第三章 DNA的生物合成与重组解析
生物 必修二 第三章遗传的分子基础 概念总结
生物必修二第三章遗传的分子基础概念总结生物必修二第三章遗传的分子基础概念总结第三章遗传的分子基础一、基本概念1．基因：一段包含一个完整的遗传信息单位的有功能的核酸分子片段。
在大多数生物中是一段DNA，在某些病毒中是一段RNA。
2．DNA的复制：新的DNA的合成就是产生两个跟亲代DNA完全相同的新的DNA分子的过程。
3．___转录____：遗传信息由DNA传递到RNA上的过程。
4．翻译：核糖体沿着mRNA的运行，氨基酸相继加到延伸中的多肽链上。
5．逆转录：遗传信息由RNA传递到DNA上的过程。
6．遗传密码：mRNA上每相连的三个核苷酸，能决定一种氨基酸。
7．基因表达：基因形成RNA产物以及mRNA被翻译为基因的蛋白质产物的过程。
二、主要结论1．ＤＮＡ分子的基本组成单位是脱氧核苷酸。
它是由①磷酸②碱基③脱氧核糖组成。
其中，②和③结合形成的单位叫核苷。
组成ＤＮＡ的②有四种：腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。
所以，组成DNA的脱氧核苷酸有四种。
2．ＤＮＡ的空间结构特点：（１）两条长链按方向平行方式盘旋成双螺旋结构；脱氧核糖和磷酸构成基本骨架排列在外侧，内侧是＿碱基＿＿＿；（２）两条链上的碱基遵循碱基互补配对原则，通过氢键连接。
（３）碱基配对原则：A与T、G与C配对。
3．DNA分子的功能：DNA分子的脱氧核苷酸的排列方式中_携带_______着遗传信息。
DNA分子通过_复制____，使遗传信息从亲代传递给子代，保持了前后代遗传信息的连续性。
DNA分子具有携带和表达遗传信息的双重功能。
4．蛋白质合成过程：（1）以__DNA分子一条链__为模板，在细胞核中合成___mRNA___________；（2）____mRNA____通过细胞核的__核孔__进入细胞质，在细胞质中的__核糖体_（一种细胞器）合成蛋白质。
5．中心法则（图）：1三、横向联系1．脱氧核苷酸、基因、DNA、染色体的关系基本组主要A碱基成单位片断组成成分（1）图G是蛋白质。
11.DNA的生物合成
The model of DNA-pol III
11/62
DNA pol I
H B
J
小片段 大片段 （Klenow fragment）
5 ‘ →3 ’聚合功能， 3 ' →5 '外切酶活性 5 ' →3 '外切酶活性
12/62
真核细胞中DNA聚合酶
种类： DNA-pol α、β、γ、δ、ε… DNA pol δ：合成领头链
UGA（终止密码子）：Trp AGA/AGG（Arg）：终止密码子 AUA（Ile）：Met（起始密码子）
14/62
3’
5’ 5’ 3’
OH
P
DNA-pol
5’
3’ 5’
3’
DNA-pol 的 5´3´聚合作用
15/62
外切酶与内切酶作用图解
内切酶 （限制性内切酶） 5´ 3´外切 5’ 3´5´外切 3’
4. 冈崎片段（Okazaki fragment）：
不连续复制的片段
38/62
ori 5. 双向复制 以起始点为中 心，向两个方 向进行复制。
6. 复制子(replicon) 真核生物两个相 邻复制起始点之 间的DNA片段。 ori
ori
ori
39/62
滚环复制
是某些病毒，质粒、线粒体 DNA的特殊复制形式。
性质
Ⅲ 20 100000 有 无 有 复制
10/62
Leading strand synthesis
Lagging strand synthesis
’
form the catalytic core
DNA的生物合成(基因信息传递)
复制的基本规律(重点) ➢ 复制的方式 —半保留复制 (semi-conservative replication) ➢ 双向复制 (bidirectional replication) ➢ 半不连续复制 (semi-discontinuous replication)
复制中不连续的两条单链
切断、整理后的两链
结果 (dNTP)n+1
不连续→连续链 改变拓扑状态
第三节 DNA生物合成过程
The Process of DNA Replication
一、原核生物的DNA生物合成
（一）复制起始：DNA解链形成引发体
需要解决两个问题： 1. DNA解开成单链，提供模板。 2. 形成引发体，合成引物，提供3-OH末端。
二、DNA聚合酶催化核苷酸之间聚合
➢全称：依赖DNA的DNA聚合酶 (DNA-dependent
DNA polymerase，DNA-pol)
➢ 活性： 1. 53 的聚合活性 2. 核酸外切酶活性
①3 5外切酶活性: 能辨认错配的碱基对，并将其水解
②5 3外切酶活性: 能切除突变的 DNA片段。
CG
AT
AT
CG
CG
TA
TA
GC
GC
GC
GC
子代DNA
二、DNA复制从起始点向两个方向延伸
➢ 原核生物复制时，DNA从起始点(origin)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。
ori
ter
A
B
A. 环状双链DNA及复制起始点
C
B. 复制中的两个复制叉
C. 复制接近终止点(termination, ter)
必修2第三章第2-4节DNA的结构、复制以及基因与DNA的关系
必修2第三章第2-4节DNA的结构、复制以及基因与DNA的关系年级⾼⼆学科⽣物版本⼈教新课标版课程标题必修⼆第三章第2－4节DNA的结构、复制以及基因与DNA的关系编稿⽼师马学春⼀校黄楠⼆校林卉审核于泗勇⼀、学习⽬标：1. 掌握DNA分⼦的基本单位、核苷酸的种类、碱基的种类、元素的种类；DNA分⼦的平⾯结构和空间结构；碱基互补配对原则。
2. 概述DNA分⼦的复制。
3. 说明基因是有遗传效应的DNA⽚段。
⼆、重点、难点：重点：DNA分⼦结构；DNA分⼦复制的条件、过程和特点；基因与DNA的关系，DNA 分⼦的多样性和特异性。
难点：DNA分⼦结构的主要特点；DNA分⼦复制的过程；遗传信息多样性的基础。
三、考点分析：内容要求DNA分⼦结构的主要特点ⅡDNA中遗传信息的多样性Ⅱ基因与DNA的关系ⅠDNA分⼦复制的过程Ⅱ在⾼考中，常将DNA分⼦的结构与细胞分裂、变异等内容综合在⼀起出题考查，这种⽅式是对DNA知识考查的新⽅向。
但考查的基础仍然是分⼦结构的特点，及DNA分⼦复制过程中的原料等知识。
同学应该注重基础，深⼊理解，以不变应万变是化解难度、解决问题的关键。
⼀、DNA分⼦的结构：1. 两条长链反向平⾏盘绕形成规则的双螺旋结构（1）两条长链反向平⾏。
（2）外侧为脱氧核糖与磷酸交替排列，形成基本⾻架。
（3）内部为碱基互补配对。
碱基之间的配对⽅式：A与T配对，G与C配对。
（A—T、G—C，且AT间两个氢键连接，CG间三个氢键连接）2. 结构特点：①稳定性：DNA分⼦的两条长链上的脱氧核糖与Pi交替排列的顺序和两条长链之间碱基互补配对的⽅式是稳定不变的，从⽽导致了DNA分⼦的稳定性。
②多样性：DNA分⼦中的碱基相互配对原则不变，但碱基对的排列顺序千变万化（例：4种），构⼀个最短的DNA分⼦⼤约有4000个碱基对，这些碱基对可能的排列⽅式就有4000成了DNA分⼦的多样性。
③特异性：每个DNA分⼦都具有特定的碱基排列顺序，这就构成了DNA分⼦的特异性。
第3章第1节第2课时基因工程的基本操作程序课件--苏教版2019 高中生物选择性必修3
(2)从RNA方面检测受体细胞 ①方法：分子杂交技术。 ②操作：从待测转基因生物细胞中提取mRNA分子，用已标记 的目的基因片段 作为探针与mRNA杂交，观察是否出现杂交带。
(3)从蛋白质方面进行检测 ①方法：抗原—抗体杂交 。 ②操作：从待测转基因生物中提取蛋白质，再用相应的抗体进 行抗原—抗体杂交，观察是否出现 杂交带。 (4)从个体水平进行鉴定：检测转基因生物是否表现出目的基因 控制的性状。
③过程 将目的基因插到农杆菌Ti质粒的 TDNA 特定区段上→转入 农杆菌→侵染植物细胞→整合到受体细胞染色体的 DNA 上→目的 基因稳定的遗传和表达
(2)将目的基因导入动物细胞 ①主要方法：显微注射法。 ②操作对象： 受精卵。 ③其他方法：也可用 病毒DNA 与目的基因一起构建的载体， 去感染受体动物细胞。
限制酶 BamHⅠ
HindⅢ
EcoRⅠ
Sma Ⅰ
识别序
列及切
割位点
图2 图1
①构建基因表达载体时，能否用Sma Ⅰ酶切割质粒？为什么？
提示：不能；因为Sma Ⅰ会破坏质粒的抗性基因。质粒上的抗 性基因是标记基因，便于重组DNA分子的筛选，若被破坏，无法进 一步筛选。
②与只使用EcoRⅠ相比较，使用BamHⅠ和HindⅢ两种限制酶 同时处理质粒、外源DNA的优点是什么？
NO.1 必备知识·聚焦概念
一、基因工程的基本操作程序 1．目的基因的获取 (1)通过化学合成法直接人工合成目的基因 ①对于比较小的目的基因，在明确脱氧核苷酸序列后，可以通 过DNA合成仪直接人工合成。 ②全基因或较大基因，使用半合成 的生物体 全部基因片段 的重组DNA 的克隆群体。 特点：受体菌群中的不同个体含有该种生物的不同基因拷贝， 整个菌群所含有的基因拷贝便可能涵盖了该生物的所有基因 。 筛选方法：一般采用核酸探针杂交 的方法。
第3章 基因工程 期末复习知识点总结【新教材】人教版高中生物选择性必修三
第3章基因工程1、什么是基因工程：基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计，通过体外DNA重组和转基因技术，赋予生物以新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。
基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，又叫做DNA重组技术。
2、基因工程的诞生（三个理论和三个技术）：基因工程是在生物化学、分子生物学和微生物学等学科基础上发展起来的，正是这些学科的基础理论和相关技术的发展催生了基因工程，具体有三大理论发现和三个技术突破。
1)理论基础：DNA是遗传物质；DNA分子的双螺旋结构和半保留复制；遗传密码的通用性和遗传信息传递的方式；2)技术基础：限制性核酸内切酶的发现与DNA的切割；DNA连接酶的发现与DNA片段的连接；基因工程载体的构建与应用●理论上的三大发现⑴、发现了遗传物质——DNA1944年，艾弗里（O.T.Avery）的肺炎双球菌转化实验⑵、揭示了遗传物质的分子机制：DNA分子的双螺旋结构和半保留复制1953年，沃森（J.D.Watson）和克里克（F.Crick）的DNA双螺旋结构模型、半保留复制图，获1958年诺贝尔奖。
⑶、确立了遗传信息的传递方式：以密码形式传递1963年，美国尼伦伯格（M.W.Nirenberg）和马太（H.Matthaei）确立了遗传信息以密码形式传递，破译了编码氨基酸的遗传密码(3个核苷酸=1个密码子=1个aa)。
●技术上的三大突破⑴、世界上第一个重组DNA实验：实现不同来源DNA的体外重组1972年斯坦福大学化学家伯格（P.Berg）借助内切酶和连接酶将猴病毒SV40的DNA 和大肠杆菌λ噬菌体的DNA在试管中连接在了一起，第一次成功地实现了DNA的体外重组。
⑵、第一个基因克隆实验：重组DNA表达实验，是世界上第一个基因工程实验1973年美国斯坦福大学医学院遗传学家科恩（S.Cohen）将体外构建的含有四环素和卡那霉素抗性基因的重组质粒导入大肠杆菌，获得了具有双抗性的大肠杆菌转化子，成功完成了第一个基因克隆实验。
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。
高中生物必修二第三章第3节《dna分子的复制》
2.演绎推理
问题1：如果DNA是半保留复制，复制后得到的子一代DNA和子二代 的组成是怎样的呢？
问题2：如果DNA是全保留复制，复制后得到的子一代DNA和子二代 的组成是怎样的呢？
问题3：如果DNA是分散复制，复制后得到的子一代DNA和子二代的 组成是怎样的呢？
半保留复制
亲代DNA 子一代DNA 子二代DNA
2.过程
解链
合成子链 螺旋
特点1：边解旋边复制 特点2：半保留复制
课堂小结
巧记DNA的复制——“一所，两期，三步，四条件”： 1.“一所”是指复制的场所主要是细胞核；
2.“两期”是指复制的时期主要是有丝分裂的间期和减数 第一次分裂前的间期；
3.“三步”是指“三个步骤”是解旋、形成子链、母链与 子链形成新的DNA分子； 4.“四个条件”是指原料、模板、能量和酶。
全保留复制
亲代DNA 子一代DNA 子二代DNA
分散复制
亲代DNA 子一代DNA 子二代DNA
问题：要判断前面假设的正确性，就可通过分别观察亲代和子一代、子二代 DNA的情况是否和我们假设的相一致。但在实验中，DNA是看不见的，怎么 办呢？
科学家巧妙地准备了材料和精巧的实验方法
他的思路是：培养15N标记的大肠杆菌，放置在只含14N培养基中连续培养。已 知细菌20分钟分裂一次，分别在20分钟、40分钟。。。。。。取样，然后破 碎细胞，分离出DNA，就可以准确地获得各代DNA。通过离心处理，完全含 有15N的DNA密度大，位于离心管的最下面，称为重带；完全含有14N的DNA 密度小，位于离心管的最上面，称为轻带；既有15N又含14N的DNA，密度居 于中间，称为中带。
（一）DNA的复制方式是怎样的?
（二）主要提出两种假说
人教版教学教案生物选修3基因工程DNA重组技术
质粒
2基因工程的
本操作程序
为什么要获得目的基因 为什么要把目的基因 与载体结合 受体细胞是指什么
为什么要进行检测
步骤知序列：人工合成
利用PCR技术扩增 聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction)
原核细胞的基因结构
编码区
能够转录为相应的信使RNA，进而指导蛋白质的合 成，也就是说能够编码蛋白质的区段 位置 编码区上游紧靠着转录起点 启动子
不能编码蛋 非编 白质的区域， 码区 调控遗传信 息的表达 终止子
功能 引导RNA聚合酶与基因的 正确部位结合 位置 编码区下游紧靠着转录的 终点的位置 功能 阻碍RNA聚合酶的移动， 并使其从DNA模板链上脱 离下来
AGGTCACGTCG TCCAGTGCAGC RNA聚合酶
一 原核细胞的基因结构
与RNA聚合酶 结合位点
AGGTCACGTCG TCCAGTGCAGC AGGU CACGU CG
RNA聚合酶
一 原核细胞的基因结构
与RNA聚合酶 结合位点
AGGTCACGTCG TCCAGTGCAGC AGGUCACG UC G
一、原核生物的基因结构
非编码区
编码区 非编码区
RNA聚合酶 结合位点
原核细胞基因结构示意图
一 原核细胞的基因结构
非编码区
编码区
非编码区
与RNA聚合酶 结合位点
RNA聚合酶是一种蛋白 质，能识别并与调控序 列中的结合位点结合， 能催化DNA转录为RNA
一 原核细胞的基因结构
与RNA聚合酶 结合位点
组成原核基因的核苷酸序列可以分为不同的区段， 有的能转录为相应的信使RNA，进而指导蛋白质的合成， 这样的区段叫编码区，有的区段不能转录为相应的信使 RNA，也就是不能编码导蛋白质，这样的区段叫非编码 区。非编码区是由编码区上游和编码区下游组成的，在 非编码区上有调控遗传信息表达的核苷酸序列，其中最 重要的是位于编码区上游的RNA聚合酶结合位点。 RNA聚合酶是由多个肽链构成的蛋白质，它的作用 是催化DNA转录为RNA，RNA聚合酶能够识别调控序列中 的结合位点，并与之结合。转录开始后，RNA聚合酶沿 DNA分子移动，并以DNA分子一条链作为摸板合成RNA， 转录完毕后，RNA链释放出来，RNA聚合酶从DNA模板链 上脱落下来。
新教材-高中生物学-配套江苏版教材-第三章 第二节 基因突变和基因重组
基因突变可以直接表现在性状上，改变的性状对生物的生存可能有害，可能有利， 也可能既无害也无益。
一、基因突变
（一）镰状细胞贫血
镰状细胞贫血（镰刀型细胞贫血症）是一种常染色体隐性遗传病。患者红细胞 是弯曲的镰刀状，这样的红细胞容易破裂，使人患溶血性贫血，严重时会导致死亡。
31
C 解析：生物体进行有性生殖的过程中，控制不同性状的基因的 重新组合称为基因重组。基因重组一般发生在减数第一次分裂的四分体时 期和减数第一次分裂后期，即同源染色体上非姐妹染色单体的交叉互换引 起染色单体上非等位基因的重组和非同源染色体自由组合导致非同源染色 体上非等位基因的重组，A、B正确；纯合子自交，子代一般不会发生性 状分离，若出现性状分离，最可能的原因是基因突变，C错误；常染色体 上的基因和性染色体上的基因是非同源染色体上的非等位基因，能发生基 因重组，D正确。
32
5．由于基因突变，蛋白质中的一个赖氨酸发生了改变。根据题 中所示的图、表回答下列问题：
33
第一个字母 U
第二个字母
C
A
第三个字母 G
异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸
U
异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸
C
A
异亮氨酸 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸
A
甲硫氨酸 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸
G
34
(1)图中Ⅰ过程发生的场所是________，Ⅱ过程叫________。 (2)除赖氨酸外，对照表中的密码子判断，X 表示哪一种氨基酸 的可能性最小？________。原因是_________________________。 (3)若图中 X 是甲硫氨酸，且②链与⑤链只有一个碱基不同，那 么⑤链上不同于②链上的那个碱基是________。 (4)从表中可看出密码子具有________，它对生物体生存和发展 的意义是______________________________________________。
DNA合成总结
DNA 的生物合成总结一、 DNA 复制的特点1、DNA 的半保留复制半保留复制（semiconservative replication ）：DNA 复制时，每一条DNA 链在新链合成中充当模板，按碱基配对方式形成两个新的DNA 分子，每个分子都含有一条新链和一条旧链。
生物学意义： DNA 的半保留复制表明了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、有特定的复制起点和方向➢ 复制是一个高度协调的过程，母链解链和复制同时进行。
➢ 起点（origin ，ori ）：复制起始部位的一段核酸序列，控制复制的起始。
➢ 终点（terminus ）：终止DNA 复制的一段核酸序列。
➢ 复制子（replicon ）：基因组中能独立进行复制的单位（复制起点到终点的核酸片段）。
原核生物只有一个复制子；真核生物含多个复制子，多个起点和终点，形成多个 “复制眼”或“复制泡”。
➢ 复制方向：大多为双向对称复制，也有单向(不对称)复制；新生DNA 链的合成方向为：5’→3’。
3、半不连续复制DNA 的半不连续复制（semidiscontinuous replication ）： 前导链的连续复制和后随链的不连续复制方式。
冈崎片段（Okazaki fragment ）： 1968年冈崎发现，在不连续的后随链DNA 合成中形成的DNA 短片段；在原核生物有1000～2000核苷酸，真核生物约100～200核苷酸。
4、需要引物引物(primer)：和模板链互补的线性核酸小片段，其上带有能与核苷酸相结合的游离3′-OH ，通常是寡聚RNA 。
二、DNA 复制的条件1、底物四种脱氧核糖核苷酸，即dATP ，dGTP ，dCTP 和dTTP 。
2、模板模板（template ）： DNA 复制时解开的两股亲代DNA 链；DNA 复制是模板依赖性的。
3、引发体和RNA 引物引发前体：蛋白因子聚合体，其中引物（合成）酶：以dnaB （解链酶）具有ATPase 活性，水解ATP ，使DNA 双螺旋解开。
基因重组,生物合成概念
基因重组基因重组是由于不同DNA链的断裂和连接而产生DNA片段的交换和重新组合，形成新DNA分子的过程。
发生在生物体内基因的交换或重新组合。
包括同源重组、位点特异重组、转座作用和异常重组四大类。
是生物遗传变异的一种机制。
指整段DNA在细胞内或细胞间,甚至在不同物种之间进行交换,并能在新的位置上复制、转录和翻译。
在进化、繁殖、病毒感染、基因表达以致癌基因激活等过程中,基因重组都起重要作用。
基因重组也归类为自然突变现象。
基因工程是在试管内按人为的设计实施基因重组的技术,也称为重组DNA。
有目的的将一个个体细胞内的遗传基因转移到另一个不同性状的个体细胞内DNA分子,使之发生遗传变异的过程。
来自供体的目的基因被转入受体细菌后,可进行基因产物的表达,从而获得用一般方法难以获得的产品,如胰岛素、干扰素、乙型肝炎疫苗等是通过以相应基因与大肠杆菌或酵母菌的基因重组而大量生产的。
即基因重组由于基因的独立分配或连锁基因之间的交换而在后代中出现亲代所没有的基因组合。
原核生物的基因重组有转化、转导和接合等方式。
受体细胞直接吸收来自供体细胞的DNA片段，并使它整合到自己的基因组中，从而获得供体细胞部分遗传性状的现象，称为转化。
通过噬菌体媒介，将供体细胞DNA片段带进受体细胞中，使后者获得前者的部分遗传性状的现象，称为转导。
自然界中转导现象较普遍，可能是低等生物进化过程中产生新的基因组合的一种基本方式。
供体菌和受体菌的完整细胞经直接接触而传递大段DNA遗传信息的现象，称为接合。
细菌和放线菌均有接合现象。
高等动植物中的基因重组通常在有性生殖过程中进行，即在性细胞成熟时发生减数分裂时同源染色体的部分遗传物质可实现交换，导致基因重组。
基因重组是杂交育种的生物学基础，对生物圈的繁荣昌盛起重要作用，也是基因工程中的关键性内容。
基因工程的特点是基因体外重组，即在离体条件下对DNA分子切割并将其与载体DNA分子连接，得到重组DNA。
1977年美国科学家首次用重组的人长激素释放抑制因子基因生产人生长激素释放抑制因子获得成功。
DNA的生物合成《生物化学》复习提要
DNA的生物合成遗传信息从亲代DNA传递到子代DNA分子上，称为复制，这是生物体内高分子的聚合过程，即DNA的生物合成。
第一节复制的基本规律一、半保留复制（一）半保留复制的定义复制时，母链的双链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，其中一股单链从亲代完整地接受过来，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（semi-conservative replication）。
（二）半保留复制的实验依据Cl的培养液中培养若干代，分离出的DNA是含15N的把细菌放在含15NH4“重”DNA，密度比一般含14N的DNA高。
用密度梯度离心法，15N-DNA形成的致密带位于普通14N-DNA所形成的致密带的下方。
Cl培养液中培养。
细菌在营养条把含15N－DNA的细菌放回含普通的NH4件充足时，20分钟就可以生长成新一代。
提取子一代的DNA再作密度梯度离心分析，发现其致密带介于重带与普通带之间，看不到有单独的重带或普通DNA 带。
实验结果说明：子一代DNA双链中有一股是15N单链，而另一股是14N单链。
前者是从亲代接受和保留下来的，后者则是完全新合成的。
密度梯度离心实验，完全支持半保留复制的设想。
含15N-DNA的细菌在普通培养液中继续培育出子二代，其DNA则是中等密度的DNA与普通DNA各占一半这也进一步证明复制是采取半保留式的。
实验还可按子3代、子4代……进行下去，15N－DNA则按1／8、1／16…¨的几何级数逐渐被“稀释”掉。
（三）半保留复制的意义1、使亲代DNA所含的信息以极高的准确度传递给子代DNA分子。
2、DNA通过复制和基因表达这两种主要功能，决定了生物的特性和类型并体现了遗传过程的相对保守性。
遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。
二、双向复制（一）双向复制的定义复制时，DNA从起始点（origin）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（bidirectional replication）。
第三章 DNA的生物合成与损伤修复
双向复制。
5' 3' 3' 5' 5' 3' 5'
复制方向
3'
原核生物： • 基因组是环状DNA
• 只有一个复制起始点 在 原 核 生物 双 向复 制
中， DNA 被描述为眼睛状。
复制中的放射自显影图象
真核生物：
• 染色体DNA有多个复制起始点。
• 两个起始点之间的DNA片段称为复 制子(replicon)。 • 复制子是独立完成复制的功能单位。
克服解链过程中的打结、缠绕现象 •分类 拓扑异构酶Ⅰ 拓扑异构酶Ⅱ
作用机制
拓扑异 构酶Ⅰ 切断DNA双链中一股链，使DNA 解链旋转不致打结；适当时候封 闭切口，DNA变为松弛状态。 反应不需ATP。
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。
修复中出现的空隙进行填补。
DNA-pol Ⅰ N端
（用特异的蛋白酶处理后可水解成两个片段）
C端
木瓜蛋白酶 小片段 5 核酸外切酶活性 大片段/Klenow 片段 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。
2）DNA-pol Ⅱ（120kD） 具有5→3聚合酶和35外切酶活性 只是在无polⅠ及polⅢ的情况下暂时
二、解螺旋酶(Dna B，解链酶) ——利用ATP供能，作用于氢键，使DNA 双链解开成为两条单链
Dna C
Dna B
解链方向
随着双链的打开会出现什么现象？
局部解链后
10 8
解链过程中，DNA分子会过度拧紧、打 结、缠绕、连环等现象。
重庆大学生物有机化学_第三章 核酸的生物有机化学 第二节 多聚核苷酸的合成
① 酰基：氨基经酰化后降低了它的亲核性能，是保 护氨基最常用的一种方法。
两步法 :在氨基酰化过程中，除了氨基被酰化外，核苷 酸中核糖上的游离羟基也同时被酰化。因此在酰化后， 还必须选择性地脱去糖上的酰基。 A: 整个核苷的酰化（碱基上的氨基，糖上的羟基） B: 糖的脱酰（糖上的羟基）
一步法: 在适当的反应条件下只有碱基上的氨基酰化
第一轮完成
DNA聚合酶链式反应-原理
第二轮完成 第三轮完成
DNA聚合酶链式反应-原理
引物设计基本原则
引物长度（length）: 20～30bp 引物中四种碱基的分布应该是随机的 两引物间不能有互补序列，尤其是3‘ 端 引物的碱基顺序不应与非扩增区域由同源性 引物的3’末端碱基一定要与模板DNA配对 解链温度(Tm)：两引物间相差不大于5℃ 引物内部不能有大于3bp的反向重复序列或自身
从大肠杆菌中还发现了另外两种DNA聚合酶， 分别称为DNA聚合酶Ⅱ和Ⅲ。它们在功能上与Ⅰ略 有差别。
2. RNA的生物合成 RNA的基本功能是传递和表达DNA遗传信息。
所有RNA都是以DNA链为模板，在RNA聚合酶作用 下合成的，RNA 合成过程又称为转录 (transcription)。
从大肠杆菌分离得到的RNA聚合酶(RNA polymerase)，可以在一定的条件下，催化合成RNA链。
OO CH N(CH3)2
⑵ 糖羟基的保护：脱氧核糖上有两个羟基(3'-OH和5'OH)，而核糖则有三个羟基(2'-OH, 3'-OH和5'-OH), 在 多聚核苷酸合成过程中，必须选择性地引进或脱去保护 基。因此对核糖羟基保护基的选择性就显得特别重要。
区分：核糖上的羟基
重组DNA技术的基本工具-高二生物课件(人教版2019选择性必修3)
1.原理： 基因重组 2.操作水平： 分子水平
3.结果：
赋予生物新的遗传特性，创造出更符合人们 需要的新的生物类型和生物制品
限制性内切核酸酶—“分子手术刀”
二 限制性内切核酸酶——“分子手术刀”
1、来源：主要从原核生物中分离纯化来的 2、种类：数千种 3、特点 : 能够识别双链DNA分子的特定核苷酸序列,并
使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开。
4、识别序列长度 : 大多数限制酶的识别序列由6个核苷酸组 成，少数4个、8个或其他数量
四 基因导入受体细胞的载体——“分子运输车”
真正被用作载体的质粒，都是在天然 质粒的基础上进行过人工改造的。
大肠杆菌及质粒结构模式图
实例： 重组DNA分子的模拟操作
…ATAGCATGCTATCCATG
AATTCGGCATAC…
…TATCGTACGATAGGTACTTAA
GCCGTATG…
… TCCTAG AATTCTCGGTATG AATTCCATAC … … AGGATCTTAA GAGCCATACTTAA GGTATG …
普通棉花不抗虫，苏云芽孢杆菌可以合成抗虫毒素——Bt毒蛋 白，请思考如何生产抗虫棉？
杂交育种？诱变育种？等技术能否实现？为什么？
杂交育种：同种生物之间进行； 诱变育种：在原有基因基础上发生基因突变，结果产生新的等位基因 （不定向）
克服远缘杂交不亲和的障碍；定向改造生物性状
一 基因工程
思考：能否将苏云金杆菌的“抗虫基因”导入棉花细胞，使棉花自 身产生抗虫蛋白来抵抗棉铃虫呢？
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1、DNA拓扑异构酶
DNA具有拓扑性质。拓扑性质是指物体或图象作弹性移 动而又保持物体不变的性质。碱基顺序相同但连环数/ 拓扑环绕数不同的两个双链DNA分子称为拓扑异构体。
能催化DNA拓扑异构体互变的一类酶称为拓扑异构酶 （topoisomerase, topo）。
拓扑异构酶可分为两类，一类是拓扑异构酶I（Topo I）， 另一类是拓扑异构酶II（Topo II）。
（一）DNA双链的解旋 1、DNA拓扑异构酶：改变DNA超螺旋状态、
理顺DNA链
复制过程正超螺旋的形成：
局部解链后 10
8
பைடு நூலகம்
解链过程中正超螺旋的形成
拓扑异构酶作用特点： ➢ 既能水解 、又能连接磷酸二酯键。
拓扑异构酶分类： 拓扑异构酶Ⅰ 拓扑异构酶Ⅱ
作用机制：
拓扑异 构酶Ⅰ
切断DNA双链中一股链，使DNA 解链旋转不致打结；适当时候封 闭切口，DNA变为松弛状态。
但是有两个问题他们在当时尚无法回答： ①在复制过程中DNA双螺旋如何解旋将双链打开； ②在复制过程中DNA的两条链是否同时作为模板复制子链。 1958年Matthew Meselson和Franklin Stahl通过实验对后一个问
题给予了一个满意的解答，而人们对第一个问题的真正了解却是 在拓扑异构酶的发现之后。
各种生物通过其自身基因组核酸准确、完整的复 制将其中蕴藏的生物遗传信息忠实地传给子代， 以保证物种的连续性。
因此，遗传信息的传递实际上就是基因组全部核 酸序列的复制。
复制(replication) 是指遗传物质的传代， 以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。
亲代DNA
复制 子代DNA
第一节 复制
第三章
DNA的生物合成与重组
DNA Biosynthesis ( Replication )
本章主要内容：
➢ 第一节 复制
➢ 一、复制的基本特点 ➢ 二、原核生物DNA复制 ➢ 三、真核生物DNA复制 ➢ 四、复制的形式 ➢ 五、逆转录 ➢ 第二节 DNA损伤（突变）与修复
1953年当Watson 和Crick提出DNA双螺旋结构模 型时，他们就意识到碱基配对原则可能对遗传信 息的传递具有重要的意义。这一设想已经得到证 实。
2、全保留复制（conservative replication）： 以亲代的每一条链为模板合成一条新链，但在组
成两个子代分子时，一个子代分子完全是亲代的 两条旧链组成，而另一个子代分子则由新合成的 两条新链组成。
SSB还能与复制新生的DNA单链结合，以保护其免 被核酸酶水解。SSB在复制过程中，可以循环利 用，发挥其保护单链DNA的作用。
（二）半保留复制：是DNA复制的基本特征
在DNA双螺旋结构模型提出以后，关于DNA复制方式有几 种不同的推测。
1、混合性复制：是在 “断裂-连接”模型的基础之上提出 的。Delbrück在试图解释DNA双螺旋的解旋过程时提出了 这一模型。但是根据这一模型推测出的DNA复制方式，得 到一种非常复杂的结果：DNA的每一条子链的一部分由新 合成的DNA组成，而另一部分由模板链组成。
（一）DNA双链的解旋
➢根据Watson 和Crick的DNA双螺旋模型以及他们 对DNA作为复制模版的推测，人们首先提出的问 题是：DNA分子只有在松弛螺旋、解开双链、使 碱基暴露后，才能在DNA聚合酶催化下以DNA 为模板按碱基互补的原则进行复制。
➢那末，在复制过程中DNA双螺旋如何解旋 将双链打开？按照每10个碱基一个螺旋推 测，仅仅一条人的染色体DNA就有几百万 甚至几千万次螺旋。很难想象在DNA进行 复制时这些螺旋如何打开。为此人们在最 初甚至对DNA双螺旋的模型发生质疑。
➢ 1954年Delbrück首次提出“断裂-连接”模型 （breakage-and-reunion model），试图解 释DNA双螺旋的解旋过程。但是直到20世纪70 年代末拓扑异构酶被发现之后，人们才对这一过 程具有了真正的了解。目前已知参与松弛螺旋及 解链的酶与蛋白质主要有拓扑异构酶、解链酶及 DNA单链结合蛋白。
在DNA复制时，Rep蛋白与某种解链蛋白分别在两 条DNA亲链上协同作用，使DNA双链得以解开。
3、单链DNA结合蛋白
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 态并保护单链的完整，以利于其发挥模板作用。 。
复制时大部分解链酶可以沿着随从链的模板以5'3'方向 随复制叉的前进而移动，并连续地解开DNA双链。只有 Rep蛋白是沿着前导链的模板以3'5'移动。
Rep蛋白在初发现时被称为复制蛋白Rep， 后来 发现它在有ATP存在时能解开DNA双链，每解开1 对碱基，需消耗2分子ATP，因而又定名为解链蛋 白。
➢ （一）DNA双链的解旋 ➢ （二）复制的方式 ——半保留复制(semi-conservative
replication) ➢ （三）复制叉和半不连续复制(semi-discontinuous
replication) ➢ （四）复制的基本过程：起始、链的延长、终止。
一、DNA复制的基本特点
Watson 和Crick在提出DNA双螺旋结构时指出，双螺旋的每一条 DNA链都可以作为模板合成一条与其互补的DNA链，从而形成两 条与其完全相同的子链。
在细胞分裂过程中，以亲代DNA为模板合成子代 DNA分子的过程称为DNA复制（DNA replication）。
自1953年Watson 和Crick提出DNA双螺旋结构模型 时开始，DNA复制的轮廓就已经诞生。
由于原核生物DNA复制过程相对比较简单，有关 复制的资料多半是从原核生物中获得。
一、DNA复制的基本特点
反应不需ATP。
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。
拓扑酶的作用方式：
2、解链酶(helicase) ——利用ATP供能，作用于氢键， 使DNA双链解开成为两条单链。
解链酶有多种，包括大肠杆菌解链酶II、III， 大肠杆菌 Rep蛋白等。