1、本章主要内容：本章主要内容：4 中心法则中心法则4 DNA复制的半保留性复制的半保留性4 DNA的复制过程的复制过程4 DNA的损伤和修复的损伤和修复4 反转录反转录 Watson and Crick， 1953 人类科学发展历人类科学发展历史上的伟大里程碑。史上的伟大里程碑。 现代生物化学和分子生物学的一个最基本的观点现代生物化学和分子生物学的一个最基本的观点 在生在生命有机体中，基因是唯一能够复制，并且能永远存在的单位，命有机体中，基因是唯一能够复制，并且能永远存在的单位， 而其意义最终须通过蛋白质才体现出来。而其意义最终须通过蛋白质才体现出来。 从从DNADNA到蛋白质，遗传信息的流动遵
2、循着到蛋白质，遗传信息的流动遵循着中心法则中心法则。1.1.中心法则中心法则2.DNA2.DNA的半保留复制的半保留复制半保留复制半保留复制（semiconservative replication） 即新的双链即新的双链DNADNA中，一股链来自模板，中，一股链来自模板，一股链为新合成的。一股链为新合成的。（以原核生物（以原核生物 大肠杆菌为例）大肠杆菌为例）1. 1. 原料原料： dNTPdNTP，MgMg+2. 2. 双链双链DNADNA模板模板3. 3. 引物引物（primerprimer），小片段的），小片段的DNADNA或或RNARNA，常是，常是RNARNA，有游离的有游离的 3
3、OH3OH。引物酶引物酶（primaseprimase，DnaGDnaG），用于合成复制所必需），用于合成复制所必需的的RNARNA引物引物3.DNA3.DNA的复制过程的复制过程3.1 3.1 与复制有关的酶和因子与复制有关的酶和因子5. 解螺旋酶解螺旋酶 ( helicase ) , DnaB, 由由DnaA和和DnaC协助在协助在复制的起始点（复制的起始点（Ori C）上解开双螺旋。）上解开双螺旋。6. 单链结合蛋白单链结合蛋白（SSB，single stranded binding protein）稳定已经解开成两股的稳定已经解开成两股的DNA单链，防止其退火复性。单链，防止其退火复性
4、。7. 7. 拓扑异构酶拓扑异构酶（DNA topoisomeraseDNA topoisomerase） 拓扑一词的含义是指物体或图象做弹性移位而又保持物体拓扑一词的含义是指物体或图象做弹性移位而又保持物体不变的性质。不变的性质。 DNA DNA 分子中存在打结，缠绕、连环的现象。分子中存在打结，缠绕、连环的现象。 I I 型酶：型酶： 切开双链中的一股，使切开双链中的一股，使DNADNA不致打结，切口的不致打结，切口的33端可端可通过自由转动一周再与通过自由转动一周再与55端磷酸连接，不需端磷酸连接，不需ATPATP。II II 型酶：切断处于超螺旋状态中双股链中的某个部位，通过切型酶：切
5、断处于超螺旋状态中双股链中的某个部位，通过切口使超螺旋松弛，利用口使超螺旋松弛，利用ATPATP使使DNADNA恢复复制所要求的负超螺旋恢复复制所要求的负超螺旋状态。状态。8. DNA8. DNA聚合酶聚合酶（DNApolymeraseDNApolymerase）聚合酶聚合酶III III 主要的复制酶，并有校读、纠错的功能主要的复制酶，并有校读、纠错的功能 53 53 延伸多核苷酸链，活性很强延伸多核苷酸链，活性很强, ,有模板依赖性，其延伸有模板依赖性，其延伸的方的方 式是依据碱基互补配对的原则，将原料式是依据碱基互补配对的原则，将原料dNTPdNTP与游离的与游离的3 OH3 OH上连接
6、，同时释出一个上连接，同时释出一个PPiPPi 。 35 35 外切酶切除可能错配的核苷酸外切酶切除可能错配的核苷酸聚合酶聚合酶 I I 用于切除引物用于切除引物RNA,RNA,并填补留下的空隙并填补留下的空隙 5353延伸多核苷酸链延伸多核苷酸链, , 35 35 外切酶的作用，切除可能错配的核苷酸外切酶的作用，切除可能错配的核苷酸 53 53 外切酶的作用是切除引物外切酶的作用是切除引物聚合酶聚合酶II II 活性弱活性弱 5353延伸多核苷酸链延伸多核苷酸链 35 35 外切酶外切酶DNADNA聚合酶延伸多核苷酸链总是聚合酶延伸多核苷酸链总是5 35 3聚合酶催化的链延长反应聚合酶催化的
7、链延长反应 DNA聚合酶聚合酶DNA聚合酶聚合酶DNA聚合酶聚合酶不同种类亚基数目不同种类亚基数目1710相对分子质量相对分子质量103 00088 000900 000 5 3 核酸聚合酶核酸聚合酶活性活性+3 5 核酸外切酶核酸外切酶活性活性+5 3 核酸外切酶核酸外切酶活性活性+-聚合速度（核苷酸聚合速度（核苷酸/分）分）1 0001200240015 00060 000持续合成能力持续合成能力32001500500 000分子数分子数/细胞细胞4001001020功能功能切除引物，修复切除引物，修复修复修复复制复制 真核的真核的DNADNA聚合酶聚合酶 真核真核DNADNA的复制至少涉
8、及的复制至少涉及5 5种复制酶，种复制酶，其中其中、参与染色体参与染色体DNADNA的复制，的复制，有引物要求；有引物要求； 负责负责DNADNA的修复；的修复； 的功能是线粒体的功能是线粒体DNADNA的复制的复制。 9. DNA9. DNA连接酶（连接酶（ligaseligase） 将不连续的将不连续的DNADNA片段以磷酸二酯键连接起来，原核生物片段以磷酸二酯键连接起来，原核生物通过分解通过分解NADNAD为为NMNNMN和和PiPi提供能量，真核生物则消耗提供能量，真核生物则消耗ATPATP 复制的起始在原核生物只有一个起始点（复制的起始在原核生物只有一个起始点（OriCOriC），而
9、在真核生物有多），而在真核生物有多个起始点。个起始点。 DnaBDnaB（解螺旋酶，（解螺旋酶，reprep蛋白），蛋白）， DnaA DnaA 和和DnaCDnaC参与解链，形成参与解链，形成复制叉复制叉（replication forkreplication fork），），SSBSSB结合并稳定解开的单股结合并稳定解开的单股DNADNA链；引物酶链；引物酶（DnaGDnaG）与上述因子、酶构成）与上述因子、酶构成引发体引发体（primosomeprimosome），并合成），并合成RNARNA引物。引物。解链造成的超螺旋，由解链造成的超螺旋，由拓扑异构酶拓扑异构酶实现超螺旋的转型，即把正
10、超螺旋实现超螺旋的转型，即把正超螺旋转变为负超螺旋。转变为负超螺旋。3.DNA3.DNA的复制过程的复制过程3.2 DNA3.2 DNA复制过程复制过程 复制的起始复制的起始复制起始点复制起始点原核真核复制叉 原核生物复制的起始原核生物复制的起始 这个过程由这个过程由DNADNA聚合酶聚合酶IIIIII催化，它是催化，它是主要的复制酶主要的复制酶。领头链（领头链（leading chainleading chain）：）：为连续合成，合成方向与解链方向一致，为连续合成，合成方向与解链方向一致，它的模板它的模板DNADNA链是链是 53 53 链。链。滞后链（滞后链（lagging chain
11、lagging chain ）：）：不连续合成，在不连续合成，在RNARNA引物基础上分段合引物基础上分段合成成DNADNA小片段小片段（冈崎片段）（冈崎片段），方向与解链方向相反，它的模板，方向与解链方向相反，它的模板DNADNA链是链是3535链。链。 由此可见，整个由此可见，整个DNADNA分子的复制是分子的复制是半不连续半不连续的。的。 多肽链的延伸多肽链的延伸半不连续复制示意图半不连续复制示意图 复制叉上各种酶与蛋白因子的作用和作用部位复制叉上各种酶与蛋白因子的作用和作用部位复制叉的结构复制叉的结构 复制的终止复制的终止由由DNA聚合酶聚合酶I完成切除引物，并且填补空隙，由完成切除引
12、物，并且填补空隙，由DNA连接酶连接酶将将DNA片段片段连接起来。连接起来。在真核生物，由在真核生物，由端粒酶端粒酶（telomerasetelomerase）催化）催化, , 在真核线性在真核线性DNADNA的的末端形成一种特殊的结构并与蛋白质结合成末端形成一种特殊的结构并与蛋白质结合成端粒端粒（telomeretelomere）。）。 端粒由成百个端粒由成百个6个核苷酸的重复序列所组成（人为个核苷酸的重复序列所组成（人为TTAGGG，四膜虫为四膜虫为TTGGGG）。端粒的功能为稳定染色体的末端结构，）。端粒的功能为稳定染色体的末端结构，防止染色体间末端连接，并可补偿滞后链防止染色体间末端连
13、接，并可补偿滞后链5-末端在消除末端在消除RNA引物后造成的空缺。复制可使端粒引物后造成的空缺。复制可使端粒5末端缩短，而端末端缩短，而端粒酶（粒酶（telomerase）可外加重复单位到）可外加重复单位到5-末端上，结果使末端上，结果使端粒维持一定的长度。端粒维持一定的长度。胸腺嘧啶二聚体胸腺嘧啶二聚体 DNADNA的突变的突变( (损伤损伤) )大多数是大多数是自发的，是进化与分化的基础。自发的，是进化与分化的基础。 环境中的理化因素，如紫外环境中的理化因素，如紫外辐射引起两个嘧啶碱基的共价辐射引起两个嘧啶碱基的共价聚合。许多化学诱变剂，它们聚合。许多化学诱变剂，它们常是致癌物常是致癌物,
14、 ,如亚硝酸盐，常如亚硝酸盐，常导致导致DNADNA突变。突变。 DNADNA的突变有点突变（碱基的突变有点突变（碱基的错配）、碱基的缺失、的错配）、碱基的缺失、DNADNA片片段的重排等形式。段的重排等形式。4.DNA4.DNA的损伤与修复的损伤与修复4.1 DNA4.1 DNA的损伤的损伤直接修复：直接修复：如光复活酶如光复活酶, ,普遍存在在生物机体中普遍存在在生物机体中, ,可以把嘧啶二聚可以把嘧啶二聚体恢复正常状态。体恢复正常状态。切除修复：切除修复：找出损伤位置并切除，进行修复合成并连接。找出损伤位置并切除，进行修复合成并连接。重组修复：重组修复： 先复制再修复。子代链在对应模板链
15、的损伤处留下先复制再修复。子代链在对应模板链的损伤处留下缺口，先将同源母链缺口，先将同源母链DNADNA上相应的核苷酸片段转移替补，然后上相应的核苷酸片段转移替补，然后再合成一段序列填充缺口。再合成一段序列填充缺口。SOSSOS系统：系统：复杂的应急反应。既有避免差错的修复又有引起差错复杂的应急反应。既有避免差错的修复又有引起差错的修复，后者有高变异率但也增加了生存机会。的修复，后者有高变异率但也增加了生存机会。4.DNA4.DNA的损伤与修复的损伤与修复4.2 DNA4.2 DNA损伤的修复损伤的修复切除修复切除修复重组修复重组修复 逆转录也称反转录，是某些生物（如鸡的肉瘤病毒、逆转录也称反
16、转录，是某些生物（如鸡的肉瘤病毒、HIVHIV等）的特等）的特殊复制方式。它们的遗传信息载体是殊复制方式。它们的遗传信息载体是RNA RNA 而不是而不是DNADNA。因此，在感染细。因此，在感染细胞时，首先经过逆转录作用成为双链胞时，首先经过逆转录作用成为双链DNADNA，才能整合到宿主基因组中去。，才能整合到宿主基因组中去。 这个过程由逆转录酶催化，它具有以这个过程由逆转录酶催化，它具有以RNARNA为模板合成为模板合成DNADNA，水解杂，水解杂交链上的交链上的RNARNA以及以以及以DNADNA为模板合成为模板合成DNADNA三种活性。三种活性。 逆转录现象和逆转录现象和逆转录酶（逆转录酶（reverse transcriptasereverse transcriptase）（H. TeminH. Temin，19701970）是分子生物学研究中的重大发现，是对经典中心法则重要补充。）是分子生物学研究中的重大发现，是对经典中心法则重要补充。5.5.逆转录作用逆转录作用以以RNARNA为模板合成为模板合成DNADNA本本 章章 结结 束束
