第10章 核酸及蛋白质的生物合成

Direction of DNA replication
原核生物 的染色体和质 粒，真核生物 的细胞器DNA 都是环状的双 链分子，都在 一个固定的起 点 开始复制， 复制的方向是 双向的。即形 成2个复制叉。
复制叉—亲代链分开及新生 DNA开始复制处形成的Y形 结构。
细菌DNA复制叉移动的 速度 大约50000bp/min，真核生物 染色体DNA复制叉移动的 速 度大约1000~3000bp/min，高 等真核生物一般复制子为 100~200kb。
1958年，Messelson 和 Stahl用实验加以证实。 细菌可利用NH4Cl作氮源合成DNA。
普通DNA的 沉降位置
含15N-DNA 的细菌
培养 于含 14NDNA 的普 通培 养液
含15NDNA链
普通DNA的 沉降位置
第一代
含14NDNA链
重DNA的沉 降位置
第二代 细菌的DNA双链 密度梯度 离心结果
码再DNA分子上，表现为特定的核 苷酸排列顺序。并通过DNA的复制 由亲代传递给子代。在后代的生长 发育过程中，遗传信息自DNA转录
给RNA，然后翻译成特异的蛋白质
（中心法则）。以执行各种生命功 能，使后代表现相似的遗传性状。
复制—遗传物质从亲代
DNA传递到子代DNA分子上， 合成出与原来DNA相同分 子的过程。 Reverse 转录—在DNA分子上 transcription 合成出与其核苷酸顺 序相对应的RNA的过程。
翻译—在RNA的指导下，
根据核酸链上每三个核苷 酸决定一个氨基酸的三联 体密码规则，合成出具有 特定氨基酸顺序的蛋白质 肽链的过程。
10.1 DNA的生物合成
复制过程可分为：起始、延长和终止3个阶段。
一、DNA的半保留复制
通过碱基配对(A-T,C-G),两条链连在一起，成为 互补链。一条链上核苷酸排列顺序决定了另一条链上 的核苷酸排列顺序，每一条链都含有合成它的互补链 所必需的全部遗传信息。
DNA新起始方式（de novo initiation）复制的基本模 式 Parental D.S,DNA
Unwinding protein RNA polymerase Primase DNA polymerase Replication loop
RNA primer
RNA-primed DNA pieces (1kb)
DNA聚合酶
酶 作 用 DNA聚合酶Ⅰ 不能从无到有开始DNA合成，要有引物链。5'
3'聚合酶及外切酶作用，3' 5'外切酶酶作用， 可校正/修复DNA链，还可切除引物。 DNA聚合酶Ⅱ 5' 3'聚合酶及3' 5'外切酶酶作用，可校正/ 修复DNA链。
DNA聚合酶Ⅲ 与酶Ⅰ作用类似，酶活高，是主要的链延伸酶
四、原核生物DNA生物合成过程
进化中形成了活的多酶复合体 replisome
Top I , Top II
复
Helicase (rep protein) Single Strand Binding protein (SSB)
Many shorter DNA pieces (1-2 kb) Repair & filling in 5’ to 3’
Poly(dNt) ligase
Bidirectional lengthening of new stands
眼形结构
三、原核生物DNA复制的酶学
DNA复制所需的物质及作用
1、底物：dNDP 。
D:由3`端使DNA链发生焦磷酸解。 E:无机焦磷酸盐与脱氧核糖核苷三磷酸之间的焦磷酸基交换。 每个大肠杆菌细胞约有400个分子的DNA聚合酶Ⅰ。
DNA聚合酶Ⅰ不是复制酶，而是修复酶，起着去除RNA引物的作用，只是参
与局部修复。
（2）DNA聚合酶Ⅱ（ pol- Ⅱ）,
DNA聚合酶Ⅱ 为多亚基酶。
作用：
Continuous 5’ to 3’ in Leading S.
leading Strand lagging Strand
Elongation of lag.& lea. strands DNA polymerase Discontinuous 3’ to 5’ in lagging S.
Two long DNA pieces
DNA复制过程中，首先碱
基间氢键断裂并使双链解旋和
分开，然后每条链可作为模板
在其上合成新的互补连，新形 成的两个DNA分子与原来DNA分 子的碱基顺序完全一样。在此 过程中，每个子代分子的一条
链来自亲代DNA，另一条链子
是新合成的。这种方式称为半 保留复制。
DNA复制
（一）半保留复制的实验依据
DNA聚合酶Ⅲ为多亚基（10种）组成的蛋白质，其全酶由α、
β、γ、δ、δ‘、ε、θ、τ、χ、ψ10种亚基组成。 是DNA的复制酶。 每个大肠杆菌细胞约有10-20个分子DNA聚合酶Ⅲ。 作用：其性能与DNA聚合酶Ⅱ相似。
A:需要模板，以dNTP为底物，需要有引物的存在，从5`
方向合成DNA。 B:具有3` 5`核酸外切酶活性，但无5` C：多亚基酶。
δ'
χ φ β
1
1 1 4
形成γ复合物
形成γ复合物 形成γ复合物 两个β亚基形成滑动夹子，以提 高酶的持续合成能力。
pol- Ⅲ 异二聚体结构
pol- Ⅲ 异二聚体结构
β亚基由两个形成夹子结构
（4）DNA聚合酶Ⅳ和DNA聚合酶Ⅴ
涉及DNA的错误倾向修复。使修复缺 乏准确率。 DNA受到较严重的损伤时，即可诱导 产生这两种酶。
第二篇 代谢篇
第10章 核酸及蛋白质 的生物合成
10.1 10.2 10.3
DNA的生物合成 RNA的生物合成 蛋白质的生物合成
生物亲代与子代之间，在形态、结构和生理功能上常常相似，这就是 遗传现象。 生物的遗传特性，使生物界的物种能够保持相对稳定。
生物的各项生命活动都 有它的物质基础。生物 遗传的物质基础是什么 呢？
Top II
Cut
Top I
D.S. DNA
Ligat e
ATP
Top I在DNA的一股链上产生缺口，使另一条链得以穿越。 Top II则在DNA的双链上产生缺口，使另一双链DNA片段得以穿越。
（二）引物酶（Primase)和引发体(Primosome)
引物酶(Dna G )：催化引物合成的一种RNA聚合酶。 引物酶在模板的复制起始部位催化互补碱基的聚合，形成短片断的RNA。引物 酶和解螺旋酶共同起作用。 辨认起点 解螺旋 引物酶 引发体： Dna A 蛋白、 Dna B蛋白 、Dna G 蛋白、 Dna C及其他复制因子， 一起形成复合体，结合引物酶，形成较大的聚合体，再结合到模板DNA上。 引发体的下游解开双链，再由引物酶催化引物的合成。
（聚合酶 replicase）。
DNA聚合酶Ⅳ 涉及DNA的错误倾向修复。DNA受到严重损伤时，
可诱导产生，使修复缺乏准确性。
DNA聚合酶Ⅴ 同上。
（四）DNA连接酶
DNA聚合酶只能催化DNA链的延长反应，不能使链之间连接。 DNA连接酶催化双链DNA切口处的5‘磷酸基和3’羟基生成磷酸二 酯键。 DNA连接酶在DNA的复制、修复和重组等过程均起重要的作用。 反应分三步进行： 第一步：NAD或ATP+DNA连接酶 酶-AMP复合物 第二步：酶将AMP转移给DNA切口处的5′磷酸，形成AMP-DNA。 第三步：通过相邻链的3′-OH对活化的磷原子发生亲核攻击， 生成3′ ，5′磷酸二酯键。同时释放出AMP。 Nick：指断裂的磷酸二酯键。 Gap：指缺失核苷酸
3`
3`核酸外切酶活性。
DNA聚合酶Ⅲ全酶亚基组成
亚基 α 亚基数 2 2 2 亚基功能 聚合活性。催化从5` 3`方向合 成DNA。 3'→5'外切酶活性，校对功能 核心酶 组建核心酶
核 心 酶
ε θ
τ
γ 夹 子 装 配 器 δ
2
2 1
核心酶二聚化
依赖DNA的ATP酶，形成γ复合 物 可与β亚基结合，形成γ复合物
Primosome （consists of six proteins）
PriA (dual role) displace SSB from S.S DNA and helicase
DnaT required at prepriming stage
DnaB is central component, action with DnaC DnaC is central component, action with DnaB PriB PriC function is unknown function is unknown
A G A A C
T C T T G
A G A A C 亲 链
T C T T G 子 链
A G A A C 子 链
T C T T G 亲 链
二、DNA复制的起点和方式
J.Cairns（1963年）
复制子—基因组能独立进行复制的单位。 每个复制子都含有控制复制起始的起点（富含A、T区）， 可能还有终止复制的终点。复制是在起始阶段进行控制的， 一旦复制开始，它既继续下去，，直到整个复制子完成复制。
DnaG primase
（三）DNA聚合反应和聚合酶
1、DNA聚合反应
Kornberg(1956)发现了DNA聚合酶。该酶可
催化4种脱氧核糖核苷三磷酸合成DNA。脱氧核 糖核苷酸被加到DNA链的末端，同时释放出无 机焦磷酸。 （dNMP)n + dNTP
DNA
(dNMP)n+1 + ppi
延长了的DNA
解螺旋酶（DNA helicase) 解开双链。同样功能的还有Rep蛋白。 单链DNA结合酶 （SSB) 维持模板的单链状态并保持单链的完整。