1、Ch11.1Genetics第第11章章 遗传的分子基础遗传的分子基础GeneticsCh11.2目目 录录 第一节第一节 DNA作为主要遗传物质的证据作为主要遗传物质的证据 第二节第二节 DNA的分子结构的分子结构 第三节第三节 DNA的复制的复制 第四节第四节 DNA与蛋白质合成与蛋白质合成 第五节第五节 基因的概念与发展基因的概念与发展 第六节第六节 遗传工程遗传工程GeneticsCh11.3第一节 DNA作为主要遗传物质的证据 基因存在于染色体上。基因存在于染色体上。从化学上分析，生物的染色体是核酸和蛋白质的复合物。从化学上分析，生物的染色体是核酸和蛋白质的复合物。其中，核酸主要是脱
2、氧核糖核酸其中，核酸主要是脱氧核糖核酸(DNA)，在染色体中平均，在染色体中平均约占约占27%；其次是核糖核酸其次是核糖核酸(RNA)约占约占6%；蛋白质约占蛋白质约占66%，主要有组蛋白与非组蛋白两种，其中组，主要有组蛋白与非组蛋白两种，其中组蛋白的含量比较稳定，根据细胞的类型与代谢活动，非组蛋白的含量比较稳定，根据细胞的类型与代谢活动，非组蛋白的含量与性质变化较大。蛋白的含量与性质变化较大。此外，还含有少量的拟脂与无机物质。此外，还含有少量的拟脂与无机物质。GeneticsCh11.4DNA作为主要遗传物质的间接证据 大部分大部分DNA存在于染色体上，而存在于染色体上，而RNA和蛋白质在和
3、蛋白质在细胞质内也很多。细胞质内也很多。每个物种不同组织的细胞不论其大小和功能如何，每个物种不同组织的细胞不论其大小和功能如何，它们的它们的DNA含量是恒定的，而且精子或卵子中的含量是恒定的，而且精子或卵子中的DNA含量正好是体细胞的一半；而细胞内的含量正好是体细胞的一半；而细胞内的RNA和蛋白质量在不同细胞间变化很大。和蛋白质量在不同细胞间变化很大。另外，多倍体系列的一些物种，其细胞中另外，多倍体系列的一些物种，其细胞中DNA的的含量随染色体倍数的增加，也呈现倍数性的递增。含量随染色体倍数的增加，也呈现倍数性的递增。GeneticsCh11.5DNA作为主要遗传物质的间接证据 DNA在代谢上
4、比较稳定。细胞内蛋白质和在代谢上比较稳定。细胞内蛋白质和RNA分分子与子与DNA分子不同，它们在迅速形成的同时，又分子不同，它们在迅速形成的同时，又不断分解。不断分解。用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，其最用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，其最有效的波长均为有效的波长均为260nm。这与。这与DNA所吸收的紫外所吸收的紫外线光谱是一致的，亦即在线光谱是一致的，亦即在260nm处吸收最多。这处吸收最多。这证明基因突变是与证明基因突变是与DNA分子的变异密切相联系的。分子的变异密切相联系的。GeneticsCh11.6DNA作为主要遗传物质的直接证据(一一)细菌的转化 (二二)噬菌体的侵染
5、(三三)烟草花叶病毒的感染GeneticsCh11.7(一一)细菌的转化 肺炎双球菌有两种不同的类型：肺炎双球菌有两种不同的类型：一种是光滑型一种是光滑型(S型型)，被一层多糖类，被一层多糖类的荚膜所保护，的荚膜所保护，具有毒性具有毒性，在培养基，在培养基上形成光滑的菌落。上形成光滑的菌落。另一种是粗糙型另一种是粗糙型(R型型)，没有荚膜和，没有荚膜和毒性，在培养基上形成粗糙的菌落。毒性，在培养基上形成粗糙的菌落。在在R型和型和S型内还可以按血清免疫反型内还可以按血清免疫反应的不同，分成许多抗原型，常用应的不同，分成许多抗原型，常用I R、II R和和I S、II S、III S等加以区等加以
6、区别。别。GeneticsCh11.8(一一)细菌的转化 1928年，年，Griffith首次首次将一种类型的肺炎双将一种类型的肺炎双球菌球菌II R转化为另一转化为另一种类型种类型III S，实现了，实现了细菌遗传性状的定向细菌遗传性状的定向转化。转化。GeneticsCh11.9(一一)细菌的转化 实验的方法是先将少实验的方法是先将少量无毒的量无毒的II R型肺炎型肺炎双球菌注入家鼠体内，双球菌注入家鼠体内，再将大量有毒但已加再将大量有毒但已加热热(65oC)杀死的杀死的III S型肺炎双球菌注入。型肺炎双球菌注入。结果，家鼠发病死亡。结果，家鼠发病死亡。从死鼠体内分离出的从死鼠体内分离出
7、的肺炎双球菌全部是肺炎双球菌全部是III S型。型。GeneticsCh11.10(一一)细菌的转化 可以肯定，被加热杀可以肯定，被加热杀死的死的III S型肺炎双球型肺炎双球菌必然含有某种促成菌必然含有某种促成这一转变的活性物质。这一转变的活性物质。但当时并不知道这种但当时并不知道这种物质是什么。物质是什么。GeneticsCh11.11(一一)细菌的转化 十六年后，十六年后，Avery等用生物化学方法证明这种活性等用生物化学方法证明这种活性物质是物质是DNA。他们不仅成功地重复了上述的试验，。他们不仅成功地重复了上述的试验，而且将而且将III S型细菌的型细菌的DNA提取物与提取物与II
8、R型细菌混型细菌混合在一起，在离体培养的条件下，也成功地使少合在一起，在离体培养的条件下，也成功地使少数数II R型细菌定向转化为型细菌定向转化为III S型细菌。其所以确型细菌。其所以确认导致转化的物质是认导致转化的物质是DNA，是因为该提取物不受，是因为该提取物不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酸酶的影响，而只能为蛋白酶、多糖酶和核糖核酸酶的影响，而只能为DNA酶所破坏。酶所破坏。GeneticsCh11.12(一一)细菌的转化 GeneticsCh11.13(二二)噬菌体的侵染 Hershey等用同位素等用同位素32P和和35S分分别标记别标记T2噬菌体的噬菌体的DNA与蛋与蛋白质。因为白质。因
9、为P是是DNA的组分，的组分，但不见于蛋白质；而但不见于蛋白质；而S是蛋白是蛋白质的组分，但不见于质的组分，但不见于DNA。然后用标记的然后用标记的T2噬菌体噬菌体(32P或或35S)分别感染大肠杆菌，经分别感染大肠杆菌，经10分钟后，用搅拌器甩掉附着于分钟后，用搅拌器甩掉附着于细胞外面的噬菌体外壳。细胞外面的噬菌体外壳。GeneticsCh11.14(二二)噬菌体的侵染 在第一种情况下，基本上全部放射活性见于细菌内而不被在第一种情况下，基本上全部放射活性见于细菌内而不被甩掉并可传递给子代。甩掉并可传递给子代。GeneticsCh11.15(二二)噬菌体的侵染 在第二种情况下，放射性活性大部分
10、见于被甩掉的外壳中，在第二种情况下，放射性活性大部分见于被甩掉的外壳中，细菌内只有较低的放射性活性，且不能传递给子代。细菌内只有较低的放射性活性，且不能传递给子代。GeneticsCh11.16(三三)烟草花叶病毒的感染 烟草花叶病毒烟草花叶病毒(TMV)是由是由RNA(不是不是DNA)与蛋白与蛋白质组成的管状微粒，它的中心是单螺旋的质组成的管状微粒，它的中心是单螺旋的RNA，外部是由蛋白质组成的外壳。外部是由蛋白质组成的外壳。GeneticsCh11.17(三三)烟草花叶病毒的感染 如果将如果将TMV的的RNA与蛋白质分开，把提纯的与蛋白质分开，把提纯的RNA接种到烟叶上，可以形成新的接种到
11、烟叶上，可以形成新的TMV而使烟草而使烟草发病；单纯利用它的蛋白质接种，就不能形成新发病；单纯利用它的蛋白质接种，就不能形成新的的TMV，烟草继续保持健壮。如果事先用，烟草继续保持健壮。如果事先用RNA酶酶处理提纯的处理提纯的RNA，再接种到烟草上，也不能产生，再接种到烟草上，也不能产生新的新的TMV。这说明在不含。这说明在不含DNA的的TMV中，中，RNA就是遗传物质。就是遗传物质。GeneticsCh11.18(三三)烟草花叶病毒的感染 为了进一步论证上述的结论，为了进一步论证上述的结论，Frankel-Conrat,和和Singer把把TMV的的RNA与另一个病毒品与另一个病毒品系系(H
12、R,Holmes ribgrass)的的蛋白质，重新合成混合的烟蛋白质，重新合成混合的烟草花叶病毒，用它感染烟草草花叶病毒，用它感染烟草叶片时，所产生的新病毒颗叶片时，所产生的新病毒颗粒与提供粒与提供RNA的品系完全一的品系完全一样，亦即亲本的样，亦即亲本的RNA决定了决定了后代的病毒类型后代的病毒类型。GeneticsCh11.19结结 论论 以上实例均直接证明以上实例均直接证明DNA是生物主要的遗是生物主要的遗传物质，而在缺少传物质，而在缺少DNA的生物中，的生物中，RNA则则为遗传物质。为遗传物质。GeneticsCh11.20第二节 DNA的分子结构与复制 1、两种核酸及其分布 2、D
13、NA的分子结构 3、RNA的分子结构GeneticsCh11.211、两种核酸及其分布 核酸核酸(nucleic acid)是一种高分子的化合物，它的构成单元是一种高分子的化合物，它的构成单元是核苷酸是核苷酸(nucleotide)，是核苷酸的多聚体。每个核苷酸包，是核苷酸的多聚体。每个核苷酸包括三部分：五碳糖、磷酸和环状的含氮碱基；这种碱基包括三部分：五碳糖、磷酸和环状的含氮碱基；这种碱基包括双环结构的嘌呤括双环结构的嘌呤(purine)和单环结构的嘧啶和单环结构的嘧啶(pyrimidine)。两个核苷酸之间由两个核苷酸之间由3和和5位的磷酸二脂键相连。位的磷酸二脂键相连。GeneticsC
14、h11.22OHOCH2糖糖HHH一个核苷酸一个核苷酸一磷酸腺苷一磷酸腺苷(AMP)OHNH2NNNN碱基碱基POOHHOO磷酸磷酸23451核苷酸核苷H+-GeneticsCh11.231、两种核酸及其分布 核酸有两种：脱氧核糖核酸核酸有两种：脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸和核糖核酸(RNA)。两种核酸的主要区别如下：两种核酸的主要区别如下：(1)DNA含的糖分子是脱氧核糖，含的糖分子是脱氧核糖，RNA含的是核糖；含的是核糖；(2)DNA含有的碱基是腺嘌呤含有的碱基是腺嘌呤(A)、胞嘧啶、胞嘧啶(C)、鸟嘌、鸟嘌呤呤(G)和胸腺嘧啶和胸腺嘧啶(T)；RNA含有的碱基前三个与含有的碱基前三个
15、与DNA完全相同，只有最后一个胸腺嘧啶被尿嘧啶完全相同，只有最后一个胸腺嘧啶被尿嘧啶(U)所代所代替替(图图)。GeneticsCh11.24嘧啶嘧啶NH2ONNNHN鸟嘌呤鸟嘌呤NN腺嘌呤腺嘌呤NNNH2NONH2NONH2N胞嘧啶胞嘧啶尿嘧啶尿嘧啶(RNA)CH3NONONHNONONH胸腺嘧啶胸腺嘧啶(DNA)嘌呤嘌呤GeneticsCh11.251、两种核酸及其分布 (3)DNA通常是双链，通常是双链，RNA主要为单链；主要为单链；DNA的分子的分子链一般较长，而链一般较长，而RNA分子链较短。分子链较短。(4)真核生物的绝大部分真核生物的绝大部分DNA存在于细胞核内的染色存在于细胞核
16、内的染色体上，它是构成染色体的主要成分之一，还有少量的体上，它是构成染色体的主要成分之一，还有少量的DNA存在于细胞质中的叶绿体、线粒体等细胞器内。存在于细胞质中的叶绿体、线粒体等细胞器内。RNA在细胞核和细胞质中都有，核内则更多地集中在在细胞核和细胞质中都有，核内则更多地集中在核仁上，少量在染色体上。细菌也含有核仁上，少量在染色体上。细菌也含有DNA和和RNA。多数噬菌体只有多数噬菌体只有DNA；多数植物病毒只有；多数植物病毒只有RNA；动；动物病毒有些含有物病毒有些含有RNA，有些含有，有些含有DNA。GeneticsCh11.262、DNA的分子结构(一一)DNA的双螺旋结构 (二二)D
17、NA构型的变异 GeneticsCh11.27(一一)DNA的双螺旋结构 DNA分子是脱氧核苷酸的多聚体。因为构成分子是脱氧核苷酸的多聚体。因为构成DNA的碱基通常有四种，所以，脱氧核苷酸也有四种，的碱基通常有四种，所以，脱氧核苷酸也有四种，即：即：脱氧腺嘌呤核苷酸脱氧腺嘌呤核苷酸(dATP)脱氧胸腺嘧啶核苷酸脱氧胸腺嘧啶核苷酸(dTTP)脱氧鸟嘌呤核苷酸脱氧鸟嘌呤核苷酸(dGTP)脱氧胞嘧啶核苷酸脱氧胞嘧啶核苷酸(dCTP)(图图)GeneticsCh11.28(一一)DNA的双螺旋结构 1953年，瓦特森年，瓦特森(Watson,J.D.)和克里克和克里克(Crick,F.)根据根据碱基互
18、补配对的规律以及碱基互补配对的规律以及对对DNA分子的分子的X射线衍射研射线衍射研究的成果，提出了著名的究的成果，提出了著名的DNA双螺旋结构模型。双螺旋结构模型。这个模型已为以后拍摄的这个模型已为以后拍摄的电镜直观形象所证实。电镜直观形象所证实。GeneticsCh11.29(一一)DNA的双螺旋结构 这个空间构型满足了分子这个空间构型满足了分子遗传学需要解答的许多问遗传学需要解答的许多问题，例如：题，例如：DNA的复制、的复制、DNA对于遗传信息的贮存对于遗传信息的贮存及其改变和传递等，从而及其改变和传递等，从而奠定了分子遗传学的基础。奠定了分子遗传学的基础。GeneticsCh11.30
19、(一一)DNA的双螺旋结构 瓦特森瓦特森(Watson,J.D.)和和克里克克里克(Crick,F.)模型最模型最主要特点有：主要特点有：(1)两条多核苷酸链以右两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，彼此以手螺旋的形式，彼此以一定的空间距离，平行一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，很地环绕于同一轴上，很象一个扭曲起来的梯子。象一个扭曲起来的梯子。GeneticsCh11.31(一一)DNA的双螺旋结构(2)两条多核苷酸链走向两条多核苷酸链走向为反向平行。即一条链为反向平行。即一条链磷酸二脂键为磷酸二脂键为53方方向，而另一条为向，而另一条为35方向，二者刚好相反。方向，二者刚好相反。亦即一条链对另
20、一条链亦即一条链对另一条链是颠倒过来的，这称为是颠倒过来的，这称为反向平行反向平行。GeneticsCh11.32(一一)DNA的双螺旋结构(3)每条长链的内侧是扁每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过氢键与它另一方面通过氢键与它互补的碱基相联系，相互补的碱基相联系，相互层叠宛如一级一级的互层叠宛如一级一级的梯子横档。互补碱基对梯子横档。互补碱基对A与与T之间形成两对氢键，之间形成两对氢键，而而C与与G之间形成三对氢之间形成三对氢键。上下碱基对之间的键。上下碱基对之间的距离为距离为3.4。GeneticsCh11.33
21、糖糖-磷酸骨架磷酸骨架HPOHOOOCH2HOHPOOHOOOCH2HPOOHHOOOCH2NH2NNNNOONH2NNHNNNONH2NB A S E SDNAOHPOHOOOCH2HOOH2NNHNNNHHPOHOOCH2OONOH2NNHH2OHOHPOOHOOCH2CH3OOHNNH2OGeneticsCh11.34(一一)DNA的双螺旋结构(4)每 个 螺 旋 为每 个 螺 旋 为34(3.4nm)长，刚好含长，刚好含有有10个碱基对，其直径个碱基对，其直径约为约为20。(5)在双螺旋分子的表面在双螺旋分子的表面大沟大沟(major groove)和小和小沟沟(minor groov
22、e)交替出交替出现。现。GeneticsCh11.35(二二)DNA构型的变异 近来发现近来发现DNA的构型并不的构型并不是固定不变的，除主要以是固定不变的，除主要以瓦特森和克里克提出的右瓦特森和克里克提出的右手双螺旋构型存在外，还手双螺旋构型存在外，还有许多变型。有许多变型。所以现在一般将瓦特森和所以现在一般将瓦特森和克里克提出的双螺旋构型克里克提出的双螺旋构型称作称作B-DNA。B-DNAGeneticsCh11.36(二二)DNA构型的变异 B-DNA是是DNA在生理状态下的在生理状态下的构型。生活细胞中极大多数构型。生活细胞中极大多数DNA以以B-DNA形式存在。形式存在。但当外界环境
23、条件发生变化时，但当外界环境条件发生变化时，DNA的构型也会发生变化。的构型也会发生变化。实际上在生活细胞内，实际上在生活细胞内，B-DNA一螺圈也并不是正好一螺圈也并不是正好10个核苷个核苷酸对，而平均一般为酸对，而平均一般为10.4对。对。B-DNAGeneticsCh11.37(二二)DNA构型的变异 当当DNA在高盐浓度下时，则以在高盐浓度下时，则以A-DNA形式存在。形式存在。A-DNA是是DNA的脱水构型，它也的脱水构型，它也是右手螺旋，但每螺圈含有是右手螺旋，但每螺圈含有11个个核苷酸对。核苷酸对。A-DNA比较短和密，比较短和密，其平均直径为其平均直径为23。大沟深而窄，。大沟
24、深而窄，小沟宽而浅。小沟宽而浅。在活体内在活体内DNA并不以并不以A构型存在，构型存在，但细胞内但细胞内DNA-RNA或或RNA-RNA双螺旋结构，却与双螺旋结构，却与A-DNA非常相非常相似。似。A-DNAGeneticsCh11.38(二二)DNA构型的变异 现在还发现，某些现在还发现，某些DNA序列可以序列可以以左手螺旋的形式存在，称为以左手螺旋的形式存在，称为Z-DNA。当某些当某些DNA序列富含序列富含G-C，并且，并且在嘌呤和嘧啶交替出现时，可形在嘌呤和嘧啶交替出现时，可形成成Z-DNA。Z-DNA除左手螺旋外，其每个螺除左手螺旋外，其每个螺圈含有圈含有12个碱基对。分子直径为个碱
25、基对。分子直径为18，并只有一个深沟。，并只有一个深沟。现在还不知道，现在还不知道，Z-DNA在体内是在体内是否存在。否存在。Z-DNAGeneticsCh11.39(二二)DNA构型的变异 DNA结构除上述构型变化外，在体内还以结构除上述构型变化外，在体内还以超螺旋的形式存在。从病毒到高等生物，的形式存在。从病毒到高等生物，DNA在生物体在生物体内均表现为负超螺旋内均表现为负超螺旋(negative supercoil)形式。负形式。负超螺旋是超螺旋是DNA复制过程中，在拓扑异构酶的催化复制过程中，在拓扑异构酶的催化下形成。现在已有很多证据表明，这种负超螺旋下形成。现在已有很多证据表明，这种
26、负超螺旋结构与结构与DNA复制、重组以及基因的表达和调控有复制、重组以及基因的表达和调控有关。关。GeneticsCh11.40(二二)DNA构型的变异 Illustration of DNA supercoilingGeneticsCh11.413、RNA的分子结构 就化学组成上看，就化学组成上看，RNA也也是由四种核苷酸组成的多是由四种核苷酸组成的多聚体。聚体。它与它与DNA的不同，首先在的不同，首先在于以于以U代替了代替了T，其次是用，其次是用核糖代替了脱氧核糖，此核糖代替了脱氧核糖，此外，还有一个重要的不同外，还有一个重要的不同点，就是绝大部分点，就是绝大部分RNA以以单链形式存在，但
27、可以折单链形式存在，但可以折叠起来形成若干双链区域。叠起来形成若干双链区域。GeneticsCh11.423、RNA的分子结构 在这些区域内，凡互补的在这些区域内，凡互补的碱基对间可以形成氢键。碱基对间可以形成氢键。有一些以有一些以RNA为遗传物为遗传物质的动物病毒含有双链质的动物病毒含有双链RNA。GeneticsCh11.43第三节 DNA的复制 1、DNA复制的一般特点 2、原核生物DNA合成 3、真核生物合成的特点GeneticsCh11.441、DNA复制的一般特点(一一)半保留复制：半保留复制：Watson 和和Crick发表了发表了DNA双螺旋模型之后不久，于同双螺旋模型之后不久
28、，于同年又紧接着发表了年又紧接着发表了DNA半保留复制的复制机理，这一建的复制机理，这一建立在碱基互补基础上的机制立在碱基互补基础上的机制为转录、修复、重组、分子为转录、修复、重组、分子杂交等奠定了基础。杂交等奠定了基础。GeneticsCh11.451、DNA复制的一般特点(一一)半保留复制：半保留复制：Watson 和和Crick认为：认为：“DNA自我复制并不依赖自我复制并不依赖于特异的蛋白质的合成，于特异的蛋白质的合成，DNA双螺旋中的每一条互双螺旋中的每一条互补补DNA链，在合成它的一链，在合成它的一条互补新链时都可以作为条互补新链时都可以作为模板模板”。GeneticsCh11.4
29、61、DNA复制的一般特点(一一)半保留复制：半保留复制：复制时复制时“连接互补链的氢连接互补链的氢键必须断裂，两条链还必键必须断裂，两条链还必须解缠和分离。很可能这须解缠和分离。很可能这种单链本身可以呈螺旋构种单链本身可以呈螺旋构型，并作为模板，游离的型，并作为模板，游离的核苷酸通过形成氢键自动核苷酸通过形成氢键自动地结合到它上面地结合到它上面”。这就这就是是DNA复制的复制的半保留模半保留模型型。GeneticsCh11.471、DNA复制的一般特点(二二)复制起点和复制方向：复制起点和复制方向：在极大多数细菌及病毒中，在极大多数细菌及病毒中，只有一个复制起点，控制只有一个复制起点，控制整
30、个染色体的复制。所以整个染色体的复制。所以整个染色体也就是一个整个染色体也就是一个复复制子制子(replicon)。复制子是。复制子是指在同一个复制起点控制指在同一个复制起点控制下合成的一段下合成的一段DNA序列。序列。GeneticsCh11.481、DNA复制的一般特点(二二)复制起点和复制方向：复制起点和复制方向：在真核生物中，每条染色在真核生物中，每条染色体的体的DNA复制则是多起点复制则是多起点的，多个复制起点共同控的，多个复制起点共同控制一条染色体的复制，即制一条染色体的复制，即每条染色体有多个复制子。每条染色体有多个复制子。GeneticsCh11.491、DNA复制的一般特点G
31、eneticsCh11.501、DNA复制的一般特点(二二)复制起点和复制方向：复制起点和复制方向：大肠杆菌和其它许多原核生大肠杆菌和其它许多原核生物的环状物的环状DNA复制是双向的。复制是双向的。即即DNA的复制从复制起点开的复制从复制起点开始，向二个方向同时进行，始，向二个方向同时进行，最后相遇，完成复制。最后相遇，完成复制。真核生物的复制也是双向的。真核生物的复制也是双向的。GeneticsCh11.511、DNA复制的一般特点(二二)复制起点和复制方向：复制起点和复制方向：但近来发现，并不是所有的但近来发现，并不是所有的生物生物DNA的复制都是双向的，的复制都是双向的，如：噬菌体如：噬
32、菌体P2，其，其DNA的复的复制就是沿一个方向进行的。制就是沿一个方向进行的。GeneticsCh11.522、原核生物DNA合成 (一一)有关DNA合成的酶(二)DNA复制的过程 GeneticsCh11.53(一一)有关DNA合成的酶 1957年年Kornberg及其同事，从大肠杆菌中分离出及其同事，从大肠杆菌中分离出DNA聚合酶聚合酶I（polymerase I），这种聚合酶在有），这种聚合酶在有DNA、4种脱氧核苷酸及种脱氧核苷酸及Mg+的情况下，在离体的情况下，在离体条件下可以合成条件下可以合成DNA。后来发现，后来发现，DNA聚合酶聚合酶I并不能直接起始并不能直接起始DNA的的合成
33、，只有在引物合成，只有在引物DNA提供提供3端自由羟基的情况端自由羟基的情况下，才使下，才使DNA链从链从5向向3方向延伸。方向延伸。GeneticsCh11.54(一一)有关DNA合成的酶 DNA聚合酶聚合酶I由一条多肽链组成，含有由一条多肽链组成，含有928个氨基个氨基酸，分子量约为酸，分子量约为109,000道尔顿，编码此酶的基因道尔顿，编码此酶的基因为为pol A。但是后来发现此酶可能不是直接控制大。但是后来发现此酶可能不是直接控制大肠杆菌体内肠杆菌体内DNA复制的酶。因为此酶在体外合成复制的酶。因为此酶在体外合成DNA的速度很慢，另外其合成单链的速度很慢，另外其合成单链DNA比合成双
34、比合成双链链DNA效率要高得多，同时发现它既能合成效率要高得多，同时发现它既能合成DNA，也能降解也能降解DNA。GeneticsCh11.55(一一)有关DNA合成的酶 DNA聚合酶聚合酶I除具有除具有53聚合酶功能外，还具有聚合酶功能外，还具有35核酸外切酶和核酸外切酶和53核酸外切酶的功能。核酸外切酶的功能。后来，从后来，从pol A基因突变株中又分离出二种基因突变株中又分离出二种DNA聚聚合酶，分别命名为合酶，分别命名为DNA聚合酶聚合酶II和和DNA聚合酶聚合酶III。并发现在含有并发现在含有DNA聚合酶聚合酶I的正常菌株中也同样含的正常菌株中也同样含有这二种酶。有这二种酶。Gene
35、ticsCh11.56(一一)有关DNA合成的酶 DNA聚合酶聚合酶II是一种起修复作用的是一种起修复作用的DNA聚合酶，具有聚合酶，具有53核酸聚合酶的功能外，还有核酸聚合酶的功能外，还有35核酸外切酶的功能，核酸外切酶的功能，但是没有但是没有53外切酶的功能。它由一条多肽链组成，其外切酶的功能。它由一条多肽链组成，其分子量约为分子量约为90,000道尔顿。道尔顿。DNA聚合酶聚合酶III结构比较复杂，它至少有结构比较复杂，它至少有20个亚基组成，个亚基组成，其全酶其全酶(holoenzyme)分子量达分子量达167,500道尔顿。具有道尔顿。具有53聚合酶的功能，也有聚合酶的功能，也有35
36、核酸外切酶的功能，但是没有核酸外切酶的功能，但是没有53外切酶功能。现在已经证实它才是活体细胞内真正外切酶功能。现在已经证实它才是活体细胞内真正控制控制DNA合成的酶。合成的酶。GeneticsCh11.57(一一)有关DNA合成的酶GeneticsCh11.58(一一)有关DNA合成的酶 这三种这三种DNA聚合酶有一些共同的特性，从而决定聚合酶有一些共同的特性，从而决定DNA合合成的特点：成的特点：如三种酶都只有如三种酶都只有53聚合酶的功能，而没有聚合酶的功能，而没有35聚合聚合酶功能，说明酶功能，说明DNA链的延伸只能从链的延伸只能从5向向3端进行。端进行。它们都没有直接起始合成它们都没
37、有直接起始合成DNA的能力，只能在的能力，只能在引物引物存在下存在下进行链的延伸，因此，进行链的延伸，因此，DNA的合成必须有引物引导才能进的合成必须有引物引导才能进行。行。三种酶还都有核酸外切酶的功能，可对合成过程中发生的三种酶还都有核酸外切酶的功能，可对合成过程中发生的错误进行校正，从而保证错误进行校正，从而保证DNA复制的高度准确性。复制的高度准确性。GeneticsCh11.59(二二)DNA复制的过程 从上面的讨论，我们知道：从上面的讨论，我们知道：DNA的合成是半保留复制；的合成是半保留复制；复制是双向的；复制是双向的；DNA的合成必须有引物的引导；的合成必须有引物的引导；复制时链
38、的延伸总是从复制时链的延伸总是从5向向3方向进行。方向进行。下面我们介绍下面我们介绍DNA的合成过程。的合成过程。GeneticsCh11.60(二二)DNA复制的过程 (1)、DNA双螺旋的解链双螺旋的解链(2)、DNA合成的开始合成的开始(3)、一条、一条DNA链连续合成，一条链不连续链连续合成，一条链不连续GeneticsCh11.61(1)、DNA双螺旋的解链双螺旋的解链 DNA半保留复制分别以两条链为模板，而半保留复制分别以两条链为模板，而合成两条互补新链，因此，在合成前必须合成两条互补新链，因此，在合成前必须使双螺旋二条链解开。使双螺旋二条链解开。DNA的解旋过程是由的解旋过程是由
39、DNA解旋酶解旋酶(helicase)催化下完成，由催化下完成，由ATP提供解旋所需的能量。提供解旋所需的能量。GeneticsCh11.62(1)、DNA双螺旋的解链双螺旋的解链 DNA双链由解旋酶解开后，双链由解旋酶解开后，单链单链DNA结合蛋白结合蛋白(SSB)马上马上结合在分开的单链上，从而结合在分开的单链上，从而保持其伸展状态。保持其伸展状态。如果没有如果没有SSB的作用，分开的的作用，分开的双链互补碱基对间又可重新双链互补碱基对间又可重新配对。或者，在同一条链的配对。或者，在同一条链的互补碱基对间配对而形成互补碱基对间配对而形成发发夹状结构夹状结构，这种结构会阻止，这种结构会阻止D
40、NA聚合酶的作用。聚合酶的作用。GeneticsCh11.63(1)、DNA双螺旋的解链双螺旋的解链单链单链DNA结结合蛋白合蛋白解旋酶解旋酶GeneticsCh11.64(1)、DNA双螺旋的解链双螺旋的解链 在在DNA复制时，双螺旋每分复制时，双螺旋每分钟必须旋转钟必须旋转3000次才能完全次才能完全解旋。解旋。随着解链的进行，在随着解链的进行，在DNA复复制叉前面就会形成一种张力，制叉前面就会形成一种张力，而导致超螺旋的产生。而导致超螺旋的产生。这种张力主要是通过这种张力主要是通过DNA拓拓扑异构酶扑异构酶作用而消除的。作用而消除的。解旋酶解旋酶GeneticsCh11.65(1)、DN
41、A双螺旋的解链双螺旋的解链 主要有二类主要有二类DNA拓扑异构酶：拓扑异构酶：DNA拓扑异构酶拓扑异构酶I：只对双链：只对双链DNA中的一条链进行切割，中的一条链进行切割，产生切口产生切口(nick)，每次切割只，每次切割只能去除一个超螺旋，此过程能去除一个超螺旋，此过程不需要外加能量。不需要外加能量。GeneticsCh11.66(1)、DNA双螺旋的解链双螺旋的解链 主要有二类主要有二类DNA拓扑异构酶：拓扑异构酶：DNA拓扑异构酶拓扑异构酶II：可以对：可以对双链双链DNA的二条链同时进行的二条链同时进行切割。每次切割可以去除二切割。每次切割可以去除二个超螺旋，此过程需要个超螺旋，此过程
42、需要ATP提供能量。提供能量。GeneticsCh11.67(2)、DNA合成的开始合成的开始 DNA双链解开后，接下去就双链解开后，接下去就可以进行可以进行DNA的合成。的合成。在在DNA合成前，以合成前，以DNA为模为模板，根据碱基配对的原则，板，根据碱基配对的原则，在一种特殊的在一种特殊的RNA聚合酶聚合酶DNA引物酶引物酶的催化下，先合的催化下，先合成一段长度为成一段长度为560个核苷酸个核苷酸的的RNA引物引物，提供，提供3端自由端自由OH。然后，在然后，在DNA聚合酶聚合酶III的作的作用下进行用下进行DNA的合成。的合成。引物酶引物酶RNA引物引物DNA聚合酶聚合酶IIIGene
43、ticsCh11.68(3)、一条、一条DNA链连续合成，一条链不连续链连续合成，一条链不连续 从电子显微镜和放射自显从电子显微镜和放射自显影的结果可知，影的结果可知，DNA两条两条新链的合成是从一个复制新链的合成是从一个复制叉叉(replicating fork)向着同向着同一个方向延伸的。一个方向延伸的。而组成而组成DNA双螺旋的互补双螺旋的互补双链具有相反的方向，一双链具有相反的方向，一条从条从53，另一条，另一条35，为反向平行。为反向平行。GeneticsCh11.69(3)、一条、一条DNA链连续合成，一条链不连续链连续合成，一条链不连续 但我们知道，三种但我们知道，三种DNA聚聚
44、合酶都只有合酶都只有53聚合酶的聚合酶的功能，而没有功能，而没有35聚合酶聚合酶功能。这样二条功能。这样二条DNA链在链在延伸时就产生了矛盾。延伸时就产生了矛盾。最初人们想法寻找一种具最初人们想法寻找一种具有有35方向聚合功能的酶，方向聚合功能的酶，但是没有成功。但是没有成功。那么，二条那么，二条DNA新链到底新链到底是如何合成的呢？是如何合成的呢？GeneticsCh11.70(3)、一条、一条DNA链连续合成，一条链不连续链连续合成，一条链不连续 后来发现，只有一条后来发现，只有一条DNA链的合成是连续的，链的合成是连续的，而另一条则是不连续的。而另一条则是不连续的。所以从整个所以从整个D
45、NA分子水分子水平来看，平来看，DNA二条新链二条新链的合成方向是相反的，但的合成方向是相反的，但是都是从是都是从5向向3方向延伸。方向延伸。GeneticsCh11.71(3)、一条、一条DNA链连续合成，一条链不连续链连续合成，一条链不连续 现在一般把一直从现在一般把一直从5向向3方向方向延伸的链称作延伸的链称作前导链前导链(leading strand)，它是连续合成的。，它是连续合成的。而另一条先沿而另一条先沿53方向合成方向合成一些片段，然后再由一些片段，然后再由连接酶连接酶将其连起来的链，称为将其连起来的链，称为后随后随链链(lagging strand)，其合成是，其合成是不连续
46、的。不连续的。GeneticsCh11.72(3)、一条、一条DNA链连续合成，一条链不连续链连续合成，一条链不连续 这种不连续合成是由冈崎这种不连续合成是由冈崎等人首先发现的，所以现等人首先发现的，所以现在将后随链上合成的在将后随链上合成的DNA不连续单链小片段不连续单链小片段称为称为冈崎片段冈崎片段(Okazaki fragment)。GeneticsCh11.73(3)、一条、一条DNA链连续合成，一条链不连续链连续合成，一条链不连续 因此，在前导链上，因此，在前导链上，DNA引引物酶只在起始点合成一次引物酶只在起始点合成一次引物物RNA，DNA聚合酶聚合酶III就可就可开始进行开始进行
47、DNA的合成，而在的合成，而在后随链上，每个后随链上，每个“冈崎片段冈崎片段”的合成都需要先合成一段引的合成都需要先合成一段引物物RNA，然后，然后DNA聚合酶聚合酶III才能进行才能进行DNA的合成。的合成。GeneticsCh11.74(3)、一条、一条DNA链连续合成，一条链不连续链连续合成，一条链不连续 随后，引物随后，引物RNA被切除，被切除，并为新合成的并为新合成的DNA片段片段所替代。在大肠杆菌中，所替代。在大肠杆菌中，此过程是在此过程是在DNA聚合酶聚合酶I的催化下完成的。的催化下完成的。GeneticsCh11.75(3)、一条、一条DNA链连续合成，一条链不连续链连续合成，
48、一条链不连续 因为因为DNA聚合酶聚合酶I有有53端端核酸外切酶的功能，它可以核酸外切酶的功能，它可以将将RNA引物切除，同时利用引物切除，同时利用其其53聚合酶功能，以临近聚合酶功能，以临近“冈崎片段冈崎片段”的的3端自由端自由OH进行进行DNA的合成，从而将的合成，从而将RNA引物替换为引物替换为DNA链。最链。最后由后由DNA连接酶连接酶(DNA ligase)将将“冈崎片段冈崎片段”连接起来，连接起来，形成一条完整的新链。形成一条完整的新链。GeneticsCh11.76RNA病毒中病毒中RNA的自我复制的自我复制 大多数大多数RNA病毒是单链的。这种病毒是单链的。这种RNA的复制一般
49、的复制一般是先以自己为模板合成一条互补的单链，通常将是先以自己为模板合成一条互补的单链，通常将病毒原有的、起模板作用的链称为病毒原有的、起模板作用的链称为“”链，而链，而新复制的新复制的RNA链称为链称为“”链，这样就形成了双链，这样就形成了双螺旋的复制类型螺旋的复制类型(replicative form)。然后这个。然后这个“”链又从链又从“”链模板释放出来，它也以自己为模链模板释放出来，它也以自己为模板复制出一条与自己互补的板复制出一条与自己互补的“”链，于是形成链，于是形成了一条新的病毒了一条新的病毒RNA。GeneticsCh11.773、真核生物DNA合成的特点 现在已有很多证据表明
50、，真核生物现在已有很多证据表明，真核生物DNA的的复制基本上与原核生物相同，但比原核生复制基本上与原核生物相同，但比原核生物更为复杂。主要有以下几方面的不同：物更为复杂。主要有以下几方面的不同：(1)DNA合成只是发生在细胞周期的某个时合成只是发生在细胞周期的某个时期：真核细胞期：真核细胞DNA的合成只是在细胞周期的合成只是在细胞周期的的S期进行，而原核生物则在整个细胞生长期进行，而原核生物则在整个细胞生长过程中都可进行过程中都可进行DNA合成。合成。GeneticsCh11.783、真核生物合成的特点 (2)原核生物DNA的复制是单起点的，而真核生物染色体的复制则为多起点的。例如果蝇的最大一
