分子生物学基础 第一 讲 核酸的生物合成课件

分子生物学基础631第一讲核酸的生物合成分子生物学基础631脱氧核糖核酸DNA（细胞核中）

核糖体RNA（rRNA）核糖核酸RNA

信使RNA（mRNA）

转运RNA（tRNA）核酸的分类核酸（细胞质中）核酸分子的主要功能：遗传信息的贮存和传递。分子生物学基础631核酸的分子组成核糖碱基核苷酸核糖核酸

RNA核苷磷酸聚合脱氧核糖碱基

脱氧核苷酸

脱氧核糖核酸

DNA脱氧核苷磷酸聚合（单体）（单体）（大分子聚合物）（大分子聚合物）分子生物学基础631DNA的组成与复制分子生物学基础631DNA是由四种脱氧核苷酸所组成的长链大分子，是遗传信息的携带者。生物体的遗传信息就贮存在DNA的四种脱氧核糖核酸的排列顺序中。分子生物学基础631

DNA的生物合成复制(replication)： 以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。复制逆转录复制亲代DNA子代DNA分子生物学基础631DNA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。分子生物学基础631

转录翻译复制DNARNA蛋白质

逆转录*中心法则(thecentraldogma)

转录翻译复制DNARNA蛋白质

逆转录

转录翻译复制DNARNA蛋白质

逆转录

转录翻译复制DNARNA蛋白质

逆转录

转录翻译复制DNARNA蛋白质

逆转录

转录翻译复制DNARNA蛋白质

逆转录分子生物学基础631第一节复制的基本规律与体系分子生物学基础631一、DNA复制的基本规律半保留复制固定的起始点双向复制半不连续复制分子生物学基础631

DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板(template)按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全重新合成。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。一、半保留复制分子生物学基础631复制亲代DNA子代DNADNA半保留复制示意图分子生物学基础631分子生物学基础631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。半保留复制的意义分子生物学基础631DNA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、固定起始点分子生物学基础631原核生物：•基因组是环状DNA•只有一个复制起始点复制时，DNA从起始点(ori)向两个方向解链，形成两个延伸相反的复制叉，称为双向复制。三、双向复制分子生物学基础631

复制时双链打开，分开成两股，各自作为模板，子链沿模板延长所形成的Y字形的结构称为复制叉(replicationfork)。分子生物学基础631真核生物：

•

染色体DNA有多个复制起始点。

•

从一个DNA复制起始点起始的DNA复制区域称为复制子(replicon)。

•

复制子是独立完成复制的功能单位。分子生物学基础6315’3’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分子生物学基础631复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）分子生物学基础631真核生物的多复制子复制电镜图分子生物学基础631DNA聚合酶只能以5'→3'方向聚合子代DNA链。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。四、半不连续复制分子生物学基础631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’，这一条链被称为前导链。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。前导链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。

分子生物学基础631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。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。分子生物学基础6313

5

3

5

3´5´3´5´解链方向前导链随从链DNA的半不连续复制3´5´冈崎片段引物分子生物学基础631二、DNA复制的体系底物:dNTP(dATP、dGTP、dCTP、dTTP)

聚合酶:

依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-pol)

模板:解开成单链的DNA母链

引物:提供3'-OH末端的寡核苷酸

其他酶和蛋白质因子:拓扑异构酶、解螺旋酶、单链DNA结合蛋白、引物酶、连接酶分子生物学基础631以四种三磷酸脱氧核糖核苷酸为底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。一、原料

分子生物学基础631DNA复制过程中脱氧核糖核苷酸的聚合反应分子生物学基础631DNA复制是模板依赖性的，必须要以亲代DNA链作为模板。亲代DNA的两股链解开后，可分别作为模板进行复制。

二、模板分子生物学基础631引物酶本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP），该酶以DNA为模板，聚合一段RNA短链引物，以提供自由的3’-OH，使子代DNA链能够开始聚合。三、引物分子生物学基础631引物

为DNA聚合酶聚合dNMP提供3’-OH末端的小分子寡核苷酸。分子生物学基础6313'HO5'3

5

3

5

引物酶催化合成短链RNA引物分子

引物引物酶分子生物学基础631四、酶和蛋白因子DNA聚合酶解螺旋酶单链DNA结合蛋白DNA拓扑异构酶引物酶DNA连接酶分子生物学基础6311、DNA聚合酶全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DDDP

)简称：DNA-pol活性：1.5

3

的聚合酶活性

2.核酸外切酶活性分子生物学基础631聚合反应的特点DNA新链生成需引物和模板；新链的延长只可沿5→3

方向进行。分子生物学基础631分子生物学基础631

原核生物中的三种DNA聚合酶

DNA损伤修复分子生物学基础631在真核生物中，目前发现的DNA聚合酶有五种:DNA-pol

起始引发，有引物酶活性。参与低保真度的复制。DNA-pol

在线粒体DNA复制中起催化作用。DNA-pol

延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。DNA-pol

在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。DNA-pol

分子生物学基础631真核生物的DNA聚合酶分子生物学基础631解螺旋酶(helicase)

，又称解链酶，是用于解开DNA双链的酶蛋白。2、解螺旋酶分子生物学基础631利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链。每解开一对碱基，需消耗2分子ATP。DnaBDnaC解链方向分子生物学基础6313、单链DNA结合蛋白

(SSB)在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整性。分子生物学基础631SSB的生理作用使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在，即稳定单链DNA，便于其作为模板复制子代DNA；保护单链DNA，避免核酸酶的降解。分子生物学基础6314、DNA拓扑异构酶人类拓扑异构酶Ⅰ的分子结构能够松解DNA超螺旋结构的酶。分子生物学基础631

108

局部解链后拓扑是指物体或图像作弹性位移而又保持不变的性质。分子生物学基础631解链过程中，DNA分子会过度拧紧、打结、缠绕、连环等现象。分子生物学基础631拓扑异构酶作用特点既能水解、又能连接磷酸二酯键克服解链过程中的打结、缠绕现象

拓扑异构酶Ⅰ

拓扑异构酶Ⅱ分类分子生物学基础631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。（主要）作用机制

分子生物学基础631拓扑异构酶Ⅰ的作用分子生物学基础631拓扑异构酶Ⅱ的作用分子生物学基础6315、引物酶引物酶是复制起始时催化生成小分子RNA引物（原核）或RNA和DNA引物（真核）的酶。大肠杆菌引物酶本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶。分子生物学基础6313'HO5'3

5

3

5

引物酶催化合成短链RNA引物分子

引物引物酶分子生物学基础631DNA连接酶可催化两段DNA片段之间磷酸二酯键的形成，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。6、DNA连接酶分子生物学基础631DNA连接酶ATP（NAD+）ADP+Pi（NMN++AMP）HO5’3’5’3’3’5’5’3’DNA连接酶的连接作用分子生物学基础631DNA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。分子生物学基础631DNA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连接酶的作用分子生物学基础631三DNA生物合成过程分子生物学基础631DNA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、复制的起始分子生物学基础6312．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）。分子生物学基础631二、复制的延长复制的延长指在DNA聚合酶催化下，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。在原核生物中，参与DNA复制延长的是DNA聚合酶Ⅲ；而在真核生物中是DNA聚合酶δ。分子生物学基础6315'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPd