生物化学课件10.ppt

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中心法则简洁明了的表述了生物遗传信息的传递方向简洁明了的表述了生物遗传信息的传递方向10DNA的生物合成的生物合成n10.1半保留复制半保留复制n10.2参与参与DNA生物合成的酶生物合成的酶n10.3以以DNA为模板合成为模板合成DNA的过程的过程n10.4DNA损伤与修复损伤与修复n10.5以以RNA为模板合成为模板合成DNA的过程的过程10.1半保留复制半保留复制n10.1.1半保留复制的实验证据半保留复制的实验证据n10.1.2半保留复制的意义半保留复制的意义DNA复制复制是半是半保留保留复制复制10.1.1半保留复制的实验证据半保留复制的实验证据10.1.2半保留复制的意义半保留复制的意义n按半保留复制的方式，子代保留了亲按半保留复制的方式，子代保留了亲代代DNA的全部遗传信息的全部遗传信息，保证了遗，保证了遗传信息的相对稳定，是物种稳定性的传信息的相对稳定，是物种稳定性的分子基础。

分子基础。

10.2参与参与DNA生物合成的酶生物合成的酶n10.2.1DNA聚合酶聚合酶n10.2.2DNA分子的拓扑学变化和相关酶分子的拓扑学变化和相关酶n10.2.3引物酶引物酶n10.2.4DNA连接酶连接酶10.2.1DNA聚合酶聚合酶n以以DNA聚合酶聚合酶I为代表说明三个酶为代表说明三个酶的共性的共性:

（1）是一个模板指导酶。

）是一个模板指导酶。

（2）聚合需要引物。

）聚合需要引物。

（3）具有水解作用。

具有水解作用。

（1）模板指导酶）模板指导酶即需要打开的即需要打开的DNA单链作为模板才能单链作为模板才能合成子链。

此酶催化的底物：

必须是脱氧的合成子链。

此酶催化的底物：

必须是脱氧的核苷核苷5-三磷酸（三磷酸（dATP、dGTP、dTTP和和dCTP）；）；只有当所有只有当所有4种脱氧核苷三磷酸以及种脱氧核苷三磷酸以及DNA模板存在时，才能实现模板存在时，才能实现DNA的合成。

的合成。

（2）需要引物）需要引物DNA聚合酶聚合酶只能将脱氧核苷酸加只能将脱氧核苷酸加于已存在的于已存在的DNA或或RNA链的链的3-羟基羟基上，否则不能合成。

上，否则不能合成。

这是一个耗能反应，每合成一个核这是一个耗能反应，每合成一个核苷酸消耗苷酸消耗2分子分子ATP。

聚合反应是延着聚合反应是延着53的方向进行。

的方向进行。

（3）具有水解作用具有水解作用n35外切活力的作用：

外切活力的作用：

复制复制“校对校对”作作用。

用。

从从DNA链链3-羟基端逐个水解成单核苷酸的作用。

羟基端逐个水解成单核苷酸的作用。

n53外切活力的作用：

外切活力的作用：

从从5端切去端切去引物引物RNA的功能。

的功能。

从从5端对端对DNA进行水解的作用。

进行水解的作用。

这两种酶活性称为这两种酶活性称为DNA聚合酶的外切活力，对聚合酶的外切活力，对DNA的复制都的复制都是十分重要的。

是十分重要的。

大肠杆菌大肠杆菌体内各聚合酶作用：

体内各聚合酶作用：

n聚合酶聚合酶是复制时的主要聚合酶；是复制时的主要聚合酶；n聚合酶聚合酶I主要负责消除引物并用脱氧核主要负责消除引物并用脱氧核苷酸填满内隙；苷酸填满内隙；n聚合酶聚合酶的作用尚不清楚。

的作用尚不清楚。

nDNA聚合酶聚合酶和和它们涉及它们涉及DNA的错的错误倾向修复。

误倾向修复。

当当DNA受到严重损伤时，既可诱导受到严重损伤时，既可诱导产生这两个酶，使修复缺乏准确性，因而出现高突变产生这两个酶，使修复缺乏准确性，因而出现高突变率。

它能在率。

它能在DNA许多损伤部位继续复制，在跨越损许多损伤部位继续复制，在跨越损伤部位时就造成了错误倾向的复制。

高突变率虽会杀伤部位时就造成了错误倾向的复制。

高突变率虽会杀死许多细胞，但至少可以克服复制障碍，使少数突变死许多细胞，但至少可以克服复制障碍，使少数突变的细胞得以存活。

的细胞得以存活。

DNA聚合酶聚合酶：

它至少由它至少由8种亚基组成。

这种组装体使酶的催化种亚基组成。

这种组装体使酶的催化能力、准确性大为提高。

它紧紧地结合于模板，每能力、准确性大为提高。

它紧紧地结合于模板，每秒钟聚合秒钟聚合1000多个核苷酸。

多个核苷酸。

许多亚基的功能目前还不清楚，许多亚基的功能目前还不清楚，已知催化活性已知催化活性位于位于亚基，亚基，亚基大约把酶的核心夹于模板上，从亚基大约把酶的核心夹于模板上，从而提高全酶的工作能力，而提高全酶的工作能力，35核酸外切酶活性位核酸外切酶活性位于于亚基。

聚合酶亚基。

聚合酶全酶形成一个对称的二聚体。

全酶形成一个对称的二聚体。

这种结构使复制的先导链及后随链在全酶上同时、这种结构使复制的先导链及后随链在全酶上同时、同方向合成。

同方向合成。

真核生物的真核生物的DNA聚合酶聚合酶n真核生物真核生物DNA聚合酶现已发现至少有聚合酶现已发现至少有5种，分别称为种，分别称为DNA-pol、。

nDNA-pol和和都是在复制延长中起催化都是在复制延长中起催化作用。

作用。

DNA-pol则与原核生物的则与原核生物的DNA-polI相似，在复制过程中起校读、修复相似，在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。

和填补缺口的作用。

nDNA-pol也只是在没有其他也只是在没有其他DNA-pol时时才发挥催化功能。

才发挥催化功能。

10.2.2DNA分子的拓扑学变化和相关酶分子的拓扑学变化和相关酶n10.2.2.1解螺旋酶解螺旋酶n10.2.2.2DNA拓扑异构酶拓扑异构酶n10.2.2.3单链单链DNA结合蛋白结合蛋白10.2.2.1解螺旋酶解螺旋酶n一一种种称称为为解解螺螺旋旋酶酶或或解解螺螺旋旋酶酶，与与随随后后链链的的模模板板DNA结结合合，沿沿53方方向向运运动动；一一种种称称为为Rep蛋蛋白白，和和前前导导链链的的模板模板DNA结合，沿结合，沿35方向运动方向运动。

10.2.2.2DNA拓扑异构酶拓扑异构酶n原原核核生生物物中中与与复复制制有有关关的的主主要要是是DNA拓拓扑扑异异构构酶酶，又又称称DNA解解旋旋酶酶（DNAgyrase），发挥作用需发挥作用需ATP水解供能。

水解供能。

n真真核核生生物物中中Topo和和均均与与复复制制有有关关。

Topo不不需需消消耗耗ATP，其其酪酪氨氨酸酸残残基基能能与与DNA3-磷磷酸酸基基团团形形成成共共价价结结合合的的中中间间产产物物，它它能能使使负负或或正正超螺旋变为松驰态。

超螺旋变为松驰态。

Topo的的存存在在需需要要ATP供供能能，它它不不仅仅参参与与DNA复制，还促进两个子代分子的分离。

复制，还促进两个子代分子的分离。

10.2.2.3单链单链DNA结合蛋白结合蛋白n解螺旋酶沿复制叉方向向前推进产生了解螺旋酶沿复制叉方向向前推进产生了一段单链区，但是这种单链一段单链区，但是这种单链DNA不会长不会长久存在，会很快重新配对形成双链久存在，会很快重新配对形成双链DNA或被核酸酶降解。

或被核酸酶降解。

nSSBP能很快地和单链能很快地和单链DNA结合，防止其结合，防止其重新配对形成双链重新配对形成双链DNA或被核酸酶降解。

或被核酸酶降解。

10.2.3引物酶引物酶（Primerase）所有的所有的DNA聚合酶都要求一个有自由聚合酶都要求一个有自由3-OH的引物来起始的引物来起始DNA的合成。

这段的合成。

这段RNA长长5-10个核苷酸，由一种特异的个核苷酸，由一种特异的RNA聚合酶合成，此酶称为引物酶聚合酶合成，此酶称为引物酶。

引物及引物酶的作用：

引物及引物酶的作用：

这与这与DNA聚合酶聚合酶的高度忠实性复制分不开。

的高度忠实性复制分不开。

已知已知DNA聚合酶具有聚合酶具有35的外切作用以校对复的外切作用以校对复制中的错误核苷酸。

也就是说聚合酶在开始形成一个制中的错误核苷酸。

也就是说聚合酶在开始形成一个新的磷酸二酯键前，总先要检查前一个碱基是否正确，新的磷酸二酯键前，总先要检查前一个碱基是否正确，这就决定了它不能从头开始合成。

这就决定了它不能从头开始合成。

因此先合成一段低忠实性的多核苷酸来开始因此先合成一段低忠实性的多核苷酸来开始DNA的合的合成，并以核糖核苷酸来标记是成，并以核糖核苷酸来标记是“暂时暂时”的。

这种高度精确的安的。

这种高度精确的安排增加了排增加了DNA复制的复杂性，却保证了复制的忠实性。

已知复制的复杂性，却保证了复制的忠实性。

已知复制的误差率仅为十亿分之一至百亿分之一，即复制十亿到复制的误差率仅为十亿分之一至百亿分之一，即复制十亿到一百亿个碱基才可能出一个差错。

一百亿个碱基才可能出一个差错。

10.2.4DNA连接酶连接酶催化两条催化两条DNA单链连接起来或把单条单链连接起来或把单条DNA链闭合起来。

链闭合起来。

10.3以以DNA为模板合成为模板合成DNA的过程的过程n10.3.1复制的起始复制的起始n10.3.2复制的延伸复制的延伸n10.3.3复制的终止复制的终止10.3.1复制的起始复制的起始n

（1）4个个danA蛋白结合蛋白结合与复制与复制原点原点（origin）上上的的danA蛋白结合蛋白结合部位蛋白。

部位蛋白。

n

（2）接着接着danB和和danC等蛋白复合物进等蛋白复合物进入入DNA的熔解区形成前引物化复合物。

的熔解区形成前引物化复合物。

n（3）前引物化复合物形成后，导致模板）前引物化复合物形成后，导致模板DNA双螺旋解链，解螺旋的双螺旋解链，解螺旋的DNA部分被部分被单链结合蛋白结合，保持伸展状态，形成单链结合蛋白结合，保持伸展状态，形成单链模板。

单链模板。

n（4）引物合成：

接着，引物酶也结合于单）引物合成：

接着，引物酶也结合于单链模板上开始合成链模板上开始合成RNA引物。

引物。

danA蛋白结合时要求双螺旋蛋白结合时要求双螺旋DNA必须是负超必须是负超螺旋状态，识别起始原点的螺旋状态，识别起始原点的作用。

作用。

danB蛋白是解螺旋酶蛋白是解螺旋酶，它催化由它催化由ATP推动的推动的双螺旋双螺旋DNA的解链。

的解链。

10.3.2复制的延伸复制的延伸n引物引物RNA合成完成后，合成完成后，DNA聚合聚合全全酶酶进入已形成的复制叉上，它已合成的进入已形成的复制叉上，它已合成的引物引物RNA开始延伸子链。

开始延伸子链。

在聚合酶在聚合酶全酶的前头，还有一个全酶的前头，还有一个rep蛋白，蛋白，它像起始部位的它像起始部位的dnaB蛋白一样是一个解螺旋酶使复蛋白一样是一个解螺旋酶使复制叉得以推进，制叉得以推进，SSB再次保持解链的再次保持解链的DNA单链处于单链处于伸展状态而使之起模板作用，伸展状态而使之起模板作用，DNA促旋酶则同时引促旋酶则同时引入负超螺旋，以避开拓扑学上的危机，以利聚合酶入负超螺旋，以避开拓扑学上的危机，以利聚合酶全酶在两条模板不断延伸。

全酶在两条模板不断延伸。

先导链和随后链同时同方向合成先导链和随后链同时同方向合成：

完整的随后链的形成：

完整的随后链的形成：

半保留半不连续复制：

半保留半不连续复制：

DNA复制时子链双链中有一条复制时子链双链中有一条来源于母链，以来源于母链，以DNA母链双链为母链双链为模板合成子链时模板合成子链时,其中一条子链的其中一条子链的合成是不连续的合成是不连续的,而另一条链的合而另一条链的合成是连续的。

成是连续的。

10.3.3复制的终止复制的终止（3）复制的终止）复制的终止复制具有终止（复制具有终止（termination）位置。

在大肠位置。

在大肠杆菌里，由于基因组是一环型杆菌里，由于基因组是一环型DNA，两个复两个复制叉向前推移，最后在终止区相遇并停止复制。

制叉向前推移，最后在终止区相遇并停止复制。

10.4DNA损伤与修复损伤与修复n10.4.1DNA的损伤的损伤n10.4.2损伤修复系统损伤修复系统10.4.1DNA的损伤的损伤n某些化学、物理的因素可引起细胞某些化学、物理的因素