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1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*1 第十一章 核酸代谢(二)n核 酸 的 生 物 合 成主要内容nDNA的生物合成nRNA的生物合成遗传遗传 学的中心法则则qDNA通过过复制将遗传遗传 信息由亲亲代传递给传递给子代；通过转录过转录 和翻译译，将遗传遗传 信息传传递给递给 蛋白质质分子，从而决定生物的表现现型。qDNA的复制、转录转录 和翻译过译过 程就构成了遗遗传传学的中心法则则。信息分子的复制与表达概念:n复制(replication)：指以亲代DNA分子为模板合成出子代DNA分子的过程。n转录(transcription)：以DNA分子为模板合成出与其核苷酸顺序相对应的
2、RNA的过程。反转录(reverse transcription)：n以RNA为模板将遗传信息传给DNA的过程。艾滋病“现代瘟疫” 艾滋病的英文缩写AIDS的全称为获得性免疫缺陷综合症（acquired immune deficiency syndrome）。 引起艾滋病的元凶是一种人类免疫缺陷病毒(human immune-deficiency virus,HIV)lHIV的结构HIV基因组（RNA）进入人体后,专门识别T淋巴细胞(主要免疫细胞,具有抗感染作用)，在逆转录酶的作用下，以HIV的RNA为模板，产生了与RNA互补的DNA链。再合成DNA互补链,与人染色体基因整合,形成前病毒DNA
3、.(潜伏期)(被激活时)前病毒DNA转录生成新的RNA片段，同时合成衣壳蛋白等，在宿主细胞中，新合成的RNA、逆转录酶及蛋白质等又装配生成更多的病毒颗粒，它们以出芽的方式从宿主细胞中释放出来，又去攻击其他的T淋巴细胞。被HIV感染的T淋巴细胞一、DNA的生物合成（一）DNA的半保留复制1、半保留复制假说的提出： 1953年，Watson & Crick在DNA双螺旋基础上提出。DNA复制的假设：n有3种可能： 1）全保留式； 2）半保留式； 3）混合式。2、实验证明：方法： 将E.Coli培养在以15NH4Cl为唯一氮源的培养基中生长；提取其DNA ；进行氯化铯密度梯度离心。 再移至14N培养
4、基中生长、提取DNA、离心分析。结果： 证实了DNA复制时，亲代分子分为二个亚单位（两条链），分别构成子代分子的一半，且经过多代仍保持完整性。3、意义：1）半保留复制保证了遗传的稳定性；2）DNA是处于不断变异和发展之中。复制（二）DNA复制的起点和方向n实验：用3H标记的dT 得到含3H的DNA； 放射自显影。n推测：若放射性在两端双向； 若在一端单向； 实验证明：n细菌染色体DNA是双向复制，大多是一个起点。1、复制起点：n原核生物： 1个起点; n真核生物： 多起点；2 2、方向：、方向： 多为双向3、复制叉： 细菌为环状DNA复制起始于单个位点， 双向，半保留，每 个复制泡（眼）包 括
5、2个复制叉(DNA 的两条链在起始点分开形成)。n方向：53复制叉大肠杆菌E.Coli 大肠杆菌的复制原点叫做oriCoriC起点：n有固定起点；n特殊蛋白识别起点；n起点为100-200bp的区域;n以复制叉形式完成复制。（三）原核细胞DNA的复制（DNA指导的DNA合成）1、大肠杆菌的DNA聚合酶(DNApolymerase,DNApol)：n催化形成新的磷酸二酯键；n有外切酶活性。1) E.COLi DNA聚合酶 n需要原料：n4种dNTP；nDNA模板；n与模板互补的一段RNA引物；nMg2+；nZn 2+ （酶活性部位）；DNA聚合酶功能：n催化dNTP加到DNA链的3-OH末端 （
6、方向5 3） 。n5 3外切酶活性，可切除引物；n3 5外切酶活性，可纠错；2) DNA聚合酶:n反应需Mg2+ 、NH4 + ；n反应同酶1,聚合活力很低；n具3 5外切酶活性；3) DNA3) DNA聚合酶聚合酶 ：n主要负责DNA链延伸；n具3 5外切酶活性；n具5 3外切酶活性 DNA聚合酶 DNA聚合酶 DNA聚合酶 亚基数目 1（单体酶） 1（多亚基酶 ） 1（多亚基酶） 5 3聚合活性 + 中 + 很低 + 很高3 5外切活性 + + +（保护DNA复制的忠实性fidelity）5 3外切活性 + - +主要是对DNA损伤的修复；以及在DNA复制时切除RNA引物并填补其留下的空隙
7、。修复紫外光引起的DNA损伤DNA 复制的主要聚合酶，还具有3-5 外切酶的校对功能，提高DNA复制的保真性E.COLi的DNA聚合酶 功 能 53聚合作用 + + +53外切酶作用 + +35外切酶作用 + + +聚合核苷酸数 /min 600 30 9000分子数/细胞 400 100 10*DNApol主要负责DNA链延伸。2、双链DNA复制的分子机制 （DNA半不连续复制）：1）冈崎片段和半不连续复制问题的提出：n已知DNA两条链反向且都能作为模板；n已知DNApol聚合方向53； 冈崎等提出DNA的不连续复制模型，认为：n3 5走向的DNA是由许多53方向合成的DNA片段连接而成的。
8、实验：n放射自显影；n电子显微镜 观察。n冈崎片段： 以 5 3 走向DNA为模板合成的小片段。 约1000-2000bp。结论：nDNA是半不连续合成的。n前导链（leading strand): 以35 链为模板，新生链以53方向连续合成；n后随链(lagging strand): 冈崎片段:以3 5链为模板链，DNApol以53方向合成小片段DNA即 由冈崎片段连接成的DNA链为后随链。2）RNA引物问题提出： 已知DNApol只能在3-OH上延伸， 什么提供了3-OH？实验证明：DNA合成实验需NTP； 新合成的DNA链中有RNA； RNA酶水解证明。 RNA引物酶（RNA prima
9、se)n为多聚体； 功能：n催化引物合成： 在DNA一定部位合成并与其互补，合成方向53。 RNA引物（RNA primer)n引物酶合成的引物为十几个核苷酸。 冈崎片段引物的合成不需要特异的起始部位。 过程： A、 引物酶沿复制叉反方向合成后随链引物。B、 DNApol 在引物上延伸（前导链和后随链）。C、完成DNA合成后，DNApol 用其53外切酶活性除去引物 。D、DNA连接酶将两个冈崎片段连接起来。DNApolDNApol3） DNA连接酶（ligase）：作用：催化相邻的二个DNA片段间的连接，条件：两片段相邻；两片段需与同一互补链结合;反应耗能。后随链生成包括：n起始：RNA引物
10、的合成；n延长：从引物3端添加dNTP，合成DNA，n终止：切除RNA引物，连接各片段。模板DNA前导链模板解旋酶引物后滞链模板DNpolymerase连接酶冈崎片段已连接的冈崎片段单链结合蛋白新合成的前导链DNA聚合酶4）母本DNA双链的分离与此相关的酶：nDNA解链酶(DNAhelicase)： 使复制叉前方DNA双螺旋解开一小段。 每解1个bp需耗2个ATP。n单链结合蛋白（Single Strand Bindingprotein,SSB）： 几分子的SSB与已分开的DNA链紧密结合，以防两链重新结合。 此时，复制酶系统结合在模板链上，进行半不连续复制。DNA旋转酶（拓扑异构酶,topo
11、isomerase)：n兼内切酶和连接酶活力。 DNA拓扑异构酶，可引入负超螺旋，消除复制叉前进时带来的扭曲张力。n有ATP时，可使DNA成超螺旋；反之，呈松弛态； 5）DNA聚合酶的校对作用： n依赖于3个聚合酶的3末端外切酶活性，进行校对和纠错。n多种蛋白质参与，从而保证了复制的准确性。总结：原核细胞DNA的复制1、合成所需材料：模板DNA原料；合成引物所需NTP； 合成DNA所需的dNTP酶和pr：2、合成方向：53； 模板链解读方向： 3 53、合成步骤：解链：由DNA解链酶催化，SSB与单链 DNA结合，防止双链间氢键再形成；解旋：由拓扑异构酶解除超螺旋；识别起点：由DNA指导的引物
12、酶完成；RNA引物合成： 以DNA为模板，在引物酶催化下由DNA转录生成5-10个核苷酸链； DNA链延长： 在引物3-OH基上，按碱基互补原则经DNA聚合酶（主要是酶）催化DNA链 从53延伸。前导链为连续的；后滞链为不连续的冈崎片段。 由DNA聚合酶（主要是酶）催化，切去RNA引物；按碱基互补原则，沿53方向，补齐缺口。切除引物，补齐缺口切除引物，补齐缺口：连接封口： 由DNA连接酶催化，将补齐缺口的3-OH基与下一个冈崎片段的5-P以磷酸二酯键连接起来（消耗NAD+），最终形成完整的、与模板互补的DNA新链。校正并修复DNA： 由DNA聚合酶校正并切除错配，再按53方向加上正确核苷酸。至
13、此，原核细胞DNA合成完毕。如何决定DNA复制的准确性？ n、DNA聚合酶具有模板依赖性，复制时dNTP按A-T、G-C碱基配对规律对号入座，使子代DNA与亲代DNA核苷酸顺序相同，但有大约10-4的错配。n、DNA聚合酶I、 、 均有35的外切酶活性，有纠正错配的校正作用，使错配减至10-6。n、再经错配修复机制，使错配减至10-9以下。（四）真核细胞DNA的复制： （DNA指导的DNA合成）n真核生物与原核类似，但更复杂，不同之处：1、DNA模板上有多个起点，即真核细胞 DNA复制由多个复制子共同完成。2、有5种DNA聚合酶， 各具功能；n复制DNA： 后滞链； 前导链；n修复DNA： 、
14、；n复制线粒体DNA： ；n引物合成： 在真核细胞内有五种DNA聚合酶 （与细菌DNA聚合酶的性质基本相同：底物、模板、引物、方向） 定位 细胞核 细胞核 线粒体 细胞核 细胞核3-5外切 - - + + +酶活性功能引物 合成修复作用线粒体DNA的复制核DNA的复制修复作用（五）反转录作用 ：（ RNA指导的DNA合成）反转录（逆转录 revers transcription）： 以RNA为模板，4种dNTP为底物，合成与模板互补的DNA的过程。 这与通常转录过程中遗传信息从DNA到RNA的方向相反，故称。反转录酶： RNA指导的DNA聚合酶（RNA-directed DNA polymer
15、ase),催化逆转录反应的酶。HIV的复制反转录作用的生物学意义：1）发展了中心法则；2）有助于对RNA病毒致癌机理的了解；3）有助于研究疾病的起因、寻找防治途径；4）反转录病毒可改建成理想的信息载体，用于肿瘤和遗传病的基因治疗；5）用于分子生物学的研究：合成基因、测序。 端粒(telomere)指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构 功能 维持染色体的稳定性 维持DNA复制的完整性 结构特点 由末端单链DNA序列和蛋白质构成。 末端DNA序列是富含G、T短序列的多次重复TTTTGGGGTTTTGGGG端粒酶(telomerase) 端粒酶RNA (human telomerase RNA,
16、 hTR) 端粒酶协同蛋白 (human telomerase associated protein 1, hTP1) 端粒酶逆转录酶 (human telomerase reverse transcriptase, hTRT) 组成功能 提供RNA模板 催化逆转录端粒酶的催化延长作用爬行模型母链反折，有利于下游复制延伸DNA聚合酶完成末端双链的复制母链延长至一定长度后，端粒酶脱离母链，母链以其3-OH反折，同时起引物和模板的作用（六）DNA的损伤与修复概念：1、 DNA的损伤： 一些理化因素：UV（紫外线）、电离辐射和化学诱变剂可使细胞DNA受到损伤而引起生物突变或致死。UV造成的基因改变嘧啶二聚体的形成2、细胞的修复机制：1）光复活修复： 可见光激活了光复活酶，它能分开由于UV照射形成的嘧啶二聚体，而恢复原来状态。2）暗修复(切除修复)：在一系列酶作用下，将DNA受损部分切掉，并以完整链为模板，合成被切部分，从而使DNA恢复正常。3)重组修复n含有嘧啶二聚体或其他结构损伤的DNA在修复前仍可进行复制,但在新合成的子链中与模板损伤部位对应的地方因复制受阻而留下缺口.在重组酶的作用下,
