DNA的生物合成
dna生物合成法
dna生物合成法DNA生物合成法是一种基因工程技术，通过人工合成DNA序列，使其具备特定的功能。
它在生物医学、农业和工业领域有着广泛的应用。
本文将从DNA生物合成法的原理、应用以及未来发展等方面进行介绍。
DNA生物合成法基于DNA的化学合成原理，通过化学合成方法合成具有特定序列的DNA。
DNA合成可分为两种主要方法：固相合成和液相合成。
固相合成是将DNA序列逐个碱基单位地合成在固相载体上，然后逐个碱基单位地进行去保护和连接，最终得到完整的DNA序列。
液相合成是将DNA序列逐个碱基单位地合成在液相中，并通过反应条件的调控来实现碱基的合成和连接。
DNA生物合成法在生物医学领域有着重要的应用。
通过人工合成的DNA序列，可以构建特定的基因和基因组，用于研究基因功能、疾病机制以及药物研发。
例如，科学家可以通过合成DNA序列来研究某种基因在细胞生长和分化过程中的作用，从而揭示其调控机制。
此外，DNA生物合成法还可以用于合成人工基因组，用于构建合成生物和人工细胞等研究。
在农业领域，DNA生物合成法也有着广泛的应用。
通过合成DNA 序列，可以改良作物的性状和产量，提高作物的抗病性和适应性。
例如，科学家可以通过合成DNA序列来改良作物的免疫系统，使其对病原体具有更强的抵抗力。
此外，DNA生物合成法还可以用于合成转基因作物，使其具备特定的抗虫性或耐草甘膦等特性。
在工业领域，DNA生物合成法也有着重要的应用。
通过合成DNA 序列，可以构建具有特定功能的酶和代谢途径，用于生物催化合成和生物能源转化等领域。
例如，科学家可以通过合成DNA序列来构建高效的酶催化系统，用于生物催化合成有机化合物。
此外，DNA生物合成法还可以用于合成生物能源，如合成生物柴油和生物氢等。
DNA生物合成法在未来还有着广阔的发展前景。
随着合成生物学和基因工程技术的不断发展，合成DNA序列的合成效率和质量将得到进一步提高。
这将为生物医学、农业和工业领域的研究提供更多的选择和可能性。
DNA的生物合成(精)
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
一. DNA的复制
n1d ATP n2d CTP n3d GTP n4d TTP
DNA聚合酶 DNA模板
DNA +（n1+n2+n3+n4)PPi
PPi随即被焦磷酸酶水解，从 而推动聚合反应的进行。
做半保留复制（semiconservative replication）。
(二) 复制的方式 半保留复制
一. DNA的复制
(二) 复制的方式
一. DNA的复制
如何证明半保留复制
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
双螺旋DNA
3′5′ 带切开的3′ 端单链穿越 与另一条连 接封口 Tyr
一.DNA的复制
TopⅠ被解离 (-) (-)
P OH
2个负超螺旋 DNA-酶中间物
O R HN CH C NH R′ CH 2 Tyrosine N O O O 5′ H Oˉ H P O O P Oˉ (b) O O H H DNA链 N H N NH 2 N
② 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 Ⅲ (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 3.复制叉的推进-复制叉推进的过程
生物化学重点_第十一章dna的生物合成
生物化学重点_第十一章D N A的生物合成work Information Technology Company.2020YEAR第十一章 DNA的生物合成一、中心法则：① DNA的自我复制将遗传信息由亲代传递给子代；② 转录：以DNA为模板合成RNA；③ 翻译：mRNA指导蛋白质的生物合成，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。
但在少数RNA病毒中，其遗传信息贮存在RNA中。
因此，在这些生物体中遗传信息的流向是④ RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代；⑤ 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，二、DNA复制的特点：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(semiconservative replication)。
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。
2．需要引物(primer)：DNA聚合酶必须以一段具有3'端自由羟基（3'-OH）的RNA作为引物，才能开始聚合子代DNA链。
3．半不连续复制：由于DNA聚合酶只能以5'→3'方向聚合子代DNA链，因此两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时的方式是不同的。
以3'→5'方向的亲代DNA链作模板的子代链在聚合时基本上是连续进行的，这一条链被称为前导链(leading strand)。
而以5'→3'方向的亲代DNA链为模板的子代链在聚合时则是不连续的，这条链被称为随后链(lagging strand)。
DNA在复制时，由随后链所形成的一些子代DNA短链称为冈崎片段(Okazaki fragment)。
三、DNA复制的条件：1．底物：以四种脱氧核糖核酸(deoxynucleotide triphosphate)为底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。
第13章 DNA生物合成(简明生物化学)
Dna A辨认复制启始点，然后引物酶进入（DnaG 蛋白） ，加上解螺旋酶、 DnaB蛋白和DnaC蛋 白等，与DNA的起始复制区域形成引发体。
DNA聚合酶Ⅲ 由其β亚单位辨认引物，新链的 第一个脱氧核苷酸与引物的3-OH形成磷酸二酯键， 开始复制
滚动环式：单向复制，低等生物如质粒 共价闭环双链分子的正链由核酸内切酶在一特
定位点切开，游离出的5’-磷酸基末端固定在细胞膜 上，然后以环状负链为模板，从正链的3’-OH末端 延长形成正链。不需要另外合成引物。
3′ 5′
5′
3′
领头链
5′Leabharlann 5′ 随从链3′ 3′
5′
（二）引发体的生成
复制过程需要引物--短链RNA
拓扑异构酶 单链结合蛋白 解链酶 引物酶及引发体 DNA聚合酶 DNA连接酶 引物
冈崎片段
领头链 3′ 5′
随从链 3′
5′
五、 DNA连接酶（ligase）
• 催化两段DNA之间的连接
′
5P
3′ OH
+ 5′ P
γ
P O-
β
O PO Oα-
3′
OH
DNA
ligase +AMP
5′ P
PPi
O 3′ OH
一种是全部轻的14N-14N。为1∶1； 3代：仍有两种分子，但14N-14N增多，为
1∶3； 4代：两者比为1∶7。
DNA半保留复制的证据
细菌 （含15N-DNA)
普通培养基
第一代
普通培养基
普通DNA
普通DNA 重DNA
第二代
重DNA
DNA的生物合成
母链DNA
复制过程中形成 的复制叉
子代DNA
目录
• 密度梯度实验
梯度离心结果
含重氮N15-DNA的细菌
培养于普 通培养液
第一代
继续培养于 普通培养液
第二代 ——实验结果支持半保留复制的设想。
目录
• 半保留复制的意义
按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA
的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗
传信息，体现了遗传的保守性。 遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础， 但不是绝对的。
目录
（二）真核生物的DNA聚合酶
DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol 起始引发，有引物酶活性。 参与低保真度的复制 。 在线粒体DNA复制中起催化作用。 延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。 在复制过程中起校读、修复和填补缺 口的作用。
目录
5' 3'
dCTP
dGTP
dTTP
dATP
dCTP
dATP
dGTP
dTTP
目录
领头链的合成
目录
随从链的合成
目录
目录
目录
目录
目录
目录
（三）复制的终止
• 原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制 片段在复制的终止点(ter)处汇合。
ori
0
ori
50
82
32
ter
SV40
ter
E.coli
全称：依赖DNA的DNA聚合酶 (DNAdependent DNA polymerase) 简称：DNA-pol
活性：1. 5'→3' 的聚合酶活性
DNA的生物合成
13/16.DNA的生物合成 13.2 原核生物DNA的复制 13.2.1 参与原核DNA复制的酶和蛋白质
1.原核生物的DNA聚合酶 （1）DNA聚合酶Ⅰ:
Klenow片段，含DNA聚合 酶和3´→5´核酸外切酶活性
13/16.DNA的生物合成
13.2 原核生物DNA的复制
13.2.1 参与原核DNA复制的酶和蛋白质
• 基因组能独立进行复制的单位称为复制子，每个复制子都含有控制复制起始
的起点，可能还有终止复制的终点
• 大多数原核生物染色体DNA的复制是双向，形成复制眼，单向复制的特殊形
式，称为滚动环式
• 真核生物染色体DNA是线形双链分子，含有许多复制起点，因此是多复制子。
13/16.DNA的生物合成 13.1 DNA复制的概况 13.1.2 DNA复制的起点和方向
13/16.DNA的生物合成 13.2 原核生物DNA的复制 13.2.1 参与原核DNA复制的酶和蛋白质
1.原核生物的DNA聚合酶
β-滑动夹子 将正在复制的DNA固定在夹子中心，并能随DNA复制沿着模板DNA链滑动 使DNA聚合酶不易从模板脱离，有利于DNA的连续复制
13/16.DNA的生物合成 13.2 原核生物DNA的复制 13.2.1 参与原核DNA复制的酶和蛋白质
2.参与原核生物DNA复制的其他酶和蛋白质 （5）其它蛋白因子
单链结合蛋白（SSB-single-strand binding protein） 稳定已被解开的DNA单链，阻止复性和保护单链不被核酸酶降解。
引发前体 它由多种蛋白质dnaA、dnaB、dnaC、n、n´、n´´ 和i组成。引发前体再与引发
若双链DNA中一条链有切口，一端是3´-OH，另一端是5´-磷酸基，连接酶可 催化这两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。
生化-第十章DNA的生物合成
3. 大肠杆菌 大肠杆菌DNA聚合酶 Ⅲ——polⅢ 聚合酶 Ⅲ DNA复制酶，1972年发现 复制酶， 复制酶 年发现 是真正起复制作用的酶， （1）pol Ⅲ 是真正起复制作用的酶，由10种 ） 种 亚基组成不对称二聚体 不对称二聚体， 、 、 组成核心酶 亚基组成不对称二聚体，α、ε、θ组成核心酶 （2）功能： ）功能： 聚合酶活性； ① 5′→3′聚合酶活性； 聚合酶活性 外切酶活性。 ② 3′→5′外切酶活性。 外切酶活性 该酶在原核细胞中主要负责DNA链的延伸， 链的延伸， 该酶在原核细胞中主要负责 链的延伸 是复制延长中真正起催化作用的酶。 是复制延长中真正起催化作用的酶。
双向复制
复制叉
起点 单向复制 起点
的复制－－（ 三、原核细胞DNA的复制－－（ 原核细胞 的复制－－（DNA指导下的 指导下的 DNA合成） 合成） 合成 （一）DNA聚合酶 聚合酶 1956年kornberg等首先从大肠杆菌中发现 年 等首先从大肠杆菌中发现DNA 等首先从大肠杆菌中发现 聚合酶。其后在广泛不同的生物中都找到有这 聚合酶。 种酶。 种酶。
加入的dNTP 加入的
亲核攻击
5′
引 物
3′
DNA模板链 模板链 脱氧核糖
底物： 底物： dNTP (dATP dGTP dCTP dTTP)； ； 聚合酶（ 聚合酶（polymerase， DNA-pol): ， 依赖DNA的DNA聚合酶 是1种模板指导的酶 聚合酶,是 种 依赖 的 聚合酶 模板（ 解开成单链的DNA母链； 母链； 模板（template): 解开成单链的 母链 引物（ 提供3′-OH末端 使dNTP聚合； 末端,使 聚合； 引物（primer): 提供 末端 聚合 其它酶和蛋白质因子
Arthur Kornberg won the 1959 Nobel Prize in Medicine for his discovery of the mechanism in the biological synthesis of deoxyribonucleic acid (before Watson and Crick won theirs!)
DNA的生物合成02
第三节 参与DNA复制的酶类
• • • • • • 参与DNA复制的酶或蛋白因子主要有以下几种： 1 DNA聚合酶 催化DNA的合成。 2 引物酶 起始DNA的合成 3 连接酶 连接岗奇片段 4 DNA解链，解旋酶 5 DNA结合蛋白。
一 DNA聚合酶(Polymerase)
• （一） 作用机制 • 以DNA做模板，碱基互补配对，催化4种dNTP 之间形成磷酸二酯键，从而延长DNA链。
终止子（Terminator)）含22bp
Tus: Terminus utilization substance 复制叉到达终止区，完成复制前， 复制暂停。两个子代DNA缠绕在 一起，需要分开。
四 线性DNA末端复制
• 对于真核细胞的终止，是如何补平5‘－末端除去 • 引物RNA后留下的缺口。
3 DNA复制的双向性
• 在两个方向同时进行，形成两个复制叉 • Replication Fork .
复制子 Replicon
• Replicon 基因组中能独立进行复制的结构单 位称复制子, 或者说单个复制起始点控制的DNA。 • 复制的起始位点 控制并起始复制的特定位点。 • 终止位点 终止复制的位点 • 复制子包含起始位点和终止位点，从起始位点 至终止位点的全部DNA。
3、大肠杆菌
DnaA与起始位点OriC 结合形成起始复合物 DnaA与A-T富含区作用，解 链，形成开放复合物 SSB与单链DNA结合
Hu因子促进引发过程
DnaA指导DnaB-DnaC 复合物结合到解链 区，形成前引发复 合物。
DnaB 引导DnaG引物合成酶的结合形成引发复合物，合成RNA引物
• 1) DnaA与起始位点OriC（9bp重复序列）紧
• DNA拓扑异构酶解决了 • 解开DNA双螺旋的问题
第一节 DNA的生物合成
第一节DNA的生物合成一、DNA 的复制不同的基因，其碱基的序列不同，携带着千变万化的遗传信息。
细胞有丝分裂之前，细胞中的DNA分子必须进行自我复制，将亲代DNA的遗传信息准确地传递到子代DNA分子中，这一过程称为DNA 复制(replication)。
由此，子代细胞则具有一套与亲代细胞完全相同的DNA分子，这就是遗传作用。
1．DNA复制在DNA复制过程中，首先是原DNA双螺旋的两条多核苷酸链之间的氢键断裂，双链解开并分为两股单链。
然后，每条单链DNA 各自作为模板，以三磷酸脱氧核糖核苷(dNTP)为原料，按照碱基配对规律(A与T配对，G与C配对)，合成新的互补链。
这样形成的两个子代DNA分子与原来的亲代DNA分子的核苷酸顺序是完全相同的。
在此过程中，每个子代DNA分子的双链，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的。
这种复制方式称为半保留复制。
由于DNA 在代谢上的稳定性和复制的忠实性，经过许多代的复制，DNA分子上的遗传信息仍可准确地传给子代。
2.复制的方向①直线双向；②多起点双向；③θ双向；④θ单向；⑤滚动环。
二、参与DNA复制的酶类1．DNA聚合酶DNA的复制过程极为复杂，但其速度极快，这是由于许多酶和蛋白质因子参与了复制过程。
其中，DNA聚合酶起着重要作用。
在原有DNA模板链存在情况下，DNA聚合酶催化四种脱氧核苷酸(dATP、dTTP、dGTP、dCTP)，通过与模板链的碱基互补配对，合成新的对应DNA链，故此酶又称为DNA指导的DNA聚合酶(DNA directed DNA polymerase，缩写为DDDP)。
DNA聚合酶的特点是不能自行从头合成DNA链，而必须有一个多核苷酸链作为引物，DNA 聚合酶只能在此引物的端催化dNTP与末端作用，形成磷酸二酯键，从而逐步合成DNA链。
因此，DNA链的合成是有方向性的，即从5＇端→3＇端方向进行。
这一特点在DNA复制过程中具有重要意义。
核酸及蛋白质的生物合成
第十一章核酸及蛋白质的生物合成1. DNA的生物合成：以亲代DNA双链为模板按碱基配对原则合成出与亲代链相同的两个DNA双链。
1）半保留复制：DNA复制时以亲代DNA两条链为模板指导合成与其互补的DNA链，在子代DNA 中，一条链来于亲代DNA，另一条链是新合成的。
Cl加入大肠杆菌的培养基中培养12①同位素实验：Meselson 和Stahl将同位素15N标记的15NH4代，使大肠杆菌的DNA都带上15N的标记，然后将该大肠杆菌转入14N的普通培养基中培养后，分离子一代、子二代、子三代、子四代DNA，进行氯化铯密度梯度离心，实验证明DNA的半保留复制。
②意义：表明DNA在代谢上的稳定性，保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。
2）DNA复制的起点和方向：能独立复制的单位叫复制子，每个复制子都含有控制复制起始的起始点。
原核生物的染色体只有一个复制子；真核生物DNA有多个复制子。
双链DNA解开形成两条单链，分别作模板进行复制，此结构为复制叉。
大多数生物的DNA复制是双向、对称的。
3）半不连续复制：DNA复制时，两条链都能作为模板同时合成两条新的互补链，一条连续复制，另一条则不连续。
领头链是不间断延长的，随从链则生成一个个冈崎片段后连接成一条。
①前导链/领头链：两条链均按5’→3’方向合成，一条链3’末端的方向朝复制叉前进的方向，可连续合成；②滞后链/随从链：另一条5’末端朝着复制叉前进的方向，不连续合成。
4）DNA复制的酶系四种脱氧三磷酸核苷酸DNA pol/DDDP催化dNTP聚合到核酸链①5’→3’聚合活性②核酸外切酶活性5）DNA聚合酶：原核生物DNA polⅠ——聚合作用5´→3´外切酶活性：切除引物、切除突变的片段；3’→5’外切酶活性：校对功能。
引物酶：一种特殊的RNA聚合酶；在DNA复制开始时,在5´–端(5´3´方向）合成一小段RNA引物，确定起始部位、引导复制开始。
第十章DNA的生物合成
结构基因(structure gene)： DNA分子中能转录出RNA的区段。
模板链：
反意义链（antisense strand，(-)链） —— 以该链中的DNA碱基顺序指导RNA的合
成即被转录的那条DNA链。
编码链：
有意义链（sense strand ，（+）链） ——不被转录的那条DNA链，但其碱基顺序除T 代替U外，其余与mRNA相同。
SOS修复
• 指DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一 种DNA修复方式，修复结果只是能维持基因组的完整性， 提高细胞的生成率，但留下的错误较多，又称倾错性 修复（Error-Prone Repair ）。
第二节 RNA的生物合成
中心法则
• 生物的遗传信息从 DNA传递给
mRNA的过程称为转录。根据
转录(transcription)： 以DNA单链为模板，NTP为原料，在
DNA依赖的RNA聚合酶催化下合成RNA链的 过程。
转录的条件：
模板 原料 酶 产物 配对 方向 引物
DNA(不对称转录）
NTP RNA聚合酶 mRNA,tRNA,rRNA，小RNA
A-U,T-A,G-C
5’ 3’ 不需要
第十章 核酸的代谢
第二节 DNA的生物合成
• 核酸是生命遗传信息的携带者和传递者
生物体内的DNA合成主要包括三个方面：
1.在细胞周期的S期进行的DNA复制，亲代细胞通 过DNA自身复制将遗传信息传给子代； 2.当体内DNA受到某些损伤时，可以进行修复； 3.在某些病毒中存在的以RNA为模板的DNA合成。
重组修复（recombination repair）
• 又称复制后修复 （postreplication repair）
DNA的生物合成
DNA的生物合成 (复制)
DNA Biosynthesis，Replication
什么是DNA的复制？
是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板 合成子链DNA的过程。
复制
亲代DNA
子代DNA
生物的遗传现象，与遗传物质的复制有关， 多数生物的遗传物质为DNA 。
第一节：复制的基本规律
❖ 半保留(semi-conservative ） ❖ 双向复制 (bidirectional replication) ❖ 半不连续复制 （semi-discontinuous replication) ❖ 高保真性 (high fidelity)
（一）原核生物的DNA聚合酶
DNA-pol Ⅰ DNA-pol Ⅱ DNA-pol Ⅲ
（一）原核生物的DNA聚合酶
分子量(kD) 组成
分子数/细胞 5→3核酸外切酶活性 基因突变后的致死性
DNA-pol I 109
单肽链
400 有 可能
DNA-pol II DNA-pol III
120 ？
？ 无 不可能
(二). *DNA复制的保真性
•严格地遵守碱基配对规律：A与T、G与C • DNA-pol III 的ε亚基在复制延长中对碱 基的选择功能 • 复制出错时DNA-pol I 有及时的校读功能
三、复制中的分子解链及DNA 分子 拓扑学变化
DNA分子的碱基埋 在双螺旋内部，只有把 DNA解成单链，它才能 起模板作用。
（一）解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白
原核生物复制起始的相关蛋白质
蛋白质（基因）
通用名
DnaA (dnaA) DnaB (dnaB) DnaC (dnaC)
解螺旋酶
生物化学第13章DNA的生物合成
DNA聚合酶催化子链的延伸，合成新的DNA链。
终止
DNA复制到达终止信号后，复制过程结束。
DNA复制的调控
调节因子
DNA复制受到多种调节因 子的影响，如细胞周期蛋 白、抑癌基因等。
适应性调节
DNA复制适应环境变化， 如营养状况、细胞应激等。
细胞周期调控
DNA复制与细胞周期密切 相关，受到细胞周期蛋白 激酶的调节。
02
DNA的复制
DNA复制的概述
01
02
03
定义
DNA复制是指DNA双链 在细胞分裂前被复制的过 程，是生命延续的基础。
特点
DNA复制具有高保真性、 半保留性和半连续性等特 点。
意义
DNA复制保证了遗传信息 的准确传递，维复制的过程
起始
DNA复制起始于特定的起始点，需要多种蛋白质 因子的参与。
基因克隆与基因组学
基因克隆
通过DNA合成技术，科学家可以人工合成特定的基因片段， 并将其插入到生物体的基因组中，实现基因的克隆和表达。 这一技术广泛应用于基因功能研究和生物制药等领域。
基因组学
基因组学是研究生物体基因组的学科。控机制，为疾病诊断和治疗提供依据。
DNA的生物合成
• DNA生物合成的概述 • DNA的复制 • DNA的修复 • DNA的重组 • DNA合成的应用
01
DNA生物合成的概述
DNA生物合成的定义
DNA生物合成是指将脱氧核糖核苷 酸按照特定的顺序组装成DNA分子 的过程。
DNA生物合成是生命体系中遗传信息 的复制和传递的基础，对于维持生物 体的遗传稳定性和生长发育至关重要 。
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合成生物学与基因合成
生物化学 第十五章 DNA的生物合成
(二)与DNA复制有关的酶和蛋白质（原核生物）
5´ 3´
解旋酶 解链酶 引物酶和引 发体
SSB
RNA引物
DNA聚合 酶III DNA聚合 酶I
3´
5´
RNA引 物
3´
5´
1.DNA聚合酶 DNA聚合酶Ⅰ polⅠ
(1) 具5′
3′聚合酶活性
将脱氧核糖核苷三磷酸 dNTP 逐个添加到具有 3 ′ — OH 末端的 多核苷酸链上形成3， 5—磷酸二酯键。
4. 引发酶（引物合成酶）
引物的合成由引发酶催化完成，这些酶 在模板单链DNA上识别特殊序列，合成RNA引 物。它本身没有活性，需要与“引发前体” 结合在一起，形成“引发体”后才有活性。
复制早期易发生碱基参入错误，用 RNA较好，然后通过polⅠ的5′ 3′端 核酸外切酶的活性切去，代之以dNMP，可 消除最初阶段的错误。
• 2、方向 • DNA复制可以朝一个方向（单向复 制，unidirectional），也可以朝两个相反 方向进行（双向复制，bidirectional，主 要）。
•
DNA复制一般是对称的，两条链同时 进行，也有不对称的，一条链复制完后 再进行另一条链的复制。 • 在迅速生长的原核生物中，第一个染 色体DNA分子的复制还未完成，第二个 DNA分子就在同一个起始点上开始复制。
+
50 复制
转化率
功能
0 .05
修复
1999年发现聚合酶 和，它们涉及DNA的错误倾向修 复（errooune repair）
polⅠ不是DNA复制酶，理由：
A、该酶合成 DNA 速度太慢，只是细胞 内DNA复制速度的1%； B、持续合成能力较低，而细胞内 DNA 复制不会频繁中止； C、许多基因突变都会影响DNA复制， 但都与polⅠ无关。
医学分子生物学——DNA的生物合成
医学分子生物学
名词解释——DNA的生物合成
1、半保留复制：复制时，母链双链DNA解开成两股单链，各自作为模板指导子代合成新的互补链。
子代细
胞的DNA双链，其中一股链从亲代完整的接受过来，另一股单链则完全重新合成。
由于碱基互补，两个子细胞的DNA双链，都和亲代母链DNA碱基序列一致。
这种复制方式称为半保留复制。
2、半不连续复制：领头链连续复制，随从链不连续复制，这就是复制的半不连续性。
3、双向复制：复制时，DNA从起始点向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制。
4、冈崎片段：DNA复制时，随从链形成的不连续片段。
5、复制子：是独立完成复制的功能单位，从一个DNA 复制起点起始的DNA复制区域称为复制子。
6、引发体：复制起始时，原核生物由解链酶、DnaC、DnaG、结合到DNA复制起始区域形成的复合结构，叫
引发体。
7、领头链：DNA复制时，顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，叫做领头链。
8、随从链：DNA复制时，不能顺解链方向连续复制，复制方向与解链方向相反的子链叫做随从链。
9、端粒：指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构，由末端DNA序列和蛋白质构成。
10、框移突变：指由于核苷酸的插入或缺失突变引起的三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排
列顺序发生改变，其后果是翻译出的蛋白质可能完全不同。
11、引物：是由引物酶催化合成的短链RNA分子。
12、逆转录：以RNA为模板在逆转录酶的作用下合成双链DNA的过程。
DNA生物合成的原理应用
DNA生物合成的原理应用1. DNA生物合成的原理DNA生物合成是指在细胞内通过特定的酶催化作用，将单个碱基（腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶）连在一起，形成DNA链的过程。
DNA合成需要DNA聚合酶、DNA模板、引物和四种脱氧核苷酸（dATP、dCTP、dGTP和dTTP）。
DNA生物合成的原理包括如下几个步骤： - 第一步：DNA双链分离。
DNA双链通过加热或加入碱性物质，使其解聚为两条单链DNA。
- 第二步：引物结合。
引物是一条短的DNA/RNA单链，它可以与模板DNA的单链互补配对，从而提供DNA合成的起始点。
- 第三步：DNA合成。
DNA聚合酶将引物与模板DNA的单链互补配对，并将脱氧核苷酸添加到新合成的DNA链上。
- 第四步：链延伸。
DNA聚合酶沿模板DNA进行持续合成，直到达到整个DNA链的长度。
- 第五步：DNA链连接。
DNA链连接酶将合成的DNA链连接成一个完整的双链DNA。
2. DNA生物合成的应用DNA生物合成具有广泛的应用领域，包括以下几个方面：2.1 基因克隆基因克隆是指将感兴趣的DNA片段插入到载体DNA中，并通过细胞转化或病毒转染等方法将其导入到宿主细胞中，从而获得大量的重复DNA分子。
基因克隆广泛应用于基因工程、分子生物学和生物医学研究领域，用于研究基因功能、制备重组蛋白等。
2.2 DNA测序DNA测序是指确定DNA序列的方法。
通过DNA生物合成的原理，可以将测序引物与待测DNA片段互补配对，并用DNA聚合酶合成新的DNA链。
通过不断重复这一过程，最终可以获得待测DNA片段的完整序列。
DNA测序在基因组学、医学诊断和犯罪侦查等领域具有重要的应用价值。
2.3 DNA合成DNA合成指通过DNA生物合成的方法，合成新的DNA分子。
利用合成的DNA分子，可以进行基因克隆、基因修饰和基因合成等研究。
DNA合成还可以用于人工合成基因、构建人工合成生物系统等领域。
2.4 DNA修饰DNA修饰是指通过改变DNA的碱基序列或甲基化状态，对基因表达进行调控的方法。
高中生物第二章DNA的生物合成(复制)
第二章 DNA的生物合成（复制）教学大纲要求1. 描述遗传学中心法则，扩大的中心法则及生物学意义。
2. 记住DNA合成的概念，包括以DNA作为模板指导的DNA合成(复制)，以RNA作为模板指导的DNA合成(反转录)及DNA的修复合成，分别描述其概念。
3. 复述DNA复制特点，过程，参与的酶和因子(包括它们的功能)。
简要叙述复制过程及真核DNA复制特点。
4. 结合反转录酶的功能，简要叙述反转录过程及其生物学意义。
记住端粒酶的概念与功能。
5. 列举DNA损伤的几种类型，写出修复合成的几种方式名称。
叙述切除修复过程。
教材内容精要（一）遗传信息传递概述基本概念：1. 遗传：生殖过程中表现出来的子代与亲代的相似性。
2. 变异：生殖过程中表现出来的子代与亲代的差异性。
3. 基因: 能为生物大分子蛋白质，也包括RNA编码的核酸片段。
高等生物的基因是DNA，少数低等生物的遗传物质是RNA。
4. 复制: 即DNA的生物合成，DNA母链为模板，由核苷酸聚合成子代DNA的过程。
5. 转录即RNA的生物合成，DNA贮存的遗传信息作模板，转抄成RNA的碱基序列。
6. 翻译: 把mRNA的遗传信息用遗传密码的方式破读为蛋白质分子上的氨基酸排列次序，即蛋白质的生物合成。
7. 中心法则: 遗传信息从DNA流向RNA，再流向蛋白质的信息传递规律。
DNA有贮存、表达遗传信息功能，因此认为DNA处于生命活动中心。
8. 基因表达贮存在DNA上的遗传信息，通过转录和翻译，指导合成主要执行生命活动功能的蛋白质的过程。
9. 半保留复制亲代的DNA双链解开，各自作为模板，按照碱基配对规律(AT配对，GC配对)，指引子链的合成。
因此，子代DNA双链和亲代DNA双链有一致的碱基序列。
DNA是遗传的物质基础。
DNA分子中由4种不同碱基组成的核苷酸的排列顺序(以下简称碱基顺序)即是储藏的遗传信息。
所谓基因，即指DNA分子中碱基组成的功能片段。
DNA分子很大(如人类基因组DNA约含3 109个碱基对)，但全部由A、G、C和T四种碱基以不同的排列方式组成。
dna的生物合成
dna的生物合成DNA（脱氧核糖核酸）是构成生物基因的物质，是控制生命过程的基础。
它的生物合成过程是一个复杂而严谨的过程，在细胞内完成。
下面就来详细介绍DNA的生物合成过程。
第一步：DNA的解旋DNA的生物合成是从DNA的解旋开始的。
在DNA合成前，DNA双链需要被解开成两个单链。
这是由酶类分子引起的（解旋酶），它会在DNA的部位打开双链。
第二步：DNA的复制DNA的复制是整个生物合成的中心过程。
在细胞中，复制是由另一种酶类分子完成的——DNA聚合酶。
它能够识别并组装正确的碱基对，从而复制原始DNA链。
这个过程需要破坏氢键，将两个原始链分开，然后将两个新的链按照碱基配对规则，复制出一个新的DNA分子。
第三步：DNA的修复DNA的生物合成还包括修复过程。
生物体中，DNA会受到外界的胁迫，比如辐射、化学毒物等，它们都会导致DNA上的碱基失去完整性。
这时，生物体内的一些酶类分子就会介入，识别失去完整性的碱基并更换掉它们，从而维持DNA的完整性。
第四步：DNA的连接DNA的连接是DNA生物合成的关键步骤之一。
在DNA的生物合成过程中，聚合酶将新的DNA链加到原始链的3'端。
由于DNA链是反向复制的，所以新链的3'端和原始链的5'端相连，但还缺失一个连接。
这个连接需要由另一种酶类分子完成——连接酶，将它们连接在一起，形成完整的DNA链。
第五步：DNA的末端在DNA复制的最后，由于DNA链的反向复制，终止位置上新链是5'端，所以需要一些特殊的酶类分子，将DNA的末端完成成一个标准的双链螺旋。
这个过程由酶类分子DNA聚合酶完成。
综上所述，DNA的生物合成是一个复杂多样的过程，其中包括解旋、复制、修复、连接、末端等许多步骤。
这个过程需要一系列的酶类分子和协调配合，才能完成DNA的生物合成。
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C端
小片段
323个氨基酸 5 核酸外切酶活性
大片段/Klenow 片段
604个氨基酸 DNA聚合酶活性 5 核酸外切酶活性 • Klenow片段是实验室合成DNA，进行 分子生物学研究中常用的工具酶。
目录
DNA-pol Ⅱ（120kD）
核酸外切酶(exonuclease)是指能从核酸链的 末端把核苷酸依次水解出来的酶，外切酶是 有方向性的。
目录
DNA pol Ⅰ的校读功能
A：DNA-pol的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合活 性掺入正确配对的底物。 B：碱基配对正确， DNA-pol不表现活性。
目录
三、复制中的解链伴有DNA 分子 拓扑学变化
线粒体 延长子 DNA复 链的主 制 要酶， 解螺旋 酶活性
目录
二、DNA聚合酶的碱基选择和校对功 能实现复制的保真性
复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能 准确传代的基本原理。 此外还需酶学的机制来保证复制的保真性。
目录
DNA复制的保真性至少要依赖三种机制： 遵守严格的碱基配对规律；
• DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活。
• DNA-pol Ⅱ对模板的特异性不高，即使在已发生
损伤的DNA模板上，它也能催化核苷酸聚合。因
此认为，它参与DNA损伤的应急状态修复。
目录
（二）常见的真核细胞DNA聚合酶有5种
DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol 起始引发，有引物酶活性。 参与低保真度的复制 。 在线粒体DNA复制中起催化作用。 延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。 在复制过程中起校读、修复和填补缺 口的作用。
目录
-复合物由6种亚基组成：、、、、、
2个-亚基分别和1个核心酶相互作用，其 柔性连接区可以确保在复制叉1个全酶分子的 2个核心酶能够相对独立运动，分别负责合成 前导链和后随链。 功能：有促进全酶组装至模板上及增强核心酶 活性的作用
目录
DNA-pol Ⅰ （109kD）
功能： 对复制中的错误进行校读，对复制和修复 中出现的空隙进行填补。
传信息，体现了遗传的保守性。 遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础， 但不是绝对的。
目录
A G G T A C T G C C A C T G G
T C C A T G A C G G T G A C C
C C A C T G G
G G T G A C C
AT GC GC TA AT CG TA GC CG CG AT CG TA GC GC
目录
一、DNA聚合酶催化脱氧核苷酸间的聚合
全称：依赖DNA的DNA聚合酶 (DNA-dependent
DNA polymerase)
简称：DNA-pol 活性： 1. 53 的聚合活性 2. 核酸外切酶活性
目录
核酸外切酶活性:
5´
AG C T T C A G G A T A
半保留复制(semi-conservative replication) 双向复制(bidirectional replication) 半不连续复制(semi-discontinuous replication)
目录
一、 DNA以半保留方式进行复制
半保留复制的概念: DNA生物合成时，母链DNA解开为两 股单链，各自作为模板(template)按碱基配 对规律，合成与模板互补的子链。子代细 胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过 来，另一股单链则完全从新合成。两个子 细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。 这种复制方式称为半保留复制。
目录
子链继承母链遗传信息的几种可能方式:
全保留式
半保留式
混合式
目录
密度梯度实验:
含15N-DNA的细菌
培养于普 通培养液
梯度离心结果
第一代
继续培养于 普通培养液
第二代 ——实验结果支持半保留复制的设想。
半保留复制的意义:
按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA
的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗
拓扑异 构酶Ⅰ
拓扑异 构酶Ⅱ
切断DNA分子两股链，断端通过 切口旋转使超螺旋松弛。 利用ATP供能，连接断端， DNA 分子进入负超螺旋状态。
目录
拓扑酶的作用方式：
目录
四、DNA连接酶连接复制中产生的 单链缺口
DNA连接酶(DNA ligase)作用方式：
连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P
也是基因工程的重要工具酶之一。
目录
DNA聚合酶，拓扑酶和连接酶催化 3,5-磷酸二酯键生成的比较
提供核糖3-OH DNA聚合酶 引物或延长中的 新链 提供5-P 游离dNTP 去PPi 结果 (dNTP)n+1
连接酶
拓扑酶
复制中不连续的两条单链
切断、整理后的两链
不连续→连续链
改变拓扑状态
目录
第 三 节 原核生物DNA复制过程
The Process of DNA Replication in Prokaryotes
目录
DNA聚合酶Ⅲ全酶结构
全酶结构包括：
•２个核心酶 •1个-复合物（、、 、、、 6种亚 基） •1对-亚基（可滑动 的DNA夹子）
目录
核心酶由、和亚基组成： 亚基（130 000）主要功能是合成DNA 亚基具有35外切酶活性（复制保真性 所必需）亚基可增强其活性 亚基可能起组装作用 两侧的β亚基发挥夹稳DNA模板链，并使酶沿模 板滑动的作用
目录
E. Coli 基因图
目录
解螺旋酶(helicase) ——利用ATP供能，作用于 氢键，使DNA双链解开成为两条单链。 引物酶(primase) ——复制起始时催化生成RNA 引物的酶。 单链DNA结合蛋白(single stranded DNA binding
protein, SSB) ——在复制中维持模板处于单链状
生物化学与分子生物学
目录
第十四章
DNA的生物合成
DNA Biosynthesis ( Replication )
目录
复制(replication) 是以DNA为模板的DNA 合成，是基因组的复制过程。在这个过程中， 亲代DNA作为合成模板，按照碱基配对原则 合成子代分子，其化学本质是酶促脱氧核苷酸 聚合反应。
3´
| | | | | | | | | | |
3´
?
5´
T C G AA G T C C T A G C G A C
3 5外切酶活性: 能辨认错配的碱基对，并将其水解。 5 3外切酶活性: 能切除突变的 DNA片段。
（一）原核生物有3种DNA聚合酶
DNA-pol Ⅰ
DNA-pol Ⅱ
目录
真核生物和原核生物DNA聚合酶的比较
E.Coli Ⅰ Ⅱ Ⅲ DnaG 真核细胞 功能 填补复制中的DNA空隙，DNA修复和 重组 复制中的校对，DNA修复 DNA修复 线粒体DNA合成 前导链合成 引物酶 后随链合成
目录
真核生物的DNA聚合酶
DNA-pol 分子量（kD） 5→3聚合活性 3→5核酸外切 酶活性 功能 α 16.5 中 起始引 发，引 物酶活 性 β 4.0 ？ 低保 真度 的复 制 γ 14.0 高 + δ 12.5 高 + ε 25.5 高 + 填补引物 空隙，切 除修复， 重组
DNA-pol Ⅲ
目录
原核生物的DNA聚合酶
DNA-pol I DNA-pol II 分子量(kD) 组成 分子数/细胞 5→3核酸外切酶活性 基因突变后的致死性 109 单肽链 400 有 可能 120 ？ ？ 无 不可能 DNA-pol III 250 多亚基不对称 二聚体 20 无 可能
复制 亲代DNA
子代DNA
目录
本章主要内容： DNA复制的基本特征 DNA复制的酶学和拓扑学变化 原核生物DNA复制过程 真核生物DNA生物合成过程 逆转录和其他复制方式
目录
第 一 节 DNA复制的基本特征
Basic Rules of DNA Replication
DNA复制的主要特征
The Enzymology and Topology of DNA Replication
目录
参与DNA复制的物质: 底物(substrate): dATP, dGTP, dCTP, dTTP； 聚合酶(polymerase): 依赖DNA的DNA聚合酶，
简写为 DNA-pol；
模板(template): 解开成单链的DNA母链；
复制中的放射自显影图象
目录
ori
ter
A
B
C
A. 环状双链DNA及复制起始点 B. 复制中的两个复制叉
C. 复制接近终止点(termination, ter)
真核生物每个染色体有多个起始点，是多复 制子的复制。习惯上把两个相邻起始点之间 的距离定为一个复制子(replicon) 。复制子是 独立完成复制的功能单位。
DNA分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把 DNA解成单链，它才能起模板作用。
目录
（一）多种酶参与DNA解链和稳定单链状态
原核生物复制起始的相关蛋白质
蛋白质（基因） DnaA (dnaA) DnaB (dnaB) DnaC (dnaC) DnaG (dnaG) SSB 拓扑异构酶 (gyrA, B) 引物酶 单链DNA 结合蛋白 解螺旋酶 通用名 功能 辨认起始点 解开DNA双链 运送和协同DnaB 催化RNA引物生成 稳定已解开的单链 理顺DNA链