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1、1医 学 生 化 小 结第十章 DNA 的生物合成一DNA 复制(replication)：是指遗传物质的传代，以母链 DNA 为模板合成子链 DNA 的过程。分子基础：碱基互补配对和 DNA 的二级结构。化学本质：酶促反应。参与物质：酶和蛋白质因子。二半保留复制是 DNA 复制的基本特征。1.半保留复制(semi-conservative replication)：DNA 生物合成时，母链 DNA 解开为两股单链，各自作为模板(template) 按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的 DNA，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全从新合成。两个子细胞的 DNA 都和亲代
2、DNA 碱基序列一致。2.意义：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。三DNA 复制从起始点向两个方向延伸形成双向复制。1.双向复制：原核生物复制时，DNA 从起始点(origin)向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉。2.复制子(replicon)：真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子的复制。习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一个复制子(replicon) 。复制子是独立完成复制的功能单位。四DNA 一股子链复制的方向与解链方向相反导致半不连续复制。1.DNA 复制是有方向性：总是沿着子链的 5-3
3、方向合成，这种方向的形成取决于 DNA 聚合酶的聚合活性，在同一个复制叉上只有一个解链方向。2.顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链(leading strand)。3.另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链(lagging strand) 。复制中的不连续片段称为岡崎片段(okazaki fragment)。4.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。五参与 DNA 复制的物质：底物(dATP, dGTP, dCTP, dTTP)、聚合酶(依赖 DNA 的 DNA 聚合酶，简写为DNA-pol)、模板
4、 (解开成单链的 DNA 母链)、引物(提供 3-OH 末端使 dNTP 可以依次聚合)、其他的酶和蛋白质因子六核苷酸和核苷酸之间生成磷酸二酯键是复制的基本化学反应，(dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 + PPi。1.DNA 聚合酶（DNA-pol）催化核苷酸之间聚合。活性：3-5的聚合活性，核酸外切酶活性（3-5外切酶能辨认错配的碱基对，并将其水解；5-3外切酶能切除突变的 DNA 片段） 。2.原核生物的 DNA 聚合酶分为 DNA-pol、DNA-pol、DNA-pol三型，都具有 53聚合的活性和 35核酸外切酶的活性。DNA-pol：只能催化延长约 20 核苷酸左右；对
5、复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空隙进行填补。DNA-pol：DNA-pol II 基因发生突变，细菌依然能存活；在 I 和 III 缺失情况下暂时起作用；对模板的要求不高，它参与 DNA 损伤的应急状态修复。 DNA-pol：活性远高于 I，是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。23.常见的真核细胞 DNA 聚合酶有 DNA-pol（起始引发，有引物酶活性） 、DNA-pol（参与低保真度的复制） 、DNA-pol （在线粒体 DNA 复制中起催化作用） 、DNA-pol （延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性） 、DNA-pol（在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用）五种。4.
6、核酸外切酶的校读活性和碱基选择功能是复制保真性的酶学依据。核酸外切酶(exonuclease)：能从核酸链的末端把核苷酸依次水解出来的酶，外切酶是有方向性的。5.DNA 复制的保真性至少要依赖三种机制。 （遵守严格的碱基配对规律；聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；复制出错时 DNA-pol 的及时校读功能）七复制中的分子解链伴有 DNA 分子拓扑学变化。1.解螺旋酶（helicase)：利用 ATP 供能，作用于氢键，使 DNA 双链解开成为两条单链。2.引物酶：依赖 DNA 的 RNA 聚合酶在模板的复制起始部位催化 NTP 的聚合, 形成短片段的 RNA。这一小段 RNA 作为复制的引物
7、，提供 3-OH 末端，使 DNA-pol 能够催化 dNTP 聚合。3.单链 DNA 结合蛋白(SSB)：在复制中维持模板处于单链状态，保护单链的完整。八DNA 拓扑异构酶改变 DNA 超螺旋状态、理顺 DNA 链。包括拓扑异构酶、拓扑异构酶，既能水解 、又能连接磷酸二酯键。1.拓扑异构酶作用机制：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。2.拓扑异构酶作用机制：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。九DNA 连接酶连接 DNA 双链中的单
8、链缺口。1.作用方式：连接 DNA 链 3-OH 末端和相邻 DNA 链 5-P 末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的 DNA 链连接成一条完整的链。2.功能: 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,也是基因工程的重要工具酶之一。十原核生物 DNA 复制起始：DNA 解链形成引发体。1.DNA 解开成单链，提供模板：E.coli 复制起始点 oriC。2.形成引发体，合成引物，提供 3-OH 末端：含有解螺旋酶、DnaC 蛋白、引物酶和 DNA 复制起始区域的复合结构称为引发体。引物是由引物酶催化合成的短链 RNA 分子。十一.原核
9、生物 DNA 复制延长：复制的延长指在 DNA-pol 催化下，dNTP 以 dNMP 的方式逐个加入引物或延长中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。31.领头链的合成：领头链的子链沿着 53 方向可以连续地延长。2.随从链的合成：3.同一复制叉上领头链和随从链由相同的 DNA-pol 催化延长。十二.原核生物 DNA 复制终止：切除引物、填补空缺、连接切口。十三.真核生物的 DNA 生物合成中，细胞能否分裂，决定于进入 S 期及 M 期这两个关键点。G1S 及G2M 的调节，与蛋白激酶活性有关；蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而实施调控作用。十四.真核生物复制的起始与原核基本
10、相似。1. 真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复制。复制有时序性，即复制子以分组方式激活而不是同步起动。复制的起始需要 DNA-pol（引物酶活性）和 pol（解螺旋酶活性）参与。还需拓扑酶和复制因子(RF)。2. 增殖细胞核抗原（PCNA）在复制起始和延长中起关键作用。PCNA 为同源三聚体，具有与E.coli DNA 聚合酶的 亚基相同的功能和相似的构象，即形成闭合环形的可滑动 DNA 夹子，在 RFC的作用下 PCNA 结合于引物模板链；并且 PCNA 使 pol 获得持续合成能力。PCNA 水平也是检验细胞增殖的重要指标。3. 细胞能否分裂，决定于进入 S 期及 M 期这两个关
11、键点。G1S 及 G2M 的调节，与蛋白激酶活性有关。蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而实施调控作用。相关的激酶都有调节亚基即细胞周期蛋白(cyclin)，和催化亚基即细胞周期蛋白依赖激酶(CDK)。哺乳类动物细胞内还发现天然抑制 CDK 的蛋白质，例如锚蛋白(ankynin)是 CDK4 的特异性抑制物，P21 蛋白能抑制多种 CDK。锚蛋白和 P21 蛋白的抑制 /活化可使细胞周期开放/关闭，因此被形容为细胞周期的检查点(check point)蛋白。十五.真核生物复制的延长发生 DNA 聚合酶 / 转换。DNA-pol 和 pol 分别兼有解螺旋酶和引物酶活性。在复制叉及引物生成
12、后，DNA-pol 通过 PCNA的协同作用，逐步取代 pol，在 RNA 引物的 3-OH 基础上连续合成领头链。随从链引物也由 pol催化合成。然后由 PCNA 协同，pol 置换 pol，继续合成 DNA 子链。十六.端粒酶参与解决染色体末端复制问题。1. 染色体 DNA 呈线状，复制在末端停止；复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连接；染色体两端 DNA 子链上最后复制的 RNA 引物，去除后留下空隙。2. 端粒(telomere)：指真核生物染色体线性 DNA 分子末端的结构。其结构特点为：由末端单链4DNA 序列和蛋白质构成；末端 DNA 序列是多次重复的富含 G、C 碱基的短序列。
13、功能为：维持染色体的稳定性，维持 DNA 复制的完整性。3. 端粒酶(telomerase)由端粒酶 RNA(hTR)、端粒酶协同蛋白(hTP1)、端粒酶逆转录酶(hTRT)组成。4. 端粒酶的催化延长作用：爬行模型。十七.逆转录病毒细胞内的逆转录现象: RNA 模板经逆转录酶生成 DNA-RNA 杂化双链，接着在 RNA 酶作用下生成单链 DNA，最后在逆转录酶作用下生成双链 DNA。十八.cDNA：为试管内合成，以 mRNA 为模板，经逆转录合成的与 mRNA 碱基序列互补的 DNA 链。十九.滚环复制(rolling circle replication)：某些低等生物的复制形式，如 X
14、174 和 M13 噬菌体等。二十.D 环复制(D-loop replication): 是线粒体 DNA 的复制形式。二十一.遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为突变。在复制过程中发生的 DNA 突变称为DNA 损伤(DNA damage)。1. 错配：DNA 分子上的碱基错配称点突变(point mutation)，包括转换（同型碱基间）和颠换（异型碱基间） 。2. 缺失：一个碱基或一段核苷酸链从 DNA 大分子上消失。3. 插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到 DNA 大分子中间。4. 重排：DNA 分子内较大片段的交换。5. 框移突变三联体密码的阅读方式改变，造成蛋
15、白质氨基酸排列顺序发生改变，缺失或插入都可导致框移突变。二十二. DNA 损伤的修复:1. 光修复。2. 切除修复：是细胞内最重要和有效的修复机制，主要由 DNA-pol和连接酶完成。3. 重组修复：作用于单链4. SOS 修复：当 DNA 损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出一系列复杂的反应。在 E. coli，各种与修复有关的基因，组成一个称为调节子(regulon)的网络式调控系统。这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差。通过 SOS 修复，复制如能继续，细胞是可存活的；然而 DNA 保留的错误较多，导致较广泛、长期的突变。第十一章 RNA 的生物合成一中心法则(The Centra
16、l Dogma)：是指遗传信息从 DNA 传递给 RNA，再从 RNA 传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译的过程。也可以从 DNA 传递给 DNA，即完成 DNA 的复制过程。这是所有有细胞结构的生物所遵循的法则。在某些病毒中的 RNA 自我复制和在某些病毒中能以 RNA 为模板逆转录成 DNA 的过程是对中心法则的补充。二转录(transcription)：生物体以 DNA 为模板合成 RNA 的过程。1.RNA 合成有转录与 RNA 复制两种形式。2.与复制相同处：酶促的核苷酸聚合过程，以 DNA 为模板，依赖 DNA 的 RNA 聚合酶，产物是磷酸二酯键连接的核苷酸链，都从 5-3方向合成新链，遵从碱基配对规律。3.与复制不同处：模板（不对称转录） 、产物、配对、原料（NTP） 、酶（RNA-pol） 。三原核生物的转录模板。51.结构基因(structural
