的生物合成復(fù)制

1、第十一章 DNA的生物合成（復(fù)制）一、教學(xué)基本要求描述遺傳學(xué)中心法則，擴(kuò)大的中心法則及生物學(xué)意義。記住DNA合成的概念，包括以DNA作為模板指導(dǎo)的DNA合成（復(fù)制），以RNA作為模板指導(dǎo)的DNA合成（反轉(zhuǎn)錄）及DNA的修復(fù)合成。分別描述其概念。復(fù)述DNA復(fù)制特點(diǎn)，過程，參與的酶和因子（包括它們的功能）。簡要敘述復(fù)制過程及真核DNA復(fù)制特點(diǎn)。結(jié)合反轉(zhuǎn)錄酶的功能，簡要敘述反轉(zhuǎn)錄過程及其生物學(xué)意義。記住端粒酶的概念與功能。列舉DNA損傷的幾種類型，寫出修復(fù)合成的幾種方式名稱。敘述切除修復(fù)過程。二、教學(xué)內(nèi)容精要（一）遺傳信息傳遞概述DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。DNA分子中由4種不同堿基組成的核苷酸的排列順

2、序（以下簡稱堿基順序）即是儲藏的遺傳信息。所謂基因，即指DNA分子中堿基組成的功能片段。DNA分子很大（如人類基因組DNA約含3×109個(gè)堿基對），但全部由A、G、C和T四種堿基以不同的排列方式組成。不同的基因由不同的堿基序列構(gòu)成，并攜帶不同的遺傳信息。細(xì)胞分裂時(shí)，通過DNA的復(fù)制，遺傳信息從親代DNA分子傳到子代DNA分子中。另一方面，DNA分子儲藏的信息要通過指導(dǎo)特異蛋白質(zhì)的合成來體現(xiàn)其生物學(xué)功能。以DNA分子為模板，用四種dNTP做原料，以堿基互補(bǔ)配對原則將DNA的遺傳信息抄錄到mRNA分子中。這種將DNA的遺傳信息傳遞給mRNA的過程稱為轉(zhuǎn)錄。以mRNA為模板，按其堿基排列順

3、序，以三個(gè)相鄰堿基序列決定一個(gè)氨基酸的密碼子形式，決定蛋白質(zhì)（肽鏈）合成時(shí)氨基酸排列順序的過程稱為翻譯。通過轉(zhuǎn)錄和翻譯，基因遺傳信息從DNA傳遞到蛋白質(zhì)，由蛋白質(zhì)賦予細(xì)胞一定的表型。遺傳信息傳遞的規(guī)律，稱為遺傳信息傳遞的中心法則。自然界某些RNA病毒還可以RNA為模板，指導(dǎo)DNA的合成。這種遺傳信息傳遞方向與轉(zhuǎn)錄過程相反，稱為反（逆）轉(zhuǎn)錄，它使遺傳信息傳遞的中心法則被補(bǔ)充。（二）DNA的合成1.DNA生物合成的概念DNA分子在生物體內(nèi)經(jīng)酶促聚合反應(yīng)進(jìn)行合成，DNA合成反應(yīng)主要有DNA指導(dǎo)的DNA合成、RNA指導(dǎo)的DNA合成以及修復(fù)合成三種方式。以DNA作為模板指導(dǎo)的DNA合成作用稱為DNA復(fù)制

4、，由此將DNA攜帶的信息傳至子代DNA。它是細(xì)胞內(nèi)DNA最主要的合成方式；DNA的合成也可以RNA為模板指導(dǎo)DNA合成作用，這稱為反向轉(zhuǎn)錄作用，可見于病毒。環(huán)境因素可以造成DNA分子結(jié)構(gòu)的損傷，損傷的DNA可進(jìn)行修復(fù)合成，即校正錯(cuò)誤的序列，以保持DNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。2.DNA的復(fù)制合成(1)復(fù)制的概念：DNA復(fù)制開始時(shí)，親代DNA雙鏈分子打開，分別作為模板，在DNA依賴的DNA聚合酶催化下，按A與T、G與C堿基配對原則，自53 連續(xù)的合成一條前導(dǎo)鏈；不連續(xù)的合成一些片斷，從而合成一條隨從鏈，所以DNA復(fù)制是半不連續(xù)合成。在子代DNA雙鏈分子中，一條來自親代的舊鏈，另一條為新合成的鏈，故DNA復(fù)

5、制是半保留復(fù)制。(2)DNA復(fù)制過程：真核生物的DNA復(fù)制過程與原核生物基本相似，但機(jī)理尚不十分清楚。以原核生物為例，將E coli DNA復(fù)制過程分為以下階段：1)螺旋的松弛與解鏈：在DNA復(fù)制起始部位ori,先由DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶（Topo）改變DNA分子的超螺旋結(jié)構(gòu)，然后在解鏈酶的作用下，解開雙股鏈，再由單鏈DNA結(jié)合蛋白保護(hù)和穩(wěn)定DNA單鏈，形成復(fù)制點(diǎn)。復(fù)制點(diǎn)的形狀像叉子即復(fù)制叉。2)引發(fā)：主要由引發(fā)酶和引發(fā)前體參與合成RNA引物。在前導(dǎo)鏈合成中，先由引發(fā)酶催化合成一段RNA引物（1060nt）；繼而在DNA聚合酶 催化下，以53方向連續(xù)的合成DNA鏈。隨從鏈引物的合成是在引物酶，引發(fā)前

6、體以及DnaA蛋白聯(lián)合作用下合成的。繼而在引物的3-OH端進(jìn)行岡崎片段的合成。3）DNA鏈的延長：DNA鏈的延長是在DNA聚合酶（DNA pol)催化下，以四種脫氧三磷酸(dNTP)即dATP、dGTP、dCTP、dTTP為原料進(jìn)行的合成反應(yīng)。反應(yīng)體系中有DNA模板、引物及Mg2+存在。聚合作用是自引物3-OH端開始，沿53方向逐個(gè)加入脫氧核苷酸dNMP而脫下焦磷酸PPi，使DNA鏈得以延長。DNApol僅催化DNA鏈沿53方向的聚合作用，因此，解開雙鏈后在35方向的模板上可以按53方向合成前導(dǎo)鏈；而以53方向鏈為模板，仍然按53方向合成不連續(xù)的短岡崎片段。4)終止：在DNA合成的片段內(nèi)，由D

7、NA聚合酶I外切酶活性切除RNA引物，致使各片段之間形成空隙，然后由DNA聚合酶I的聚合酶活性催化填補(bǔ)空隙，最后由DNA連接酶將這些片段再連接起來，成為一條長鏈。DNA復(fù)制完畢后，DNA Topo將DNA分子引人超螺旋結(jié)構(gòu)。真核生物的DNA復(fù)制與Ecoli基本相似，但仍有一些特點(diǎn)，如復(fù)制的速度約為50nt/s(Ecoli.為500nt/s)，有多個(gè)起始點(diǎn)，岡崎片段的長度小于原核生物，在DNA聚合酶與配合下催化合成反應(yīng)等不同。（三）反轉(zhuǎn)錄合成1.反轉(zhuǎn)錄的概念：反轉(zhuǎn)錄又稱逆轉(zhuǎn)錄，是RNA指導(dǎo)下的DNA合成作用，即以RNA為模板，由dNTP聚合生成DNA的作用，因?yàn)榇薘NA指導(dǎo)下的DNA合成作用恰好

8、與轉(zhuǎn)錄作用中遺傳信息的流動呈反方向進(jìn)行，所以稱為反轉(zhuǎn)錄作用。催化此反應(yīng)的酶為反轉(zhuǎn)錄酶或逆轉(zhuǎn)錄酶。在致癌的RNA病毒中，有反轉(zhuǎn)錄酶的存在。2.反轉(zhuǎn)錄酶與反轉(zhuǎn)錄：反轉(zhuǎn)錄酶具有三種酶活性：RNA指導(dǎo)的DNA合成反應(yīng)；RNA的水解反應(yīng)；DNA指導(dǎo)的DNA聚合反應(yīng)。反轉(zhuǎn)錄合成以病毒基因組RNA為模板，在反轉(zhuǎn)錄酶的催化下，先合成一條與RNA模板互補(bǔ)的DNA單鏈，產(chǎn)物與模板形成DNA-RNA雜交分子。然后，以此新合成的DNA單鏈為模板，合成另一條互補(bǔ)DNA鏈，形成雙鏈DNA分子。反轉(zhuǎn)錄合成的方向也是自53進(jìn)行；在DNA合成開始時(shí)需要tRNA作為引物。經(jīng)反轉(zhuǎn)錄合成的DNA分子，一旦整合到宿主染色體的基因組中，

9、可導(dǎo)致宿主細(xì)胞癌變。端粒酶類似于反轉(zhuǎn)錄酶，由RNA和蛋白質(zhì)組成，該酶利用自身的RNA為模板，催化染色體DNA端粒的合成，防止染色體縮短。3.反轉(zhuǎn)錄病毒：是一類RNA病毒，因含反轉(zhuǎn)錄酶而得名。人類免疫缺陷病毒（HIV）也是一種反轉(zhuǎn)錄病毒，因它的感染導(dǎo)致艾滋病。（四）DNA的修復(fù)合成(1)DNA損傷與突變：DNA復(fù)制過程中的錯(cuò)誤可產(chǎn)生堿基突變，這可以由DNA聚合酶在復(fù)制過程中來修正錯(cuò)誤。環(huán)境中某些理化因素或生物學(xué)因素，也引起DNA序列上的改變，DNA損傷的類型有鏈的斷裂、鏈內(nèi)交聯(lián)和鏈間交鏈等；DNA的突變分為點(diǎn)突變、缺失突變、插入和置換突變。這些DNA的損傷不校正，則會影響DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄功能，

10、引起生物體變異。(2)DNA損傷修復(fù)：DNA的損傷修復(fù)是通過一系列酶完成的，并可通過切除修復(fù)、重組修復(fù)和SOS修復(fù)等不同方式來進(jìn)行，而切除修復(fù)最為重要。切除修復(fù)包括光化酶修復(fù)UvrABC修復(fù)兩種方式?！居洃浄椒ā勘菊轮R的記憶分為三部分，一是基本概念，例如，什么是半保留復(fù)制、不連續(xù)合成、何謂逆轉(zhuǎn)錄等。這需要在理解的基礎(chǔ)上加以記憶。二是具體的合成過程，包括DNA復(fù)制；DNA損傷修復(fù)及反轉(zhuǎn)錄合成。首先分清各個(gè)合成體系都有哪些組分及因子參加。例如DNA復(fù)制體系中有合成模板、合成方向、合成原料、參與的酶及蛋白因子等。其次記住合成每一階段的具體內(nèi)容。三是比較原核系統(tǒng)與真核系統(tǒng)的差異，例如DNA聚合酶，用

11、比較法便于記憶。三、典型試題分析（一）A型題1.DNA復(fù)制時(shí)，以序列5-TpApGpAp-3為模板合成的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)是(2001年生化試題）A.5-pTpCpTpA-3 B.5-pApTpCpT-3 C.5-pUpCpUpA-3D.5-pGpApCpA-3 E.3-pTpCpTpA-5【答案】A【評析】本題考點(diǎn)：本題考點(diǎn)為復(fù)制時(shí)的堿基配對及鏈的方向。DNA復(fù)制時(shí)，除了以AT,GC的堿基配對之外，新合成的子鏈與母鏈方向相反。；2.與岡崎片段的概念有關(guān)的是A.半保留復(fù)制 B.半不連續(xù)復(fù)制 C.不對稱轉(zhuǎn)錄D.RNA的剪接 E.蛋白質(zhì)的修飾【答案】B【評析】本題考點(diǎn)：岡崎片斷的生物學(xué)意義，復(fù)制的過程及上述

12、術(shù)語的念義。在DNA復(fù)制的過程中，領(lǐng)頭鏈的合成是連續(xù)的，而由于DNA復(fù)制的53的特性，隨從鏈的合成是先合成小片段，而后連接的方式進(jìn)行的，即新合成的兩條鏈中，有一條是以不連續(xù)的方式進(jìn)行合成的，稱為半不連續(xù)合成。3.在DNA復(fù)制中RNA引物A.使DNA聚合酶 活化 B.使DNA雙鏈解開C.提供5末端作合成新DNA鏈起點(diǎn) D.提供3OH作合成新DNA鏈起點(diǎn)E.提供3OH作合成新RNA鏈起點(diǎn)【答案】C【評析】本題考點(diǎn)：引物的作用及作用方式。在DNA復(fù)制時(shí)，由于DNA聚合酶無法從頭合成DNA，需以53的方向先合成小段RNA作為DNA合成的引物。4.DNA復(fù)制時(shí)，下列哪種酶是不需要的A.DNA指導(dǎo)的DNA

13、聚合酶 B.DNA連接酶 C.拓?fù)洚悩?gòu)酶D.解鏈酶 E.限制性內(nèi)切酶【答案】E【評析】本題考點(diǎn)：DNA復(fù)制所需的酶類。DNA復(fù)制時(shí)，已知拓?fù)洚悩?gòu)酶參與了DNA的剪切和連接，而非DNA限制性內(nèi)切酶。因此根據(jù)目前資料尚不能確定限制性內(nèi)切復(fù)制中有限制性內(nèi)切酶的作用。5.在紫外線照射對DNA分子的損傷中最常見形成的二聚體是（2003年生化試題）A.C-C B.C-T C.TT D.T-U E.G-G【答案】C【評析】本題考點(diǎn)：DNA分子的損傷類型。DNA分子的損傷包括堿基丟失、缺失、插入、鏈斷裂和環(huán)丁基二聚體等。T-T二聚體是因紫外線照射DNA引起的損傷，即損傷后兩個(gè)嘧啶核甘酸形成環(huán)丁基二聚體。（二）

14、X型題反轉(zhuǎn)錄酶催化的反應(yīng)有（1998年生化試題）1.RNA指導(dǎo)的DNA合成 2.RNA水解反應(yīng)3.DNA指導(dǎo)的DNA合成 4.35外切酶作用【答案】A（1，2，3正確）【評析】本題考點(diǎn)：反轉(zhuǎn)錄酶的功能。反轉(zhuǎn)錄酶有多種功能。然而由于其無35外切酶作用，所以無校對功能。這也是反轉(zhuǎn)錄病毒易變異的原因。四、復(fù)習(xí)自測試題（一）名詞解釋1復(fù)制 (replication)2半保留復(fù)制 (semi-conservative replication)（二）選擇題A型題類題1.Meselson和Stahl利用15N及14N標(biāo)記大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)證明的反應(yīng)機(jī)制是A.DNA能被復(fù)制 B.DNA可轉(zhuǎn)錄為mRNA C.DNA

15、可表達(dá)為蛋白質(zhì) D.DNA的半保留復(fù)制 E.DNA的全保留復(fù)制2.合成DNA的原料是A.dAMP，dGMP，dCMP，dTMP B.dATP，dGTP，dCTp，dTTPC.dADP，dGDP，dCDP，dTDP D.ATP，GTP，CTP，UTPE.AMP，GMP，CMP，UMPB型題A. DNA Pol B. DNA Pol I C. DNA Pol D. DNA Pol E. DNA Pol1.參與真核線粒體DNA合成的酶是2.參與真核核內(nèi)DNA隨從鏈合成的酶是3.參與原核DNA復(fù)制的酶是4.參與原核DNA修復(fù)合成的酶是5.參與真核DNA復(fù)制引發(fā)過程的酶是X型題類題1.DNA連接酶催化的

16、反應(yīng)A.在兩股單鏈DNA互補(bǔ)堿基之間形成氫鍵生成雙螺旋，完成復(fù)制過程B.需ATP供能C.使復(fù)制中的RNA引物與岡崎片段相互聚合D.使相鄰的DNA片段間以3，5磷酸二酯鍵相連2.DNA聚合酶催化的反應(yīng)A.以一磷酸核昔為作用物 B.合成反應(yīng)的方向?yàn)?3C.以NAD為輔酶 D.生成磷酸二酯鍵類題1.DNA聚合醉工具有A.5-3外切酶活性 B.3- 5外切酶活性C.5-3聚合酶活性 D.3- 5聚合酶活性2.以下對反轉(zhuǎn)錄酶催化的反應(yīng)描述正確的是A.RNA指導(dǎo)的DNA合成反應(yīng) B.RNA的水解反應(yīng)C.DNA指導(dǎo)的DNA合成反應(yīng) D.有3-5外切酶活性（三）填空題1.每個(gè)岡崎片段是借助于連接在它的_末端上

17、的一段_而合成的。2.所有的岡崎片段鏈的增長都是按_方向進(jìn)行的。（四）簡答題1.原核生物參與復(fù)制的生物分子包括哪些及其功能？2參與原核生物DNA復(fù)制的酶和蛋白質(zhì)因子有哪些？各是什么作用？五、習(xí)題參考答案（一）名詞解釋1是指遺傳物質(zhì)的傳代，以母鏈DNA為模板合成子鏈DNA的過程。2半保留復(fù)制指DNA復(fù)制過程中，雙螺旋解開成單鏈各自作為模板合成與其互補(bǔ)的子鏈，從一個(gè)親代DNA雙螺旋復(fù)制出兩個(gè)與親代完全相同的子代DNA，子代DNA中的一條DNA鏈來自親代，另一條鏈?zhǔn)切潞铣傻膹?fù)制方式。（二）選擇題A型題類題1.D 2.B 類題1.A 2.A B型題1.C 2.D X型題類題1.BD 2.ABD 類題1

18、.ABC 2.ABC （三）填空題1.5RNA引物；2.53 （四）簡答題1.DNA的復(fù)制是一個(gè)非常復(fù)雜的生物學(xué)過程，有許多酶、特異的蛋白因子及小分子化合物的參與，共同完成復(fù)制的起始、鏈的延伸和鏈的終止等過程。包括：模板：解開的DNA單鏈；底物：4種脫氧三磷酸核糖核苷（dNTP），即dATP、dGTP、dCTP和dTTP；引物：3-OH末端的RNA；酶和蛋白因子：DNA聚合酶，原核生物E. coli中分別稱為DNA聚合酶、；引物酶；DNA解旋酶；拓?fù)洚悩?gòu)酶；單鏈DNA結(jié)合蛋白；DNA連接酶。DNA聚合酶（DNA dependant DNA polymerase，DDDP或DNA-pol）是催化底物dNTP以dNMP方式聚合為新生DNA的酶，聚合時(shí)需要DNA為模板，故稱為依賴于DNA的DNA聚合酶。解螺旋酶(helicase) 在原核生物又稱為DnaB，其功能是利用ATP供能將DNA雙螺旋間的氫鍵解