《生物化学：DNA的生物合成》课件

DNA的生物合成DNABiosynthesis，Replication遗传的中心法则

1958年Crick提出以DNA为中心的遗传信息的传递规律，即DNA贮存的遗传信息通过复制传给子代DNA，通过转录传给RNA，再通过翻译传给蛋白质。遗传信息传递方向的这个规律被称为～。DNARNA蛋白质复制复制转录翻译反转录？复制(replication)指生物体内以亲代DNA分子两条链为模板，合成两个子代DNA分子的过程。亲代DNA复制子代DNA半保留复制半不连续复制双向复制高保真性复制的特点一、复制的基本特点（一）、半保留复制子代DNA分子的一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全是新合成的。两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制。半保留复制的概念半保留复制的理论设想TGGTACTGCCACTGGACCATGACGGTGACCTGGTACTGCCACTGGACCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCTGGTACTGACCATGACACCATGACTGGTACTGTGGTACTGCCACTGGACCATGACGGTGACC+母链DNA

复制过程中形成的复制叉子代DNA

子链复制的几种可能方式全保留半保留混合式亲代DNA子代DNA首先在15NH4Cl培养基中培养然后转到14NH4Cl培养基中培养

只在15NH4Cl中培养

只在14NH4Cl中培养14N对照系统15N对照系统第一代第二代

提取DNA，进行密度梯度超离心E.coli细胞用15N标记的亲本DNA14N中第一次复制14N中第二次复制实验结果表明DNA复制是半保留复制半保留复制的意义半保留复制使子代DNA保留了亲代DNA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。在强调遗传恒定性的同时不能忽视其变异性。terA环状双链DNA及复制起始点（origin）B复制中的两个复制叉（replicationfork）C复制接近终止点(termination,ter)复制叉指复制时，双链DNA由复制起始点处打开，沿两条解开的单链模板合成DNA新链，其形状像一个叉子，称为复制叉。E.coliorigin原核生物（二）、复制的半不连续性53解链方向3´5´领头链(leadingstrand)随从链(laggingstrand)353´3´5´5´领头链连续复制，随从链不连续复制，这就是复制的半不连续性DNA的两股链走向相反，一股为5’至3’，另一股（互补链）为3’至5’

。复制叉上两股母链也是走向相反。子链沿母链模板复制，只能从5’向3’延伸。同一个复制叉只能有一个解链方向。冈崎片段顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链。另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链。复制中的不连续片段称为冈崎片段(okazakifragment)。（三）、双向复制原核生物DNA

复制时，DNA从起始点(origin)向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制。。复制中的放射自显影图像（眼睛状图形）（大肠杆菌DNA经放射性标记后电镜下观察结果）真核生物真核生物有多个染色体均需要复制，每个染色体有多个起始点，是多复制子的复制。习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一个复制子(replicon)

。复制子是独立完成复制的功能单位。高等生物有数以万计的复制子，长度差异很大。真核生物的多复制子复制5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’3’复制子已完成复制的复制子DNA母链，ori为复制点复制子的大小和起始的先后不同复制子长度为相邻起点间距离其中一个复制子已经完成复制复制进程（四）复制的高保真性1.遵守严格的碱基配对规律2.聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能3.复制出错时DNA-pol的及时校读功能二、DNA复制的反应体系DNA复制系统底物dNTP聚合酶DNA-pol模板解成单链单链的DNA母链引物与模板互补的RNA片段其它酶和蛋白质因子底物(substrate):dATP,dGTP,dCTP,dTTP，DNA是单磷酸核苷，合成时水解掉1分子PPi聚合酶(polymerase):

依赖DNA的DNA聚合酶简写为DNA-pol模板(template):

解开成单链的DNA母链引物(primer):

提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合解螺旋酶引物酶单链DNA结合蛋白DNA连接酶等聚合反应的特点：需要引物和模板；新链的延长5→3方向复制的化学反应(dNMP)n

+dNTP→(dNMP)n+1

+PPi

1、DNA聚合酶全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase，DDDP)简称：DNA-pol活性（作用）有两方面：53

的聚合活性，沿53方向延长脱氧核苷酸链。核酸外切酶活性（两种情况）35外切酶活性，能辨认错配的碱基对，并将其水解。53外切酶活性，能切除突变的DNA片段。核酸外切酶活性3→5外切酶活性能辨认错配的碱基对，并将其水解。

（校读）5→3

外切酶活性能切除突变的DNA片段，切除RNA引物。

合成中的DNA分子

原核生物的DNA聚合酶DNA-polⅠDNA-polⅡDNA-polⅢ修复合成、去除引物、填补空缺修复合成主要复制酶三种酶均具有：5→3

聚合酶活性3→5外切酶活性

3’5’5’3’

外切酶聚合酶NC5’3’外切酶小片段大片段（klenow片段）切除RNA引物损伤修复校读功能（常用的工具酶）聚合功能DNA-polⅠ（109kD）DNA-polⅡ（120kD）

DNA-polII基因发生突变，细菌依然能存活它参与DNA损伤的应急状态修复。

εε功能：是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。

DNA-polⅢ(250kD)7-10个亚基组成的不对称二聚体核心酶（α2ε22）α亚基催化磷酸二酯键的形成。ε亚基具有3’→5’核酸外切酶活性，起较正作用滑动夹子（两个亚基）（2围绕双螺旋形成一个环，模板链从该环通过）——夹稳模板并沿模板滑动

复合物——夹子装载真核生物的DNA聚合酶细胞内定位5’→3’聚合活性3’→5’外切活性功能核核线粒体核核+引物合成随从链部分合成--+++++--低保真度的复制线粒体DNA的复制延长子链的主要酶解螺旋酶活性填补引物空隙切除修复重组依赖DNA的RNA聚合酶，可催化短片段RNA合成。可以催化游离NTP聚合。在大肠杆菌中，是DnaG引物（primer）：是由引物酶催化生成的短链RNA，它可为DNA聚合提供3'-OH末端。2、引物酶(primerase)解旋酶能在复制叉前解开一小段DNA。每解开一个碱基对需消耗2分子ATP。3.1、解螺旋酶3.2、拓扑异构酶

(topoisomerase)

拓扑异构酶作用特点既能水解、又能连接磷酸二酯键。能够可逆的切断DNA链，消除由于复制叉移动使DNA双链打结、缠绕而形成的正超螺旋。11个螺旋

9个螺旋被压缩

超螺旋局部解开后DNA复制过程中正超螺旋的形成

2复制过程中正超螺旋的形成

超螺旋解开前29解链过程中正超螺旋的形成拓扑异构酶Ⅰ切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，DNA变为松弛状态。反应不需ATP。拓扑异构酶Ⅱ切断DNA分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。利用ATP供能，连接断端，DNA分子进入负超螺旋状态。拓扑异构酶的作用

3.3、单链结合蛋白(singlestrandedDNAbindingprotein,SSB)是同源四聚体，对单链DNA有高的亲合力能特异性的结合到分开的单链DNA上，作用：1）防止单链重新生成超螺旋2）防止单链模板被水解。引发体引物酶DNA聚合酶IIIDNA聚合酶IDNA连接酶滞后链前导链单链结合蛋白解旋酶4、DNA连接酶

DNA连接酶(DNAligase)作用方式连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P末端，使二者生成磷酸二酯键，把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。DNA连接酶ATPADPHO5’3’5’3’3’5’5’3’5’3’5’3’5’3’5’3’ATPADPDNA连接酶（一）复制的起始1.DNA解开成单链，形成复制叉，提供模板。2.形成引发体并合成引物，提供3-OH末端。三、原核生物的DNA生物合成

解链过程DnaA、B、C三种蛋白参与DnaB解螺旋酶DnaCDnaA蛋白四个相同亚基组成3553DnaB解螺旋酶DnaC

DnaASSBDnaG引物酶DNA拓扑异构酶Ⅱ3553DnaB解螺旋酶DnaCSSBDNA拓扑异构酶Ⅱ合成引物DnaG引物酶解链方向（二）复制的延长复制的延长指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。(dNMP)n

+dNTP→(dNMP)n+1

+PPi

dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTP3'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTP5'3'5'OH3'DNA-pol复制的延长复制的化学反应单链延长的方向单链延长的方向新链生成需引物；新链的延长只可沿5→3方向进行。脱氧核糖核苷酸之间生成3’，5’－磷酸二酯键而逐一聚合DnaGSSBSSBSSBααττDNA-PolⅢ前导链后随链-冈崎片断53353553DnaB解螺旋酶5353冈崎片断的连接55DNAPol-ⅠDNApolI水解RNA引物留下空隙填补引物水解后留下的空隙，保留缺口DNA连接酶DNA连接酶ATPADP+Pi55DNA连接酶55P形成磷酸二酯键连接片段之间缺口原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制片段在复制的终止点(ter)处汇合。（三）复制的终止滚环复制(噬菌体)dNTPDNA-polγ

D环复制(线粒体)第一引物以内环为模板延伸第二引物（反向）以外环为模板进行反向延伸四、真核生物的DNA复制过程（一）真核生物DNA复制的特点：1、多复制子复制2、RNA引物和冈崎片段短真核引物10个核苷酸，原核可高达数十个；真核冈崎片段100-200个碱基，原核高达1000-2000个。3、起始过程复杂4、真核生物DNA复制和核小体装配同步进行5、端粒DNA的合成真核生物线性染色体末端有端粒结构。

端粒(telomere)功能维持染色体的稳定性维持DNA复制的完整性1)随着年龄的增长、衰老进行，端粒DNA长度也在相应缩短

。2)长期慢性的紧张和压力可以影响端粒长度缩短的速度。3)孩童时期的不幸经历令孩子们的端粒DNA长度普遍缩短。

线性DNA复制的末端复制完成后子链末端留下空隙，母链成单链功能•维持染色体的稳定性•保证DNA复制的完整性端粒的结构特点•由末端单链DNA序列和蛋白质构成。•末端DNA序列是多次重复的富含T、G碱基的短序列。TTTTGGGGTTTTGGGG…端粒酶(telomerase)作用：①RNA模板②逆转录酶端粒酶的分子结构组成：端粒酶RNA端粒酶协同蛋白端粒酶逆转录酶端粒酶的RNA端粒DNA末端1、端粒酶靠hTR（AnCn）x与母链DNA端粒结合2、以端粒酶RNA为模版，逆转录，延长DNA母链3、端粒酶移位、空出RNA模板，再次延长母链，同时DNA母链反摺利于下游复制延伸。端粒酶的RNA4、延伸足够长度后端粒酶脱离母链，代之以DNA-Pol。此时母链3′-OH反折，同时作为引物和模板，完成末端双链复制。端粒酶的RNADNA-Pol哺乳动物的细胞周期DNA合成期G1G2SM•细胞周期（cellcycle）是指连续分裂细胞从上一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂完成所经历的整个过程。整个过程中，细胞遗传物质复制并加倍，且在分裂结束时平均分配到两个子细胞中去。RNA和蛋白质合成调控DNA合成的启动形成染色体发生细胞分裂新细胞形成合成有丝分裂所必需物质

反转录(reversetranscription)

：是以RNA为模板，指导DNA合成的过程。反转录酶(reversetranscriptase)：依赖RNA的DNA聚合酶（RDDP）。RNADNA

反转录酶第二节、反转录和反转录病毒信息流动方向逆转录酶作用特点逆转录酶具有三种酶活性：以RNA指导的DNA聚合酶活性以RNA作模板合成DNA单链，形成RNA-DNA杂化分子RNA水解酶活性水解杂化分子中的RNA单链，生成DNA单链模板（此作用可以由被感染细胞内RNase代替）DNA指导的DNA聚合酶活性DNA作模板合成DNA单链，形成双链DNA分子酶作用需要Zn2+

作为辅助因子合成反应也按照5′→3′延长的规律逆转录酶的存在：致癌RNA病毒、蛙卵、白细胞、滋养层细胞。逆转录酶的作用逆转录酶逆转录酶（RNaseH）逆转录酶3′5′3′5′3′5′3′5′3′5′5′3′第三节DNA损伤与修复

DNADamageandRepair在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤(DNAdamage)。遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为突变。突变就其后果而言并非都是危害生命的，也有积极意义，是进化、分化的分子基础，且在生物界普遍存在。一、引发DNA损伤的因素自发性:自然错配率约为10-9～10-10

左右。物理因素:如UV(ultraviolet)、各种辐射。化学因素:烷化剂、碱基、核苷酸类似物及其他一些人工合成或环境中存在的化学物质。生物因素:黄曲霉素、病毒和抗生素类等。二、突变的分子改变类型错配(mismatch)缺失(deletion)插入(insertion)重排(rearrangement)框移(frame-shift)

（一）错配DNA分子上的碱基错配又称点突变。有两种类型：1.转换：发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。。2.颠换：发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。如果点突变发生在基因编码区，则会导致氨基酸改变（蛋白质一级结构改变），进而影响该蛋白质的功能。与疾病有关的点突变例子镰型红细胞贫血β基因（编码链GAG→GTG）HbS=α2β26Glu→Val（β链）膀胱癌细胞c-rasH基因（编码链GGC→GTC）表达产物12位Gly→Val。（二）缺失、插入和框移缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失。插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到DNA大分子中间。缺失或插入可导致框移突变框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。（三）重排DNA分子内的某个片段从一个位置转移到另一个位置，或不同DNA分子间DNA片段的转移及重新组合称重组或重排。四、DNA损伤的修复修复(repairing)是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复为原有的天然状态。修复的主要类型光修复切除修复重组修复

SOS修复

无差错修复有差错修复（一）光修复

嘧啶二聚体的形成与解聚HNNOOOONNHCH3CH3RRPO