备课素材：DNA的复制及损伤修复- 高中生物学必修二

DNA的复制及损伤修复DNA复制的基本特性真、原核细胞的DNA复制有三个特性：半保留复制、双向复制、复制起始位于染色体的特殊位点。半保留复制

DNA分子两条链中一条链是亲代DNA分子，另一条链是按照亲代DNA分子碱基序列复制合成的子代新链，这种保留一半亲代DNA分子的复制方式称作DNA半保留复制。

按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即保留了亲代全部遗传信息，体现了遗传的相对保守性，从而维持了物种的稳定。双向复制

DNA复制是双向复制，即DNA的复制是从DNA分子上的特定位置开始的，这个特定位置称为复制起点（originofreplication）

复制开始时首先在复制起点形成一个复制泡，两个复制叉，新合成的链从起点开始，向两个方向延伸，每一条链都是在起点的两端以连续复制和不连续复制方式完成。每一个这样的DNA单位称为复制子。原核生物基因组是双链环状DNA分子，每个DNA分子上只有一个复制子，其复制起始于特定起点ori，以连续和不连续复制方式同时向两个方向延伸，因此是双向复制。DNA复制起始于染色体特殊位点

DNA复制是从复制起点开始的，这个特定位置一定有结构上的特殊性。

原核生物DNA中，复制起点只有一个。比如OriC是大肠杆菌染色体的复制起点。在OriC由245bp组成，该区域内有四个对称排列的、由9bp组成的反向重复序列，即回文结构，这个区域是DnaA蛋白的结合位点，所以回文结构又称DnaA盒。DnaA蛋白与OriC的结合可以启动DNA的复制。真核生物的染色体有多个复制起始点。总体上，真、原核生物DNA复制起始区有3个共同特点：（1）复制起始区是含有多个短重复序列的保守序列（2）这些短的重复单位可以被多聚体复制起始区结合蛋白所识别，这些蛋白又可以让其他酶到复制起始点来。（3）复制起始点相比临近的区域通常富含AT序列，这种特性使双螺旋DNA更容易解螺旋（AT双键、GC三键，耗能不一样）参与DNA复制的酶类和物质主要有：（1）底物​虽然新链是由脱氧单核苷酸（dNMP）聚合而成，但DNA复制时的底物是脱氧三磷酸腺苷（dNTP）。（2）聚合酶

催化dNTP聚合到核苷酸链上的酶，称为DNA聚合酶。由于聚合时依赖DNA母链作为模版，所以酶的全称是依赖DNA的DNA聚合酶。（3）模板

指单链DNA母链，指引着dNTP按照碱基互补配对原则合成新链。（4）引物酶DNA聚合酶不能催化两个游离的dNTP结合，第一个dNTP是聚合到已有的寡核苷酸的3'-OH末端上，然后继续延长。引导DNA合成的短链RNA称为引物。（5）其他酶DNA解开成单链需要一系列酶参与，它们负责：解链、理顺超螺旋、稳定单链等。聚合完成后，又需要连接5'磷酸基（5'-P）和3'-羟基（3'-OH）间裂隙的DNA连接酶。一、松弛螺旋与解链的酶及蛋白质

DNA分子只有在双螺旋松弛、双链解开碱基外露时才能进行复制，目前已知参与松弛、解链的酶有：解旋酶、拓扑异构酶、单链DNA结合蛋白。1.解旋酶（1）解旋酶是指能将双链分开成单链的酶，利用ATP水解的能量分离两条链。（2）解旋酶有方向性，复制时大部分解旋酶沿着随从链的模板以5'—3'方向

随复制叉前进，并连续揭开DNA双链。解旋酶在沿单链运动过程中形成一个环绕DNA单链的钳子（防止它掉下来），直到它到达那条链终点时才能解离下来。（3）当双螺旋DNA链被打开后，单链DNA结合蛋白就结合到两条分开的单链上，抑制互补双链的重新退火结合。（4）Rep蛋白（解链蛋白）也是一种解旋酶，它是沿着领头链的模板以3'—5'方向移动。解旋酶的特性：（1）利用ATP水解的能量将两条链分开成单链（2）结合到DNA单链上移动（3）有方向性（4）只有移动到单链DNA末端才能解离下来2.拓扑异构酶

拓扑异构酶是参与松弛DNA超螺旋的酶。DNA复制从复制起点开始向两个方向复制时，局部DNA双链的打开主要靠解旋酶作用，但在复制叉向两侧移动时能引起DNA盘绕过度，产生正超螺旋结构，从而造成DNA分子打结、缠绕、连环等现象，拓扑异构酶可以松弛超螺旋。DNA复制完成后，拓扑酶又可将DNA分子超螺旋化，缠绕、折叠、压缩形成染色体。真原核细胞内有两种拓扑酶，拓扑酶I（TopoI）和拓扑酶II（TopoII）。

拓扑酶I的作用：在双链DNA的一条链切一个开口，切开链的5'磷酸和酶分子的酪氨酸残基结合比较稳定，3'端也与酶分子结合，不太稳定（结合不需要能量），然后另一条完整的链从中间穿过，3'游离末端就开始旋转使双链松弛。适当时候又把切口封闭，使DNA处于松弛状态。拓扑酶II就简单了，拓扑酶I不是只切断了一条链么，拓扑酶II在有ATP时切段两条链，没ATP时切段一条链，使DNA分子松弛。3.单链DNA结合蛋白作为模板的DNA总要处于单链状态，解旋酶打开双链后，单链DNA结合蛋白就与单链结合，避免其又形成双链。​二、引物酶

即使DNA模板存在，DNA聚合酶也不能催化两个游离的dNTP结合，而只能将游离的dNTP连接到核苷酸片段游离的3'-OH上，因此，新链DNA的复制需要短核苷酸序列提供游离的3'-OH，发挥这种作用的短核苷酸片段（RNA）被称为引物。作为引物的小RNA是由引物酶催化合成的。

引物酶是一种RNA聚合酶，以DNA为模板合成短的RNA片段。一般认为，引物酶能与解旋酶结合，合成与两条DNA单链互补的RNA引物，引物合成后，引物酶从解旋酶脱离。三、DNA聚合酶1.功能：以DNA为模板，在DNA聚合酶作用下，将四种游离的脱氧单核苷酸（dNTP。别惊奇，看反应式）聚合成DNA链的过程。(dNMP)n+dNTP～(dNMP)n+1+PPi

2.特点：（1）需要DNA模板（2）需要引物（3）新链合成方向是5'—3'3.真原核差异（1）原核生物：DNA聚合酶I、II、III、V（2）真核生物：DNA聚合酶α、β、γ、δ、ε4.DNA聚合酶有四种活性（1）5'—3'聚合酶活性（新链只能从5'—3'合成）（2）5'—3'核酸外切酶活性（切除复制过程中配对出错的核苷酸）（3）3'—5'

核酸外切酶活性（切除复制过程中配对出错的核苷酸）（4）RNaseH活性5.原核细胞的DNA聚合酶（1）DNA聚合酶III：是一个对多亚基的蛋白复合体，核心酶由α、ε、θ亚基组成。α亚基有5'—3'DNA聚合酶活性；ε亚基有3'—5'核酸外切酶活性；θ亚基联系两个核心复合物。原核细胞中，DNApolIII是DNA复制过程中真正催化新链合成的酶。（2）DNA聚合酶I：a.5'—3'DNA聚合酶活性：效率远低于DNApolIII，主要在复制终止时填补冈崎片段的间隙。b.3'—5'核酸外切酶活性：此活性在三种聚合酶中活性最强，可以即时校读（DNApolI在复制过程中能辨认错配的碱基并加以切除的功能

）c.5'—3'核酸外切酶活性：为了DNApolI切除引物综上：DNA聚合酶I主要是对复制过程中对复制中的错误进行校读，切除引物，对复制和修复中的空隙进行填补。用蛋白酶把DNApolI水解为大、小两个片段，其中大片段有DNA聚合酶活性，称为Klenow片段，是实验室合成DNA，进行分子生物学研究的常用工具酶。（3）DNA聚合酶IIDNApolII有5'—3'DNA聚合酶活性，3'—5'核酸外切酶活性。但它只是在无DNA聚合酶III、I的情况下才发挥作用。总的就是：DNA聚合酶I、II、III都有5'—3'DNA聚合酶活性，3'—5'核酸外切酶活性，但只有DNA聚合酶I有5'—3'核酸外切酶活性（为了切除引物）（4）DNA聚合酶V大肠杆菌的DNA聚合酶V的基因是受DNA损伤所诱导的，作为SOS应答的一部分参与DNA损伤检查点的控制和修复。6.真核生物的DNA连接酶真核生物的DNA聚合酶至少有五种，DNApolα、β、ε、γ、δ（1）DNApolα和δ都是负责DNA复制延长（2）DNApolε与DNApolI作用类似，在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用（3）DNApolβ只是在没有其他DNApol时发挥作用（4）DNApolγ在线粒体内，对线粒体DNA的复制起催化作用。DNA复制的保真性至少依赖三种机理：（1）遵守严格的碱基配对规律（2）聚合酶在复制延长中对碱基的选择功能（3）复制中出错时有即时的校读功能四、DNA连接酶

DNA连接酶可在DNA链的3'-OH末端和相邻的DNA链的5'-P末端之间形成磷酸二酯键，从而把两端相邻的DNA链连接起来。连接时需要消耗ATP。实验证明：连接酶可以连接互补双链中的单链缺口，但不能连接单独存在的DNA单链或RNA单链。DNA合成过程中产生的片段最后经DNA连接酶作用合成完整的链。原核生物DNA的复制因为原核生物结构较简单，以大肠杆菌E.coli

为例，观赏DNA的复制过程。1.起始复合物的形成。DnaA蛋白识别并结合复制起始点OriC中的回文序列，形成DNA-蛋白复合物，在ATP参与下促使邻近的AT序列局部双螺旋解链。2.局部解链后，DnaB（解旋酶）结合到DNA单链上，将双链进一步打开；解链是一种高速的反向旋转，势必会发生打结，此时DNA拓扑异构酶将要打结的部位做切口发挥作用，使DNA连续接链不受打结影响。双链解开后，单链DNA结合蛋白结合到单链上保持模板稳定。3.高度解链的模板与蛋白复合体促进引物酶进入，这时的复合物称作引发体（由解旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA起始复制区共同组成），引物酶以单链DNA为模板按5'—3'方向合成RNA引物，其游离的3'-OH末端成为合成DNA的起点。4.DNA聚合酶III辨认引物，将第一个dNTP加到引物的3'-OH上，形成磷酸二酯键，自此，DNA新链合成开始。5.复制叉的两条链都可作为模板，DNA聚合酶以一条链为模板沿5'—3'方向连续复制形成的DNA新链，这条链称为领头链。另一条链的合成是不连续的，称为随从链。随从链的合成中，只有当模板链解开足够长度时，随从链才在开始合成，它是逆着解链方向不连续复制完成的，形成不连续的DNA-RNA片段（冈崎片段：复制过程中以不连续复制方式生成的片段），新形成的冈崎片段3'-端与前一个冈崎片段的5'-端靠近，在DNA聚合酶I的作用下将引物切除（引物是以DNA为模板造出来的，复制过程中占据了模板上10几个碱基的位置，切除引物后，需要DNA聚合酶I把这个空隙填补上）最后通过DNA连接酶将冈崎片段通过磷酸二酯键连接起来。真核生物的DNA复制

真核生物的DNA分子远比原核生物的DNA分子大，而且与组蛋白合成染色体，原核只是双链环状DNA分子。所以真核的复制要更复杂。1.真核生物DNA复制的特点（1）真核生物DNA复制的延伸速度慢于原核生物（2）真核生物复制过程中产生的冈崎片段长度小于原核（3）真核生物复制起主要作用的是DNA聚合酶α、δ（4）真核生物DNA复制时同步合成组蛋白（5）各个起始点上只有一轮DNA的复制（染色体全部复制完以前，各个起始点不能开始下一轮复制）2.真核生物的端粒与端粒酶

与细菌环状染色体不同，真核生物的染色体是线性的。随从链合成的各片段去除引物后，由DNA聚合酶来填补空隙，但线性DNA末端的RNA去除后，由于DNA聚合酶不能催化3'—5'的聚合反应，所以末端的空隙无法填补，这就造成染色体DNA随着复制会变短。但事实并非如此。端粒是真核生物染色体末端膨大成颗粒的结构，其本质是DNA和蛋白质（染色体末端膨大嘛……）端粒酶是一种RNA和蛋白质复合物，在端粒合成过程中，端粒酶首先以其自身携带的RNA模板合成互补链，因此，端粒酶也是一种特殊的逆转录酶。端粒DNA合成分为三个步骤：（1）端粒酶借助其自身RNA与DNA单链有互补碱基序列而辨认结合到DNA末端（2）端粒酶以自身的模板RNA为模板，与其互补的模板末端单链DNA为引物，dGTP和dTTP为原料，在染色体DNA末端延长DNA模版链。（3）伸长的DNA末端与互补的RNA模板

解链，端粒酶重新定位于模板的3'-端，开始下一轮的聚合作用，经过多次位移、聚合的反复循环，使端粒的TG链达到一定长度，然后停止聚合。这种合成方式称为“爬行模型”当然，端粒的长度也会随着复制的次数增多而逐渐变短，导致染色体稳定性下降，最终细胞凋亡。DNA的损伤与修复DNA损伤：某些外界环境和生物体内的因素可能导致DNA分子上碱基的改变，也称突变或DNA损伤。DNA损伤常见的因素包括DNA分子的自发性损伤、物理、化学因素等。DNA突变的类型：（1）点突变：DNA分子上一个碱基的变异，包括碱基的转换（嘌呤转换成嘌呤/嘧啶转换成嘧啶）与颠换（嘌呤转换成嘧啶/嘧啶转换成嘌呤）。如镰刀性贫血（2）缺失突变：一个碱基或一段核苷酸链从DNA上消失（3）插入突变：指一个原来没有的碱基或一段没有的核苷酸链插入到DNA分子中。

缺失和插入都可能导致框移突变，造成蛋白质氨基酸排列顺序变化，对蛋白质结构功能影响大。（4）重排：DNA分子内发生较大的片段的交换