卫校生物化学的生物合成

卫校生物化学的生物合成第1页，共48页，2023年，2月20日，星期三DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分子，从而决定生物的表现型。DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则。第2页，共48页，2023年，2月20日，星期三第3页，共48页，2023年，2月20日，星期三第一节DNA的生物合成第4页，共48页，2023年，2月20日，星期三一复制的基本规律DNA复制的方式——半保留半不连续复制第5页，共48页，2023年，2月20日，星期三DNA在复制时，以亲代DNA的每一条链作模板，合成完全相同的两个双链子代DNA，每个子代DNA中都含有一条亲代DNA链，这种现象称为DNA的半保留复制。一、半保留复制第6页，共48页，2023年，2月20日，星期三复制亲代DNA子代DNADNA半保留复制示意图第7页，共48页，2023年，2月20日，星期三DNA以半保留方式进行复制，是在1958年由M.Meselson

和F.Stahl所完成的实验所证明。该实验首先将大肠杆菌在含15N的培养基中培养约十五代，使其DNA中的碱基氮均转变为15N。然后将大肠杆菌移至只含14N的培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，将具有不同密度的DNA分离开。DNA半保留复制的实验证明第8页，共48页，2023年，2月20日，星期三DNA半保留复制研究实验结果示意图第9页，共48页，2023年，2月20日，星期三按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。半保留复制的意义第10页，共48页，2023年，2月20日，星期三DNA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的片段，即复制起始点(origin)

。在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在真核生物中则为多个。二、有一定的复制起始点第11页，共48页，2023年，2月20日，星期三习惯上把两个相邻DNA复制起始点之间的距离（或DNA片段）定为一个复制子(replicon)。复制子是独立完成复制的功能单位。DNA复制时，局部双螺旋解开形成两条单链，这种叉状结构称为复制叉。第12页，共48页，2023年，2月20日，星期三5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’复制子3’复制起始点与复制子示意图第13页，共48页，2023年，2月20日，星期三参与DNA复制的DNA聚合酶，必须以一段具有3’端自由羟基（3’-OH）的RNA作为引物(primer)，才能开始聚合子代DNA链。RNA引物的大小，在原核生物中通常为50~100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。RNA引物的碱基顺序，与其模板DNA的碱基顺序相配对。三、需要引物第14页，共48页，2023年，2月20日，星期三DNA复制时，以复制起始点(origin)为中心，向两个方向进行解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制(bidirectionalreplication)。但在低等生物中，也可进行单向复制（如滚环复制）。复制中的放射自显影图象四、双向复制第15页，共48页，2023年，2月20日，星期三oriterABCA.环状双链DNA及复制起始点B.复制中的两个复制叉C.复制接近终止点(termination,ter)DNA的双向复制示意图第16页，共48页，2023年，2月20日，星期三DNA聚合酶只能以5'→3'方向聚合子代DNA链，即模板DNA链的方向必须是3'→5'。由于DNA分子中两条链的走向相反，因此当分别以两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时，子代链的聚合方向也是不同的。五、半不连续复制第17页，共48页，2023年，2月20日，星期三35353´5´3´5´解链方向领头链(leadingstrand)随从链(laggingstrand)DNA的半不连续复制3´5´第18页，共48页，2023年，2月20日，星期三以3’→5’方向的亲代DNA链作模板的子代链在复制时基本上是连续进行的，其子代链的聚合方向为5’→3’，这一条链被称为领头链(leadingstrand)。以5’→3’方向的亲代DNA链为模板的子代链在复制时则是不连续的，其链的聚合方向也是5’→3’，这条链被称为随从链(laggingstrand)。领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。

第19页，共48页，2023年，2月20日，星期三由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因此，随从链的合成也是一段一段的。DNA在复制时，由随从链所形成的一些子代DNA短链称为冈崎片段(Okazakifragment)。冈崎片段的大小，在原核生物中约为1000～2000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。第20页，共48页，2023年，2月20日，星期三二参与DNA复制的酶类和蛋白因子第21页，共48页，2023年，2月20日，星期三DNA在和染色体中是以超螺旋状态存在的，复制时必须先解开超螺旋和双螺旋，形成裸露的单链才能作为模板进行合成。（1）拓扑异构酶负责解开DNA的超螺旋。在DNA的一定部位将双链中的一条切开，是链末端沿松解方向转动松弛，然后将切口封闭，使DNA呈松弛状态。1、参与DNA解螺旋和解链的酶及蛋白因子第22页，共48页，2023年，2月20日，星期三第23页，共48页，2023年，2月20日，星期三（2）解链酶，这类酶蛋白一旦与双链DNA连接，就会引起DNA双链解旋，并使两条分开的链呈直线，以便模板链在DNA聚合酶的作用下进行分子复制。第24页，共48页，2023年，2月20日，星期三（3）单链结合蛋白质(SSB)：结合于螺旋酶沿复制叉方向向前推进产生的单链区，防止新形成的单链DNA重新配对形成双链DNA或被核酸酶降解的蛋白质。

第25页，共48页，2023年，2月20日，星期三催化RNA引物合成的酶称为引物酶。引物酶(primerase)本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP），该酶以DNA为模板，聚合一段RNA短链引物(primer)，以提供自由的3’-OH，使子代DNA链能够开始聚合。引物酶需组装成引发体才能催化RNA引物的合成。2、引物酶和引发体第26页，共48页，2023年，2月20日，星期三在E.coli中，含有解螺旋酶(DnaB蛋白)、DnaC蛋白、引物酶(DnaG蛋白)和DNA复制起始区域的复合结构被称为引发体(primosome)

。第27页，共48页，2023年，2月20日，星期三3、DNA聚合酶全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DDDP)简称：DNA-pol作用：在DNA模板链的指导下，以dNTP为原料，按照碱基互补配对原则将dNTP逐个加在寡核苷酸片段的3’-OH上，形成磷酸二酯键，从而使新合成的DNA链沿5’-3’方向延长。活性：1.53

的聚合酶活性

2.核酸外切酶活性第28页，共48页，2023年，2月20日，星期三5´AGCTTCAGGATA

3´

|||||||||||3´TCGAAGTCCTAGCGAC5´35外切酶活性53外切酶活性?能切除突变的DNA片段。能辨认错配的碱基对，并将其水解。DNA聚合酶的核酸外切酶活性第29页，共48页，2023年，2月20日，星期三在原核生物中，目前发现的DNA聚合酶有三种，分别命名为DNA聚合酶Ⅰ（polⅠ），DNA聚合酶Ⅱ（polⅡ），DNA聚合酶Ⅲ（polⅢ），这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。参与DNA复制的主要是polⅢ和polⅠ。（一）种类和生理功能：第30页，共48页，2023年，2月20日，星期三

原核生物中的三种DNA聚合酶

第31页，共48页，2023年，2月20日，星期三为了保证遗传的稳定，DNA的复制必须具有高保真性。DNA复制时的保真性主要与下列因素有关：

1．遵守严格的碱基配对规律；

2．DNA聚合酶在复制时对碱基的正确选择；

3．对复制过程中出现的错误及时进行校正。

（二）DNA复制的保真性(fidelity)：第32页，共48页，2023年，2月20日，星期三DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读A：DNA-pol的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合酶活性掺入正确配对的底物。B：碱基配对正确，DNA-pol不表现外切酶活性。第33页，共48页，2023年，2月20日，星期三DNA连接酶ATP（NAD+）ADP+Pi（NMN++AMP）HO5’3’5’3’3’5’5’3’4、DNA连接酶第34页，共48页，2023年，2月20日，星期三DNA连接酶催化的条件是：①需一段DNA片段具有3'-OH，而另一段DNA片段具有5'-Pi基；②未封闭的缺口位于双链DNA中，即其中有一条链是完整的；③需要消耗能量，在原核生物中由NAD+供能，在真核生物中由ATP供能。第35页，共48页，2023年，2月20日，星期三DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。是基因工程的重要工具酶之一。DNA连接酶的作用第36页，共48页，2023年，2月20日，星期三三DNA复制过程第37页，共48页，2023年，2月20日，星期三DNA复制的起始阶段，由下列两步构成。

1．解旋解链，形成复制叉：由拓扑异构酶和解链酶作用，使DNA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DNA。单链DNA结合蛋白（SSB）四聚体结合在两条单链DNA上，形成复制叉。（一）、复制的起始第38页，共48页，2023年，2月20日，星期三2．引发体组装和引物合成：由解螺旋酶(DnaB蛋白)、DnaC蛋白、引物酶(DnaG蛋白)和DNA复制起始区域形成引发体；在引物酶的催化下，以DNA为模板，合成一段短的RNA片段，从而获得3'端自由羟基（3'-OH）。第39页，共48页，2023年，2月20日，星期三（二）、复制的延长复制的延长指在DNA聚合酶（DNA-PolⅢ）催化下，以3’→5’方向的亲代DNA链为模板，从5’→3’方向聚合子代DNA链。其化学本质是dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，磷酸二酯键不断生成。随从链中复制到一定程度，DNA-PolⅠ将冈崎片段之间的RNA引物切除并行DNA聚合酶功能将冈崎片段连接起来形成一条完整的DNA链。第40页，共48页，2023年，2月20日，星期三5'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA-polDNA复制的延长过程第41页，共48页，2023年，2月20日，星期三领头链的合成过程第42页，共48页，2023年，2月20日，星期三随从链的合成过程第43页，共48页，2023年，2月20日，星期三DNA复制过程简图第44页，共48页，2023年，2月20日，星期三（三）、复制的终止

在复制过程中形成的RNA引物，需由RNA酶来水解去除；RNA引物水解后遗留的缺口，由DNA聚合酶Ⅰ（原核生物）或DNA聚合酶（真核生物）催化延长缺口处的DNA，直到