哪些物质合成需要引物

马士杰

(山东省滕州市第一中学 277500)

1 DNA合成需要引物

原核和真核生物的DNA聚合酶都具有校正功能，必须核实前一个脱氧核苷酸正确后才会催化下一个脱氧核苷酸的加入。DNA聚合酶不能从无到有催化合成DNA。必须要有引物提供3′-OH[1]。

1.1 线性DNA的合成 以真核生物染色体DNA为代表，复制时需要RNA引物。引物从几个到十几个核糖核苷酸不等，由引物合成酶催化合成。复制的特点是半保留复制，多起点双向复制，在复制起点处解旋，边解旋边复制。由于DNA聚合酶只能催化从5′→3′合成，提供3′端的模板链和RNA引物结合后，可直接在DNA聚合酶的作用下延伸子链，这条子链是前导链。前导链只需要一个引物。另外一条模板链提供的5′-末端，无法催化子链从3′→5′合成。必须等解旋超过一定长度时，RNA引物结合到这个部位，才能催化冈崎片段的合成， DNA连接酶将冈崎片段连接起来，这种方式称为半不连续复制，形成的这条链是后随链。后随链的合成需要若干引物，引物发挥作用后会被切除，形成缺口。缺口一端为3′端；另一端为5′端，DNA聚合酶可以借助3′-OH填补缺口。

体内线性DNA的复制需要RNA引物，发挥作用后引物会被切除。体外进行的PCR则与体内有许多不同。PCR的每一个循环包括变性、复性和延伸三步。PCR同样是半保留复制，不过，经高温变性后模板DNA全部解旋成单链。复性指的是设计好的DNA引物与单链模板DNA结合，然后在耐高温的Taq-DNA聚合酶作用下完成子链延伸。经过不停地重复变性、复性和延伸这三个步骤使DNA大量扩增。PCR需要的引物是DNA，其发挥作用后无需切除，直接加入子链DNA中。

1.2 环形DNA的复制 环形DNA种类复杂，复制方式多样，对引物的要求也不尽相同。

1.2.1 θ型复制 以原核生物拟核DNA和质粒DNA为代表。通常只有一个复制起点，单向或是双向复制。不管是单向还是双向复制，都需要RNA引物。同样是边解旋边复制，会出现冈崎片段，为半不连续复制，引物会被切除。由于是环形分子，任何部位的引物切除后一定会存在3′末端。所以，引物切除后的缺口都可以得到填补。这点和线性DNA复制时，子链5′末端引物切除后得不到填补不同。

1.2.2 滚环复制 噬菌体ΦX174的DNA复制、λ噬菌体复制后期以及非洲爪蟾卵母细胞rRNA的基因复制属于滚环复制。不论是单链还是双链DNA，都会先形成闭环的复制型双链分子，由特定蛋白识别相应序列并在特定部位切开，游离出3′-OH末端，然后在DNA聚合酶作用下，以另外一条链为模板合成子链，合成一圈后又露出切口序列再次被切开重复以上过程。因此，在滚环复制中不需要专门的引物。

1.2.3 D-环复制 线粒体和叶绿体DNA复制采用D环复制。线粒体DNA为双链环状，但两条链的复制起点不在同一点，一条链先复制，复制到一定程度露出另一链的复制起点，另一链才开始复制，形成特殊的D-环形状[2]。复制过程需要RNA引物，后期也会发生切除引物以及缺口填补。但RNA引物是转录的产物，合成引物需要的是RNA聚合酶而不是引物合成酶[3]。叶绿体DNA也是双链，复制的起点同样不在同一点，却是同时进行单向复制。

1.3 逆转录 逆转录是以RNA为模板合成DNA的过程。在20世纪70年代发现，由逆转录酶所催化的逆转录主要存在于病毒中。逆转录酶具有三种酶活性，即RNA指导的DNA聚合酶、DNA指导的DNA聚合酶和RNase H的活性。合成DNA的方向同样是5′→3′，同样不能从头合成，需要引物。不过引物不需要专门的酶催化合成，而是从宿主细胞获得的tRNA分子。后期引物会被切除，切除后的缺口有特殊的机制修复合成。

真核生物染色体末端DNA称为端粒。 DNA复制时，子链DNA的5′末端引物切除后无法填补，会使5′端序列缩短。为了保护末端端粒，个别细胞具有端粒酶活性。端粒酶是具有RNA链的逆转录酶，利用自身的RNA模板合成端粒DNA。端粒酶含有的RNA链可以与末端引物切除后剩余的单链片段局部结合，形成局部双链结构，以RNA链为模板在单链片段的3′端逐渐延伸，延伸后3′单链末端又可回折充当引物以合成互补链[2]。所以，在此过程中不需要专门的引物。

体外的RT-PCR(反转录PCR)，与PCR类似，同样需要引物，不过引物是DNA，最后无需切除直接加入要合成的DNA分子中。

2 糖原合成

糖原合酶催化的糖原合成反应也不能从第一个葡萄糖分子开始合成糖原，需要至少含4个葡萄糖残基的α-1，4-多聚葡萄糖作为引物，在其非还原性末端与UDPG(尿苷二磷酸葡萄糖，糖原合成的糖基供体)反应，UDPG上的葡萄糖基C 1与糖原分子非还原末端C 4形成α-1，4-糖苷键，使糖原增加一个葡萄糖单位。作为引物的寡聚葡萄糖链是由一种特殊的蛋白质催化合成，这个蛋白质称为glycogenin(生糖原蛋白，又称糖原引物蛋白或糖原素)，可作为葡萄糖基的受体。糖原起始合成酶可以催化单个葡萄糖加入到生糖原蛋白上，进而合成一寡糖链作为引物，继续由糖原合酶催化合成糖原。

在糖原合成过程中，糖原合酶一直与生糖原蛋白紧密结合，即糖原合成不仅需要糖原合酶催化，同时也需要生糖原蛋白。糖原合酶一旦与生糖原蛋白脱离，糖原合成即停止[2]。

3 淀粉的合成

淀粉与糖原结构类似，只是分支程度不同而已，其合成也与糖原合成类似。直链淀粉合成有两种方式：一是由淀粉磷酸化酶催化，该酶同时也可催化淀粉分解；另一种主要方式是由淀粉合成酶催化。不论哪种方式均不能催化从头合成。需要将糖基供体(主要为ADPG，次要的为UDPG)加到已有寡糖链的非还原端C 4羟基上，这个寡糖链就是麦芽多糖，是淀粉合成的引物，至少是麦芽三糖。D酶催化麦芽多糖的合成，D酶实际上是糖基转移酶，转移葡萄糖残基给底物葡萄糖或麦芽多糖，为淀粉的合成提供引物。

4 纤维素的合成

纤维素的合成由纤维素合酶催化，底物是UDPG，同样不能从头合成，需要单个糖基供体UDPG加入已有糖链的非还原端，提供非还原端的引物是谷甾醇-β-葡萄糖甙[4]。