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1、第十章 核酸的生物学功能,10.1 中心法则 生物的遗传信息从 DNA 传递给mRNA的过程称为 转录。根据mRNA链上的 遗传信息合成蛋白质 的过程，被称为翻译 和表达。 1958年Crick将生物遗传信息的这种传递方式称为中心法则。,10.2 DNA的复制 一、DNA复制原则半保留性复制,DNA复制方式有三种可能性，即全保留、半保留和分散式。 Meselson等的氮同位素试验 证明了DNA复制为半保留复制机理。,二、 DNA复制方向,单向复制，即只形成一个复制叉（replication fork） 双向复制，即形成两个复制叉。如E.coliDNA等。,都是53方向合成,三、复制起始点（or
2、igin）,原核DNA只有一个复制起始点（ori），而真核DNA上一般有多个ori。现细菌、酵母以及线粒体、叶绿体的DNA复制起始点已克隆，并测序，发现其共同点都富含A、T序列，认为这可能与复制起始时起始点处DNA双螺旋的解旋有关，是引发复制的蛋白因子的结合部位。,四、 DNA复制方式,凯恩斯模型（型）（ Cairns model ） 双链环状DNA的复制方式。,在环形DNA中，整个结构象字母，称为结构。,2.环状DNA的滚环复制 Rolling Circle Mechanism for Replicating Circular DNA 许多病毒DNA，细菌F因子(F factor)等用滚环复
3、制方式进行 DNA扩增。,3. 染色体DNA复制方式 多复制子复制，即DNA上先形成多个复制眼，双向复制。“眼”扩大互相相连，形成“大眼睛”最后完成整个DNA的复制，形成两个DNA分子,4. 线粒体DNA复制方式 D环复制模型,五、DNA的半不连续复制,双螺旋DNA两股链的极性是相反的，因此在复制叉上进行互补链的合成极性也应是相反的。但现发现的DNA聚合酶的作用都是53聚合。 在复制过程中如何解决这一问题？,1968年，冈崎（Okazaki）的实验（一个是同位素标记；另一个是电子显微镜观察）发现在DNA复制时，总是一条链先完成，另一条链随后。两条模板链中，以35方向为模板其子链合成是连续的，这
4、条子代DNA叫先导链（leading strand），以53方向为模板的链是不连续合成的，随着复制叉的移动要先合成小片段，然后连起来，这条子代DNA链叫滞后链或随后链（lagging strand）。故称半不连续复制。 在随后链合成时，先合成的DNA小片段称之为冈崎片段。,六、 DNA复制系统,DNA复制系统是指参与DNA复制的酶和蛋白因子。 1. DNA聚合酶：催化反应的要点： 底物：四种dNTP（dATP、dGTP、dCTP、dTTP） 模板：DNA单链 聚合方式：按照碱基配对原则，将相应dNTP的5磷酸与上一个核苷酸的3 羟基形成3 5磷酸二酯键，即合成方向为5 3，与模板链反平行 。
5、条件：聚合反应必须有引物存在。,DNA聚合酶的基本功能 酶并不直接识别碱基，而是通过碱基配对来识别掺入的碱基是否正确。 当一脱氧核苷酸掺入DNA后，酶并不立即与模板脱离，而是继续作用，这一性质称为持续性（processitivity）。,（1）大肠杆菌DNA聚合酶：共有三种， 为DNA聚合酶 I、II、III。,DNA聚合酶 I (Kornberg 酶) （DNA Polymerase I, Pol I）,基本特性： 分子量：109 kD； 具DNA聚合酶活性，掺入一dNMP后，不立即脱离，可持续作用； 具3-5核酸外切酶活性，由具有-OH的不配对核苷引发该活性； 具5-3核酸外切酶活性，由具
6、有切口的双螺旋DNA片段引发； 主要功能是修复 Klenow 片段：Pol I 可被枯草杆菌蛋白酶裂解为大小两段，其中较大的C段含DNA结合部位，具聚合酶活性和3-5核酸外切酶活性。,3-5核酸外切酶活性:由具有-OH的不配对核苷引发该活性。 是所有DNA聚合酶的共同特性。,5-3核酸外切酶活性，由具有切口的双螺旋DNA片段引发。 是DNA Pol I特有的活性。,Pol I 的实际功能是修复 DNA受损后，内切酶会在损伤部位切出切口，切口出现可激活5-3核酸外切酶活性，切除损伤部位；同时聚合酶开始工作，使DNA链和切口都向3方向延伸，这一现象称为切口转移（nick translation）;
7、 5-3外切活性也会切除新合成DNA 5端的RNA引物和填补形成的缺口。,Pol III,Pol III,Pol III*,Pol III全酶,DNA聚合酶III (DNA Polymerase III, DNA Pol III),E. coli中的DNA复制酶是DNA Pol III,DNA聚合酶的一般结构 “右手”结构： 拇指（thumb） 手指（finger） 手掌（palm） DNA位于手掌上由拇指和手指形成的槽中。,（2）真核生物DNA聚合酶： 共有四种，为DNA聚合酶a、b、g、 d,2. 引物酶（primase） 功能：以DNA为模板，催化合成一小段与DNA互补的RNA ，即引物
8、。引物：1060个核苷酸,引物酶本身无活性，只有与另外6种蛋白质结合为引发体（primosome）才可催化引物的合成。 dnaB是六聚体。在ATP、Mg2+存在时可与6个dnaC结合成复合体。此复合物在i-蛋白协助下与结合在单链DNA上的n、n、n”组成引发前体。引发前体再与引物酶结合则形成引发体。 n可选择DNA特定位置在其上组装引发前体和引发体。引发体可沿DNA链53移动到一定位置即可合成引物。移动和引发由ATP供能n有ATP酶活力。DnaB可识别与DNA结合的起始位置。,引发体蛋白性质与功能,* 引发体中含6个DnaC,3. DNA连接酶 （ligase） 功能：将复制过程中形成的DNA
9、片段用3 5磷酸二酯键连接起来。,DNA连接酶,冈崎片段形成后，其5端的RNA引物被DNA Pol I合成的DNA通过切刻平移取代，新形成的切刻（nick）由DNA连接酶（DNA ligase）封闭。,4. DNA解螺旋酶(helicase)（解链酶） 功能：DNA的双螺旋解链，解开一对碱基，需2分子ATP， 作用点：DNA上局部单链处，向双链方向解链。 种类：E.coli有四种解螺旋酶，I、II、III和rep蛋白。 I、II、III中任一种沿模板5-3 方向移动，rep蛋白沿模板3 -5方向移动。,MW：74000，四聚体 可与由解链酶解开的单链结合 功能：防止单链再次形成双链，防止核酸酶
10、水解多核苷酸链，保护DNA。 原核SSB对单链DNA结合有高度协同性，即初步结合可使后者更容易，一条链上一次可结合多个SSB，真核SSB无协同性，可能机制不同。 可以重复使用，即当所结合的单链进行复制时，它就发生解离，而与新解开的单链结合。,5. 单链结合蛋白（single strand binding protein SSB）,解螺旋酶（helicase）： 大肠杆菌中有解螺旋酶和Rep蛋白,单链结合蛋白（single-strand binding protein，SSB） 结合于单股DNA，使其保持伸展。,6. DNA拓扑异构酶（topoisomerase） 分：拓扑异构酶 I和拓扑异构酶
11、II,拓朴异构酶I 首先在大肠杆菌中发现，过去称为-蛋白，分子量为110000，一条肽链，它可切断DNA一条链，增加一个螺旋，再接起来，所以它可消除负超螺旋，也可增加正超螺旋，不需供给能量。,拓扑异构酶II E.coli中，MW=1400000为四聚体，A2B2，真核生物中该酶分子量为390000二聚体，它可使DNA两条链同时断裂，然后再连接，结果引入负超螺旋，这是需能过程。能量由ATP供给。,超螺旋的松弛和旋转酶 对DNA双链的拆分将导致拓扑学障碍。这一障碍在大肠杆菌中由Topo II ( gyrase )解除。,（-） （+）,组成：蛋白质与RNA(是一种核糖核蛋白） 性质：两个亚基，一个
12、为催化亚基，另一个为调节亚基 功能：以酶分子中的RNA片段为模板，在染色体DNA3-端合成一段DNA,7. 端粒酶（telomerase）,生理意义：由于复制过程中，3-端引物切除以后聚合酶I无法填补，就造成了3-端的缩短。端粒酶可以补充染色体末端的自然丢失，防止细胞衰老。,5TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG 3 AACCCC 5TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG 3 AACCCCAACCCC 5TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG 3 AACCCCAACCCCAACCCC,3-AACCCCAAC-5 端粒酶,
13、3-AACCCCAAC-5 端粒酶,3-AACCCCAAC-5 端粒酶,七、DNA复制过程,先导链与后随链的矛盾如何解决？,根据计算，每一复制叉仅含1个DNA聚合酶全酶，这说明前导链和随后链上的DNA合成是由同一复制体负责的。但DNA两股链上的DNA合成不是同步进行的，并且方向相反，那么复制体是怎样工作的呢？为此提出了模型认为：当前导链上开始DNA合成和复制叉向前移动时，随后链即向后回折成环，并与聚合酶的另一个活性中心按前导链的取向缔合。在这样的结构中，PriA和DnaB蛋白是两个关键组分。,回环模型,复制体（replisome）,主要蛋白 DnaB gyrase Pol III DnaG P
14、riA SSB,功能 解螺旋酶 旋转酶 复制酶 引物酶 引发位点识别 保持单链伸展,Replisome model,冈崎片段的连接,DNA Pol I，ligase,10.3 DNA损伤的修复,基因突变,DNA碱基顺序的改变，是DNA在复制过程中出现错误产生的。由于DNA是具有复制功能的分子，一旦DNA碱基顺序出错，它就会通过复制机制遗传下去。 由于DNA碱基顺序的改变引起生物遗传性状显著变化的现象，称为基因“突变”。,当DNA受到大剂量紫外线（波长260nm附近）照射时，可引起DNA链上相邻的两个嘧啶碱基共价聚合，形成二聚体，例如TT二聚体。,胸腺嘧啶碱基在紫外光照射下，可以发生二聚加成反应
15、： 在DNA分子中，如果两个胸腺嘧啶碱基相邻，在紫外光照射下，可能发生上述聚合反应，其结果是破坏了正常复制或转录。,修复方式：,一、光复合 光复合酶能特异地和嘧啶二聚体结合，在可见光下催化光化合反应，使环丁烷环回复到两个独立的嘧啶，这一过程叫光复合作用。,三二、切除修复(Excision repair) 一般DNA的两条链只有一条受损伤，可将损伤部分切除，根据互补链的序列对其进行修复。 1. UvrABC核酸内切酶；,三、重组修复（Recombination repair） 复制后的修复，涉及的基因大多是细胞内正常的遗传重组所需的基因：recA，recBCD等。,四、SOS修复 是一种旁路系统
16、，为DNA的损伤所诱导。其修复的结果是导致突变，是倾向差错的修复。在未经诱导的E.coil细胞中，全部SOS反应有关的基因都受到LexA蛋白的阻遏，只有当DNA受损时才会激活RecA蛋白的蛋白酶活性，降解LexA蛋白，使SOS系统的基因表达，其中也包括与诱变作用有关的基因。,概念 以RNA为模板合成DNA的过程。 反转录酶 存在于真核生物的RNA肿瘤病毒中。 催化特性：以四种dNTP为底物，需模板和引物。 以病毒RNA为模板，合成互补DNA。 具有核糖核酸酶功能，水解RNADNA杂合分子中的RNA。 以自己合成的DNA链为模板合成互补的DNA，从而形成双螺旋。 催化过程：,10.4 反转录（逆转录）,10.5 RNA的生物合成,一、概念 转录：
