5'→3'方向合成。

"复制叉移动单方向，前导相同后随反；酶向三撇不能变，半不连续是必然"

6 真核生物中，负责后随链合成的DNA聚合酶是？高频考点

▶

A. DNA pol α

B. DNA pol β

C. DNA pol δ

D. DNA pol ε

答案：C

真核生物DNA聚合酶分工：

DNA pol α：合成RNA-DNA引物（引发酶活性）
DNA pol δ：负责后随链合成
DNA pol ε：负责前导链合成
DNA pol γ：线粒体DNA复制

"α引物δ后随，ε前导来配对；γ在線粒体，分工各不同"

7 端粒酶的性质是？高频考点

▶

A. DNA聚合酶

B. RNA聚合酶

C. 逆转录酶（反转录酶）

D. DNA连接酶

答案：C

端粒酶（Telomerase）：

是一种逆转录酶（RNA指导的DNA聚合酶）
自带RNA模板，用于延长端粒DNA
在生殖细胞和干细胞中活性高，体细胞中活性低
与细胞衰老和肿瘤发生相关

"端粒酶是逆转录，自带RNA模板好；延长端粒防衰老，肿瘤细胞活性高"

8 DNA复制需要引物的原因是？必考

▶

A. DNA聚合酶不能从头起始合成

B. DNA聚合酶需要3'-OH末端来延伸

C. 提高复制的准确性

D. A和B都正确

答案：D

DNA复制需要引物的原因：

DNA聚合酶不能从头起始（de novo）合成DNA链
DNA聚合酶只能在已有的3'-OH末端添加核苷酸
引物（RNA或DNA）提供3'-OH，使DNA聚合酶可以开始延伸

对比：RNA聚合酶不需要引物，能从头起始合成RNA。

"DNA酶要引物，不能从头起；需要三撇端，延伸才能继"

📝 真题练习

【真题】DNA复制的方向是？

💡 5'→3'

【真题】原核生物DNA复制的主要酶是？

💡 DNA聚合酶III（DNA pol III）

【真题】前导链的合成特点是？

💡 连续5'→3'方向合成

【真题】冈崎片段存在于哪条链？

💡 后随链（Lagging strand）

【真题】DNA连接酶的作用是？

💡 连接DNA片段（冈崎片段），形成磷酸二酯键

【真题】真核生物DNA pol δ的主要功能？

💡 负责后随链合成

🔄 快速回顾

DNA复制方向

5'→3'

原核主要复制酶

DNA pol III

前导链特点

连续合成

后随链特点

不连续合成（冈崎片段）