生物化学第十一章DNA的生物合成

1、目录目录第第11章章DNA的生物合成的生物合成目录目录 DNARNA蛋白质转录复制翻译基因遗传基因遗传基因表达基因表达目录目录 复制的基本规律复制的基本规律 DNA复制的酶学和拓扑学变化复制的酶学和拓扑学变化 复制的过程复制的过程( (复制体系、酶复制体系、酶; ;复制起始、延伸、终止复制起始、延伸、终止) ) DNA损伤（突变）与修复损伤（突变）与修复n本章主要内容：本章主要内容：第第 一一 节节 复制的基本规律复制的基本规律半保留复制半保留复制双向复制双向复制半不连续复制半不连续复制复制具有方向性复制具有方向性5 3目录目录一、半保留复制一、半保留复制: DNA复制的基本特征复制的基本特征

2、 DNA DNA母链解开为两股单链，各自为模板母链解开为两股单链，各自为模板按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子链的一股单链从亲代完整地接受过来，另子链的一股单链从亲代完整地接受过来，另一股则全新合成。子链一股则全新合成。子链DNADNA都和母链碱基序都和母链碱基序列一致，称为列一致，称为半保留复制半保留复制。 它保留亲代的全部遗传信息它保留亲代的全部遗传信息( (遗传遗传保守性保守性) )。这是物种稳定性的分子基础，但这是物种稳定性的分子基础，但不绝对不绝对。AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAG

3、GTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母链母链DNA复制形成的复制叉复制形成的复制叉子代子代DNA密度梯度实验密度梯度实验: : 支持支持半保留复制半保留复制的设想的设想含重氮含重氮15N-DNA细菌细菌培养于普培养于普通培养液通培养液 第一代第一代继续培养于继续培养于普通培养液普通培养液 第二代第二代梯度离心结果梯度离心结果目录目录原 核原 核 生 物生 物从 一 个 固从 一 个 固定 的定 的 起 始起 始点点 同 时 向同 时 向两 个 方 向

4、两 个 方 向进行复制，进行复制，称 双 向 复称 双 向 复制。制。二、二、DNADNA复制从起始点向两个方向延伸复制从起始点向两个方向延伸双向复制双向复制放射自显影图像放射自显影图像起点起点起点A. 环状双链环状双链DNA及复制起始点及复制起始点B. 两个复制叉两个复制叉oriterA B C低等生物的滚环复制低等生物的滚环复制C. 复制接近终止点复制接近终止点(termination, ter)53oriorioriori535533553复制子复制子 3真核真核生物每个染色体有生物每个染色体有多个起始点多个起始点，是多复制子的复制。，是多复制子的复制。两个相邻起始点间的距离两个相邻起始

5、点间的距离定为一个定为一个复制子复制子，是独立，是独立完成复制的功能单位。完成复制的功能单位。目录目录三、三、DNADNA一股子链复制的方向与解链方向相反一股子链复制的方向与解链方向相反半不连续复制半不连续复制3 5 3 5 解链方向解链方向3 5 3 3 5 领领头链头链(leading strand)随从链随从链(lagging strand)子链顺着解链方向生子链顺着解链方向生成，复制连续进行。成，复制连续进行。子链与解链方向相反，子链与解链方向相反，不顺着解链方向连续不顺着解链方向连续延长。不连续的复制延长。不连续的复制片段称岡崎片段片段称岡崎片段(okazaki fragment)。

6、 目录目录参与参与DNA复制复制物质物质: 底物底物(substrate): dATP, dGTP, dCTP, dTTP； 聚合酶聚合酶(polymerase, DNA-pol): 依赖依赖DNA的的DNA聚合酶，聚合酶，DDDP； 模板模板(template):母链母链DNA解开成的单链；解开成的单链； 引物引物(primer): 提供提供3 -OH端使端使dNTP依次聚合；依次聚合； 其他的酶和蛋白质因子。其他的酶和蛋白质因子。第第 二二 节节 DNA复制的酶学和拓扑学变化复制的酶学和拓扑学变化目录目录一、一、DNA聚合酶聚合酶: 核苷酸聚合核苷酸聚合全称：全称：依赖依赖DNA的的DNA

7、聚合酶聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase, DNA-pol) 活性：活性：DNA-pol1. 53 的聚合活性的聚合活性.2. 核酸外切酶活性核酸外切酶活性: 3 3 5 5 外切酶活性外切酶活性: : 辨认错配碱基并水解辨认错配碱基并水解 5 5 3 3 外切酶活性外切酶活性: : 切除突变的切除突变的 DNADNA片段片段目录目录复制的基本化复制的基本化学反应学反应: : 核 苷 酸 之核 苷 酸 之间生成磷酸二间生成磷酸二酯键。酯键。核酸片段核酸片段磷酸二酯键磷酸二酯键目录目录反应特点反应特点: :新链生成需新链生成需引物引物和和模板模板； 新链只沿新链只

8、沿5 5 3 3 方向延长。方向延长。(dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 + PPi目录目录5 A G C T T C A G G A T A 3 | | | | | | | | | | |3 T C G A A G T C C T A G C G A C 5 3 5 外切酶活性外切酶活性: 5 3 外切酶活性外切酶活性:?能切除突变的能切除突变的 DNA片段。片段。能辨认错配的碱基对，并将其水解。能辨认错配的碱基对，并将其水解。n核酸外切酶活性核酸外切酶活性: : 目录目录（一）原核生物的（一）原核生物的DNA聚合酶分为三型聚合酶分为三型 DNA-pol DNA-pol DNA

9、-pol 目录目录原核生物的原核生物的DNADNA聚合酶聚合酶 5有有有有有有3 核酸外切酶活性核酸外切酶活性催化复制合成催化复制合成应急修复应急修复主要作用主要作用多亚基不对称多亚基不对称二聚体二聚体？单肽链单肽链组成组成250120109分子量分子量(kD)DNA-pol IIIDNA-pol IIDNA-pol I 有有 有有 有有聚合酶活性聚合酶活性 3无无无无有有5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性参与校对、修复参与校对、修复多亚基不对称多亚基不对称二聚体二聚体？单肽链单肽链组成组成250120109分子量分子量(kD)DNA-pol IIIDNA-pol IIDNA-pol I目录目录

10、（二）常见的真核细胞（二）常见的真核细胞DNA聚合酶聚合酶DNA-pol 起始引发，有引物酶活性。起始引发，有引物酶活性。子链延长的主要酶，解螺旋酶活性。子链延长的主要酶，解螺旋酶活性。参与低保真复制。参与低保真复制。在复制中校读、修复和填补缺口。在复制中校读、修复和填补缺口。催化线粒体催化线粒体DNA复制。复制。DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol 目录目录真核生物的真核生物的DNA聚合酶聚合酶填填补补引引物物空空隙隙，切切除除修修复复，重重组组延延长长子子链链的的主主要要酶酶，解解螺螺旋旋酶酶活活性性线线粒粒体体DNA复复制制低低保保真真度度的的复复制制起起始始引

11、引发发，引引物物酶酶活活性性功功能能+-3 5 核核酸酸外外切切酶酶活活性性高高高高高高？中中5 3 聚聚合合活活性性25.512.514.04.016.5分分子子量量（kD）DNA-pol填填补补引引物物空空隙隙，切切除除修修复复，重重组组延延长长子子链链的的主主要要酶酶，解解螺螺旋旋酶酶活活性性线线粒粒体体DNA复复制制低低保保真真度度的的复复制制起起始始引引发发，引引物物酶酶活活性性功功能能+-3 5 核核酸酸外外切切酶酶活活性性高高高高高高？中中5 3 聚聚合合活活性性25.512.514.04.016.5分分子子量量（kD）DNA-pol目录目录二、同二、同 DNA 分子解链相关的酶

12、分子解链相关的酶1、解螺旋酶、解螺旋酶(helicase) ：利用利用ATP供能，作用于氢键供能，作用于氢键 使使DNA双链解开成为两条单链双链解开成为两条单链运送和协同运送和协同DnaBDnaC解开解开DNA双链双链解螺旋酶解螺旋酶DnaB辨认起始点辨认起始点DnaA蛋白质蛋白质通用名通用名功能功能目录目录 Dna B、 Dna C3 5 3 5 解螺旋酶的作用解螺旋酶的作用 Dna Aori目录目录2、单链、单链DNA结合蛋白结合蛋白(single stranded DNA binding protein, SSB) ：在复制中维持模板处于单链状态在复制中维持模板处于单链状态 并保护单链的

13、完整。并保护单链的完整。 Dna A Dna B、 Dna C3 5 3 5 SSBdATPdCTPdGTP目录目录108局部解链后局部解链后3、DNA拓扑异构酶拓扑异构酶n复制过程正超螺旋的形成：复制过程正超螺旋的形成：目录目录解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成目录目录 既能水解既能水解, , 又能连接磷酸二酯键。又能连接磷酸二酯键。 拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶n拓扑异构酶分类：拓扑异构酶分类：n拓扑异构酶作用特点：拓扑异构酶作用特点：目录目录n拓扑酶的作用方式：拓扑酶的作用方式：拓扑异构酶拓扑异构酶+目录目录拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA双链中双链中一股一股

14、链，使链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，闭切口，DNA变为松弛状态变为松弛状态。反应反应不需不需ATP。n拓扑异构酶拓扑异构酶 I作用机制：作用机制：目录目录目录目录拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA分子分子两股两股链，断端通过链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。切口旋转使超螺旋松弛。利用利用ATP供能，连接断端，供能，连接断端， DNA分子进入负超螺旋状态。分子进入负超螺旋状态。n拓扑异构酶拓扑异构酶 II作用机制：作用机制：目录目录五、五、DNA连接酶连接酶连接连接DNA链链3 -OH末端和相邻末端和相邻DNA链链5 -P末端，使二者生成磷酸二酯键，

15、从而把两段相末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的邻的DNA链连接成一条完整的链。链连接成一条完整的链。n DNA连接酶连接酶(DNA ligase)作用方式：作用方式：POO-O-OHO5POO-O-O335ATPADP5353把两段把两段DNA连连成一条完整链成一条完整链DNADNA连接酶连接单链缺口连接酶连接单链缺口催化催化3 -OH和相邻和相邻5 -P生成磷酸二酯键生成磷酸二酯键目录目录 DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。作用。 在在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。口作用。 也是基因工程的重要工具酶之一。

16、也是基因工程的重要工具酶之一。n功能：功能：目录目录提供核糖提供核糖3 -OH提供提供5 -P结果结果DNA聚合酶聚合酶引物或延长中的引物或延长中的新链新链游离游离dNTP去去PPi(dNTP)n+1连接酶连接酶复制中不连续的两条单链复制中不连续的两条单链不连续不连续连续链连续链拓扑酶拓扑酶切断、整理后的两链切断、整理后的两链改变拓扑状态改变拓扑状态DNA聚合酶，拓扑酶和连接酶催化聚合酶，拓扑酶和连接酶催化3 ,5 -磷酸二酯键生成的比较磷酸二酯键生成的比较目录目录（一）复制起始：（一）复制起始：DNA解链形成引发体解链形成引发体1. DNA解开成单链，提供模板。解开成单链，提供模板。2. 形

17、成引发体，合成引物，提供形成引发体，合成引物，提供3 -OH末端。末端。一、原核生物的一、原核生物的DNA生物合成生物合成第第 三三 节节 DNA生物合成过程生物合成过程The Process of DNA Replication目录目录E. coli复制起始点复制起始点 ori C： 245bp， 三组串联重复序列和两对反向重复序列三组串联重复序列和两对反向重复序列 GATTNTTTATTT GATCTNTTNTATT GATCTCTTATTAG 1 13 17 29 32 44 1 13 17 29 32 44 TGTGGATTA-TTATACACA-TTTGGATAA-TTATCCACA

18、58 66 166 174 201 209 237 24558 66 166 174 201 209 237 245 串联重复序列串联重复序列 反向重复序列反向重复序列5 3 5 3 1. DNA解链解链目录目录 Dna A Dna B、 Dna CDNA拓扑异构酶拓扑异构酶引物引物酶酶SSB3 5 3 5 2. 引发体和引物引发体和引物含有解螺旋酶、含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。复制起始区域的复合结构称为引发体。目录目录3 5 3 5 引物酶催化合引物酶催化合成的成的RNA引物引物3 HO5引物引物酶酶目录目录 5 5 3 35 5

19、dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH 33 3DNA-pol（二）延长：领头链连续复制，（二）延长：领头链连续复制， 随从链不连续复制随从链不连续复制在在DNA-polDNA-pol催化下，催化下，dNTPdNTP以以dNMPdNMP的方式逐个加的方式逐个加入引物或延长的子链，不断生成磷酸二酯键。入引物或延长的子链，不断生成磷酸二酯键。复制叉上领头链和随从链由同一复制叉上领头链和随从链由同一DNA-polDNA-pol催化。催化。目录目录n领头链的合成：领头链的合成：子链沿子链沿5 5 33 方向连续延长。方向连续延长。n随从链的合成随从链的合成拓扑异构酶解链酶

20、单链结合蛋白DNA聚合酶引物酶及引发体DNA连接酶引物领头链随从链冈崎片段5533目录目录n领头链和随领头链和随从链由相同从链由相同的的DNA-pol催化延长催化延长 目录目录复复制制过过程程简简图图目录目录原核环状原核环状DNA双向复制片段在终止点双向复制片段在终止点(ter)汇合。汇合。oriter E.coli8232 ori terSV40500（三）终止：切除引物、填补空缺、连接切口（三）终止：切除引物、填补空缺、连接切口目录目录5 5 5 RNA酶酶OHP5 DNA-pol dNTP5 5 PATP ADP+Pi5 5 DNA连接酶连接酶n 岗崎片段的连接岗崎片段的连接：目录目录端

21、粒端粒(telomere) 指真核生物染色体线性指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构分子末端的结构, ,通常膨大成粒状通常膨大成粒状。n端粒的结构特点：端粒的结构特点：由末端单链由末端单链DNA序列和蛋白质构成。序列和蛋白质构成。末端末端DNA序列是多次重复的富含序列是多次重复的富含G、T碱基碱基的短序列。的短序列。TTTTTTTTGGGGGGGGTTTTTTTTGGGGGGGGPr二、真核生物的二、真核生物的DNA生物合成生物合成目录目录目录目录第第四四节节 DNA损伤（突变）与修复损伤（突变）与修复目录目录目录目录 DNA突变：突变：指个别指个别dNMP残基以至片段残基以至片段DNA在

22、构成、复制或表型功能的异常变化，也称在构成、复制或表型功能的异常变化，也称为为DNA损伤损伤 (DNA damage)。 从分子水平来看，突变就是从分子水平来看，突变就是DNA分子上分子上碱基碱基的改变。的改变。 目录目录一、突变在生物界普遍存在一、突变在生物界普遍存在（一）突变是进化、分化的分子基础（一）突变是进化、分化的分子基础 从长远的生物史看，进化过程是自发突变或从长远的生物史看，进化过程是自发突变或自然突变自然突变(spontaneous mutation) 的不断发的不断发生所造成的。生所造成的。目录目录（二）只有基因型改变的突变形成（二）只有基因型改变的突变形成DNA的多态性的多

23、态性 这种突变没有可察觉的表型改变。这种突变没有可察觉的表型改变。 多态性多态性(polymorphism)一词用来描述个体之一词用来描述个体之间的基因型差别现象。间的基因型差别现象。 （三）致死性的突变可导致个体、细胞的死亡（三）致死性的突变可导致个体、细胞的死亡（四）突变是某些疾病的发病基础（四）突变是某些疾病的发病基础目录目录二、诱发突变的因素二、诱发突变的因素大量的突变属于自发突变，发生频率只不过在大量的突变属于自发突变，发生频率只不过在10-9左右。但由于生物基因组庞大，细胞繁殖速度快左右。但由于生物基因组庞大，细胞繁殖速度快，因此它的作用是不可低估的。，因此它的作用是不可低估的。实

24、验室用来诱发突变，也是生活环境中导致突变实验室用来诱发突变，也是生活环境中导致突变的因素，主要有物理和化学因素。的因素，主要有物理和化学因素。 目录目录n物理因素：物理因素：紫外线紫外线(ultra violet, UV)、各种辐射、各种辐射 UV目录目录n化学因素：化学因素：常见的化学诱变剂常见的化学诱变剂化合物类别化合物类别作作 用用 点点分子改变分子改变碱基类似物碱基类似物如：如：5-BUA 5-BU G- A - T - G - C -羟胺类（羟胺类（NH2OH）T C- T - A - C - G -亚硝酸盐（亚硝酸盐（NO2）C U- G - C - A - T -烷化剂烷化剂如：

25、氮芥类，如：氮芥类，NitrominsG mGG mGDNA缺失缺失G目录目录三、引起突变的分子改变类型有多种三、引起突变的分子改变类型有多种点突变点突变 (point mutation) 或或 错配错配 (mismatch)缺失缺失 (deletion)插入插入 (insertion)重排重排 (rearrangement) 框移框移(frame-shift) 目录目录镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) 亚基亚基N-val his leu thr pro val glu C 肽链肽链CAC基因基因正常成人正常成人Hb (HbA)亚基亚基N-val his leu thr p

26、ro glu glu C 肽链肽链CTC基因基因n镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人 点突变：点突变：DNA分子上一个碱基的变异称分子上一个碱基的变异称点突变点突变或或错配错配 点突变发生在基因的编码区，可导致氨基酸改变。点突变发生在基因的编码区，可导致氨基酸改变。 （一）点突变可导致编码氨基酸的改变（一）点突变可导致编码氨基酸的改变目录目录（二）缺失、插入和框移突变（二）缺失、插入和框移突变:蛋白质氨基酸序列改变蛋白质氨基酸序列改变缺失：缺失： DNA链上一个碱基或一段核苷酸消失。链上一个碱基或一段核苷酸消失。插入：插入：一碱基或一段核苷酸插入一碱基或一段核苷酸插入DNA分子中间。分子中间

27、。 都可导致都可导致框移突变框移突变 。框移突变框移突变: 三联体密码的阅读方式改变三联体密码的阅读方式改变 造成蛋白质氨基酸顺序改变。造成蛋白质氨基酸顺序改变。 谷谷 酪酪 蛋蛋 丝丝5 G C A G U A C A U G U C 丙丙 缬缬 组组 缬缬正常正常5 G A G U A C A U G U C 缺失缺失C目录目录（三）重组或重排常引起遗传、肿瘤等疾病（三）重组或重排常引起遗传、肿瘤等疾病 重组或重排；重组或重排；DNA分子内较大片段的交换。分子内较大片段的交换。 DNA移位可在新位点上颠倒反置移位可在新位点上颠倒反置(倒位倒位)， 也可在染色体之间交换重组。也可在染色体之间交换重组。 基因重排引起的两种地中海贫血基因型基因重排引起的两种地中海贫血基因型DNA损伤（突变）：导致复制或转录障碍；损伤（突变）：导致复制或转录障碍； 复制后基因突变，复制后基因突变，DNA 序列永久性改变。序列永久性改变。进化使细胞识别和修复损伤，维持正常代谢。进化使细胞识别和修复损伤，维持正常代谢。目录目录四、四、DNA损伤修复的类型损伤修复的类型修复修复(repairing) ：发生改变的发生改变的DNADNA分子回复为原有的天然状态。分子回复为原有的天然状态。 直接修复直接修复(direct repair) 切除修复切除修复(exci