DNA是生物遺傳的主要物質(zhì)基礎(chǔ)

DNA是生物遺傳的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，生物機(jī)體的遺傳信息以密碼的形式編碼在DNA分子上，表現(xiàn)為特定的核苷酸排列順序，并通過(guò)DNA的復(fù)制由親代傳遞給子代。在后代的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，遺傳信息自DNA轉(zhuǎn)錄給RNA,然后翻譯成特異的蛋白質(zhì)，以執(zhí)行各種生命功能，使后代表現(xiàn)出與親代相似的遺傳性狀。中心法則1964-1970勞氏肉瘤病毒的遺傳方式致癌RNA病毒病毒（復(fù)制）復(fù)制轉(zhuǎn)錄DNARNA蛋白質(zhì)翻譯逆轉(zhuǎn)錄1958年，遺傳信息的單向二、DNA的合成（一）依賴于DNA的DNA合成（DNA的復(fù)制）1、DNA的半保留復(fù)制：在1953年，Watson和Crick在建立雙螺旋DNA結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上就提出了DNA復(fù)制的半保留復(fù)制假說(shuō)。他們推測(cè)DNA復(fù)制時(shí)，兩鏈先分開(kāi)，然后用堿基配對(duì)的方式，按照單鏈DNA的核苷酸順序合成新鏈，以組成新DNA分子。這樣形成的兩個(gè)DNA分子與原來(lái)的DNA分子的堿基順序完全一樣，每個(gè)子代分子的一條鏈來(lái)自親代DNA、另一條鏈?zhǔn)切潞铣傻?，這種方式稱為半保留復(fù)制（如右圖）。

DNA的半保留復(fù)制定義：由親代DNA生成子代DNA時(shí)，每個(gè)新形成的子代DNA中，一條鏈來(lái)自親代DNA，而另一條鏈則是新合成的，這種復(fù)制方式叫半保留復(fù)制半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證據(jù):1958年Meselson和Stahl用同位素15N標(biāo)記大腸桿菌DNA,首先證明了DNA的半保留復(fù)制。15N-DNA的密度大于14N-DNA的密度DNA的半保留復(fù)制的生物學(xué)意義：DNA的半保留復(fù)制表明DNA在代謝上的穩(wěn)定性，保證親代的遺傳信息穩(wěn)定地傳遞給后代。

DNA在代謝上的穩(wěn)定性并非指DNA是一種惰性物質(zhì)。2、DNA復(fù)制的起始點(diǎn)和方向：DNA復(fù)制開(kāi)始于染色體上固定的起始點(diǎn)。起始點(diǎn)是含有100-200個(gè)堿基對(duì)的一段DNA。DNA的兩條鏈在起始點(diǎn)分開(kāi)形成叉子樣的“復(fù)制叉”，隨著復(fù)制叉的移動(dòng)完成DNA的復(fù)制過(guò)程。細(xì)胞內(nèi)存在能識(shí)別起始點(diǎn)的特種蛋白質(zhì)。

DNA復(fù)制可以朝一個(gè)方向進(jìn)行，也可以朝兩個(gè)相反的方向進(jìn)行（如有圖）。其證據(jù)來(lái)自放射自顯影實(shí)驗(yàn)或電子顯微鏡觀察。大多數(shù)生物染色體DNA的復(fù)制是雙向進(jìn)行的。大腸桿菌染色體DNA的復(fù)制經(jīng)證明是雙向進(jìn)行的（如右圖）。在迅速生長(zhǎng)的原核生物中，第一個(gè)染色體DNA復(fù)制尚未完成，第二個(gè)DNA分子就在同一個(gè)起始點(diǎn)上開(kāi)始復(fù)制，其復(fù)制叉移動(dòng)的速度約為105堿基對(duì)/分。真核生物染色體的不同位置上有多個(gè)起試點(diǎn)，如在30000個(gè)堿基對(duì)長(zhǎng)的果蠅染色體DNA上有2000-3000個(gè)起試點(diǎn)，如下圖：真核生物的復(fù)制叉移動(dòng)較慢（5x102-5x103堿基對(duì)/分。但由于同時(shí)起作用的復(fù)制叉數(shù)目很大，所以復(fù)制的總速度比原核生物要快。3.與與DNA復(fù)制有有關(guān)的的酶和和蛋白白質(zhì)原料：四種脫脫氧核核苷三三磷酸酸（dATP、、dGTP、dCTP、、dTTP)模板：以DNA的兩條條鏈為為模板板鏈，，合成成子代代DNA。引物：一小小段RNA(或DNA）為引物物，在在大腸腸桿菌菌中，DNA的合成成需要要一段段RNA鏈作為為引物。。（1）DNA聚合酶酶：DNA復(fù)制過(guò)過(guò)程中中最基基本的的酶促促反應(yīng)應(yīng)始四四種脫脫氧核核苷酸酸的聚聚合反反應(yīng)。。1956年Kornberg等首先先從大大腸桿桿菌中中分離離出催催化此此反應(yīng)應(yīng)的DNA聚合酶酶。在在大腸腸桿菌菌中現(xiàn)現(xiàn)已發(fā)發(fā)現(xiàn)三三種DNA聚合酶酶，分分別稱稱為聚聚合酶酶Ⅰ、聚合合酶Ⅱ和聚合合酶Ⅲ。三種種酶的的作用用和活活力大大小見(jiàn)見(jiàn)下表表。聚合酶Ⅰ聚合酶Ⅱ聚合酶Ⅲ功能5‘→3’的聚合酶作用5‘→3’的外切酶作用3‘→5’的外切酶作用相對(duì)分子量每個(gè)細(xì)胞的分子數(shù)活性（37℃時(shí)每個(gè)酶分子酶分鐘聚合的核苷酸數(shù)主要作用

+++109000400600主要對(duì)DNA損傷修復(fù),切除引物

+-+12000030紫外線損傷的修復(fù)

+++14000010-209000DNA復(fù)制的主要聚合酶表1.大腸桿桿菌DNA聚合酶酶在大腸腸桿菌菌中發(fā)發(fā)現(xiàn)有有三種種DNA聚合酶酶（用突變變株研研究其其功能能）：⑴DNA聚合酶酶Ⅰ:單體酶酶,多多肽鏈鏈內(nèi)含含一個(gè)個(gè)鋅原原子（（其鰲鰲合劑劑是O-二氮氮雜雜菲菲）），，多多功功能能酶酶。。它具具有有53聚合合酶酶功功能能（對(duì)對(duì)脫脫氧氧核核苷苷酸酸的的選選擇擇））；；3’’5’’外外切切酶酶活活性性（對(duì)對(duì)雙雙鏈鏈無(wú)無(wú)作作用用，，校對(duì)對(duì)功功能能。。但在在正正常常聚聚合合條條件件下下，，此此活活性性不不能能作作用用于于生生長(zhǎng)長(zhǎng)鏈鏈））及及5’’3’’外外切切酶酶活活性性（雙雙鏈鏈有有效效，，主主要要是是對(duì)對(duì)DNA損傷傷的的修修復(fù)復(fù)，，以以及及在在DNA復(fù)制制時(shí)時(shí)RNA引物物切切除除及及其其空空隙隙的的填填補(bǔ)補(bǔ)））；；在在DNA鏈的的3形成成焦焦磷磷酸酸解解（（生生理理意意義義不不大大））；；無(wú)無(wú)機(jī)機(jī)焦焦磷磷酸酸鹽鹽與與dNTP之間間的的焦焦磷磷酸酸基基交交換換。。⑵DNA聚合合酶酶ⅡⅡ：：多亞亞基基酶酶，，聚合合作作用用，，但但聚聚合合活活力力很很低低；；具具有有3’’5’’外外切切酶酶活活性性。。其其它它生生理理功功能能尚尚不不清清楚楚，，可可能能在在修修復(fù)復(fù)紫紫外外光光引引起起的的DNA損傷傷中中起起作作用用。。⑶DNA聚合合酶酶ⅢⅢ：：是原原核核生生物物DNA復(fù)制制的的主主要要聚聚合合酶酶，該該酶酶由由10種亞亞基基組組成成，，其其中中、、、、形形成成全全酶酶的的核核心心酶酶。具具有有5’’3’’DNA聚合合酶酶活活性性（（亞亞基基，，速率率高高））；；具具有有3’’5’外外切酶酶（亞基基）的校對(duì)對(duì)功能能，提提高DNA復(fù)制的的保真真性；；還具具有5’3’外外切酶酶活性性（單單鏈有有效，，其意意義未未知））。另外:（4））DNA聚合酶酶IV和V：1999年發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，當(dāng)當(dāng)DNA嚴(yán)重?fù)p損傷時(shí)時(shí)，誘誘導(dǎo)產(chǎn)產(chǎn)生。。許多研研究證證明：：DNA聚合酶酶Ⅲ是完整整大腸腸桿菌菌細(xì)胞胞中主主要負(fù)負(fù)責(zé)DNA鏈延長(zhǎng)長(zhǎng)的酶酶。它它以一一個(gè)相相對(duì)分分子量量約為為450000，稱為為“DNA聚合酶酶Ⅲ全酶””的大大復(fù)合合物的的形式式起作作用，，全酶酶有好好幾個(gè)個(gè)亞基基（如如下左左圖））。用用聚丙丙烯酰酰胺凝凝膠電電泳分分離純純化一一萬(wàn)倍倍的DNA聚合酶酶Ⅲ，得到到的主主要成成分為為相對(duì)對(duì)分子子量140000的多肽肽（α亞基））。在在復(fù)合合物中中的β亞基（（也稱稱為DNA聚合酶酶Ⅲ輔酶））的功功能是是識(shí)別別引物物并使使DNA母鏈與與引物物鏈結(jié)結(jié)合。。一旦旦全酶酶結(jié)合合在正正確的的起始始位置置上，，DNA聚合酶酶Ⅲ輔酶就就以游游離的的形式式釋放放，隨隨后DNA聚合酶酶Ⅲ復(fù)合物物催化化子代代DNA鏈的延延長(zhǎng)（（右圖圖）。。DNA聚合酶酶催化化的反反應(yīng)可可以利利用雙雙鏈作作為模模板和和引物物，也也可以以利用用單鏈鏈作為為模板板和引引物。。如下下圖中中，A為單鏈鏈自身身回折折作為為模板板，形形成發(fā)發(fā)夾環(huán)環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)。B、C為雙鏈鏈作為為模板板，其其中C是由于于酶離離開(kāi)原原先的的模板板，開(kāi)開(kāi)始復(fù)復(fù)制互互補(bǔ)鏈鏈而形形成分分枝結(jié)結(jié)構(gòu)。。D為環(huán)狀狀DNA進(jìn)行的的反應(yīng)應(yīng)。A、C只存在在于體體外酶酶促合合成的的DNA分子中中，它它使DNA的變性性行為為異常常，并并且失失去遺遺傳活活性。。DNA聚合酶酶具有有”校校對(duì)““作用用：DNA聚合酶酶的3‘→→5’’的外切切酶活活力是是校對(duì)對(duì)新生生DNA鏈和改改正聚聚合酶酶活性性所造造成””錯(cuò)配配“的的一種種手段段。當(dāng)當(dāng)因聚聚合酶酶活性性的作作用插插入一一個(gè)錯(cuò)錯(cuò)配的的核苷苷酸時(shí)時(shí)，酶酶能識(shí)識(shí)別這這種””失誤誤“并并立即即從新新DNA鏈的3’端除掉掉所錯(cuò)錯(cuò)配的的核苷苷酸。。所以以當(dāng)復(fù)復(fù)制叉叉沿模模板鏈鏈移動(dòng)動(dòng)時(shí)，，所加加入的的每個(gè)個(gè)脫氧氧核苷苷酸單單位都都將受受到檢檢查（（如右右圖））。DNA聚合酶酶的校校正功功能十十分有有效，，其準(zhǔn)準(zhǔn)確率率達(dá)到到每聚聚合104個(gè)核苷苷酸單單位至至多出出現(xiàn)一一個(gè)錯(cuò)錯(cuò)配的的核苷苷酸。。復(fù)制的的準(zhǔn)確確性高高于轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄和和轉(zhuǎn)譯譯過(guò)程程。這這點(diǎn)非非常重重要，，因?yàn)闉閺?fù)制制的錯(cuò)錯(cuò)誤可可引起起突變變或致致死。。由上可可以歸歸納出出DNA聚合酶酶的反反應(yīng)特特點(diǎn)：：①以四種種脫氧氧核糖糖核苷苷三磷磷酸作作為底底物；；②反應(yīng)需需要接接受模模板的的指導(dǎo)導(dǎo)；③反應(yīng)需要要引物3’－羥基存存在；④DNA鏈的延長(zhǎng)長(zhǎng)方向?yàn)闉?‘→3’；⑤產(chǎn)物DNA的性質(zhì)于于模板相相同；⑥合成過(guò)程程種有校校正作用用。這就表明明了DNA聚合酶合合成的產(chǎn)產(chǎn)物是模模板的復(fù)復(fù)制物。。真核生物物DNA聚合酶：：主要作作用類似似于大腸腸桿菌聚聚合酶，，但有不不同?，F(xiàn)現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)現(xiàn)四種，，分別以以α、β、γ、δ來(lái)命名（（有資料料介紹有有5種，即多多一種ε，它在結(jié)結(jié)構(gòu)和性性質(zhì)上類類似于δ，其主要要功能時(shí)時(shí)參與DNA的修復(fù)）），其各各種酶的的特性歸歸納為下下表：表2.真核生物物DNA聚合酶聚合酶α聚合酶β聚合酶γ聚合酶δ分子量亞基數(shù)細(xì)胞內(nèi)分布酶活力占總量的百分比核酸外切酶活力5‘→3’聚合作用110-220000

多個(gè)細(xì)胞核

-80%

無(wú)有

450001個(gè)細(xì)胞核

10-15%

無(wú)有600001個(gè)線粒體

2-15%

無(wú)有1220001個(gè)細(xì)胞核

10-25%3‘→5’外切酶活力有在真核細(xì)細(xì)胞內(nèi)有有五種DNA聚合酶（與細(xì)菌菌DNA聚合酶的的性質(zhì)基基本相同同：底物物、模板板、引物物、方向向）αβγδε定位細(xì)細(xì)胞核細(xì)細(xì)胞胞核線線粒粒體細(xì)細(xì)胞核細(xì)細(xì)胞核3‘-5’外切--+++酶活性功能引物合成修復(fù)作用線粒體DNA的復(fù)制核DNA的復(fù)制修復(fù)作用在復(fù)制過(guò)過(guò)程中，，真核細(xì)細(xì)胞有兩兩個(gè)相互互協(xié)作的的酶，即即α負(fù)責(zé)后隨隨鏈，δ負(fù)責(zé)前導(dǎo)導(dǎo)鏈的合合成，如如下圖：：3.DNA連接酶（（1967年發(fā)發(fā)現(xiàn)）：：若雙鏈DNA中一條鏈鏈有切口口，一端端是3’’-OH，另一端是是5‘-磷酸基基，連接接酶可催催化這兩兩端形成成磷酸二二酯鍵，，而使切切口連接接。但是它不不能將兩兩條游離離的DNA單鏈連接接起來(lái)。。大腸桿菌菌和其它它細(xì)菌的的DNA連接酶要要求NAD+提供能量量，在高高等生物物和噬菌菌體中，，則要求求ATP提供能量量。T4噬菌體的的DNA連接酶不僅能在在模板鏈鏈上連接接DNA和DNA鏈之間的的切口，，而且能能連接無(wú)無(wú)單鏈粘粘性末端端的平頭頭雙鏈DNA。。3‘5‘3‘5‘OHP連接酶的的反應(yīng)機(jī)機(jī)制：酶+NAD+(ATP)酶-AMP+煙酰胺單單核苷酸酸（PPi））酶-AMP+P-5‘‘-DNA酶+AMP-P-5’-DNADNA-3’-OH+AMP-P-5’-DNADNA-3’-O-P-5’’-DNA+AMPDNA連接酶在DNA復(fù)制、損損傷修復(fù)復(fù)、重組組等過(guò)程程中起重重要作用用作用4.拓?fù)洚悩?gòu)構(gòu)酶:催化DNA的拓?fù)溥B連環(huán)數(shù)發(fā)發(fā)生變化化的酶，，在DNA重組修復(fù)復(fù)和其他他轉(zhuǎn)變方方面起重重要作用用。5、解螺螺旋酶（（解鏈鏈酶）：通過(guò)水水解ATP將DNA兩條鏈打打開(kāi)。E.coli中的rep蛋白就是是解螺旋旋酶，還還有解螺螺旋酶I、II、III。每解開(kāi)一一對(duì)堿基基需要水水解2個(gè)個(gè)ATP分子。這類酶能能通過(guò)水水解ATP獲得能量量來(lái)解開(kāi)開(kāi)雙鏈，，每解開(kāi)開(kāi)一對(duì)堿堿基，需需要水解解2分子ATP成ADP和磷酸鹽鹽。分解解ATP的活力要要有單鏈鏈DNA的存在在。如如雙鏈鏈DNA中有