這是生物長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果.所有已知的 DNA聚合酶只能使新合成的 DNA子鏈從 5′→3′方向延伸 ,這種方向性是其在生物進(jìn)化中保留的、深刻的、選擇與適應(yīng)性特征 ,有著深刻的化學(xué)及生物學(xué)功能的根源.
首先 ,DNA復(fù)制過(guò)程中 ,DNA雙鏈解螺旋后 ,每一條鏈上所暴露出來(lái)的堿基各自與一個(gè)游離于核中的三磷酸脫氧核糖核苷酸 ( dTTP、dGTP、 dATP、dGTP)按堿基配對(duì)原則配對(duì).之所以參與反應(yīng)的是三磷酸脫氧核苷酸 ( dNTP) ,是因?yàn)?DNA的聚合反應(yīng)需要能量 ,在 DNA聚合酶的催化下 ,dNTP分解 2個(gè)磷酸基團(tuán) ,放出能量用于核苷酸順序連接而成為新鏈.
其次 ,DNA聚合酶只能將游離的核苷酸加到新鏈的 3′端 (即 -OH).
再次 ,我們可以利用反證法來(lái)說(shuō)明 “為什么 DNA聚合酶的延伸方向都是 5′→3′,而不是 3′→5′”.假設(shè)鏈的延伸方向?yàn)?3′→5′,基于能量的需要 ,其多核苷酸鏈的 5′端必須帶有三磷酸基團(tuán) (p～p) ,才能與游離的 dNTP起反應(yīng) ,而 dNTP也有 p,由于磷酸基團(tuán)之間強(qiáng)的電負(fù)性 ,使 dNTP難以聚合到 DNA的 5′端 ,這就需要切除 DNA5′端的 2個(gè)磷酸基因以消除這種影響.而這樣又難于為進(jìn)一步的聚合提供所需的能量 ,為使聚合反應(yīng)得以繼續(xù) ,5′端必須重新活化 ,需要額外的能量供應(yīng)以及別的酶參與反應(yīng) ,才能與下一個(gè) dNTP的 3′-OH生成磷酸二酯鍵.這樣既費(fèi)時(shí)又耗能 ,從生物進(jìn)化與適應(yīng)角度來(lái)講是不利的.
通過(guò)進(jìn)化 ,DNA復(fù)制總是在 5′→3′方向添加新核苷酸解決該問(wèn)題.DNA復(fù)制過(guò)程中 ,滯后鏈的半不連續(xù)復(fù)制過(guò)程雖然復(fù)雜 ,但它節(jié)省能量 ,且有利于錯(cuò)配核苷酸的校正.因此 ,DNA復(fù)制方向只能是由 5′到 3′端的方向