第三篇 基因信息的传递

1、第三篇第三篇 基因信息的传递基因信息的传递第十章第十章 DNADNA的生物合成（复制）的生物合成（复制）教学要求教学要求: :掌握生物信息传递中掌握生物信息传递中DNADNA合成的合成的基本过程，包括复制体系、酶、复制起始、基本过程，包括复制体系、酶、复制起始、延伸、终止以及逆转录的过程，了解延伸、终止以及逆转录的过程，了解DNADNA损伤损伤与修复。与修复。 第十章第十章 DNADNA的生物合成（复制）的生物合成（复制）第一节第一节 复制的基本规律复制的基本规律第二节第二节 DNADNA复制的酶学和拓朴学变化复制的酶学和拓朴学变化第三节第三节 DNADNA生物合成过程生物合成过程第四节第四节

2、 逆转录和其他复制方式逆转录和其他复制方式第五节第五节 DNADNA损伤（突变）与修复损伤（突变）与修复小结小结复制（复制（replication）：以亲代）：以亲代DNA为模板，合成出完全相为模板，合成出完全相同的子代同的子代DNA的过程。的过程。一、半保留复制的实验依据和意义一、半保留复制的实验依据和意义 第一节第一节 复制的基本规律复制的基本规律半保留复制半保留复制：复复制生成的子代制生成的子代DNADNA中，一条链中，一条链来自亲代，另一来自亲代，另一条为新合成。这条为新合成。这种子代种子代DNADNA分子分子中总是保留一条中总是保留一条链来自亲代链来自亲代DNADNA的复制称为半保的

3、复制称为半保留复制。留复制。一、半保留复制的实验依据和意义一、半保留复制的实验依据和意义AGAACTTCTTGAAGAACTTCTTGATCTTGAAGAACT亲代亲代DNA子代子代DNA 第一节第一节 复制的基本规律复制的基本规律 原核生物从一个固定的起始点开始，同时向两个方向进行复制，称为双向复制。起点起点起点原核生物DNA的双向复制二、双向复制二、双向复制 第一节第一节 复制的基本规律复制的基本规律二、双向复制二、双向复制真核细胞真核细胞染色体比染色体比较复杂，较复杂，可能有可能有多多个复制起个复制起点点，同时，同时形成多个形成多个复制单位复制单位 第一节第一节 复制的基本规律复制的基本

4、规律三、复制的半不连续性三、复制的半不连续性 第一节第一节 复制的基本规律复制的基本规律DNADNA复制所需条件：复制所需条件： 1 1、底物：四种、底物：四种dNTPdNTP 2 2、依赖、依赖DNADNA的聚合酶的聚合酶(DNA-pol(DNA-pol) ) 3 3、模板、模板 4 4、引物、引物 5 5、其它酶和蛋白质因子、其它酶和蛋白质因子第二节第二节 DNADNA复制的酶学和拓朴学变化复制的酶学和拓朴学变化 一、复制的化学反应一、复制的化学反应二、二、DNADNA聚合酶（聚合酶（DNA-polDNA-pol）三、复制保真性的酶学依据三、复制保真性的酶学依据四、复制中解链和四、复制中解

5、链和DNADNA分子拓扑学变化分子拓扑学变化五、五、DNADNA连接酶连接酶第二节第二节 DNADNA复制的酶学和拓朴学变化复制的酶学和拓朴学变化一、复制的化学反应一、复制的化学反应第二节第二节 DNADNA复制的酶学和拓朴学变化复制的酶学和拓朴学变化 5 3 聚合活性pp pp pppPPPOHOHOH55PPiN1N2N3N1N2N3533 一、复制的化学反应一、复制的化学反应磷酸二酯键磷酸二酯键核苷酸连接成的核酸（片段）核苷酸连接成的核酸（片段）二、二、DNADNA聚合酶（聚合酶（DNA-polDNA-pol） 原核生物的原核生物的DNADNA聚合酶聚合酶 真核生物的真核生物的DNADN

6、A聚合酶聚合酶第二节第二节 DNADNA复制的酶学和拓朴学变化复制的酶学和拓朴学变化 原核生物的原核生物的DNADNA聚合酶聚合酶DNA-pol I、DNA-pol II、DNA-pol III个数比个数比=400：40：20/细胞。细胞。DNA-pol I：只能催化延长约只能催化延长约20个核苷酸左右，个核苷酸左右，不是真正催化复制延长的酶，主要是进行不是真正催化复制延长的酶，主要是进行校读校读，填补空隙填补空隙。DNA-pol II：只在无：只在无pol I 及及pol III时起作用。时起作用。DNA-pol III：复制延长中真正催化新链核苷酸复制延长中真正催化新链核苷酸聚合的酶聚合的

7、酶。比活性比。比活性比pol I 大大10倍以上，每分钟倍以上，每分钟能催化对达能催化对达105个核苷酸的聚合。个核苷酸的聚合。第二节第二节 DNADNA复制的酶学和拓朴学变化复制的酶学和拓朴学变化 核心酶兼有核苷酸的核心酶兼有核苷酸的聚合和核酸链的聚合和核酸链的3 5 外切酶活性。外切酶活性。 亚基起着夹住亚基起着夹住模板链并使酶沿模板链并使酶沿模板链滑动的作模板链滑动的作用用DNA聚合酶聚合酶III第二节第二节 DNADNA复制的酶学和拓朴学变化复制的酶学和拓朴学变化 有有DNA-pol 、 5种种。 真核生物的真核生物的DNADNA聚合酶聚合酶DNA-pol 和和在复制延长中起作用在复制

8、延长中起作用， DNA-pol 延长领头链，而延长领头链，而pol 延长随从链。延长随从链。DNA-pol 在复制过程中起校读、修复和填补在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。缺口的作用。DNA-pol 在没有其它在没有其它DNA-pol时才发挥作用。时才发挥作用。DNA-pol 在线粒体内起作用。在线粒体内起作用。第二节第二节 DNADNA复制的酶学和拓朴学变化复制的酶学和拓朴学变化 三、复制保真性的酶学依据三、复制保真性的酶学依据 核酸外切酶活性和校读核酸外切酶活性和校读 复制的保真性和碱基选择复制的保真性和碱基选择 第二节第二节 DNADNA复制的酶学和拓朴学变化复制的酶学和拓朴学变

9、化 DNA聚合酶聚合酶主要功能主要功能 聚合作用聚合作用：填充后随链中冈崎片段之间的间隙；：填充后随链中冈崎片段之间的间隙； 5 3 外切酶外切酶活性活性切除引物或损伤部分；切除引物或损伤部分； 3 5 外切酶外切酶活性活性有有“校对校对”作用作用。三、复制保真性的酶学依据三、复制保真性的酶学依据第二节第二节 DNADNA复制的酶学和拓朴学变化复制的酶学和拓朴学变化 DNA-pol II也有这三种作用。也有这三种作用。DNA聚合酶聚合酶是是复制时起主要作用的酶复制时起主要作用的酶同时也有同时也有3 5 核酸外切酶核酸外切酶活性，保证活性，保证DNA复制的真实性。复制的真实性。 35外切酶活性

10、53外切酶活性533535外切酶活性53外切酶活性 核酸外切酶活性和校读核酸外切酶活性和校读 核酸外切酶活性和校读核酸外切酶活性和校读第二节第二节 DNADNA复制的酶学和拓朴学变化复制的酶学和拓朴学变化 复制的保真性和碱基选择复制的保真性和碱基选择至少依赖三种机制：至少依赖三种机制：1、严格的碱基配对规律；、严格的碱基配对规律；2、聚合酶在复制延长中对碱基的选择功能；、聚合酶在复制延长中对碱基的选择功能；3、复制出错时有即时的校读功能。、复制出错时有即时的校读功能。第二节第二节 DNADNA复制的酶学和拓朴学变化复制的酶学和拓朴学变化 四、复制中的解链和四、复制中的解链和DNADNA分子拓朴

11、学变化分子拓朴学变化第二节第二节 DNADNA复制的酶学和拓朴学变化复制的酶学和拓朴学变化 解螺旋酶、引物酶和解螺旋酶、引物酶和 单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白 DNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶解螺旋酶在复制中的解链作用解螺旋酶在复制中的解链作用DnaB蛋白蛋白第二节第二节 DNADNA复制的酶学和拓朴学变化复制的酶学和拓朴学变化 解螺旋酶 领头链领头链 rep蛋白 Dna B 随从链随从链 解链酶35rep蛋白解链酶5353SSB领头链随从链 DNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶( (解旋酶）解旋酶） 既能水解，又能连接磷酸二酯键既能水解，又能连接磷酸二酯键 拓扑酶拓扑酶 切断切断DNAD

12、NA双链中的一股双链中的一股 拓扑酶拓扑酶 切断切断DNADNA双链双链 单链单链DNADNA结合蛋白（结合蛋白（SSBSSB）维持模板处于单链状态维持模板处于单链状态保护单链的完整保护单链的完整引物酶在引物酶在DNA复制中的作用复制中的作用 复制起始时引物酶与解螺旋酶（复制起始时引物酶与解螺旋酶（DnaB蛋白）蛋白）共同起作用。共同起作用。DnaBDnaB蛋白蛋白DnaADnaA蛋白蛋白( (辨认起始点辨认起始点) )DnaCDnaC蛋白蛋白( (辅助解螺旋酶解链辅助解螺旋酶解链) ) 引发体的下游解开双链，再由引物酶催化引发体的下游解开双链，再由引物酶催化引物的合成。引物的合成。第二节第二

13、节 DNADNA复制的酶学和拓朴学变化复制的酶学和拓朴学变化 引发体（引发体（primosome）复复合合体体引物酶引物酶模板模板DNA单链单链DNA结合蛋白在复制中的作用结合蛋白在复制中的作用第二节第二节 DNADNA复制的酶学和拓朴学变化复制的酶学和拓朴学变化 拓扑异构酶在复制中的解螺旋作用拓扑异构酶在复制中的解螺旋作用拓扑异构酶拓扑异构酶I：切断：切断DNA双链中的一股，使双链中的一股，使DNA解链旋解链旋转不打结，适当时候又把切口封闭，使转不打结，适当时候又把切口封闭，使DNA变为松弛变为松弛状态。反应不需状态。反应不需ATP。拓扑异构酶拓扑异构酶II：在无：在无ATP时，切断处于超螺

14、旋状态的时，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；分子双链某一部位，断端通过切口使超螺旋松弛；在有在有ATP时，断端在拓扑酶催化下恢复连接松弛状态时，断端在拓扑酶催化下恢复连接松弛状态的的DNA又进入负超螺旋状态。又进入负超螺旋状态。拓扑酶对拓扑酶对DNA分子的作用是既分子的作用是既能水解，又能连能水解，又能连接磷酸二酯键。接磷酸二酯键。第二节第二节 DNADNA复制的酶学和拓朴学变化复制的酶学和拓朴学变化 五、五、DNADNA连接酶在复制中的作用连接酶在复制中的作用第二节第二节 DNADNA复制的酶学和拓朴学变化复制的酶学和拓朴学变化 三种酶催化生成磷酸二酯键

15、的比较三种酶催化生成磷酸二酯键的比较 提供核糖提供核糖3 -OH 提供提供5 -P 结果结果DNA聚合酶聚合酶 引物或延长引物或延长 游离游离dNTP （dNMP）n+1 中的新链中的新链 去去PPi连接酶连接酶 复制中不连续复制中不连续 不连续不连续连续链连续链 的两条单链的两条单链拓扑酶拓扑酶 切断、整理后切断、整理后 改变拓扑状态改变拓扑状态 的两链的两链第二节第二节 DNADNA复制的酶学和拓朴学变化复制的酶学和拓朴学变化 第三节第三节 DNA 生物合成过程生物合成过程一、复制的起始一、复制的起始 DNADNA解链解链 引发体和引物引发体和引物二、复制的延长二、复制的延长 复制延长的生

16、化过程复制延长的生化过程 复制的半不连续性和冈崎片段复制的半不连续性和冈崎片段 滚环复制滚环复制三、复制的终止三、复制的终止 原核生物复制终止及不连续片段连接原核生物复制终止及不连续片段连接 真核生物的端粒和端粒酶真核生物的端粒和端粒酶原核原核双向复制双向复制复制叉复制叉复制子复制子DNA解成单链解成单链第三节第三节 DNA 生物合成过程生物合成过程原核生物原核生物DNA的双向复制的双向复制第三节第三节 DNA 生物合成过程生物合成过程复制子复制子第三节第三节 DNA 生物合成过程生物合成过程复制起始点复制起始点第三节第三节 DNA 生物合成过程生物合成过程E.coliE.coli复制起始点复

17、制起始点oriC C跨度为跨度为245245bpbp，包含，包含有三组串联重复序列和两对反向重复序列有三组串联重复序列和两对反向重复序列 引发体和引物引发体和引物 复制中引物复制中引物-短链短链RNA 引物酶引物酶 5到到3合成合成RNA引物（约引物（约10bp） 引物酶进入，加上解螺旋酶、引物酶进入，加上解螺旋酶、DnaC蛋白、蛋白、引物酶（引物酶（DnaG蛋白）和蛋白）和DNA的起始复制区的起始复制区域形成域形成引发体引发体。 DNA聚合酶聚合酶 由其由其亚单位辨认引物，新亚单位辨认引物，新链的第一个脱氧核苷酸与引物的链的第一个脱氧核苷酸与引物的3-OH形成形成磷酸二酯键，开始复制磷酸二酯

18、键，开始复制 拓扑异构酶拓扑异构酶 松弛螺旋松弛螺旋。 引发体的生成引发体的生成第三节第三节 DNA 生物合成过程生物合成过程引发体的生成引发体的生成第三节第三节 DNA 生物合成过程生物合成过程引发体的生成引发体的生成第三节第三节 DNA 生物合成过程生物合成过程参与复制起始的各种蛋白质参与复制起始的各种蛋白质 名名 称称 功功 能能DnaA蛋白蛋白 辨认起始点辨认起始点解螺旋酶（解螺旋酶（DnaB蛋白，蛋白， 解开解开DNA双链双链 rep蛋白）蛋白）DnaC蛋白蛋白 协助解螺旋酶协助解螺旋酶引物酶（引物酶（DnaG蛋白）蛋白） 催化催化RNA引物生成引物生成SSB 稳定解开的单链稳定解开

19、的单链拓扑异构酶拓扑异构酶 理顺理顺DNA链链oriC（245bp的的DNA组分）组分） E.coli的复制起始点的复制起始点第三节第三节 DNA 生物合成过程生物合成过程3 AAGACCTATT5 5 TTCTGGATAA3 复制的延长复制的延长随从随从链链前导链前导链冈崎片段冈崎片段第三节第三节 DNA 生物合成过程生物合成过程 复制的延长复制的延长 原核生物为pol 真核生物为DNA 聚合酶和，其中与随从链的合成有关，与领头链的合成有关 复制延长的生化过程复制延长的生化过程 原核 生物复制延长的速度很快， 真核生物复制有多个复制起点， 复制的半不连续性和冈崎片段复制的半不连续性和冈崎片段

20、 领头链领头链是连续合成的，而随从链随从链则是不连续合成 冈崎片段冈崎片段 DNA复制过程中出现一些不连续片段第三节第三节 DNA 生物合成过程生物合成过程复制的延长复制的延长同一复制叉上，同一复制叉上，领头链与随从领头链与随从链的链的延长不同延长不同步，但由同一步，但由同一DNA聚合酶催聚合酶催化。化。复制的终止复制的终止第三节第三节 DNA 生物合成过程生物合成过程原核生物复制终止及不连续片段连接原核生物复制终止及不连续片段连接复制有终止点复制有终止点领头链领头链是不间断延长的，是不间断延长的，随从链随从链是是 生成生成一个个的冈崎片段，最后连接成一条完整一个个的冈崎片段，最后连接成一条完

21、整的的DNA链。链。pol 5 3外切酶活性外切酶活性水解引物水解引物pol聚合活性聚合活性填补空隙填补空隙DNA连接酶连接酶连接缺口连接缺口。复制的终止复制的终止第三节第三节 DNA 生物合成过程生物合成过程 真核生物的端粒和端粒酶真核生物的端粒和端粒酶 端粒端粒(telomere)(telomere) 是真核生物染色体线是真核生物染色体线性性DNADNA分子末端的结构分子末端的结构 富含富含GCGC的重复序列的重复序列人：人：(TTAGGG)(TTAGGG)n n 端粒酶端粒酶(telomerase)RNA(telomerase)RNA-蛋白质复合物蛋白质复合物 既有模板，又有逆转录酶既有

22、模板，又有逆转录酶以自身的以自身的RNARNA为模板延长为模板延长DNADNA单链，然单链，然后反折为双链后反折为双链, , 爬行模式爬行模式端粒酶与生物体的衰老、肿瘤的发生端粒酶与生物体的衰老、肿瘤的发生有关有关第三节第三节 DNA 生物合成过程生物合成过程端粒和端粒酶端粒和端粒酶第三节第三节 DNA 生物合成过程生物合成过程爬行模式爬行模式 复制过程中各酶和蛋白质因子的作用复制过程中各酶和蛋白质因子的作用拓扑异构酶解链酶单链结合蛋白DNA聚合酶引物酶及引发体DNA连接酶引物领头链随从链冈崎片段5533第四节第四节 逆转录和其他复制方式逆转录和其他复制方式 逆转录：以逆转录：以RNA分子为模

23、板合成分子为模板合成DNA分分子的过程。子的过程。逆转录酶：以单链逆转录酶：以单链RNA为模板合成为模板合成DNA的酶。此酶有三种活性（作用）：的酶。此酶有三种活性（作用）：（1）它能以（）它能以（+）RNA为模板，反向转录出（为模板，反向转录出（）DNA，形成异质双链。形成异质双链。（2）它能水解异质双链中的）它能水解异质双链中的RNA，起到，起到RNA水水解酶的作用。解酶的作用。（3）它能以（）它能以（）DNA为模板合成（为模板合成（+）DNA，产生一个双链的产生一个双链的DNA分子。分子。逆转录过程逆转录过程第四节第四节 逆转录和其他复制方式逆转录和其他复制方式 反转录流程转录转录逆转录

24、逆转录酶活性：酶活性： 以以RNA为模板催化为模板催化DNA合成；合成； 水解杂化双链的水解杂化双链的RNA 以以DNA为模板催化为模板催化DNA的合成的合成（+）RNA RNA模板模板（+）RNA（）DNA 杂化双链杂化双链（）DNA 单链单链DNA （）DNA （+）DNA 整合到宿主细胞染色体中整合到宿主细胞染色体中（+）RNA子链子链m RNA反转录流程逆转录特点：逆转录特点： 从从RNADNA的反向转录过程；的反向转录过程； DNA中间产物必须结合到宿主细胞染色体中。中间产物必须结合到宿主细胞染色体中。 （大部分逆转录病毒都会引起肿瘤）（大部分逆转录病毒都会引起肿瘤）三、滚环复制和三

25、、滚环复制和D D环复制环复制滚环复制滚环复制低等生物如质粒，复制时采用滚环复制。低等生物如质粒，复制时采用滚环复制。环状环状DNADNA双链一股先开一个缺口，双链一股先开一个缺口，55端端向外伸展，向外伸展，两股链均直接作为模板，无需另外合成两股链均直接作为模板，无需另外合成引物。引物。三、滚环复制和三、滚环复制和D D环复制环复制35535领头链随从链5353z滚环复制滚环复制三、滚环复制和三、滚环复制和D D环复制环复制 第五节第五节 DNA损伤或突变与修复损伤或突变与修复 突变（突变（mutationmutation）：一些物理化学因子使）：一些物理化学因子使DNADNA分子上一个或多

26、个脱氧核糖核苷酸的构分子上一个或多个脱氧核糖核苷酸的构成、复制或表型功能的异常变化，这种现成、复制或表型功能的异常变化，这种现象也称为象也称为DNADNA损伤（损伤（DNA damageDNA damage）。一、突变的意义一、突变的意义二、引发突变的因素二、引发突变的因素三、突变的分子改变类型三、突变的分子改变类型四、四、DNA损伤的修复损伤的修复一、突变的意义一、突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础（一）突变是进化、分化的分子基础（二）只有基因型改变的突变（二）只有基因型改变的突变（三）致死性的突变（三）致死性的突变（四）突变是某些疾病的发病基础（四）突变是某些疾病的发病基础 第五节

27、第五节 DNA损伤或突变与修复损伤或突变与修复 二、引发突变的因素二、引发突变的因素1、物理因素：、物理因素：2、化学因素：、化学因素： 第五节第五节 DNA损伤或突变与修复损伤或突变与修复 诱变因素 突变类型物理因素 紫外线照射 形成胸腺嘧啶二聚体 离子辐射 打断DNA分子上的共价键化学因素 5-溴尿嘧啶(5-BU) 5-BU取代A，并异构成G，结果是A-T配对变 为G-T配对，最后变为C-G配对 羟胺 转换T为C，结果是A-T配对改为C-G配对 亚硝酸盐 使C脱氨成U，原G-C配对变为G-U配对，最 后使G-C变为A-T 氮芥类 使G的N-7烷化后除去，成为无鸟嘌呤的链生物因素 肿瘤病毒 插入宿主细胞基因组中，引起细胞癌变诱变因素及突变类型诱变因素及突变类型三、突变的分子改变类型三、突变的分子改变类型（一）（一）错配（点突变）错配（点突变）（二）（二）缺失、插入和框移缺失、插入和框移（三）重排（三）重排 第五节第五节 DNA损伤或突变与修复损伤或突变与修复 镰性细胞病发病机理图不间隔性密码子的不间隔性：在密码子的不间隔性：在mRNA分子上两个相邻的密码分子上两个相邻的密码子之间没有任何核苷酸的间隔，即正确翻译时，必须子之间没有任何核苷酸的间隔，即正确翻译时，必须从某一特定的起