DNA的生物合成-DNA复制（生物化学）

DNA的生物合成生物化学DNA复制生物化学

复制是指以亲代DNA为模板合成子链DNA的过程。复制的方式——半保留复制双向复制半不连续复制复制的高保真性基本规律一、DNA复制的特点(一)半保留复制1.概念

DNA合成时，以亲代DNA解开的两股单链为模板，按碱基配对规律，合成子代DNA的过程。子代DNA，一股单链来源于亲代，另一股单链为新合成。子代和亲代的DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制。AGGTACTGCCTCCATGACGGCCACTGGGGTGACCAGGTATCCATTCCATAGGTAAGGTACTGCCTCCATGACGGAGGTACTGCCTCCATGACGG+母链DNA

复制过程中形成的复制叉子代DNA

密度梯度实验

——实验结果支持半保留复制的设想含重氮-DNA的细菌培养于普通培养液

第一代继续培养于普通培养液

第二代梯度离心结果151415151514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）双向复制原核生物复制中的放射自显影图像2.真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子的复制。习惯上把从一个DNA复制起始点到终止点的复制区域称为复制子。复制子是独立完成复制的功能单位。5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’复制子3’（三）复制的半不连续性3

5

3

5

解链方向3´5´3´3´5´领头链随从链DNA新链生成需引物和模板；新链的延长只可沿5→3

方向进行领头链：顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为。随从链：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。复制中的不连续片段称为冈崎片段。

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。

1.DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读A：DNA-pol的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。B：碱基配对正确，DNA-pol不表现活性。DNA-polⅠ外切活性聚合活性AGA:CGB:5/3/5/3/无活性(四)复制的高保真性2.复制保真性的碱基选择a)DNA聚合酶靠其大分子结构协调非共价(氢键)与共价键(磷酸二酯键)的有序形成。b)嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型，与相应的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于反式构型。

3.DNA复制保真性依赖三种机制

a)遵守严格的碱基配对规律。b)聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能。c)复制出错时DNA-pol的及时校读功能。NN9P-RNHHNN6顺式NN9R-PNHHNN6反式二、DNA复制的体系(一)

原料(substrate)

dATP,dGTP,dCTP,dTTP。(二)模板(template)

解开成单链的DNA母链。(三)

引物(primer)

提供3

-OH末端使dNTP可以依次聚合的RNA(DNA)片断。(四)

酶和蛋白因子1.DNA聚合酶

全称为依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase)，简称DNA-pol。(1)活性：5

3

的聚合活性；3

5

外切酶活性能辨认错配的碱基对，并将其水解；5

3

外切酶活性能切除突变的DNA片段。5´AGCTTCAGGATA

3´

|||||||||||3´TCGAAGTCCTAGCGAC5´?大肠杆菌E.coli中的三种DNA聚合酶分类DNA聚合酶IDNA聚合酶IIDNA聚合酶III分子量(KD)109120900聚合速率(核苷酸/分)1000—600005ˊ→3ˊ聚合酶活性+++3ˊ→5ˊ外切酶活性+++5ˊ→3ˊ外切酶活性+——生物学功能切除引物延长冈崎片段DNA损伤修复延长子链校读作用校读作用DNA损伤修复(2)原核生物的DNA聚合酶DNA-polⅠDNA-polⅡDNA-polⅢ(3)真核生物的DNA聚合酶填补引物空隙，切除修复，重组延长子链的主要酶，解螺旋酶活性线粒体DNA复制起始引发，引物酶活性功能+++--3¢→5¢高高高？中5¢→3¢聚合活性25.512.514.04.016.5分子量（kD）εδγβαDNA-pol填补引物空隙，切除修复，重组延长子链的主要酶，解螺旋酶活性线粒体DNA复制起始引发，引物酶活性+++--3¢→5¢外切酶活性高高高？中5¢→3¢聚合活性25.512.514.04.016.5分子量（kD）εδγβαDNA-pol参与损伤与修复生物学2.复制中的分子解链及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，它才能起模板作用。

（2）解螺旋酶——利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链（3）单链DNA结合蛋白(singlestrandedDNAbindingprotein,SSB)——在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整（1）DNA拓扑异构酶(DNAtopoisomerase)

改变DNA的超螺旋状态，理顺DNA链的酶（5）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。作用方式（4）引物酶(primase)

——复制起始时催化生成RNA引物的酶HO5’3’3’5’DNA连接酶ATPADP5’3’5’3’POO-O-O三、DNA复制的过程

(TheProcessofDNAReplication)(一)复制的起始需要解决两个问题DNA解开成单链，提供模板。合成引物，提供3-OH末端。原核生物的DNA生物合成

DnaADnaB、DnaCDNA拓扑异构酶引物酶SSB3

5

3

5

引发体和引物含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。

3

5

3

5

引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。

引物3'HO5'引物酶

5'

3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA-pol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)复制的延长领头链的合成1.领头链的延长领头链沿着5/→3/方向可以连续的延长。2.随从链的延长复制简图1.原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制片段在复制的终止点(ter)处汇合。oriter

E.coli8232oriterSV40500(三)复制的终止5

5

5

RNA酶OHP5

DNA-polⅠdNTP5

5

PATP

ADP+Pi5

5

DNA连接酶2.随从链上不连续性片段的连接哺乳动物的细胞周期DNA合成期G1G2SM真核生物的DNA生物合成

真核生物DNA复制在细胞周期的S期进行，也可分为起始、延长和终止三个阶段，每个阶段的基本过程与原核生物DNA复制相似，但存在不少差异。

1.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起动。

2.复制的起始需要DNA-polα（引物酶活性）和polδ（解螺旋酶活性）参与。还需拓扑酶和复制因子(replicationfactor,RF)。

3.增殖细胞核抗原(proliferationcellnuclearantigen,PCNA)在复制起始和延长中起关键作用。(一)复制的起始3

5

5

3

领头链3

5

3

5

亲代DNA随从链引物核小体(二)复制的延长

真核生物的聚合酶δ催化子链的延长，并有校正功能。引物和冈崎片段(约200bp)都比较短。

5

3

3

55

3

3

5+5

3

3

3

3

5

5

1.染色体DNA呈线状，复制在末端停止。2.复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连接。3.染色体两端DNA子链上复制的RNA引物，去除后留下空隙。(三)复制的终止1.端粒(telomere)指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。TTTTGGGGTTTTGGGG…(四)端粒与端粒酶3.功能维持染色体的稳定性。维持DNA复制的完整性。2.结构特点由末端单链DNA序列和蛋白质构成。末端序列是多重复富含G、C的短序列。