遗传信息传递-DNA的生物合成（生物化学课件）

一、基因及中心法则概述遗传的主要物质基础:DNA遗传信息:DNA分子中碱基或核苷酸的排列顺序1.概述所谓基因:是指携带有遗传信息的DNA或RNA序列

现已证明，体内蛋白质分子合成时其氨基酸的排列顺序最终由DNA分子中的核苷酸顺序所决定。这一功能的体现，遵循中心法则2.遗传信息传递的中心法则（重点）复制RNADNA蛋白质转录翻译揭开了遗传信息传递的奥秘

复制

以DNA为模板，指导DNA合成的过程

酶：DNA指导的DNA聚合酶（DDDP）

原料:dNTP

转录

以DNA为模板，指导RNA合成的过程

酶：DNA指导的RNA聚合酶（DDRP）

原料：NTP

以mRNA为模板，指导蛋白质合成的过程

酶：转肽酶

原料:氨基酸

翻译3.逆（反向）转录转录复制RNADNA蛋白质翻译反转录对中心法则的补充基因（gene）:

是一段编码多肽链或RNA所必须的核酸序列（DNA或RNA）。基因表达：指基因的转录或翻译。其产物既可以是蛋白质，也可以是各种RNA。4.相关概念二、DNA复制的基本规律1.DNA复制是半保留复制含义：新合成的DNA分子链中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的。1.1DNA半保留复制示意图DNA复制特点：1、半保留复制,

2、

双向复制,

3、半不连续复制1.2DNA半保留复制的意义

能充分保证DNA代谢稳定性与复制忠实性;经过许多代的复制，DNA分子上的遗传信息仍可准确地传递给后代。2.DNA复制具有特定的起始点

DNA复制是从复制起始位点开始向两个方向进行的双向复制。复制叉复制泡3.DNA的半不连续复制DNA分子的两条链反向平行；

即一条链是3´5´，另一条链是5´3´；

而所有已知DNA聚合酶的合成方向都是5´3´。实际DNA复制中，如何实现齐头并进的合成？3´5´3´5´3´5´前导链(leadingstrand)后随链(laggingstrand)解链方向冈崎片段5´3´3´5´DNA复制叉前导链:一条链（35）的合成方向和复制叉前进方向相同，可以连续复制合成的新链。后随链:另一条链的合成方向与复制叉前进方向相反，不能连续复制，只能分成若干小片段分别合成，然后连接起来形成新链。后随链中的小片段称为冈崎片段。4、DNA复制过程特点DNA复制的全过程特点：包括三个阶段起始、延伸、终止起始复制起点；解除模板DNA超螺旋及双螺旋；引物合成；延伸冈崎片断、半不连续复制终止引物水解，连接DNA片段观看DNA复制动画三、DNA复制的酶学参与DNA复制的酶类：DNA复制速度甚快，复制高效率和高度忠实性，都是由于许多酶参与了复制过程。主要有：DNA聚合酶、引物酶、参与DNA解旋、解链的酶、单链结合酶、DNA连接酶以四种脱氧核糖核苷酸为底物1.DNA聚合酶的特点分别是：dATP,dGTP,dCTP,dTTP

简称DNA-pol，需要DNA模板和引物RNA，按5′→3′方向聚合延长互补链。1.1原核生物大肠杆菌DNA聚合酶有三种：

DNA-polⅢ活性最大，是复制延长中真正催化新链脱氧核苷酸聚合的酶。DNA-polⅠ含量最多，对复制中错误进行“校读”作用，并有填补空隙作用DNA-polⅡ只在无DNA-polⅠ及DNA-polⅢ时发挥作用

1.2真核生物DNA聚合酶有五种

DNA-polα和δ在复制延长中起催化作用；

DNA-polε在复制中起校读、修复和填补缺口的作用；

DNA-polγ线粒体的复制中发挥作用；

DNA-polβ在缺乏其它DNA聚合酶时发挥作用。2.引物酶定义：催化RNA引物合成的酶称为引物酶意义：DNA聚合酶不能自行从头以2个游离的单脱氧核苷酸为起点合成DNA链；

因此，首先需要合成一小段多核苷酸作为引物（primer)

这段是RNA链片断，主要为DNA链合成提供自由3-OH末端。3.参与DNA解旋、解链的酶及蛋白质因子3.1解螺旋酶定义：解开DNA双链间的氢键，使其称为单链的酶，或称解链酶。特点：需要水解ATP提供能量3.2拓扑异构酶由于DNA复制前方形成超螺旋结构，阻碍了DNA的解旋、解链；

因此，需要不断松弛DNA模板的超螺旋结构。定义：松弛DNA超螺旋结构的酶，称为拓扑异构酶。分为Ⅰ型和Ⅱ型。DNA拓扑异构酶Ⅰ型通过形成短暂的单链裂解-结合循环，催化DNA复制的拓扑异构状态的变化；特点：剪切一条链，不需要ATP拓扑异构酶Ⅱ型通过引起瞬间双链酶桥的断裂，然后打通和再封闭，以改变DNA的拓扑状态。特点：剪切两条链，需要ATP3.3单链结合酶定义：结合于因DNA双链打开而形成的单股DNA链上的酶，称为单链结合酶（DNA结合蛋白）。意义：维持模板链处于单链状态；

保护单股DNA链不被核酸酶水解。4.DNA连接酶DNA连接酶，即连接两个冈崎片段；一片段DNA链上脱氧核苷酸的3羟基和相邻另一片段DNA链上脱氧核苷酸的5磷酸基团，形成磷酸二酯键，从而把两个片段的DNA链连接起来。DNA连接酶ATPATP

5.

端粒酶具有逆转录酶的活性，能补全真核生物两条DNA链5’末端切除引物后留下的空缺。组成：端粒酶RNA端粒酶协同蛋白端粒酶逆转录酶一、DNA复制的起始

1.复制起始的酶类：（1）在拓扑异构酶、解螺旋酶及单链DNA结合蛋白等的共同作用下，DNA解旋、解链，形成复制叉。

（2）依赖于单链模板，由引物酶催化按碱基配对规律合成一小段RNA引物(原核细胞引物长50-100个碱基，真核约10个碱基)。5´3´3´5´引物酶解螺旋酶SSB

拓扑异构酶引物5´5´3´5´3´原核生物复制叉结构DnaA2.DNA复制起始的过程DNA双螺旋的解旋复制的引发2.1DNA双螺旋的解旋在拓扑异构酶I的作用下解开负超螺旋，并与解链酶共同作用，在复制起点处解开双链。解链过程中必需有SSB蛋白来稳定已解开的单链，以保证该局部结构不会恢复成双链。2.2复制的引发所有的DNA聚合酶都需要3’羟基端起始DNA合成。3’羟基端被称为引物。二、DNA复制的延长（2）合成时，一条与解链方向相同的子链，能连续进行合成，称为领头链。另一条合成走向与解链方向相反的子链，需多次生成引物进行延长,是不连续合成，形成数个DNA片段（又称冈崎片段），称为随从链。

1.复制延长的过程

（1）由DNApolⅢ

催化，在引物3'-OH末端逐一添加与模板链对应互补的脱氧核苷磷酸,使新合成的链不断延长。

半不连续复制复制叉的移动方向拓扑异构酶DNA聚合酶III解螺旋酶RNA引物引物酶DNA聚合酶ISSB3´3´5´领头链随从链3´5´5´RNA引物3´3´2.有关复制延长的几个重要概念④冈崎片段（Okazakifragment）：不连续复制的片段③随从链:

链的延长方向(5’3’)与解链方向相反，为不连续复制。②领头链:链的延长方向(5’3’)与解链方向相同,为连续复制。①半不连续复制：DNA复制时，一条链是连续复制，另一条链是不连续复制的现象。三、DNA复制的终止冈崎片段引物的消除和连接RNA引物DNApolIDNApolIDNA连接酶

1.复制终止

由于DNA复制的不连续性，随从链生成了许多DNA片段。一个片段存在着3′－OH末端，而另一个片段有5′－P末端，需要DNA连接酶连接缺口形成3′5′-磷酸二酯键，使随从链成为完整的DNA子链。

2.原核生物DNA复制终止大肠杆菌DNA具有复制终止位点，此处可以结合一种特异的蛋白质分子叫做Tus，通过阻止解链酶的解链活性而终止复制。链的终止需要Tus蛋白参与。当复制叉前移，遇到20bp重复性终止子序列（Ter）时，Ter-Tus复合物能阻挡复制叉的继续前移，等到相反方向的复制叉到达后在DNA拓扑异构酶IV的作用下使复制叉解体，释放子链DNA。2.1终止序列（ter元件）E.coli有两个终止区域，分别结合专一性的终止蛋白序列一：terEterDterA序列二：terFterBterC每个区域只对一个方向的复制叉起作用

2.2Tus蛋白专一性终止蛋白E.coli中由tusgene编码（terminusutilizationsubstance）通过抑制DNA螺旋酶而发挥终止作用，每次复制时只使用一个终止位点二、逆转录的概念和酶2.相关的酶

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逆转录酶(reversetranscriptase)

具有三种酶活性：

RNA指导的DNA聚合酶

RNA酶

DNA指导的DNA聚合酶三、逆转录过程及意义1.过程

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图11-9逆转录与HIV生活史2.反转录及反转录酶的生物医学意义2.1丰富和发展了中心法则RNA也可作为遗传信息的载体RNA在进化中可能比DNA更原始2.2丰富和发展了致癌理论2.3在基因工程中的应用反转录酶广泛应用于基因工程中反转录病毒是基因治疗的常用载体十、DNA损伤与修复DNA的损伤与修复1.DNA的损伤

定义：

生物体受某些理化和生物等外源性因素或机体内环境改变的影响，引起DNA分子结构的任何异常改变称为DNA损伤，从而造成突变。影响因素：

自发突变、化学因素、物理因素或病毒例如：电离辐射、紫外线、化学诱变剂……常见DNA损伤：碱基丢失、碱基变化、错误的碱基、缺失或插入、嘧啶二聚体、链断裂、链交联2.DNA的修复直接修复(光修复):

可见光（400nm）能激活细胞内的光裂合酶，将DNA中因紫外线照射而形成的嘧啶二聚体分解。TT光复活酶（可见光）T+T这种修复方式虽然普遍，但主要是低等生物的DNA损伤修复的方式。光修复酶(photolyase)

UV

是细胞内最重要和有效的修复机制。大肠杆菌主要由UvrA、UvrB和UvrC及DNA-polⅠ和连接酶完成。切除修复功能障碍导致着色性干皮病。