DNA是生物遗传的主要物质基础

DNA是生物遗传的主要物质基础，生物机体的遗传信息以密码的形式编码在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序，并通过DNA的复制由亲代传递给子代。在后代的生长发育过程中，遗传信息自DNA转录给RNA,然后翻译成特异的蛋白质，以执行各种生命功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状。中心法则1964-1970劳氏肉瘤病毒的遗传方式致癌RNA病毒病毒（复制）复制转录DNARNA蛋白质翻译逆转录1958年，遗传信息的单向二、DNA的合成（一）依赖于DNA的DNA合成（DNA的复制）1、DNA的半保留复制：在1953年，Watson和Crick在建立双螺旋DNA结构的基础上就提出了DNA复制的半保留复制假说。他们推测DNA复制时，两链先分开，然后用碱基配对的方式，按照单链DNA的核苷酸顺序合成新链，以组成新DNA分子。这样形成的两个DNA分子与原来的DNA分子的碱基顺序完全一样，每个子代分子的一条链来自亲代DNA、另一条链是新合成的，这种方式称为半保留复制（如右图）。

DNA的半保留复制定义：由亲代DNA生成子代DNA时，每个新形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式叫半保留复制半保留复制的实验证据:1958年Meselson和Stahl用同位素15N标记大肠杆菌DNA,首先证明了DNA的半保留复制。15N-DNA的密度大于14N-DNA的密度DNA的半保留复制的生物学意义：DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性，保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。

DNA在代谢上的稳定性并非指DNA是一种惰性物质。2、DNA复制的起始点和方向：DNA复制开始于染色体上固定的起始点。起始点是含有100-200个碱基对的一段DNA。DNA的两条链在起始点分开形成叉子样的“复制叉”，随着复制叉的移动完成DNA的复制过程。细胞内存在能识别起始点的特种蛋白质。

DNA复制可以朝一个方向进行，也可以朝两个相反的方向进行（如有图）。其证据来自放射自显影实验或电子显微镜观察。大多数生物染色体DNA的复制是双向进行的。大肠杆菌染色体DNA的复制经证明是双向进行的（如右图）。在迅速生长的原核生物中，第一个染色体DNA复制尚未完成，第二个DNA分子就在同一个起始点上开始复制，其复制叉移动的速度约为105碱基对/分。真核生物染色体的不同位置上有多个起试点，如在30000个碱基对长的果蝇染色体DNA上有2000-3000个起试点，如下图：真核生物的复制叉移动较慢（5x102-5x103碱基对/分。但由于同时起作用的复制叉数目很大，所以复制的总速度比原核生物要快。3.与与DNA复制有有关的的酶和和蛋白白质原料：四种脱脱氧核核苷三三磷酸酸（dATP、、dGTP、dCTP、、dTTP)模板：以DNA的两条条链为为模板板链，，合成成子代代DNA。引物：一小小段RNA(或DNA）为引物物，在在大肠肠杆菌菌中，DNA的合成成需要要一段段RNA链作为为引物。。（1）DNA聚合酶酶：DNA复制过过程中中最基基本的的酶促促反应应始四四种脱脱氧核核苷酸酸的聚聚合反反应。。1956年Kornberg等首先先从大大肠杆杆菌中中分离离出催催化此此反应应的DNA聚合酶酶。在在大肠肠杆菌菌中现现已发发现三三种DNA聚合酶酶，分分别称称为聚聚合酶酶Ⅰ、聚合合酶Ⅱ和聚合合酶Ⅲ。三种种酶的的作用用和活活力大大小见见下表表。聚合酶Ⅰ聚合酶Ⅱ聚合酶Ⅲ功能5‘→3’的聚合酶作用5‘→3’的外切酶作用3‘→5’的外切酶作用相对分子量每个细胞的分子数活性（37℃时每个酶分子酶分钟聚合的核苷酸数主要作用

+++109000400600主要对DNA损伤修复,切除引物

+-+12000030紫外线损伤的修复

+++14000010-209000DNA复制的主要聚合酶表1.大肠杆杆菌DNA聚合酶酶在大肠肠杆菌菌中发发现有有三种种DNA聚合酶酶（用突变变株研研究其其功能能）：⑴DNA聚合酶酶Ⅰ:单体酶酶,多多肽链链内含含一个个锌原原子（（其鳌鳌合剂剂是O-二氮氮杂杂菲菲）），，多多功功能能酶酶。。它具具有有53聚合合酶酶功功能能（对对脱脱氧氧核核苷苷酸酸的的选选择择））；；3’’5’’外外切切酶酶活活性性（对对双双链链无无作作用用，，校对对功功能能。。但在在正正常常聚聚合合条条件件下下，，此此活活性性不不能能作作用用于于生生长长链链））及及5’’3’’外外切切酶酶活活性性（双双链链有有效效，，主主要要是是对对DNA损伤伤的的修修复复，，以以及及在在DNA复制制时时RNA引物物切切除除及及其其空空隙隙的的填填补补））；；在在DNA链的的3形成成焦焦磷磷酸酸解解（（生生理理意意义义不不大大））；；无无机机焦焦磷磷酸酸盐盐与与dNTP之间间的的焦焦磷磷酸酸基基交交换换。。⑵DNA聚合合酶酶ⅡⅡ：：多亚亚基基酶酶，，聚合合作作用用，，但但聚聚合合活活力力很很低低；；具具有有3’’5’’外外切切酶酶活活性性。。其其它它生生理理功功能能尚尚不不清清楚楚，，可可能能在在修修复复紫紫外外光光引引起起的的DNA损伤伤中中起起作作用用。。⑶DNA聚合合酶酶ⅢⅢ：：是原原核核生生物物DNA复制制的的主主要要聚聚合合酶酶，该该酶酶由由10种亚亚基基组组成成，，其其中中、、、、形形成成全全酶酶的的核核心心酶酶。具具有有5’’3’’DNA聚合合酶酶活活性性（（亚亚基基，，速率率高高））；；具具有有3’’5’外外切酶酶（亚基基）的校对对功能能，提提高DNA复制的的保真真性；；还具具有5’3’外外切酶酶活性性（单单链有有效，，其意意义未未知））。另外:（4））DNA聚合酶酶IV和V：1999年发现现，当当DNA严重损损伤时时，诱诱导产产生。。许多研研究证证明：：DNA聚合酶酶Ⅲ是完整整大肠肠杆菌菌细胞胞中主主要负负责DNA链延长长的酶酶。它它以一一个相相对分分子量量约为为450000，称为为“DNA聚合酶酶Ⅲ全酶””的大大复合合物的的形式式起作作用，，全酶酶有好好几个个亚基基（如如下左左图））。用用聚丙丙烯酰酰胺凝凝胶电电泳分分离纯纯化一一万倍倍的DNA聚合酶酶Ⅲ，得到到的主主要成成分为为相对对分子子量140000的多肽肽（α亚基））。在在复合合物中中的β亚基（（也称称为DNA聚合酶酶Ⅲ辅酶））的功功能是是识别别引物物并使使DNA母链与与引物物链结结合。。一旦旦全酶酶结合合在正正确的的起始始位置置上，，DNA聚合酶酶Ⅲ辅酶就就以游游离的的形式式释放放，随随后DNA聚合酶酶Ⅲ复合物物催化化子代代DNA链的延延长（（右图图）。。DNA聚合酶酶催化化的反反应可可以利利用双双链作作为模模板和和引物物，也也可以以利用用单链链作为为模板板和引引物。。如下下图中中，A为单链链自身身回折折作为为模板板，形形成发发夹环环结构构。B、C为双链链作为为模板板，其其中C是由于于酶离离开原原先的的模板板，开开始复复制互互补链链而形形成分分枝结结构。。D为环状状DNA进行的的反应应。A、C只存在在于体体外酶酶促合合成的的DNA分子中中，它它使DNA的变性性行为为异常常，并并且失失去遗遗传活活性。。DNA聚合酶酶具有有”校校对““作用用：DNA聚合酶酶的3‘→→5’’的外切切酶活活力是是校对对新生生DNA链和改改正聚聚合酶酶活性性所造造成””错配配“的的一种种手段段。当当因聚聚合酶酶活性性的作作用插插入一一个错错配的的核苷苷酸时时，酶酶能识识别这这种””失误误“并并立即即从新新DNA链的3’端除掉掉所错错配的的核苷苷酸。。所以以当复复制叉叉沿模模板链链移动动时，，所加加入的的每个个脱氧氧核苷苷酸单单位都都将受受到检检查（（如右右图））。DNA聚合酶酶的校校正功功能十十分有有效，，其准准确率率达到到每聚聚合104个核苷苷酸单单位至至多出出现一一个错错配的的核苷苷酸。。复制的的准确确性高高于转转录和和转译译过程程。这这点非非常重重要，，因为为复制制的错错误可可引起起突变变或致致死。。由上可可以归归纳出出DNA聚合酶酶的反反应特特点：：①以四种种脱氧氧核糖糖核苷苷三磷磷酸作作为底底物；；②反应需需要接接受模模板的的指导导；③反应需要要引物3’－羟基存存在；④DNA链的延长长方向为为5‘→3’；⑤产物DNA的性质于于模板相相同；⑥合成过程程种有校校正作用用。这就表明明了DNA聚合酶合合成的产产物是模模板的复复制物。。真核生物物DNA聚合酶：：主要作作用类似似于大肠肠杆菌聚聚合酶，，但有不不同。现现已发现现四种，，分别以以α、β、γ、δ来命名（（有资料料介绍有有5种，即多多一种ε，它在结结构和性性质上类类似于δ，其主要要功能时时参与DNA的修复）），其各各种酶的的特性归归纳为下下表：表2.真核生物物DNA聚合酶聚合酶α聚合酶β聚合酶γ聚合酶δ分子量亚基数细胞内分布酶活力占总量的百分比核酸外切酶活力5‘→3’聚合作用110-220000

多个细胞核

-80%

无有

450001个细胞核

10-15%

无有600001个线粒体

2-15%

无有1220001个细胞核

10-25%3‘→5’外切酶活力有在真核细细胞内有有五种DNA聚合酶（与细菌菌DNA聚合酶的的性质基基本相同同：底物物、模板板、引物物、方向向）αβγδε定位细细胞核细细胞胞核线线粒粒体细细胞核细细胞核3‘-5’外切--+++酶活性功能引物合成修复作用线粒体DNA的复制核DNA的复制修复作用在复制过过程中，，真核细细胞有两两个相互互协作的的酶，即即α负责后随随链，δ负责前导导链的合合成，如如下图：：3.DNA连接酶（（1967年发发现）：：若双链DNA中一条链链有切口口，一端端是3’’-OH，另一端是是5‘-磷酸基基，连接接酶可催催化这两两端形成成磷酸二二酯键，，而使切切口连接接。但是它不不能将两两条游离离的DNA单链连接接起来。。大肠杆菌菌和其它它细菌的的DNA连接酶要要求NAD+提供能量量，在高高等生物物和噬菌菌体中，，则要求求ATP提供能量量。T4噬菌体的的DNA连接酶不仅能在在模板链链上连接接DNA和DNA链之间的的切口，，而且能能连接无无单链粘粘性末端端的平头头双链DNA。。3‘5‘3‘5‘OHP连接酶的的反应机机制：酶+NAD+(ATP)酶-AMP+烟酰胺单单核苷酸酸（PPi））酶-AMP+P-5‘‘-DNA酶+AMP-P-5’-DNADNA-3’-OH+AMP-P-5’-DNADNA-3’-O-P-5’’-DNA+AMPDNA连接酶在DNA复制、损损伤修复复、重组组等过程程中起重重要作用用作用4.拓扑异构构酶:催化DNA的拓扑连连环数发发生变化化的酶，，在DNA重组修复复和其他他转变方方面起重重要作用用。5、解螺螺旋酶（（解链链酶）：通过水水解ATP将DNA两条链打打开。E.coli中的rep蛋白就是是解螺旋旋酶，还还有解螺螺旋酶I、II、III。每解开一一对碱基基需要水水解2个个ATP分子。这类酶能能通过水水解ATP获得能量量来解开开双链，，每解开开一对碱碱基，需需要水解解2分子ATP成ADP和磷酸盐盐。分解解ATP的活力要要有单链链DNA的存在在。如如双链链DNA中有