第九章dna的复制与修复

1、DNA 的第九章与修复下册 P406DNA 是生物遗传的主要物质，DNA过程。9-1DNA即以原来 DNA 分子为模板出相同分子的生物系统的遗传信息主要表现为 DNA 分子中特异的核苷酸排列顺序。DNA 整个分子，可以将遗传信息由亲代传给子代，碱基配对原理是遗传信息传递的基本机制。（一） DNA 的半保留：一个亲代DNA 分子变成两个子代分子，每个子代分子双链中一条来自亲代分子，一条方式称为半保留。见 P407 图 34-2。是新的互补链，这种证实：同位素标记法在 15NH4Cl 培养基中连续培养E. coli 12 代，1.15N 标记的 E. coli 的 DNA。2. 半保留 证实：将

2、15N DNA 的E. coli 转移到 14N 氮源中培养，一代后，所有 DNA密度介于 15N-DNA 和 14N-DNA 之间，形成一半含 15N，一半含 14N 的杂合分子。两代后，14N 分子和 14N-15N 杂合分子等量出现。当把 14N-15N 杂合分子加热变性，可分开成 14N-链和 15N-链两条链，且这些亚 经许多代仍保持完整性。DNA 半保留形式。即使一些机制可以说明DNA 在代谢上的稳定性，是所有已知的在生命周期一部分中出现单链 DNA，但时必为双链DNA。（二） DNA的起点和方式：叉：DNA在同一部位同时进行。生长点处形为叉形，故称为叉。新 DNA与亲代DNA 解

3、链DNA时大多是双向进行，形成两个叉或生长点。也有单向的，只形成一个复制叉或生长点。见 P408 图 34-4。对称：两条链同时进行。不对称：一条链后再进行另一链的。环形 DNA时在显微镜下可以看到形如眼形的型结构。P409 图 34-5。P411 图 34-8 显示了DNA 不同方式。A：直线双向，E：滚动环，B：多起点双向，F：D 环，C：型双向，G：2D 环。D：型单向，细菌 DNA中 20 分钟即可叉移动速度大约为 5 万 bp/分，E. coli 完成一次。40 分钟，在丰富培养基（三） DNA 聚合反应有关的酶：（1） DNA 聚合反应和聚合酶1.DNA 聚合反应需要下面五个要素底

4、物：四种脱氧核苷三磷酸（dATP，dGTP，dCTP 和 dTTP），统称为 dNTP，且四种都必须存在。模版：指导反应进行。模版可以是单链 DNA，也可以是在一处或几处断开的双链DNA。引物链：为具有 3-OH 的 RNA（体内）或DNA（体外）短链。DNA 聚合酶：为模板指导酶，按模版将一个个 dNTP 根据碱基配对原则催化加成在引物链的 3-OH 端上。Mg2+2 DNA 聚合酶反应特点： 以四种脱氧核糖核苷三磷酸为底物。 反应需接受模板指导。 反应需引物 3-OH 存在。 DNA 生长方向为 5 3，新 产物 DNA 性质与模板相同，为模板相对比例无关。链与模板链互补。物，与何种聚合酶

5、及四种核苷酸前体的（2）大肠杆菌DNA 聚合酶E. coli 共含有五种不同的 DNA 聚合酶。DNA 聚合酶单一多肽链，分子量 103000，是一个多功能酶，可以催化以下反应：1. 聚合反应，使 DNA 链沿 5 由 3端水解 DNA 链，为 3 3方向延伸。 5核酸外切酶，可迅速切除错配的核苷酸，具有校对功能，使DNA错误率从 10-5 降至 510-7。 由 5端水解DNA 链，为 5 3核酸外切酶，用于 DNA物及 DNA 损伤修复。 由 3端使DNA 链发生焦磷酸解，为聚合反应逆反应。 无机焦磷酸盐与 dNTP 之间焦磷酸基交换。此酶在 E. coli 体内由于催化聚合速度慢，主要负

6、责切除和修复。中切除引DNA 聚合酶被蛋白水解酶有限水解，可生成两个片断：大片断称为Klenow 片断，有聚合酶和 3 5核酸外切酶活性；小片断具有 5酸外切酶活性。DNA 聚合酶和： 3核2.均为多亚基酶，均有聚合 DNA 和 3 5核酸外切酶，但无 53外速度达到切酶。聚合酶可能与 DNA 修复有关，聚合酶由于催化了体内 DNA速度（为聚合酶的 100 倍），是 E. coli 真正负责重新DNA 的酶。新近发现的DNA 聚合酶和，参与易错链的修复。DNA 连接酶：DNA 聚合酶只能催化链延长，而催化两条链的末端之间形成共价连接则由连接酶完成。连接酶要求：3.一条 DNA 链 3端有OH，

7、另一条 DNA 链 5端有一磷酸，连接反应需供能，细菌由 NAD 供能，动物和噬菌体由 ATP 供能。P417 图 34-17DNA 连接酶催化的反应。一般要求需要连接的两条链，由互补链将它们聚在一起形成双螺旋结构（使缺口闭合），而不能将两条游离的 DNA 分子连接起来。（四） DNA 的半不连续（1） 问题的提出：DNA 两条链反向平行，一条链为 5 3，另一条链为 3 5，但所有 DNA 聚合酶方向都是在引物 3-OH 上，使链从 5 3延长，那么 5 3链是如何同时作为模板呢？模型（P418 图 34-18），认为新的 3 1968 年提出DNA 不连续5的DNA 链实际上是有许多 5

8、3方向的 DN断连接起来的。（2）DNA 半不连续：DNA时，以 3 5方向为 5为模板链的 3，与复为模板的一条链制叉方向一致，称为前导链；另一条以 5 叉移动的方向相反，称为滞后链，其3链与是不连续的，先形成许多不连续的片断（DNA片断），最后连成一条完整的 DNA 链。（3）由 RNA 引物：DNA 聚合酶不能发动新链的，只能催化已有链的延长；RNA 聚合酶则新 RNA 链。因此在体内先由不同，只要有模板存在，不需引物，就可以RNA 聚合酶RNA 引物，DNA 聚合酶再从 RNA 引物的 3-OH 端开始新的 DNA 链。催化 RNA 引物的酶称为引物酶。引物长度通常只有几个10 多个核

9、苷酸，片断也需要引物。RNA 引物的消除和缺口填补是由 DNA 聚合酶完成的，最后由 DNA 连接酶连接。（4）DNA的复杂性保证了的高度忠实性。E. coli时，每个碱基对错配频率为 10-910-10，是高保真系统。新 DNA 链时需引物，引物后又要切除，再以 DNA 链取代，DNA 聚合酶在时还有校对功能，每引入一个核苷酸都要复查一次，未核实则不能继续进行聚合反应。在过程中还有许多辅助蛋白，E. coli 就至少有 15 种。叉的复杂结构进一步提高DNA准确性。还存在正调控和负调控，调控分子可以是蛋白质，也可以是 RNA。DNADNA（五）的拓扑性质：时首先需将超螺旋解开。DNA 拓扑异

10、构酶通过切断与封闭DNA 骨架上的磷酸二酯键而使 DNA 解旋，此过程热力学有利，不需 ATP，每次反应改变L=+1；具有类似功能还有拓扑异构酶。DNA后，由拓扑异构酶使 DNA连续引入负超螺旋，需能由 ATP 供给，每次反应改变 DNA 连环数为L=-2。在 DNA 解链后，由单链结合蛋白（SSB）覆盖，稳定 DNA 单链，复性和保护不被核酸酶降解。DNA（六）DNADNA的过程：可分为三个阶段：起始、延伸和终止。其间的反应和参与作用的酶与辅助因子各有不同。在 DNA的生长点即叉上分布着各种各样与有关的酶和蛋白因子（至少 50 种以上），它们体结构示意图如 P423 图 34-22 所示。体

11、的基本活动包括： 双链的解开；延长； 切除 RNA 引物，填补缺口，连接 DN真核生物的 DNA 通常都与组蛋白结合，的复合物称为体。大肠杆菌RNA 引物的； DNA 链的断； 切除和修复错配碱基。核小体，以染色质的形式存在于细胞核中。过程需疏松染色质和解开核小体，后又需装配并凝缩成，再分配到两个子细胞中去。真核生物有五种 DNA 聚合酶，其中 DNA 聚合酶引物，是酶，是线粒体酶，和是修复酶。真核生物DNA 的末端有端粒结构，端粒是由端粒酶的。端粒是由许多成串短的重复序列组成，该重复序列通常一条链上富含 G，而其互补链上富含 C。人的端粒为 TTAGGG，TG 链常比 AC 链更长些，形成

12、3单链末端。端粒的功能为间末端连接，并可补偿滞后链 5末端在消除 RNA稳定末端结构，防止使端粒 5末端缩短，而端粒酶可外加重复到 5末端上，引物后造成的空缺结果维持端粒一定长度。端粒酶是一种催化含有约 150 个碱基的 RNA 链的逆转录酶，它以酶中所含RNA 为模板DNA 的 3末端（P427 图 34-24），一个重复后酶再向前移动一个。在动物生殖细胞中，由于端粒酶的存在，端粒一直保持着一定的长度，体细胞随着分化而失去端粒酶活性。在缺乏端粒酶活性时，细胞连续短，短到一定程度即引起细胞生长停止或凋亡。端粒在决定细胞将使端粒不断缩中起重要作用，经过多代培养老化的细胞端粒变短，也变得不稳定。然

13、而，主要的肿瘤细胞中均发现存在端粒酶活性，因此设想端粒酶可作为抗癌治疗的靶位点。9-2DNA 的损伤修复DNA过程中可能产生错配，DNA 重组，的整合等都会局部破坏 DNA 双螺旋结构。某些物理化学从而引起生物突变、，如紫外线，辐射和化学诱变剂等都能使 DNA 结构和功能破坏，甚至。为此生物已进化了如下一些保护自己，修复损伤DNA 的系统。（一）错配修复：识别错配位点以及“新”“旧”链，将错配新链切除并加以修复。如 E. coli体内有一种甲基化酶，使DNA 序列中腺嘌呤 N6 位甲基化（可维持数分钟），发现错配碱基，即将未甲基化的新链切除。E. coli 参与错配修复的蛋白质至少有 12 种

14、。（二）活修复（直接修复）：它分解紫外线引起的嘧啶二聚体。光照下活酶激活，分解嘧啶二聚体，如 P429 图 34-28。这种修复对植物特别重要，高等动物没有。（三）切除修复：在一系列酶作用下，将DNA 分子中受损伤部分切除掉，并以完整的那一条链为模板，切去的部分，然后使 DNA 恢复正常。是比较普遍的修复机制，有多种酶参加，见 P430 图 34-29。切除修复若有关酶缺乏，可导起的 DNA 损失若不能修复，会出现皮肤癌。切除修复为前修复。症，如紫外线引（四）重组修复：为后修复。当DNA 发动时尚未修复的损伤部位先再修复，如 P430 图 34-30 所示。时遇损伤部位先跳过去，在子代链对应损

15、伤处先留下缺口，然后从另一条完整DNA 母链上将相应核苷酸序列片断移至子链缺口处，最后再用的序列来补上母链的空缺。也有一系列酶参加。（五）应急反应（SOS）和易错修复：上述 DNA 损伤修复功能可以不经诱导而发生。而许多能造成DNA 损伤或抑制的处理却能引起一系列复杂的诱导效应，称为应急反应。SOS 反应包括诱导DNA 损伤修复、诱变效应、细胞能与 SOS 反应有关。的抑制等。细胞可SOS 反应是细胞DNA 受到损伤或系统受到抑制的紧急情况下，为求生存而出现的应急效应。SOS 反应诱导的修复系统包括避免差错的修复和易产生差错的修复两类。易产生差错的修复会导致变异，变异一方面有利于生物进化，另一方面可。如 X-射线，黄曲霉素等都能在细菌中诱导产生 SOS 反应，由此可根据大多细菌的SOS 反应检测对动物诱发肿瘤的物。9-3DNA 的突变DNA 作为遗传物质有三个功能：（一）突变类型：，转录和变异（包括突变和遗传重组）。碱基对置换：原来一个碱基被另一碱基所取代。移码突变：由于一个或多个非三整倍数的核苷酸对的或缺失，使