生物化学课件：第十四章DNA的生物合成

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第一篇生物分子结构与功能1第二篇物质代谢及其调节2第三篇遗传信息的传递3√√生物化学？中心法则CentralDogmaRNADNA蛋白质转录复制逆转录翻译核苷酸序列核苷酸序列aa序列第十四章DNA的生物合成4学时第十六章RNA的生物合成4学时第十七章蛋白质的生物合成4学时第十九章细胞信号转导的分子机制4学时5

复制、转录、翻译讲解方式：1、基本概念及特点，所需酶及各种因子2、合成过程3、原核生物、真核生物起始延长终止6真核基因与基因组

EukaryoteGeneandGenome7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。基因组（genome）：一个生物体内所有遗传信息的总和。编码序列（外显子）基因包括非编码序列调控序列间隔序列（内含子）断裂基因（splitgene）：真核基因结构不连续。外显子（exon）；在基因序列中，出现在成熟mRNA分子上的序列。内含子（intron）：外显子之间、与mRNA剪接过程中被删除部分相对应的间隔序列。基因组：细胞或生物体的一套完整单倍体遗传物质的总和。人类基因组细胞核基因组（2800Mb）线粒体基因组（16.6kb）编码蛋白基因序列基因外序列2个rRNA基因22个tRNA基因13个蛋白编码基因约25%约75%外显子内含子基因间序列中度至高度重复序列（约1%）（约24%）物种基因组大小(Mb)基因数染色体数*支原体M.genitalium0.58470无流感嗜血杆菌H.influrnzae1.831743无枯草芽孢桿菌B.subtilis4.204100无大肠杆菌E.coli4.604288无酿酒酵母S.cerevisiae13.50603416裂殖酵母

S.pombe12.50492916燕麦O.sativa4663000021果蝇D.melanogaster165136014秀丽隐杆线虫

C.elegans97184246小鼠mouse27003000020人H.sapiens30002500023不同生物体基因组的比较人基因组中有两万多个基因人的基因在染色体上的分布特征基因在染色体上并不是均匀分布。基因密度最大的是第19号染色体，密度最小的是第13号和Y染色体。染色体上存在着无基因的“沙漠区”，即在500kb区域内，没有任何基因的编码序列。13

DNA的生物合成

DNABiosynthesis

（Replication）

第十四章14DNA修复合成（DNA损伤修复）DNA指导的DNA合成（DNA复制）RNA指导的DNA合成（逆转录）DNA的生物合成15亲代DNA复制子代DNA复制(replication)

是以DNA为模板的DNA合成，是基因组的复制过程。16分子基础：碱基配对规律和DNA双螺旋结构化学本质：酶促的脱氧核苷酸聚合反应复制的保证：各种酶和蛋白质因子的参与17DNA复制的基本特征BasicRulesofDNAReplication

第一节18复制的基本特征：(3个)半保留复制双向复制半不连续复制19一、半保留复制

DNA生物合成时，亲代双链DNA解开为两股单链，各自作为模板，依据碱基配对规律，合成序列互补的子链DNA。这种复制方式称为半保留复制。20半保留复制方式保证遗传信息的忠实传递21半保留复制的理论设想TGGTACTGCCACTGGACCATGACGGTGACCTGGTACTGCCACTGGACCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCTGGTACTGACCATGACACCATGACTGGTACTGTGGTACTGCCACTGGACCATGACGGTGACC+母链DNA

复制过程中打开的复制叉子代DNA

221、遗传的保守性：子代DNA保留了亲代的全部遗传信息。半保留复制的意义2、遗传的保守性是相对的，自然界存在着普遍的变异现象。23

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、双向复制24复制起点（origin）：指DNA复制所必需的一段特殊的DNA序列。复制叉（relicationfork):正在进行复制的双链DNA分子形成的Y形或叉形区域。复制子（relicion):含有一个复制起点的独立完成复制的功能单位。双向复制（bidirectionalreplication)从起点向2个方向延伸25(一）原核生物：只有一个复制起始点，一个终止点26复制中的模板DNA形成2个延伸方向相反的开链区，称为复制叉。Forkmovement复制叉27（二）真核生物真核生物多染色体，多起始点，多复制子的复制。复制子(replicon):是含有一个复制起点的独立完成复制的功能单位，是从一个DNA复制起始点起始的DNA复制区域。高等生物有数以万计的复制子，长度差异很大。原核生物是单复制子复制，称为复制体（replisome）28真核生物的多复制子复制5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’复制进程5’5’3’3’29E.coli人染色体基因组4.4×106bp

3×109bp1个复制起点和两个复制叉

多个复制起点和多个复制叉

单复制子

多复制子（104～105）42分钟

8小时1000bp/秒

100bp/秒30半不连续复制前导链（leadingstrand）:DNA复制时，一条链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（laggingstrand）: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（Okazakifragments)。前导链连续复制而后随链不连续复制，即半不连续复制。315

3

解链方向3´5´前导链(leadingstrand)后随链(laggingstrand)3

5

3´3´5´5´前导链连续复制后随链不连续复制DNA复制方向：5

3

三、半不连续性复制冈崎片段32

第二节

DNA复制的酶学和拓扑学变化33复制的基本化学反应单链延长的方向(dNMP)n+dNTP→(dNMP)n+1+PPi

5´端3´端AOCH2OHPOOO-O5'COCH2POOO-O3'5'TOCH2POOO--O3'5'5´端到3´端核苷酸/碱基的排列顺序3'，5'磷酸二酯键35复制过程参加物质原料：dNTP(dATPdGTPdCTPdTTP)条件：供能ATP、Mg2+模板：DNA酶引物:RNA蛋白质因子DNA聚合酶引物酶（DnaG）解旋酶（DnaB）连接酶拓扑异构酶DnaADnaB（解旋酶）DnaCDnaG（引物酶）SSB36一、DNA聚合酶（DNApolymerase）简称：DNA-pol全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase)ⅠⅡⅢ种类：原核αβ

γ

δ

ε真核37

DNA聚合酶活性（作用）（2方面）

1、聚合活性：

5

3

方向，催化四种dNTP一个一个地连接到DNA子链上去。

2、核酸外切酶活性（两种情况）

3

5

外切酶活性，能辨认错配的碱基对，并将其水解。

5

3

外切酶活性，能切除引物和突变的DNA片段。

核酸外切酶活性3´→5´外切酶活性：切除错配的核苷酸5´→3´外切酶活性：切除引物切除突变的片段？39（一）原核生物有3种DNA聚合酶分三型：

DNApolⅠDNApolⅡDNApolⅢ相同点：

1、5

3

的聚合活性

2、3

5

核酸外切酶活性40原核生物的DNA聚合酶不同点

DNApolⅢ的比活性远高于DNApolⅠ，是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。41小片段（323aa)

大片段（604aa)（Klenowfragment）5’→3’聚合酶活性3'→5'外切酶活性5'→3'外切酶活性EJPNMLHIORQGCDBFAKDNApolⅠ（20bp)木瓜蛋白酶42DNApolⅠ的作用1.对复制中的错误进行校对；

2.填补复制和修复过程中出现的空隙；

3.Klenowfragment是实验室合成DNA

和进行分子生物学研究常用的

工具酶。43DNA-polⅡ（120kD）

DNA-polII基因发生突变，细菌依然能存活它对模板的特异性不高，参与DNA损伤的应

急状态修复（SOS修复）44全酶组装至模板，增强核心酶活性功能：原核生物复制延长中合成前导链和后随链。

DNA-polⅢ夹稳模板，滑动核心酶核心酶

亚基:合成DNA

亚基:具有3

5

外切酶活性（校正功能）

亚基:组装作用（

、

、

、

、

、

6种亚基）（含1对

-亚基）45（二）常见的真核细胞DNA聚合酶有5种DNA-pol

：在线粒体DNA复制中起催化作用。DNA-pol

（Ⅲ）：延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。DNA-pol

（Ⅰ）：校读、修复和填补缺口DNA-pol

：起始引发，有引物酶活性。DNA-pol

（Ⅱ）：参与低保真度的复制，应急修复。3‘→5’外切酶活性（、、）46二、复制的保真性（一）复制遵守严格的碱基配对规律进行（二）复制的保真性依赖正确的碱基选择（三）聚合酶中核酸外切酶活性在复制中辨认

切除错配碱基并加以校正

47（一）复制的保真性依赖正确的碱基选择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。DNA复制的精确度极高,在细菌中其误差率只有10-8～10-1048（二）核酸外切酶活性在复制中辨认切除错配碱基并加以校正

B：如果碱基配对正确，DNA-polI则不表现外切酶活性；只表现聚合酶活性。DNA-pol

I外切活性聚合活性dCTPA：碱基配对错误，DNA-polI表现外切酶活性，切除错配碱基；并用其聚合活性掺入正确配对的底物模板链新合成链模板链

新合成链49

染色体是由DNA和组蛋白经高度压缩形成的复杂结构。DNA复制时，首先需要把DNA的超螺旋解开。

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50（一）多种酶参与DNA解链和稳定单链状态原核生物复制中参与DNA解链的相关蛋白DnaA(dnaA)辨认复制起始点DnaC(dnaC)运送并协同DnaB拓扑异构酶（gyrⅠ,Ⅱ）理顺DNA链单链结合蛋白SSB稳定已解开的单链解旋酶DnaB(dnaB)解开DNA双链引物酶DnaG(dnaG)催化RNA引物生成511.解旋酶(helicase)：DnaB解旋酶DnaBDnaA、B、C…ATP作用：利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链。CBA522.单链结合蛋白（SSB）作用:1、防止单链DNA重新形成双链

2、防止单链DNA被核酸酶水解特点：由177个aa组成的同源四聚体，结合单链

DNA跨度约32bp,不断地结合和解离。DnaB单链结合蛋白53

作用：该酶以DNA为模板，合成一段RNA引物。

DNA复制是在该引物3’-OH末端加入dNTP。

因为DNA聚合酶不能催化两个游离的dNTP聚合，而引物酶可以催化两个游离的NTP聚合.3.引物酶(primase)为什么要合成引物???Fig.11.9a(TEArt)AbletocovalentlylinktogetherUnabletocovalentlylinkthe2individualnucleotidestogetherPrimer5’5’5’5’5’5’3’3’3’3’3’DNAPolymeraseCannotInitiatenewStrands55引物酶和RNA聚合酶的异同1、相同点：催化游离NTP聚合2、不同点：引物酶RNA聚合酶

利福平56拓扑异构酶对DNA分子的作用是既能切开又能连接磷酸二酯键，使DNA不至于打结，适当时候又把切口封闭，使DNA的拓扑异构体发生改变。原核原核真核真核转轴酶解缠酶切口-封闭酶松弛酶ω蛋白促旋酶又分为几种亚型最近发现（二）DNA拓扑异构酶

(DNAtopoisomerase)57DNA分子是反向平行、右手螺旋的双链结构。每一个螺旋有10个碱基对，螺距为3.4nm。碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T;G

C）。疏水作用力和氢键共同维持着DNA双螺旋结构的稳定。

DNA双螺旋结构具有特征性（Watson,Crick,1953）58DNA的超螺旋结构超螺旋结构(superhelix或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反5911个螺旋9个螺旋被压缩

超螺旋局部解开后DNA复制过程中正超螺旋的形成2

复制过程中正超螺旋的形成

超螺旋解开前296061拓扑异构酶Ⅰ切断DNA双链中一股链，适当时候封闭切口,使DNA变为松弛状态。反应不需ATP。拓扑异构酶Ⅱ无ATP时，切断处于正超螺旋的DNA分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。再利用ATP供能，连接断端。拓扑异构酶的作用

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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，把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。四、DNA连接酶(DNAligase)DNA连接酶的特点:1、消耗ATP;2、只能连接碱基互补基础上的双链中的单链缺口（不能连接单独存在的DNA或RNA单链）。DNA连接酶ATPADPHO5’3’5’3’5’3’5’3’5’3’5’3’ATPADPDNA连接酶5’3’5’3’64DNA连接酶的功能1、在复制