生物化学 课件 第十一章第一节 DNA的生物合成

第十一章基因信息的传递与表达具有遗传效应的DNA或者RNA序列称为基因（gene）。基因编码的生物活性产物包括RNA和蛋白质，蛋白质是生命活动的主要执行者。

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复制DNARNA蛋白质

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中心法则(thecentraldogma)第一节DNA的生物合成(复制)

DNA的生物合成复制(replication)：是以亲代DNA为模板，按照碱基互补配对原则将遗传信息传递给子代DNA的过程。复制逆转录

复制亲代DNA子代DNA一、DNA的复制复制的基本特征参与DNA复制的主要物质DNA复制的基本过程半保留复制

高保真性双向复制半不连续复制（一）复制的基本特征1半保留性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。半保留复制的概念DNA复制的三种可能方式DNA半保留复制实验

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。

DNA复制的高保真性是指子代DNA与亲代DNA碱基序列保持一致。这是生物物种的生物特征得以传承并保持相对稳定的基础。DNA复制可以保持高保真性的机制在于：①碱基配对规律机制。②防错机制。③纠错机制。遗传的保守性是相对的，变异才是绝对的，没有变异就没有生物的进化。2

高保真性原核生物：•

基因组是环状DNA

•

只有一个复制起始点复制时，DNA从起始点(origin)向两个方向解链，形成两个延伸相反的复制叉，称为双向复制。3双向性

复制时双链打开，分开成两股，各自作为模板，子链沿模板延长所形成的Y字形的结构称为复制叉(replicationfork)。

在原核生物双向复制中，DNA被描述为眼睛状。为说明方便而做的图为

形。ori复制中的放射自显影图象

oriC复制起点真核生物：

•染色体DNA有多个复制起始点。

•两个起始点之间的DNA片段称为复制子(replicon)。

•复制子是独立完成复制的功能单位。真核生物多个复制起始点、复制子与复制叉3´5´5´解链方向随从链(laggingstrand)3

5

3

5

3´领头链(leadingstrand)3´5´冈崎片段(Okazakifragments)新链合成的方向只有一个3

5

4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。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。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。冈崎片段：

•

1968年日本生化学者冈崎用电镜及放射自显影技术，观察到DNA复制中出现一些不连续的片段，将这些不连续的片段称为冈崎片段。

•

原核生物:1000~2000个核苷酸

•

真核生物:100~200个核苷酸（二）参与DNA复制的主要物质模板:解开成单链的DNA母链底物:dNTP(dATP、dGTP、dCTP、dTTP)引物:提供3'-OH末端的寡核苷酸聚合酶:

依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-pol)其他酶和蛋白质因子:拓扑异构酶、解螺旋酶、单链DNA结合蛋白、引物酶、连接酶1．模板与底物DNA的合成有严格的模板依赖性，需以解开的DNA单链为模板，指导4种脱氧磷酸核糖核苷(dNTP)严格按照碱基配对的原则逐一合成新链。DNA合成时的原料(底物)包括四种脱氧三磷酸核糖核苷，即dATP、dGTP、dCTP和dTTP。每聚合1分子核苷酸需水解掉1分子的焦磷酸，其合成为耗能过程。(dNMP)n

+dNTP→(dNMP)n+1

+PPi

2.引物由于DNA聚合酶的5’→3’聚合酶活性不能催化将游离的dNTP直接进行聚合以延伸子代链，因此第一个dNTP需添加到已有的寡核苷酸（RNA)的3’-OH末端上，然后再继续延长，这一寡核苷酸被称为引物(primer)。3.酶类及蛋白因子

（1）解链酶(helicase)解链酶可以和单链DNA结合，并且利用ATP分解产生的能量沿着前导链模板3‘→5’方向移动，催化DNA双螺旋解开成单链。解链酶解链消耗ATP，每解开一对碱基，需要消耗2分子ATP。DnaBDnaC解链方向（2）单链DNA结合蛋白（singlestrandbindingproteins，SSB）单链DNA结合蛋白又称DNA结合蛋白（DNAbindingprotein，DBP），与解开的DNA单链紧密结合，维持单链状态，以利于模板作用的发挥。与复制过程中产生的新的DNA单链结合，以保护新生DNA单链不被核酸酶水解。另外单链结合蛋白能够不断的结合、脱离，可重复使用。（3）引物酶引物酶是一种RNA聚合酶，但与催化转录过程的RNA聚合酶不同。复制起始时，在模板的复制起始部位，引物酶催化RNA引物合成。RNA引物为DNA复制提供3′-OH末端。（4）拓扑异构酶(topoisomerase，Topo)所谓拓扑性质是指物体或图像作弹性移动而又保持物体不变的性质。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。（主要）作用机制

拓扑异构酶Ⅰ的作用拓扑异构酶Ⅱ的作用（5）DNA聚合酶全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase)简称：DNA-pol活性：

5

3

的聚合活性核酸外切酶活性

聚合反应的特点以单链DNA为模板以dNTP为原料引物提供3'-OH聚合方向为5'→3'遵守碱基互补规律

3

5

外切酶活性

（纠错）

5

3

外切酶活性能切除引物和突变的DNA片段。能辨认错配的碱基对，并将其水解。

核酸外切酶活性

表11-1E.coli中三种DNA聚合酶

DNApolⅠDNApolⅡDNApolⅢ分子量（KD）1091202505′→3′外切酶活性+--3′→5′外切酶活性+++5′→3′聚合酶活性+++主要功能校读、填补空隙参与损伤的应急状态修复复制，校读表11-2真核生物DNA聚合酶DNA聚合酶αβγδε分子量（KD）16.54.014.012.525.5细胞定位胞核胞核线粒体胞核胞核3’→5′外切酶活性-++++3’→5′聚合酶活性+++++主要功能引物合成DNA损伤修复线粒体DNA复制DNA复制，错配修复校读、修复和填补缺口（6）DNA连接酶连接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。（三）DNA复制的基本过程起始（replication）延长（elongation）终止（termination）1.起始阶段（1）复制叉的形成（2）引发体的形成（3）引物的生成动画：DNA复制的起始2.延长阶段在复制叉处进行，由DNA聚合酶催化方向：5′3′随从链上新合成的不连续的DNA片段称为冈崎片段。3.终止阶段在DNA子链形成后，当模板上出现DNA复制的终止序列，终止序列能结合多种参与复制终止的蛋白因子，使复制终止，形成两个完整的子代DNA分子。核酸酶将前导链的RNA引物和随后链中各冈崎片段的RNA引物水解，空隙填补由DNA-polⅠ催化dNTP聚合，填补至足够长度后，相邻的3′-OH和5′-P的缺口由DNA连接酶连接，完成基因组DNA复制过程。二、DNA的突变与修复(一)引发DNA突变的因素1.物理因素紫外线(Uv)、电离辐射2.化学因素化学诱变剂、致癌剂3.自发因素DNA复制错误、不明原因的碱基损伤4.生物因素逆转录病毒。(二)基因突变的后果及类型基因突变的后果①致死②致病③改变基因型④进化基因突变的类型1.错配：只有1个碱基发生改变。DNA分子上的碱基错配称点突变。发生在同型碱基之间称为转换。发生在异型碱基之间称为颠换。2.插入：DNA分子中插入原来没有的一个核苷酸或一段DNA片段，DNA分子结构破坏。3.缺失：DNA分子中一个核苷酸或者一段DNA片段丢失。4.移码：插入或缺失的核苷酸数目不是三的倍数，导致三联体密码阅读移位，导致DNA序列信息的彻底改变，也称为框移突变。移码突变所造成的DNA损伤一般远远大于点突变。5.重排：DNA分子内较大片段的交换，又称称为重组。(三)DNA损伤的修复细胞内具有一系列发挥DNA损伤修复作用的酶系统，这些酶可以除去DNA分子上的损伤，修复DNA的正常结构。直接修复切除修复重组修复1.直接修复（光修复）可见光(300-600nm)可激活细胞内的光复活酶，该酶能特异地识别共价交联的嘧啶二聚体，断裂两嘧啶环间形成的共价键，使二聚体解聚，恢复DNA原来的结构2.切除修复切除修复是细胞内最重要的修复机制，其过程包括损伤的DNA片段识别、切除、填补空隙和连接。碱基切除修复核苷酸切除修复碱基错配修复核苷酸切除修复3．重组修复见于DNA分子损伤面较大，还来不及修复完善就进行复制的情况。复制时，亲代链的损伤部位不能作为模板指导子代链的合成，造成子代链上出现缺口，这可以通过重组作用，将另一条正常亲代链相应的部位填补到该缺口，而正常亲代链上又出现了缺口，但因有正常子代链作为模板，可在DNA聚合酶I和DNA连接酶的作用下，使之完全复原4.诱导修复许多能造成DNA损伤或抑制复制的处理均能引起一系