生物化學(xué) 課件 第十一章第一節(jié) DNA的生物合成

第十一章基因信息的傳遞與表達具有遺傳效應(yīng)的DNA或者RNA序列稱為基因（gene）?；蚓幋a的生物活性產(chǎn)物包括RNA和蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是生命活動的主要執(zhí)行者。

轉(zhuǎn)錄

翻譯

復(fù)制DNARNA蛋白質(zhì)

逆轉(zhuǎn)錄

中心法則(thecentraldogma)第一節(jié)DNA的生物合成(復(fù)制)

DNA的生物合成復(fù)制(replication)：是以親代DNA為模板，按照堿基互補配對原則將遺傳信息傳遞給子代DNA的過程。復(fù)制逆轉(zhuǎn)錄

復(fù)制親代DNA子代DNA一、DNA的復(fù)制復(fù)制的基本特征參與DNA復(fù)制的主要物質(zhì)DNA復(fù)制的基本過程半保留復(fù)制

高保真性雙向復(fù)制半不連續(xù)復(fù)制（一）復(fù)制的基本特征1半保留性DNA生物合成時，母鏈DNA解開為兩股單鏈，各自作為模板(template)按堿基配對規(guī)律，合成與模板互補的子鏈。子代細胞的DNA，一股單鏈從親代完整地接受過來，另一股單鏈則完全重新合成。兩個子細胞的DNA都和親代DNA堿基序列一致。這種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。半保留復(fù)制的概念DNA復(fù)制的三種可能方式DNA半保留復(fù)制實驗

按半保留復(fù)制方式，子代DNA與親代DNA的堿基序列一致，即子代保留了親代的全部遺傳信息，體現(xiàn)了遺傳的保守性。半保留復(fù)制的意義遺傳的保守性，是物種穩(wěn)定性的分子基礎(chǔ)，但不是絕對的。

DNA復(fù)制的高保真性是指子代DNA與親代DNA堿基序列保持一致。這是生物物種的生物特征得以傳承并保持相對穩(wěn)定的基礎(chǔ)。DNA復(fù)制可以保持高保真性的機制在于：①堿基配對規(guī)律機制。②防錯機制。③糾錯機制。遺傳的保守性是相對的，變異才是絕對的，沒有變異就沒有生物的進化。2

高保真性原核生物：?

基因組是環(huán)狀DNA

?

只有一個復(fù)制起始點復(fù)制時，DNA從起始點(origin)向兩個方向解鏈，形成兩個延伸相反的復(fù)制叉，稱為雙向復(fù)制。3雙向性

復(fù)制時雙鏈打開，分開成兩股，各自作為模板，子鏈沿模板延長所形成的Y字形的結(jié)構(gòu)稱為復(fù)制叉(replicationfork)。

在原核生物雙向復(fù)制中，DNA被描述為眼睛狀。為說明方便而做的圖為

形。ori復(fù)制中的放射自顯影圖象

oriC復(fù)制起點真核生物：

?染色體DNA有多個復(fù)制起始點。

?兩個起始點之間的DNA片段稱為復(fù)制子(replicon)。

?復(fù)制子是獨立完成復(fù)制的功能單位。真核生物多個復(fù)制起始點、復(fù)制子與復(fù)制叉3′5′5′解鏈方向隨從鏈(laggingstrand)3

5

3

5

3′領(lǐng)頭鏈(leadingstrand)3′5′岡崎片段(Okazakifragments)新鏈合成的方向只有一個3

5

4半不連續(xù)性順著解鏈方向生成的子鏈，復(fù)制是連續(xù)進行的這股鏈稱為領(lǐng)頭鏈。另一股鏈因為復(fù)制的方向與解鏈方向相反，不能順著解鏈方向連續(xù)延長，這股不連續(xù)復(fù)制的鏈稱為隨從鏈。領(lǐng)頭鏈連續(xù)復(fù)制而隨從鏈不連續(xù)復(fù)制，就是復(fù)制的半不連續(xù)性。岡崎片段：

?

1968年日本生化學(xué)者岡崎用電鏡及放射自顯影技術(shù)，觀察到DNA復(fù)制中出現(xiàn)一些不連續(xù)的片段，將這些不連續(xù)的片段稱為岡崎片段。

?

原核生物:1000~2000個核苷酸

?

真核生物:100~200個核苷酸（二）參與DNA復(fù)制的主要物質(zhì)模板:解開成單鏈的DNA母鏈底物:dNTP(dATP、dGTP、dCTP、dTTP)引物:提供3'-OH末端的寡核苷酸聚合酶:

依賴DNA的DNA聚合酶(DNA-pol)其他酶和蛋白質(zhì)因子:拓撲異構(gòu)酶、解螺旋酶、單鏈DNA結(jié)合蛋白、引物酶、連接酶1．模板與底物DNA的合成有嚴格的模板依賴性，需以解開的DNA單鏈為模板，指導(dǎo)4種脫氧磷酸核糖核苷(dNTP)嚴格按照堿基配對的原則逐一合成新鏈。DNA合成時的原料(底物)包括四種脫氧三磷酸核糖核苷，即dATP、dGTP、dCTP和dTTP。每聚合1分子核苷酸需水解掉1分子的焦磷酸，其合成為耗能過程。(dNMP)n

+dNTP→(dNMP)n+1

+PPi

2.引物由于DNA聚合酶的5’→3’聚合酶活性不能催化將游離的dNTP直接進行聚合以延伸子代鏈，因此第一個dNTP需添加到已有的寡核苷酸（RNA)的3’-OH末端上，然后再繼續(xù)延長，這一寡核苷酸被稱為引物(primer)。3.酶類及蛋白因子

（1）解鏈酶(helicase)解鏈酶可以和單鏈DNA結(jié)合，并且利用ATP分解產(chǎn)生的能量沿著前導(dǎo)鏈模板3‘→5’方向移動，催化DNA雙螺旋解開成單鏈。解鏈酶解鏈消耗ATP，每解開一對堿基，需要消耗2分子ATP。DnaBDnaC解鏈方向（2）單鏈DNA結(jié)合蛋白（singlestrandbindingproteins，SSB）單鏈DNA結(jié)合蛋白又稱DNA結(jié)合蛋白（DNAbindingprotein，DBP），與解開的DNA單鏈緊密結(jié)合，維持單鏈狀態(tài)，以利于模板作用的發(fā)揮。與復(fù)制過程中產(chǎn)生的新的DNA單鏈結(jié)合，以保護新生DNA單鏈不被核酸酶水解。另外單鏈結(jié)合蛋白能夠不斷的結(jié)合、脫離，可重復(fù)使用。（3）引物酶引物酶是一種RNA聚合酶，但與催化轉(zhuǎn)錄過程的RNA聚合酶不同。復(fù)制起始時，在模板的復(fù)制起始部位，引物酶催化RNA引物合成。RNA引物為DNA復(fù)制提供3′-OH末端。（4）拓撲異構(gòu)酶(topoisomerase，Topo)所謂拓撲性質(zhì)是指物體或圖像作彈性移動而又保持物體不變的性質(zhì)。拓撲異構(gòu)酶Ⅰ切斷DNA雙鏈中一股鏈，使DNA解鏈旋轉(zhuǎn)不致打結(jié)；適當時候封閉切口，DNA變?yōu)樗沙跔顟B(tài)。反應(yīng)不需ATP。拓撲異構(gòu)酶Ⅱ切斷DNA分子兩股鏈，斷端通過切口旋轉(zhuǎn)使超螺旋松弛。利用ATP供能，連接斷端，DNA分子進入負超螺旋狀態(tài)。（主要）作用機制

拓撲異構(gòu)酶Ⅰ的作用拓撲異構(gòu)酶Ⅱ的作用（5）DNA聚合酶全稱：依賴DNA的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase)簡稱：DNA-pol活性：

5

3

的聚合活性核酸外切酶活性

聚合反應(yīng)的特點以單鏈DNA為模板以dNTP為原料引物提供3'-OH聚合方向為5'→3'遵守堿基互補規(guī)律

3

5

外切酶活性

（糾錯）

5

3

外切酶活性能切除引物和突變的DNA片段。能辨認錯配的堿基對，并將其水解。

核酸外切酶活性

表11-1E.coli中三種DNA聚合酶

DNApolⅠDNApolⅡDNApolⅢ分子量（KD）1091202505′→3′外切酶活性+--3′→5′外切酶活性+++5′→3′聚合酶活性+++主要功能校讀、填補空隙參與損傷的應(yīng)急狀態(tài)修復(fù)復(fù)制，校讀表11-2真核生物DNA聚合酶DNA聚合酶αβγδε分子量（KD）16.54.014.012.525.5細胞定位胞核胞核線粒體胞核胞核3’→5′外切酶活性-++++3’→5′聚合酶活性+++++主要功能引物合成DNA損傷修復(fù)線粒體DNA復(fù)制DNA復(fù)制，錯配修復(fù)校讀、修復(fù)和填補缺口（6）DNA連接酶連接DNA鏈3

-OH末端和相鄰DNA鏈5

-P末端，使二者生成磷酸二酯鍵，從而把兩段相鄰的DNA鏈連接成一條完整的鏈。（三）DNA復(fù)制的基本過程起始（replication）延長（elongation）終止（termination）1.起始階段（1）復(fù)制叉的形成（2）引發(fā)體的形成（3）引物的生成動畫：DNA復(fù)制的起始2.延長階段在復(fù)制叉處進行，由DNA聚合酶催化方向：5′3′隨從鏈上新合成的不連續(xù)的DNA片段稱為岡崎片段。3.終止階段在DNA子鏈形成后，當模板上出現(xiàn)DNA復(fù)制的終止序列，終止序列能結(jié)合多種參與復(fù)制終止的蛋白因子，使復(fù)制終止，形成兩個完整的子代DNA分子。核酸酶將前導(dǎo)鏈的RNA引物和隨后鏈中各岡崎片段的RNA引物水解，空隙填補由DNA-polⅠ催化dNTP聚合，填補至足夠長度后，相鄰的3′-OH和5′-P的缺口由DNA連接酶連接，完成基因組DNA復(fù)制過程。二、DNA的突變與修復(fù)(一)引發(fā)DNA突變的因素1.物理因素紫外線(Uv)、電離輻射2.化學(xué)因素化學(xué)誘變劑、致癌劑3.自發(fā)因素DNA復(fù)制錯誤、不明原因的堿基損傷4.生物因素逆轉(zhuǎn)錄病毒。(二)基因突變的后果及類型基因突變的后果①致死②致病③改變基因型④進化基因突變的類型1.錯配：只有1個堿基發(fā)生改變。DNA分子上的堿基錯配稱點突變。發(fā)生在同型堿基之間稱為轉(zhuǎn)換。發(fā)生在異型堿基之間稱為顛換。2.插入：DNA分子中插入原來沒有的一個核苷酸或一段DNA片段，DNA分子結(jié)構(gòu)破壞。3.缺失：DNA分子中一個核苷酸或者一段DNA片段丟失。4.移碼：插入或缺失的核苷酸數(shù)目不是三的倍數(shù)，導(dǎo)致三聯(lián)體密碼閱讀移位，導(dǎo)致DNA序列信息的徹底改變，也稱為框移突變。移碼突變所造成的DNA損傷一般遠遠大于點突變。5.重排：DNA分子內(nèi)較大片段的交換，又稱稱為重組。(三)DNA損傷的修復(fù)細胞內(nèi)具有一系列發(fā)揮DNA損傷修復(fù)作用的酶系統(tǒng)，這些酶可以除去DNA分子上的損傷，修復(fù)DNA的正常結(jié)構(gòu)。直接修復(fù)切除修復(fù)重組修復(fù)1.直接修復(fù)（光修復(fù)）可見光(300-600nm)可激活細胞內(nèi)的光復(fù)活酶，該酶能特異地識別共價交聯(lián)的嘧啶二聚體，斷裂兩嘧啶環(huán)間形成的共價鍵，使二聚體解聚，恢復(fù)DNA原來的結(jié)構(gòu)2.切除修復(fù)切除修復(fù)是細胞內(nèi)最重要的修復(fù)機制，其過程包括損傷的DNA片段識別、切除、填補空隙和連接。堿基切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù)堿基錯配修復(fù)核苷酸切除修復(fù)3．重組修復(fù)見于DNA分子損傷面較大，還來不及修復(fù)完善就進行復(fù)制的情況。復(fù)制時，親代鏈的損傷部位不能作為模板指導(dǎo)子代鏈的合成，造成子代鏈上出現(xiàn)缺口，這可以通過重組作用，將另一條正常親代鏈相應(yīng)的部位填補到該缺口，而正常親代鏈上又出現(xiàn)了缺口，但因有正常子代鏈作為模板，可在DNA聚合酶I和DNA連接酶的作用下，使之完全復(fù)原4.誘導(dǎo)修復(fù)許多能造成DNA損傷或抑制復(fù)制的處理均能引起一系