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1、第一节 DNA的生物合成,一.DNA的复制,复制部位：真核生物：细胞核原核生物：细胞质的核质区,(一)复制的反应,PPi随即被焦磷酸酶水解，从而推动聚合反应的进行。,一.DNA的复制,(二)复制的方式,DNA复制时，亲代DNA的双螺旋先解旋并分开，然后以每条链为模板，按照碱基配对原则，各形成一条互补链。这样，从亲代的一个DNA双螺旋分子复制成两个与亲代的碱基序列完全相同的子代DNA分子。每个子代DNA分子中，有一条链来自亲代DNA，另一条则是新形成的，这样的复制方式叫做半保留复制（semiconservative replication）。,半保留复制,一.DNA的复制,半保留复制,(二)复制
2、的方式,一.DNA的复制,如何证明半保留复制,(二)复制的方式,一.DNA的复制,1958年，Meselson 证明：用，15NH4Cl唯一氮源培养大肠杆菌，之后，用14NH4Cl培养，然后进行CsCl2进行密度梯度离心。由于15NH4Cl密度大于14NH4Cl，因此，形成不同区带，经过若干代培养后，两个14NH4Cl区带增多。,(二)复制的方式,一.DNA的复制,半保留复制,全保留复制,(三)复制反应注意点,DNA复制除入DNA聚合酶,DNA模板,dNTP外,还需要多种蛋白质因子、引物、Mg2+等.,一.DNA的复制,特点：A 对利福平不敏感B 核糖核酸代替脱氧核糖核酸,(四)参与复制的酶和
3、蛋白质,一.DNA的复制,1.DNA聚合酶(DNA polymease),More than 90%of the DNA polymerase activity observed in E.coli extracts can be accounted for by DNA polymerase I,(四)参与复制的酶和蛋白质,一.DNA的复制,DNA polymerase III is much more complex than DNA polymerase I,having ten types of subunits,(四)参与复制的酶和蛋白质,一.DNA的复制,(四)参与复制的酶和蛋白质
4、,一.DNA的复制,2.DNA聚合酶(DNA polymease),(四)参与复制的酶和蛋白质,一.DNA的复制,2.DNA聚合酶(DNA polymease),35核酸外切,2.DNA聚合酶(DNA polymease),Every cell contains several different nucleases(核酸酶),belonging to two broad classes:exonucleases(核酸外切酶)and endonucleases(核酸内切酶).Exonucleases degrade nucleic acids from one end of the molec
5、ule.核酸外切Exonucleases degrade nucleic acids from one end of the molecule.Many operate in only the 5 3 or the 35 direction,removing nucleotides only from the 5 or the 3 end,respectively,of one strand of a doublestranded nucleic acid or of a single-stranded DNA.,(四)参与复制的酶和蛋白质,一.DNA的复制,Endonucleases can
6、 begin to degrade at specific internal sites in a nucleic acid strand or molecule,reducing it to smaller and smaller fragments.A few exonucleases and endonucleases degrade only single-stranded DNA.There are a few important classes of endonucleases that cleave only at specific nucleotide sequences.,(
7、四)参与复制的酶和蛋白质,一.DNA的复制,53核酸外切,一.DNA的复制,(四)参与复制的酶和蛋白质,一.DNA的复制,DNA Replication Requires Many Enzymes and Protein Factors,Replication in E.coli requires not just a single DNA polymerase but 20 or more different enzymes and proteins,each performing a specific task.The entire complex has been termed the
8、DNA replicase system or replisome.The enzymatic complexity of replication reflects the constraints imposed by the structure of DNA and by the requirements for accuracy.,(四)参与复制的酶和蛋白质,一.DNA的复制,DNA Replication Requires Many Enzymes and Protein Factors,(四)参与复制的酶和蛋白质,合成RNA引物，又叫引物合成酶、引发酶。,2.引物酶(primer),它
9、以单链DNA为模板，以ATP、GTP、CTP、UTP为原料，从53方向合成出RNA片段，即引物。,一.DNA的复制,3.DNA连结酶(DNA ligase),催化DNA双链中一条链上的缺口（3-OH 与它下游相邻的核苷酸的 5-磷酸之间）共价连结（形成磷酸二酯键）。,连结过程需要能量，E.coli 和某些细菌中由NAD+提供；动物细胞由ATP提供。,(四)参与复制的酶和蛋白质,一.DNA的复制,(四)参与复制的酶和蛋白质,一.DNA的复制,3.DNA连结酶(DNA ligase),4.使DNA双螺旋解开的酶和蛋白质,解螺旋酶(helicase)：将DNA的两条链打开。每解开一对碱基需要水解2分
10、子ATP。方向为5-3，大肠杆菌中的解螺旋酶又叫rep蛋白，但方向为3-5。,(四)参与复制的酶和蛋白质,一.DNA的复制,单链结合蛋白(SSBP)：与解链后的DNA单链结合，阻止其再次形成双螺旋。大肠杆菌SSB为177 aa多肽，以四聚体形式存在，与32个bp DNA区相结合，结合后的DNA 分子僵硬，不易弯曲，有利于单链DNA分子的稳定，避免核酸酶进攻；同时降低了Tm值，进一步促进DNA的解链。,(四)参与复制的酶和蛋白质,一.DNA的复制,4.使DNA双螺旋解开的酶和蛋白质,旋转酶(gyrase,untwisting protein)：催化DNA的拓扑连环数发生变化。可分为拓扑异构酶和拓
11、扑异构酶。型酶可减少负超螺旋；型酶可引入负超螺旋（此时需要ATP提供能量）。具有内切酶和连接酶活力，参与DNA复制前双螺旋的松弛及复制后超螺旋的再恢复。,(四)参与复制的酶和蛋白质,一.DNA的复制,4.使DNA双螺旋解开的酶和蛋白质,dn蛋白(mobile promoter)：功能：识别DNA的合成的起始位置，与引物酶及其它一些蛋白组成复合体启动RNA引物链的合成。,(四)参与复制的酶和蛋白质,一.DNA的复制,4.使DNA双螺旋解开的酶和蛋白质,（五）复制的过程,复制从特定的位点开始，这一位置叫复制原点。,原核生物的DNA上一般只有一个复制原点，但在迅速生长时期，第一轮复制尚未完成，就在起
12、点处启动第二轮复制；,真核生物则有多个复制原点，可以同时启动复制过程。,1.复制的启动,一.DNA的复制,复制过程的调控主要取决于复制启动的频率，而DNA延长的速度大体上是恒定的。由于真核生物在多位点上启动复制，所以尽管其DNA比原核生物DNA大得多，但复制的总速度反而比原核生物快。,DNA的复制是由引发体识别并结合于复制原点而被启动的，其机理比较复杂，目前还不十分明了。,1.复制的启动,（五）复制的过程,一.DNA的复制,2.复制眼的形成,由于复制原点都是在DNA分子的内部，而不是在末端，所以当复制启动后需要在复制原点处将DNA双螺旋局部解链，形成“眼状”结构 复制眼。,（五）复制的过程,一
13、.DNA的复制,复制眼的结构：,复制眼形成后，其两端的叉子状结构称为复制叉。,2.复制眼的形成,（五）复制的过程,一.DNA的复制,2.复制眼的形成-双螺旋解开的过程,解螺旋酶使DNA双螺旋局部解链；SSB结合到解开的单链上；拓扑异构酶向DNA中引入负超螺旋，以消除由解链产生的扭曲张力(动画)。,（五）复制的过程,一.DNA的复制,（五）复制的过程,一.DNA的复制,3.复制叉的推进,(1)复制叉推进的方式,随着复制叉的推进，两条新链的合成方向是不同的：一条链延伸的方向与复制叉前进的方向一致，它的合成能连续进行，称为前导链；,（五）复制的过程,一.DNA的复制,另一条链延伸的方向与复制叉前进的
14、方向相反，它显然不能被连续合成，需要复制叉推进了一定的长度，有了一段DNA单链后，才能以此为模板合成一个片段。因此这条新链的合成是不连续的，而且总晚于先导链，所以称为随后链。,（五）复制的过程,一.DNA的复制,3.复制叉的推进-复制叉推进的方式,这种前导链连续合成，随后链断续合成的方式，称为半不连续复制。随后链中合成的多个DNA片段，称为冈崎片段。冈崎片段的长度原核细胞中约10002000个核苷酸，真核细胞中约100200个核苷酸。,（五）复制的过程,一.DNA的复制,3.复制叉的推进-复制叉推进的方式,引物酶在复制原点附近合成一段RNA引物；DNA聚合酶(原核细胞)在引物的3末端逐个添加脱
15、氧核苷酸。随着复制叉的推进，亲代DNA双螺旋不断被解开，先导链也不断延伸。,先导链的合成,（五）复制的过程,一.DNA的复制,3.复制叉的推进-复制叉推进的过程,随后链的合成,引物的合成：随后链的每个冈崎片段都需要合成 RNA引物。也是由引物酶催化。,冈崎片段的合成：DNA聚合酶(原核细胞)在引物的3末端使DNA链延伸，直至抵达其下游的另一个冈崎片段的RNA引物的5端。,（五）复制的过程,一.DNA的复制,3.复制叉的推进-复制叉推进的过程,随后链的合成,冈崎片段的连结：DNA聚合酶一面以其DNA聚合活性在上游冈崎片段的3-OH末端添加脱氧核苷酸，一面以其53核酸外切活性切除引物，直至将引物全
16、部切除。DNA连接酶将最后的缺口补好。,（五）复制的过程,一.DNA的复制,3.复制叉的推进-复制叉推进的过程,先导链和随后链中DNA的延伸由同一个DNA聚合酶全 酶二聚体催化,随后链的模板回折成环，从而使冈崎片段的延伸方向与先导链的延伸方向一致，它们的3末端分别落在DNA聚合酶全酶的双活性部位。因此，随着聚合酶的移动，两条链同时延伸。,（五）复制的过程,一.DNA的复制,3.复制叉的推进-复制叉推进的过程,4.复制的结束,复制的终止没有特殊的信号,原核生物中：其环状的DNA从单点开始双向复制，当两个复制叉在复制原点的对面处相遇并合并时，结束复制，形成两个环状DNA分子。,（五）复制的过程,一
17、.DNA的复制,4.复制的结束,复制的终止没有特殊的信号,真核生物中：其线状的DNA上有多个复制原点，因此形成多个复制眼，复制叉的推进使复制眼增大，直至各个复制眼融合，复制终止，形成两个线状DNA分子。,（五）复制的过程,一.DNA的复制,（六）DNA复制的忠实性,一.DNA的复制,差错率为10-9-10-10,新合成的子链与母链之间碱基配对严格性使用引物RNADNA聚合酶对底物专一性DNA聚合酶的校对作用5.DNA修复机制,二.DNA的损伤与修复,DNA分子的完整性对细胞至关重要，这一点是其它生物分子无法比拟的。在生物的进化中，DNA复制中可因DNA聚合酶催化作用引发出偶然的错误。环境因素（
18、如辐射、紫外光照射、化学诱变物等）也可引起DNA序列上的错误，这些错误若不能予以改正而保留下来，会直接影响机体的生理功能，以致影响到后代的正常生长和发育。但是，生物体内存在有效的修复（repair）体系，保证了DNA复制的高度精确性。,二.DNA的损伤与修复,1.DNA损伤的原因,外环境中的射线：X-射线、紫外线等 高剂量的紫外辐射使DNA链上邻近的嘧啶核苷酸之间形成化学键，生成二聚体；此外还有脱嘌呤作用和脱氨基作用.,二.DNA的损伤与修复,2.修复,所有细胞对DNA的损伤都有一定的修复能力，以恢复正常的DNA结构。,修复的方式：光修复、切除修复、重组修复、SOS修复,(1)光修复 由DNA
19、光裂合酶（photolyase）催化。该酶需要光（400700 nm）才能激活，它能切除嘧啶二聚体之间的连键(C-C键)，从而修复由紫外照射而造成的损伤。,二.DNA的损伤与修复,2.修复,(2)切除修复 该类修复是指在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤的部分切除，并以完整的那一条链为模板，合成出新的被切去的部分，然后使损伤的DNA恢复正常结构的过程。切除修复系统可对多种损伤起修复作用。切除修复有核苷酸切除修复（nucleotide excision repair,NER）和碱基切除修复（base excision repair,BER）两种。,二.DNA的损伤与修复,2.修复,(2)切除
20、修复 修复机制:其过程是：切补切缝 由专一性核酸内切酶催化，在离损伤处附近切断 由DNA聚合酶在断口处进行DNA合成 由5核酸外切酶将损伤部位切掉 由连接酶将新合成的DNA链与原来的链连接,知识窗 NER缺陷与癌症和遗传疾病,核苷酸切除修复（nucleotide excision repair,NER）缺陷与癌症的发生有关，如着色性皮肤病是由于体内NER系统缺陷引起皮肤细胞对日光或紫外线特别敏感，其所形成的T-T二聚体就是因缺乏能切除T-T二聚体的特异性核酸内切酶所致，以致在后续的复制中造成遗传信息改变，最终出现皮肤癌。,知识窗 NER缺陷与癌症和遗传疾病,一些常染色体退行性疾病患者对太阳光极
21、其敏感。还有的患者在婴儿时期皮肤明显地改变，如干燥、进行性的雀斑和角质化（一种皮肤肿瘤）并伴有眼损伤如角膜溃烂、晶体混浊和神经退行性症等，进而发展为致死的皮肤癌，其发病率是正常人得此症的200倍。科凯尼氏综合症（cockayne syndrome CS）也是一种遗传疾病，与NER基因缺损有关，因此，CS患者对紫外照射高度敏感，表现出与皮肤癌同样的发病率。,二.DNA的损伤与修复,2.修复,(3)SOS修复 细胞在紧急状态下，能诱导产生缺乏校对功能的DNA聚合酶，它能在DNA的损伤部位进行复制，从而避免了死亡，但产生很高的变异率。,二.DNA的损伤与修复,2.修复,(3)SOS修复,二.DNA的损伤与修复,2.修复,损伤并未消除，但被“稀释”了。,(4)重组修复,三.DNA突变,1.类型,置换(replacement)A 转换(transition)-同类碱基之间的置换B 颠换(tansversion)-异类碱基之间的置换,三.DNA突变,1.类型,(2)插入(insertion)-DNA链中插入一个或几个碱基对，导致遗传密码阅读框的改变，称为移码突变。(3)缺失(deletion)-DNA链丢失一个或几个碱基对后造成导致遗传密码阅读框的改变，称为移码突变。,
