DNA的生物合成课件

DNA的生物合成DNABiosynthesis(Replication)

1.DNA复制（DNA→DNA）2.逆转录(RNA→DNA)复制(replication)以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。亲代DNA复制子代DNADNA复制的基本特征BasicRulesofDNAReplication

第一节半保留复制semi-conservativereplication半不连续复制semi-discontinuousreplication双向复制bidirectionalreplication复制的基本特征

DNA复制时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板按碱基配对规律，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(semi-conservativereplication)。半保留复制的概念一、DNA以半保留方式进行复制含15N-DNA的细菌培养于普通培养液(14N)

第一代继续培养于普通培养液第二代

——实验结果支持半保留复制的设想。15N-DNA14N-DNA实验证据（同位素标记技术、密度梯度离心）1958年MatthewMesselson和FranklinStahl遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。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

。

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复制从起点向两个方向延伸真核生物的多复制子复制5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’3’复制子已完成复制的复制子复制进程复制起始点、复制子与复制叉3

5

3

5

3´5´3´5´解链方向领头链(leadingstrand)随从链(laggingstrand)3´5´三、DNA复制反应呈半不连续特征子链沿母链模板复制，只能从5’向3’延伸。同一个复制叉上只能有一个解链方向。半不延续复制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(semi-discontinuousReplication)。

DNA复制的酶学和拓朴学变化TheEnzymologyandTopologyofDNAReplication第二节参与DNA复制的物质参与DNA复制的物质底物dNTP聚合酶DNA-pol模板解成单链的DNA母链引物与模板互补的RNA片段其它酶和蛋白质因子底物(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可以依次聚合解螺旋酶引物酶单链DNA结合蛋白DNA连接酶等复制的基本化学反应特点：需要引物和模板；新链的延长5→3

方向PPiHOPPPG5´端3´端CGA聚合反应机理一、DNA聚合酶催化脱氧核苷酸之间聚合全称：依赖DNA的DNA聚合酶

(DNA-dependentDNApolymerase)(DNA-directedDNApolymerase)缩写：DNA-pol活性：1.5

3

的聚合活性2.核酸外切酶活性DNA聚合酶接切1959年获诺贝尔生理学或医学奖

奥乔亚科恩伯格

SeveroOchoaArthurKornberg（一）原核生物有3种DNA聚合酶２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：

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：

、

、

、

、

、

小片段大片段/Klenow片段

N端C端木瓜蛋白酶Klenow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。

聚合酶NC小片段大片段（Klenow片段）3'—5'外切酶5'—3'外切酶DNA-polⅠ（109kD）DNA-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。真核生物和原核生物DNA聚合酶的比较E.Coli真核细胞

功能Ⅰ填补复制中的DNA空隙，DNA修复和重组Ⅱ复制中的校对，DNA修复

DNA修复

线粒体DNA合成Ⅲ

错配修复

引物酶

前导链和后随链合成，错配修复2.酶在复制延长时对碱基的选择功能1.遵守严格的碱基配对规律3.复制出错时酶的及时校读功能DNA复制的保真性至少要依赖三种机制

二、DNA聚合酶的碱基选择和

校对功能实现复制的保真性三、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解成单链后，它才能起模板作用。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（一）多种酶参与DNA解链和稳定单链状态——利用ATP供能，在复制叉前解开一小段DNA1.解螺旋酶(helicase)：解螺旋酶(DnaB)3

5

3

5

引物3'HO5'引物酶该酶以DNA为模板，以核苷三磷酸（NTP）为底物催化合成RNA引物，为DNA的合成提供游离的3’-OH末端。2.引物酶(primerase)3

5

3

5

3.单链DNA结合蛋白(SSB)

单链DNA结合蛋白对单链DNA有高亲和力，能特异地结合到分开的单链DNA上。在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整解链过程中，在解开的两条单链DNA分子的前方会出现过度拧紧、打结、缠绕和连环等现象。正超螺旋负超螺旋（二）DNA拓扑异构酶改变DNA超螺旋状态拓扑异构酶的作用：切接作用水解连接切开一股DNA链封闭切口不需ATP切开双股DNA链封闭切口需ATP拓扑异构酶ⅠⅡ对螺旋的作用松弛克服扭结

断端沿螺旋轴松解的方向移动断端沿螺旋轴松解的方向移动有ATP进入负超螺旋作用机制解螺旋酶和拓扑异构酶的联合作用：DNA双链解成单链。

催化二段DNA链之间3’,5’磷酸二酯键的形成3’OH5’5’3’

OO-POO-有缺口的DNA链DNA连接酶ATPAMP+PPi

OO

POO-5’3’缺口封闭四.DNA连接酶连接复制中产生的单链缺口DNA连接酶原核生物DNA复制过程TheProcessofDNAReplicationinProkaryotes第三节需要解决两个问题：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

E.coli复制起始点oriC--特殊的序列约245bp

GATTNTTTATTT···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解链解链过程

DnaB、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。解螺旋酶3

5

3

5

引物3'HO5'引物酶引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。在领头链（模板）上，引物酶（DnaG）与解螺旋酶（DnaB）结合成复合物——解链及引物合成引物酶引物的生成

5'

3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA-polIII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复制过程简图5

5

5

RNA酶OHP5

DNA-polⅠdNTP5

5

PATP

AMP+PPi5

5

DNA连接酶随从链上不连续性片段的连接3

三、复制的终止冈崎片段的连接哺乳动物的细胞周期DNA合成期G1G2SM第四节真核生物DNA生物合成过程TheProcessofDNABiosynthesisineukaryotes

•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启动。一、真核生物复制的起始与原核生物基本相似•复制的起始需要DNA-polα（引物酶活性）和DNA-polδ（解螺旋酶活性）参与。•还需拓扑异构酶和复制因子(RF)。二、真核生物复制的延长发生DNA聚合酶α/δ转换前导链：出现在引发后期后随链：发生于每个冈崎片段合成之际发生DNA聚合酶

/

转换的原因是Pol

不具备持续合成能力。DNA聚合酶

/

转换的关键蛋白是RFC。DNA聚合酶

/

转换3'领头链随从链引物核小体三、真核生物DNA合成后立即组装成核小体亲代DNA真核生物DNA复制与核小体组装同步进行，复制完成后随即组装成染色体真核生物DNA复制完成后，子链末端留下空隙，母链成单链四、端粒酶参与解决染色体末端复制问题1、端粒(telomere)指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。功能•维持染色体的稳定性•维持DNA复制的完整性结构特点•由富含TG的重复序列组成;•人的端粒重复序列为5’-(TnGn)x-3’。TTTTGGGGTTTTGGGG…2、端粒酶(telomerase)

•特点：

1.

由RNA和蛋白质构成的复合物

2.

为特殊的逆转录酶，能以自身的RNA为

模板逆转录合成端粒DNA

•功能：合成端粒DNA，维持端粒的长度端粒酶端粒酶的RNA端粒DNA末端1、端粒酶靠AnCn与母链DNA端粒结合内在模板RNA2、以端粒酶RNA为模版，逆转录，延长DNA母链3、端粒酶移位、空出RNA模板，再次延长母链，同时DNA母链反摺利于下游复制延伸。端粒酶的RNA4、延伸足够长度后端粒酶脱离母链，代之以DNA-Pol。此时母链3′-OH反折，同时作为引物和模板，完成末端双链复制。端粒酶的RNADNA-Pol端粒酶的催化延长作用

——爬行模型逆转录和其他复制方式ReverseTranscriptionandOtherDNAReplicationWay