基基 因因 信信 息息 的的 传传 递递授课单位：生物化学教研室授课单位：生物化学教研室授课教员：授课教员： 姚姚 真真 真真 第第 三三 篇篇 基因（基因（gene)gene) 是为生物活性产物是为生物活性产物编码的编码的DNADNA功能片段功能片段，这些产物，这些产物主要是主要是蛋白质蛋白质或是各种或是各种RNARNA基因的概念基因的概念 • 蛋白质蛋白质 是生命活动的执行者是生命活动的执行者• DNA DNA 决定蛋白质的一级结构，决定蛋白质的一级结构， 从而决定蛋白质的功能从而决定蛋白质的功能• DNADNA复制复制 将基因信息代代相传将基因信息代代相传 转录转录逆转录逆转录翻译翻译DNARNAProtein 中心法则中心法则（（the central dogma)复制复制1958 F.Crick 1970 H.Temin (逆转录) 复制复制 replication转录转录 transcription翻译翻译 translation基因表达调控基因表达调控基因工程基因工程本本篇篇内内容容 第十章第十章 DNADNA的生物合成的生物合成 （复制（复制 replication）） •指遗传物质的传代，以母链指遗传物质的传代，以母链DNADNA为模板为模板合成子链合成子链DNADNA的过程。
的过程• 分子基础：分子基础：碱基配对碱基配对 DNADNA双螺旋结构双螺旋结构• 化学本质：化学本质：酶促的单核苷酸聚合酶促的单核苷酸聚合• 酶酶 蛋白因子蛋白因子 • 起始起始 延长延长 终止终止 复制复制（（replication)replication) 第一节第一节 复制的基本规律复制的基本规律1. 1. 复制方式复制方式 母链母链全全保留式保留式半保留式半保留式混合式混合式子链子链 子链继承母链的遗传信息子链继承母链的遗传信息 三种可能的方式三种可能的方式 重带重带子一代子一代重带重带轻带轻带全全保留复制保留复制子二代子二代重带重带轻带轻带含含15NDNA的母体菌的母体菌普通普通14NH4Cl培养液培养液 重带重带子一代子一代中间带中间带子二代子二代中间带中间带混合式复制混合式复制普通普通14NH4Cl培养液培养液 含含15NDNA的母体菌的母体菌密度梯度密度梯度离心结果离心结果DNA半保留复制半保留复制1958 1958 M.MesselsonM.Messelson F.W.Stahl F.W.Stahl重带重带子二代子二代轻带轻带中间带中间带子一代子一代中间带中间带普通普通14NH4Cl培养液培养液 全全保留复制保留复制混合式复制混合式复制DNA半保留复制半保留复制 半保留复制半保留复制（（semiconservative replication)• 复制时母链的双链复制时母链的双链DNADNA解开解开, ,各自各自 作为模板指导子代合成互补链。
作为模板指导子代合成互补链• 子代的两条链，一条来自亲代，子代的两条链，一条来自亲代， 另一条重新合成另一条重新合成• 由于碱基互补，子代由于碱基互补，子代DNADNA双链和双链和 亲代亲代DNA DNA 碱基序列一致碱基序列一致重重点点 AGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATC通过半保留复制，子代通过半保留复制，子代DNA和亲代的和亲代的DNA是一致的是一致的 意意 义义• 子代保留了亲代子代保留了亲代DNADNA的全部信息的全部信息 • DNADNA通过复制和基因表达决定生物特性通过复制和基因表达决定生物特性• 体现了遗传过程的相对保守性体现了遗传过程的相对保守性• 保守性是相对的，不能忽视其变异性保守性是相对的，不能忽视其变异性 2. 双向复制双向复制3. bidirectional replication A 放射自显影图像放射自显影图像（（原核生物原核生物DNA的双向复制）的双向复制） B 复制示意图复制示意图（（原核生物原核生物DNA的双向复制）的双向复制） 形 复制叉复制叉 复制叉复制叉 replication fork• 复制时双链打开分成两股单链，复制时双链打开分成两股单链，• 新链沿着张开的两股单链生成，新链沿着张开的两股单链生成，•复制中形成的这种复制中形成的这种Y字形结构字形结构 称为称为复制叉复制叉。
真核生物真核生物 复制起始特点复制起始特点•多个多个复制起始点复制起始点• 多复制子多复制子 复制子是独立完成复制的功能单复制子是独立完成复制的功能单位位, ,每个起始点产生两个移动方向每个起始点产生两个移动方向相反的复制叉相反的复制叉, ,复制完成时复制叉复制完成时复制叉相遇并汇合连接相遇并汇合连接. .习惯上把两个起习惯上把两个起始点间的始点间的DNADNA片段称为一个复制子片段称为一个复制子. .复制子复制子( (replicon) 复制子复制子 领头链领头链Leading strandLeading strand随从链随从链Lagging strandLagging strand3. 半不连续性半不连续性 3. 半不连续性半不连续性 2. 双向复制双向复制 1.半保留复制半保留复制复制的基本规律：复制的基本规律：小结小结 第二节第二节 DNADNA复制的酶学复制的酶学 和拓朴学变化和拓朴学变化 底物底物：： dNTP (dATP dGTP dCTP dTTP)聚合酶聚合酶（（polymerase): DNA-pol 依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶模板模板（（template): 解开成单链的解开成单链的DNA母链母链引物引物（（primer): 提供提供3’-OH末端末端,使使dNTP聚合聚合其它酶和蛋白质因子其它酶和蛋白质因子重重点点 一一 复制的化学反应复制的化学反应§ 核苷酸和核苷酸之间，是通过核苷酸和核苷酸之间，是通过 磷酸二酯键磷酸二酯键的生成而逐一聚合的；的生成而逐一聚合的；§ 反映的底物是反映的底物是脱氧三磷酸核苷脱氧三磷酸核苷dNTPdNTP § dNMPdNMP脱氧一磷酸核苷脱氧一磷酸核苷 脱氧三磷酸核苷脱氧三磷酸核苷dNTPdNTP上最上最靠近核糖的一个磷靠近核糖的一个磷酸称为酸称为α-Pα-P，，向左依次为向左依次为β-P,γ-Pβ-P,γ-P。
α-Pα-P与相邻的核苷酸上的与相邻的核苷酸上的3 3’’-OH-OH生成磷酸二生成磷酸二酯键，酯键， dNTPdNTP的的β-P,γ-Pβ-P,γ-P以焦以焦磷酸（磷酸（PPiPPi) )形形式被释放式被释放 (dNMP)ndNMP)n + + dNTPdNTP (dNMP)n+1 + (dNMP)n+1 + PPiPPi 5 3 ATGCTCAAAGTGA35 3 5 OHTCTOHPPP5 GP-PPHOdTTPdATPdCTP复制过程的脱氧核苷酸聚合复制过程的脱氧核苷酸聚合 带斜线的小方框代表引物带斜线的小方框代表引物 二二 DNADNA聚合酶聚合酶§ 以以DNADNA为模板，催化为模板，催化DNADNA合成合成的酶；的酶；§ 大肠杆菌中大肠杆菌中DNADNA聚合酶聚合酶I、、II、、III §三种三种DNADNA聚合酶均具有聚合酶均具有 5′→3′5′→3′聚合酶活性聚合酶活性 3′→5′3′→5′外切酶活性外切酶活性 DNA聚合酶聚合酶 I（（5′→3′5′→3′外切酶活性）外切酶活性）（（3′→5′3′→5′外切酶及外切酶及DNADNA聚合酶活性）聚合酶活性）Klenow片段片段 G5 3 DNApol IA外切活性外切活性dCTP聚合活性聚合活性G5 3 CDNA-pol I无活性无活性DNApol I的校读功能的校读功能上：上：DNApol I的外切酶活性切除错配碱基，的外切酶活性切除错配碱基， 并用其聚合酶活性参入正确配对的底物并用其聚合酶活性参入正确配对的底物下：下： 碱基配对正确，碱基配对正确，DNA-pol I并不表现活性并不表现活性 • 在复制延长中真正催化核苷酸聚合的酶在复制延长中真正催化核苷酸聚合的酶• 1010种亚基组成的不对称二聚体种亚基组成的不对称二聚体• α ε θα ε θ组成核心酶组成核心酶• β β 亚基亚基能辨认引物能辨认引物• 两边的两边的β β 亚基能夹住模板链，并且能使亚基能夹住模板链，并且能使 酶沿着模板链滑动酶沿着模板链滑动DNA DNA 聚合酶聚合酶 IIIIII E.coliE.coli DNA DNA 聚合酶聚合酶ⅢⅢ不对称二聚体不对称二聚体 ε ' ' ' ' ε •在在体体外外，，αα、、εε和和θθ亚亚基基组组成成核核心心酶酶，，具具有聚合酶和有聚合酶和3’→ 5’3’→ 5’外切核酸酶活性。
外切核酸酶活性•ε ε 亚基执行碱基选择功能亚基执行碱基选择功能• 二二聚聚体体中中，，两两个个 - -亚亚基基形形成成环环状状结结构构包包绕绕DNADNA双双螺螺旋旋中中的的一一股股，，并并与与核核心心酶酶紧紧密密相相连连，，带带动动核核心心酶酶沿沿DNADNA模模板板链链滑滑动动，，使使核心酶催化位点位于复制叉附近核心酶催化位点位于复制叉附近 •ττ亚基使核心酶形成二聚体亚基使核心酶形成二聚体•其其余余5 5种种亚亚基基（（γγ、、δδ、、δ’δ’、、ψψ、、χχ））形形成成r r复复合合物物r r复复合合物物只只与与一一个个单单体体结结合合，，ββ亚亚基基在在DNADNA上上定定位位和和解解离离都都需需要要r r复复合合物物另另一一个个单单体体由由于于不不存存在在r r复复合合物物，，因因此此可可以以进进行行连连续续复制 真核生物真核生物DNA聚合酶聚合酶•真核生物中现已发现五种真核生物中现已发现五种DNA聚合酶，分别命聚合酶，分别命名为名为DNA聚合酶聚合酶αα、、ββ、、γγ、、δδ和和εε由于由于DNA聚合酶聚合酶αα是上述五种酶中唯一具有引物酶是上述五种酶中唯一具有引物酶活性，并且进行连续复制的能力较弱，因此认活性，并且进行连续复制的能力较弱，因此认为该酶的作用主要是合成随从链；而为该酶的作用主要是合成随从链；而DNA聚合聚合酶酶δδ连续复制的能力比连续复制的能力比DNA聚合酶聚合酶αα强得多，强得多，故认为它与领头链的合成有关。
故认为它与领头链的合成有关 真核生物的真核生物的DNADNA聚合酶聚合酶• 5 5种种 DNA-DNA-polpol ααββγγδδεε • DNA- DNA-polpol αα、、δδ复制延长中催化作用复制延长中催化作用 αα－－随从链随从链 δδ－－领头链领头链• DNA-DNA-polpol εε与与DNA-DNA-polpol I I相似，相似， 校对、修复、填补校对、修复、填补• DNA-DNA-polpol γ γ 线粒体内线粒体内• DNA-DNA-polpol β β在无在无其它其它DNA-DNA-polpol时起作用时起作用 （注意比较真核与原核区别）（注意比较真核与原核区别）重重点点 DNADNA聚合酶聚合酶原核原核( DNA-( DNA-polpol I II IIII II III））DNA-DNA-polpolI IØ 校正校正复制中错误，复制中错误，填补填补复制修复空隙复制修复空隙Ø 可水解为两个片段：可水解为两个片段： 小片段小片段：：5’ 3’ 5’ 3’ 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 大片段大片段：：( (Klenow片段片段 工具酶工具酶）） DNA聚合酶活性聚合酶活性 3’ 5’3’ 5’核酸外切酶活性核酸外切酶活性 （注意比较真核与原核区别）（注意比较真核与原核区别）重重点点 DNA-DNA-polpol IIII在无在无polIIpolII、、IIIIII时起作用，功能尚不清楚时起作用，功能尚不清楚DNA-DNA-polpol IIIIII• 在复制延长中真正催化核苷酸聚合的酶在复制延长中真正催化核苷酸聚合的酶• 1010种亚基组成的不对称二聚体种亚基组成的不对称二聚体• α ε θα ε θ组成核心酶，具有核苷酸的聚合组成核心酶，具有核苷酸的聚合 3’ 5’3’ 5’外切酶活性外切酶活性 复制的保真性复制的保真性（（fidelity)和碱基选择和碱基选择 依赖三种机制依赖三种机制• 碱基配对碱基配对• 聚合酶对碱基的选择聚合酶对碱基的选择• 校读功能校读功能 四四. .复制中的解链复制中的解链 和和DNADNA分子拓朴学变化分子拓朴学变化1.DNA解螺旋酶解螺旋酶 大肠杆菌中已发现大肠杆菌中已发现4种种 DNA解螺旋酶，解螺旋酶， Dna A 辨认复制起始点辨认复制起始点Dna B 解开解开DNA双链双链D DnaC 运送和协同运送和协同DnaBDnaB 2. DNA拓扑异构酶§当当DNA在在复复制制叉叉部部位位解解链链时时，，其其张张力力会会传传到到双双螺螺旋旋的的其其他他部部位位，，使使双双螺螺旋旋压压缩缩，，超超螺螺旋旋的的数目增加而引起数目增加而引起DNA分子打结、缠绕、连环。
分子打结、缠绕、连环§DNA拓拓扑扑异异构构酶酶是是催催化化DNA拓拓扑扑异异构构体体相相互互转转换换的的酶酶，，在在复复制制中中可可释释放放解解链链产产生生的的张张力力，，也可在转录和重组中行使类似功能也可在转录和重组中行使类似功能 108A82B复制过程复制过程正超螺旋正超螺旋的形成的形成 B:代表超螺旋解成双链后其下方代表超螺旋解成双链后其下方8个超螺旋被压缩个超螺旋被压缩 •DNA拓扑异构酶的主要作用是通过水解拓扑异构酶的主要作用是通过水解DNA分子中的某一个部位的磷酸二酯键使超螺旋分子中的某一个部位的磷酸二酯键使超螺旋释放，然后再催化形成磷酸二酯键释放，然后再催化形成磷酸二酯键•I型拓扑异构酶只能水解型拓扑异构酶只能水解一条链一条链上的某一个磷上的某一个磷酸二酯键；酸二酯键；II型拓扑异构酶可以同时水解型拓扑异构酶可以同时水解两条两条链链同一部位的磷酸二酯键同一部位的磷酸二酯键 ABC拓扑酶拓扑酶ⅠOH 3'P 5' 拓扑酶拓扑酶Ⅰ的作用方式的作用方式 B:是是A的局部放大；的局部放大； 经拓扑酶经拓扑酶I（（带斜的卵形）作用后，带斜的卵形）作用后， 两个超螺旋（两个超螺旋（A），），变为一个超螺旋环（变为一个超螺旋环（C）） 3 .单链单链DNA结合蛋白结合蛋白(single stranded DNA binding (single stranded DNA binding protein,protein,SSBSSB) )单链单链DNADNA结合蛋白与已形成的结合蛋白与已形成的DNADNA单单链结合使之不能重新形成双链链结合使之不能重新形成双链. . 解解螺旋酶螺旋酶 helicaseDNADNA拓朴异构酶拓朴异构酶 DNA DNA topoisomerase单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白 SSBSSB(single strand DNA binding protein)解开解开、、理顺理顺DNADNA链、维持链、维持DNADNA单链单链状态状态 四四 引物酶引物酶( (DnaGDnaG) )引物酶：引物酶： 复制是在一段复制是在一段RNARNA引物上引物上(primase) 加入脱氧核苷酸，而催化加入脱氧核苷酸，而催化 引物合成的引物合成的RNARNA聚合酶便是聚合酶便是 引物酶。
引物酶 引引 物物( primer)•引物是由引物酶催化合成的引物是由引物酶催化合成的RNARNA分子分子•长度约为十个至数十个核苷酸长度约为十个至数十个核苷酸•合成方向合成方向5’ 3’5’ 3’•有了引物提供有了引物提供3’-OH3’-OH末端，末端，DNADNA复制才能起始复制才能起始 ?dNTP相应位置相应位置 DNADNA聚合酶聚合酶游离的游离的dNTPdNTP 聚合聚合引物酶引物酶RNARNA聚合酶聚合酶游离的游离的NTP NTP 聚合聚合需需3’-OH3’-OH末端末端 RNARNA引物引物3’-OH3’-OH末端末端 ATPADP+PiDnaDna G G原核生物复制起始的相关蛋白原核生物复制起始的相关蛋白 DNADNA连接酶连接酶连接碱基互补基础上连接碱基互补基础上双链双链中中的单链缺口，不能连接单独的单链缺口，不能连接单独存在的存在的DNADNA或或RNARNA单链五五.DNA.DNA连接酶连接酶 ( (DNA Ligase) P HO5 ' POH 3' +O¯ P OO–OOH 3'5'3'5'3'ATPADP连接酶连接酶DNA连接酶连接酶ATPADP5 ' PO P O–OOH 3'ODNA连接的作用连接的作用 5 '上方是在双链酶的作用，上方是在双链酶的作用，下方是把连接的缺口放大，示其化学反应。
下方是把连接的缺口放大，示其化学反应 DNADNA连接酶连接酶 三种酶连接作用比较三种酶连接作用比较重点重点DNADNA聚合酶聚合酶 引物或延长中的新链引物或延长中的新链连接酶连接酶 复制中不连续的两条单链复制中不连续的两条单链拓扑酶拓扑酶 切断、整理后的两链切断、整理后的两链 。