Question

请问为什么DNA在复制时延伸方向只能是从3'-5',而不能是从5’-3’？

Answer 1

这是生物长期进化的结果。所有已知的 DNA聚合酶只能使新合成的 DNA子链从 5′→3′方向延伸 ,这种方向性是其在生物进化中保留的、深刻的、选择与适应性特征 ,有着深刻的化学及生物学功能的根源。
首先 , DNA复制过程中 , DNA双链解螺旋后 ,每一条链上所暴露出来的碱基各自与一个游离于核中的三磷酸脱氧核糖核苷酸 ( dTTP、dGTP、 dATP、dGTP)按碱基配对原则配对。之所以参与反应的是三磷酸脱氧核苷酸 ( dNTP) ,是因为 DNA的聚合反应需要能量 ,在 DNA聚合酶的催化下 , dNTP分解 2个磷酸基团 ,放出能量用于核苷酸顺序连接而成为新链。
其次 , DNA聚合酶只能将游离的核苷酸加到新链的 3′端 (即 -OH)。
再次 ,我们可以利用反证法来说明 “为什么 DNA聚合酶的延伸方向都是 5′→3′,而不是 3′→5′”。假设链的延伸方向为 3′→5′,基于能量的需要 ,其多核苷酸链的 5′端必须带有三磷酸基团 (p～p～p) ,才能与游离的 dNTP起反应 ,而 dNTP也有 p～p～ p,由于磷酸基团之间强的电负性 ,使 dNTP难以聚合到 DNA的 5′端 ,这就需要切除 DNA5′端的 2个磷酸基因以消除这种影响。而这样又难于为进一步的聚合提供所需的能量 ,为使聚合反应得以继续 ,5′端必须重新活化 ,需要额外的能量供应以及别的酶参与反应 ,才能与下一个 dNTP的 3′-OH生成磷酸二酯键。这样既费时又耗能 ,从生物进化与适应角度来讲是不利的。
通过进化 , DNA复制总是在 5′→3′方向添加新核苷酸解决该问题。 DNA复制过程中 ,滞后链的半不连续复制过程虽然复杂 ,但它节省能量 ,且有利于错配核苷酸的校正。因此 , DNA复制方向只能是由 5′到 3′端的方向

Answer 2

与核苷酸链接成DNA时的结构有关，核苷酸的3’-HO和5'-PO结合，限制了延伸方向。

Answer 3