核酸的生物合成-2

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1、第十章 核酸的生物合成,第一节 DNA的生物合成 第二节 RNA的生物合成,遗传信息传递的 中心法则,生物的遗传信息以密码的形式储存在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，通过DNA复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过转录传递给RNA，再由RNA通过翻译转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们又发现，在宿主细胞中一些RNA病毒能以自己的RNA为模板复制出新的病毒RNA，还有一些RNA病毒能以其RNA为模板合成DNA，称为逆转录这是

2、中心法则的补充。,中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。,一、DNA半保留复制（semiconservative replication） （一）概念 1953年Watson和Crick在DNA双螺旋结构的基础上提出了DNA半保留复制假说。 在复制过程中，双螺旋DNA分子的两条多核苷酸链首先碱基间氢键断裂局部解开为单链，然后按碱基配对的方式以每条单链分别作为模板各自合成一条同自己有互补碱基的新链，这样形成了与亲代双链DNA

3、遗传信息完全相同的两个子代新DNA分子。每个子代DNA分子的两条核苷酸链中，一条来自亲代DNA，另一条是新合成的。这种复制方式称为半保留复制。,DNA的半保留复制的概念,DNA在复制时，两条链解开分别作为模板，在DNA聚合酶的催化下按碱基互补的原则合成两条与模板链互补的新链，以组成新的DNA分子。这样新形成的两个DNA分子与亲代DNA分子的碱基顺序完全一样。由于子代DNA分子中一条链来自亲代，另一条链是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。,DNA的半保留复制实验依据,1958年Meselson & stahl用同位素示踪标记加密度梯度离心技术实验,证明了DNA是采取半保留的方式进行复制.,1

4、5N DNA,14N- 15N DNA,14N DNA,14N- 15N DNA,复制中的大肠杆菌染色体放射自显影图 (Caims实验),将3H-胸苷标记大肠杆菌DNA，经过近两代的时间，3H-胸苷掺入大肠杆菌DNA 。用溶菌酶把细胞壁消化掉，使完整的大肠杆菌染色体DNA释放出来，放射自显影，得到上图。非复制部分（C）银粒子密度较低，由一股放射性链和一股非放射性链构成。已复制部分站整个染色体的三分之二，其中一条双链（ B ）仅有一股链是标记的，另外一股双链（ A ）的两股链都是标记的，银粒子密度为前二者的两倍。染色体全长约为1100微米。,（三）DNA的半不连续复制 1968年 R Okaza

5、ki 提出。DNA在半保留复制过程中产生的两条子链，一条链连续合成的子链称前导链，另一条不连续合成的子链称后随链。两条链的合成方向都是53。实际上半不连续复制学说是半保留复制的补充。,冈崎片段：DNA半不连续复制时，合成的一些短的不连续的DNA片段称。原核细胞约含1000-2000 nt；真原核细胞约含100-200 nt。,（四）原核细胞DNA的复制过程 - E.coli 1. 与复制有关的酶和蛋白质 （1）DNA聚合酶 1956年Kornberg等首先从E.coli分离出 主要功能： 53方向聚合作用，需RNA引物，活力低。单链球状蛋白，含锌，每秒可聚合10个碱基。53方向聚合的5个特点。

6、 具35外切酶（校正）和53外切酶（切除引物）的能力。对DNA损伤进行修复以及在DNA复制过程中填补引物RNA被切除后的空隙。,（2）DNA聚合酶和 1969年P Delucia与J Cairns发现一株大肠杆菌变异株的DNA聚合酶活力极低，但能以仍能以正常速度合成DNA。因此，怀疑DNA聚合酶是否在体内负责DNA的复制。1970-1971年Kornberg和Gefter先后从大肠杆菌分离出另外两种DNA聚合酶，分别命名为DNA聚合酶和。,的主要功能： 53聚合作用，活力低，作用不清楚； 具35外切酶的能力，无53外切酶的能力。 的主要功能： 53聚合作用，活力强，起主要作用。 具35外切酶的

7、能力，无53外切酶的能力。,（3）DNA连接酶 DNA连接酶是指催化一个DNA链的5-磷酸根与另一个DNA链的3-羟基形成磷酸二酯键的酶，但是这两条链必需都同个互补链结合，而且必需是相邻的。反应需要供给能量，细菌连接酶以NAD+为能量来源，动物细胞和某些噬菌体以ATP为能量来源。,作用特点： 连接缺口； 两条链的5-P和3-OH相邻； 它们有一共同的互补链； 需要能量：细菌，NAD+；动物细胞和某些噬菌体，ATP； 主要功能：连接缺口，在DNA复制、修复、重组中均起重要作用。,（4）DNA拓扑异构酶 拓扑异构酶主要分为两类：拓扑异构酶I和拓扑异构酶。 拓扑异构酶I：主要集中在活性转录区，同转录

8、相关，可以使双链DNA分子中的一条链发生断裂和再次连接，反应不需要能量的供给； 拓扑异构酶 ：主要分布在染色质骨架蛋白和核基质部位，同复制有关，能使DNA两条链同时发生断裂和再次连接，需要ATP提供能量，它们之间的协同作用控制着DNA拓扑结构的改变。,（5）DNA解旋酶 作用：解开DNA双螺旋，使链间氢键断裂； （6）引发酶或引物酶 作用：合成一段RNA引物，辨认起始点； （7）单链结合蛋白（SSB） 作用：SSB在原核细胞和真核细胞中均有发现，它能与被解链酶解开的DNA单链紧密结合，并维持其单链状态，以利于单链的模板作用。,（8）引发体蛋白质 DNA的复制是一个极其复杂的过程，引物酶还必须要

9、形成复杂的引发体（primosome）后才能引发DNA的合成。引发体的重要组成部分引发前体（preprimosome）是由6 种蛋白质即dna B、dna C、PriA、PriB、PriC和DnaT共同组成的。引发前体在单链结合蛋白SSB的作用下和模板相结合形成中间体结构，再与RNA 引物合成酶（引发酶）相结合，组装成完整的引发体。完整的引发体可以在模板上沿模板链53方向进行滑动，移动到一定位置上，依靠dna B蛋白识别复制的起始点，即可以引发RNA引物的合成。,2. 复制过程 （1）DNA复制的起始 DNA复制的起始点和方向 首先，引发酶在DNA模板上辨认出复制的起始点，由此启动引物RNA的

10、合成。大肠杆菌只有一个起始点，而真核生物DNA有多个起始点。 DNA复制的方向可以是单向的，也可以是双向的。其证据来自放射自显影技术或电子显微镜观察。实验证明，大肠杆菌及大多数生物染色体DNA复制是双向进行的，出现“”结构。, 模板DNA双链的分离 辨认起始点后，在DNA拓扑异构酶、DNA解旋酶及单链结合蛋白的作用下，DNA双链松开，能量由ATP提供。其双链松开后形成复制叉。 引物RNA的合成 DNA双链解开后，以其单链为模板，在引发酶和引发体蛋白质蛋白质的共同作用下，合成一段RNA，其合成方向53。在细菌中RNA引物由50-100个核苷酸组成，哺乳动物则少至10个核苷酸。,（2）DNA复制的

11、延长 RNA引物合成后，按照模板链上35方向，在 DNA聚合酶的催化下，以dNTP作为底物，在引物3-OH端不断掺入相应的脱氧核苷酸（每掺入1个核苷酸，从底物dNTP上切下一个焦磷酸），新链不间断地延长。 前导链连续复制 在引物、底物及DNA聚合酶的作用下，以35DNA单链为模板，按53方向连续合成新的DNA链。, 后随链的不连续复制 新的35链是不连续合成的。先按53方向（与复制叉移动方向相反），在引物、底物及DNA聚合酶的作用下合成若干冈崎片段。然后通过DNA聚合酶I的53外切酶活性将RNA引物上的核苷酸单位逐个除去。每个核苷酸单位被切除后立即被与模板链相应位置碱基互补的脱氧核苷酸补上。是

12、利用前面的冈崎片段作为引物通过DNA聚合酶I的聚合酶活性完成的。最后，DNA连接酶通过磷酸二酯键将2个片段连接起来，并封闭缺口，使其成为完整的滞后链。, DNA聚合酶的“校对”作用 DNA聚合酶的35外切酶活性是校对新生DNA链和改正聚合酶活性所造成“错配“的一种于段，当因聚合酶活性的作用插入一个错配的核苷酸时，酶能识别这种“失误“并立即从新DNA链的3 端除掉所错配的核苷酸。然后再按53力向和正常复制的过程在新生DNA链的3 端加上正确的核苷酸。所以当复制叉沿模板链移动时，所加入的每个脱氧核苷酸单位都将受到检查。DNA聚合酶的校正功十分有效，其准确率达到每聚合104个核苷酸单位至多出现一个错

13、配的核苷酸。,（3）DNA复制的终止 DNA复制的终止（termination）随DNA分子的形状不同而有差异。对线性DNA分子来说，当复制叉到达分子末端时，复制即终止。 环状DNA：复制情况多数为定点、双向、对称、等速的方式复制，其复制终点一般距起点180bp左右，两个复制叉在此处相遇，合成即告终止。两个复制叉可能同时到达一个特定部位，也可能其中一个复制叉先到达此处停止，“等待”另一个移动较慢的复制叉，先行到达的复制叉不会越过这一特定部位继续复制，这意味着此处有一个特异的终止信号。,大肠杆菌有6个终止子（terminator）位点，分别称为ter Ater F。与ter结合的蛋白质称为Tus

14、蛋白（terminus utilization substance）。Tus蛋白可识别并结合于终止位点的20bp共有序列，具有反解旋酶（contra-helicase）活性，能阻止DnaB蛋白的解旋作用，从而抑制复制叉的前进，促使复制的终止。Tus-ter复合物只阻止一个方向的复制叉前进，即不让对侧复制叉超过终点后过量复制。DNA复制完成后，又可在拓扑导构酶的作用下，将DNA分子引入超螺旋结构，进行进一步的装配。,（五）真核细胞DNA的复制过程 1. 与复制有关的酶 至少有5种： ：细胞核，53聚合作用（相当于DNA聚合酶），延长后随链，引发酶，有35外切酶活性。 ：细胞核，53聚合作用，修复

15、 ：细胞核，53聚合作用，延长前导链，解旋酶作用，有35外切酶活性。 ：线粒体，线粒体DNA复制 ：细胞核，修复,2. 复制过程(与原核细胞的区别) 真核细胞DNA复制的基本过程可能十分相似于原核细胞DNA的复制。但两者相比，主要有下列不同之处： （1）过程复杂。起始点多，双向复制；冈崎片段的长度比原核短。 （2）复制总速度快，但复制叉移动较慢。真核生物复制叉每分钟移动约13kbp，而细菌约为50kbp。 （3）不能连续发动复制。一个起始点从开始复制起，在全部复制完成之前，该起始点不再重新开始复制，但原核细胞中，起始点可以连续发动复制。 （4）与原核细胞DNA聚合酶是有差别的。 （5）真核细胞

16、DNA比原核细胞DNA大得多，且与组蛋白结合形成染色体。 （6）端粒的复制端粒酶。,二、DNA的损伤修复 细胞具有一系列机制，能在一定条件下使DNA的损伤得到修复。其中了解最清楚的由紫外光照射而引起DNA破坏的修复机制。 （一）嘧啶二聚体的形成 紫外光照射可以使DNA链中相邻的嘧啶形成一个环形丁烷，主要产生胸腺嘧啶二聚体。二聚体的形成使DNA的复制和转录功能受到阻碍，因而必须除去。 （二）修复机制,1. 光复活修复 光复活机制是可见光激活了光复活酶，使之能分解由于紫外光照射而产生的胸腺嘧啶二聚体。光复活酶的专一性较高(只作用于因紫外光射而形成的胸腺嘧啶二聚体)，它的分布很广。从单细胞生物一直到鸟类都有，但在高等哺乳动物中不存在。,嘧啶二聚体 紫