基因的遺傳與表達(dá)-DNA的生物合成（生物化學(xué)課件）

DNA的逆轉(zhuǎn)錄合成知識(shí)點(diǎn)二單元十基因的遺傳與表達(dá)DNA轉(zhuǎn)錄RNARNA(病毒)反轉(zhuǎn)錄反轉(zhuǎn)錄

概念

以RNA為模板，dNTP為原料，反轉(zhuǎn)錄酶催化，按堿基配對(duì)規(guī)律合成DNA的過(guò)程。反轉(zhuǎn)錄酶，又稱為依賴RNA的DNA聚合酶(RDDP)....................RDDP引物,4種dNTPRDDPRNaseH4種dNTPRDDP或DDDP病毒RNARNA-DNA雜化分子cDNA前病毒(雙鏈DNA)酶催化反應(yīng)示意圖反向轉(zhuǎn)錄酶存在于所有致癌RNA病毒中,其功能可能與病毒的惡性轉(zhuǎn)化作用有關(guān);但它也存在于某些正常細(xì)胞中，在細(xì)胞分化與胚胎發(fā)生中可能起某些作用。反轉(zhuǎn)錄病毒和反轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn),提出了一個(gè)重要的醫(yī)學(xué)問(wèn)題──病毒致癌及癌基因

反轉(zhuǎn)錄的醫(yī)學(xué)意義癌基因(oncogene):能在體外引起細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化,在體內(nèi)誘發(fā)腫瘤的基因。細(xì)胞癌基因(c-onc)或原癌基因(pro-onc):存在于生物正常細(xì)胞基因組中的癌基因。正常情況下基因處于靜止或低表達(dá)的狀態(tài)。當(dāng)受到致癌刺激被活化并發(fā)生異常時(shí)則可發(fā)生細(xì)胞癌變。病毒癌基因(v-onc):存在于致瘤病毒中的能使靶細(xì)胞發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化的基因。DNA的半保留復(fù)制知識(shí)點(diǎn)一單元十基因的遺傳與表達(dá)

復(fù)制：以親代DNA或RNA為模板，根據(jù)堿基配對(duì)的原則，在一系列酶的作用下，生成與親代相同的子代DNA或RNA的過(guò)程。一、DNA的復(fù)制(一)DNA的半保留復(fù)制1.定義：

以親代DNA雙鏈為模板以堿基互補(bǔ)方式合成子代DNA，這樣新形成的子代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。2.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。DNA的半保留復(fù)制的生物學(xué)意義：

DNA在代謝上的穩(wěn)定性并非指DNA是一種惰性物質(zhì)。DNA的半保留復(fù)制表明DNA在代謝上的穩(wěn)定性，是保證親代的遺傳信息穩(wěn)定地傳遞給后代必要措施。

（二）復(fù)制必須具備的基本條件

模板：母鏈DNA

原料：dNTP(包括dATP、dGTP、dCTP、dTTP)

酶和蛋白質(zhì)因子：

引物：一小段RNA

能量（ATP）及某些無(wú)機(jī)離子參與DNA復(fù)制的酶類與蛋白質(zhì)因子及其主要作用1.拓?fù)洚悩?gòu)酶（Topo）

無(wú)ATP時(shí)：作用相當(dāng)于TopoⅠ,但切割的是雙鏈DNA某一部位(斷雙鏈)。

有ATP時(shí)：使帶斷口、松弛狀的DNA分子旋緊轉(zhuǎn)變成負(fù)超螺旋結(jié)構(gòu)，再連接斷端。

不需耗能(ATP)，切割(斷)雙鏈DNA中的一鏈，松解螺旋,封閉切口。又稱切割封口酶。TopoⅠ的作用TopoⅡ(又稱旋轉(zhuǎn)酶)的作用2.解鏈酶(又稱解螺旋酶或螺旋酶)解鏈酶作用：斷裂互補(bǔ)堿基間的氫鍵,使DNA雙鏈分離形成“復(fù)制叉”。3.單鏈DNA結(jié)合蛋白(DNA結(jié)合蛋白)(SSB)作用：防止重新形成雙鏈和防止單鏈模板被核酸酶水解,維持DNA單鏈狀態(tài)和完整性4.引物酶5′3′

5′RNA引物5′5′RNA引物3′RNA的合成：需引物酶，它是一種特殊的RNA聚合酶。

DNA不能從無(wú)→有合成，需在一小段RNA基礎(chǔ)上合成DNA5.DNA聚合酶（DNApol）

即依賴于DNA的DNA聚合酶（DDDP）原核生物（E.coli）迄今已知只有3種：DNApolⅠ、DNApolⅡ、DNApolⅢ。真核生物亦發(fā)現(xiàn)有多種DDDP：DDDP

、

、

、

、

。

性質(zhì)與功能原料：四種脫氧核苷三磷（dATP、dGTPdCTPdTTP)需要模板：以DNA為模板鏈，合成子代DNA，模板可以是雙鏈，也可以是單鏈DNA。合成產(chǎn)物與模板互補(bǔ)。

需要引物：一小段RNA(或DNA）為引物，在大腸桿菌中,DNA的合成需要一段RNA鏈作為引物，引物含3’-OH。合成方向：5

3

(1)DNA聚合酶：1956年Kornberg等在大腸桿菌中首先發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶，其后發(fā)現(xiàn)該酶在許多生物中廣泛存在。該酶的催化性質(zhì)如下：作用：在有模板指導(dǎo)的條件下，催化2個(gè)DNA片段(兩片段間的距離為1個(gè)3',5'-磷酸二酯鍵的鍵長(zhǎng))的連接。原理：在一個(gè)DNA片段的3'-OH末端和另一個(gè)DNA片段的5'-P末端形成3',5'-磷酸二酯鍵，從而實(shí)現(xiàn)連接。特點(diǎn)：原核細(xì)胞:需輔助因子NAD+

真核細(xì)胞:不需輔助因子NAD+,但需耗能(ATP)6.DNA連接酶

參與DNA復(fù)制的酶及蛋白質(zhì)

酶或蛋白質(zhì)主要作用

拓?fù)洚悩?gòu)酶類克服解鏈時(shí)打結(jié)及纏繞、松馳或引進(jìn)負(fù)超螺旋解鏈酶類解開DNA雙鏈單鏈DNA結(jié)合蛋白維持已解開單鏈DNA的穩(wěn)定引物酶合成RNA引物DNA聚合酶ⅢDNA復(fù)制DNA聚合酶Ⅰ水解引物、填補(bǔ)空隙、修復(fù)作用DNA連接酶催化雙鏈DNA中單鏈缺口的連接參與DNA復(fù)制的酶與蛋白因子總覽圖

（三）DNA的復(fù)制過(guò)程

復(fù)制的起始鏈的延長(zhǎng)復(fù)制的終止復(fù)制的起始1.在拓?fù)洚悩?gòu)酶、解鏈酶及單鏈DNA結(jié)合蛋白的共同作用下，DNA解旋、解鏈，形成復(fù)制叉。

2.依賴于單鏈模板，由引物酶催化按堿基配對(duì)規(guī)律合成一小段RNA引物(原核細(xì)胞引物長(zhǎng)50-100個(gè)堿基，真核約10個(gè)堿基)。（以大腸桿菌為例）復(fù)制起始階段的特點(diǎn)真核細(xì)胞：具有多個(gè)起始位點(diǎn)原核細(xì)胞：僅有一個(gè)復(fù)制起始位點(diǎn)，但往往是雙向復(fù)制鏈的延長(zhǎng)引物合成后，由DNApolⅢ（真核細(xì)胞為DNA聚合酶

或

)催化，在引物3'-OH末端逐一添加與模板鏈對(duì)應(yīng)互補(bǔ)的脫氧核苷磷酸,使新合成的鏈不斷延長(zhǎng)。領(lǐng)頭鏈:鏈的延長(zhǎng)方向(5'

3')與解鏈方向(復(fù)制叉移動(dòng)方向)相同,為連續(xù)合成。

隨從鏈:鏈的延長(zhǎng)方向(5'

3')與解鏈方向(復(fù)制叉移動(dòng)方向)相反，為不連續(xù)合成。

分段合成的DNA片段,最初被命名為岡崎片段

DNA→DNADNA復(fù)制

RNA→DNA反轉(zhuǎn)錄兩種方式

項(xiàng)目一DNA的生物合成

復(fù)制：以親代DNA或RNA為模板，根據(jù)堿基配對(duì)的原則，在一系列酶的作用下，生成與親代相同的子代DNA或RNA的過(guò)程。一、DNA的復(fù)制(一)DNA的半保留復(fù)制1.定義：

以親代DNA雙鏈為模板以堿基互補(bǔ)方式合成子代DNA，這樣新形成的子代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。2.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。DNA的半保留復(fù)制的生物學(xué)意義：

DNA在代謝上的穩(wěn)定性并非指DNA是一種惰性物質(zhì)。DNA的半保留復(fù)制表明DNA在代謝上的穩(wěn)定性，是保證親代的遺傳信息穩(wěn)定地傳遞給后代必要措施。

（二）復(fù)制必須具備的基本條件

模板：母鏈DNA

原料：dNTP(包括dATP、dGTP、dCTP、dTTP)

酶和蛋白質(zhì)因子：

引物：一小段RNA

能量（ATP）及某些無(wú)機(jī)離子參與DNA復(fù)制的酶類與蛋白質(zhì)因子及其主要作用1.拓?fù)洚悩?gòu)酶（Topo）

無(wú)ATP時(shí)：作用相當(dāng)于TopoⅠ,但切割的是雙鏈DNA某一部位(斷雙鏈)。

有ATP時(shí)：使帶斷口、松弛狀的DNA分子旋緊轉(zhuǎn)變成負(fù)超螺旋結(jié)構(gòu)，再連接斷端。

不需耗能(ATP)，切割(斷)雙鏈DNA中的一鏈，松解螺旋,封閉切口。又稱切割封口酶。TopoⅠ的作用TopoⅡ(又稱旋轉(zhuǎn)酶)的作用2.解鏈酶(又稱解螺旋酶或螺旋酶)解鏈酶作用：斷裂互補(bǔ)堿基間的氫鍵,使DNA雙鏈分離形成“復(fù)制叉”。3.單鏈DNA結(jié)合蛋白(DNA結(jié)合蛋白)(SSB)作用：防止重新形成雙鏈和防止單鏈模板被核酸酶水解,維持DNA單鏈狀態(tài)和完整性4.引物酶5′3′

5′RNA引物5′5′RNA引物3′RNA的合成：需引物酶，它是一種特殊的RNA聚合酶。

DNA不能從無(wú)→有合成，需在一小段RNA基礎(chǔ)上合成DNA5.DNA聚合酶（DNApol）

即依賴于DNA的DNA聚合酶（DDDP）原核生物（E.coli）迄今已知只有3種：DNApolⅠ、DNApolⅡ、DNApolⅢ。真核生物亦發(fā)現(xiàn)有多種DDDP：DDDP

、

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性質(zhì)與功能原料：四種脫氧核苷三磷（dATP、dGTPdCTPdTTP)需要模板：以DNA為模板鏈，合成子代DNA，模板可以是雙鏈，也可以是單鏈DNA。合成產(chǎn)物與模板互補(bǔ)。

需要引物：一小段RNA(或DNA）為引物，在大腸桿菌中,DNA的合成需要一段RNA鏈作為引物，引物含3’-OH。合成方向：5

3

(1)DNA聚合酶：1956年Kornberg等在大腸桿菌中首先發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶，其后發(fā)現(xiàn)該酶在許多生物中廣泛存在。該酶的催化性質(zhì)如下：作用：在有模板指導(dǎo)的條件下，催化2個(gè)DNA片段(兩片段間的距離為1個(gè)3',5'-磷酸二酯鍵的鍵長(zhǎng))的連接。原理：在一個(gè)DNA片段的3'-OH末端和另一個(gè)DNA片段的5'-P末端形成3',5'-磷酸二酯鍵，從而實(shí)現(xiàn)連接。特點(diǎn)：原核細(xì)胞:需輔助因子NAD+

真核細(xì)胞:不需輔助因子NAD+,但需耗能(ATP)6.DNA連接酶

參與DNA復(fù)制的酶及蛋白質(zhì)

酶或蛋白質(zhì)主要作用

拓?fù)洚悩?gòu)酶類克服解鏈時(shí)打結(jié)及纏繞、松馳或引進(jìn)負(fù)超螺旋解鏈酶類解開DNA雙鏈單鏈DNA結(jié)合蛋白維持已解開單鏈DNA的穩(wěn)定引物酶合成RNA引物DNA聚合酶ⅢDNA復(fù)制DNA聚合酶Ⅰ水解引物、填補(bǔ)空隙、修復(fù)作用DNA連接酶催化雙鏈DNA中單鏈缺口的連接參與DNA復(fù)制的酶與蛋白因子總覽圖

（三）DNA的復(fù)制過(guò)程

復(fù)制的起始鏈的延長(zhǎng)復(fù)制的終止復(fù)制的起始1.在拓?fù)洚悩?gòu)酶、解鏈酶及單鏈DNA結(jié)合蛋白的共同作用下，DNA解旋、解鏈，形成復(fù)制叉。

2.依賴于單鏈模板，由引物酶催化按堿基配對(duì)規(guī)律合成一小段RNA引物(原核細(xì)胞引物長(zhǎng)50-100個(gè)堿基，真核約10個(gè)堿基)。（以大腸桿菌為例）復(fù)制起始階段的特點(diǎn)真核細(xì)胞：具有多個(gè)起始位點(diǎn)原核細(xì)胞：僅有一個(gè)復(fù)制起始位點(diǎn)，但往往是雙向復(fù)制鏈的延長(zhǎng)引物合成后，由DNApolⅢ（真核細(xì)胞為DNA聚合酶

或

)催化，在引物3'-OH末端逐一添加與模板鏈對(duì)應(yīng)互補(bǔ)的脫氧核苷磷酸,使新合成的鏈不斷延長(zhǎng)。領(lǐng)頭鏈:鏈的延長(zhǎng)方向(5'

3')與解鏈方向(復(fù)制叉移動(dòng)方向)相同,為連續(xù)合成。

隨從鏈:鏈的延長(zhǎng)方向(5'

3')與解鏈方向(復(fù)制叉移動(dòng)方向)相反，為不連續(xù)合成。

分段合成的DNA片段,最初被命名為岡崎片段DNA復(fù)制的半不連續(xù)性前導(dǎo)鏈滯后鏈岡崎片段前導(dǎo)鏈：以3’→5’方向的親代鏈為模板連續(xù)合成的子代鏈。滯后鏈：以5’→3’方向的親代鏈為模板的子代鏈先逆復(fù)制叉移動(dòng)方向合成岡崎片段，再連接成滯后鏈。

DNA鏈的延伸

在DNA聚合酶Ш的催化下，以四種5’-