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1、 第十二章第十二章 DNA的生物合成的生物合成 lDNADNA是是由由四四种种脱脱氧氧核核糖糖核核酸酸所所组组成成的的长长链大分子，是遗传信息的携带者。链大分子，是遗传信息的携带者。l生生物物体体的的遗遗传传信信息息就就贮贮存存在在DNADNA的的四四种种脱氧核糖核酸的排列顺序中。脱氧核糖核酸的排列顺序中。 lDNADNA通通过过复复制制将将遗遗传传信信息息由由亲亲代代传传递递给给子子代代；通通过过转转录录和和翻翻译译，将将遗遗传传信信息息传传递递给给蛋蛋白白质质分分子子，从从而而决决定定生生物物的的表表现现型型。DNADNA的的复复制制、转转录录和和翻翻译译过过程程就就构构成成了了遗遗传学的
2、中心法则传学的中心法则。 l在在RNARNA病病毒毒中中，其其遗遗传传信信息息贮贮存存在在RNARNA分分子子中中。因因此此，在在这这些些生生物物体体中中，遗遗传传信信息息的的流流向向是是RNARNA通通过过复复制制，将将遗遗传传信信息息由由亲亲代代传传递递给给子子代代，通通过过反反转转录录将将遗遗传传信信息息传传递递给给DNADNA，再再由由DNADNA通通过过转转录录和和翻翻译译传传递递给给蛋蛋白白质质，这这种种遗遗传传信信息息的的流流向向就就称为称为反中心法则反中心法则。 DNA dependent DNA polymeraseDDDPDNA dependent RNA polymera
3、seDDRPRNA dependent RNA polymeraseRDRPRNA dependent DNA polymeraseRDDP DNA DNA复制的特点复制的特点 一、半保留复制一、半保留复制 lDNADNA在在复复制制时时，以以亲亲代代DNADNA的的每每一一股股作作模模板板，合合成成完完全全相相同同的的两两个个双双链链子子代代DNADNA，每每个个子子代代DNADNA中中都都含含有有一一股股亲亲代代DNADNA链链，这种现象称为这种现象称为DNADNA的半保留复制的半保留复制。 lDNADNA以以 半半 保保 留留 方方 式式 进进 行行 复复 制制 ， 是是 在在 1958
4、1958年年 由由 M. M. Meselson Meselson 和和 F. F. Stahl Stahl 所所完完成成的的实实验验所所证证明明。该该实实验验首首先先将将大大肠肠杆杆菌菌在在含含1515N N的的培培养养基基中中培培养养约约十十五五代代，使使其其DNADNA中中的的碱碱基基氮氮均均转转变变为为1515N N。将将大大肠肠杆杆菌菌移移至至只只含含1414N N的的培培养养基基中中同同步步培培养养一一代代、二二代代、三三代代。分分别别提提取取DNADNA，作密度梯度离心，可得到下列结果：，作密度梯度离心，可得到下列结果： 二、有一定的复制起始点二、有一定的复制起始点lDNADNA
5、在在复复制制时时，需需在在特特定定的的位位点点起起始始，这这是是一一些些具具有有特特定定核核苷苷酸酸排排列列顺顺序序的的片片段段，即即复复制制起起始始点点（复复制制子子）。在在原原核核生生物物中中，复复制制起起始始点点通通常常为为一一个个，而而在在真真核核生物中则为多个。生物中则为多个。 三、需要引物三、需要引物 l参参与与DNADNA复复制制的的DNADNA聚聚合合酶酶，必必须须以以一一段段具具有有33端端自自由由羟羟基基（3-OH3-OH）的的RNARNA作作为为引引物物(primer) (primer) ，才才能能开开始始聚聚合合子子代代DNADNA链。链。lRNARNA引引物物的的大大
6、小小，在在原原核核生生物物中中通通常常为为5050100100个个核核苷苷酸酸，而而在在真真核核生生物物中中约约为为1010个个核核苷苷酸酸。RNARNA引引物物的的碱碱基基顺顺序序，与与其其模模板板DNADNA的碱基顺序相配对。的碱基顺序相配对。 四、双向复制四、双向复制 DNADNA复复制制时时，以以复复制制起起始始点点为为中中心心，向向两两个个方方向向进进行行复复制制。但但在在低低等等生生物物中中，也可进行单向复制（如滚环复制）。也可进行单向复制（如滚环复制）。 五、半不连续复制五、半不连续复制l由由于于DNADNA聚聚合合酶酶只只能能以以5353方方向向聚聚合合子子代代DNADNA链链
7、，即即模模板板DNADNA链链的的方方向向必必须须为为3535。因因此此，分分别别以以两两条条亲亲代代DNADNA链链作作为为模模板板聚聚合合子子代代DNADNA链链时时的的方方式是不同的。式是不同的。l以以3535方方向向的的亲亲代代DNADNA链链作作模模板板的的子子代代链链在在复复制制时时基基本本上上是是连连续续进进行行的的，其其子子代代链链的的聚聚合合方方向向为为5353，这这一一条条链链被被称称为为领领头头链链(leading (leading strand)strand)。而而以以5353方方向向的的亲亲代代DNADNA链链为为模模板板的的子子代代链链在在复复制制时时则则是是不不连
8、连续续的的，其其链链的的聚聚合合方方向向也也是是5353，这这条条链链被被称称为为随随从从链链(lagging strand)(lagging strand)。l由由于于亲亲代代DNADNA双双链链在在复复制制时时是是逐逐步步解解开开的的，因因此此，随随从从链链的的合合成成也也是是一一段段一一段段的的。DNADNA在在复复制制时时，由由随随从从链链所所形形成成的的一一些些子子代代 DNADNA短短 链链 称称 为为 冈冈 崎崎 片片 段段 (Okazaki (Okazaki fragment)fragment)。l冈冈崎崎片片段段的的大大小小，在在原原核核生生物物中中约约为为100010002
9、0002000个个核核苷苷酸酸，而而在在真真核核生生物物中中约为约为100100个核苷酸。个核苷酸。 DNA DNA复制的条件复制的条件 一、底物一、底物 以以 四四 种种 脱脱 氧氧 核核 糖糖 核核 苷苷 酸酸(deoxynucleotide (deoxynucleotide triphosphate)triphosphate)为为 底底物，即物，即dATPdATP，dGTPdGTP，dCTPdCTP，dTTPdTTP。(dNMP)(dNMP)n n+dNTP (dNMP)+dNTP (dNMP)n+1n+1+PPi+PPi 二、模板二、模板(template)(template)lDNA
10、DNA复复制制是是模模板板依依赖赖性性的的，必必须须要要以以亲亲代代DNADNA链链作作为为模模板板。亲亲代代DNADNA的的两两股股链链解解开开后，可分别作为模板进行复制。后，可分别作为模板进行复制。 三、引发体和三、引发体和RNARNA引物引物l引引 发发 体体 (primosome)(primosome)由由 引引 发发 前前 体体 与与 引引 物物 酶酶（primaseprimase）组装而成。）组装而成。l引引 物物 酶酶 本本 质质 上上 是是 一一 种种 依依 赖赖 DNADNA的的 RNARNA聚聚 合合 酶酶（DDRPDDRP），该该酶酶以以DNADNA为为模模板板，聚聚合合
11、一一段段RNARNA短短链链引引物物(primer)(primer)，以以提提供供自自由由的的3-OH3-OH，使使子子代代DNADNA链能够开始聚合。链能够开始聚合。 四、四、DNADNA聚合酶聚合酶 (DDDP)（一）种类和生理功能：（一）种类和生理功能：l在在原原核核生生物物中中，目目前前发发现现的的DNADNA聚聚合合酶酶有有三三种种，分分别别命命名名为为DNADNA聚聚合合酶酶（pol pol ），DNADNA聚聚合合酶酶（pol pol ），DNADNA聚聚合合酶酶（pol pol ），这这三三种种酶酶都都属属于于具具有有多多种种酶酶活活性性的的多多功功能能酶酶。参参与与DNADN
12、A复复制制的主要是的主要是pol pol 和和pol pol 。 lpol pol 为为单单一一肽肽链链的的大大分分子子蛋蛋白白质质, ,可可被被特特异异的的蛋蛋白白酶酶水水解解为为两两个个片片段段，其其中中的的大大 片片 段段 称称 为为 Klenow Klenow fragmentfragment， 具具 有有5353聚聚合合酶酶活活性性和和3535外外切切酶酶的的活活性。性。 lpol pol 由由十十种种亚亚基基组组成成，其其中中亚亚基基具具有有5353聚聚合合DNADNA的的酶酶活活性性，因因而而具具有有复复制制DNADNA的的功功能能；而而亚亚基基具具有有3535外外切切酶酶的的活
13、活性性，因因而而与与DNADNA复复制制的的校校正正功功能能有有关。关。 原核生物中的三种原核生物中的三种DNADNA聚合酶聚合酶（二）（二）DNADNA复制的忠实性：复制的忠实性：l为为了了保保证证遗遗传传的的稳稳定定，DNADNA的的复复制制必必须须具具有有忠忠实实性性。DNADNA复复制制时时的的忠忠实实性性主主要要与与下下列因素有关：列因素有关： 1 1遵守严格的碱基配对规律；遵守严格的碱基配对规律； 2 2DNADNA聚合酶在复制时对碱基的正确选择；聚合酶在复制时对碱基的正确选择； 3 3对对复复制制过过程程中中出出现现的的错错误误及及时时进进行行校校正。正。 五、五、DNADNA连
14、接酶连接酶lDNADNA连连接接酶酶(DNA (DNA ligase)ligase)可可催催化化两两段段DNADNA片片段段之之间间磷磷酸酸二二酯酯键键的的形形成成，而而使使两两段段DNADNA连接起来。连接起来。lDNADNA连连接接酶酶催催化化的的条条件件是是： 需需一一段段DNADNA片片段段具具有有3-OH3-OH，而而另另一一段段DNADNA片片段段具具有有5-Pi5-Pi基基； 未未封封闭闭的的缺缺口口位位于于双双链链DNADNA中中，即即其其中中有有一一条条链链是是完完整整的的； 需需要要消消耗耗能能量量，在在原原核核生生物物中中由由NADNAD+ +供供能能，在在真真核核生生物
15、物中中由由ATPATP供供能能。六、单链六、单链DNADNA结合蛋白结合蛋白l单单链链DNADNA结结合合蛋蛋白白（single single strand strand binding binding protein, protein, SSBSSB）又又称称螺螺旋旋反反稳稳蛋蛋白白（HDPHDP）。这这是是一一些些能能够够与与单单链链DNADNA结结合合的的蛋蛋白白质质因因子子。其其作作用用为为： 使使解解开开双双螺螺旋旋后后的的DNADNA单单链链能能够够稳稳定定存存在在，即即稳稳定定单单链链DNADNA，便便于于以以其其为为模模板板复复制制子子代代DNADNA； 保保护护单单链链DNA
16、DNA，避避免免核核酸酸酶酶的降解。的降解。 七、解螺旋酶七、解螺旋酶l解解螺螺旋旋酶酶（unwinding enzyme） ，又又称称解解链链酶酶或或rep蛋蛋白白，是是用用于于解解开开DNA双双链链的的酶酶蛋蛋白白，每每解解开开一一对对碱碱基基，需需消消耗耗两两分分子子ATP。目目前前发发现现存存在在至至少少存存在两种解螺旋酶。在两种解螺旋酶。 八、拓扑异构酶八、拓扑异构酶(topoisomerase)l拓扑异构酶拓扑异构酶可使可使DNA双链中的一条双链中的一条链切断，松开双螺链切断，松开双螺旋后再将旋后再将DNA链连链连接起来，从而避免接起来，从而避免出现链的缠绕。出现链的缠绕。拓拓扑异
17、构酶扑异构酶可切断可切断DNA双链，使双链，使DNA的超螺旋松解后，的超螺旋松解后，再将其连接起来。再将其连接起来。大肠杆菌拓朴异构酶大肠杆菌拓朴异构酶的结构的结构 DNA生物合成过程生物合成过程 一、复制的起始一、复制的起始 DNA复制的起始阶段，由下列两步构成。复制的起始阶段，由下列两步构成。 （一）预引发：（一）预引发： 1解旋解链，形成复制叉：解旋解链，形成复制叉：l 由由拓拓扑扑异异构构酶酶和和解解链链酶酶作作用用，使使DNA的的超超螺螺旋旋及及双双螺螺旋旋结结构构解解开开，碱碱基基间间氢氢键键断断裂裂，形形成成两两条条单单链链DNA。单单链链DNA结结合合蛋蛋白白（SSB）结结合合
18、在在两两条条单链单链DNA上，形成复制叉。上，形成复制叉。l DNA复复制制时时，局局部部双双螺螺旋旋解解开开形形成成两两条条单单链链，这这种叉状结构称为种叉状结构称为复制叉复制叉。 2 2引发体组装：引发体组装：l由由蛋蛋白白因因子子（如如dnaBdnaB等等）识识别别复复制制起起始始点点，并并与与其其他他蛋蛋白白因因子子以以及及引引物物酶酶一一起起组装形成引发体。组装形成引发体。 （二）引发：（二）引发：l在引物酶的催化下，以在引物酶的催化下，以DNADNA为模板，合成为模板，合成一段短的一段短的RNARNA片段，从而获得片段，从而获得33端自由羟端自由羟基（基（3-OH3-OH）。）。
19、二、复制的延长二、复制的延长 （一）聚合子代（一）聚合子代DNADNA：l由由DNADNA聚合酶催化，以聚合酶催化，以3535方向的亲代方向的亲代DNADNA链链为模板，从为模板，从5353方向聚合子代方向聚合子代DNADNA链。在原链。在原核生物中，参与核生物中，参与DNADNA复制延长的是复制延长的是DNADNA聚合酶聚合酶；而在真核生物中，是；而在真核生物中，是DNADNA聚合酶聚合酶(延长随从延长随从链链) )和和（延长领头链）（延长领头链）。 （二）引发体移动：（二）引发体移动：l引发体向前移动，解开新的局部双螺旋，引发体向前移动，解开新的局部双螺旋，形成新的复制叉，随从链重新合成形
20、成新的复制叉，随从链重新合成RNARNA引引物，继续进行链的延长。物，继续进行链的延长。 三、复制的终止三、复制的终止 （一）去除引物，填补缺口：（一）去除引物，填补缺口：l在原核生物中，由在原核生物中，由DNADNA聚合酶聚合酶来水解去来水解去除除RNARNA引物，并由该酶催化延长引物缺口引物，并由该酶催化延长引物缺口处的处的DNADNA，直到剩下最后一个磷酸酯键的，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。而在真核生物中，缺口。而在真核生物中，RNARNA引物的去除，引物的去除，由一种特殊的核酸酶来水解，而冈崎片由一种特殊的核酸酶来水解，而冈崎片段仍由段仍由DNADNA聚合酶来延长。聚合酶来延长。
21、（二）连接冈崎片段：（二）连接冈崎片段：l在在DNADNA连接酶的催化下，形成最后一个磷连接酶的催化下，形成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完整的整的DNADNA长链。长链。 （三）真核生物端粒的形成：（三）真核生物端粒的形成：l端端粒粒（telomeretelomere）是是指指真真核核生生物物染染色色体体线线性性DNADNA分分子子末末端端的的结结构构部部分分，通通常常膨膨大大成成粒粒状状。其其共共同同的的结结构构特特征征是是由由一一些些富富含含G G、C C的的短短重重复复序序列列构构成成，可可重重复复数数十十次至数百次。次至数百次。 l线线性
22、性DNADNA在在复复制制完完成成后后，其其末末端端由由于于引引物物RNARNA的的水水解解而而可可能能出出现现缩缩短短。故故需需要要在在端端粒粒酶酶（telomerasetelomerase）的的催催化化下下，进进行延长反应。行延长反应。l端端粒粒酶酶是是一一种种RNA-RNA-蛋蛋白白质质复复合合体体，它它可可以以其其RNARNA为为模模板板，通通过过逆逆转转录录过过程程对对末末端端DNADNA链进行延长。链进行延长。 端粒酶端粒酶(telomerase)的作用机制的作用机制 DNA DNA的损伤与修复的损伤与修复 一、一、DNADNA的损伤（突变）的损伤（突变） l由自发的或环境的因素引
23、起由自发的或环境的因素引起DNADNA一级结构一级结构的任何异常的改变称为的任何异常的改变称为DNADNA的损伤的损伤，也称，也称为为突变突变（mutationmutation）。）。l常见的常见的DNADNA的损伤包括碱基脱落、碱基修的损伤包括碱基脱落、碱基修饰、交联，链的断裂，重组等。饰、交联，链的断裂，重组等。 （一）引起突变的因素：（一）引起突变的因素：1 1自发因素：自发因素： (1)(1)自自发发脱脱碱碱基基：由由于于N-N-糖糖苷苷键键的的自自发发断断裂裂，引引起起嘌嘌呤呤或或嘧嘧啶啶碱碱基基的的脱脱落落。每每日可达近万个核苷酸残基。日可达近万个核苷酸残基。 (2)(2)自自发发
24、脱脱氨氨基基：胞胞嘧嘧啶啶自自发发脱脱氨氨基基可可生生成成尿尿嘧嘧啶啶，腺腺嘌嘌呤呤自自发发脱脱氨氨基基可可生生成成次次黄黄嘌嘌呤呤。每每日日可可达达几几十十到到几几百百个个核核苷苷酸残基。酸残基。 (3) (3)复制错配复制错配：由于复制时碱基配对错：由于复制时碱基配对错误引起的损伤，发生频率较低。误引起的损伤，发生频率较低。 2 2物理因素：物理因素：l由由紫紫外外线线、电电离离辐辐射射、X X射射线线等等引引起起的的DNADNA损损伤伤。其其中中，X X射射线线和和电电离离辐辐射射常常常常引引起起DNADNA链链的的断断裂裂，而而紫紫外外线线常常常常引引起起嘧嘧啶啶二二聚聚体体的的形形成
25、成，如如TTTT，TCTC，CCCC等等二二聚聚体体。这这些些嘧嘧啶啶二二聚聚体体由由于于形形成成了了共共价价键键连连接接的的环环丁丁烷烷结结构构，因因而而会会引引起起复复制制障障碍。碍。 3 3化学因素：化学因素： (1)(1)脱氨剂脱氨剂：如：如亚硝酸与亚硝酸盐亚硝酸与亚硝酸盐，可，可加速加速C C脱氨基生成脱氨基生成U U，A A脱氨基生成脱氨基生成I I。 (2)(2)烷烷基基化化剂剂：这这是是一一类类带带有有活活性性烷烷基基的的化化合合物物，可可提提供供甲甲基基或或其其他他烷烷基基，引引起起碱碱基基或或磷磷酸酸基基的的烷烷基基化化，甚甚至至可可引引起起邻邻近近碱基的交联。碱基的交联。
26、 (3)DNA(3)DNA加加合合剂剂：如如苯苯并并芘芘，在在体体内内代代谢谢后后生生成成四四羟羟苯苯并并芘芘，与与嘌嘌呤呤共共价价结结合合引引起起损伤。损伤。 (4)(4)碱碱基基类类似似物物：如如5-FU5-FU，6-MP6-MP等等，可可掺入到掺入到DNADNA分子中引起损伤或突变。分子中引起损伤或突变。 (5)(5)断链剂断链剂：如过氧化物，含巯基化合：如过氧化物，含巯基化合物等，可引起物等，可引起DNADNA链的断裂。链的断裂。 （二）（二）DNADNA突变的类型：突变的类型： 碱基的转换碱基的转换（三）（三）DNADNA突变的效应：突变的效应： 1 1同同义义突突变变：基基因因突突
27、变变导导致致mRNAmRNA暗暗码码子子第第三三位位碱碱基基的的改改变变但但不不引引起起暗暗码码子子意意义义的的改改变变，其其翻翻译译产产物物中中的的氨氨基基酸酸残残基基顺顺序序不不变变，但但有有时时可可引引起起翻译效率降低。翻译效率降低。 2 2误误义义突突变变：基基因因突突变变导导致致mRNAmRNA暗暗码码子子碱碱基基被被置置换换，其其意意义义发发生生改改变变，翻翻译译产产物物中中的的氨氨基基酸酸残基顺序发生改变。残基顺序发生改变。 3 3无无义义突突变变：基基因因突突变变导导致致mRNAmRNA暗暗码码子子碱碱基基被被置置换换而而改改变变成成终终止止暗暗码码子子，引引起起多多肽肽链链合
28、合成成的的终止。终止。 4 4移码突变移码突变：基因突变导致：基因突变导致mRNAmRNA暗码子碱基暗码子碱基被置换，引起突变点之后的氨基酸残基顺序全部被置换，引起突变点之后的氨基酸残基顺序全部发生改变。发生改变。 二、二、DNADNA损伤的修复损伤的修复 lDNADNA损伤的修复方式可分为损伤的修复方式可分为直接修复直接修复和和取取代修复代修复两大类。两大类。 （一）直接修复：（一）直接修复： 1 1光复活：光复活：（light repairinglight repairing）：）：l这这是是一一种种广广泛泛存存在在的的修修复复作作用用。光光复复活活能能够够修修复复任任何何嘧嘧啶啶二二聚聚
29、体体的的损损伤伤。其其修修复复过过程程 为为 ： 光光 复复 活活 酶酶 （ photo-photo-lyase)lyase)识识别别嘧嘧啶啶二二聚聚体体并并与与之之结结合合形形成成复复合合物物在在300300600nm600nm可可见见光光照照射射下下，酶酶获获得得能能量量，将将嘧嘧啶啶二二聚聚体体的的丁丁酰酰环环打打开开，使使之之完完全全修修复复光光复活酶从复活酶从DNADNA上解离。上解离。 2 2转甲基作用：转甲基作用：l在在转转甲甲基基酶酶的的催催化化下下，将将DNADNA上上的的被被修修饰饰的的甲甲基基去去除除。此此时时，转转甲甲基基酶酶自自身身被被甲甲基化而失活。基化而失活。 3
30、 3直接连接：直接连接：lDNADNA断断裂裂形形成成的的缺缺口口，可可以以在在DNADNA连连接接酶酶的催化下，直接进行连接而封闭缺口。的催化下，直接进行连接而封闭缺口。 （二）取代修复：（二）取代修复： 1 1切除修复切除修复(excision repairing)(excision repairing)：l这这也也是是一一种种广广泛泛存存在在的的修修复复机机制制，可可适适用用于于多多种种DNADNA损损伤伤的的修修复复。该该修修复复机机制制可可以以分分别别由由两两种种不不同同的的酶酶来来发发动动，一一种种是是核酸内切酶核酸内切酶，另一种是，另一种是DNADNA糖苷酶糖苷酶。 2 2重组修
31、复重组修复(recombination (recombination repairing)repairing)：l这这是是DNADNA的的复复制制过过程程中中所所采采用用的的一一种种有有差差错错的的修修复复方式。方式。 3 3SOSSOS修复：修复：l 这这是是一一种种在在DNADNA分分子子受受到到较较大大范范围围损损伤伤并并且且使使复复制制受受到到抑抑制制时时出出现现的的修修复复机机制制，以以SOSSOS借喻细胞处于危急状态。借喻细胞处于危急状态。l DNADNA分分子子受受到到长长片片段段高高密密度度损损伤伤，使使DNADNA复制过程在损伤部位受到抑制。复制过程在损伤部位受到抑制。l损损伤伤诱诱导导一一种种特特异异性性较较低低的的新新的的DNADNA聚聚合酶，以及重组酶等的产生。合酶，以及重组酶等的产生。l由由这这些些特特异异性性较较低低的的酶酶继继续续催催化化损损伤伤部部位位DNADNA的的复复制制，复复制制完完成成后后，保保留留许许多多错误的碱基，从而造成突变。错误的碱基，从而造成突变。
