生物化学课件第十二章 DNA的生物合成

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1DNA的生物合成DNABiosynthesis第十二章DNA的生物合成第十二章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染色体DNA的复制

第一节染色体DNA的复制第一节4复制(replication)是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。复制亲代DNA子代DNA复制(replication)复制亲代DNA子代DNA5一、复制方式：半保留复制DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板(template)按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全从新合成。两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制。半保留复制的概念一、复制方式：半保留复制DNA生物合成时，母链DNA解开为6生物化学课件第十二章DNA的生物合成7生物化学课件第十二章DNA的生物合成8密度梯度实验

——实验结果支持半保留复制的设想。含重氮-DNA的细菌培养于普通培养液

第一代继续培养于普通培养液第二代梯度离心结果密度梯度实验——实验结果支持半保留复制的设想。含重氮-D9按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。半保留复制的意义遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子10二、参与DNA复制的物质◆底物:

dATP,dGTP,dCTP,dTTP◆聚合酶:

依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-pol)◆模板:解开成单链的DNA母链◆引物:

提供3-OH端◆其他的酶和蛋白质因子：引物酶、单链结合蛋白、连接酶、解链酶、拓扑异构酶，等二、参与DNA复制的物质◆底物:dATP,dGTP,111、复制的化学反应

(dNMP)n

+dNTP→(dNMP)n+1

+PPi

1、复制的化学反应(dNMP)n+dNTP→(dN12聚合反应的特点DNA新链生成需引物和模板；新链的延长只可沿5→3方向进行。聚合反应的特点DNA新链生成需引物和模板；132、DNA聚合酶全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase)简称：DNA-pol活性：1.53的聚合活性2.核酸外切酶活性2、DNA聚合酶全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-d145´AGCTTCAGGATA

3´

|||||||||||3´TCGAAGTCCTAGCGAC5´35外切酶活性53外切酶活性?能切除突变的DNA片段。能辨认错配的碱基对，并将其水解。核酸外切酶活性5´AGCTTCAG15功能：对复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空隙进行填补。DNA-polⅠ（109kD）原核生物的DNA聚合酶功能：对复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空隙进行填16323个氨基酸小片段5核酸外切酶活性大片段/Klenow片段

604个氨基酸DNA聚合酶活性

5核酸外切酶活性N端C端木瓜蛋白酶DNA-polⅠKlenow片段是实验室合成DNA，进行分子生物学研究中常用的工具酶。

323个氨基酸小片段5核酸外切酶活性大片段/Kl17DNA-polⅡ（120kD）

DNA-polII基因发生突变，细菌依然能存活。它参与DNA损伤的应急状态修复。

DNA-polⅡ（120kD）DNA-polII基因18功能是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。

DNA-polⅢ(250kD)功能DNA-polⅢ19原核生物的DNA聚合酶特点polⅠpolⅡpolⅢ5’端→3’端聚合酶活性（催化生成磷酸二酯键）有有有5’端→3’端外切酶活性（切除引物、突变片段）有有无3’端→5’端外切酶活性（校对）有有有功能去除引物并填补空隙、修复合成不祥链延长原核生物DNA复制中起主要作用的聚合酶是DNA聚合酶Ⅲ原核生物的DNA聚合酶特点polⅠpolⅡpolⅢ20真核生物的DNA聚合酶DNA-pol起始引发，有引物酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。参与低保真度的复制。在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。在线粒体DNA复制中起催化作用。DNA-polDNA-polDNA-polDNA-pol真核生物的DNA聚合酶DNA-pol起始引发，有引物酶活211.遵守严格的碱基配对规律；2.聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；3.复制出错时DNA-pol的及时校读功能。DNA复制的保真性至少要依赖三种机制

1.遵守严格的碱基配对规律；DNA复制的保真性至少要依赖三223、解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白3、解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白23解螺旋酶(helicase)——利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链引物酶(primase)——复制起始时催化生成RNA引物的酶单链DNA结合蛋白(singlestrandedDNAbindingprotein,SSB)——在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整

解螺旋酶(helicase)24108局部解链后DNA拓扑异构酶(DNAtopoisomerase)

108局部解链后DNA拓扑异构酶(DNAtopois25解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成26拓扑异构酶作用特点既能水解、又能连接磷酸二酯键拓扑异构酶Ⅰ

拓扑异构酶Ⅱ分类拓扑异构酶作用特点拓扑异构酶Ⅰ分类27拓扑异构酶Ⅰ切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，DNA变为松弛状态。反应不需ATP。拓扑异构酶Ⅱ切断DNA分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。利用ATP供能，连接断端，DNA分子进入负超螺旋状态。作用机制

拓扑异构酶Ⅰ切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结28生物化学课件第十二章DNA的生物合成294、DNA连接酶连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。DNA连接酶(DNAligase)作用方式4、DNA连接酶连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链530HO5’3’3’5’DNA连接酶ATPADP5’3’5’3’HO5’3’3’5’DNA连接酶ATPADP5’3’5’3’31DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。也是基因工程的重要工具酶之一。功能DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。功能32基本过程：原核3个阶段（起始、延长、终止），真核4个阶段（起始、延长、终止、末端复制）

三、DNA复制过程

（一）复制的起始需要解决两个问题：1.DNA解开成单链，提供模板。2.合成引物，提供3-OH末端。基本过程：原核3个阶段（起始、延长、终止），真核4个阶段（起33E.coli复制起始点oriCGATTNTTTATTT···GATCTNTTNTATT···GATCTCTTATTAG···11317293244···TGTGGATTA-‖-TTATACACA-‖-TTTGGATAA-‖-TTATCCACA5866166174201209237245串联重复序列反向重复序列53531.DNA解链E.coli复制起始点oriCGATTNTTTATTT34原核生物复制时，DNA从起始点(origin)向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制。复制中的放射自显影图象原核生物复制时，DNA从起始点(origin)向两个方向解链35A.环状双链DNA及复制起始点B.复制中的两个复制叉C.复制接近终止点(termination,ter)oriterABCA.环状双链DNA及复制起始点oriterA36真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子的复制。习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一个复制子(replicon)

。复制子是独立完成复制的功能单位。真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子的复制。375’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’复制子3’5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’38DnaADnaB、DnaCDNA拓扑异构酶引物酶SSB35352.引发体和引物含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。

DnaADnaB、DnaCDNA393535引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。

引物3'HO5'引物酶3535引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。引40（二）复制的延长复制的延长指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。

（二）复制的延长复制的延长指在DNA-pol催化下，dNTP415'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA-pol5'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTP423535解链方向3´5´3´3´5´领头链(leadingstrand)随从链(laggingstrand)3535解链方向3´5´3´3´5´领头链随从链43顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链。另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链。复制中的不连续片段称为岡崎片段(okazakifragment)。

领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。

顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链。44领头链的合成领头链的合成45随从链的合成随从链的合成46生物化学课件第十二章DNA的生物合成47阶段一阶段二阶段一阶段二48阶段三阶段四阶段三阶段四49复制过程简图复制过程简图50原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制片段在复制的终止点(ter)处汇合。oriter

E.coli8232oriterSV40500（三）复制的终止原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制片段在复制的终止点(51555RNA酶OHP5DNA-polⅠdNTP55PATPADP+Pi55DNA连接酶随从链上不连续性片段的连接555RNA酶OHP5DNA-polⅠdNTP552生物化学课件第十二章DNA的生物合成53哺乳动物的细胞周期DNA合成期G1G2SM四、真核生物DNA复制与细胞周期

•细胞能否分裂，决定于进入S期及M期这两个关键点。G1→S及G2→M的调节，与蛋白激酶活性有关。•蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而实施调控作用。哺乳动物的细胞周期DNA合成期G1G2SM四、真核生物DNA54•真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复制。复制有时序性，即复制子以分组方式激活而不是同步起动。

•复制的起始需要DNA-polα（引物酶活性）和polδ（解螺旋酶活性）参与。还需拓扑酶和复制因子(replicationfactor,RF)。•增殖细胞核抗原(proliferationcellnuclearantigen,PCNA)在复制起始和延长中起关键作用。（一）复制的起始•真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复制。复制有时553553领头链3535亲代DNA随从链引物核小体（二）复制的延长3553领头链3535亲代DNA随从链引物核56染色体DNA呈线状，复制在末端停止。复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连接。染色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物，去除后留下空隙。（三）复制的终止染色体DNA呈线状，复制在末端停止。（三）复制的终止57端粒(telomere)指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。功能•维持染色体的稳定性•维持DNA复制的完整性结构特点•由末端单链DNA序列和蛋白质构成。•末端DNA序列是多次重复的富含G、C碱基的短序列。TTTTGGGGTTTTGGGG…端粒(telomere)指真核生物染色体线性DNA分子末端的58端粒酶(telomerase)端粒酶RNA(humantelomeraseRNA,hTR)端粒酶协同蛋白(humantelomeraseassociatedprotein1,hTP1)端粒酶逆转录酶(humantelomerasereversetranscriptase,hTRT)

组成端粒酶(telomerase)端粒酶RNA(humant59端粒酶的催化延长作用爬行模型端粒酶的催化延长作用爬行模型60DNA聚合酶复制子链进一步加工DNA聚合酶复制子链进一步加工611、螺旋松弛与解链：拓扑异构酶（TopoⅠ、Ⅱ）、解链酶（解螺旋酶）、单链结合蛋白（SSB）2种起始方式：复制叉式复制与滚环式复制；多数为定点双向（双叉）复制原核生物一般只有1个复制原点（起始点origin，ori），属于单复制子复制；真核生物具有多个复制原点，属于多复制子复制复制时DNA双链打开，形成的“Y”字型结构称为“复制叉”小结1、螺旋松弛与解链：拓扑异构酶（TopoⅠ、Ⅱ）、解链酶（解622、引发（RNA引物合成）：引物酶（DnaG）及引发体（其它的Dna蛋白）原核生物复制时的RNA引物较长，真核生物的引物较短3、链延长（形成磷酸二酯键）：DNA聚合酶Ⅲ(原核)、DNA聚合酶α、δ（真核）半不连续复制：先导链（领头链）、随从链冈崎片段（Okazakifragment）：随从链中不连续合成的DNA片段。原核生物的冈崎片段较长，真核生物的冈崎片段较短新合成链的延长方向：5’端→3’端碱基配对：双链反平行，AT,GC配对原核生物的链延长速度大于真核生物2、引发（RNA引物合成）：引物酶（DnaG）及引发体（其它634、终止（水解引物、填补空缺、连接DNA片段）：DNA聚合酶Ⅰ（原核）、连接酶原核生物真核生物起始点1个多个引物长短冈崎片段长短链延长速度快慢末端复制少见常见DNApolⅠ、Ⅲα、δ连接酶的功能物NAD+ATP真核生物与原核生物复制的主要差别4、终止（水解引物、填补空缺、连接DNA片段）：DNA聚合酶64真核和原核DNA细胞复制比较真核和原核DNA细胞复制比较65DNA损伤（突变）与修复DNADamage(Mutation)andRepair第二节DNA损伤（突变）与修复第二节66遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为突变。在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤(DNAdamage)。从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改变。

遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为突变。在复制67一、突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础（二）突变导致基因型改变（三）突变导致死亡（四）突变是某些疾病的发病基础

一、突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础68二、引发突变的因素物理因素紫外线(ultraviolet,UV)、各种辐射

UV二、引发突变的因素物理因素紫外线(ultraviole69化学因素化学因素70三、突变的分子改变类型错配(mismatch)缺失(deletion)插入(insertion)重排(rearrangement)框移(frame-shift)

三、突变的分子改变类型错配(mismatch)框移71

DNA突变的类型

-T-C-T-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-A-C-G-A-C-A-T-G-C-转换野生型基因

-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-

-T-C-T-T-C-T-G-T-A-C-G--A-G-A-A-G-A-C-A-T-G-C-颠换碱基对的置换(substitution)移码突变(framesshiftmutation)

-T-C-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-插入

-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失ATDNA突变的类型

-T-C-T-G-C-T-G-T-A-72DNA分子上的碱基错配称点突变(pointmutation)。发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。1.转换发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。

2.颠换（一）错配DNA分子上的碱基错配称点突变(pointmutation73镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)β亚基N-val

·

his

·

leu

·

thr

·

pro·

val

·

glu

·

·

·

·

·

·

C肽链CACGTG基因正常成人Hb(HbA)β亚基N-val

·

his

·

leu

·

thr

·

pro·

glu

·

glu

·

·

·

·

·

·

C肽链CTCGAG基因镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)β亚基N-val·h74（二）缺失、插入和框移缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失。插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到DNA大分子中间。框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。

缺失或插入都可导致框移突变

。（二）缺失、插入和框移缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大75谷酪蛋丝5’……GCA

GUA

CAU

GUC……丙缬组缬正常5’……GAG

UAC

AUG

UC……缺失C缺失引起框移突变谷酪蛋76（三）重排DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。

（三）重排DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。77由基因重排引起的两种地中海贫血基因型由基因重排引起的两种地中海贫血基因型78四、DNA损伤的修复修复(repairing)

是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复为原有的天然状态。光修复(lightrepairing)切除修复(excisionrepairing)重组修复(recombinationrepairing)SOS修复

修复的主要类型四、DNA损伤的修复修复(repairing)光修复(li79（一）光修复光修复酶(photolyase)

UV（一）光修复光修复酶(photolyase)UV80DNA紫外线损伤的光裂合酶修复1、形成嘧啶二聚体2、光复合酶结合于损伤部位3、酶被可见光激活4、修复后酶被释放DNA紫外线损伤的光裂合酶修复1、形成嘧啶二聚体2、光复合酶81UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶ⅠOHP（二）切除修复是细胞内最重要和有效的修复机制，主要由DNA-polⅠ和连接酶完成。DNA连接酶ATPE.coli的切除修复机制过程：切（Ap内切酶、UvrC等）、切（polⅠ）、补（polⅠ）、连（连接酶）特异性的核酸内切酶(如原核中的UvrA、UvrB和UvrC)UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶ⅠOHP（二）切82DNA的损伤和切除修复碱基丢失碱基缺陷或错配结构缺陷切开核酸内切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA连接酶AP核酸内切酶核酸外切酶切开切除修复连接糖苷酶插入酶碱基取代DNA的损伤和切除修复碱基丢失碱基缺陷或错配结构缺陷切开核酸83（三）重组修复（三）重组修复84DNA的重组修复胸腺嘧啶二聚体复制核酸酶及重组蛋白修复复制DNA聚合酶DNA连接酶重组DNA的重组修复胸腺嘧啶二聚体复制核酸酶及重组蛋白修复复制D85DNA的损伤和切除修复碱基丢失碱基缺陷或错配结构缺陷切开核酸内切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA连接酶AP核酸内切酶核酸外切酶切开切除修复连接糖苷酶插入酶碱基取代DNA的损伤和切除修复碱基丢失碱基缺陷或错配结构缺陷切开核酸86（四）SOS修复当DNA损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出一系列复杂的反应。在E.coli，各种与修复有关的基因，组成一个称为调节子(regulon)的网络式调控系统。这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差。通过SOS修复，复制如能继续，细胞是可存活的。然而DNA保留的错误较多，导致较广泛、长期的突变。（四）SOS修复当DNA损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出87SOS反应的机制未诱导的细胞靶基因lexA基因被LexA

蛋白质部分阻遏recA基因被LexA

蛋白质部分阻遏（40个不同的位点被阻遏）LexA(阻遏物)

RecA(辅蛋白酶)靶基因表达lexA靶基因表达但产物被分解recA大量表达RecA促使分解LexA诱导的细胞单链DNAATPSOS反应的机制未诱导的细胞靶基因lexA基因被LexAre88逆转录ReverseTranscription第三节反转录（逆转录，reversetranscription）：以病毒RNA为模板，dNTP为原料，在反转录酶作用下，合成DNA的过程

RNADNA

逆转录酶逆转录第三节反转录（逆转录，reversetranscri89一、概念二、逆转录酶三、病毒逆转录过程四、逆转录的生物学意义扩充了中心法则有助于对病毒致癌机制的了解与真核细胞分裂和胚胎发育有关逆转录酶是分子生物学重要工具酶三种功能依赖DNA指导下的DNA聚合酶活力依赖RNA的DNA聚合酶活力核糖核酸酶H活力

以RNA为模板合成DNA，这与通常转录过程中遗传信息从DNA到RNA的方向相反，故称为逆转录作用。一、概念二、逆转录酶三、病毒逆转录过程四、逆转录的生物学意义90一、反应体系：RNA模板、原料（dNTP）、引物（tRNA）、反转录酶逆转录酶的活性：RNA依赖的DNA聚合酶活性DNA依赖的DNA聚合酶活性RNA水解酶H活性引物：tRNA

一、反应体系：RNA模板、原料（dNTP）、引物（tRNA）91逆转录病毒细胞内的逆转录现象RNA模板逆转录酶DNA-RNA杂化双链RNA酶单链DNA逆转录酶双链DNA逆转录病毒细胞内的逆转录现象RNA模板逆转录酶DNA-RN92逆转录酶

AAAA

TTTTAAAASI核酸酶

DNA聚合酶Ⅰ碱水解

TTTT分子生物学研究可应用逆转录酶，作为获取基因工程目的基因的重要方法之一，此法称为cDNA法。

以mRNA为模板，经逆转录合成的与mRNA碱基序列互补的DNA链。试管内合成cDNAcDNAcomplementaryDNA逆转录酶AAAATTTTAAAASI核酸酶D93依赖RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依赖DNA的DNA聚合酶逆转录过程中cDNA的合成

依赖RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依赖DNA的DNA聚94二、逆转录研究的意义

逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中的重大发现。

逆转录现象说明：至少在某些生物，RNA同样兼有遗传信息传代与表达功能。对逆转录病毒的研究，拓宽了20世纪初已注意到的病毒致癌理论。

二、逆转录研究的意义逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究95逆逆转录病毒的生活周期

生活周期RNA衣壳被膜逆转录酶转录转译整合入宿主细胞染色体DNA进入细胞丢失被膜丢失衣壳逆转录RNARNAcDNA衣壳蛋白被膜蛋白逆转录酶逆逆转录病毒的生活周期

生活周期RNA衣壳被膜逆转录酶转录转96

第四节DNA的遗传重组

DNA分子内或分子间发生遗传信息的重新组合，称为遗传重组(geneticrecombination)，或者基因重排(generearrangement)。重组产物称为重组体DNA(recombinantDNA)。重组的意义在于，它能迅速地增加群体的遗传多样性；使有利的突变与不利突变分开；通过优化组合积累有意义的遗传信息。此外，重组还参与了许多重要的生物学过程，它为DNA损伤或复制障碍提供修复机制。某些生物的基因表达受基因重组的调节，生物发育过程也受到基因加工的控制。一、同源重组（homologousrecombination）二、特异位点重组（site-specificrecombination）三、转座重组（transpositionalrecombination）第四节DNA的遗传重组

DNA分子97DNARNA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98DNA的生物合成DNABiosynthesis第十二章DNA的生物合成第十二章99DNA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100染色体DNA的复制

第一节染色体DNA的复制第一节101复制(replication)是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。复制亲代DNA子代DNA复制(replication)复制亲代DNA子代DNA102一、复制方式：半保留复制DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板(template)按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全从新合成。两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制。半保留复制的概念一、复制方式：半保留复制DNA生物合成时，母链DNA解开为103生物化学课件第十二章DNA的生物合成104生物化学课件第十二章DNA的生物合成105密度梯度实验

——实验结果支持半保留复制的设想。含重氮-DNA的细菌培养于普通培养液

第一代继续培养于普通培养液第二代梯度离心结果密度梯度实验——实验结果支持半保留复制的设想。含重氮-D106按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。半保留复制的意义遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子107二、参与DNA复制的物质◆底物:

dATP,dGTP,dCTP,dTTP◆聚合酶:

依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-pol)◆模板:解开成单链的DNA母链◆引物:

提供3-OH端◆其他的酶和蛋白质因子：引物酶、单链结合蛋白、连接酶、解链酶、拓扑异构酶，等二、参与DNA复制的物质◆底物:dATP,dGTP,1081、复制的化学反应

(dNMP)n

+dNTP→(dNMP)n+1

+PPi

1、复制的化学反应(dNMP)n+dNTP→(dN109聚合反应的特点DNA新链生成需引物和模板；新链的延长只可沿5→3方向进行。聚合反应的特点DNA新链生成需引物和模板；1102、DNA聚合酶全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase)简称：DNA-pol活性：1.53的聚合活性2.核酸外切酶活性2、DNA聚合酶全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-d1115´AGCTTCAGGATA

3´

|||||||||||3´TCGAAGTCCTAGCGAC5´35外切酶活性53外切酶活性?能切除突变的DNA片段。能辨认错配的碱基对，并将其水解。核酸外切酶活性5´AGCTTCAG112功能：对复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空隙进行填补。DNA-polⅠ（109kD）原核生物的DNA聚合酶功能：对复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空隙进行填113323个氨基酸小片段5核酸外切酶活性大片段/Klenow片段

604个氨基酸DNA聚合酶活性

5核酸外切酶活性N端C端木瓜蛋白酶DNA-polⅠKlenow片段是实验室合成DNA，进行分子生物学研究中常用的工具酶。

323个氨基酸小片段5核酸外切酶活性大片段/Kl114DNA-polⅡ（120kD）

DNA-polII基因发生突变，细菌依然能存活。它参与DNA损伤的应急状态修复。

DNA-polⅡ（120kD）DNA-polII基因115功能是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。

DNA-polⅢ(250kD)功能DNA-polⅢ116原核生物的DNA聚合酶特点polⅠpolⅡpolⅢ5’端→3’端聚合酶活性（催化生成磷酸二酯键）有有有5’端→3’端外切酶活性（切除引物、突变片段）有有无3’端→5’端外切酶活性（校对）有有有功能去除引物并填补空隙、修复合成不祥链延长原核生物DNA复制中起主要作用的聚合酶是DNA聚合酶Ⅲ原核生物的DNA聚合酶特点polⅠpolⅡpolⅢ117真核生物的DNA聚合酶DNA-pol起始引发，有引物酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。参与低保真度的复制。在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。在线粒体DNA复制中起催化作用。DNA-polDNA-polDNA-polDNA-pol真核生物的DNA聚合酶DNA-pol起始引发，有引物酶活1181.遵守严格的碱基配对规律；2.聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；3.复制出错时DNA-pol的及时校读功能。DNA复制的保真性至少要依赖三种机制

1.遵守严格的碱基配对规律；DNA复制的保真性至少要依赖三1193、解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白3、解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白120解螺旋酶(helicase)——利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链引物酶(primase)——复制起始时催化生成RNA引物的酶单链DNA结合蛋白(singlestrandedDNAbindingprotein,SSB)——在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整

解螺旋酶(helicase)121108局部解链后DNA拓扑异构酶(DNAtopoisomerase)

108局部解链后DNA拓扑异构酶(DNAtopois122解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成123拓扑异构酶作用特点既能水解、又能连接磷酸二酯键拓扑异构酶Ⅰ

拓扑异构酶Ⅱ分类拓扑异构酶作用特点拓扑异构酶Ⅰ分类124拓扑异构酶Ⅰ切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，DNA变为松弛状态。反应不需ATP。拓扑异构酶Ⅱ切断DNA分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。利用ATP供能，连接断端，DNA分子进入负超螺旋状态。作用机制

拓扑异构酶Ⅰ切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结125生物化学课件第十二章DNA的生物合成1264、DNA连接酶连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。DNA连接酶(DNAligase)作用方式4、DNA连接酶连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5127HO5’3’3’5’DNA连接酶ATPADP5’3’5’3’HO5’3’3’5’DNA连接酶ATPADP5’3’5’3’128DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。也是基因工程的重要工具酶之一。功能DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。功能129基本过程：原核3个阶段（起始、延长、终止），真核4个阶段（起始、延长、终止、末端复制）

三、DNA复制过程

（一）复制的起始需要解决两个问题：1.DNA解开成单链，提供模板。2.合成引物，提供3-OH末端。基本过程：原核3个阶段（起始、延长、终止），真核4个阶段（起130E.coli复制起始点oriCGATTNTTTATTT···GATCTNTTNTATT···GATCTCTTATTAG···11317293244···TGTGGATTA-‖-TTATACACA-‖-TTTGGATAA-‖-TTATCCACA5866166174201209237245串联重复序列反向重复序列53531.DNA解链E.coli复制起始点oriCGATTNTTTATTT131原核生物复制时，DNA从起始点(origin)向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制。复制中的放射自显影图象原核生物复制时，DNA从起始点(origin)向两个方向解链132A.环状双链DNA及复制起始点B.复制中的两个复制叉C.复制接近终止点(termination,ter)oriterABCA.环状双链DNA及复制起始点oriterA133真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子的复制。习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一个复制子(replicon)

。复制子是独立完成复制的功能单位。真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子的复制。1345’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’复制子3’5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’135DnaADnaB、DnaCDNA拓扑异构酶引物酶SSB35352.引发体和引物含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。

DnaADnaB、DnaCDNA1363535引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。

引物3'HO5'引物酶3535引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。引137（二）复制的延长复制的延长指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。

（二）复制的延长复制的延长指在DNA-pol催化下，dNTP1385'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA-pol5'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTP1393535解链方向3´5´3´3´5´领头链(leadingstrand)随从链(laggingstrand)3535解链方向3´5´3´3´5´领头链随从链140顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链。另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链。复制中的不连续片段称为岡崎片段(okazakifragment)。

领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。

顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链。141领头链的合成领头链的合成142随从链的合成随从链的合成143生物化学课件第十二章DNA的生物合成144阶段一阶段二阶段一阶段二145阶段三阶段四阶段三阶段四146复制过程简图复制过程简图147原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制片段在复制的终止点(ter)处汇合。oriter

E.coli8232oriterSV40500（三）复制的终止原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制片段在复制的终止点(148555RNA酶OHP5DNA-polⅠdNTP55PATPADP+Pi55DNA连接酶随从链上不连续性片段的连接555RNA酶OHP5DNA-polⅠdNTP5149生物化学课件第十二章DNA的生物合成150哺乳动物的细胞周期DNA合成期G1G2SM四、真核生物DNA复制与细胞周期

•细胞能否分裂，决定于进入S期及M期这两个关键点。G1→S及G2→M的调节，与蛋白激酶活性有关。•蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而实施调控作用。哺乳动物的细胞周期DNA合成期G1G2SM四、真核生物DNA151•真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复制。复制有时序性，即复制子以分组方式激活而不是同步起动。

•复制的起始需要DNA-polα（引物酶活性）和polδ（解螺旋酶活性）参与。还需拓扑酶和复制因子(replicationfactor,RF)。•增殖细胞核抗原(proliferationcellnuclearantigen,PCNA)在复制起始和延长中起关键作用。（一）复制的起始•真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复制。复制有时1523553领头链3535亲代DNA随从链引物核小体（二）复制的延长3553领头链3535亲代DNA随从链引物核153染色体DNA呈线状，复制在末端停止。复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连接。染色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物，去除后留下空隙。（三）复制的终止染色体DNA呈线状，复制在末端停止。（三）复制的终止154端粒(telomere)指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。功能•维持染色体的稳定性•维持DNA复制的完整性结构特点•由末端单链DNA序列和蛋白质构成。•末端DNA序列是多次重复的富含G、C碱基的短序列。TTTTGGGGTTTTGGGG…端粒(telomere)指真核生物染色体线性DNA分子末端的155端粒酶(telomerase)端粒酶RNA(humantelomeraseRNA,hTR)端粒酶协同蛋白(humantelomeraseassociatedprotein1,hTP1)端粒酶逆转录酶(humantelomerasereversetranscriptase,hTRT)

组成端粒酶(telomerase)端粒酶RNA(humant156端粒酶的催化延长作用爬行模型端粒酶的催化延长作用爬行模型157DNA聚合酶复制子链进一步加工DNA聚合酶复制子链进一步加工1581、螺旋松弛与解链：拓扑异构酶（TopoⅠ、Ⅱ）、解链酶（解螺旋酶）、单链结合蛋白（SSB）2种起始方式：复制叉式复制与滚环式复制；多数为定点双向（双叉）复制原核生物一般只有1个复制原点（起始点origin，ori），属于单复制子复制；真核生物具有多个复制原点，属于多复制子复制复制时DNA双链打开，形成的“Y”字型结构称为“复制叉”小结1、螺旋松弛与解链：拓扑异构酶（TopoⅠ、Ⅱ）、解链酶（解1592、引发（RNA引物合成）：引物酶（DnaG）及引发体（其它的Dna蛋白）原核生物复制时的RNA引物较长，真核生物的引物较短3、链延长（形成磷酸二酯键）：DNA聚合酶Ⅲ(原核)、DNA聚合酶α、δ（真核）半不连续复制：先导链（领头链）、随从链冈崎片段（Okazakifragment）：随从链中不连续合成的DNA片段。原核生物的冈崎片段较长，真核生物的冈崎片段较短新合成链的延长方向：5’端→3’端碱基配对：双链反平行，AT,GC配对原核生物的链延长速度大于真核生物2、引发（RNA引物合成）：引物酶（DnaG）及引发体（其它1604、终止（水解引物、填补空缺、连接DNA片段）：DNA聚合酶Ⅰ（原核）、连接酶原核生物真核生物起始点1个多个引物长短冈崎片段长短链延长速度快慢末端复制少见常见DNApolⅠ、Ⅲα、δ连接酶的功能物NAD+ATP真核生物与原核生物复制的主要差别4、终止（水解引物、填补空缺、连接DNA片段）：DNA聚合酶161真核和原核DNA细胞复制比较真核和原核DNA细胞复制比较162DNA损伤（突变）与修复DNADamage(Mutation)andRepair第二节DNA损伤（突变）与修复第二节163遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为突变。在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤(DNAdamage)。从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改变。

遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为突变。在复制164一、突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础（二）突变导致基因型改变（三）突变导致死亡（四）突变是某些疾病的发病基础

一、突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础165二、引发突变的因素物理因素紫外线(ultraviolet,UV)、各种辐射

UV二、引发突变的因素物理因素紫外线(ultraviole166化学因素化学因素167三、突变的分子改变类型错配(mismatch)缺失(deletion)插入(insertion)重排(rearrangement)框移(frame-shift)

三、突变的分子改变类型错配(mismatch)框移168

DNA突变的类型

-T-C-T-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-A-C-G-A-C-A-T-G-C-转换野生型基因

-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-

-T-C-T-T-C-T-G-T-A-C-G--A-G-A-A-G-A-C-A-T-G-C-颠换碱基对的置换(substitution)移码突变(framesshiftmutation)

-T-C-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-插入

-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失ATDNA突变的类型

-T-C-T-G-C-T-G-T-A-169DNA分子上的碱基错配称点突变(pointmutation)。发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。1.转换发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。

2.颠换（一）错配DNA分子上的碱基错配称点突变(pointmutation170镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)β亚基N-val

·

his

·

leu

·

thr

·

pro·

val

·

glu

·

·

·

·

·

·

C肽链CACGTG基因正常成人Hb(HbA)β亚基N-val

·

his

·

leu

·

thr

·

pro·

glu

·

glu

·

·

·

·

·

·

C肽链CTCGAG基因镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)β亚基N-val·h171（二）缺失、插入和框移缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失。插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到DNA大分子中间。框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。

缺失或插入都可导致框移突变

。（二）缺失、插入和框移缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大172谷酪蛋丝5’……GCA

GUA

CAU

GUC……丙缬组缬正常5’……GAG

UAC

AUG

UC……缺失C缺失引起框移突变谷酪蛋173（三）重排DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。

（三）重排DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。174由基因重排引起的两种地中海贫血基因型由基因重排引起的两种地中海贫血基因型175四、DNA损伤的修复修复(repairing)

是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复为原有的天然状态。光修复(lightrepairing)切除修复(excisionrepairing)重组修复(recombinationrepairing)SOS修复

修复的主要类型四、DNA损伤的修复修复(repairing)光修复(li176（一）光修复光修复酶(photolyase)

UV（一）光修复光修复酶(photolyase)UV177DNA紫外线损伤的光裂合酶修复1、形成嘧啶二聚体2、光复合酶结合于损伤部位3、酶被可见光激活4、修复后酶被释放DNA紫外线损伤的光裂合酶修复1、形成嘧啶二聚体2、光复合酶178UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶ⅠOHP（二）切除修复是细胞内最重要和有效的修复机制，主要由DNA-polⅠ和连接酶完成。DNA连接酶ATPE.co