第十五章 DNA、RNA和蛋白质的生物合成

15.1 DNA的复制


15.1.1 DNA的复制方式—半保留复制
1953年，Watson和Crick在DNA双螺旋 结构的基础上提出了半保留复制假说：

DNA在复制过程中，首先碱基之间的氢 键破裂，使两条链解旋并分开，然后以 碱基互补的方式，以每条单链为 模板， 按单链DNA的核苷酸顺序合成子链。在 此过程中，每个子代分子的一条链来自 亲代DNA，另一条链是新合成的，这种 复制方式称为半保留复制。
底物： dNTP（ dATP、dGTP、dCTP、dTTP）
酶：DNA聚合酶 模板：解开成单链的DNA母链 引物：RNA，提供 3’-OH末端 其它酶和蛋白质因子：解螺旋酶、单链结合蛋白、
复制是酶催化下的核苷酸聚合过程，需要多种物质的共同参与：
拓扑异构酶、引物酶、DNA连接酶等

1.

DNA聚合酶（DNA-polymerase）
Leabharlann Baidu
式称为半不连续复制。
随从链上不连续复制的DNA片段称为岗崎片段。每一
个岗崎片段5’-端都带有一个RNA引物。
随从链复制时必须等
待模板链解开足够长度时， 才能从5′→3′合成引物 后开始复制。延伸时，又 要等待下一段暴露出足够
长的模板，才能再次合成
岗崎片段
引物而延长。
15.1.2 参与DNA复制的酶类和蛋白质
（2）单链结合蛋白（SSB）
SSB的作用是与分开
的两条DNA单链结合，
在复制中维持模板处
于单链状态并保护单
链的完整。
（3 ）拓扑异构酶（I、II）

拓扑异构酶I：
切断DNA双链中的一条链，使DNA解旋中不 致打结，适当时再把切口封闭，反应不耗能。 拓扑异构酶II：
无ATP时，可切断超螺旋的两条链，使超螺旋 松弛，然后再把切口封上。 在利用ATP供能情况下，能将复制叉前方产生 的正超螺旋变成负超螺旋。
α β γ ε δ
分布 聚合酶 活力 3`-5`外 切酶
功能
细胞核
＋ 无 引物合 成
细胞核
＋ 无 修复
线粒体
＋ 有 线粒体 复制
细胞核
＋ 有 修复
细胞核
＋ 有 核DNA 合成
2. DNA 连接酶（DNA ligase）
连接DNA链3’-OH末端和相邻DNA链5’-P末端，使二者生成 3’ ，5’磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连成完整的链

Arthur Kornberg
3`-5`核酸外切酶活力：校 对功能；

5`-3`核酸外切酶活力：切 除引物、嘧啶二聚体，修复；
焦磷酸解作用
焦磷酸基交换作用
3`-5` 核酸 外切酶 活力
5`-3` 核酸 外切酶 活力

DNA聚合酶Ⅱ（pol Ⅱ）

pol Ⅲ
φ

DNA聚合酶活力：需带有缺 口的DNA的双链作引物，主 要参与DNA的修复。 3`-5`核酸外切酶活力
3.与DNA解旋和解链有关的酶和蛋白质：
• 解螺旋酶（helicase） • DNA拓扑异构酶（DNA topoisomerase） • 单链DNA结合蛋白（single stranded DNA
binding protein，SSB）
（1）解螺旋酶
解螺旋酶通过水解ATP供能，
使DNA两链间碱基对的氢键断 裂，从而解开双链DNA。 解螺旋酶可沿模板随复制叉 的伸展而移动
二、半保留复制的意义
DNA的半保留复制保证了DNA在代谢上的稳定性， 经过许多代的复制，DNA多核苷酸链仍可保持完整， 这种稳定性体现了DNA遗传过程的相对保守性。 遗传的保守性是相对的，而不是绝对的。自
然界还存在着普遍的变异现象。
三、复制的半不连续性
DNA复制时顺着解链方向而生成的子链，复制是连续 进行的，这股链称为前导链。另一条子链复制的方向与解 链方向相反，复制是不连续的，称为随从链。这种复制方
pol I
功 DNA聚合酶 能 5`-3`外切酶 3`-5`外切酶 分子量 酶分子数/细胞 生物学活性 主要功能 + + + 109000 400 1 切除引物、修复
pol Ⅱ
+ － + 120000 100 0.05 修复
pol III
+ － + 900000 10 15 复制
② 真核细胞的DNA聚合酶
DNA聚合酶能催化四种脱氧核糖核苷三磷酸 合成DNA
四种脱氧核苷 三磷酸为底物
具有3`-OH末端的低聚 多核苷酸为引物
Mg
2+或Mn 2+
单链DNA为模板


① 原核细胞的DNA聚合酶
DNA聚合酶I（pol I）—Kornberg酶

pol I是一个多功能酶
DNA聚合酶活力：使DNA链 沿5`-3`方向延伸；
一、半保留复制的实验证据
1958年M.Meselson和F.Stahl Radioisotope labelin（放 射性同位素标记）and density gradient（密度梯度 离心）centrifugation clearlydistinguishes replications of semiconservative from conservative.
ε ε

DNA聚合酶Ⅲ（pol Ⅲ ）


α亚基有DNA聚合酶活力； ε亚基有3`-5`核酸外切酶活力， 起校对作用； θ亚基起组建复合物的作用； DNA的错误倾向修复：修复 缺乏准确性，出现高突变率。
DNA聚合酶Ⅳ、Ⅴ
DNA聚合酶Ⅲ的β亚基二聚体 与DNA结合的空间关系
大肠杆菌中DNA聚合酶的性质比较
在复制过程中，DNA每复制10bp，复制叉前方的模 板DNA双螺旋就要绕其长轴旋转一周，产生正超螺旋。
三种酶催化生成磷酸二酯键的比较
提供核糖3’-OH
DNA聚合酶 在引物作用下 延长新链 连接酶 连接不连续的 两条单链 拓扑酶 切断两链再连接
结果
（dNMP）n+1 不连续→连续链
连接双链DNA的单链缺口
第十五章 DNA、RNA和 蛋白质的生物合成
复 制 DNA
1958年Crick将生物
转 录 RNA
遗传信息的这种传 递方式称为中心法则。

反 录 转 蛋 质 白 翻 译
复 制
复制—以原来的DNA分子为模板，合成出相同 分子的过程。 转录—在DNA分子上合成出与其核苷酸顺序相 对应的RNA的过程。 翻译—在RNA的控制下，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。