第十三章 DNA 生物合成课件

第十三章

DNA生物合成第十三章DNA生物合成内容提要DNA的半保留复制依赖RNA的DNA合成DNA损伤与修复内容提要DNA的半保留复制2.1修复机制1.光复活TT紫外线(260nm)T(胸腺嘧啶）二聚体双键打开2.1修复机制1.光复活TT紫外线(260nm)T(胸腺嘧紫外光T-T二聚体可见光激活该酶只有高等哺乳动物该功能退化掉了。例对细菌紫外诱变或杀灭时尽量保持暗环境。光复活酶结合于损伤部位紫外光T-T二聚体可见光激活该酶只有高等哺乳动物该功能退化掉2.切除修复核酸酶DNA聚合酶DNA连接酶属于复制前的修复。2.切除修复核酸酶DNA聚合酶DNA连接酶属于复制前的修复。3.重组修复复制同时的修复*复制DNA聚合酶、连接酶补缺提问：原损伤部位没有修复，对后代影响大吗？在后代中只有一个个体含有该条DNA，后代越多，影响比例越小，等于消除影响。3.重组修复复制同时的修复*复制DNA聚合酶、连接酶补缺提问****4.SOS修复SOS—求救信号DNA损伤严重，复制受到抑制，前几种方法难以奏效时：诱导校对能力差的DNA聚合酶形成，局部“乱配”********进化、变种、癌症、诱变育种等等都是基于这一机理。为了生存——变。****4.SOS修复SOS—求救信号诱导校对能力差的DNA第一节DNA的半保留复制DNA半保留复制的理论参与DNA复制的酶复制的起点和方式复制过程第一节DNA的半保留复制DNA半保留复制的理论一、DNA半保留复制的理论半保留复制的实验依据和意义双向复制复制的半不连续性一、DNA半保留复制的理论半保留复制的实验依据和意义（一）半保留复制的实验依据和意义半保留复制的实验依据半保留复制的概念半保留复制的意义复制的半不连续性（一）半保留复制的实验依据和意义半保留复制的实验依据1.半保留复制的实验依据1958年，Meselson证明：用，15NH4Cl唯一氮源培养大肠杆菌，之后，用14NH4Cl培养，然后进行CsCl2进行密度梯度离心。由于15NH4Cl密度大于14NH4Cl，因此，形成不同区带，经过若干代培养后，两个NH4Cl区带增多。1.半保留复制的实验依据1958年，Meselson证明第十三章DNA生物合成课件2.半保留复制的概念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，另一股单链则完全重新合成。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。2.半保留复制的概念DNA生物合成时，母链DNA解开为3.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。3.半保留复制的意义按半保留复制方式，子代DNA与亲代（二）双向复制原核生物的DNA双向复制真核生物的DNA双向复制（二）双向复制原核生物的DNA双向复制1.原核生物的DNA双向复制原核生物复制时，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。复制起始点（ori）：DNA复制要从DNA分子的特定部位开始，此部位称复制起始点复制中的放射自显影图象1.原核生物的DNA双向复制原核生物复制时，DNA从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第十三章DNA生物合成课件2.真核生物的DNA双向复制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。2.真核生物的DNA双向复制真核生物每个染色体有多个起5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’复制子3’5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’3.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（先导链）。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（滞后链）。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。3.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3

5

3

5

解链方向3´5´3´3´5´领头链（先导链）(leadingstrand)随从链（滞后链）(laggingstrand)3535解链方向3´5´3´3´5´领头链（先导链）二、参与DNA复制的酶DNA聚合反应DNA聚合酶DNA连接酶DNA解旋相关酶类引物酶(Primase)和引发体二、参与DNA复制的酶DNA聚合反应参与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):d（一）DNA聚合反应聚合反应方程式聚合反应的特点（一）DNA聚合反应聚合反应方程式1.聚合反应方程式n1dATPn2dCTPn3dGTPn4dTTPDNA聚合酶DNA模板DNA+（n1+n2+n3+n4)PPiPPi随即被焦磷酸酶水解，从而推动聚合反应的进行。(dNMP)n+dNTP→(dNMP)n+1+PPi

1.聚合反应方程式n1dATPn2dCTPn3dGT第十三章DNA生物合成课件2.聚合反应的特点以四种脱氧核苷三磷酸为底物；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；产物DNA的性质与模板相同。反应需Mg++激活。2.聚合反应的特点以四种脱氧核苷三磷酸为底物；（二）DNA聚合酶原核生物的DNA聚合酶真核生物的DNA聚合酶（二）DNA聚合酶原核生物的DNA聚合酶1.原核生物的DNA聚合酶DNA-polⅠDNA-polⅡDNA-polⅢDNA-polIVDNA-polV1.原核生物的DNA聚合酶DNA-polⅠ1)大肠杆菌三种DNA聚合酶比较DNA聚合酶Ⅱ分子量每个细胞的分子统计数5´-3´聚合酶作用3´-5´核酸外切酶作用5´-3´核酸外切酶作用转化率主要功能活性（nt/minDNA聚合酶ⅠDNA聚合酶Ⅲ（复合物）109，000400+++1校读,修复1000120，00040++-0.05400，00010-20+++50复制100000特性不清填补缺口501)大肠杆菌三种DNA聚合酶比较DNA分子量DNADNA聚合5'

ucgagcuag-OH3'

5'

ucgagcuagDNApoldNTP2)5´

3´聚合作用3'

agctcgatcgtagcctagcgtagcagtgcacgatc5'3'

agctcgatcgtagcctagcgtagcagtgcacgatc5'catcggatcgcatcgtcacgtgctag3'5'ucgagcuag-OH3'5'ucgagc5’3’内切酶外切酶3)外切酶与内切酶作用图解5´

3´外切酶活性的功能切除引物，切除突变片段5’3’5’3’内切酶外切酶3)外切酶与内切酶作用图解5´3´外切4)3’

5’

外切酶活性

校读

错配碱基4)3’5’外切酶活性校读错配碱基小片段

大片段（Klenowfragment）5'→3'聚合功能3'→5'外切酶活性5'→3'外切酶活性5)DNApolI小片段大片段5'→3'聚合功能5'→3'功能：是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。

DNA-polⅢ：由十种亚基组成，其中α亚基具有5’→3’聚合DNA的酶活性，因而具有复制DNA的功能；而ε亚基具有3’→5’外切酶的活性，因而与DNA复制的校正功能有关。(250kD)6)DNA-polⅢ功能：是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。DNA-po2.真核生物的DNA聚合酶DNA-pol:起始引发，有引物酶活性。DNA-pol:参与低保真度的复制。DNA-pol:线粒体DNA复制中起催化作用。DNA-pol:延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。DNA-pol:复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。2.真核生物的DNA聚合酶DNA-pol:起始引发，在真核生物中，目前发现的DNA聚合酶有五种，分别命名为DNA聚合酶α（polα），DNA聚合酶β（polβ），DNA聚合酶γ（polγ），DNA聚合酶δ（polδ），DNA聚合酶ε（polε）。其中，参与染色体DNA复制的是polα（延长随从链）和polδ（延长领头链），参与线粒体DNA复制的是polγ，polε与DNA损伤修复、校读和填补缺口有关，polβ只在其他聚合酶无活性时才发挥作用。

在真核生物中，目前发现的DNA聚合酶有五种，分别命名为真核生物的DNA聚合酶真核生物的DNA聚合酶3.DNA连接酶DNA连接酶(DNAligase)作用方式DNA连接酶催化的条件功能3.DNA连接酶DNA连接酶(DNAligase)1)DNA连接酶(DNAligase)作用方式连接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。1)DNA连接酶(DNAligase)作用方式连接DHO5’3’3’5’DNA连接酶ATPADP5’3’5’3’HO5’3’3’5’DNA连接酶ATPADP5’3’5’3’2)DNA连接酶催化的条件DNA连接酶催化的条件是：①需一段DNA片段具有3’-OH，而另一段DNA片段具有5’-Pi基；②未封闭的缺口位于双链DNA中，即其中有一条链是完整的；③需要消耗能量，在原核生物中由NAD+供能，在真核生物中由ATP供能。2)DNA连接酶催化的条件DNA连接酶催化的条件是：①3)功能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。是基因工程的重要工具酶之一。3)功能DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。4.DNA解旋相关酶类解旋酶(helicase)拓扑异构酶（topoisomeraseI、II）单链DNA结合蛋白(SSB)4.DNA解旋相关酶类解旋酶(helicase)解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白解螺旋酶dnaA、B、C…DnaA、B、C…ATP1)解旋酶(helicase)利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链解螺旋酶dnaA、B、C…DnaA、B、C…ATP1)解旋酶拓扑(topology)与拓扑异构DNA正超螺旋与负超螺旋负超螺旋正超螺旋DNA双螺旋拓扑异构酶超螺旋螺旋2)拓扑异构酶（Topo）拓扑(topology)与拓扑异构DNA正超螺旋与负超螺旋负拓扑异构酶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Topo酶：切割DNA链，使其松弛后再连接HelicaseTopoⅡ（DNAGyrase）Topo酶：切割DNA链，使其松弛后再连接HelicaHelicaseSupercoiledDNATOPOⅡHelicaseSupercoiledDNATOPOⅡTOPOⅡTOPOⅡTOPOⅡTOPOⅡTOPOⅡTOPOⅡTOPOⅡTOPOⅡTOPOⅡTOPOⅡTOPOⅡTOPOⅡTOPOⅡTOPOⅡTOPOⅡATPTOPOⅡATPTOPOⅡTOPOⅡ3)单链DNA结合蛋白（SSB）作用：防止单链DNA重新形成双链，防止单链DNA被核酸酶水解SSB3)单链DNA结合蛋白（SSB）作用：防止单链DNA5.引物酶(Primase)和引发体引物酶(primase)DNA合成需在RNA引物的基础上进行，复制起始时催化生成RNA引物的酶引发体(primosome)由引发前体与引物酶（primase）组装而成。5.引物酶(Primase)和引发体引物酶(primase)DnaA引发体（primosome）：包括解螺旋酶、DnaC、引物酶及DNA复制的起始区域5´3´3´5´引物酶DnaC引发体解螺旋酶DnaA引发体（primosome）：包括解螺旋酶、Dna

小结主要成员

主要作用DnaA识别复制起始位点解螺旋酶解开DNA双链SSB维持已解开单链DNA的稳定引物酶合成RNA引物TOPO使打结、缠绕、正超螺旋的DNA松驰DNA-polⅢDNA复制DNA-polⅠ水解引物、填补空隙、修复作用DNA连接酶催化双链DNA中单链缺口的连接小结主三、复制的起点和方式复制起点复制方向复制方式三、复制的起点和方式复制起点（一）复制起点复制起点（origin,ori或o,复制原点）复制开始处:DNA分子的特定位置原核生物（Prokaryote）：单复制起点即－－整个染色体只有一个复制单位（一）复制起点复制起点（origin,ori或o,复制

真核生物（Eukaryote）:多复制起点即－－一个genome中有多个复制单位真核生物（Eukaryote）:多复制起

（1）单双向复制取决于起点处有一个还是两个复制叉

单向复制

双向复制（二）复制方向（复制过程的顺序性）（1）单双向复制取决于起点处有一个还是两个复制叉第十三章DNA生物合成课件（2）复制的多模式

单起点、单方向（原核）多起点、单方向（真核）单起点、双方向（原核）多起点、双方向（真核）（2）复制的多模式单起点、单方向多起点、单方向单起点、双（三）复制方式大多数以对称方式进行－－即两条链同时复制也有一定时期内DNA只复制一条链的情况

（1）θ

复制或从新起始（denovoinitiation）或复制叉式（replicationfork）双链环状DNA的复制眼可以形成一种θ

结构，形状像希腊字母θ，因而叫….（三）复制方式大多数以对称方式进行－－即两条链同时复制（1

单、双向θ

复制模式图单向复制双向复制单、双向θ复制模式图单向复制双向复制

（2）D环复制（Displacementform

）又称置换式

线粒体和叶绿体

DNA的复制方式（2）D环复制（Displacement（3）σ复制或滚环式复制（rollingcirclereplication）或共价延伸方式（covalenceelongation）由于复制时产生的滚环结构形状象σ，称σ复制

病毒、细菌因子，如含有单链环状DNA的φX174、G4、M13（3）σ复制或滚环式复制（rollingcircle第十三章DNA生物合成课件第十三章DNA生物合成课件(4)线性DNA双链的复制单一起点、单向，如：腺病毒单一起点、双向，如：T7噬菌体多个起点、双向(4)线性DNA双链的复制四、复制过程原核细胞DNA的复制合成真核细胞DNA的复制合成四、复制过程原核细胞DNA的复制合成1.旋转酶解开超螺旋。旋转酶（一）原核细胞DNA的复制合成1.旋转酶解开超螺旋。旋转酶（一）原核细胞DNA的复制合成2.解螺旋酶在起点双向打开螺旋复制起始处的DNA片段起点复制叉解螺旋酶——解开双链2.解螺旋酶在起点双向打开螺旋复制起始处的DNA片段起点复制解螺旋酶3.DNA结合蛋白与单链结合并向前移动DNA结合蛋白起点提问：DNA结合蛋白的作用？ATGC防止单链复合解螺旋酶3.DNA结合蛋白与单链结合并向前移动DNA结合蛋白起点ATCCATT小段RNA引物U磷酸核糖RNA聚合酶4.RNA聚合酶催化起点处通过碱基互补连接引物RNA链。作用——确定起始部位，引导复制开始。3`OH5`PiPiPi3`OH5`PiPiPi3`OH5`PiPiPiA—U

G—C起点ATCCATT小段RNA引物U磷酸核糖RNA聚合酶4.R6.新链5`→3`延长（复制DNA）5.引物3`连接dXTP6.新链5`→3`延长（复制DNA）5.引物3`连接dXTPE.COLi的DNA聚合酶

功能ⅠⅡⅢ5’→3’聚合作用+++5’→3’外切酴作用+－－3’→5’外切酶作用+++聚合核苷酸数/min600309000分子数/细胞40010010*DNApolⅢ主要负贡DNA链延伸。E.COLi的DNA聚合酶功能开链方向起点新链5｀新链3｀新链3｀新链5｀

？

？父代DNA—两链方向相反

！必然无法连续复制开链方向开链方向起点新链5｀新链3｀新链3｀新链5｀？？父代DN7.均以5｀→3｀方向形成前导链和滞后链由冈崎片段连接成的新DNA链称滞后链。与复制叉移动方向相同，可以一直复制到底的新DNA链称前导链。7.均以5｀→3｀方向形成前导链和滞后链由冈崎片段连接成的新5`3`5`8.切除引物，补缺。3`3`3`3`3`3`3`3`3`3`3`3`3`3`3`3`3`3`3`3`DNA聚合酶3`→5`核酸外切连接酶连接酶连接缺口切除引物、切除配错dXTP新链5`3`5`8.切除引物，补缺。3`3`3`5`5`3`5`3`3`5`5`3`5`3`前导链连续复制滞后链不连续复制DNA复制为5`→3`半不连续复制。前导链连续复制滞后链不连续复制DNA复制为5`→3`半不连续半保留——复制结果半不连续——复制过程半保留——复制结果（二）真核细胞DNA的复制：

（DNA指导的DNA合成）真核生物与原核类似，但更复杂，不同之处：1.DNA模板上有多个起点，即真核细胞DNA复制由多个复制子共同完成。（二）真核细胞DNA的复制：

（DNA指导的D2.有5种DNA聚合酶，

各具功能：复制DNA：

α→后滞链；

δ→前导链；修复DNA：β、ε；复制线粒体DNA：γ；引物合成：α。2.有5种DNA聚合酶，

第二节RNA指导的DNA合成反转录是以RNA为模板合成DNA的过程，也称逆转录。这是DNA生物合成的一种特殊方式。

第二节RNA指导的DNA合成反转录是以RNA为模板合成反转录酶都具有多种酶活性①DNA聚合酶活性；以RNA为模板，催化dNTP聚合成DNA的过程。此酶需要R