《生物化学》教学课件：DNA_replication2013-1

1、第三篇 基因信息的复制与传递,唐修文 博士 医学院科C615 email:,Textbook: GENE VII GC） 相邻碱基平面距离0.34nm,螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。,碱基互补配对,Specific pairing we have postulated immediately suggests a possible coping mechanism for the genetic material By Watson and Crick,第十六章 DNA的生物合成,DNA是由四种脱氧核糖核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

2、脱氧核糖核酸的排列顺序中。,第一节 基因组复制的主要特点,一、基因组是细胞或病毒全部遗传信息的总和 基因组（genome）：是指一套完整单倍体DNA（染色体 DNA ）和线粒体 DNA的全部序列，既包括编码序到，也包括非编码序列，这些遗传信息决定了细胞或生物体的命运。,二、复制的基本规律,1、半保留复制 DNA在复制时，以亲代DNA的每一股作模板，合成完全相同的两个双链子代DNA，每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链，这种现象称为DNA的半保留复制(semi-conservative replication)。,DNA以半保留方式进行复制，是在1958年由M. Meselson 和 F. S

3、tahl 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。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，可得到下列结果：,2、DNA复制从起始点向两个方向延伸形成双向复制,原核生物基因组由环状DNA组成，复制时，由一个复制起始点开始向两个方向解链，延伸，形成方向相反的复制叉，称为双向复制。利用放射性标记大肠杆菌DNA，在电镜下观察的图形可以通过双向复制进行解释。,3 、 DNA复制的保真性和碱基选择,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

4、： 1遵守严格的碱基配对规律； 2DNA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。,DNA复制的其它特性,DNA复制出错少。大概是1/1010 DNA复制非常快。E.coli基因组约含4百8拾万对碱基，而基因组复制仅需40分钟。也就是说每秒钟有2000个碱基整合于DNA中。,4、半不连续复制 由于DNA聚合酶只能以53方向聚合子代DNA链，即模板DNA链的方向必须为35。因此，分别以两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时的方式是不同的。,以35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53，这一条链被称为领头链(leadi

5、ng strand)。而以53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53，这条链被称为随从链(lagging strand)。,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(Okazaki fragment)。 冈崎片段的大小，在原核生物中约为10002000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。,第二节 DNA复制的酶学,一、DNA聚合酶 (DDDP) 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（pol ），DNA聚合酶（pol ），DN

6、A聚合酶（pol ），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pol 和DNA聚合酶 。,（一）DNA聚合酶 pol 为单一肽链的大分子蛋白质,可被特异的蛋白酶水解为两个片段，其中的大片段称为Klenow fragment，具有53聚合酶活性和35外切酶的活性。,DNA聚合酶结构 Fingers-Blue; Palm-Yellow; Thumb-Red DNA,DNA聚合酶II和III的发现,由于细胞内DNA聚合酶II和III的活性较聚合酶I小很多,在相隔15年之后才发现了DNA聚合酶II和III 1969年 Paula Delucia and John Cairns p

7、olA1 (1%) normal activity, 表型: E coli生长正常, 但不抗UV照射 分析认为:有与DNA聚合酶I不同的酶参与DNA合成,（二）DNA聚合酶,pol 由十种亚基组成，其中亚基具有53聚合DNA的酶活性，因而具有复制DNA的功能；而亚基具有35外切酶的活性，因而与DNA复制的校正功能有关。,DNA聚合酶的作用原理,（三） DNA聚合酶的核酸外切酶活性和复制的保真性：,核酸外切酶活性和校读,pol pol pol 53聚合酶活性 + + + 53外切酶活性 + - - 35外切酶活性 + + + 生理功能 去除引物,填补缺口 未知 DNA复制 修复损伤 校正错误 校

8、正错误,二、拓扑异构酶(topoisomerase) 拓扑异构酶可使DNA双链中的一条链切断，松开双螺旋后再将DNA链连接起来，从而避免出现链的缠绕。拓扑异构酶可切断DNA双链，使DNA的超螺旋松解后，再将其连接起来。,大肠杆菌拓朴异构酶的结构,三、解螺旋酶 解螺旋酶(unwinding enzyme） ，又称解链酶或rep蛋白，是用于解开DNA双链的酶蛋白，每解开一对碱基，需消耗两分子ATP。目前发现存在至少存在两种解螺旋酶。,四、引发酶和引物体,DNA聚合酶没有催化两个游离dNTP聚合的能力。因此，复制是在一段RNA引物的基础上加进脱氧核苷酸的。 催化引物合成的是一种RNA聚合酶，它不同于

9、催化转录过程的RNA聚合酶，所以称为引物酶。 复制起始时，DnaA、 DnaB、 DnaC蛋白，还有其他复制因子，一起形成复合体，结合引物酶，形成较大的聚合体，再结合到模板DNA上，这种复合物称为引发体。,五、DNA连接酶,DNA连接酶(DNA ligase)可催化两段DNA片段之间磷酸二酯键的形成，而使两段DNA连接起来。,DNA连接酶催化的条件是： 需一段DNA片段具有3-OH，而另一段DNA片段具有5-Pi基； 未封闭的缺口位于双链DNA中，即其中有一条链是完整的； 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。,六、端粒酶,端粒酶是一种RNA-蛋白质复合物。在端粒DNA复制上，端粒酶既有模板，又有逆转录酶这两方面的作用。,七、单链DNA结合蛋白,单链DNA结合蛋白（single strand bind