生生 物物 化化 学学 原原 理理Principles of Biochemistry杨杨杨杨 帆帆帆帆1 1DNADNA RNARNA 蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质 转录转录转录转录翻译翻译翻译翻译逆转录逆转录逆转录逆转录复制复制复制复制遗传中心法则遗传中心法则遗传中心法则遗传中心法则2 2第十三章第十三章 DNA的复制、修复及重组的复制、修复及重组DNADNA的复制的复制的复制的复制DNADNA的损伤与修复的损伤与修复的损伤与修复的损伤与修复遗传重组遗传重组遗传重组遗传重组3 3DNA的复制DNADNA复制：是指亲代的复制：是指亲代的复制：是指亲代的复制：是指亲代的DNADNA双螺旋链解开，分双螺旋链解开，分双螺旋链解开，分双螺旋链解开，分别做为模板，指导子代别做为模板，指导子代别做为模板，指导子代别做为模板，指导子代DNADNA合成的过程。合成的过程。合成的过程。合成的过程。4 4DNA的复制：1. 1. 半保留复制半保留复制半保留复制半保留复制：通过：通过：通过：通过DNADNA复制产生的新的复制产生的新的复制产生的新的复制产生的新的DNADNA双链中，一条链来双链中，一条链来双链中，一条链来双链中，一条链来源于亲代的源于亲代的源于亲代的源于亲代的DNADNA，另一，另一，另一，另一条则是新合成的。条则是新合成的。条则是新合成的。条则是新合成的。19581958年年年年Meselson Meselson 和和和和StahlStahl5 5DNA的复制：2. DNA2. DNA复制的起点和方式复制的起点和方式复制的起点和方式复制的起点和方式复制子：基因组上能独立进行复制的单位称为复制子。复制子：基因组上能独立进行复制的单位称为复制子。复制子：基因组上能独立进行复制的单位称为复制子。复制子：基因组上能独立进行复制的单位称为复制子。每个复制子都含有自己的复制起点。每个复制子都含有自己的复制起点。每个复制子都含有自己的复制起点。每个复制子都含有自己的复制起点。双向复制双向复制双向复制双向复制：生物体中，大多数：生物体中，大多数：生物体中，大多数：生物体中，大多数DNADNA的复制是双向复制。的复制是双向复制。的复制是双向复制。的复制是双向复制。复制叉：复制叉：复制叉：复制叉：DNADNA复制过程中，亲代复制过程中，亲代复制过程中，亲代复制过程中，亲代DNADNA双链由复制起点双链由复制起点双链由复制起点双链由复制起点开始逐渐部分解链，形成一个复制叉结构。开始逐渐部分解链，形成一个复制叉结构。开始逐渐部分解链，形成一个复制叉结构。开始逐渐部分解链，形成一个复制叉结构。6 6大肠杆菌染色体的双向复制示意图大肠杆菌染色体的双向复制示意图大肠杆菌染色体的双向复制示意图大肠杆菌染色体的双向复制示意图7 7大肠杆菌染色体复制过程中的大肠杆菌染色体复制过程中的大肠杆菌染色体复制过程中的大肠杆菌染色体复制过程中的 形结构形结构形结构形结构8 8双向复制及单向复双向复制及单向复双向复制及单向复双向复制及单向复制中的复制叉结构制中的复制叉结构制中的复制叉结构制中的复制叉结构9 9DNADNA的复制：的复制：的复制：的复制：3. DNA3. DNA聚合酶：参与聚合酶：参与聚合酶：参与聚合酶：参与DNADNA复制的主要酶复制的主要酶复制的主要酶复制的主要酶, ,该酶催化该酶催化该酶催化该酶催化四种四种四种四种dNTPdNTP合成合成合成合成DNADNA。DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶模板链模板链模板链模板链合成的新链合成的新链合成的新链合成的新链模板链模板链模板链模板链1010DNADNA聚合酶的反应特点聚合酶的反应特点聚合酶的反应特点聚合酶的反应特点: :1. 1. 以四种以四种以四种以四种dNTPdNTP为底物为底物为底物为底物2. 2. 反应需要接受模板的指导反应需要接受模板的指导反应需要接受模板的指导反应需要接受模板的指导3. 3. 反应需要有引物反应需要有引物反应需要有引物反应需要有引物33羟基存在羟基存在羟基存在羟基存在5. DNA5. DNA链的合成方向为链的合成方向为链的合成方向为链的合成方向为55334. 4. 反应需要有二价金属（主要是反应需要有二价金属（主要是反应需要有二价金属（主要是反应需要有二价金属（主要是MgMg2+2+）的存在）的存在）的存在）的存在1111DNA的复制：4. 4. 大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌DNADNA聚合酶：主要有三种聚合酶：主要有三种聚合酶：主要有三种聚合酶：主要有三种DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶 ：19561956年年年年kornbergkornberg首次发现首次发现首次发现首次发现 具有具有具有具有DNADNA聚合酶活性聚合酶活性聚合酶活性聚合酶活性 3 3 55核酸外切酶活性：由核酸外切酶活性：由核酸外切酶活性：由核酸外切酶活性：由3 3 端开始水解端开始水解端开始水解端开始水解DNADNA链链链链 55 3 3 核酸外切酶活性：由核酸外切酶活性：由核酸外切酶活性：由核酸外切酶活性：由55端端端端 开始水解开始水解开始水解开始水解DNADNA链链链链 从从从从3 3 端发生焦磷酸解作用端发生焦磷酸解作用端发生焦磷酸解作用端发生焦磷酸解作用1212DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶 的的的的3 3 55核酸外核酸外核酸外核酸外切酶活性在切酶活性在切酶活性在切酶活性在DNADNA复制过程中复制过程中复制过程中复制过程中起着重要的校对作用起着重要的校对作用起着重要的校对作用起着重要的校对作用DNADNA聚合酶活性位点聚合酶活性位点聚合酶活性位点聚合酶活性位点33 55核酸外切酶活性位点核酸外切酶活性位点核酸外切酶活性位点核酸外切酶活性位点1313DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶 的的的的55 3 3 核酸外核酸外核酸外核酸外切酶活性一般作用于双链切酶活性一般作用于双链切酶活性一般作用于双链切酶活性一般作用于双链DNADNA的配对碱基，从的配对碱基，从的配对碱基，从的配对碱基，从55 端水端水端水端水解下核苷酸。解下核苷酸。解下核苷酸。解下核苷酸。DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶 的的的的55 3 3 核酸外切酶活性在核酸外切酶活性在核酸外切酶活性在核酸外切酶活性在DNADNA复制和修复中起着重要的作复制和修复中起着重要的作复制和修复中起着重要的作复制和修复中起着重要的作用。用。用。用。1414DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶 的结构：单链多肽。用枯草杆菌蛋白酶进行有限水解，的结构：单链多肽。用枯草杆菌蛋白酶进行有限水解，的结构：单链多肽。用枯草杆菌蛋白酶进行有限水解，的结构：单链多肽。用枯草杆菌蛋白酶进行有限水解，可以得到两个大小不同的片段。可以得到两个大小不同的片段。可以得到两个大小不同的片段。可以得到两个大小不同的片段。KlenowKlenow片段：包含有片段：包含有片段：包含有片段：包含有3 3 55核酸外切酶活性和核酸外切酶活性和核酸外切酶活性和核酸外切酶活性和DNADNA聚合酶活性聚合酶活性聚合酶活性聚合酶活性1515DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶：多亚基聚合酶，含有：多亚基聚合酶，含有：多亚基聚合酶，含有：多亚基聚合酶，含有DNADNA聚合酶活性和聚合酶活性和聚合酶活性和聚合酶活性和3 3 55核酸外切酶活性，不具有核酸外切酶活性，不具有核酸外切酶活性，不具有核酸外切酶活性，不具有5 5 3 3 核酸外切酶活性。核酸外切酶活性。核酸外切酶活性。核酸外切酶活性。反应中需要有反应中需要有反应中需要有反应中需要有NHNH4 4+ +的激活。是一种主要起修复作用的的激活。是一种主要起修复作用的的激活。是一种主要起修复作用的的激活。是一种主要起修复作用的酶。酶。酶。酶。1616DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶：多亚基聚合酶，包含有：多亚基聚合酶，包含有：多亚基聚合酶，包含有：多亚基聚合酶，包含有1010个亚基。其中个亚基。其中个亚基。其中个亚基。其中 、 、和、和、和、和 亚基构成所谓核心酶。亚基构成所谓核心酶。亚基构成所谓核心酶。亚基构成所谓核心酶。被认为是大肠杆菌细胞内被认为是大肠杆菌细胞内被认为是大肠杆菌细胞内被认为是大肠杆菌细胞内真正负责真正负责真正负责真正负责DNADNA复制的聚合酶。复制的聚合酶。复制的聚合酶。复制的聚合酶。 1. 1. 其其其其 亚基具有亚基具有亚基具有亚基具有DNADNA聚合酶活性，当和其他亚基构成全聚合酶活性，当和其他亚基构成全聚合酶活性，当和其他亚基构成全聚合酶活性，当和其他亚基构成全酶时，聚合效率可达到酶时，聚合效率可达到酶时，聚合效率可达到酶时，聚合效率可达到1000bp/sec.1000bp/sec.2. 2. 其其其其 亚基具有亚基具有亚基具有亚基具有3 3 55核酸外切酶活性，起校对作用。核酸外切酶活性，起校对作用。核酸外切酶活性，起校对作用。核酸外切酶活性，起校对作用。3. 3. 不具有不具有不具有不具有55 3 3 核酸外切酶活性核酸外切酶活性核酸外切酶活性核酸外切酶活性1717Sliding clampSliding clamp subunits subunitsCatalyticCatalyticsubunitsubunitCatalyticCatalyticsubunitsubunit3 5 exonuclease3 5 exonucleasesubunitssubunits大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶的结构示的结构示的结构示的结构示意图意图意图意图催化亚基催化亚基催化亚基催化亚基33 55核酸外切酶活性核酸外切酶活性核酸外切酶活性核酸外切酶活性1818大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶 亚基亚基亚基亚基DNADNA结合示意图结合示意图结合示意图结合示意图1919 亚基与模板的结合亚基与模板的结合亚基与模板的结合亚基与模板的结合2020大肠杆菌三种大肠杆菌三种大肠杆菌三种大肠杆菌三种DNADNA聚合酶的比较聚合酶的比较聚合酶的比较聚合酶的比较2121DNADNA的复制：的复制：的复制：的复制：5. DNA5. DNA的半不连续复制：的半不连续复制：的半不连续复制：的半不连续复制：DNADNA分子是反向平行的；体分子是反向平行的；体分子是反向平行的；体分子是反向平行的；体内所有已知的内所有已知的内所有已知的内所有已知的DNADNA聚合酶的合成方向都是聚合酶的合成方向都是聚合酶的合成方向都是聚合酶的合成方向都是55 3 3 。前导链前导链前导链前导链滞后链滞后链滞后链滞后链冈崎片段冈崎片段冈崎片段冈崎片段前导链前导链前导链前导链后续链后续链后续链后续链2222DNADNA的复制：的复制：的复制：的复制：6. DNA6. DNA的复制需要有的复制需要有的复制需要有的复制需要有RNARNA引物：所有已知的引物：所有已知的引物：所有已知的引物：所有已知的DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶都不能从头合成新链；都不能从头合成新链；都不能从头合成新链；都不能从头合成新链；RNARNA聚合酶则可在有聚合酶则可在有聚合酶则可在有聚合酶则可在有DNADNA模板的模板的模板的模板的基础上，合成新的基础上，合成新的基础上，合成新的基础上，合成新的RNARNA。DNADNA合成需要引物，而合成需要引物，而合成需要引物，而合成需要引物，而RNARNA合合合合成不需要引物。成不需要引物。成不需要引物。成不需要引物。 DNA DNA复制起始的复制起始的复制起始的复制起始的RNARNA引物是在引物是在引物是在引物是在DNADNA模板链的一定部位合模板链的一定部位合模板链的一定部位合模板链的一定部位合成的，由引物合成酶催化，一般长为几个至成的，由引物合成酶催化，一般长为几个至成的，由引物合成酶催化，一般长为几个至成的，由引物合成酶催化，一般长为几个至1010几个核苷酸。几个核苷酸。几个核苷酸。几个核苷酸。 DNA DNA复制完成后，复制完成后，复制完成后，复制完成后，RNARNA引物的消除和缺口的填补是由引物的消除和缺口的填补是由引物的消除和缺口的填补是由引物的消除和缺口的填补是由DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶 来完成的。来完成的。来完成的。来完成的。2323DNA的复制：7. DNA7. DNA的高保真性：的高保真性：的高保真性：的高保真性：利用利用利用利用DNADNA聚合酶反应的保真机制聚合酶反应的保真机制聚合酶反应的保真机制聚合酶反应的保真机制利用利用利用利用DNADNA聚合酶的聚合酶的聚合酶的聚合酶的3 3 55核酸外切酶活性核酸外切酶活性核酸外切酶活性核酸外切酶活性利用体内的各种修复系统利用体内的各种修复系统利用体内的各种修复系统利用体内的各种修复系统2424DNADNA的复制：的复制：的复制：的复制：8. DNA8. DNA复制体：指与复制体：指与复制体：指与复制体：指与DNADNA复制相关的复制相关的复制相关的复制相关的3030多种蛋白质和多种蛋白质和多种蛋白质和多种蛋白质和酶组成的高效的、高精度复制的完整复合物。酶组成的高效的、高精度复制的完整复合物。酶组成的高效的、高精度复制的完整复合物。酶组成的高效的、高精度复制的完整复合物。解旋酶（解旋酶（解旋酶（解旋酶（helicasehelicase）：利用）：利用）：利用）：利用ATPATP水解释放的能量解开双链水解释放的能量解开双链水解释放的能量解开双链水解释放的能量解开双链DNADNA的的的的负超螺旋。负超螺旋。负超螺旋。负超螺旋。单链结合蛋白（单链结合蛋白（单链结合蛋白（单链结合蛋白（SSBSSB）：结合在单链）：结合在单链）：结合在单链）：结合在单链DNADNA上，维持单链上，维持单链上，维持单链上，维持单链DNADNA的完整性和稳定性。的完整性和稳定性。的完整性和稳定性。的完整性和稳定性。拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶：通过改变：通过改变：通过改变：通过改变DNADNA的超螺旋状态，降低复制叉前的超螺旋状态，降低复制叉前的超螺旋状态，降低复制叉前的超螺旋状态，降低复制叉前进时带入的扭曲张力，促进双链的解开。进时带入的扭曲张力，促进双链的解开。进时带入的扭曲张力，促进双链的解开。进时带入的扭曲张力，促进双链的解开。DNADNA连接酶：连接连接酶：连接连接酶：连接连接酶：连接DNADNA片段片段片段片段引物酶：合成引物酶：合成引物酶：合成引物酶：合成DNADNA复制过程中所需要的复制过程中所需要的复制过程中所需要的复制过程中所需要的RNARNA引物引物引物引物。DNADNA聚合酶：新生聚合酶：新生聚合酶：新生聚合酶：新生DNADNA链的延长链的延长链的延长链的延长2525DNA的复制DNADNA复制的过程：复制的过程：复制的过程：复制的过程：1. 1. 复制的起始：复制的起始：复制的起始：复制的起始：DanADanAHuHuDanBDanB，DanCDanC26262727DNADNA复制的过程：复制的过程：复制的过程：复制的过程：2. 2. 链的延伸链的延伸链的延伸链的延伸前导链的延伸前导链的延伸前导链的延伸前导链的延伸DNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶解旋酶解旋酶解旋酶解旋酶DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶单链结合蛋白单链结合蛋白单链结合蛋白单链结合蛋白2828DNADNA复制叉的结构示意图复制叉的结构示意图复制叉的结构示意图复制叉的结构示意图2929滞后链的延伸：滞后链的延伸：滞后链的延伸：滞后链的延伸：冈崎片段的合成冈崎片段的合成冈崎片段的合成冈崎片段的合成RNARNA引物引物引物引物DNADNA引物酶引物酶引物酶引物酶DNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶解链酶解链酶解链酶解链酶30303131滞后链合成滞后链合成滞后链合成滞后链合成过程中过程中过程中过程中DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶的的的的移动移动移动移动3232滞后链滞后链滞后链滞后链RNARNA引物的切除：引物的切除：引物的切除：引物的切除： DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶 的的的的55 33核酸外切酶活性核酸外切酶活性核酸外切酶活性核酸外切酶活性3333滞后链的连接：滞后链的连接：滞后链的连接：滞后链的连接：DNADNA连接酶连接酶连接酶连接酶DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶 3434DNADNA连接酶连接酶连接酶连接酶的作用机制的作用机制的作用机制的作用机制DNADNA连接酶连接酶连接酶连接酶3535DNADNA复制的过程：复制的过程：复制的过程：复制的过程：3. 3. 复制的终止：大肠杆菌染复制的终止：大肠杆菌染复制的终止：大肠杆菌染复制的终止：大肠杆菌染色体复制的终止色体复制的终止色体复制的终止色体复制的终止3636真核生物真核生物真核生物真核生物DNADNA的复制：的复制：的复制：的复制：l l真核生物染色体有核小体结构真核生物染色体有核小体结构真核生物染色体有核小体结构真核生物染色体有核小体结构l l真核生物基因组庞大真核生物基因组庞大真核生物基因组庞大真核生物基因组庞大l l真核生物真核生物真核生物真核生物DNADNA上往往有多个复制子上往往有多个复制子上往往有多个复制子上往往有多个复制子l l真核生物真核生物真核生物真核生物DNADNA的复制子在每个细胞周期仅起始的复制子在每个细胞周期仅起始的复制子在每个细胞周期仅起始的复制子在每个细胞周期仅起始复制一次复制一次复制一次复制一次3737DNA的损伤与修复的损伤与修复DNADNA的损伤：的损伤：的损伤：的损伤：l l化学诱变：碱基置换；化学诱变：碱基置换；化学诱变：碱基置换；化学诱变：碱基置换；DNADNA片段的缺失和插入；片段的缺失和插入；片段的缺失和插入；片段的缺失和插入；移码突变；插入失活移码突变；插入失活移码突变；插入失活移码突变；插入失活l l物理因素致突变物理因素致突变物理因素致突变物理因素致突变l l致癌剂致突变致癌剂致突变致癌剂致突变致癌剂致突变3838DNADNA损伤后修复：损伤后修复：损伤后修复：损伤后修复：1. 1. 直接修复：指经酶促反应进行修复的过程。包直接修复：指经酶促反应进行修复的过程。包直接修复：指经酶促反应进行修复的过程。包直接修复：指经酶促反应进行修复的过程。包括光修复和单个酶的直接修复作用。括光修复和单个酶的直接修复作用。括光修复和单个酶的直接修复作用。括光修复和单个酶的直接修复作用。鸟苷酸的甲鸟苷酸的甲鸟苷酸的甲鸟苷酸的甲基化导致碱基化导致碱基化导致碱基化导致碱基的错配基的错配基的错配基的错配3939甲基转移酶对甲基化鸟嘌呤碱基的作用甲基转移酶对甲基化鸟嘌呤碱基的作用甲基转移酶对甲基化鸟嘌呤碱基的作用甲基转移酶对甲基化鸟嘌呤碱基的作用4040DNADNA损伤后修复：损伤后修复：损伤后修复：损伤后修复：2. 2. 切除修复：指在一系列酶的作用下，将切除修复：指在一系列酶的作用下，将切除修复：指在一系列酶的作用下，将切除修复：指在一系列酶的作用下，将DNADNA分子中受分子中受分子中受分子中受损的部分切除掉，并以完整的那一条链为模板，合成出损的部分切除掉，并以完整的那一条链为模板，合成出损的部分切除掉，并以完整的那一条链为模板，合成出损的部分切除掉，并以完整的那一条链为模板，合成出切除的部分，切除的部分，切除的部分，切除的部分，DNADNA结构恢复正常的过程。结构恢复正常的过程。结构恢复正常的过程。结构恢复正常的过程。4141核苷酸切除修复核苷酸切除修复核苷酸切除修复核苷酸切除修复4242碱基切除修复碱基切除修复碱基切除修复碱基切除修复4343DNADNA损伤后修复：损伤后修复：损伤后修复：损伤后修复：3. 3. 错配修复：修复在复制过错配修复：修复在复制过错配修复：修复在复制过错配修复：修复在复制过程中错配且没有被校正的单程中错配且没有被校正的单程中错配且没有被校正的单程中错配且没有被校正的单个或少数碱基。个或少数碱基。个或少数碱基。个或少数碱基。4444错配修复错配修复错配修复错配修复4545DNADNA损伤后修复：损伤后修复：损伤后修复：损伤后修复：4. SOS4. SOS反应与易错修复：反应与易错修复：反应与易错修复：反应与易错修复：SOSSOS反应是指细胞反应是指细胞反应是指细胞反应是指细胞DNADNA受到损受到损受到损受到损伤或复制系统受到抑制的情况下出现的应急效应。伤或复制系统受到抑制的情况下出现的应急效应。伤或复制系统受到抑制的情况下出现的应急效应。伤或复制系统受到抑制的情况下出现的应急效应。5. 5. 重组修复：复制后同源重组修复：复制后同源重组修复：复制后同源重组修复：复制后同源DNADNA重组，使得单链上对应损重组，使得单链上对应损重组，使得单链上对应损重组，使得单链上对应损伤部位得以修复的过程。伤部位得以修复的过程。伤部位得以修复的过程。伤部位得以修复的过程。4646同源染色体的重组同源染色体的重组同源染色体的重组同源染色体的重组4747SummaryDNADNA复制的特点复制的特点复制的特点复制的特点: :半保留复制，半不连续复制，双半保留复制，半不连续复制，双半保留复制，半不连续复制，双半保留复制，半不连续复制，双向复制向复制向复制向复制复制体的组成，复制体的组成，复制体的组成，复制体的组成， DNADNA复制的过程复制的过程复制的过程复制的过程DNADNA的损伤后修复的损伤后修复的损伤后修复的损伤后修复4848