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1、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 pol
2、ymerase 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
3、，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
4、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
5、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
6、(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
7、)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
8、)。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
9、)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
10、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
11、，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D
12、NA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(fi
13、delity)：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
14、）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 bindi
15、ng 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
