DNA的生物合成

1、整理课件 10 DNA的生物合成的生物合成 n10.1 半保留复制半保留复制 n10.2 参与参与DNA生物合成的酶生物合成的酶 n10.3 以以DNA为模板合成为模板合成DNA的过程的过程 n10.4 DNA损伤与修复损伤与修复 n10.5 以以RNA为模板合成为模板合成DNA的过程的过程 整理课件 10.1 半保留复制半保留复制 n10.1.1 半保留复制的实验证据半保留复制的实验证据 n10.1.2 半保留复制的意义半保留复制的意义 整理课件 DNA 复制复制 是半是半 保留保留 复制复制 整理课件 10.1.1 半保留复制的实验证据半保留复制的实验证据 细菌的DNA双链 15N N 4

2、1 N 4115N 含 N-DNA 的细菌 15 第一代 第二代 培养液 中培养 N 41 培养液 中培养 N 41 / 15N15N N 41 /N 41 N 41 / 15N N 41 / 15N 密度梯度离心结果 整理课件 10.1.2 半保留复制的意义半保留复制的意义 n按半保留复制的方式，子代保留了亲按半保留复制的方式，子代保留了亲 代代 DNA 的全部遗传信息的全部遗传信息，保证了遗，保证了遗 传信息的相对稳定，是物种稳定性的传信息的相对稳定，是物种稳定性的 分子基础。分子基础。 整理课件 10.2 参与参与DNA生物合成的酶生物合成的酶 n10.2.1 DNA聚合酶聚合酶 n10

3、.2.2 DNA分子的拓扑学变化和相关酶分子的拓扑学变化和相关酶 n10.2.3 引物酶引物酶 n10.2.4 DNA连接酶连接酶 整理课件 10.2.1 DNA聚合酶聚合酶 n以以 DNA 聚合酶聚合酶I 为代表说明三个酶为代表说明三个酶 的共性的共性: （1）是一个模板指导酶。）是一个模板指导酶。 （2）聚合需要引物。）聚合需要引物。 （3）具有水解作用。具有水解作用。 整理课件 （1）模板指导酶）模板指导酶 即需要打开的即需要打开的 DNA 单链作为模板才能单链作为模板才能 合成子链。此酶催化的底物：必须是脱氧的合成子链。此酶催化的底物：必须是脱氧的 核苷核苷 5-三磷酸（三磷酸（dAT

4、P、dGTP、dTTP和和 dCTP）；）； 只有当所有只有当所有 4 种脱氧核苷三磷酸以及种脱氧核苷三磷酸以及 DNA 模板存在时，才能实现模板存在时，才能实现 DNA 的合成。的合成。 整理课件 整理课件 （2）需要引物）需要引物 DNA 聚合酶聚合酶只能将脱氧核苷酸只能将脱氧核苷酸 加于已存在的加于已存在的DNA 或或 RNA 链的链的 3-羟羟 基上，否则不能合成。基上，否则不能合成。 这是一个耗能反应，每合成一个核这是一个耗能反应，每合成一个核 苷酸消耗苷酸消耗 2 分子分子ATP。聚合反应是延着聚合反应是延着 53 的方向进行。的方向进行。 整理课件 （3）具有水解作用具有水解作用

5、 n3 5外切活力的作用：外切活力的作用：复制复制 “校校 对对”作用。作用。 从从DNA 链链 3- 羟基端逐个水解成单核苷酸的作用。羟基端逐个水解成单核苷酸的作用。 n53 外切活力的作用：外切活力的作用：从从 5 端端 切去切去 引物引物 RNA 的功能。的功能。从从 5 端对端对 DNA 进行水进行水 解的作用。解的作用。 这两种酶活性称为这两种酶活性称为DNA 聚合酶的外切活力，对聚合酶的外切活力，对 DNA 的复制都的复制都 是十分重要的。是十分重要的。 整理课件 大肠杆菌大肠杆菌体内各聚合酶作用：体内各聚合酶作用： n聚合酶聚合酶 是复制时的主要聚合酶；是复制时的主要聚合酶； n

6、聚合酶聚合酶 I 主要负责消除引物并用脱氧核主要负责消除引物并用脱氧核 苷酸填满内隙；苷酸填满内隙； n聚合酶聚合酶的作用尚不清楚。的作用尚不清楚。 nDNA聚合酶聚合酶和和 它们涉及它们涉及DNA的错的错 误倾向修复。误倾向修复。当当DNA受到严重损伤时，既可诱导受到严重损伤时，既可诱导 产生这两个酶，使修复缺乏准确性，因而出现高突变产生这两个酶，使修复缺乏准确性，因而出现高突变 率。它能在率。它能在DNA 许多损伤部位继续复制，在跨越损许多损伤部位继续复制，在跨越损 伤部位时就造成了错误倾向的复制。高突变率虽会杀伤部位时就造成了错误倾向的复制。高突变率虽会杀 死许多细胞，但至少可以克服复制

7、障碍，使少数突变死许多细胞，但至少可以克服复制障碍，使少数突变 的细胞得以存活。的细胞得以存活。 整理课件 DNA 聚合酶聚合酶 ： 它至少由它至少由 8 种亚基组成。这种组装体使酶的催化种亚基组成。这种组装体使酶的催化 能力、准确性大为提高。它紧紧地结合于模板，每能力、准确性大为提高。它紧紧地结合于模板，每 秒钟聚合秒钟聚合 1000 多个核苷酸。多个核苷酸。 许多亚基的功能目前还不清楚，许多亚基的功能目前还不清楚，已知催化活性已知催化活性 位于位于亚基，亚基， 亚基大约把酶的核心夹于模板上，从亚基大约把酶的核心夹于模板上，从 而提高全酶的工作能力，而提高全酶的工作能力， 35核酸外切酶活性

8、核酸外切酶活性 位于位于亚基。聚合酶亚基。聚合酶全酶形成一个对称的二聚体。全酶形成一个对称的二聚体。 这种结构使复制的先导链及后随链在全酶上同时、这种结构使复制的先导链及后随链在全酶上同时、 同方向合成。同方向合成。 整理课件 真核生物的真核生物的 DNA聚合酶聚合酶 n真核生物真核生物DNA聚合酶现已发现至少有聚合酶现已发现至少有5 种，分别称为种，分别称为DNA-pol 、。 nDNA-pol 和和都是在复制延长中起催化都是在复制延长中起催化 作用。作用。DNA-pol 则与原核生物的则与原核生物的DNA- pol I相似，在复制过程中起校读、修复相似，在复制过程中起校读、修复 和填补缺口

9、的作用。和填补缺口的作用。 nDNA-pol 也只是在没有其他也只是在没有其他DNA-pol时时 才发挥催化功能。才发挥催化功能。 整理课件 10.2.2 DNA分子的拓扑学变化和相关酶分子的拓扑学变化和相关酶 n10.2.2.1 解螺旋酶解螺旋酶 n10.2.2.2 DNA拓扑异构酶拓扑异构酶 n10.2.2.3 单链单链DNA结合蛋白结合蛋白 整理课件 10.2.2.1 解螺旋酶解螺旋酶 n一种称为解螺旋酶一种称为解螺旋酶或解螺旋酶或解螺旋酶，与，与 随后链的模板随后链的模板DNA结合，沿结合，沿53方向方向 运动；一种称为运动；一种称为Rep蛋白，和前导链的蛋白，和前导链的 模板模板DN

10、A结合，沿结合，沿35方向运动方向运动。 整理课件 10.2.2.2 DNA拓扑异构酶拓扑异构酶 n原核生物中与复制有关的主要是原核生物中与复制有关的主要是DNA拓扑异拓扑异 构酶构酶，又称，又称DNA解旋酶（解旋酶（DNA gyrase），）， 发挥作用需发挥作用需ATP水解供能。水解供能。 n真核生物中真核生物中Topo和和均与复制有关。均与复制有关。 Topo不需消耗不需消耗ATP，其酪氨酸残基能与其酪氨酸残基能与 DNA3-磷酸基团形成共价结合的中间产物，磷酸基团形成共价结合的中间产物， 它能使负或正超螺旋变为松驰态。它能使负或正超螺旋变为松驰态。 Topo的存在需要的存在需要ATP供

11、能，它不仅参与供能，它不仅参与 DNA复制，还促进两个子代分子的分离。复制，还促进两个子代分子的分离。 整理课件 10.2.2.3 单链单链DNA结合蛋白结合蛋白 n解螺旋酶沿复制叉方向向前推进产生了解螺旋酶沿复制叉方向向前推进产生了 一段单链区，但是这种单链一段单链区，但是这种单链DNA不会长不会长 久存在，会很快重新配对形成双链久存在，会很快重新配对形成双链DNA 或被核酸酶降解。或被核酸酶降解。 nSSBP能很快地和单链能很快地和单链DNA结合，防止结合，防止 其重新配对形成双链其重新配对形成双链DNA或被核酸酶降或被核酸酶降 解。解。 整理课件 10.2.3 引物酶（引物酶（Prime

12、rase） 所有的所有的 DNA 聚合酶都要求一个有自由聚合酶都要求一个有自由 3-OH 的引物来起始的引物来起始 DNA 的合成。这段的合成。这段 RNA 长长 5-10 个核苷酸，由一种特异的个核苷酸，由一种特异的 RNA 聚合酶合成，此酶称为引物酶聚合酶合成，此酶称为引物酶。 整理课件 引物及引物酶的作用：引物及引物酶的作用： 这与这与 DNA聚合酶聚合酶 的高度忠实性复制分不开。的高度忠实性复制分不开。 已知已知 DNA聚合酶具有聚合酶具有 3 5 的外切作用以校的外切作用以校 对复制中的错误核苷酸。也就是说聚合酶在开始形成对复制中的错误核苷酸。也就是说聚合酶在开始形成 一个新的磷酸二

13、酯键前，总先要检查前一个碱基是否一个新的磷酸二酯键前，总先要检查前一个碱基是否 正确，这就决定了它不能从头开始合成。正确，这就决定了它不能从头开始合成。 因此先合成一段低忠实性的多核苷酸来开始因此先合成一段低忠实性的多核苷酸来开始 DNA 的合的合 成，并以核糖核苷酸来标记是成，并以核糖核苷酸来标记是“暂时暂时”的。这种高度精确的的。这种高度精确的 安排增加了安排增加了 DNA 复制的复杂性，却保证了复制的忠实性。已复制的复杂性，却保证了复制的忠实性。已 知复制的误差率仅为十亿分之一至百亿分之一，即复制十亿知复制的误差率仅为十亿分之一至百亿分之一，即复制十亿 到一百亿个碱基才可能出一个差错。到

14、一百亿个碱基才可能出一个差错。 整理课件 10.2.4 DNA连接酶连接酶 催化两条催化两条 DNA 单链连接起来或把单条单链连接起来或把单条 DNA 链闭合起来。链闭合起来。 整理课件 10.3 以以DNA为模板合成为模板合成DNA的过程的过程 n10.3.1 复制的起始复制的起始 n10.3.2 复制的延伸复制的延伸 n10.3.3 复制的终止复制的终止 整理课件 10.3.1 复制的起始复制的起始 n（1）4 个个 danA 蛋白结合蛋白结合与复制与复制 原点原点（origin）上上 的的 danA 蛋白结合蛋白结合 部位蛋白。部位蛋白。 整理课件 n（2）接着接着danB 和和 dan

15、C 等蛋白复合物进等蛋白复合物进 入入 DNA 的熔解区形成前引物化复合物。的熔解区形成前引物化复合物。 n（3）前引物化复合物形成后，导致模板）前引物化复合物形成后，导致模板 DNA 双螺旋解链，解螺旋的双螺旋解链，解螺旋的 DNA部分被部分被 单链结合蛋白结合，保持伸展状态，形成单链结合蛋白结合，保持伸展状态，形成 单链模板。单链模板。 n（4）引物合成：接着，引物酶也结合于）引物合成：接着，引物酶也结合于 单链模板上开始合成单链模板上开始合成 RNA 引物。引物。 整理课件 danA 蛋白结合时要求双螺旋蛋白结合时要求双螺旋 DNA 必须是负超必须是负超 螺旋状态，识别起始原点的螺旋状态

16、，识别起始原点的 作用。作用。 danB 蛋白是解螺旋酶蛋白是解螺旋酶，它催化由它催化由 ATP 推动的推动的 双螺旋双螺旋 DNA 的解链。的解链。 整理课件 10.3.2 复制的延伸复制的延伸 n引物引物 RNA 合成完成后，合成完成后，DNA聚合聚合 全全 酶酶 进入已形成的复制叉上，它已合成的进入已形成的复制叉上，它已合成的 引物引物 RNA开始延伸子链。开始延伸子链。 在聚合酶在聚合酶 全酶的前头，还有一个全酶的前头，还有一个 rep 蛋白，蛋白， 它像起始部位的它像起始部位的 dnaB 蛋白一样是一个解螺旋酶使复蛋白一样是一个解螺旋酶使复 制叉得以推进，制叉得以推进，SSB 再次保

17、持解链的再次保持解链的 DNA 单链处于单链处于 伸展状态而使之起模板作用，伸展状态而使之起模板作用，DNA 促旋酶则同时引促旋酶则同时引 入负超螺旋，以避开拓扑学上的危机，以利聚合酶入负超螺旋，以避开拓扑学上的危机，以利聚合酶 全酶在两条模板不断延伸。全酶在两条模板不断延伸。 整理课件 先导链和随后链同时同方向合成先导链和随后链同时同方向合成： 整理课件 完整的随后链的形成：完整的随后链的形成： 整理课件 半保留半不连续复制：半保留半不连续复制： DNA 复制时子链双链中有一条复制时子链双链中有一条 来源于母链，以来源于母链，以 DNA 母链双链为母链双链为 模板合成子链时模板合成子链时,

18、其中一条子链的合其中一条子链的合 成是不连续的成是不连续的, 而另一条链的合成是而另一条链的合成是 连续的。连续的。 整理课件 10.3.3 复制的终止复制的终止 整理课件 （3）复制的终止）复制的终止 复制具有终止（复制具有终止（termination）位置。在大肠位置。在大肠 杆菌里，由于基因组是一环型杆菌里，由于基因组是一环型 DNA，两个复两个复 制叉向前推移，最后在终止区相遇并停止复制。制叉向前推移，最后在终止区相遇并停止复制。 整理课件 10.4 DNA损伤与修复损伤与修复 n10.4.1 DNA的损伤的损伤 n10.4.2 损伤修复系统损伤修复系统 整理课件 10.4.1 DNA

19、的损伤的损伤 n某些化学、物理的因素可引起细胞某些化学、物理的因素可引起细胞 DNA 的损伤（化学结构发生改变）。化学因的损伤（化学结构发生改变）。化学因 素种类繁多，机制也很复杂；物理因素素种类繁多，机制也很复杂；物理因素 中紫外线的作用机制研究得比较清楚。中紫外线的作用机制研究得比较清楚。 例如例如形成胸腺嘧啶二聚体。形成胸腺嘧啶二聚体。此外，此外，DNA 的损伤还有碱基可能改变或丢失、骨架的损伤还有碱基可能改变或丢失、骨架 中的磷酸二酯键可能断裂，螺旋链可能中的磷酸二酯键可能断裂，螺旋链可能 形成交联等。形成交联等。 整理课件 胸腺嘧啶二聚体胸腺嘧啶二聚体: 紫外线引起紫外线引起 DNA

20、 分子中同一条链上相邻的两个分子中同一条链上相邻的两个 嘧啶核苷酸以共价键连接生成环丁烷结构，即嘧啶嘧啶核苷酸以共价键连接生成环丁烷结构，即嘧啶 二聚体。二聚体。最易见的是胸腺嘧啶二聚体。此种二聚体不能容最易见的是胸腺嘧啶二聚体。此种二聚体不能容 纳在双螺旋结构中，它不能与互补链上的腺嘌呤形成氢键配纳在双螺旋结构中，它不能与互补链上的腺嘌呤形成氢键配 对，影响对，影响 DNA 的复制和基因表达。的复制和基因表达。 胸腺嘧啶二聚体 C C CC CH3 HN N R O O HH O O R N HN CH3 CC C C 整理课件 10.4.2 损伤修复系统损伤修复系统 n修复作用是一种普遍的

21、功能。不论物理修复作用是一种普遍的功能。不论物理 因素或化学因素所造成的损伤，只要因素或化学因素所造成的损伤，只要 DNA 结构发生改变，就能被修复酶识别，结构发生改变，就能被修复酶识别， 而把不正常的部分切除。修复对保护而把不正常的部分切除。修复对保护 DNA 的正常功能是非常重要的。的正常功能是非常重要的。 n修复作用包括修复作用包括光诱导的修复（光修复）光诱导的修复（光修复） 和和 不依赖光的修复（暗修复），在高等不依赖光的修复（暗修复），在高等 动物体内暗修复代替了光修复。动物体内暗修复代替了光修复。 整理课件 （1）光修复）光修复 光修复也称光复活，它是由可见光（光修复也称光复活，它

22、是由可见光（300nm- 400nm）激活激活 光复活酶光复活酶 ，该酶能分解胸腺嘧啶二，该酶能分解胸腺嘧啶二 聚体。聚体。 已从细菌和一些动物的细胞中分裂出一种光复已从细菌和一些动物的细胞中分裂出一种光复 活酶活酶。此酶与此酶与DNA形成的复合物以一种尚未了解形成的复合物以一种尚未了解 的方式吸收光，并利用光能裂解二聚体中的环丁的方式吸收光，并利用光能裂解二聚体中的环丁 基的基的C-C键，以达到复活胸腺嘧啶。哺乳动物和键，以达到复活胸腺嘧啶。哺乳动物和 人体内缺乏此酶。人体内缺乏此酶。 整理课件 （2）暗修复）暗修复: 暗修复通过三种不同的机理来完成修复：暗修复通过三种不同的机理来完成修复：

23、 （1）切除修复（）切除修复（excison repair） （2）重组修复（重组修复（recombinational repair） （3）SOS 修复（修复（SOS repair） 整理课件 （1）切除修复）切除修复 紫外特异核酸 内切酶的切断作用 DNA聚合酶合成 DNA作用 DNA聚合酶 35 切割作用 连接作用 53 35 DNA连接酶 DNA中含胸腺嘧啶二聚体区的修复 胸腺嘧啶二聚体新DNA区; 整理课件 重组修复的过程 再合成 重组 复制 （2）重组修复）重组修复 重组修复是一种复制重组修复是一种复制 后修复。后修复。 重组修复的结果是重组修复的结果是亲亲 代链上的嘧啶二聚体并未

24、代链上的嘧啶二聚体并未 消除，但这一条消除，但这一条 DNA 链链 却逐渐被稀释，最后对正却逐渐被稀释，最后对正 常生理过程没有影响，损常生理过程没有影响，损 伤也就得到了修复。伤也就得到了修复。 整理课件 （3）SOS修复修复 这种修复是允许子链这种修复是允许子链 DNA 复制合成时越过复制合成时越过 亲链上受损伤的片段而不形成缺口，这种修复以亲链上受损伤的片段而不形成缺口，这种修复以 牺牲复制的忠实性为代价。牺牲复制的忠实性为代价。 重组修复的过程 再合成 重组 复制 整理课件 10.5 以以RNA为模板合成为模板合成DNA的过程的过程 n20 世纪世纪 70 年代从一些含年代从一些含 R

25、NA 的肿的肿 瘤病毒如瘤病毒如 鸟类成髓细胞白血病病毒鸟类成髓细胞白血病病毒 和和 劳氏肉瘤病毒劳氏肉瘤病毒 中分离到一种独特中分离到一种独特 的的 RNA 指导的指导的 RNA 聚合酶聚合酶 （RNA-directed DNA polymerase），）， 由于它以由于它以 RNA 为模板合成为模板合成 DNA， 故此称为反转录酶（故此称为反转录酶（reverse transcriptase）。）。 整理课件 反转录酶：反转录酶： 反转录酶以反转录酶以 病毒病毒 RNA 为模板，在引物参与下以四种为模板，在引物参与下以四种 dNTP 为底物像为底物像 DNA 聚合酶一样，按聚合酶一样，按 5 3 方向催化合方向催化合 成一条与模板成一条与模板 RNA 互补互补 DNA 链，形成链，形成 RNA-DNA 杂交链，杂交链， 其中的其中的 DNA链称为互补链称为互补 DNA 链链 （cDNA ）。 这时这时 RNA 被被 降解降解 ，然后再以新合成的，然后再以新合成的 DNA 链为模板，合成另一条互补链为模板，合成另一条互补 的的 DNA 链，形成双链的链，形成双链的 DNA 分子。分子。 新合成的双链新合成的双链 DNA 分子可以进入宿主细胞核