DNA复制与RNA转录小结

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1、DNA 复制1.DNA 通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白 质分子，从而决定生物的表现型。DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法 则。1在RNA病毒中，其遗传信息贮存在RNA分子中。因此，在这些生物体中，遗传信 息的流向是RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代，通过反转录将遗传信息传递给 DNA,再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为反中心法则。DNA dependent DNA po1ymeraseDDDP DNA dependent RNA po1ymeraseDDRP RNA dependent RNA po1

2、ymeraseRDRP RNA dependent DNA po1ymeraseRDDPDNA复制的复杂性：DNA复杂的高级结构如何解开成单链； 单链内部碱基配对如 何解决； 酶学； 错误如何避免。2. DNA复制的特点2.1 半保留复制 DNA 在复制时，以亲代 DNA 的每一股作模板，合成完全相同的两个双 链子代DNA，每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链，这种现象称为DNA的半保留复 制 (semi-conservative rep1ication)。DNA以半保留方式进行复制，是在1958年由M. Meselson和F. Stahl所完成的实验所证明。 该实验首先将大肠杆菌在含15N

3、的培养基中培养约十五代，使其DNA中的碱基氮均转变为 15N。将大肠杆菌移至只含14N的培养基中同步培养一代、二代、三代。分别提取DNA， 作密度梯度离心，可得到下列结果：2.2有一定的复制起始点DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸 排列顺序的片段，即复制起始点。每个DNA复制的独立单元被称为复制子(replicon)，主 要包括复制起始位点(Origine of replication)和终止位点(terminus)。原核生物的整个染色 体上一般只有一个复制起始位点。真核生物有多个。2.3需要引物 参与DNA复制的DNA聚合酶，必须以一段具有3端自由羟基(3-OH)的

4、RNA作为引物(primer)，才能开始聚合子代DNA链。RNA引物的大小，在原核生物中通 常为50100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。RNA引物的碱基顺序，与其模 板 DNA 的碱基顺序相配对。2.4 双向复制 DNA 复制时，以复制起始点为中心，向两个方向进行复制。但在低等生物 中，也可进行单向复制(如滚环复制)。由于DNA聚合酶只能以5J3方向聚合子代DNA链，即模板DNA链的方向必须为35。 因此，分别以两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时的方式是不同的。以35方向的亲代DNA链作模板的子代链在复制时基本上是连续进行的，其子代链的聚 合方向为53,这一条链被称为前导链

5、(leading strand)。而以53方向的亲代DNA链为 模板的子代链在复制时则是不连续的，其链的聚合方向也是 53，这条链被称为滞后链 (lagging strand)。25不连续性由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因此，随从链的合成也是一段一 段的。 DNA 在复制时，由滞后链所形成的一些子代 DNA 短链称为冈崎片段 (Okazaki fragment)。 冈崎片段的大小，在原核生物中约为 10002000个核苷酸，而在真核生物中约 为 100 个核苷酸。2.6 DNA复制的保真性为了保证遗传的稳定，DNA的复制必须具有高保真性。DNA复制 时的保真性主要与下列因素有关： 遵

6、守严格的碱基配对规律； DNA 聚合酶在复制 时对碱基的正确选择； 对复制过程中出现的错误及时进行校正。小结： DNA 复制的特点 半保留 起始点 引物 方向性 不连续 高度 精确性3. DNA复制的条件3.1 底物 以四种脱氧核糖核酸(deoxynucleotide triphosphate)为底物，即 dATP, dGTP, dCTP,dTTP。 (dNMP)n+dNTP(dNMP)n+1+PPi3.2模板(template) DNA复制是模板依赖性的，必须要以亲代DNA链作为模板。亲代DNA 的两股链解开后,可分别作为模板进行复制。3.3引发体和RNA引物弓I发体(primosome)由

7、引发前体与引发酶(primase)组装而成。引 发前体是由若干蛋白因子聚合而成的复合体。在原核生物中,引发前体至少由六种蛋白因子 构成。蛋白i、蛋白n、蛋白n”、蛋白dnaC与引物预合成有关，蛋白n与蛋白dnaB与识别 复制起始点有关,并具有 ATPase 活性。 引发酶本质上是一种依赖 DNA 的 RNA 聚合酶(DDRP),该酶以DNA为模板，聚合一段RNA短链引物(primer)，以提供自由的3-OH, 使子代DNA链能够开始聚合。3.4 DNA 聚合酶 (DDDP)DNA 聚合酶的种类和生理功能 在原核生物中，目前发现的 DNA 聚合酶有三种，分别命名为DNA聚合酶I(pol I)，D

8、NA聚合酶II(pol II), DNA聚 合酶III(pol III),这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。参与DNA复制的主要是 pol III和 pol I。pol I为单一肽链的大分子蛋白质，可被特异的蛋白酶水解为两个片段，其中的大片段称为 Klenow fragment，具有53聚合酶活性和35外切酶的活性。pol III由十种亚基组成，其中a亚基具有5J3聚合DNA的酶活性，因而具有复制DNA的 功能；而亚基具有35外切酶的活性，因而与DNA复制的校正功能有关。原核生物中的三种DNA聚合酶在真核生物中，目前发现的DNA聚合酶有五种，分别命名为DNA聚合酶a (pol a)，DN

9、A 聚合酶卩(pol卩)，DNA聚合酶y (pol Y)，DNA聚合酶8 (pol 8)， DNA聚合酶 (pol )。 其中，参与染色体DNA复制的是pol a (延长滞后链)和pol 8 (延长先导链)，参与线粒体 DNA复制的是pol y，pol与DNA损伤修复、校读和填补缺口有关，pol卩只在其他聚合酶 无活性时才发挥作用。3.5 DNA连接酶 DNA连接酶(DNA ligase)可催化两段DN*段之间磷酸二酯键的形成，而 使两段DNA连接起来。DNA连接酶催化的条件是： 需一段DN*段具有3-0H,而另一段DN*段具有5-Pi基； 未封闭的缺口位于双链DNA中，即其中有一条链是完整的

10、；需要消耗能量，在原核 生物中由NAD+供能，在真核生物中由ATP供能。36单链DNA结合蛋白单链DNA结合蛋白(single strand binding protein, SSB )又称螺旋反稳蛋白(HDP)。这是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子。其作用为：使解开 双螺旋后的DNA单链能够稳定存在，即稳定单链DNA，便于以其为模板复制子代DNA； 保护单链DNA，避免核酸酶的降解。3.7解螺旋酶解螺旋酶(unwinding enzyme),又称解链酶或rep蛋白，是用于解开DNA双链的酶蛋白，每解开一对碱基，需消耗两分子ATP。目前发现存在至少存在两种解螺旋酶。 大肠杆菌拓朴异构酶I的

11、结构3.8拓扑异构酶(topoisomerase)拓扑异构酶I可使DNA双 链中的一条链切断，松开双螺旋后再将DNA链连接起来，从而避免出现链的缠绕。拓扑异 构酶II可切断DNA双链，使DNA的超螺旋松解后，再将其连接起来。4. DNA生物合成过程4.1 复制的起始 DNA 复制的起始阶段，由下列两步构成。 4.1.1 预引发： 解旋解链， 形成复制叉：由拓扑异构酶和解链酶作用，使DNA的超螺旋及双螺旋结构解开，碱基间 氢键断裂，形成两条单链DNA。单链DNA结合蛋白(SSB)结合在两条单链DNA上，形 成复制叉。DNA复制时，局部双螺旋解开形成两条单链，这种叉状结构称为复制叉。 引发体组装：

12、 由蛋白因子（如dnaB等）识别复制起始点，并与其他蛋白因子以及引 发酶一起组装形成引发体。4.1.2引发在引发酶的催化下，以DNA为模板，合成一段短的RN*段，从而获得3端自 由羟基（ 3-OH）。4.2复制的延长421聚合子代DNA：由DNA聚合酶催化，以35方向的亲代DNA链 为模板，从53方向聚合子代DNA链。在原核生物中，参与DNA复制延长的是DNA聚 合酶III;而在真核生物中，是DNA聚合酶a（延长滞后链）和6 （延长先导链）。4.2.2 引发体移动： 引发体向前移动，解开新的局部双螺旋，形成新的复制叉，随从链重 新合成RNA引物，继续进行链的延长。4.3复制的终止4.3.1去除

13、引物，填补缺口：在原核生物中，由DNA聚合酶I来水解去除 RNA引物，并由该酶催化延长引物缺口处的DNA，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。而 在真核生物中，RNA引物的去除，由一种特殊的核酸酶来水解，而冈崎片段仍由DNA聚合 酶来延长。4.3.2连接冈崎片段：在DNA连接酶的催化下，形成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完整的DNA长链。4.3.3真核生物端粒的形成：端粒（telomere）是指真核生物染色体线性DNA分子末端的 结构部分，通常膨大成粒状。其共同的结构特征是由一些富含G、C的短重复序列构成，可 重复数十次至数百次。线性DNA在复制完成后，其末端由于引物RNA的水解而可能

14、出现缩短。故需要在端粒酶 （telomerase）的催化下，进行延长反应。端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体，它可以其RNA 为模板，通过逆转录过程对末端DNA链进行延长。整个DNA复制过程中，只有复制起始受细胞周期的严格调控。DNA甲基化与DNA复制 起始密切相关oOriC中有11个GATC回文结构（一般说来,256bp才应有一个GATC重复）。 DNA子链被合成后，母链立即被甲基化（称为hemimethylated）。此时，oriC与细胞原生质 膜相结合。只有当oriC被从膜上释放出来，子链被Dam甲基化后，才能有效地与DnaA蛋 白结合，起始新一轮的DNA复制。复制起始可能还受ATP水解过

15、程调控，因为DnaA只有 与ATP相结合时才能与oriC区DNA相结合。Once in each cell cycle 原核生物核真核生物DNA复制的异同：不同点： 复制起点数目复制叉数目调 节方式5. DNA 的损伤与修复5.1DNA的损伤（突变）由自发的或环境的因素引起DNA 一级结构的任何异常的改变称 为DNA的损伤，也称为突变（mutation）。常见的DNA的损伤包括碱基脱落、碱基修饰、 交联，链的断裂，重组等。5.1.1引起突变的因素：A.自发因素：（1）自发脱碱基：由于N-糖苷键的自发断裂，引起 嘌呤或嘧啶碱基的脱落。每日可达近万个核苷酸残基。 （2）自发脱氨基：胞嘧啶自发脱氨基

16、 可生成尿嘧啶，腺嘌呤自发脱氨基可生成次黄嘌呤。每日可达几十到几百个核苷酸残基。 （3） 复制错配：由于复制时碱基配对错误引起的损伤，发生频率较低。B. 物理因素：由紫外线、电离辐射、X射线等引起的DNA损伤。其中，X射线和电离辐 射常常引起DNA链的断裂，而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成，如TT，TC，CC等二聚 体。这些嘧啶二聚体由于形成了共价键连接的环丁烷结构，因而会引起复制障碍。C. 化学因素：（1）脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可加速C脱氨基生成U, A脱氨基生成 I。（2）烷基化剂：这是一类带有活性烷基的化合物，可提供甲基或其他烷基，引起碱基或磷酸 基的烷基化，甚至可引起邻近碱基的交联。