第10章 DNA的生物合成课件

第10章DNA的生物合成DNABiosynthesis(Replication)

第10章DNA的生物合成1核酸（nucleicacid）是含有磷酸基团的重要生物大分子，因最初从细胞核分离获得，又具有酸性，故称为核酸。什么是核酸？核酸（nucleicacid）是含有磷酸基团的重要生物大分2核酸的种类、分布及功能90%以上分布于细胞核功能：遗传信息的贮存和携带者分布于胞核、胞液(deoxyribonucleicacid)(ribonucleicacid)脱氧核糖核酸：DNA核糖核酸：RNA参与遗传信息的表达各过程核酸的种类、分布及功能90%以上分布于细胞核分布于胞核3OswaldAvery（1877-1955）R型细菌：无毒型肺炎球菌S型细菌：有毒型肺炎球菌肺炎球菌转化实验DNA是遗传的物质基础OswaldAvery（1877-1955）R型细菌：无4核苷酸是构成核酸的基本组成单位P戊糖含氮碱基核苷酸是构成核酸的基本组成单位P戊糖含氮碱基5嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)碱基（bases）嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌6嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)7腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)DNA尿嘧啶(U)RNA构成DNA的碱基：构成RNA的碱基：腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)DNA尿嘧8戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)构成核苷酸的戊糖有两种，DNA分子中含有β-D-2脱氧核糖，RNA分子中的戊糖为β-D-核糖。戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)95´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键5´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键10DNA双螺旋结构要点⑴DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成。⑵磷酸基和脱氧核糖在外側，形成DNA的骨架。⑶双螺旋直径2nm，顺轴方向每隔0.34nm有一个核苷酸，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。

⑷两条链由碱基间的氢键相连。A＝T，G≡CDNA双螺旋结构要点⑴DNA分子由两条相互平行但走向相反的11染色体染色纤维核小体组蛋白DNA染色体染色纤维核小体组蛋白DNA12中心法则

(TheCentralDogma)转录翻译逆转录DNARNA蛋白质复制中心法则(TheCentralDogma)转录13第10章DNA的生物合成课件14第10章DNA的生物合成课件15本章主要内容复制的基本规律DNA复制的酶学和拓扑学变化复制的过程逆转录和其他复制方式DNA损伤（突变）与修复本章主要内容复制的基本规律16本章目的要求掌握:遗传信息传递的中心法则、复制的基本过程、复制的基本规律、半保留复制、半不连续复制、反转录、参与复制的酶及其功能、DNA聚合酶的三种活性。熟悉：端粒酶的概念与功能、DNA损伤的类型及其修复方式。本章目的要求掌握:遗传信息传递的中心法则、复制的基本过程、复17复制亲代DNA子代DNA以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。复制(replication)的概念复制亲代DNA子代DNA以母链DNA为模板合成子链DNA的过18第一节复制的基本规律BasicRulesofDNAReplication一、半保留复制(semi-conservative)二、双向复制(bidirectional)三、半不连续复制(semi-discontinuous)第一节复制的基本规律一、半保留复制(semi-con19DNA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。这种复制方式称为半保留复制。1、半保留复制的概念:一、半保留复制是DNA复制的基本特征DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板(20ParentalDNA

AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+ReplicationProgenyDNA

5’3’5’5’5’5’3’3’3’3’5’3’3’3’3’3’5’5’5’5’Semi-conservativeReplicqationParentalDNAATCGATTAATAT+Repl21DNA复制①解旋：在解旋酶作用下，把两条螺旋双链解开。

②形成子链：以解开的每段链为模板，按照碱基互补配对原则，合成与母链互补的子链。③螺旋化：在酶的作用下，重新生成两个双螺旋结构的DNA分子。DNA复制①解旋：在解旋酶作用下，把两条螺旋双链解开。222、子链继承母链遗传信息的可能方式全保留式半保留式混合式2、子链继承母链遗传信息的可能方式全保留式23重带(下部)15N//15N中带(中间)15N//14N轻带(上部)14N//14N中带(中间)15N//14N如果DNA是以半保留的方式复制的，那么离心后应该出现三种DNA带：科学家推测：重带(下部)15N//15N中带(中间)15N//14N轻带243、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3、密度梯度实验——实验结果支持半保留复制的设想。含重氮-25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。遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。4、半保留复制的意义按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子26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。二、DNA复制从起始点向两个方向延伸形成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27A.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oriterA285’3’oriorioriori5’3’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。5’3’oriorioriori5’3’真核生物每个染色体有295’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’复制子replicon3’5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’30人Hela细胞DNA复制电镜照片人Hela细胞DNA复制电镜照片31三、DNA一股子链复制的方向与解链方向相反导致半不连续复制3

5

3

5

解链方向3´5´3´3´5´领头链随从链复制叉的形成三、DNA一股子链复制的方向与解链方向相反导致半不连续复制332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(leadingstrand)。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(laggingstrand)。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(33第二节DNA复制酶学和拓扑学TheEnzymologyandTopologyofDNAReplication第二节DNA复制酶学和拓扑学TheEnzymolo34参与DNA复制的物质底物(substrate):dATP,dGTP,dCTP,dTTP；聚合酶(polymerase):依赖DNA的DNA聚合酶，简写为DNA-pol；模板(template):解开成单链的DNA母链；引物(primer):提供3

-OH末端使dNTP可以依次聚合；其他的酶和蛋白质因子。参与DNA复制的物质底物(substrate):dATP,35一、核苷酸和核苷酸之间生成磷酸二酯键是复制的基本化学反应(dNMP)n

+dNTP→(dNMP)n+1

+PPi一、核苷酸和核苷酸之间生成磷酸二酯键是复制的基本化学反应(d36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；37是多功能酶，具三种酶活性：二、DNA聚合酶催化核苷酸之间聚合1、5

3

的聚合活性;2、3

5

核酸外切酶活性;3、5

3

核酸外切酶活性;全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase)是多功能酶，具三种酶活性：二、DNA聚合酶催化核苷酸之间聚合385´AGCTTCAGGATA

3´

|||||||||||3´TCGAAGTCCTAGCGAC5´3

5

外切酶活性:5

3

外切酶活性:切除引物。?能辨认错配的碱基对，并将其水解。具即时校对功能（instantproofreading）核酸外切酶活性5´AGCTTCAG39DNA-polⅠDNA-polⅡDNA-polⅢ（一）原核生物DNA聚合酶分为三型DNA-polⅠ（一）原核生物DNA聚合酶分为三型40（1）原核生物的DNA聚合酶可能不可能可能基因突变后的致死性无无有→核酸外切酶活性20？400分子数/细胞多亚基不对称二聚体？单肽链组成250120109分子量(kD)DNA-polIIIDNA-polIIDNA-polI可能不可能可能基因突变后的致死性无无有5’3’20？400分子数/细胞多亚基不对称二聚体？单肽链组成250120109分子量(kD)DNA-polIIIDNA-polDNA-pol（1）原核生物的DNA聚合酶可能不可能可能基因突变后的致死性41DNA-polⅠ（109kD）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）功能：对复制中的错误进行42323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-polⅠ常用工具酶323个氨基酸小片段5核酸外切酶活性大片段/Kl43DNA-polⅡ（120kD）DNA-polII基因发生突变，细菌依然存活。DNA-polII对模板的特异性不高，即使在已发生损伤的DNA模板上，它也能催化核苷酸聚合。因此认为，它参与DNA损伤的应急状态修复。DNA-polⅡ（120kD）DNA-polII基因发44DNA-polⅢ(250kD)是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。DNA-polⅢ(250kD)是原核生物复制延长中45（二）常见的真核细胞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-pol

DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

（二）常见的真核细胞DNA聚合酶DNA-pol起始引发，46三、核酸外切酶的校读活性和碱基选择功能是复制保真性的酶学依据复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能准确传代的基本原理。此外还需酶学的机制来保证复制的保真性。三、核酸外切酶的校读活性和碱基选择功能是复制保真性的酶学依据47（一）核酸外切酶辨认切除错配碱基核酸外切酶(exonuclease)是指能从核酸链的末端把核苷酸依次水解出来的酶，外切酶是有方向性的。（一）核酸外切酶辨认切除错配碱基核酸外切酶(exonucle48A：DNA-pol的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合活性掺入正确配对的底物。B：碱基配对正确，DNA-pol不表现活性。DNApolⅠ的校读功能A：DNA-pol的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合活性掺49（二）复制的保真性依赖正确的碱基选择DNA聚合酶靠其大分子结构协调非共价（氢键）与共价（磷酸二酯键）键的有序形成。嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型，与相应的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于反式构型。（二）复制的保真性依赖正确的碱基选择DNA聚合酶靠其大分子结50遵守严格的碱基配对规律；聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；复制出错时DNA-pol的及时校读功能。DNA复制保真性至少依赖三种机制遵守严格的碱基配对规律；DNA复制保真性至少依赖三种机制51四、复制中DNA分子拓扑学变化DNA分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把DNA解成单链，它才能起模板作用。四、复制中DNA分子拓扑学变化DNA分子的碱基埋在双螺旋内52（一）多种酶参与DNA解链和稳定单链状态理顺DNA链拓扑异构酶(gyrA,B)稳定已解开的单链单链DNA结合蛋白SSB催化RNA引物生成引物酶DnaG(dnaG)运送和协同DnaBDnaC(dnaC)解开DNA双链解螺旋酶DnaB(dnaB)辨认起始点DnaA(dnaA)蛋白质（基因）通用名功能原核生物复制起始的相关蛋白质解螺旋酶（一）多种酶参与DNA解链和稳定单链状态理顺DNA链拓扑异构53E.Coli基因图E.Coli基因图54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，不同于催化转录的RNA-pol。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)——利用ATP供能，作用于氢键，55108局部解链后（二）DNA拓扑异构酶改变DNA超螺旋状态复制过程正超螺旋的形成：108局部解链后（二）DNA拓扑异构酶改变DNA超螺旋状态复56解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成57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拓扑异构酶分类：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拓扑异构酶分类58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59拓扑酶的作用方式DNA解链过程需要的酶拓扑酶的作用方式DNA解链过程需要的酶60五、DNA连接酶连接DNA单链缺口连接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：五、DNA连接酶连接DNA单链缺口连接DNA链3-OH末端61DNA连接酶的作用HO5’3’3’5’DNA连接酶ATPADP5’3’5’3’POO-O-OPOO-O-ODNA连接酶的作用HO5’3’3’5’DNA连接酶ATPAD62提供核糖3

-OH提供5

-P结果DNA聚合酶引物或延长中的新链游离dNTP去PPi(dNMP)n+1连接酶复制中不连续的两条单链不连续→连续链拓扑酶切断、整理后的两链改变拓扑状态DNA聚合酶，拓扑酶和连接酶催化3

,5

-磷酸二酯键生成的比较提供核糖3-OH提供5-P结果DNA聚合酶引物或延长中的63起始initiation延伸elongation终止termination第三节DNA生物合成过程TheProcessofDNAReplication起始initiation第三节DNA生物合成过程64（一）复制起始：DNA解链形成引发体需要解决两个问题：1.DNA解开成单链，提供模板。2.形成引发体，合成引物，提供3-OH末端。一、原核生物的DNA生物合成（一）复制起始：DNA解链形成引发体需要解决两个问题：1.65E.coli复制起始点oriCGATTNTTTATTT···GATCTNTTNTATT···GATCTCTTATTAG···113172932···TGTGGATTA-‖-TTATACACA-‖-TTTGGATAA-‖-TTATCCACA5866166174201209237串联重复序列反向重复序列5

3

5

3

1、DNA解链E.coli复制起始点oriCGATTNTTTATTT66复制起点的结构特征:DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起始点（复制子）。复制起点的结构特征:67DnaADnaB、DnaCDNA拓扑异构酶引物酶SSB3

5

3

5

2、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、DnaCDNA68RNA引物的大小，通常为1－10个核苷酸。RNA引物的碱基顺序，与其模板DNA的碱基顺序相配对。RNA引物的大小，通常为1－10个核苷酸。RNA引物的碱基顺693

5

3

5

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。引物70

DNA双螺旋的解旋单链解螺旋酶（）DNA双螺旋的解旋单链解螺旋酶（71（二）复制的延长过程：领头链连续复制，随从链不连续复制复制的延长指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式逐个加入引物后或延长中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。

（二）复制的延长过程：领头链连续复制，随从链不连续复制复制的725'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA-pol5'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTP73领头链的合成领头链的子链沿着5

→3

方向可以连续地延长。领头链的合成领头链的子链沿着5→3方向可以连续地延长。74随从链的合成随从链的合成75复制过程简图复制过程简图76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）复制终止：切除引物、填补空缺、连接切口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(775

5

5

RNA酶OHP5

DNA-polⅠdNTP5

5

PATPADP+Pi5

5

DNA连接酶随从链上不连续性片段的连接：555RNA酶OHP5DNA-polⅠdNTP578第10章DNA的生物合成课件79哺乳动物的细胞周期DNA合成期G1G2SM二、真核生物的DNA生物合成S期：DNA复制G1，G2期：RNA和蛋白质合成M期：分裂期哺乳动物的细胞周期DNA合成期G1G2SM二、真核生物的DN80•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)。（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81•增殖细胞核抗原(proliferationcellnuclearantigen,PCNA)在复制起始和延长中起关键作用。（类似DNApolⅢβ）细胞能否分裂，决定于进入S期及M期。G1→S及G2→M的调节，与蛋白激酶活性有关。相关激酶具有调节亚基和催化亚基（属于酶的哪种调节方式？）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。（属于酶的哪种调节方式？）复制起始的调节•增殖细胞核抗原(proliferationcelln823

5

5

3

领头链3

5

3

5

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83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？845

3

3

55

3

3

5+5

3

3

3

3

5

5

53355335+533335585DNA缠绕成的染色体末端，有称做端粒（telomere）的区域。控制着细胞的分裂次数，端粒随着细胞分裂每次变短，短到某个程度，细胞将不再分裂。人的一生中，细胞大约能分裂50～60次。因此端粒是控制生理寿命的生物钟，而端粒长短就成为表示细胞“年龄”的指标。如果加入一种“端粒酶”阻止它缩短，就可使细胞保持年轻，人就像吃了“唐僧肉”一样实现长生不老的梦想。端粒(telomere)指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。DNA缠绕成的染色体末端，有称做端粒（telomere）的86端粒的功能：维持染色体的稳定性维持DNA复制的完整性端粒的结构特点由末端单链DNA序列和蛋白质构成。多次重复的富含G、T碱基的短序列。TTTTGGGGTTTTGGGG…端粒的功能：维持染色体的稳定性端粒的结构特点由末端单链DNA87DNA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88端粒酶催化作用的爬行模型端粒酶催化作用的爬行模型89第四节逆转录和其他复制方式ReverseTranscription双链DNA是大多数生物的遗传物质。某些病毒的遗传物质是RNA。少数低等生物如M13噬菌体，它的感染型只含单链DNA。原核生物的质粒，真核生物的线粒体DNA，都是染色体外存在的DNA。这些非染色体基因组，采用特殊的方式进行复制。第四节逆转录和其他复制方式双链DNA是大多数生物的遗传90

逆转录酶一、逆转录病毒的基因组是RNA，其复制方式是逆转录RNADNA逆转录(reversetranscription);逆转录酶(reversetranscriptase)。逆转录酶一、逆转录病毒的基因组是RNA，其复制方式是逆转录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-R92RNA病毒在细胞内复制成双链DNA的前病毒(provirus)。前病毒保留了RNA病毒全部遗传信息，并可在细胞内独立繁殖。在某些情况下，前病毒基因组通过基因重组(recombination)，参加到细胞基因组内，并随宿主基因一起复制和表达。这种重组方式称为整合(integration)。前病毒独立繁殖或整合，都可成为致病的原因。RNA病毒在细胞内复制成双链DNA的前病毒(provirus93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

TTTT逆转录酶AAAAAAAASI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94二、逆转录的发现发展了中心法则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、逆转录的发现发展了中心法则逆转录酶和逆转录现象，是分子生95三、噬菌体DNA和线粒体DNA复制噬菌体DNA复制按滚环方式进行复制(rollingcirclereplication)线粒体DNA复制按D环方式进行复制(D-loopreplication)三、噬菌体DNA和线粒体DNA复制噬菌体DNA复制按滚环方式963

-OH5

-P5

5

5

3

3

3

3

5'5'

5

3

3

5

1、滚环复制(rollingcirclereplication)3-OH5-P55533335'5'597dNTPDNA-polγ2、D环复制(D-loopreplication)是线粒体DNA(mitochondrialDNA，mtDNA)的复制形式。

dNTPDNA-polγ2、D环复制(D-loopre98D-环复制时需合成引物。mtDNA为双链，第一个引物以内环为模板延伸。至第二个复制起始点时，又合成另一个反向引物，以外环为模板进行反向的延伸。最后完成两个双链环状DNA的复制。复制中呈字母D形状而得名。D环复制的特点是复制起始点不在双链DNA同一位点，内、外环复制有时序差别。D-环复制时需合成引物。mtDNA为双链，第一个引物以内环为99线粒体DNA的复制过程线粒体DNA的复制过程100DNA突变具体指个别dNMP残基以至片段DNA在构成、复制或表型功能的异常变化，也称DNA损伤(DNAdamage)。从分子水平来看，突变就是DNA上碱基的改变。第五节DNA损伤（突变）与修复DNADamage(Mutation)&RepairDNA突变具体指个别dNMP残基以至片段DNA在构成、复制或101基因突变GeneMutation基因突变GeneMutation102从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基发生可遗传的永久性的改变。突变的概念从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基发生可遗传的永久性的103一、突变在生物界普遍存在（一）突变是进化、分化的分子基础从长远的生物史看，进化过程是突变的不断发生所造成的。大量的突变都是属于这种类型，只是目前还未能认识其发生的真正原因，因而名为自发突变或自然突变(spontaneousmutation)。一、突变在生物界普遍存在（一）突变是进化、分化的分子基础从长104(二)只有基因型改变的突变形成DNA多态性这种突变没有可察觉的表型改变，例如在简并密码子上第三位碱基的改变，蛋白质非功能区段上编码序列的改变等。这些现象也相当普遍。多态性(polymorphism)一词用来描述个体之间的基因型差别现象。(二)只有基因型改变的突变形成DNA多态性这种突变没有可察觉105（三）致死性的突变可导致个体、细胞的死亡（三）致死性的突变可导致个体、1061、α地中海贫血是终止密码子突变是由于α珠蛋白基因第142位终止密码子TAA（mtRNA为UAA）突变为CAA（谷氨酰胺），结果α延长为172个氨基酸，这种突变基因转形成的mRNA不稳定，所以导致α链合成减少，表现为α地中海贫血。（四）突变是某些疾病的发病基础1、α地中海贫血是终止密码子突变是由于α珠蛋白基因第142位1072、苯丙酮尿症I型病因：肝脏合成的苯丙氨酸羟化酶（PhenylalaninaHydrozylase,PAH）缺乏。主征：智力低下，尿有霉味治疗：新生儿诊断明确后，即用低苯丙氨酸饮食控制血中苯丙氨酸浓度，改善脑的发育AT→GC,AUG(met)→GUG(val)肽链不能合成。408个密码子CG→TA，CGG（arg）→UGG(tyr)2、苯丙酮尿症I型病因：肝脏合成的苯丙氨酸羟化酶（Phen108

白化病是一种常见的常染色体隐性遗传病。

由于患者体内编码酪氨酸酶的基因发生突变，使患者体内酪氨酸酶缺乏而导致黑色素的合成发生障碍，从而引起白化症状。患者虹膜、皮肤、毛发缺乏黑色素，羞明。现以a表示该病的致病基因，与其等位的正常基因为A，当一对夫妇均为携带者时，他们的后代将有1/4的几率是白化病患儿，3/4的几率为表型正常的个体，在表型正常的个体中，2/3为白化病基因携带者。

3、白化病

白化病是一种常见的常染色体隐性遗传病。3、白化109二、多种化学或物理因素可诱发突变突变自发突变诱发突变﹛物理因素化学因素﹛二、多种化学或物理因素可诱发突变突变自发突变诱发突变﹛物理因110大量的突变属于自发突变，发生频率只不过在10-9左右。但由于生物基因组庞大，细胞繁殖速度快，因此它的作用是不可低估的。实验室用来诱发突变，也是生活环境中导致突变的因素，主要有物理和化学因素。大量的突变属于自发突变，发生频率只不过在10-9左右。但由于111DNA复制错误碱基的异构式3.自发的化学变化(1)脱嘌呤（depurination）(2)脱氨（基）(deamination)作用（一）自发突变（spontaneousmutations）DNA复制错误（一）自发突变（spontaneousm1121、DNA复制错误高等动植物10-5～10-8，细菌10-4～10-101、DNA复制错误高等动植物10-5～10-8，细菌11133.自发的化学变化（1）脱嘌呤作用3.自发的化学变化（1）脱嘌呤作用114

脱氨基作用（2）脱氨（基）(deamination)作用脱氨基作用（2）脱氨（基）(deamination)1151、物理因素

UV:紫外线(UV)、各种辐射（二）诱发突变（inducedmutations）嘧啶二聚体(T=T)1、物理因素UV:紫外线(UV)、各种辐射（二）诱发突变1162、化学因素常见的化学诱变剂化合物类别作用点分子改变碱基类似物如：5-BUA®5-BU®G-A--T--G--C-羟胺类（NH2OH）T®C-T--A--C--G-亚硝酸盐（NO2）C®U-G--C--A--T-烷化剂如：氮芥类，NitrominsG®mGG®mGDNA缺失G2、化学因素常见的化学诱变剂化合物类别作用点分子改变碱基类似117（1）碱基类似物（Baseanalog）2-氨基嘌呤2-Aminopurine5-溴尿嘧啶5-BromineUracilOOBrNH2（1）碱基类似物（Baseanalog）2-氨基嘌呤5-1185-溴尿嘧啶和T很相似，仅在第5个碳元子上由Br取代了甲基5-BU有酮式，烯醇式两种异构体，可分别与A及G配对结合5-溴尿嘧啶和T很相似，仅在第5个碳元子上由Br取代了甲基1195-BrU:G:A烯醇式enolBrOHHOBr酮式KetoHOAGCTTCCTATCGAAGGATAGCTBCCTATCGAAGGAT酮式5-BrU的渗入AGCTBCCTATCGAAGGATAGCTCCCTATCGAGGGAT第二轮复制A·T

G·C转变AGCTBCCTATCGAGGGATAGCTTCCTATCGAAGGAT第一轮复制酮式到稀醇式的转变烯醇式渗入为G·C

A·T转变5-BrU:G:A烯醇式enolBrOHHOBr1202-氨基嘌呤(2-AP)也是碱基的类似物，有正常状态和稀有状态两种异构体，可分别与T和C配对结合。当2-AP掺入到DNA复制中时，由于其异构体的变换而导致A∶T到G∶C的转变。（2）2-氨基嘌呤2-氨基嘌呤(2-AP)也是碱基的类似物，有正常状态和稀有状121A被其脱去氨基后可变成次黄嘌呤（H），H不能再与T配对，而变为与C配对，经DNA复制后，可形成T-A→C-G的转换（3）碱基修饰物：亚硝酸引起碱基对改变A被其脱去氨基后可变成次黄嘌呤（H），H不能再与T122烷化剂如甲基黄酸乙脂（EMS）,氮芥(NM),甲基黄酸甲脂（MMS）,亚硝基胍（NG）等，它们的作用是使碱基烷基化，EMS使G的第6位烷化，使T的第4位上烷化，结果产生的O-6-E-G和O-4-E-T分别和T、G配对，导致G∶C对转换成A∶T对；T∶A对转换成C∶G（4）烷化剂引起碱基对的改变烷化剂如甲基黄酸乙脂（EMS）,氮芥(NM),甲基黄酸甲脂（123三、引起突变的分子改变类型有多种错配(mismatch)缺失(deletion)插入(insertion)重排(rearrangement)

框移突变(frame-shiftmutation)

从化学本质看，突变的DNA分子改变可分为：三、引起突变的分子改变类型有多种错配(mismatch)框124（一）错配可导致编码氨基酸的改变DNA碱基错配称点突变(pointmutation)。自发突变和不少化学诱变都能引起DNA上某一碱基的置换。点突变在编码区，可导致氨基酸改变。（一）错配可导致编码氨基酸的改变DNA碱基错配称点突变(po125DNA碱基的改变称点突变(pointmutation)DNA碱基的改变称点突变(pointmutation)126镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)β亚基N-val

·

his

·

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·

pro·val

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C肽链CACGTG基因正常成人Hb(HbA)β亚基N-val

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C肽链CTCGAG基因血红蛋白β亚基因点突变镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)β亚基N-val·h127正常的红细胞镰刀型红细胞正常的红细胞镰刀型红细胞128正常细胞H-ras基因碱基序列:ATGACGGAATATAAGCTGGTGGTGGTGGGCGCCGGCGGTGTG肿瘤H-ras碱基序列:ATGACGGAATATAAGCTGGTGGTGGTGGGCGCCGTCGGTGTG正常细胞p21蛋白的氨基酸序列:MetThrGluTyrLysLeuValValValGlyAlaGlyAlaVal肿瘤H-ras编码p21蛋白氨基酸序列:MetThrGluTyrLysLeuValValValGlyAla

ValAlaVal

H-ras基因的点突变正常细胞H-ras基因碱基序列:H-ras基因的点突变129第10章DNA的生物合成课件130(二)缺失、插入和框移突变造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变缺失：一个或几个碱基从DNA上消失。插入：原来没有的一个或几个碱基插入到DNA大分子中间。缺失或插入都可导致框移突变。框移突变：三联体密码的阅读方式改变，造成编码的氨基酸发生改变。(二)缺失、插入和框移突变造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变缺131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132原模板链3’CTTCTTCTTCTTCTTCTT5’mRNA的序列5’GAAGAAGAAGAAGAAGAA3’氨基酸顺序gluglugluglugluglu开始处插入一个C3’CCTTCTTCTTCTTCTTCTT5’mRNA的序列为5’GGAAGAAGAAGAAGAAGAA3氨基酸顺序glyargargargargarg改变了蛋白质中所有氨基酸的组成插入引起框移突变原模板链3’CTTCTTCTT133(三)重组或重排常可引起遗传、肿瘤等疾病DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。移位的DNA可以在新位点上颠倒方向反置（倒位），也可以在染色体之间发生交换重组。(三)重组或重排常可引起遗传、肿瘤等疾病DNA分子内较大片段134DNA损伤（突变）可能造成两种结果：其一是导致复制或转录障碍（如胸腺嘧啶二聚体，DNA骨架中产生切口或断裂）；其二是导致复制后基因突变（如胞嘧啶自发脱氨基转变为尿嘧啶），使DNA序列发生永久性改变。所以，必须通过进化使细胞拥有灵敏的机制，以识别和修复这些损伤，否则细胞无法维持正常代谢。DNA损伤（突变）可能造成两种结果：其一是导致复制或转录障碍135四、DNA损伤的修复有多种类型直接修复(directrepair)切除修复(excisionrepairing)重组修复(recombinationrepairing)SOS修复（SOSrepair）

修复的主要类型：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。四、DNA损伤的修复有多种类型直接修复(directrep136（一）直接修复系统简单地逆转DNA损伤光修复酶(photolyase)

UV（一）直接修复系统简单地逆转DNA损伤光修复酶(photol137（二）切除修复系统识别DNA双螺旋变形这是细胞内最重要和有效的修复方式。包括去除损伤的DNA，填补空隙和连接。主要由DNA-polⅠ和连接酶完成。（二）切除修复系统识别DNA双螺旋变形这是细胞内最重要和有效138UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶ⅠOHPDNA连接酶ATPE.coli的切除修复机制UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶ⅠOHPDNA连接139对光敏感，皮肤、眼、舌易受损；皮肤上皮鳞状细胞或基底细胞皮肤癌；伴性发育不良、生长迟缓、神经系统异常而学习能力差着色性干皮病(XP,xerodermapigmentosum)位于1p的隐性基因控制，干性皮肤伴随神经系统疾病，由切除二聚体能力缺损造成。对光敏感，皮肤、眼、舌易受损；皮肤上皮鳞状细胞或基底细胞皮肤140核苷酸切除修复不仅能够修复整个基因组中的损伤，而且能拯救因转录模板链损伤而暂停转录的RNA聚合酶，即参与转录偶联修复(transcription-c