1、 第十四章DNA的生物合成的生物合成The Replication of DNA 思考题思考题1.甲状腺素是一种含碘的（甲状腺素是一种含碘的（）（1）氨基酸）氨基酸 （2）多肽）多肽 （3）蛋白质）蛋白质 （4）寡糖）寡糖2.当温度逐渐升高到一定高度时，当温度逐渐升高到一定高度时，DNA双双链链 ，称为，称为，当，当“退火退火”时，时，DNA两条链两条链，称为，称为。核酸在复性后260nm波长的紫外吸收值，这种现象称为 效应。判断题 1.关于tRNA叙述正确的是（）a.分子上的核苷酸序列全部为三联体 b.是核糖体组成的一部分 C.由稀有碱基构成发夹结构 d.二级结构为三叶草型 2.某DNA双链
2、，其中一股碱基序列是：5 AACGTTACGTCC-3，另一股应为：a.5 AACGUUACGUCC 3 b.5-GGACGTAACGTT-3 c.5-AACGTTACGTCC 3 d.5-TTGCAATGCAGG-3 新陈代谢和遗传变异新陈代谢和遗传变异是生命的两个基本特是生命的两个基本特征。征。DNA是生物遗传信息的携带者，并且可以是生物遗传信息的携带者，并且可以进行自我复制（进行自我复制（self-replication），也正因），也正因为如此，才保证了在细胞分裂时，亲代细胞的为如此，才保证了在细胞分裂时，亲代细胞的遗传信息正确无误地传递到两个子代细胞中。遗传信息正确无误地传递到两个子
3、代细胞中。这种以亲代这种以亲代DNA分子为模板合成两个完全分子为模板合成两个完全相同的子代相同的子代DNA分子的过程称为复制分子的过程称为复制（replication）。）。遗传的中心法则遗传的中心法则nDNA通过复制将遗传信息加倍，再分裂通过复制将遗传信息加倍，再分裂是均分给两个子代细胞，在子代中通过是均分给两个子代细胞，在子代中通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分子，从而决定生物的表现型，是子代分子，从而决定生物的表现型，是子代具有和亲代相同或相近的性状。具有和亲代相同或相近的性状。DNA的的复制、转录和翻译过程就构成了复制、转录和翻译过程就构成了遗传
4、学遗传学的中心法则的中心法则。n在在RNA病毒中，其遗传信息贮存在病毒中，其遗传信息贮存在RNA分子中，遗传信息的流向是分子中，遗传信息的流向是RNA通过复通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代，通制，将遗传信息由亲代传递给子代，通过反转录将遗传信息传递给过反转录将遗传信息传递给DNA，再由，再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质。通过转录和翻译传递给蛋白质。DNA dependent DNA polymeraseDDDPDNA dependent RNA polymeraseDDRPRNA dependent RNA polymeraseRDRPRNA dependent DNA polymer
5、aseRDDP 复复制制（D DD DD DP P）转转录录（D DD DR RP P）翻翻译译 D DN NA A R RN NA A 蛋蛋白白质质 反反转转录录（R RD DD DP P）R RN NA A 复复制制（R RD DR RP P）中心法则中心法则 DNA的双螺旋结构是复制的结构基础，的双螺旋结构是复制的结构基础，碱基互补配对原则是遗传信息传递真实性的碱基互补配对原则是遗传信息传递真实性的保证。保证。第一节第一节 DNA复制的特点复制的特点 一、半保留复制一、半保留复制 DNA在复制时，以亲代在复制时，以亲代DNA的每一的每一股作模板，合成完全相同的两个双链子股作模板，合成完全
6、相同的两个双链子代代DNA，每个子代，每个子代DNA中都含有一股亲中都含有一股亲代代DNA链，这种现象称为链，这种现象称为DNA的半保留的半保留复制复制(semi-conservative replication)。12半保留复制nDNA以半保留方式进行复制，是在以半保留方式进行复制，是在1958年由年由M.Meselson 和和 F.Stahl 所完成的实验所证明。所完成的实验所证明。该实验首先将大肠杆菌在含该实验首先将大肠杆菌在含15N（NH4CI 重氮）重氮）的培养基中培养约十五代，的培养基中培养约十五代，使其使其DNA中的中的碱基碱基氮氮均转变为均转变为15N。n将大肠杆菌移至将大肠杆
7、菌移至只含只含14N（NH4CI 轻氮）的培轻氮）的培养基中同步培养一代、二代、三代。分别提取养基中同步培养一代、二代、三代。分别提取DNA，作密度梯度离心，作密度梯度离心，可得到下列结果：可得到下列结果：半保留复制的证明 266页 19581958年年 MeselsonMeselson和和StahlStahl用用1515N N同同位素标记及密度梯度超速离心证明位素标记及密度梯度超速离心证明DNADNA复制是一种半保留复制。复制是一种半保留复制。出现上述三条带结果与半保留复制模式假设出现上述三条带结果与半保留复制模式假设是完全符合的。是完全符合的。HHHHL L15NH4CI中培养的DNA14
8、NH4CI中培养的第一代DNA14NH4CI中培养的第二代DNA亲代第一代第二代n DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一些在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序（特定的位点）的片段，具有特定核苷酸排列顺序（特定的位点）的片段，即即复制起始点（复制原点复制起始点（复制原点 ori）。n 在在DNA复制时，两条亲代链在复制起点处部分分复制时，两条亲代链在复制起点处部分分开，此时形成一种开，此时形成一种动态的动态的Y字型字型结构，称之结构，称之复制叉，复制叉，即复制正在发生的部位，同时进行着解链和合成。n 在原核生物中，复制起始点通常为在原核生物中，复制起始点通常为一个，
9、一个，而在真而在真核生物中则为核生物中则为多个，如果蝇多个，如果蝇6000个个复制原点复制原点。二、复制过程中的一些基本要点二、复制过程中的一些基本要点（一）复制起始点（一）复制起始点（二）（二）复制终止点复制终止点n在复制子的末端，由一段特殊的序列，称为复制的终止位点（ter），完成复制的终止。n由一个复制起始点进行到终点结束，完成整个染色体DNA分子的复制，即复制单位。一个复制子就是DNA上的一个独立复制DNA单位（DNA复制的功能单位）。一个复制子只含有一个专一的复制起点和复制结束的终点。一个完整的复制子在一个细胞周期只复制一次(真核)（曼夫332）。原核生物可以连续起始复制。真核生物往
10、往采用更多的复制原点。(三三)复制子复制子 DNA复制单位亦称为复制单位亦称为在环形在环形DNA中，整个结构象字母中，整个结构象字母 在电镜下观察犹如一只眼睛，在电镜下观察犹如一只眼睛，称为复制眼。对于环状称为复制眼。对于环状DNA，复制眼使其成为复制眼使其成为结构。结构。n 染色体染色体DNA复复制方式（真核制方式（真核生物）生物）n 多复制子复制，即多复制子复制，即DNA上先形成多个上先形成多个复制眼，双向复制。复制眼，双向复制。“眼眼”扩大互相相扩大互相相连，形成连，形成“大眼睛大眼睛”最后完成整个最后完成整个DNA的复制，形成两个的复制，形成两个DNA分子分子 原核生物染色体和质粒都是
11、独立（只有单一个）复制子；真核细胞染色体中有多个复制子组成。在环型E.coli的染色体双向复制，复制的终止位点是在两个复制叉的会合处，即在复制起点对面的终止点（曼夫335页）。DNA分子中能独立进行复制的单位称为复制子分子中能独立进行复制的单位称为复制子（replicon）（四）需要引物（四）需要引物 n参与参与DNA复制的复制的DNA聚合酶，必须以一聚合酶，必须以一段具有段具有3端自由羟基（端自由羟基（3-OH）的）的RNA作为引作为引物物(primer)，才能开始聚合子代才能开始聚合子代DNA链。链。nRNA引物的大小，在原核生物中通常为引物的大小，在原核生物中通常为510个核苷酸个核苷酸
12、，RNA引物的碱基顺序，引物的碱基顺序，与其模板与其模板DNA的碱基顺序相配对。的碱基顺序相配对。DNARNA引物AUTOH5 5每一DNA片段都有自己的RNA的引物 复制正在发生的位点（复制叉）35 3A（五）复制的方向性（五）复制的方向性 （1）单向复制,也可以是双向复制 复制有固定的起始点，从起始点开始，可以是单向复制也可以是双向复制n 单向复制单向复制：即只形成一个复制叉（：即只形成一个复制叉（replication fork）n 双向复制双向复制：即形成两个复制叉。如：即形成两个复制叉。如E.coliDNA等。等。都是都是5 33 方向合成方向合成原核生物原核生物 （2）复制的5 3
13、方向 从原点开始，新链合成的方向：5 3方向，（六）半不连续复制（六）半不连续复制 复制过程中，催化DNA 合成的DNA聚合酶只能催化核苷酸从53方向合成，以3 5链为模板时，新生的DNA以53方向连续合成；而以53为模板只能合成若干反向互补的冈崎片段（？）（？），这些片段再相连成完整的新链，故称半不连续复制。冈崎片段n 日本科学家Okazaki（冈崎）用实验证明在复制过程中产生了这种小片段，所以这些片段被命名为冈崎片断。n 顺着解链方向合成的子链，复制是连续进行的，这股链称为前导链这股链称为前导链(leading(leading strand)strand)。n 另一股新链的复制方向与解链方
14、向相反，复制是不连续进行的，这条不连续合成的链称为随从链(lagging strand)(lagging strand)。冈崎片段在原核生物中约为1000 个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。前导链和后随链后随链后随链前导链前导链冈崎片段冈崎片段复制叉前进的方向复制叉前进的方向 方向？方向？第二节第二节 参与参与DNA复制的复制的 主要酶类与蛋白因子主要酶类与蛋白因子 一、原核生物一、原核生物 补充两点补充两点 1.底物底物 DNA复制以四种脱氧核糖核苷酸为底物，即复制以四种脱氧核糖核苷酸为底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。(dNMP)n+dNTP (dNMP)n+1+P
15、Pi 聚合反应机理聚合反应机理5 3 OPGOPA模板链CTA35引 物3355OHOPGOPAOOHTP模板链CTA35引 物333555POOHTPP35PPi 2.模板模板(template)nDNA复制是模板依赖性的，必须要以亲复制是模板依赖性的，必须要以亲代代DNA链作为模板。链作为模板。n亲代亲代DNA的两股链解开后，可分别作为的两股链解开后，可分别作为模板进行复制。模板进行复制。（一）引发酶（一）引发酶（primase）（引物合）（引物合成酶）成酶）分子量约为分子量约为60kDa的单肽链，每个细胞约有的单肽链，每个细胞约有50-100个分子，该酶单独存在时活性低，只有与个分子，该
16、酶单独存在时活性低，只有与其他蛋白质相互作用其他蛋白质相互作用结合成一个复合体时才有活结合成一个复合体时才有活性，性，这种复合体称为引发体（这种复合体称为引发体（primosome）。）。合成的引物是长约合成的引物是长约5-10个核苷酸的个核苷酸的RNA。一。一旦旦RNA引物合成，就可以由引物合成，就可以由DNA聚合酶聚合酶在它的在它的3-OH上继续催化上继续催化DNA新链的合成。新链的合成。（引发体（引发体(primosome)由引发前体与引物由引发前体与引物酶（酶（primase）组装而成。）组装而成。引发前体是由若干蛋白因子聚合而成的复引发前体是由若干蛋白因子聚合而成的复合体。）合体。）
17、引物酶本质上是一种依赖引物酶本质上是一种依赖DNA的的RNA聚合酶（聚合酶（DDRP），），该酶以该酶以DNA为模板，为模板，聚合一段聚合一段RNA短链引物短链引物(primer)，以提供，以提供自由的自由的3-OH，使子代使子代DNA链能够开始聚链能够开始聚合。合。引物酶（primase）功能：以DNA为模板，催化合成一小段与DNA互补的RNA，即引物。引物：510个核苷酸（二）（二）DNA聚合酶聚合酶(DDDP)n在大肠杆菌中，目前发现的在大肠杆菌中，目前发现的DNA聚合酶聚合酶（DNA polymerase）有三种有三种：DNA聚合酶聚合酶（pol）DNA聚合酶聚合酶（pol）DNA聚合
18、酶聚合酶（pol）这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。n参与参与DNA复制的主要复制的主要是是poll 和和pol。DNA聚合酶聚合酶是以是以DNA为模板，催为模板，催化底物（化底物（dNTP）合成）合成DNA的酶类，普的酶类，普遍存在于生物体内。遍存在于生物体内。它们的作用方式基本相同，都需它们的作用方式基本相同，都需要要dNTP、Mg2+、模板、模板DNA和引物，和引物，在在DNA模板指导下，催化底物加到引模板指导下，催化底物加到引物的物的3-OH上，形成上，形成3，5磷酸二酯键，磷酸二酯键，由由53方向延长方向延长DNA链。引物是链。引物是DN
19、A合成所必需的。合成所必需的。DNA聚合酶聚合酶 Arthur Kornberg于于1957年分离出年分离出来，因此来，因此获得获得1959年的若贝尔奖。年的若贝尔奖。分离工作十分艰巨，用了分离工作十分艰巨，用了100kg细菌细菌分离到分离到500mg的纯酶（的纯酶（polymerase），），或称或称Kornberg酶。酶。它是一个多功能酶。它是一个多功能酶。原核生物中的三种原核生物中的三种DNA聚合酶聚合酶 n p po ol l p po ol l p po ol l 5 5 3 3 聚聚合合酶酶活活性性 +5 5 3 3 外外切切酶酶活活性性 +-3 3 5 5 外外切切酶酶活活性性
20、+生生理理功功能能 去去除除引引物物 未未知知 D DN NA A复复制制 修修复复损损伤伤 校校正正错错误误 校校正正错错误误 填填补补缺缺口口 又称又称校对校对作用作用 pol npol 由十种亚基组成，由十种亚基组成，其中其中亚基具有亚基具有53聚合聚合DNA的酶活性，的酶活性，因而具有复制因而具有复制DNA的的功 能，每 分 钟 速 度功 能，每 分 钟 速 度6000个碱基。个碱基。n亚基亚基具有具有35外切外切酶 的 活 性，因 而 与酶 的 活 性，因 而 与DNA复制的校正功能复制的校正功能有关。有关。曼夫331页文字 DNA聚合酶的校对作用聚合酶的校对作用曼夫曼夫330页文字
21、页文字 DNA DNA连接酶连接酶(DNA ligase(DNA ligase)可催化两段可催化两段DNADNA片段之间磷酸二酯键的形成，而使两段片段之间磷酸二酯键的形成，而使两段DNADNA连连接起来。接起来。DNADNA连接酶催化的条件是：连接酶催化的条件是：需一段需一段DNADNA片段具有片段具有3-OH3-OH，而另一而另一段段DNADNA片段具有片段具有5-Pi5-Pi基；基；未封闭的缺口位于双链未封闭的缺口位于双链DNADNA中，即其中，即其中有一条链是完整的；中有一条链是完整的；需要消耗能量，在原核生物中由需要消耗能量，在原核生物中由NADNAD+供能，供能，在真核生物中由在真核
22、生物中由ATPATP供能。供能。（三）（三）DNA连接酶连接酶 DNA连接酶连接酶（ligase）功能功能：将复制过程中形成的将复制过程中形成的DNA片段用片段用3 5磷酸磷酸 二二酯键连接起来酯键连接起来。ATGCATGCPPOHPATGCATGCPPPATP 或NADPPi 或NMNAMPAMP酶ATGCATGPPOHCPP核糖腺嘌呤酶酶（部分细菌）单链单链DNA结合蛋白（结合蛋白（single strand binding protein，SSB）又称螺旋降稳蛋白（又称螺旋降稳蛋白（HDP）。能）。能够与单链够与单链DNA结合的蛋白质因子，结合的蛋白质因子，其作用为：其作用为：使解开双螺
23、旋后的使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在，单链能够稳定存在，即稳定单链即稳定单链DNA，便于以其为模板复制子代，便于以其为模板复制子代DNA；防止防止DNA链重新结合。链重新结合。保护单链保护单链DNA，避免核酸酶的降解。，避免核酸酶的降解。（四）（四）单链单链DNA结合蛋白结合蛋白 （五）（五）DNA解螺旋酶解螺旋酶(helicase)（解链酶）（解链酶）功能：功能：DNA的双螺旋解链的双螺旋解链（解（解DNA双链），解开一双链），解开一对碱基，需对碱基，需2分子分子ATP，作用点：作用点：DNA上局部单链上局部单链处，向双链方向解链。处，向双链方向解链。5353rep 要将要将DNA双
24、链解开，主要依赖于双链解开，主要依赖于DNA解旋酶（也称为解链酶），还需解旋酶（也称为解链酶），还需要参与起始反应的多种蛋白因子，如要参与起始反应的多种蛋白因子，如DnaA。DnaA能够能够识别大肠杆菌复制识别大肠杆菌复制原点原点OriC富含富含A/T的的3个个13个个bp的重的重复序列区，使双链复序列区，使双链DNA连续变性，启连续变性，启动解链过程。动解链过程。附附:原核生物复制起始点的结构原核生物复制起始点的结构nE.coli的复制起点Ori大约长245bp，它是决定和控制E.coli染色体复制的唯一片段。（介绍）n包括两个关键序列（二个必需区域：13bp的序列和9bp序列 9bp重复序
25、列，重复出现4次，能与起始蛋白 dnaA特异结合，当dnaA蛋白（约20种）结合于ori的的4个部位上时复制开始。个部位上时复制开始。对于DNA复制的起始十分重要,有利于双螺旋DNA局部解旋并暴露两条复制模板链。dnaA蛋白还能识别 另一3个连续出现的13bp序列区，每一个顺序都由GATC开始，富含A和T，有助于螺旋解开，控制复制何时开始。dnaA蛋白（一种专一的蛋白）和ori结合后，双螺旋解开形成复制叉。故dnaA蛋白与启动解链有关（曼夫332页），dnaA蛋白是起始的关键成分。DNA复制的起始 n因随着复制叉的前进，将引起整个分子非复制部分因随着复制叉的前进，将引起整个分子非复制部分旋转的
26、更紧出现正超螺旋，以致复制叉无法前进。旋转的更紧出现正超螺旋，以致复制叉无法前进。n它能够使它能够使DNA产生拓扑学上的种种变化。最常见的产生拓扑学上的种种变化。最常见的是产生负超螺旋和消除超螺旋。是产生负超螺旋和消除超螺旋。n可使可使DNA双链中的一或二条链切断，松开双螺旋后双链中的一或二条链切断，松开双螺旋后再将再将DNA链连接起来，从而避免出现链的缠绕。链连接起来，从而避免出现链的缠绕。维维持双螺旋持双螺旋DNA必须是负超螺旋状态。必须是负超螺旋状态。（六）拓扑异构酶（六）拓扑异构酶（topoisomerase）（DNA促旋酶）促旋酶）曼夫曼夫333图与图与 周书周书199一致一致 DN
27、A拓扑异构酶拓扑异构酶 有有和和两种类型两种类型型拓扑异构酶型拓扑异构酶:首先在大肠杆菌中被发现，首先在大肠杆菌中被发现，称为称为拓扑异构酶拓扑异构酶，它可使，它可使DNA的一条链的一条链发生断裂和再连接，反应无需供给能量。发生断裂和再连接，反应无需供给能量。另外，另外，DNA复制时负超螺旋的消除，亦由复制时负超螺旋的消除，亦由拓扑异构酶拓扑异构酶来完成，但它对正超螺旋无来完成，但它对正超螺旋无作用；作用；型拓扑异构酶型拓扑异构酶(旋转酶旋转酶;gyrase）由两个由两个A亚基和两个亚基和两个B亚基组成，即亚基组成，即A2B2。它能使。它能使DNA的两条链同时发生断裂的两条链同时发生断裂和再连
28、接，和再连接，当它引入负超螺旋以消除复制当它引入负超螺旋以消除复制叉前进带来的扭曲张力时，需要由叉前进带来的扭曲张力时，需要由ATP提提供能量。供能量。两种拓扑异构酶在两种拓扑异构酶在DNA复制、转录和复制、转录和重组中均发挥重要作用重组中均发挥重要作用。l拓扑异构酶拓扑异构酶 可使可使DNA双链中的一条链切断，双链中的一条链切断，松开双螺旋后再将松开双螺旋后再将DNA链连接起来，从而避免出链连接起来，从而避免出现链的缠绕，不需能量。现链的缠绕，不需能量。l拓扑异构酶拓扑异构酶 可切断可切断DNA两股链（仅周教材两股链（仅周教材是切单链），使是切单链），使DNA的超螺旋松解后，再将其连的超螺旋
29、松解后，再将其连接起来，接起来，可引入负超螺旋，需要能量。可引入负超螺旋，需要能量。二、真核生物二、真核生物 端粒酶特点端粒酶特点 是一种核糖核蛋白酶，是一种特殊的是一种核糖核蛋白酶，是一种特殊的DNA聚合酶，聚合酶，属于反转录酶。属于反转录酶。由由RNA和蛋白和蛋白质构成，以其中一段质构成，以其中一段RNA序列为模板，通过延序列为模板，通过延伸染色体的伸染色体的3端解决端解决DNA复制时引起的末端隐复制时引起的末端隐缩。缩。端粒酶端粒酶RNA亚单位的结构在不同真核生亚单位的结构在不同真核生物之间差别很大。其蛋白质组分至少有两个以物之间差别很大。其蛋白质组分至少有两个以上多肽亚单位组成。上多肽
30、亚单位组成。端粒酶能把端粒序列加到染色体末端，端粒酶能把端粒序列加到染色体末端，以补充染色体末端的自然丢失。以补充染色体末端的自然丢失。在缺乏在缺乏有效延伸机制时，端粒在历经每次细胞有效延伸机制时，端粒在历经每次细胞分裂之后即缩短。分裂之后即缩短。四膜虫四膜虫 TTGGGG 人人 TTAGGG真核生物染色体端粒真核生物染色体端粒DNA结构结构 第三节第三节 DNA复制过程复制过程（一）（一）DNA复制的起始点和方向复制的起始点和方向 在大肠杆菌的环状染色体在大肠杆菌的环状染色体DNA中，只有一中，只有一个复制原点，因此是个复制原点，因此是单复制子单复制子。复制方向大多是双向的，即分别向两侧进行
31、复制方向大多是双向的，即分别向两侧进行复制，形成两个复制叉复制，形成两个复制叉（replication fork）或称）或称为生长点（为生长点（growing point）。也有一些生物也有一些生物DNA的复制是单向的，只形成的复制是单向的，只形成一个复制叉。一个复制叉。通常复制是对称的，两条链同时进行复制。通常复制是对称的，两条链同时进行复制。（二）复制的主要阶段（二）复制的主要阶段 1.DNA双螺旋的解开双螺旋的解开 (1)在大肠杆菌中，在大肠杆菌中，解链酶解链酶在复制叉内在复制叉内解开亲代双螺旋解开亲代双螺旋;(2)分开的双链再和分开的双链再和SSB结合结合，防止链，防止链内退火重新复性
32、成为双链，使局部解开的两内退火重新复性成为双链，使局部解开的两条单链可以作为复制模板。条单链可以作为复制模板。(3)拓扑异构酶拓扑异构酶II作用作用 不论线状或环状不论线状或环状DNA分子，局部解链会分子，局部解链会导致超螺旋应力的增加，阻碍解链的前进。导致超螺旋应力的增加，阻碍解链的前进。因此必须放出超螺旋应力。在大肠杆菌中是因此必须放出超螺旋应力。在大肠杆菌中是由由拓扑异构酶拓扑异构酶II，即旋转酶切开环状超螺旋，即旋转酶切开环状超螺旋的两股，释放出超螺旋应力，的两股，释放出超螺旋应力，而后再封口，而后再封口，除去环状除去环状DNA分子中的超螺旋。分子中的超螺旋。(4)单链单链DNA结合蛋
33、白结合蛋白 由拓扑异构酶和解由拓扑异构酶和解螺旋酶作用，使酶作用，使DNA的超螺旋及双螺旋结构解开，碱的超螺旋及双螺旋结构解开，碱基间氢键断裂，形成两条单链基间氢键断裂，形成两条单链DNA。单链单链DNA结合蛋白结合蛋白（single strand binding protein，SSB）结合在结合在 两条单链两条单链DNA上，形成复制叉。上，形成复制叉。.2.RNA引物的合成引物的合成 在合成在合成DNA链之前链之前必须有一种引物必须有一种引物。引物就是在引物就是在DNA模板链上装配的一小段互补模板链上装配的一小段互补RNA，而末端有一个游离的，而末端有一个游离的3-OH。DNA聚合酶只能把
34、底物（聚合酶只能把底物（dNTP）转移到引）转移到引物游离的物游离的3-OH上去。上去。（二）复制的延伸（长）（二）复制的延伸（长）1.半不连续复制半不连续复制(semicontinuous replication)前导链（领头链）和滞后链（随从链）合成由DNA聚合酶催化，酶进入复制叉在引物上延伸，以35方向的亲代DNA链为模板，从53方向聚合子代DNA链。（1）DNA酶酶作用作用（2）在引物上加入底物在引物上加入底物 dNTP（3）方向）方向 5 3（4）半不连续性复制）半不连续性复制 前导链和后随链后随链后随链前导链前导链冈崎片段冈崎片段复制叉前进的方向复制叉前进的方向 方向？方向？先导链
35、与后随链的矛盾如何解决？先导链与后随链的矛盾如何解决？根据计算，每一复制叉仅含根据计算，每一复制叉仅含1个个DNA聚合酶聚合酶全酶，全酶，这说明前导链和随后链这说明前导链和随后链上的上的DNA合成是由同一复制体负责的。合成是由同一复制体负责的。但但DNA两股链上的两股链上的DNA合成合成不是同步不是同步进进行的，并且方向相反，那么复制体是怎行的，并且方向相反，那么复制体是怎样工作的呢？样工作的呢？为此为此提出了模型认为：提出了模型认为：当当前导链上前导链上开始开始DNA合成和复制叉向前移动时，合成和复制叉向前移动时，随随后链即向后后链即向后回折成环回折成环。5533355335回环模型回环模型
36、（三）复制的终止（三）复制的终止 在单方向复制的环状分子中，复制的终点就在单方向复制的环状分子中，复制的终点就是它的复制原点，在双方向复制的环状分子中，是它的复制原点，在双方向复制的环状分子中，大多数是两个生长点的简单碰撞。大多数是两个生长点的简单碰撞。1.去除引物，填补缺口去除引物，填补缺口 2.连接冈崎片段连接冈崎片段 1.去除引物，填补缺口去除引物，填补缺口 在原核生物中，由在原核生物中，由DNA聚合酶聚合酶来水解去来水解去除除RNA引物，并由引物，并由该酶该酶催化延长引物缺口处的催化延长引物缺口处的DNA，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。在真核生物中，
37、在真核生物中，RNA引物的去除，由一种引物的去除，由一种特殊的核酸酶来水解，而冈崎片段仍由特殊的核酸酶来水解，而冈崎片段仍由DNA聚聚合酶来延长。合酶来延长。在在DNA连接酶的催化下，形成最后一个磷连接酶的催化下，形成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完整的酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完整的DNA长链。长链。三、三、DNA复制的保真性复制的保真性 为保证复制的准确性，细胞以下列机制提供相应的保障：DNA聚合酶聚合酶和和的的53的聚合的聚合作用作用 DNA聚合酶聚合酶和和在模板引导下，按在模板引导下，按53进行进行DNA聚合时，可以聚合时，可以严格按照碱严格按照碱基互补配对的原则基互
38、补配对的原则进行合成，所以说，碱进行合成，所以说，碱基互补配对原则是基互补配对原则是 DNA复制的基础复制的基础。DNA聚合酶35外切酶活性，DNA聚合酶可对已经加上去的核苷酸进行校对，当新合成的互补链上有错误的核苷酸时，即行使35外切酶活性，将连接上的错误核苷酸从3端切除，直至正确配对处为止，然后再继续合成。切除引物 由于刚开始聚合时较易发生错配，所以生命体选择先合成一段RNA引物，然后由DNA聚合酶的53外切酶活性将引物切除，再由DNA聚合酶的53聚合酶活性在切除引物处补平。聚合时的方向聚合时的方向 现在已知现在已知DNA的聚合都是的聚合都是53，为，为什么不能从什么不能从35端聚合呢？原
39、来，如果端聚合呢？原来，如果按按53聚合，一旦出现碱基错配，可由聚合，一旦出现碱基错配，可由DNA聚合酶聚合酶从从3端切除聚合上的错误的端切除聚合上的错误的核苷酸，核苷酸，剩下剩下3-羟基，后者可以接受由以羟基，后者可以接受由以dNTP为原料而生成的单核苷酸，为原料而生成的单核苷酸，即即dNTP可以和上一个核苷酸的游离可以和上一个核苷酸的游离3-羟基羟基生成生成3，5-磷酸二酯键，磷酸二酯键，dNTP自身水解自身水解掉焦磷酸掉焦磷酸。遗传物质的复制遗传物质的复制几乎是一个完几乎是一个完美的过程，一个美的过程，一个E.ColiE.Coli的基因组有的基因组有10107 7核苷酸，核苷酸，1/10
40、1/101010bpbp（只有一个碱（只有一个碱基配错）的错配率相当于每基配错）的错配率相当于每10001000个个细菌细胞，每代只有一个错误碱基细菌细胞，每代只有一个错误碱基的参入，真核细胞同样如此。的参入，真核细胞同样如此。二、二、真核生物真核生物 （一）（一）拓扑异构酶拓扑异构酶（topoisomerase）拓扑异构酶拓扑异构酶 分子量约为分子量约为95kDa的单体蛋白。的单体蛋白。虽然它所虽然它所催化的反应与原核生物的酶相似，？催化的反应与原核生物的酶相似，？但它同但它同样能使正、负超螺旋样能使正、负超螺旋DNA松弛。松弛。松弛作用不依赖于松弛作用不依赖于ATP，能发生于有，能发生于有
41、EDTA存在的条件下，存在的条件下，Mg2+能提高该酶的活能提高该酶的活力。力。拓扑异构酶拓扑异构酶 为为150 kDa-180 kDa的均二聚体，能的均二聚体，能以同样的速率松弛正、负超螺旋以同样的速率松弛正、负超螺旋DNA；与原核生物不同点：真核生物拓扑异构酶与原核生物不同点：真核生物拓扑异构酶不能产生负超螺旋，发挥作用时需要不能产生负超螺旋，发挥作用时需要ATP和和Mg2+。（二）（二）DNA聚合酶聚合酶（DNA polymerase）哺乳动物细胞中已分离出哺乳动物细胞中已分离出5种种DNA聚合酶，聚合酶，分别以分别以、来命名。它们与来命名。它们与大肠杆菌大肠杆菌DNA聚合酶的基本性质相
42、同，聚合酶的基本性质相同，都是以都是以4种脱氧核糖核苷三磷酸为底物，种脱氧核糖核苷三磷酸为底物，需需Mg2+激活，聚合时必须有模板和激活，聚合时必须有模板和3-OH的存在，链的延伸方向为的存在，链的延伸方向为53。（1）复制蛋白A（replication protein A，RP-A）真核生物的单链DNA结合蛋白，其作用类似于大肠杆菌的SSB蛋白。（三）端粒酶（三）端粒酶（telomerase）端粒（端粒（telomere）是真核生物线性染）是真核生物线性染色体末端的特殊结构，由成百个色体末端的特殊结构，由成百个6个核苷酸个核苷酸的重复序列所组成（人为的重复序列所组成（人为TTAGGG，四膜四
43、膜虫为虫为TTGGGG）。）。端粒（酶）的功能端粒（酶）的功能 稳定染色体的末端结构，防止稳定染色体的末端结构，防止染色体间末端连接，并可补偿滞后染色体间末端连接，并可补偿滞后链链5-末端在消除末端在消除RNA引物后造成的引物后造成的空缺。空缺。复制可使端粒复制可使端粒5末端缩短，而端末端缩短，而端粒酶可外加重复单位到粒酶可外加重复单位到5-末端上，末端上，结果使端粒维持一定的长度。结果使端粒维持一定的长度。DNA损伤的修复损伤的修复 （一）基因突变（一）基因突变 DNA碱基顺序的改变，是碱基顺序的改变，是DNA在在复制过程中复制过程中出现错误出现错误产生的。由于产生的。由于DNA是具有复制功
44、能的分子，一旦是具有复制功能的分子，一旦DNA碱基顺序出错，它就会通过复制碱基顺序出错，它就会通过复制机制遗传下去。机制遗传下去。由于由于DNA碱基顺序的改变引起生碱基顺序的改变引起生物遗传性状显著变化的现象，物遗传性状显著变化的现象，称为基称为基因因“突变突变”。（二）引起突变的因素（二）引起突变的因素 1.物理因素物理因素 n由紫外线、电离辐射、由紫外线、电离辐射、X射线等引起的射线等引起的DNA损损伤。其中，伤。其中，X射线和电离辐射常常引起射线和电离辐射常常引起DNA链链的断裂的断裂.n紫外线紫外线常常引起常常引起嘧啶二聚体嘧啶二聚体的形成，如的形成，如TT，TC，CC等二聚体。这些嘧
45、啶二聚体由于形成等二聚体。这些嘧啶二聚体由于形成了了共价键连接的环丁烷结构共价键连接的环丁烷结构，因而会引起复制，因而会引起复制障碍。障碍。n 当当DNADNA受到大剂量紫外线（波长受到大剂量紫外线（波长260nm 260nm 附近）照射时，可引起附近）照射时，可引起DNADNA链上相邻的两个链上相邻的两个嘧啶碱基共价聚合，形成二聚体，例如嘧啶碱基共价聚合，形成二聚体，例如TTTT二聚体。二聚体。n胸腺嘧啶碱基在紫外光照射下，可以发生二聚加胸腺嘧啶碱基在紫外光照射下，可以发生二聚加成反应：成反应：n在在DNA分子中，如果两个胸腺嘧啶碱基相邻，分子中，如果两个胸腺嘧啶碱基相邻，在紫外光照射下，可
46、能发生上述聚合反应，其结在紫外光照射下，可能发生上述聚合反应，其结果是破坏了正常复制或转录。果是破坏了正常复制或转录。NCH3HNOORNHNOORCH3NHNOORCH3NCH3HNOOROHNHNORCH3OHUVROOHNCH3NH2O 3.化学因素化学因素 脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可加速加速C脱氨基生成脱氨基生成U，A脱氨基生成脱氨基生成I。（四）修复方式 1.光修复光修复（以下四种修复方式作以了解）（以下四种修复方式作以了解）光复合酶能特异地和光复合酶能特异地和嘧啶二聚体嘧啶二聚体结合，结合，在可见光下催化光化合反应，在可见光下催化光化合反应，使环丁
47、烷环回使环丁烷环回复到两个独立的嘧啶，这一过程叫光复合作复到两个独立的嘧啶，这一过程叫光复合作用。用。light repairingn这是一种广泛存在的修复作用。这是一种广泛存在的修复作用。光复活能够修复任何嘧啶二聚光复活能够修复任何嘧啶二聚体的损伤。其修复过程为：体的损伤。其修复过程为：光复活酶光复活酶（photo-lyase)识别嘧啶二聚体并与之结合形识别嘧啶二聚体并与之结合形成复合物成复合物在在300600nm可见光照射下，酶获得能量，可见光照射下，酶获得能量，将嘧啶二聚体的丁环烷打开，将嘧啶二聚体的丁环烷打开，使之完全修复使之完全修复光复活酶从光复活酶从DNA上解离。上解离。2.切除修
48、复切除修复(excision repairing)：这也是一种广泛存在的修复机制，可适用这也是一种广泛存在的修复机制，可适用于多种于多种DNA损伤的修复。该修复机制可以分别损伤的修复。该修复机制可以分别由多种不同的酶由多种不同的酶来发动，如来发动，如核酸内切酶、核酸内切酶、DNA糖苷酶等。糖苷酶等。3.重组修复重组修复(recombination repairing)：这是这是DNA的复制的复制过程中所采用的一过程中所采用的一种有差错的修复方种有差错的修复方式。式。4.SOS修复修复 n这是一种在这是一种在DNA分子受到较大范围损伤并且使分子受到较大范围损伤并且使复制受到抑制时出现的修复机制，
49、以复制受到抑制时出现的修复机制，以SOS借喻借喻细胞处于危急状态。细胞处于危急状态。n DNA分子受到长片段高密度损伤，使分子受到长片段高密度损伤，使DNA复复制过程在损伤部位受到抑制。制过程在损伤部位受到抑制。n 损伤诱导一种特异性较低的新的损伤诱导一种特异性较低的新的DNA聚合酶，聚合酶，以及重组酶等的产生。以及重组酶等的产生。n 由这些特异性较低的酶继续催化损伤部位由这些特异性较低的酶继续催化损伤部位DNA的复制，复制完成后，保留许多错误的碱的复制，复制完成后，保留许多错误的碱基，从而造成突变。基，从而造成突变。七、七、DNADNA的反转录合成的反转录合成 逆转录逆转录（RNA指导的指导
50、的DNA合成）合成）胞膜蛋白胞膜蛋白双分子层双分子层衣壳蛋白衣壳蛋白RNA (病病毒基因）毒基因）人类免役缺陷病毒人类免役缺陷病毒人类免役缺陷病毒人类免役缺陷病毒（Human immunodeficiency virus HIV)获得性免役缺陷综合获得性免役缺陷综合（Acquired immuno deficiency syndrome,AIDS,艾滋病）艾滋病）（）见我师261页（）RNA病毒病毒病毒颗粒（病毒颗粒（viron）由病毒由病毒RNA基因组和包被在外的蛋基因组和包被在外的蛋白质外壳组成。白质外壳组成。病毒的生存方式：病毒的生存方式：病毒编码包装基因组所需的蛋白，病毒编码包装基因组
