4_第三章DNA的生物合成汇总

1、第三章dna的生物合成replication中心法则(the central dogma)转录复制r dna翻译rna 蛋白质逆转录第一节dna指导的dna合成dna复制概述dna是遗传物质，以原来dna分子为模板合成出相同分子的过程称为复制(replication),即dna的生物合成。复制,亲代dna子代dna复制的方式半保留复制(semi-conservative replication)半不连续复制(semi-discontinuous replication)复制的高保真性(high fidelity)复制的方向(replication direction)子链继承母链遗传信息的几种

2、可能方式ii 1(全保留式半保留式混合式梯度离心结果密度梯度实验含重氮-dna的细菌培养于普通培养液第一代继续培养于 普通培养液第二代实验结果支持半保留复制的设想。一、半保留复制, dna复制最重要的特征是半保留复制(semiconservative replication)概念：复制时，亲代的双链dna解开两股单链，各自 作为模板(template)指导子代合成新的互补链。子代 细胞的dna双链，其中一股单链从亲代完整地接受过 来，另一股单链则重新合成。由于碱基互补，两个子 代细胞的dna双链都和亲代dna碱基序列一致。这种 复制方式称为半保留复制。a t g c g c t a a t c

3、 g t a g c c g c g a t c g t a g c g cat gc gc ta at cg ta gc cg cg at cg ta gc gcat gc gc ta at cg ta gc cg cg at cg ta gc gc母链dna复制过程中形成的复制叉子代dna半保留复制的意义dna的半保留复制保证了 dna在代谢上的稳定性, 体现了 dna遗传过程的相对保守性。遗传的保守性是相对的，而不是绝对的。自然界 普遍存在着遗传的变异性。二、半不连续复制复制是酶催化下的核甘酸聚合过程，需要多种物质的共同参与:底物：dntp (datp> dgtp、dctp、 dt

4、tp)dna聚合酶：即依赖dna的dna聚合酶模板：解开成单链的dna母链引物:rna,提供才-oh末端 其它酶和蛋白质因子：解螺旋酶、拓朴异构酶、引物酶、dna连接酶、单链结合蛋白等(dnmp) n + dntp件(dnmp) n+1 + ppi引物（一）dna合成的方向性（5,f3，）复制时形成复制叉，dna 一条链的走向是5,玲才, 另一条链的走向是3,玲5，但生物体内dna聚合酶 只能催化dna从3”方向的合成，怎么解决？顺着解链方向而生成的子链，复制是连续进行的， 这股链称为领头链(leading strand)。另一条子链复 制的方向与解链方向相反，复制是不连续的，称为 随从链(l

5、agging strand)o这种复制方式称为半不连 续复制。随从链上不连续复制的dna片段称为罔崎片段 (okazaki fragment)o每一个罔崎片段5'-端都带有一 个rna引物。(1968年,罔崎发现)（二）复制的半不连续性3'5,3'3'领头链(leading strand)解链方向随从链41?gging strand)聚合酶运动方向聚合酶运动方向 （合成后随链）已复制的dna尚未复制的dna领头链引物随从链5,随从链复制时必须 等待模板链解开足 够长度时，才能从5, 33,合成引物后开 始复制。延伸时， 又要等待下一段暴 露出足够长的模板， 才能

6、再次合成引物 而延长。三、复制起点的结构特征1,由多个独特的短重复序列组成2,短重复序列被多亚基的复制起点结合蛋白所识 别，有助于复而酶的组装3.富含a-t序列，以利于双螺旋dna解旋或解链i、多种复制方式复制叉式复制dna在复制原点解开成单链并分别作为模 板，各自合成其互补链，产生2个由未解链的 dna的母链和新复制的dna子链，形成的叉子状区域称为复制叉。滚环复制和d环复制滚环复制(rolling circle replication)是某些低等生 物的复制形式，如巾x174、m13噬菌体。, d环复制(d-loop replication)是线粒体dna (mtdna, mitochon

7、drial dna)的复制形式，复制 时需合成引物。d环复制的特点：复制起始点不 在同一位点，内、外环复制有时序差别。滚环复制某些低等生物或染色体以外的dna的复制形式（如噬 菌体）。环状dna外环打开，伸出环外作母链复制， 内环不打开，一边滚动一边复制。最后一个双链环 滚动复制成两个双链环。滚环复制"r3f35'template fs circular duplex dnainitiation occun on one st2gdelongation of gnowins 'gnd displaces old strandafter 1 revolution dis

8、placed 4trsd recchei wit lengtihcontinued elongotlan displaced strand of multiple unit lengths洪噜噗滚环复制(looped rolling circle replication)d噜噗复制(d-loop replication)antpdna-pohd环复制在进行中左:第一个引物在第一起始点上合成;右:延长至第二起始点,合成第二引物复制方向原核生物复制时，dna从一个起始点（origin） 向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复 制叉，称为双向复制。复制中的放射自显影图象ca.环状双链dna及复制起

9、始点b.复制中的两个复制叉c.复制接近终止点(termination, ter)真核生物每个染色体有多个起始点，是多复 制子的复制。习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一 个复制子(replicon)。复制子是独立完成复制的功 能单位。3'复制子ori5'第二节dna复制的酶学 dna复制过程需众多酶和蛋白因子参与才能完成包括:解螺旋酶（helicase）、dna拓朴异构酶（dnatopoisomerase） > 单链dna结合蛋白（single strandeddna binding protein, ssb）、引物酶（primase）、依赖dna的dna聚合酶（dna

10、-directed dna polymerase,dddp or dna-pol）、dna连接酶（dna ligase）等一、解螺旋酶解螺旋酶通过水解atp供能，解开双链dna 解螺旋酶可沿模板随复制叉的伸展而移动 e.c。/中dnab (5,好力和rep玲5。是解螺旋酶。dnaa蛋白辨认复制起始点，引起解链，在此基础上, dnac蛋白辅助解螺旋酶结合于初步打开的双链，并用其解螺旋酶活性打开双链。二、dna拓扑异构酶（i、h）在复制过程中，dna每复制10bp,复制叉前方的模板dna双螺旋就要绕其长轴旋转一周，产生正超螺旋。11-8复制过程正超螺旋的形成b代表超螺旋局部解开后，其下方9个螺旋被

11、压缩拓扑异构酶i:切断dna双链中一条链，使dna解旋时不致打结, 适当时再把切口封闭，反应不耗能拓扑异构酶ii：无atp时，切断处于超螺旋状态的dna分子双链某一 部位，断端通过切口使超螺旋松弛利用atp时，断端在拓扑酶催化下恢复连接松弛状态的dna,又进入负超螺旋状态三、单链dna结合蛋白（ssb）ssb的作用是在复制中维持模板处于单链状态并 保护单链的完整ssb与dna的结合具有协同效应e.c。中，ssb为177个氨基酸残基组成的同源四聚体，结合单链dna的跨度约32个核甘酸单位。四、引物酶(primase) 复制起始时催化生成rna引物的酶 不同于rna-pol,对利福平不敏感 由dn

12、ag基因编码催化形成的引物是dna生物合成必需的引发体复制过程需要引物，引物是由引物酶催化合成的 短链rna分子。在解链的基础上，形成了dnab、dnag蛋白与dna 的起始复制区域相结合的复合体，称为引发体。五、dna聚合酶 1958年 kornberg 发现 dna聚合酶(dna polymerase, dna-pol) 又称为dna依赖的dna聚合酶（dna-dependent dnapolymerase, dddp) 原核生物的dna聚合酶：i、ii、川真核生物的dna聚合酶: a、p(ll) > y、8 (iii)> £(i)(一)dna聚合酶活性和复制保真性d

13、na聚合酶1有三种酶活性5,玲3,聚合酶活性核酸外切酶(exonuclease)dna poll外切活性5,玲3的卜切酶活性架合活性/ dctp3,玲5,外切酶活性5'ta 3t无活性5'lt b t . °1、5-3,的聚合活性和对碱基选择聚合活性有方向性，即5，一才的聚合活性dna聚合酶对模板的依赖性，氢键的形成原核生物dna聚合酶iii是复制延长中主要作用的酶。该酶对不同核甘酸与模板对应碱基的识别并聚合 有选择的功能，由£亚基执行此功能。错酉已几率：dg/da>da/da>dc/da2、5，f 3,和5,外切酶活性及校读功能dna-pol

14、i具有两种方向性的外切酶活性，dna-polii只有才f5,外切酶活性，dna-pol iii只有3，f5,外切酶活性。即时校读(proofread)： dna-pol i的3，f5,外切酶活 性较强，在复制过程中辨认错配的碱基并加以切 除，再利用聚合酶活性补回正确的碱基， 保证复制继续进行。（二）原核生物的dna聚合酶大肠杆菌dna聚合酶i、ii和iii的性质比较聚合酶i聚合酶ii聚合酶iii5, f 3,聚合酶活性+3,一 5,外切酶活性+5, f 3,外切酶活性+新生链合成i1i+相对分子量（x103）10388791.5细胞内分子数4004020生物学活性10.0515基因突变后的致死

15、性可能不可能可能klenow 片段飞7'dna 聚合酶 m：4匚和=1'特异的蛋白酶（三）真核生物的dna聚合酶dna聚合酶ot：与引物酶结合，催化rna链合成,可延长约100个核甘酸。dna聚合酶复制延长中主要起作用的酶相当于原核生物的dna-pol iiidna聚合酶p：相当于原核生物dna-pol ii dna聚合酶£：起校读、修复、填补缺口的作用,dna聚合酶y：位于线粒体内相当于原核生物dna-pol idna 连接酶(dna ligase)三种酶催化生成磷酸二酯键的比较提供核糖3，-oh提供9-p结果dna聚合酶引物或游离 dntp 去 ppi ( dnm

16、p )延长中的新链连接酶拓扑酶复制中不连续的两条单链切断、整理后 的双链不连续f连续链连接双链dna的单链缺口改变拓扑状态复制过程中各酶和蛋白质因子的作用后/www第三节dna复制的过程一、原核生物的dna复制过程dna复制分为三个阶段（一）复制的起始（二）复制的延长 （三）复制的终止（一）复制的起始 复制是从dna分子上的特定部位开始的，这一 部位叫做复制起始点(origin of replication)常用 ori或。表示。 dnaa> b、c三种蛋白质共同参与 复制时双链打开成两股单链，新链沿着张开的 模板生成，复制中形成的这种y字形结构称为复 制叉(replication fo

17、rk)复制起始，dna双链的解开oo0odnadnaa00001. dnaa蛋白四聚体结合于oric的重复序列上2.dnaa蛋白与dna形成复合物，引起解链dnab3. dnab在dnac的辅助下结合于初步打开的双链, 并用其解螺旋酶活性开链引发体的生成（上）和dna解成复制叉（下）cdna聚合酶【（校读）单链dna结合蛋白, q 连接酶8dna拓扑异构酸引物长度约为十数个至数十个核苜酸。在dna- polhi催化下，靠酶的p亚基辨认引物，第一个新 链的dntp与引物m-oh末端生成磷酸二酯键。 topoisomerase ii 的作用。533'参与复制起始的各种蛋白质dnaa蛋白辨认

18、起始点解媒旋麻（dnab蛋白，磔蛋白） dnac蛋白,引嬷（dnaglfi） ssb 拓扑异稠 oric （245 bp 的 dna 组分）解开dna双链协助解爆旋麻催化rna引物生成稳定解开的单链理顽dna链e.coli的复制起始点（二）复制的延长新链延伸方向：5,一3，dntp按碱基互补配对原则逐个加入而延长dna新链, 其化学本质是生成3： 5。磷酸二酯键。催化此反应的 酶，在原核生物为dna-pol iii。（三）复制的终止原核生物的环状dna多采用双向复制的方式。复制的 终止是双向复制的两子链在复制终止点的汇合。复制中的不连续片段需连接成连续的子链。这一过程需先由rna酶水解引物，引

19、物留下的空隙由dna聚合酶i催化dntp逐一自5,好土端聚合而填补。最后，两 不连续片段相邻的5<p和才-0h还有一个缺口，则由dna连接酶加以连接。y5'/awwa awwaf5 rna酶aww5'a 3'33 wwawa awavaapol i5,33 aw/avav»5-dna连接酶53f/3 wawa1553avwma 5,细胞分裂（有丝分裂）复制dna准备分裂"细胞增大并制 /造新的蛋白质二、真核生物的dna复制过程 细胞周期约束点：细胞决定 是否完成循环(一)复制的起始复制起始点比e.c。/的ori c短 复制的起始需要dna-po

20、la和8参与，前者有引物酶活性，后者有聚合酶活性 还需拓扑酶和复制因子sv40的dna复制 大t抗原和增殖细胞核抗原(proliferation cell nuclear antigen, pcna)在复制起始和延长中起关键作用。（二）复制的延长和终止 复制叉及引物生成后，dna-polb通过pcna的协同作用， 逐步取代pola,在rna引物基础上继续合成领头链。 随从链引物也由pola催化合成，并由pola完成合成，继 续合成dna子链。 真核生物染色体dna存在许多复制起点，当相邻两个复 制单元的相向两个复制叉随机会和是便完成了该段dna 的复制，没有固定的终点序列。与原核生物dna复制

21、的比较相同点不同点：结构；速度；原核：多个复制叉真核：多个复制单元（起点）dna聚合酶第四节端粒复制端粒(telomere)：真核生物染色体线性dna分子末端的结构，富含(tngn)x的正向重复序列。端粒dna受特殊蛋白质保护，不被核酸酶水解。端粒酶(telomerase)：保护端粒的特殊蛋白质,由端粒酶rna(htr)、端粒酶协同蛋白(htpl)和端粒酶逆转录酶(htrt)构成，该酶兼有提供rna模板和催化逆转录的功能。(c4a2) ttttggggtttt - oh 3,端粒(gj2)n aaaacccc cacacaca/端粒酶及富含cxay y 约(150b)的rna模板端粒3末单链

22、与端粒酶中rna杂交并聚合端粒3，-末端聚合到一定长度，形成g-g配对，呈发夹结 .构，与互补链方向一致5'(c4a2)一ttttggggttttggggt t t t3'(；42)3-ho-gggg端粒酶催化dna末端复制途径parental strand二ittggggttggggttggggttgiiaacccc. .一 j- incomplete, newly synthesized lagging strandtelomerasebindstelomerase with bound rna templatetelomerase synthesisittggggttgg

23、ggttggggttg 1aacccctelomeraseextends 3' end (rna-tern platedaacccc51completion ofdna synthesis) (lagging strandby dna polymerase(dna-templateddna synthesis i .，3ittggggttggggttggggttggggttggggttgiaacccc ccccaaccccaacccc,5bdna polymerase第五节复制的忠实性dna复制过程是一个高度精确的过程，据估计，大肠杆菌dna复制5x109碱基对仅出现一个误差，保证复 制忠实性的原因主要有以下几点: dna聚合酶的高度专一性（严格遵循碱基配对原则，但错配率为7 xlo-6 ） dna聚合酶的校对功能（错配碱基被3，-5, 外切酶切除）起始时以rna作为引物错配校正系统 dna聚合酶催化的反应机制（5, 一 39一二复制方向3错配磴基dna聚合酶的校对功能起始时以rna作为引物的作用dna复制为什么要合成一个rna引物，而后又把这个引物消除呢？这是保证dna聚合过程高度精确的又 一措施。已知dna聚合酶具有外切酶功能校对复 制过程中的核甘酸，也就是说聚合酶在开始形成一个新 的磷酸二酯