生物化学课件：第十二章 DNA的生物合成

1、 HIVHIV 严重急性呼吸综合症（Severe Acute Respiratory Syndrome） 禽流感病毒禽流感病毒 H5N1H5N1禽流感禽流感19581958 Crick Crick 中心法则中心法则 复制复制 转录转录 翻译翻译经补充经补充 逆转录逆转录 RNARNA复制复制中心法则DNARNA蛋白质转录反转录翻译复制复制主主 要要 内内 容容 掌握掌握DNADNA复制的概念和特点复制的概念和特点 掌握掌握原核生物原核生物DNADNA合成的过程合成的过程 掌握掌握逆转录逆转录 了解了解DNADNA损伤的修复损伤的修复 replicationreplication 以亲代以亲代D

2、NADNA为模板，按照为模板，按照碱基配对碱基配对的规律合成出与亲代的规律合成出与亲代DNADNA分分子相同的子相同的两个两个子代双链子代双链DNADNA的过程的过程19581958年，年，Meselson Meselson 和和StahlStahl利用利用N N的同位素的同位素1515N N标记大肠杆标记大肠杆菌菌DNADNA，首先证明了，首先证明了DNADNA的的半半保留复制。保留复制。1.1 DNA1.1 DNA复制主要特点复制主要特点v 半保留复制半保留复制 子代细胞的子代细胞的DNADNA双链，其中双链，其中一股单链一股单链从从亲代完整的接受过来，亲代完整的接受过来，另另 一股单链一

3、股单链完全重新合成。完全重新合成。v半保留复制的意义半保留复制的意义 子代完全保留了亲代子代完全保留了亲代DNADNA 的全部遗传信息。的全部遗传信息。 问问： DNADNA按半保留方式复制。如果一个完全放按半保留方式复制。如果一个完全放射标记的双链射标记的双链DNADNA分子，放在不含有放射标分子，放在不含有放射标记物的溶液中，进行两轮复制，所产生的四个记物的溶液中，进行两轮复制，所产生的四个DNADNA分子的放射活性将会怎样：分子的放射活性将会怎样：A A半数分子没有放射性半数分子没有放射性 B B所有分子均有放射性所有分子均有放射性C C半数分子的两条链均有放射性半数分子的两条链均有放射

4、性 D D一个分子的两条链均有放射性一个分子的两条链均有放射性E E四个分子均无放射性四个分子均无放射性1.2 DNA1.2 DNA复制的条件复制的条件 高能的底物：高能的底物：dATPdATP、dGTPdGTP、dCTPdCTP dTTP dTTP。 酶：酶：DNADNA聚合酶、解旋酶、拓扑异构酶、聚合酶、解旋酶、拓扑异构酶、 单链单链DNADNA结合蛋白、引物酶、结合蛋白、引物酶、DNADNA连连 接酶等。接酶等。1.3 1.3 原核生物的酶类原核生物的酶类(1)(1)DNADNA解螺旋酶（解螺旋酶（DNA helicaseDNA helicase） (2)(2)单链结合蛋白单链结合蛋白(

5、SSB)(SSB) single-strand binding protein single-strand binding protein (3)DNA(3)DNA聚合酶（聚合酶（DNA polymerasesDNA polymerases）(4)(4)引物酶（引物酶（primaseprimase）(5)(5)拓扑异构酶（拓扑异构酶（topoisomerasetopoisomerase）(6)DNA(6)DNA连接酶（连接酶（DNA ligaseDNA ligase） DNADNA解螺旋酶，也叫解螺旋酶，也叫解链酶解链酶，就是，就是催化催化DNADNA双螺旋解链双螺旋解链 大肠杆菌中有解螺旋酶

6、活性的蛋白质已大肠杆菌中有解螺旋酶活性的蛋白质已发现有十多种，它们都有依赖双链发现有十多种，它们都有依赖双链DNADNA的的 ATPase ATPase 活性，活性，依靠水解依靠水解ATPATP提供解提供解链所需要的能量链所需要的能量。（1 1）DNADNA解螺旋酶（解螺旋酶（DNA helicaseDNA helicase） DNA DNA 双螺旋经解螺旋酶解链形成的单链双螺旋经解螺旋酶解链形成的单链很快被单链结合蛋白所覆盖，很快被单链结合蛋白所覆盖，使解链使解链DNADNA保持单链状态保持单链状态。（2 2）单链结合蛋白）单链结合蛋白（single-strand binding prote

7、in,SSBsingle-strand binding protein,SSB） 在大肠杆菌中发现了三种在大肠杆菌中发现了三种DNADNA聚合酶，分聚合酶，分别命名为别命名为DNADNA聚合酶聚合酶I I、II II、IIIIII。 19991999发现发现DNADNA聚合酶聚合酶 IVIV、V V(3)DNA(3)DNA聚合酶（聚合酶（DNA polymerasesDNA polymerases）原核生物原核生物DNA-pol DNA-pol DNA-pol 功功能能5 3 聚合活性聚合活性+3 5 外切酶活性外切酶活性+5 3 外切酶活性外切酶活性+-分子量分子量109 000 120 0

8、00 140 000每个菌体中所含每个菌体中所含的酶分子数的酶分子数4004020聚合速率聚合速率（核苷酸数（核苷酸数/分分/酶）酶）10005060 000DNADNA的合成有没有方向性？的合成有没有方向性？ DNADNA聚合酶为多功能酶，有聚合作用，聚合酶为多功能酶，有聚合作用， 又有外切作用，互相矛盾，怎样解释？又有外切作用，互相矛盾，怎样解释？原核生物原核生物DNA-pol DNA-pol DNA-pol 功功能能5 3 聚合活性聚合活性+3 5 外切酶活性外切酶活性+5 3 外切酶活性外切酶活性+-分子量分子量109 000 120 000 140 000每个菌体中所含每个菌体中所含

9、的酶分子数的酶分子数4004020聚合速率聚合速率（核苷酸数（核苷酸数/分分/酶）酶）10005060 000 DNADNA聚合酶聚合酶I I 它的主要功能是它的主要功能是参与参与DNADNA修复，切除修复，切除RNARNA引物引物。 DNADNA聚合酶聚合酶 它的主要功能可能是它的主要功能可能是参参与与DNADNA的损伤修复。的损伤修复。（具体不祥）（具体不祥） DNADNA聚合酶聚合酶 寡聚酶，寡聚酶，DNADNA聚合酶聚合酶才是才是催化大肠杆菌催化大肠杆菌DNADNA复制主要的酶复制主要的酶。进行性肌营养不良进行性肌营养不良唇裂唇裂 大肠杆菌的大肠杆菌的DNADNA复制需要由引物酶合复制

10、需要由引物酶合成一小段成一小段RNARNA作为作为DNADNA合成的引物，合成的引物，因为因为所有的所有的DNADNA聚合酶都只有按模板聚合酶都只有按模板链的指令，在引物链的指令，在引物3 3 -OH -OH端延伸新链端延伸新链的功能，没有从头开始合成的活力。的功能，没有从头开始合成的活力。 合成合成RNARNA做引物有什么好处？做引物有什么好处？（4 4）引物酶（）引物酶（primaseprimase）DNADNA的合成具有方向性，那么两条新的合成具有方向性，那么两条新合成链上需要的引物数目是否相同？合成链上需要的引物数目是否相同？请看动画请看动画 引起拓扑异构反应的酶称为引起拓扑异构反应的

11、酶称为拓扑异构拓扑异构酶酶。DNADNA复制时模板复制时模板DNADNA超螺旋的松弛超螺旋的松弛和复制后超螺旋的再恢复都需要拓扑和复制后超螺旋的再恢复都需要拓扑异构酶的参与。异构酶的参与。 按照作用机制，拓扑异构酶可分为按照作用机制，拓扑异构酶可分为、两种类型。两种类型。（5 5）拓扑异构酶（）拓扑异构酶（topoisomerasetopoisomerase） 拓扑异构酶拓扑异构酶也叫也叫旋转酶旋转酶(gyrase)(gyrase)。 拓扑异构酶拓扑异构酶在有在有ATPATP功能的情况下，功能的情况下，可可引入负超螺旋引入负超螺旋，可消除复制叉前，可消除复制叉前进时产生的扭曲张力，它和拓扑异进

12、时产生的扭曲张力，它和拓扑异构酶构酶一起共同控制着一起共同控制着DNADNA的拓扑的拓扑结构。结构。 请看动画请看动画 拓扑异构酶拓扑异构酶. 它可先它可先切开切开DNADNA双螺旋的一条链双螺旋的一条链，同时牵，同时牵动另一条链通过切口，再把切断的链重动另一条链通过切口，再把切断的链重新连接上。拓扑异构酶新连接上。拓扑异构酶可消除负超螺可消除负超螺旋，对正超螺旋无作用。旋，对正超螺旋无作用。 动画 DNADNA连接酶催化连接酶催化单链单链DNADNA切口共价连切口共价连接。接。注意：注意： 切口上的切口上的3 -OH3 -OH与与5 -5 -磷酸基必须相邻磷酸基必须相邻 大肠杆菌大肠杆菌DN

13、ADNA连接酶利用依赖连接酶利用依赖NADNAD+ +，真核细胞则需要真核细胞则需要ATPATP为反应供能。为反应供能。 （6 6）DNADNA连接酶（连接酶（DNA ligaseDNA ligase） DNA解螺旋酶（解螺旋酶（DNA helicase） (2)单链结合蛋白单链结合蛋白(SSB) (3)DNA聚合酶（聚合酶（DNA polymerases） (4)引物酶（引物酶（primase） (5)拓扑异构酶（拓扑异构酶（topoisomerase） (6)DNA连接酶（连接酶（DNA ligase） 请看动画请看动画问问： 参加参加DNADNA复制的酶类包括：（复制的酶类包括：（1 1

14、）DNADNA聚合聚合酶酶；（；（2 2）解链酶；（）解链酶；（3 3）DNADNA聚合酶聚合酶；（4 4）RNARNA聚合酶（引物酶）；（聚合酶（引物酶）；（5 5）DNADNA连接酶。其作用顺序是：连接酶。其作用顺序是： A A（4 4）、（）、（3 3）、（）、（1 1）、（）、（2 2）、（）、（5 5）B B（2 2）、（）、（3 3）、（）、（4 4）、（）、（1 1）、（）、（5 5） C C（4 4）、（）、（2 2）、（）、（1 1）、（）、（5 5）、（）、（3 3） D D（4 4）、（）、（2 2）、（）、（1 1）、（）、（3 3）、（）、（5 5） E E（2 2）

15、、（）、（4 4）、（）、（1 1）、（）、（3 3）、（）、（5 5） (1)(1)复制的起始复制的起始 解链及复制叉的形成解链及复制叉的形成 引发体、引物酶、引物引发体、引物酶、引物RNARNA的形成的形成(2)(2)链的延伸链的延伸 前导链和滞后链、冈崎片段的形成前导链和滞后链、冈崎片段的形成 (3)(3)链的终止链的终止 引物的切除和缺口的填补引物的切除和缺口的填补 后随链后随链DNADNA片段的连接、连接酶片段的连接、连接酶2.1 2.1 复制的起始复制的起始首要问题是什么？首要问题是什么？ 原核细胞染色体的复制只能从一个特原核细胞染色体的复制只能从一个特定位点开始，在另一个特定位点

16、上终定位点开始，在另一个特定位点上终止。像这样能独立进行复制的单位称止。像这样能独立进行复制的单位称为为复制子复制子（repliconreplicon）。）。 此外，质粒此外，质粒DNADNA和细胞器和细胞器DNADNA都只有都只有一个复制起点；一个复制起点；真核细胞基因的线状真核细胞基因的线状DNADNA上含有多个上含有多个复制起点，是多复制子的。复制起点，是多复制子的。真核细胞真核细胞DNA链较原核生物长很多，链较原核生物长很多，聚合速度又较慢，如何解决？聚合速度又较慢，如何解决？ 一些特殊的蛋白质可以识别并结合于复制起点，一些特殊的蛋白质可以识别并结合于复制起点，随即使随即使DNADNA

17、双螺旋局部解链，形成双螺旋局部解链，形成“复制眼复制眼”，在其两端在其两端DNADNA的两股链呈的两股链呈Y Y字状，称为字状，称为复制叉复制叉，分别向两侧进行复制。分别向两侧进行复制。 2.2 2.2 链的延伸链的延伸 当复制引发过程完成之后，当复制引发过程完成之后，DNADNA聚合酶聚合酶即结合到即结合到DNADNA模板上，在模板上，在RNARNA引物引物3 3OHOH后后面合成新的面合成新的DNADNA链。链。DNADNA复制时，复制时， 55TpApGpApTpApGpAp33序列产序列产生的互补结构是下列哪一种：生的互补结构是下列哪一种：A A55TpCpTpApTpCpTpAp3

18、3 B B55ApTpCpTpApTpCpTp33C C55UpCpUpApUpCpUpAp33 D D55GpCpGpApGpCpGpAp3 3 E E3 3 TpCpTpApTpCpTpAp55当复制叉沿当复制叉沿DNADNA模板向前移动时，新生成模板向前移动时，新生成的的DNADNA方向与复制叉移动方向相同吗？方向与复制叉移动方向相同吗？为什么？为什么？ 选择若以走向为选择若以走向为3535的亲代链为模板，的亲代链为模板，子代链就能连续合成，称为子代链就能连续合成，称为前导链前导链（leading strandleading strand） 若以走向为若以走向为5 3 5 3 的亲代链为

19、模板的亲代链为模板, ,子子代链就先合成许多小片段，再由代链就先合成许多小片段，再由DNADNA聚合酶聚合酶切除片段上的引物，填补片切除片段上的引物，填补片段之间的空缺，最后由连接酶把它们段之间的空缺，最后由连接酶把它们连接成一条完整的子代链，称为连接成一条完整的子代链，称为滞后滞后链链（lagging strandlagging strand） 解链方向解链方向 冈崎片段冈崎片段： 滞后链的合成是以亲代滞后链的合成是以亲代5 5 3 3 为为模板链，先合成一些小的片段，然后再将这模板链，先合成一些小的片段，然后再将这些片段连成一条新链，这些小的些片段连成一条新链，这些小的DNADNA片段片段

20、 半不连续复制半不连续复制：DNADNA复制中，一条新链是按复制中，一条新链是按5 5 3 3 的方向（与复制叉移动的方向相同）的方向（与复制叉移动的方向相同）连续合成，另一条新链则按连续合成，另一条新链则按5 5 3 3 方向方向（与复制叉移动方向相反）不连续合成。（与复制叉移动方向相反）不连续合成。2.3 2.3 复复 制制 的的 终终 止止 RNA RNA引物的切除：引物的切除： 5 3 5 3 外切酶外切酶缺口的填补：缺口的填补：DNADNA聚合酶聚合酶I I切口的连接：切口的连接：DNADNA连接酶，需能连接酶，需能NADNAD+ + DNA polymerase I replaces th