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1、目录目录第三篇第三篇 基因信息的传递基因信息的传递（复制、（复制、转录、转录、翻译）翻译）基因基因：为生物活性产物编码的为生物活性产物编码的DNA功能片段功能片段基因基因三大特征三大特征：携带遗传信息携带遗传信息 能被复制能被复制 能突变能突变目录目录复制复制翻译翻译 蛋白质蛋白质（病毒）（病毒）RNA（病毒）病毒）逆转录逆转录转录转录RNA翻译翻译蛋白质蛋白质DNA复制复制中心法则（中心法则（The central dogma）目录目录第第12章章DNA的生物合成的生物合成(DNA Biosynthesis)(Replication)目录目录复制复制(replication)是指遗传物质的传
2、代，是指遗传物质的传代，以母链以母链DNA为模板合成子链为模板合成子链DNA的过程。的过程。复制复制亲代亲代DNA子代子代DNA复制的基本规律复制的基本规律Basic Rules of DNA Replication第第 一一 节节目录目录复制的方式复制的方式 半保留复制半保留复制 (semi-conservative replication)双向复制双向复制 (bidirectional replication)半不连续复制半不连续复制 (semi-discontinuous replication)n复制的基本规律复制的基本规律 目录目录一、一、半保留复制半保留复制是是DNA复制的基本特征
3、复制的基本特征 DNA生生物物合合成成时时，母母链链DNA解解开开为为两两股股单单链链，各各自自作作为为模模板板(template)按按碱碱基基配配对对规规律律，合合成成与与模模板板互互补补的的子子链链。子子代代细细胞胞的的DNA，一一股股单单链链从从亲亲代代完完整整地地接接受受过过来来，另另一一股股单单链链则则完完全全从从新新合合成成。两两个个子子细细胞胞的的DNA都都和和亲亲代代DNA碱碱基基序序列列一一致致。这这种种复复制制方方式式称称为为半保留复制半保留复制。n半保留复制的概念半保留复制的概念:AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAG
4、GTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母链母链DNA复制过程中形成复制过程中形成的复制叉的复制叉子代子代DNA目录目录n子链继承母链遗传信息的几种可能方式子链继承母链遗传信息的几种可能方式:全保留式全保留式 半保留式半保留式 混合式混合式 n密度梯度实验密度梯度实验:实验结果支持实验结果支持半保留复制半保留复制的设想。的设想。含重氮含重氮-DNA的细菌的细菌培养于普培养于普通培养液通培养液 第一代第一代继续培养于继续培养于普通培养液普通培养液 第二代第
5、二代梯度离心结果梯度离心结果目录目录按按半半保保留留复复制制方方式式，子子代代DNA与与亲亲代代DNA A的的碱碱基基序序列列一一致致，即即子子代代保保留留了了亲亲代代的的全部遗传信息，体现了遗传的全部遗传信息，体现了遗传的保守性保守性。n半保留复制的意义半保留复制的意义:遗传的保守性，是物种稳定性的分子遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但基础，但不是绝对的不是绝对的。目录目录原原核核生生物物复复制制时时，DNA从从起起始始点点(origin)向向两两个个方方向向解解链链，形形成成两两个个延延伸伸方方向向相相反反的复制叉，称为的复制叉，称为双向复制双向复制。二、二、DNA复制从起始点向两个
6、方向复制从起始点向两个方向延伸形成延伸形成双向复制双向复制A.环状双链环状双链DNA及复制起始点及复制起始点B.复制中的两个复制叉复制中的两个复制叉C.复制接近终止点复制接近终止点(termination,ter)oriterA B C目录目录真真核核生生物物每每个个染染色色体体有有多多个个起起始始点点，是是多多复复制制子子的的复复制制。习习惯惯上上把把两两个个相相邻邻起起始始点点之之间间的的距距离离定定为为一一个个复复制制子子(replicon)。复复制制子子是是独立完成复制的功能单位。独立完成复制的功能单位。53oriorioriori535533553复制复制3目录目录三、三、DNA一股
7、子链复制的方向与解链一股子链复制的方向与解链方向相反导致方向相反导致半不连续复制半不连续复制3 5 3 5 解链方向解链方向35335领头链领头链(leading strand)随从链随从链(lagging strand)目录目录顺顺着着解解链链方方向向生生成成的的子子链链，复复制制是是连连续续进进行行的，这股链称为的，这股链称为领头链领头链(leading strand)。另另一一股股链链因因为为复复制制的的方方向向与与解解链链方方向向相相反反，不不能能顺顺着着解解链链方方向向连连续续延延长长，这这股股不不连连续续复复制的链称为制的链称为随从链随从链(lagging strand)。复复制制
8、中中的的不不连连续续片片段段称称为为岡岡崎崎片片段段(okazaki fragment)。领领头头链链连连续续复复制制而而随随从从链链不不连连续续复复制制，就就是是复制的半不连续性。复制的半不连续性。目录目录DNA复制的酶学和拓扑学变化复制的酶学和拓扑学变化第第 二二 节节The Enzymology and Topology of DNA Replication目录目录n参与参与DNA复制的物质复制的物质:底底物物(substrate):dATP,dGTP,dCTP,dTTP；(dNTP)聚聚合合酶酶(polymerase):依依赖赖DNA的的DNA聚聚合合酶酶，简写为简写为 DNA-pol
9、；模板模板(template):解开成单链的解开成单链的DNA母链；母链；引引物物(primer):提提供供3-OH末末端端使使dNTP可可以以依次聚合；依次聚合；其他的酶和蛋白质因子。其他的酶和蛋白质因子。目录目录一、核苷酸和核苷酸之间生成磷酸二酯键一、核苷酸和核苷酸之间生成磷酸二酯键是复制的基本化学反应是复制的基本化学反应(dNMP)n+dNTP (dNMP)n+1+PPi目录目录二、二、DNA聚合酶催化核苷酸之间聚合聚合酶催化核苷酸之间聚合全称：全称：依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase)简称：简称：DNA-pol活性：活性：1
10、.53 的聚合活性的聚合活性 2.核酸外切酶活性核酸外切酶活性聚合反应的特点聚合反应的特点:DNA 新链生成需新链生成需引物引物和和模板模板；新链的；新链的延长只可沿延长只可沿5 3 方向进行。方向进行。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 53 5 外切酶活性外切酶活性:5 3 外切酶活性外切酶活性:?能切除突变的能切除突变的 DNA片段。片段。能辨认错配的碱基对，并将其水解。能辨认错配的碱基对，并将其水解。n核酸外切酶活性核酸外切酶活性:目录目录（一）原核生物的（一）原核生物的DNA聚合酶分为三型聚合酶分
11、为三型DNA-pol DNA-pol DNA-pol 目录目录原核生物的原核生物的DNADNA聚合酶聚合酶目录目录n功能：功能：对复制中的错误进行校读，对复制和修复中对复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空隙进行填补。出现的空隙进行填补。DNA-pol（109kD）目录目录323个氨基酸个氨基酸小片段小片段5 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 604个氨基酸个氨基酸DNA聚合酶活性聚合酶活性 5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性N 端端C 端端木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶DNA-pol Klenow片段是实验室合成片段是实验室合成DNA，进行，进行分子生物学研究中常用
12、的工具酶。分子生物学研究中常用的工具酶。目录目录DNA-pol（120kD）DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活。基因发生突变，细菌依然能存活。DNA-pol 对模板的特异性不高，即使在已发对模板的特异性不高，即使在已发生损伤的生损伤的DNA模板上，它也能催化核苷酸聚模板上，它也能催化核苷酸聚合。因此认为，它参与合。因此认为，它参与DNA损伤的应急状态损伤的应急状态修复。修复。目录目录n功能：功能：是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶DNA-pol (250kD)二聚体二聚体二聚体二聚体目录目录（二）常见的真核细胞（二）常见的真核细胞DNA聚
13、合酶有五种聚合酶有五种DNA-pol 起始引发，有引物酶活性。起始引发，有引物酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。参与低保真度的复制。参与低保真度的复制。在复制过程中起校读、修复和填补缺在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。口的作用。在线粒体在线粒体DNA复制中起催化作用。复制中起催化作用。DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol 目录目录真核生物的真核生物的DNA聚合酶聚合酶填补引物填补引物空隙，切空隙，切除修复，除修复，重组重组延长子延长子链的主链的主要酶，要酶，解螺旋解螺旋酶活性酶活性线粒体线粒体DNA 复复制制低保低保真
14、度真度的复的复制制起始引起始引发，引发，引物酶活物酶活性性功能功能+-3 5 核酸外切核酸外切酶活性酶活性高高高高高高？中中5 3 聚合活性聚合活性25.512.514.04.016.5分子量（分子量（kD）DNA-pol填补引物填补引物空隙，切空隙，切除修复，除修复，重组重组延长子延长子链的主链的主要酶，要酶，解螺旋解螺旋酶活性酶活性线粒体线粒体DNA 复复制制低保低保真度真度的复的复制制起始引起始引发，引发，引物酶活物酶活性性功能功能+-3 5 核酸外切核酸外切酶活性酶活性高高高高高高？中中5 3 聚合活性聚合活性25.512.514.04.016.5分子量（分子量（kD）DNA-pol目
15、录目录三、核酸外切酶的校读活性和碱基选择三、核酸外切酶的校读活性和碱基选择功能是复制保真性的酶学依据功能是复制保真性的酶学依据复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能准确传代的基本原理。准确传代的基本原理。此外还需酶学的机制来保证复制的保真性。此外还需酶学的机制来保证复制的保真性。目录目录A：DNA-pol的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合活性掺入正确配对的底物。合活性掺入正确配对的底物。B：碱基配对正确，：碱基配对正确，DNA-pol不表现活性。不表现活性。（一）核酸外切酶活性在复制中辨认切除错配（一）核酸外切酶活性在复
16、制中辨认切除错配碱基并加以校正碱基并加以校正目录目录（二）复制的保真性依赖正确的碱基选择（二）复制的保真性依赖正确的碱基选择DNA聚合酶靠其大分子结构协调非共价（氢键）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。与共价（磷酸二酯键）键的有序形成。嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型，与相应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。的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于反式构型。目录目录遵守严格的碱基配对规律；遵守严格的碱基配对规律；聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；复制出错时复制出错时DNA-pol的及时校读功能。的及时校读功能。nDNA复制的保真性复制的保真性 至少要依赖三种机制：至少要依赖三种机制：目录目录四、复制中的分子解链伴有四、复制中的分子解链伴有DNA 分子拓扑学变化分子拓扑学变化DNA分子的碱基埋在双螺旋内部，只有分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把把DNA解成单链，它才能起模板作用。解成单链，它才能起模板作用。目录目录（一）多种酶参与（一）多种酶参与DNA解链和稳定单链状态解链和
