DNA的生物合成课件

第十一章DNA的生物合成

（复制）

DNAReplication第十一章DNA的生物合成

（复制）

DNAReplic1DNARNA蛋白质复制复制转录反转录翻译遗传信息传递的中心法则DNARNA蛋白质复制复制转录反转录翻译遗传信息传递的中心法2DNA的生物合成：细胞内合成DNA的过程1、复制：以DNA作为模板指导的DNA合成，即将DNA携带的信息传至子代DNA。2、反转录：DNA合成也可以RNA为模扳指导合成作用，见于RNA病毒。3、修复合成：当各种因素引起DNA损伤时，损伤DNA可修复合成，校正错误，完成正确合成，以保持DNA结构的稳定性和遗传信息的准确性。DNA的生物合成：细胞内合成DNA的过程3第一节DNA复制一、复制的特征（一）半保留复制---semiconservativereplication两个子代分子中各有一条链来自亲代，各有另一条新合成的链，这种复制方式叫半保留复制。[提问]DNA的合成是否为全保留复制方式？DNA的合成是否为混合式复制方式？DNA的合成是否为半保留复制方式？[实验证据]：1957年M.Meselson和F.W.Stahl用大肠杆菌为材料，在含15N和14N的NH4cl中培养证实了半保留复制方式。（图11-1）Cscl梯度离心的结果。（图11-2）第一节DNA复制4（二）复制的起始点与方向亲代DNA开链，复制起始点呈叉型移动。（图11-3）1、复制起始点：DNA复制要从DNA分子的特定部位开始，此部位称复制起始点。（图11-3加）原核：仅含一个，约245bp,特殊的重复序列。真核：多个起始点例：酵母17号染色体含400个。2、复制方向：含三种机制2个起点，2个叉，各合一条链（腺病毒）。一个起点一个叉，同方向合成两条链（质粒ColEI一个起点2个叉，不同方向合成两条链，此为常见方式。（图11-4）（二）复制的起始点与方向5（三）半不连续合成semidiscontinuousreplication

在DNA复制过程中，一条链是连续合成的，而另一条链是不连续合成。体内仅含催化5’3’合成的DNA酶。60年代冈琦片段的发现解决了这个问题：合成5’3’前导链（leadingstrand）是连续的，方向与复制叉一致。合成3’

5’随从链时，方向与叉相反，合成不连续，各片段连成一条链。（图11-5）（三）半不连续合成semidiscontinuousre6二、复制过程和参与酶及因子（一）复制的起始（分两步）1、螺旋的松弛与解链（1）拓扑异构酶---能改变DNA空间构型的酶作用：DNA复制时松弛超螺旋，以利复制叉的行进及DNA合成，合成后再引向超螺旋。功能：不清楚，可催化体外拓扑异构化反应，分两型。二、复制过程和参与酶及因子7拓扑异构酶I（topoisomerase--I）作用：（图11-6加）松弛超螺旋，不需ATP,

机制：切开环状一条链打结与解结环状双链DNA的合成环连与解环连原核：对负超螺旋正真核：对正、负均有作用。拓扑异构酶II----旋转酶（gyrase）作用：松弛超螺旋松+ATP

超（-）切开环状两条链拓扑异构酶I（topoisomerase--I）8打结与解结环连与解环连（图11-6）（2）解链酶（helicase）------复制蛋白rep作用：ATP供能时，解开DNA双链。原核：编码解链酶的基因是dnaB,DnaB表示蛋白产物。前导链结合rep蛋白，随从链结合解链酶II

Ⅲ

（图11-7）。（3）单链结合蛋白-singlestrandbindingprotein-SSB作用：SSB与解开DNA单链结合，保护稳定DNA。与新复制DNA单链结合，以防降解。超螺旋DNA拓扑酶松弛解链酶解开双链SSB复制开始打结与解结92、引发（需引发酶及引发前体参与）（1）引物酶（primase）作用：以DNA为模板，自5’3’合成RNA小片段,3’末端为-OH，长短：十几到几十个核苷酸。原核：dnaG基因编码DnaG蛋白即引物酶。（2）引发前体（preprimosome）由多种蛋白因子组成复合物。作用：合成RNA引物，沿随从链复制叉的行进方向移动，在不同部位，合成RNA引物。总结：合成RNA引物，在引物3’-OH末段进行DNA片段合成。（表11-1）（二）DNA链的延长反应体系：DNA模板，DNA聚合酶，

dNTP，引物，Mg2+离子

2、引发（需引发酶及引发前体参与）10过程：引物3’-OHdNTPppi引物-dNMP反应式：DNA+dNTP（DNA）n+1+ppi反应机理：（图11-8加1）磷亲核攻击。真核与原核中DNA聚合酶（DNApolymorase-DNApol有几种类型，作用方式相同，但各具特性及功能。1、大肠杆菌DNA聚合酶（3种）（1）pol：催化5’3’的聚合作用，合成20个核苷酸即离开模板，填充空隙。有3’5’外切酶活性，去除错误碱基的校对作用。有5’3’外切酶活性，去除RNA引物及修正错误碱基。（图11-8加2）（2）pol：5’3’

DNA合成及3’5’外切过程：引物3’-OHdNTPppi引物-11酶活性，体内功能不清楚。（3）polⅢ:DNA链延长起主要作用，细菌中1000dNTP/秒加入。3’5’外切酶活性，校对作用，与pol配合错误率降至10-6。（图11-8）（图11-9）（表11-2）（4）DNA复制的保真性：遵守严格的碱基配对规律。聚合酶对碱基的选择功能。聚合酶对错误碱基的校读（proofread）作用。2、真核生物DNApol特性与大肠杆菌相似，共五种：（表11-3）pol：催化前导链及随从连的合成，需增殖细胞核抗原蛋白PCNA（proliferatatingcellnucleusantigen-PCNA）的参与。酶活性，体内功能不清楚。12Pol:与引发酶配合，参与随从链的合成。RFA(replicationfactorA):DNA延长中RFA与单链结合起到SSB的作用。（三）终止连接酶（ligase）：作用--使相邻的DNA片段,以3’5’

磷酸二酯键相连，需ATP。反应原理：（图11-10）

P5’-DNAE-AMPE+ATPE-AMP中间体

E-AMP-5’DNADNA-3’-op-5’-DNAHo-3’-DNA

前导链是连续合成的，随从链在连接酶作用下连成一条链。拓扑酶DNA复制后DNA超螺旋装配成染色体（图11-11）Pol:与引发酶配合，参与随从链的合成。13三、真核生物复制的特点1、复制速度：是原核的1/10，但复制起始点多。2、引物和冈琦片段小于原核，引物为10个，片段100~200；原核引物十几~几十，片段1000~2000。3、复制需DNApol及多种因子参加，pol

pol在核内起主要作用。4、pol为线粒体复制酶。5、DNA复制位于细胞周期的S期。第二节反转录作用（reversetranscription）RNA指导下的DNA合成作用，以RNA为模板在反转录酶催化下，由dNTP聚合成DNA的作用，新生DNA分子存有RNA基因组的信息。[体系]RNA模板、反转录酶、引物tRNA、dNTPZn2+三、真核生物复制的特点14一、反转录酶过程[背景]：1970年Temin等人自Rous肉瘤病毒（RSV）中发现一种酶,此酶催化RNA合成DNA，合成方向5’3’。[反转录酶]：作用：1、RNA指导的DNA合成。2、RNA水解反应。3、DNA指导的DNA合成。特点：无外切酶活性，转录错误率高2X104。图11-12二、反转录酶病毒（retrovirus）性质：一类RNA病毒，含反转录酶，因致癌又称RNA肿瘤病毒。如HIV-人类免疫缺陷病毒，可引起AIDS。1、组成：核心RNA，蛋白外壳。一、反转录酶过程152、病毒生活周期：早、晚两期早期：进入细胞后放出病毒RNADNA整合进宿主染色体。晚期：转录和翻译。例1、RSV基因结构图，全长10kb（图11-13）1、gag:编码四种病毒核心结构蛋白。2、pol:编码反转录酶。3、env:编码外壳蛋白。4、src:编码的蛋白引起细胞转化。5、LTR:调节表达序列。例2、HIV：感染人T4淋巴细胞,使病人丧失免疫能力,死于感染。基因结构含gag、pol、env和两个LTR,功能同RSV。2、病毒生活周期：早、晚两期16不同：另含Sor、Trs、tat及3’orf，这四种基因变异速度快，给疫苗研制带来困难。三、意义1、补充了中心法则。2、加深了对RNA病毒致癌、致病的认识。3、利用反转录酶，进行基因操作，制备cDNA。不同：另含Sor、Trs、tat及3’orf，这四种基因变异17四端粒酶（Telomerase）真核线性染色体末端叫端区，含重复序列TTTGGG。[组成]：RNA（含端区重复序列约1.5拷贝）蛋白质[作用]：可作为反转录酶，以含端区DNA重复序列拷贝的RNA作模板，合成端区DNA片段。（图11-14）[生物学意义]：1、合成端区，保证染色体复制的完整性。2、保护DNA末段降解及相互融合。第三节DNA的修复合成意义：DNA复制中的错误若保留下来，在体细胞将影响功能；在性细胞将影响后代，体内的修复系统保证了DNA复制的高度精确性。四端粒酶（Telomerase）18一、突变的意义1、进化、分化的分子基础。2、基因型改变。（表型不变）3、致死性的突变。（消灭病原体）4、某些疾病的发病基础。二、突变的因素及类型1、DNA损伤因素：物理---紫外线化学---诱变剂2、DNA损伤类型：（表11-4）（1）环丁基二聚体：相邻dTTP形成二聚体，干扰DNA合成。大肠杆菌、酵母含光化酶，可切开环丁基环，反应需要光。（2）脱嘌呤作用：正常体内即有碱基与核糖的糖苷键断裂嘌呤脱落。一、突变的意义19（3）脱氨基作用：常发生在嘧啶。例如：胞嘧啶脱氨基尿嘧啶使C:G改为U:G.（图11-15）三、DNA损伤修复机制1、光修复：略2、切除修复：先切除DNA损伤序列，再合成补充切除的片段。[参与的因子]UvrA、UvrB、UvrC（图11-16）3、重组修复：切除错误片段，自另一条复制好的链中找相应片段补充。反应需要RecA等蛋白参与。4、SOS修复：DNA损伤后，应急诱导产生的修复作用称SOS修复，此系统由十几个修复蛋白组成。调控蛋白LexA参与此系统的启动。四、真核生物DNA损伤的修复（3）脱氨基作用：常发生在嘧啶。例如：201、DNA修复缺陷疾病。（表11-5）2、酵母的紫外损伤修复系：RAD(radiationsensitive,RAD)基因：（1）rad3基因：编码解链酶（2）rad10基因：编码蛋白与大肠杆菌UvrA及UvrC蛋白的序列相似，提示与大肠杆菌DNA修复机制相似。1、DNA修复缺陷疾病。（表11-5）21DNA的生物合成课件22

图11-2CsCl梯度离心

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图11-3复制叉

24

11-3-1DNA复制起始点

25DNA的生物合成课件26DNA的生物合成课件27

图11-6拓扑酶I及II的作用特点

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图11-7rep解链酶

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图11-8-1DNAPol催化的链延长反应DNAPol肽链上具有三核酶活性区图11-8-130图11-8DNAPolIII的二聚体作用DNA的生物合成课件31

图11-9DNAPolIII催化前导链与随从链的合成图11-9DNAPolIII催32

图11-6大肠杆菌中DNA聚合酶DNA的生物合成课件33

表11-3真核生物DNA聚合酶

图11-10连接反应

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图11-11复制全程DNA的生物合成课件35

图11-13RSV与HIV基因图

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图11-14端粒酶DNA的生物合成课件37

表11-5与DNA修复缺陷有关的疾病DNA的生物合成课件38

图11-15损伤机制DNA的生物合成课件39DNA的生物合成课件40第十一章DNA的生物合成

（复制）

DNAReplication第十一章DNA的生物合成

（复制）

DNAReplic41DNARNA蛋白质复制复制转录反转录翻译遗传信息传递的中心法则DNARNA蛋白质复制复制转录反转录翻译遗传信息传递的中心法42DNA的生物合成：细胞内合成DNA的过程1、复制：以DNA作为模板指导的DNA合成，即将DNA携带的信息传至子代DNA。2、反转录：DNA合成也可以RNA为模扳指导合成作用，见于RNA病毒。3、修复合成：当各种因素引起DNA损伤时，损伤DNA可修复合成，校正错误，完成正确合成，以保持DNA结构的稳定性和遗传信息的准确性。DNA的生物合成：细胞内合成DNA的过程43第一节DNA复制一、复制的特征（一）半保留复制---semiconservativereplication两个子代分子中各有一条链来自亲代，各有另一条新合成的链，这种复制方式叫半保留复制。[提问]DNA的合成是否为全保留复制方式？DNA的合成是否为混合式复制方式？DNA的合成是否为半保留复制方式？[实验证据]：1957年M.Meselson和F.W.Stahl用大肠杆菌为材料，在含15N和14N的NH4cl中培养证实了半保留复制方式。（图11-1）Cscl梯度离心的结果。（图11-2）第一节DNA复制44（二）复制的起始点与方向亲代DNA开链，复制起始点呈叉型移动。（图11-3）1、复制起始点：DNA复制要从DNA分子的特定部位开始，此部位称复制起始点。（图11-3加）原核：仅含一个，约245bp,特殊的重复序列。真核：多个起始点例：酵母17号染色体含400个。2、复制方向：含三种机制2个起点，2个叉，各合一条链（腺病毒）。一个起点一个叉，同方向合成两条链（质粒ColEI一个起点2个叉，不同方向合成两条链，此为常见方式。（图11-4）（二）复制的起始点与方向45（三）半不连续合成semidiscontinuousreplication

在DNA复制过程中，一条链是连续合成的，而另一条链是不连续合成。体内仅含催化5’3’合成的DNA酶。60年代冈琦片段的发现解决了这个问题：合成5’3’前导链（leadingstrand）是连续的，方向与复制叉一致。合成3’

5’随从链时，方向与叉相反，合成不连续，各片段连成一条链。（图11-5）（三）半不连续合成semidiscontinuousre46二、复制过程和参与酶及因子（一）复制的起始（分两步）1、螺旋的松弛与解链（1）拓扑异构酶---能改变DNA空间构型的酶作用：DNA复制时松弛超螺旋，以利复制叉的行进及DNA合成，合成后再引向超螺旋。功能：不清楚，可催化体外拓扑异构化反应，分两型。二、复制过程和参与酶及因子47拓扑异构酶I（topoisomerase--I）作用：（图11-6加）松弛超螺旋，不需ATP,

机制：切开环状一条链打结与解结环状双链DNA的合成环连与解环连原核：对负超螺旋正真核：对正、负均有作用。拓扑异构酶II----旋转酶（gyrase）作用：松弛超螺旋松+ATP

超（-）切开环状两条链拓扑异构酶I（topoisomerase--I）48打结与解结环连与解环连（图11-6）（2）解链酶（helicase）------复制蛋白rep作用：ATP供能时，解开DNA双链。原核：编码解链酶的基因是dnaB,DnaB表示蛋白产物。前导链结合rep蛋白，随从链结合解链酶II

Ⅲ

（图11-7）。（3）单链结合蛋白-singlestrandbindingprotein-SSB作用：SSB与解开DNA单链结合，保护稳定DNA。与新复制DNA单链结合，以防降解。超螺旋DNA拓扑酶松弛解链酶解开双链SSB复制开始打结与解结492、引发（需引发酶及引发前体参与）（1）引物酶（primase）作用：以DNA为模板，自5’3’合成RNA小片段,3’末端为-OH，长短：十几到几十个核苷酸。原核：dnaG基因编码DnaG蛋白即引物酶。（2）引发前体（preprimosome）由多种蛋白因子组成复合物。作用：合成RNA引物，沿随从链复制叉的行进方向移动，在不同部位，合成RNA引物。总结：合成RNA引物，在引物3’-OH末段进行DNA片段合成。（表11-1）（二）DNA链的延长反应体系：DNA模板，DNA聚合酶，

dNTP，引物，Mg2+离子

2、引发（需引发酶及引发前体参与）50过程：引物3’-OHdNTPppi引物-dNMP反应式：DNA+dNTP（DNA）n+1+ppi反应机理：（图11-8加1）磷亲核攻击。真核与原核中DNA聚合酶（DNApolymorase-DNApol有几种类型，作用方式相同，但各具特性及功能。1、大肠杆菌DNA聚合酶（3种）（1）pol：催化5’3’的聚合作用，合成20个核苷酸即离开模板，填充空隙。有3’5’外切酶活性，去除错误碱基的校对作用。有5’3’外切酶活性，去除RNA引物及修正错误碱基。（图11-8加2）（2）pol：5’3’

DNA合成及3’5’外切过程：引物3’-OHdNTPppi引物-51酶活性，体内功能不清楚。（3）polⅢ:DNA链延长起主要作用，细菌中1000dNTP/秒加入。3’5’外切酶活性，校对作用，与pol配合错误率降至10-6。（图11-8）（图11-9）（表11-2）（4）DNA复制的保真性：遵守严格的碱基配对规律。聚合酶对碱基的选择功能。聚合酶对错误碱基的校读（proofread）作用。2、真核生物DNApol特性与大肠杆菌相似，共五种：（表11-3）pol：催化前导链及随从连的合成，需增殖细胞核抗原蛋白PCNA（proliferatatingcellnucleusantigen-PCNA）的参与。酶活性，体内功能不清楚。52Pol:与引发酶配合，参与随从链的合成。RFA(replicationfactorA):DNA延长中RFA与单链结合起到SSB的作用。（三）终止连接酶（ligase）：作用--使相邻的DNA片段,以3’5’

磷酸二酯键相连，需ATP。反应原理：（图11-10）

P5’-DNAE-AMPE+ATPE-AMP中间体

E-AMP-5’DNADNA-3’-op-5’-DNAHo-3’-DNA

前导链是连续合成的，随从链在连接酶作用下连成一条链。拓扑酶DNA复制后DNA超螺旋装配成染色体（图11-11）Pol:与引发酶配合，参与随从链的合成。53三、真核生物复制的特点1、复制速度：是原核的1/10，但复制起始点多。2、引物和冈琦片段小于原核，引物为10个，片段100~200；原核引物十几~几十，片段1000~2000。3、复制需DNApol及多种因子参加，pol

pol在核内起主要作用。4、pol为线粒体复制酶。5、DNA复制位于细胞周期的S期。第二节反转录作用（reversetranscription）RNA指导下的DNA合成作用，以RNA为模板在反转录酶催化下，由dNTP聚合成DNA的作用，新生DNA分子存有RNA基因组的信息。[体系]RNA模板、反转录酶、引物tRNA、dNTPZn2+三、真核生物复制的特点54一、反转录酶过程[背景]：1970年Temin等人自Rous肉瘤病毒（RSV）中发现一种酶,此酶催化RNA合成DNA，合成方向5’3’。[反转录酶]：作用：1、RNA指导的DNA合成。2、RNA水解反应。3、DNA指导的DNA合成。特点：无外切酶活性，转录错误率高2X104。图11-12二、反转录酶病毒（retrovirus）性质：一类RNA病毒，含反转录酶，因致癌又称RNA肿瘤病毒。如HIV-人类免疫缺陷病毒，可引起AIDS。1、组成：核心RNA，蛋白外壳。一、反转录酶过程552、病毒生活周期：早、晚两期早期：进入细胞后放出病毒RNADNA整合进宿主染色体。晚期：转录和翻译。例1、RSV基因结构图，全长10kb（图11-13）1、gag:编码四种病毒核心结构蛋白。2、pol:编码反转录酶。3、env:编码外壳蛋白。4、src:编码的蛋白引起细胞转化。5、LTR:调节表达序列。例2、HIV：感染人T4淋巴细胞,使病人丧失免疫能力,死于感染。基因结构含gag、pol、env和两个LTR,功能同RSV。2、病毒生活周期：早、晚两期56不同：另含Sor、Trs、tat及3’orf，这四种基因变异速度快，给疫苗研制带来困难。三、意义1、补充了中心法则。2、加深了对RNA病毒致癌、致病的认识。3、利用反转录酶，进行基因操作，制备cDNA。不同：另含Sor、Trs、tat及3’orf，这四种基因变异57四端粒酶（Telomerase）真核线性染色体末端叫端区，含重复序列TTTGGG。[组成]：RNA（含端区重复序列约1.5拷贝）蛋白质[作用]：可作为反转录酶，以含端区DNA重复序列拷贝的RNA作模板，合成端区DNA片段。（图11-14）[生物学意义]：1、合成端区，保证染色体复制的完整性。2、保护DNA末段降解及相互融合。第三节DNA的修复合成意义：DNA复制中的错误若保留下来，在体细胞将影响功能；在性细胞将影响后代，体内的修复系统保证了DNA复制的高度精确性。四端粒酶（Telomerase）58一、突变的意义1、进化、分化的分子基础。2、基因型改变。（表型不变）3、致死性的突变。（消灭病原体）4、某些疾病的发病基础。二、突变的因素及类型1、DNA损伤因素：物理---紫外线化学---诱变剂2、DNA损伤类型：（表11-4）（1）环丁基二聚体：相邻dTTP形成二聚体，干扰DNA合成。大肠杆菌、酵母含光化酶，可切开环丁基环，反应需要光。（2）脱嘌呤作用：正常体内即有碱基与核糖的糖苷键断裂嘌呤脱落。一、突变的意义59（3）脱氨基作用：常发生在嘧啶。例如：胞嘧啶脱氨基尿嘧啶使C:G改为U:G.（图11-15）三、DNA损伤修复机制1、光修复：略2、切除修复：先切除DNA损伤序列，再合成补充切除的片段。[参与的因子]UvrA、UvrB、UvrC（图11-16）3、重组修复：切除错误片段，自另一条复制好的链中找相应片段补充。反应需要RecA等蛋白参与。4、SOS修复：DNA损伤后，应急诱导产生的修复作用称SOS修复，此系统由十几个修复蛋白组成。调控蛋白LexA参与此系统的启动。四、真核生物DNA损伤的修复（3）脱氨基作用：常发生在嘧啶。例如：601、DNA修复缺陷疾病。（表11-5）2、酵母的紫外损伤修复系：RAD(radiationsensitive,RAD)基因：（1）rad3基因：编码解链酶（2）rad10基因：编码蛋白与大肠杆菌UvrA及UvrC蛋白的序列相似，提示与大肠杆菌DNA修复机制相似。1、DNA修复缺陷疾病。（表11-5）61DNA的生物合成课件62

图11-2CsCl梯度离心