核酸的生物学功能

1、1第第13章章 DNA的生物合成的生物合成复制复制2生物遗传信息传递的生物遗传信息传递的中心法则中心法则 中心法则中心法则转录转录RNADNA翻译翻译蛋白质蛋白质逆逆转录转录 简洁明了的表述了生物遗传信息的传递方向简洁明了的表述了生物遗传信息的传递方向3Reverse transcription中心法则图示中心法则图示4 一、一、DNADNA的生物合成的生物合成 （一）（一）DNADNA的复制方式的复制方式 （二）参与（二）参与DNADNA生物合成的酶生物合成的酶 （三）以（三）以DNADNA为模板合成为模板合成DNADNA的过程的过程 （四）（四）DNADNA损伤与修复损伤与修复 （五）以（

2、五）以RNARNA为模板合成为模板合成DNADNA的过程的过程5 半保留复制半保留复制（一）（一） DNA的复制方式的复制方式 DNA DNA子代分子子代分子中一条链完整中一条链完整地来自亲代地来自亲代, ,另另一条链为完全一条链为完全重新合成，这重新合成，这种复制方式称种复制方式称为为半保留复制半保留复制。6 半保留复制的意义半保留复制的意义 子代子代 DNA DNA 保留了亲代保留了亲代 DNA DNA 的全部遗传的全部遗传信息，保证了遗传信息的相对稳定，是物信息，保证了遗传信息的相对稳定，是物种稳定性的分子基础。种稳定性的分子基础。7 （二）参与（二）参与DNADNA生物合成的酶生物合成

3、的酶 1.DNA 1.DNA 聚合酶聚合酶 2. 2.DNA DNA 分子的拓扑学变化和相关酶分子的拓扑学变化和相关酶 3. 3.引物酶引物酶 4.DNA 4.DNA 连接酶连接酶89 1. 1. DNADNA聚合酶聚合酶 以以 DNA DNA 聚合酶聚合酶 I I 为代表说明三个酶的为代表说明三个酶的共性共性: : （1 1）是一个模板指导酶；）是一个模板指导酶； （2 2）聚合需要引物；）聚合需要引物； （3 3）具有水解作用。具有水解作用。10 即需要打开的即需要打开的 DNA DNA 单链作为模板才能单链作为模板才能合成子链。合成子链。 底物底物为为 4 4 种脱氧核苷三磷酸（种脱氧核

4、苷三磷酸（dATPdATP、dGTPdGTP、dTTP dTTP 和和 dCTPdCTP）。）。 （1）模板指导酶）模板指导酶1112 DNA DNA 聚合酶聚合酶只能将脱氧核苷酸加于已只能将脱氧核苷酸加于已存在的存在的DNA DNA 或或 RNA RNA 链的链的 3- 3-羟基上，否羟基上，否则不能合成。则不能合成。 这是一个这是一个耗能反应耗能反应，每合成一个核苷酸，每合成一个核苷酸消耗消耗 2 2 分子分子ATPATP。聚合反应延着聚合反应延着 5353方向方向进行。进行。 （2）需要引物）需要引物13 （3 3）具有水解作用具有水解作用 3 355外切活性外切活性作用：复制作用：复制

5、“校对校对”作用。作用。 5353外切活性外切活性作用：从作用：从 5 5端切去端切去引物引物 RNA RNA 的功能。的功能。 14 大肠杆菌体内各聚合酶作用大肠杆菌体内各聚合酶作用 DNA DNA 聚合酶聚合酶 是复制时的主要聚合是复制时的主要聚合酶；酶； DNA DNA 聚合酶聚合酶 I I 主要负责除去引物并主要负责除去引物并利用脱氧核苷酸填满空隙；利用脱氧核苷酸填满空隙； DNA DNA 聚合酶聚合酶 作用尚不清楚。作用尚不清楚。 DNA DNA 聚合酶聚合酶和和 涉及涉及DNADNA错误修复。错误修复。15 它至少由它至少由 8 8 种亚基组成，种亚基组成，每秒钟聚合每秒钟聚合 1

6、 000 1 000 多个核苷酸。多个核苷酸。 许多亚基的功能目前还不清楚，许多亚基的功能目前还不清楚，已知聚合催已知聚合催化活性位于化活性位于亚基亚基； 两个两个亚基亚基夹住夹住 DNADNA 模板模板并沿链滑动并沿链滑动，从而提高全酶聚合的工作能力；从而提高全酶聚合的工作能力； 3 355核酸外切酶活性位于核酸外切酶活性位于亚基亚基。 聚合酶聚合酶全酶形成一个对称的二聚体，这种全酶形成一个对称的二聚体，这种结构使复制的先导链及随后链在全酶上同时、同结构使复制的先导链及随后链在全酶上同时、同方向合成。方向合成。DNA DNA 聚合酶聚合酶 16 真核生物的真核生物的 DNA DNA 聚合酶聚

7、合酶 真核生物真核生物 DNA DNA 聚合酶现已发现至少有聚合酶现已发现至少有5 5种，分别称为种，分别称为 DNA-polDNA-pol、。 DNA-polDNA-pol和和都是在复制延长中起催都是在复制延长中起催化作用。化作用。 DNA-polDNA-pol则与原核生物的则与原核生物的 DNA-pol IDNA-pol I相似，在复制过程中起校读、修复和填补相似，在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。缺口的作用。17 2. 2. DNA DNA 分子的拓扑学变化和相关酶分子的拓扑学变化和相关酶 （1 1）解螺旋酶）解螺旋酶 （2 2）DNA DNA 拓扑异构酶拓扑异构酶 （3 3）单

8、链）单链 DNA DNA 结合蛋白结合蛋白18 （1 1）解螺旋酶）解螺旋酶 一种称为一种称为解螺旋酶解螺旋酶或或解螺旋酶解螺旋酶； 一种称为一种称为 Rep Rep 蛋白蛋白。19 （2 2）DNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶 真核生物中真核生物中 TopoTopo不需消耗不需消耗 ATPATP，它，它能使负或正超螺旋变为松驰态。能使负或正超螺旋变为松驰态。 TopoTopo 的存在需要的存在需要 ATP ATP 供能，原核供能，原核生物中又称生物中又称 DNA DNA 解旋酶（解旋酶（DNA gyraseDNA gyrase）。20DNADNA促旋酶促旋酶21 （3 3）单链）单链 DNA

9、DNA 结合蛋白结合蛋白 与解开的单链与解开的单链 DNA DNA 结合，结合，防止其重新防止其重新配对形成双链配对形成双链 DNADNA 或被或被核酸酶降解核酸酶降解。 22 所有的所有的 DNA DNA 聚合酶都要求一个有自由聚合酶都要求一个有自由 3 3- -OH OH 的引物来起始的引物来起始 DNA DNA 的合成。的合成。 这段这段 RNA RNA 长长 5 510 10 个核苷酸个核苷酸，由一，由一种特异的种特异的 RNA RNA 聚合酶聚合酶合成，此酶称为合成，此酶称为引引物酶（物酶（primeraseprimerase）。 3. 引物酶引物酶23 这与这与 DNA DNA 聚

10、合酶的高度忠实性复制分不开。聚合酶的高度忠实性复制分不开。 已知已知 DNADNA聚合酶聚合酶具有具有 3 3 5 5 的外切作用以校对复的外切作用以校对复制中的错误核苷酸。也就是说聚合酶在开始形成一个新制中的错误核苷酸。也就是说聚合酶在开始形成一个新的磷酸二酯键前，总先要检查前一个碱基是否正确，这的磷酸二酯键前，总先要检查前一个碱基是否正确，这就决定了它就决定了它不能从头开始合成不能从头开始合成。 因此先合成一段低忠实性的多核苷酸来开始因此先合成一段低忠实性的多核苷酸来开始 DNA DNA 的的合成，并合成，并以核糖核苷酸来标记是以核糖核苷酸来标记是“暂时暂时”的的。这种高度。这种高度精确的

11、安排精确的安排增加了增加了 DNA DNA 复制的复杂性，却保证了复制的复制的复杂性，却保证了复制的忠实性忠实性。已知。已知复制的误差率仅为十亿分之一至百亿分之复制的误差率仅为十亿分之一至百亿分之一一，即复制十亿到一百亿个碱基才可能出一个差错。，即复制十亿到一百亿个碱基才可能出一个差错。 引物及引物酶的作用引物及引物酶的作用24 催化两条催化两条 DNA DNA 单链连接起来或把单条单链连接起来或把单条 DNA DNA 链链闭合起来。闭合起来。（4） DNA连接酶连接酶25 （三）以（三）以DNADNA为模板合成为模板合成DNADNA的过程的过程 1. 1.复制的起始复制的起始 2. 2.复制

12、的延伸复制的延伸 3. 3.复制的终止复制的终止2627 1. 1.复制的起始复制的起始复制原点复制原点 （origin）28 （1 1）一些相关蛋白与一些相关蛋白与复制原点复制原点结合，模结合，模板解链，板解链，单链结合蛋白与单链结合蛋白与解链的解链的 DNA DNA 部分部分结合，保持其伸展状态，形成单链模板。结合，保持其伸展状态，形成单链模板。 （2 2）接着，接着，引物酶引物酶结合于单链模板，开结合于单链模板，开始合成一段始合成一段 5 510bp 10bp 的的 RNA RNA 引物引物。29 2. 2.复制的延伸复制的延伸 引物合成后，引物合成后，DNA DNA 聚合聚合 进入复制

13、叉，进入复制叉，在在 RNA RNA 引物的基础上开始延伸子链。引物的基础上开始延伸子链。 rep rep 蛋白，蛋白，解螺旋使复制叉得以推进；解螺旋使复制叉得以推进； 单链结合蛋白（单链结合蛋白（SSBSSB）：保持解链的：保持解链的 DNA DNA 单链处于伸展状态而使之起模板作用；单链处于伸展状态而使之起模板作用； DNA DNA 促旋酶促旋酶则同时引入负超螺旋，使聚则同时引入负超螺旋，使聚合酶合酶 在两条模板不断延伸。在两条模板不断延伸。30 先导链和随后链同时、同方向合成先导链和随后链同时、同方向合成31 冈崎片段引物的切除、缺口的填补和切口的连接冈崎片段引物的切除、缺口的填补和切口

14、的连接随后链随后链32 DNA DNA 复制时，合成的子链双链中有一条复制时，合成的子链双链中有一条来源于母链，而且两条子链其中一条子链来源于母链，而且两条子链其中一条子链的合成是不连续的，的合成是不连续的， 而另一条链的合成是而另一条链的合成是连续的，所以连续的，所以 DNA DNA 的复制为的复制为半保留半不连半保留半不连续复制续复制。半保留半不连续复制半保留半不连续复制33 复制具有复制具有终止终止（terminationtermination）位位置。置。 在大肠杆菌里，由在大肠杆菌里，由于基因组是一环型于基因组是一环型 DNADNA，两个复制叉向两个复制叉向前推移，最后在终止前推移，

15、最后在终止区相遇并停止复制。区相遇并停止复制。 3. 3.复制的终止复制的终止34大肠杆菌大肠杆菌DNADNA复制的终止复制的终止35复制原点复制原点复制叉复制叉 复制中的复制中的 DNADNA36 （四）（四）DNADNA损伤与修复损伤与修复 1. 1.DNA DNA 的损伤的损伤 2. 2.损伤修复系统损伤修复系统 37 1. 1.DNADNA的损伤的损伤 某些化学、物理的因素可引起细胞某些化学、物理的因素可引起细胞 DNA DNA 的损伤（化学结构发生改变）。的损伤（化学结构发生改变）。 化学因素化学因素 种类繁多，机制也很复杂；种类繁多，机制也很复杂； 物理因素物理因素 紫外线的作用机

16、制研究得比紫外线的作用机制研究得比较清楚，例如形成较清楚，例如形成胸腺嘧啶二聚体胸腺嘧啶二聚体。 此外，此外，DNA DNA 的损伤还有碱基可能改变或的损伤还有碱基可能改变或丢失、骨架中的磷酸二酯键可能断裂，螺丢失、骨架中的磷酸二酯键可能断裂，螺旋链可能形成交联等。旋链可能形成交联等。38 紫外线引起紫外线引起 DNA 分子中同一条链上相邻分子中同一条链上相邻的两个的两个嘧啶嘧啶核苷酸核苷酸以共价键连接生成以共价键连接生成环丁烷结构环丁烷结构，即，即嘧啶二聚体嘧啶二聚体。最易见的是最易见的是胸腺嘧啶二聚体胸腺嘧啶二聚体。此种二聚体不能容纳在双。此种二聚体不能容纳在双螺旋结构中，不能形成氢键配对

17、，螺旋结构中，不能形成氢键配对，影响影响 DNA 的复制和的复制和表达表达。胸腺嘧啶二聚体CCCCCH3HNNROOHHOORNHNCH3CCCC胸腺嘧啶二聚体胸腺嘧啶二聚体39 2. 2.损伤修复系统损伤修复系统 不论物理因素或化学因素所造成的损伤，不论物理因素或化学因素所造成的损伤，只要只要 DNA DNA 结构发生改变，就能被结构发生改变，就能被修复酶修复酶识识别，而把不正常的部分切除。修复对保护别，而把不正常的部分切除。修复对保护 DNA DNA 的正常功能是非常重要的。的正常功能是非常重要的。 修复作用修复作用 包括包括光诱导的修复（光修复）光诱导的修复（光修复）和和不依赖光的修复（

18、暗修复）不依赖光的修复（暗修复）。 在高等动物体内，在高等动物体内，暗修复代替了光修复暗修复代替了光修复。40 光修复光修复也称也称光复活光复活，它是由可见光，它是由可见光（300300nmnm400400nmnm）激活激活光复活酶光复活酶，该酶能，该酶能分解胸腺嘧啶二聚体分解胸腺嘧啶二聚体。 已从细菌和一些动物的细胞中分离出一已从细菌和一些动物的细胞中分离出一种光复活酶种光复活酶。此酶以一种尚未了解的方式此酶以一种尚未了解的方式吸收光，并利用光能裂解二聚体中的环丁吸收光，并利用光能裂解二聚体中的环丁烷基的烷基的C C- -C C键，以达到复活胸腺嘧啶。键，以达到复活胸腺嘧啶。哺哺乳动物和人体

19、内缺乏此酶。乳动物和人体内缺乏此酶。（1 1）光修复）光修复41 暗修复通过暗修复通过 3 3 种不同的机理来完成修种不同的机理来完成修复：复： 切除修复（切除修复（excison repairexcison repair） 重组修复（重组修复（recombinational recombinational repairrepair） SOS SOS修复（修复（SOS repairSOS repair）（2 2）暗修复）暗修复42紫外特异核酸内切酶的切断作用DNA聚合酶合成DNA作用DNA聚合酶35切割作用连接作用5335DNA连接酶DNA中含胸腺嘧啶二聚体区的修复胸腺嘧啶二聚体新DNA区;

20、切切 除除 修修 复复43重组修复的过程再合成重组复制 重组修复重组修复 重组修复是一重组修复是一种种复制后修复复制后修复。 重组修复的结果重组修复的结果是亲代链上的嘧是亲代链上的嘧啶二聚体并未消啶二聚体并未消除，但这一条除，但这一条 DNA 链却逐渐被链却逐渐被稀释，最后对正稀释，最后对正常生理过程没有常生理过程没有影响，损伤也就影响，损伤也就得到了修复。得到了修复。44 这种修复是允许子链这种修复是允许子链 DNA 复制合成时越过亲复制合成时越过亲链上受损伤的片段而不形成缺口，这种修复以牺链上受损伤的片段而不形成缺口，这种修复以牺牲复制的忠实性为代价。牲复制的忠实性为代价。重组修复的过程再

21、合成重组复制 SOS SOS修复修复45（五）以（五）以RNARNA为模板合成为模板合成DNADNA的过程的过程 20 20 世纪世纪 70 70 年代从一些年代从一些 RNA RNA 肿瘤病毒肿瘤病毒如如鸟类成髓细胞白血病病毒鸟类成髓细胞白血病病毒和和劳氏肉瘤病劳氏肉瘤病毒毒中分离到一种独特的中分离到一种独特的 RNA RNA 指导的指导的 DNA DNA 聚合酶聚合酶，由于它以由于它以 RNA RNA 为模板合成为模板合成 DNADNA，故此称为故此称为反转录酶（反转录酶（reverse reverse transcriptasetranscriptase）。46 以病毒以病毒 RNA R

22、NA 为模板，以为模板，以 4 4 种种 dNTP dNTP 为底物，为底物，按按 5 5 3 3 方向催化合成，形成方向催化合成，形成 RNA-DNA RNA-DNA 杂杂交链，其中的交链，其中的 DNADNA链称为链称为互补互补 DNA DNA 链（链（cDNA cDNA ）。 RNA RNA 被降解被降解 ，再以新合成的，再以新合成的 DNA DNA 链为模板，链为模板，合成另一条互补的合成另一条互补的 DNA DNA 链，形成双链的链，形成双链的 DNA DNA 分分子。子。 新合成的双链新合成的双链 DNA DNA 分子进入宿主细胞核，整分子进入宿主细胞核，整合到宿主的合到宿主的 D

23、NA DNA 中，随宿主中，随宿主 DNA DNA 一起复制传递一起复制传递给子代细胞。在某些条件下此潜伏的给子代细胞。在某些条件下此潜伏的 DNA DNA 可以可以活跃起来转录出病毒活跃起来转录出病毒 RNA RNA 而使病毒繁殖，另一而使病毒繁殖，另一些条件下它也可以引起宿主细胞发生癌变。些条件下它也可以引起宿主细胞发生癌变。反转录酶反转录酶47 2 0 2 0世纪世纪 80 80 年代末发展起来的一种年代末发展起来的一种 DNA DNA 特定片段体外快速合成扩增特定片段体外快速合成扩增的方法的方法。称称多聚酶链式反应（多聚酶链式反应（polymerase chain polymerase

24、 chain reactionreaction，PCRPCR）多聚酶链式反应多聚酶链式反应48 微量离心管，适量的缓冲液，模板微量离心管，适量的缓冲液，模板DNADNA，2 2个个 DNA DNA 引物，引物，4 4 种种 dNTPdNTP，聚合酶和聚合酶和 MgMg2+2+。 高温变性高温变性 上述溶液加热，模板上述溶液加热，模板 DNA DNA 高温高温下变性双链解开变单链（如下变性双链解开变单链（如 95 95）；）； 低温退火低温退火 降低温度，两条引物分别与两降低温度，两条引物分别与两条模板互补退火，形成局部双链（条模板互补退火，形成局部双链（37-6537-65）；）； 中温延伸中

25、温延伸 升高温度至中温（升高温度至中温（7272），聚），聚合酶以合酶以 dNTP dNTP 为原料，以两引物为复制的起点，为原料，以两引物为复制的起点，在两条模板上合成新的在两条模板上合成新的 DNA DNA 子链；子链； 重复高温变性、低温退火和中温延伸三个重复高温变性、低温退火和中温延伸三个阶段，阶段， DNA DNA 片段几何级数扩增下去。片段几何级数扩增下去。PCR PCR 反应的步骤反应的步骤49 （六）（六）DNA DNA 碱基顺序的测定碱基顺序的测定 生物的遗传信息就储存于生物的遗传信息就储存于 DNA DNA 的核苷酸的核苷酸序列中，因此常常需要测定核苷酸序列。序列中，因此常

26、常需要测定核苷酸序列。 现以现以双脱氧核苷酸末端终止法双脱氧核苷酸末端终止法最适用，又最适用，又称称 Sanger Sanger 法法 。50 双脱氧核苷酸末端终止法的特点：双脱氧核苷酸末端终止法的特点：在在 PCR PCR 反应中加入一种反应中加入一种 2 2，3 3 - - 二脱氧核苷三二脱氧核苷三磷酸（磷酸（ ddNTP ddNTP ）。OHHHOCH2OHHO12345碱基PO2 3二脱氧核苷酸二脱氧核苷酸,51双双脱脱氧氧法法测测序序原原理理示示意意图图dATP+ddATPdGTP+ddGTPdCTP+ddCTPdTTPdTTP+ddTTPdCTPdGTPdATPdATPdCTPdTTPdTTPdGTPdATPdCTPdGTP1234-ATCGTddT