《生物化学与分子生物学教学》dna的生物合成课件

遗传信息的传递第三篇遗传信息的传递第三篇1中心法则(TheCentralDogma)转录翻译逆转录复制DNARNA蛋白质中心法则(TheCentralDogma)转录2除了某些以RNA为基因组的RNA病毒外，基因通常是指染色体或基因组的一段DNA序列。基因包括编码序列（外显子）、调控序列和间隔序列（内含子）。基因（gene）：编码蛋白质或RNA等具有特定功能产物的、负载遗传信息的基本单位。除了某些以RNA为基因组的RNA病毒外，基因通常是指染色体或3基因组（genome）：一个生物体内所有遗传信息的总和。人类基因组包含了细胞核染色体DNA（常染色体和性染色体）及线粒体DNA所携带的所有遗传物质。基因组（genome）：一个生物体内所有遗传信息的总和。人类4第十四章DNA的生物合成DNABiosynthesis(Replication)第十四章DNA的生物合成复制(replication)是以DNA为模板的DNA合成，是基因组的复制过程。在这个过程中，亲代DNA作为合成模板，按照碱基配对原则合成子代分子，其化学本质是酶促脱氧核苷酸聚合反应。复制亲代DNA子代DNA复制(replication)是以DNA为模板的DNA合成DNA复制的基本特征BasicRulesofDNAReplication第一节DNA复制的基本特征第一节半保留复制(semi-conservativereplication)双向复制(bidirectionalreplication)半不连续复制(semi-discontinuousreplication)DNA复制的主要特征半保留复制(semi-conservativereplic一、DNA以半保留方式进行复制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、DNA以半保留方式进行复制DNA生物合成时，母链DN子链继承母链遗传信息的几种可能方式:

全保留半保留式混合式子链继承母链遗传信息的几种可能方式:全保留密度梯度实验:——实验结果支持半保留复制的设想。含15N-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15N-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AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母链DNA复制过程中形成的复制叉子代DNAATCGATTAATAT+母链DNA复制过程中形成的复制叉子原核生物基因组是环状DNA，只有一个复制起点（origin）。复制从起点开始，向两个方向进行解链，进行的是单点起始双向复制。二、DNA复制从起点向两个方向延伸复制中的放射自显影图象原核生物基因组是环状DNA，只有一个复制起点（origin）A.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oriterA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多个起始点，是多复制子的复制。习惯上把两5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’复制3’5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’三、DNA复制反应呈半不连续特征3

5

3

5

解链方向3´5´3´3´5´领头链(leadingstrand)后随链(laggingstrand)三、DNA复制反应呈半不连续特征3535解链方向3´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)

。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后随链(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(DNA复制的酶学和拓扑学变化第二节TheEnzymologyandTopologyofDNAReplicationDNA复制的酶学和拓扑学变化第二节TheEnzymol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):dAT(dNMP)n

+dNTP→(dNMP)n+1

+PPiRNA引物RNA引物子代DNA(dNMP)n+dNTP→(dNMP)n+1+P聚合反应的特点:DNA新链生成需RNA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RNA引物和模板；一、DNA聚合酶催化脱氧核苷酸间的聚合全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase)简称：DNA-pol活性：1.5

3

的聚合活性2.核酸外切酶活性一、DNA聚合酶催化脱氧核苷酸间的聚合全称：依赖DNA的DN5´AGCTTCAGGATA

3´

|||||||||||3´TCGAAGTCCTAGCGAC5´3

5

外切酶活性:5

3

外切酶活性:?能切除突变的DNA片段;切除引物能辨认错配的碱基对，并将其水解。核酸外切酶活性:5´AGCTTCAG（一）原核生物有3种DNA聚合酶pol-Ipol-IIpol-III5´→3´聚合酶活性+++3´→5´外切酶活性+++5´→3´外切酶活性+––功能校读填补空隙修复合成SOS修复复制的主要酶（一）原核生物有3种DNA聚合酶pol-Ipol-IIpol２个核心酶1个

-复合物（

、

、

、

、

、

6种亚基）1对

-亚基（可滑动的DNA夹子）DNA聚合酶Ⅲ全酶结构全酶结构包括：２个核心酶DNA聚合酶Ⅲ全酶结构全酶结构包括：

亚基（130000）主要功能是合成DNA

亚基具有3

5

外切酶活性（复制保真性所必需）

亚基可增强其活性

亚基可能起组装作用核心酶由

、

和

亚基组成：两侧的β亚基发挥夹稳DNA模板链，并使酶沿模板滑动的作用亚基（130000）主要功能是合成DNA核心酶由、和2个

-亚基分别和1个核心酶相互作用，其柔性连接区可以确保在复制叉1个全酶分子的2个核心酶能够相对独立运动，分别负责合成前导链和后随链。功能：有促进全酶组装至模板上及增强核心酶活性的作用

-复合物由6种亚基组成：

、

、

、

、

、

2个-亚基分别和1个核心酶相互作用，其柔性连接区可以确保在功能：DNA-polⅠ（109kD）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。功能：DNA-polⅠ（109kD）对复制中的错误进行校323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/KlDNA-polⅡ（120kD）DNA-polII基因发生突变，细菌依然能存活。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基因发生（二）常见的真核细胞DNA聚合酶有5种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(应急修复)。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聚合酶有5种DNA-pol起始真核生物的DNA聚合酶真核生物的DNA聚合酶二、DNA聚合酶的碱基选择和校对功能实现复制的保真性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。二、DNA聚合酶的碱基选择和校对功能实现复制的保真性复制按照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；复制出错时有即时校对功能。DNA复制的保真性至少要依赖三种机制：遵守严格的碱基配对规律；DNA复制的保真性至少要依赖三种机制（一）复制的保真性依赖正确的碱基选择利用“错配”实验发现，DNApolⅢ对核苷酸的参入（incorporation）具有选择功能。

DNApolⅢ对嘌呤的不同构型表现不同亲和力，因此实现其选择功能。

（一）复制的保真性依赖正确的碱基选择利用“错配”实验发现，D（二）聚合酶中的核酸外切酶活性在复制中辨认切除错配碱基并加以校正核酸外切酶(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。（二）聚合酶中的核酸外切酶活性在复制中辨认切除错配碱基并加以A：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；并用其聚合活性掺三、复制中的解链伴有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。

三、复制中的解链伴有DNA分子拓扑学变化DNA分子的碱基埋（一）多种酶参与DNA解链和稳定单链状态（一）多种酶参与DNA解链和稳定单链状态E.Coli基因图E.Coli基因图解螺旋酶(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)——利用ATP供能，作用于氢键108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超螺旋状态复解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成既能水解、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解链旋转不致打结拓扑酶的作用方式：拓扑酶的作用方式：四、DNA连接酶连接复制中产生的单链缺口连接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：四、DNA连接酶连接复制中产生的单链缺口连接DNA链3-OHO5’3’3’5’DNA连接酶ATPADP5’3’5’3’DNA连接酶的作用：HO5’3’3’5’DNA连接酶ATPADP5’3’5’3’DNA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：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(dNTP)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原核生物DNA复制过程TheProcessofDNAReplicationinProkaryotes第三节原核生物DNA复制过程第三节起始是复制中较为复杂的环节，在此过程中，各种酶和蛋白因子在复制起始点处装配引发体，形成复制叉并合成RNA引物。

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、复制的起始起始是复制中较为复杂的环节，在此过程中，各种酶和蛋白因子在复E.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5

3

5

3

（一）

DNA的解链E.coli复制起始点oriCGATTNTTTATTT原核生物的复制起始部位及解链

原核生物的复制起始部位及解链DnaADnaB、DnaCDNA拓扑异构酶引物酶SSB3

5

3

5

（二）引物合成和引发体形成含有解螺旋酶、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、DnaCDNA3

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。引物引发体和复制叉的生成

引发体和复制叉的生成二、DNA链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、DNA链的延长复制的延长指在DNA-pol催化下，dNT5'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA-pol5'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTP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。后随链的合成后随链的合成

在复制叉同时合成前导链和后随链在复制叉同时合成前导链和后随链复制过程简图复制过程简图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(5

5

5

RNA酶OHP5

DNA-polⅠdNTP5

5

PATPADP+Pi5

5

DNA连接酶

子链中的RNA引物被取代555RNA酶OHP5DNA-polⅠdNTP5《生物化学与分子生物学精品教学》dna的生物合成课件真核生物DNA生物合成过程TheProcessofDNABiosynthesisineukaryotes第四节真核生物DNA生物合成过程第四节真核生物复制子多、冈崎片段短、复制叉前进速度慢等；DNA复制从引发进入延伸阶段发生DNA聚合酶

/

转换；切除冈崎片段RNA引物的是核酸酶RNAseHⅠ和FEN1等。真核生物与原核生物DNA复制的差异：真核生物复制子多、冈崎片段短、复制叉前进速度慢等；真核生物与逆转录和其他复制方式ReverseTranscription&OtherDNAReplicationWays第五节逆转录和其他复制方式第五节双链DNA是大多数生物的遗传物质。某些病毒的遗传物质是RNA。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。双链DNA是大多数生物的遗传物质。逆转录酶(reversetranscriptase)逆转录(reversetranscription)

逆转录酶一、逆转录病毒的基因组RNA以逆转录机制复制RNADNA逆转录酶(reversetranscriptase)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R