第三篇 基因信息的传递nDNA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。n生物体的遗传信息就贮存在DNA的四种脱氧核糖核酸的排列顺序中。 nDNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分子，从而决定生物的表现型。DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则。n在RNA病毒中，其遗传信息贮存在RNA分子中。因此，在这些生物体中，遗传信息的流向是RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代，通过反转录将遗传信息传递给DNA，再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为反中心法则。DNA dependent DNA polymerase DDDP DNA dependent RNA polymerase DDRP RNA dependent RNA polymerase RDRP RNA dependent DNA polymerase RDDPDNA复制（DDDP）转录转录 （DDRP）RNA蛋白质质翻译译RNA 复制（RDRP）反转录转录 （RDDP ）Chapter 10 DNA Biosynthesis， Replication第十章 DNA的生物合成(复制）第一节 复制的基本规律Section 1 Basic Rules of DNA ReplicationnDNA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)。 一、半保留复制复制亲亲代DNA 子代DNADNA半保留复制示意图图nDNA以半保留方式进行复制，是在1958年由 M. Meselson 和 F. Stahl 所完成的实验所证明。n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。然后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，将具有不同密度的 DNA分离开。DNA半保留复制的实验证实验证 明DNA半保留复制研究实验结实验结 果示意图图 按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。 遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。半保留复制的意义义nDNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起始点(origin) 。n在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在真核生物中则为多个。二、有一定的复制起始点细细菌和酵母菌中DNA复制起始点的碱基序列n习惯上把两个相邻DNA复制起始点之间的距离（或DNA片段）定为一个复制子(replicon) 。n复制子是独立完成复制的功能单位。nDNA复制时，局部双螺旋解开形成两条单链，这种叉状结构称为复制叉。53oriorioriori535533553复制子3复制起始点与复制子示意图图复制起始点、复制子与复制叉（动动画演示）n参与DNA复制的DNA聚合酶，必须以一段具有3端自由羟基（3-OH）的RNA作为引物(primer) ，才能开始聚合子代DNA链。nRNA引物的大小，在原核生物中通常为50 100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。RNA引物的碱基顺序，与其模板DNA的碱基顺序相配对。 三、需要引物nDNA复制时，以复制起始点(origin)为中心，向两个方向进行解链，形成两个延伸方向相 反的复制叉，称为双向复制(bidirectional replication)。n但在低等生物中，也可进行单向复制（如滚环复制）。复制中的放射自显影图象四、双向复制oriterA B CA. 环状双链DNA及复制起始点 B. 复制中的两个复制叉 C. 复制接近终止点(termination, ter)DNA的双向复制示意图图nDNA聚合酶只能以53方向聚合子代DNA链，即模板DNA链的方向必须是35。n由于DNA分子中两条链的走向相反，因此当分别以两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时，子代链的聚合方向也是不同的。五、半不连续连续 复制3 5 3 5 3535解链链方向领头链领头链 (leading strand)随从链链 (lagging strand)DNA的半不连续连续 复制35n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(leading strand)。n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)。n领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复 制的半不连续性。 n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)。n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。 Section 2 Factors for DNA Replication第二节 DNA复制的条件 n以四种脱氧核糖核酸(deoxynucleotide triphosphate)为底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。一、底物(substrate) (dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 +PPiDNA复制过过程中脱氧核糖核苷酸的聚合反应应nDNA复制是模板依赖性的，必须要以亲代DNA链作为模板。亲代DNA的两股链解开后，可分别作为模板进行复制。 二、模板(template)n引物酶(primerase)本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP），该酶以DNA为模板，聚合一段RNA短链引物(primer)，以提供自由的3-OH，使子代DNA链能够开始聚合。n引物酶需组装成引发体才能催化RNA引物的合成。三、引发发体和RNA引物n在E. coli中，含有解螺旋酶(DnaB蛋白) 、DnaC蛋白、引物酶(DnaG蛋白)和DNA复制起始区域的复合结构被称为引发体(primosome) 。 Dna ADna B Dna CDNA拓扑异构酶引物 酶SSB3535含有解螺旋酶(DnaB蛋白)、DnaC蛋白、引物酶和 DNA复制起始区域的复合结结构称为为引发发体。 引发发体的组组装形成3 HO53535引物酶催化合成短链链RNA引物分子 引物引物 酶四、DNA聚合酶全称：依赖赖DNA的DNA聚合酶 ( DNA-dependent DNA polymerase, DDDP )简称：DNA-pol活性：1. 5 3 的聚合酶活性2. 核酸外切酶活性5 A G C T T C A G G A T A 3| | | | | | | | | | |3 T C G A A G T C C T A G C G A C 5 3 5 外切酶活性 5 3 外切酶活性?能切除突变变的 DNA片段。能辨认错认错 配的碱基对对，并将其水解。DNA聚合酶的核酸外切酶活性 n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 ），DNA聚合酶（pol ），这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。n参与DNA复制的主要是pol 和pol 。（一）种类类和生理功能：npol 为具有三种酶 活性的单一肽链的大 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 段保留了两种酶活性 ,即53聚合酶和 35外切酶活性， 通常被称为Klenow fragment。 Klenow片段的分子结结构npol 由十种亚基组成不对称异源二聚体结构，其中 亚基具有53聚合DNA的酶活性，具有复制DNA的功能；而 亚基具有35外切酶的活性，与DNA复制的校正功能有关。 原核生物中的三种DNA聚合酶 在真核生物中，目前发现的DNA聚合酶有五种:DNA-pol 起始引发发，有引物酶活性。参与低保真度的复制 。DNA-pol 在线线粒体DNA复制中起催化作用。DNA-pol 延长长子链链的主要酶，有解螺旋酶活性。DNA-pol 在复制过过程中起校读读、修复和填补补缺 口的作用。DNA-pol 真核生物的DNA聚合酶n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：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。 （二）DNA复制的保真性(fidelity)：DNA-pol的核酸外切酶活性和及时时校读读A：DNA-pol的外切酶活性切除错错配碱基；并用其聚合 酶活性掺掺入正确配对对的底物。 B：碱基配对对正确， DNA-pol不表现现外切酶活性。复制的保真性和碱基选择选择nDNA聚合酶靠其大分子结构协调非共价（氢键）与共价（磷酸二酯键）键的有序形成。n嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型，与相应的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于反式构型。 nDNA连接酶(DNA ligase)可催化两段DNA片段之间磷酸二酯键的形成，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。五、DNA连连接酶DNA连连接酶ATP（NAD+）ADP+Pi（NMN+AMP）HO53533553DNA连连接酶的连连接作用nDNA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。DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。是基因工程的重要工具酶之一。DNA连连接酶的作用n解螺旋酶(helicase) ，又称解链酶或rep蛋白，是用于解开DNA双链的酶蛋白。n每解开一对碱基，需消耗2分子ATP。六、解螺旋酶n单链DNA结合蛋白（single strand binding protein, SSB），又称螺旋反稳蛋白(HDP)，是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子。七、单链单链 DNA结结合蛋白SSB的生理作用n使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在，即稳定单链DNA，便于其作为模板复制子代DNA；n保护单链DNA，避免核酸酶的降解。八、DNA拓扑异构酶人类类拓扑异构酶的分子结结 构能够松解DNA超螺旋结构的酶。108局部解链链后DNA复制过过程中正超螺旋的形成解链过链过 程中正超螺旋的形成拓扑异构酶的作用特点既能水解 、又能连连接磷酸二酯键酯键拓扑异构酶拓扑异构酶分 类拓扑异 构酶切断DNA双链中一股链，使DNA 解链旋转不致打结；适当时候封 闭切口，DNA变为松弛状态。反应不需ATP。拓扑异 构酶切断DNA分子两股链，断端通过 切口旋转使超螺旋松弛。利用ATP供能，连接断端， DNA 分子进入负超螺旋状态。DNA拓扑异构酶的作用机制 第三节