第十三章 核酸的生物合成 本章主要讨论DNA的生物合成即...

一、DNA的半保留复制 (P321 图19-1 P321 图19-1) 在 DNA 复制过程中，每个子代分子的一条链来自亲代 DNA，另一条则是新合成的，这种复制方式称为半保留复 制。实验证明见课本。 生物意义： DNA 的半保留复制机制可以说明 DNA 在代 谢上的稳定性。
（一）、反应所需的条件及反应的特点： (1)原料(或底物)：四种5′三磷酸脱氧核苷(dNTP)，缺一不可。 (2)模板及辅助因子：DNA模板、Mg2+(或Mn2+)或DNA二条链(一条 链为模板，一条链为引物) (3)引物链：具有自由3′-OH的RNA或DNA片段(约10个核苷酸) (4)反应：由引物末端3′-OH与进入的5′三磷酸脱氧核苷的α磷酸残 基化合，生成酯键(3′5′磷酸二酯键，并脱下焦磷酸) (5)方向：DNA 链由5′→3′ (6)能量：来自α与β之间的高能磷酸键裂解 (7)四种dNTP参加反应的先后顺序，由DNA模板决定，受碱基配 对支配；而不受四种dNTP相对浓度的影响。 (8)产物DNA的性质与模板相同。这说明DNA聚合酶是一种模板指 导的酶。
（二）与DNA聚合酶的不同之处
1、 不需要引物； 2、作用方式不同；DNA碱基顺序的转录是通过全保留方进行的。 3、不具有核酸酶的活性(RNase或DNase的活性)
(三)RNA聚合酶的种类和组成：
1、 大肠杆菌的RNA聚合酶组成： 全酶分子量约为46万；它包括两条α 链(α 2)、一条β 链(β )、一条β ′链 (β ′)、一分子σ 因子（σ ），其中σ 因子的功能是识别模板上特殊起始 点，使 DDRP 结合到 DNA 启动子上，故在转录开始后即被释放 ，剩余 α 2β β ′部分称为核心酶，催化转录继续进行。 2、现真核细胞中有酶Ⅰ(A)、酶Ⅱ(B)、酶Ⅲ(C)都是金属酶。（含 Zn2+、Mg2+、或.Mn2+）它们的结构分布部位及功能都不完全相同 ①酶Ⅰ分布于核仁中，催化合成核仁的rRNA(18s、28s、5.8s) ②酶Ⅱ在核质中催化合成mRNA的前体及病毒RNA ③酶Ⅲ在核质中催化合成5sRNA及tRNA。 除了上述细胞核RNA聚合酶外，还分离到线粒体RNA聚合酶和 叶绿RNA体聚合酶。其功能详见P362。
四、DNA复制的主要过程：（见P342 图19-17）
1、Hale Waihona Puke Baidu扑异构酶Ⅱ可引入负超螺旋而造成DNA双链断裂，以便
于解螺旋酶的作用。 2、解螺旋酶将双股螺旋解开，形成复制岔口(复制叉)。 3、单链结合蛋白质(SSB)结合于每股链上，以维持两链处于分 开状态。 4、引物合成酶催化合成RNA引物。 5、DNA聚合酶Ⅲ催化合成新的DNA的前导链及冈崎片断。 6、DNA聚合酶Ⅰ切除引物，并合成DNA片段以填补空隙。 7、DNA连接酶将冈崎片断拼接起来，以完成滞后链的合成。
(二)DNA连接酶及作用：DNA聚合酶能催化DNA片段及链的延长合 成，但不能将DNA断片连接起来，这种连接反应是由DNA连接酶来 催化的。 DNA 连接酶不单是 DNA 复制所必需的，而且也是在 DNA 损伤修复及基因重组中不可缺少的酶。
• 连接双股DNA中的一 股存在的缺口， • 不能连接单股DNA 。
六、DNA复制调控(了解)：
1963年 Jacob等提出复制子模型（即一个复制单位）：（P 344） 它的一个结构基因能产生一种蛋白质——起始因子（initiator）,具有 感受细胞内信号、识别复制基因、促使复制开始等作用。 复制子中存在正、负调节系统，调控机制很复杂。
七、DNA损伤及修复：
（一） DNA损伤：指 DNA 分子的一级结构的任何异常改变，包括异常修饰和顺 序改变。 可分为自发的损伤和环境因子引起的损伤。 1、物理损伤：μV辐射、电离辐射。（放射性同位素β 粒子、x射线） 可使DNA分子中出现 ：TT（二聚体）防碍复制、转录等。 2、化学损伤：主要有亚硝酸、亚硝基胺、甲基化试剂、碱基类似物等 改变碱基配对顺序，影响DNA正常复制。 如：亚硝酸（HNO2）可使 A变成 I （脱NH3） C变成 U （脱NH3）
（三）终止
在DNA分子上有终止转录的特殊信号（终止子），这些信号一些可被 RNA聚合酶自身识别，另一些则需ρ 因子帮助(终止辅助因子，又称终止因 子 )。 （1） E.Coli中存在两类终止子：①不依赖于ρ的终止子(简单终止子)。 ②依赖于ρ的终止子。 ①不依赖于ρ 的终止子(简单终止子)：现已弄清许多DNA分子的终止区 域，发现在终止点之前有一双重对称的G与C丰富区，紧接着还有一A和T多的 排列顺序。因此在些区域内转录的RNA能自身互补(G……C)而形成发夹形结 构，AT丰富区有一连串的AAAA，故新生RNA链终止末端带有多个U残基 (UUUU),很可能在这些结构中一个或多个即是终止信号。 ②依赖于ρ的终止子：在某些终止点有种特殊蛋白质ρ蛋白(rho protein)， 其分子量为5.5万，能辩认终止信号，并与酶结合，以阻止核心酶再向前滑动， 于是转录作用停止，并释放出产物RNA、ρ因子、RNA聚合酶。在依赖ρ因子 的终止点处，RNA聚合酶只是在此暂停，但不终止，需ρ的帮助，才能停止 转录。
(三)拓扑异构酶：
生物体内DNA分子通常处于负超螺旋状态.
拓扑异构酶的作用
拓扑异构酶的作用
• 拓扑异构酶的作用 是使DNA的超螺 旋的圈数增加或者 减少。 • 此作用需要ATP分 解提供能量。
(四)DNA解螺旋酶及单链结合蛋白(SSB)：
(五)引发酶(引物合成酶) 又称特定的RNA聚合酶 根据DNA的顺序合成RNA引物，本质上是 RNA聚合酶 RNA引物（约10个核苷酸的RAN片段）是由引 发酶（引发体）来合成的，合成时不需要引物， 其碱基与一般模板DNA配对，合成的方向是 5′→3′。
第十三章 核酸的生物合成
本章主要讨论DNA的生物合成即DNA的半保留复制；RNA生物合成即DNA到RNA的转录。 现加上下一章蛋白质的生物合成内容(即翻译过程)，就构成了分子遗传学中心法则。
第一节
DNA的复制与修复
研究DNA复制的目的就是要了解三个问题。 第一、子代DNA为什么能够直接地获得新DNA的遗传信息? 第二、复制是怎样进行的 第三、生物体是怎样对DNA复制进行调控的?
（二）延长：
当RNA链合成开始后，σ 因子就脱落下来，可与另一核心酶 结合而被重新使用。为了能沿模板移动，全酶必须放松对DNA 的结合，这些变化使得：此时RNA聚合酶构象改变：全酶→核心 酶+σ 因子。参见P361。核心酶可沿DNA链滑行向前，利用NTP 为原料，连续合成RNA，不断延长RNA链，延伸时所合成的多 核苷酸链并不全保留在模板上，对一条RNA合成链而言，在任何 时候只有一个连接点，该点沿DNA链移动，连续转录出相同的 RNA产物。当核心酶滑向前时，已被转录的DNA前段分开的部 分链又重新并合，形成双螺旋，这一开一合逐步不断进行，直到 转录过程结束。
(2)DNA 聚合酶Ⅱ特殊作用：目前尚不大清楚，可能在 DNA修复中起作用。 (3)DNA 聚合酶Ⅲ的特殊作用：主要参与绝大多数新的 DNA的合成。
DNA聚合酶Ⅰ M.W. 109Kdal 单一多肽链，聚合1000个核苷酸/分/分子 DNA聚合酶Ⅱ M.W. 120Kdal 单一多肽链，聚合2000个核苷酸/分/ DNA聚合酶Ⅲ M.W. 180Kdal 单一多肽链，聚合50000个核苷酸/分/分子
五、真核生物DNA的复制：复制条件、酶及因子 等均与原核生物相似。
特点 1、真核生物DNA复制的冈崎片断约为200bp，相当于一个核小体DNA的长度。 （小于原核生物：1000～2000 bp） 2、复制速度比原核生物慢，基因组较大，但真核生物染色体DNA上有许多复制 起点，它们可以分段进行复制。细菌的DNA复制叉移动速度为5万bp/分；哺乳动 物则为1千～3千bp/分。 3、真核生物一个复制起点一般发动一次复制过程，快速生长往往采用更多的复 制起点。原核生物：一个起点可连续发动复制。 4、真核生物在复制子上，由于其染色体是以核小体为结构单位组成，因此在其 复制时涉及到亲代DNA链与组蛋白八聚体的解开和子代DNA与组蛋白的重新组 装。
三、DNA的半不连续复制
DNA解链后，DNA聚合酶即以分开了的两条多核苷酸链为模板 进行复制。DNA两条链都能作为模板。以复制叉向前移动的方向为 标准，走向为3′→5′的模板链上的DNA能以5′→3′方向连续合 成，直到所需的长度，这条链能连续合成称为前导链，而另一条走 向为5′→3′的模板链却不能连续合成，称为滞后链。1968年日本 学者冈崎等提出了DNA的不连续复制模型，认为需先合成一些约为 1000～2000个核苷酸(真核生物为100～200个)DNA片段(称为冈崎片 段)，其合成方向也是5′→3′，但与复制叉移动的方向相反，这些 片段合成后可在DNA连接酶作用下拼接起来，直到其长度与前导链 相等。DNA这一复制过程称为半不连续合成(Semidis-continous)。
生物学意义：能使正常机体在内外环境因子高速度变化的条件下，保持遗传 信息稳定和复制的准确性。
第二节 RNA的生物合成与加工
现已肯定：细胞内所有 RNA 都是以 DNA 为模板在胞核 中合成，其绝大部分进入胞液中，发挥其指导蛋白质合 成的功能，只有小部分留在胞核中起结构及调节作用。 RNA： 分 为 三 种 ： mRNA( 信 使 RNA)、tRNA( 转 运 RNA)、rRNA(核糖体RNA)。 mRNA：将从 DNA 转录来的遗传信息传递给蛋白质， 作为蛋白质合成的直接模板。一分子mRNA，可表达一 个或一组基因。 tRNA：将活化了的AA运送到核蛋白体供给合成蛋白质 之用。 rRNA：组成核蛋白体 ( 核糖体 ) ，作为细胞内蛋白质合 成场所，细胞内 RNA 的合成可由 DNA 指导的 RNA 聚合 酶、 RNA 指导的 RNA 聚合酶、多核苷酸磷酸化酶等催 化。但转录作用只有在 DNA 指导的 RNA 聚合酶的作用 下才发生。
二、转录的基本步骤：有四个步骤 (有的称三个步骤)：见 P361 图20-2
识别：对双链DNA特定部位的识别。 起始：聚合作用即转录的开始。 延长：RNA链的延长。 终止：聚合作用停止。 （一）识别起始： 1：识别：原核细胞RNA聚合酶的因子能辨认DNA模板链上的起始位点。（该位 点被叫作启动基因或启动子）。起始点约由6—11个核苷酸构成，且具有一定的 排列顺序，RNA聚合酶与起始点结合子前，DNA的两条链必须解开，具体是由 于什么因子的作用尚不清楚。总之，识别可能是RNA聚合酶在一些辅助因素的协 作下与DNAA链上起始点结合的步骤。 2：起始：头两个与DNA链上碱基配对的NTP依次进行聚合作用形成第一个磷酸 二酯键。其中第一个核苷酸80%以上都是嘌呤，大多是GTP、（或ATP）。： DNA模板链走向：3′→5′ RNA的合成方向：5′→3
一、DNA指导的RNA聚合酶的作用：（DDRP）
（一）反应所需条件及反应特点：
1、原料(或底物)：四种5′-三磷酸核苷(NTP)缺一不可。 2、模板及因子：DNA模板、Mg2+ 或Mn2+，一般双链中只有一 条链作为转录的模板链。 3、反应进入的核苷酸的5′-P与另一核苷酸的3′-OH形成磷酸二酯 键。 4、反应方向：5′→3′。 5、四种NTP参加的先后顺序：由DNA模板决定，受碱基配对支 配，而不受四种NTP相对浓度影响。
二、参加复制过程的主要酶及作用 DNA是由脱氧核糖核苷酸聚合而成，参加聚合反应的酶包括多 种DNA聚合酶以及DNA连接酶。
（一）大肠杆菌中DNA聚合酶：(含Zn2+)（DDDP）
(1)DNA聚合物Ⅰ(又称Kornberg酶)的特殊作用：(是一个多功能酶) ①去除引物及填补间隙作用：在DNA复制过程中，可将引物RNA水解下来， 并催化合成DNA片段以填补间隙。 ②DNA聚合酶作用：催化DNA链由5′→3′方向延长。 ③校正错误作用：它可将DNA链的末端接上的错误核苷酸水解下来，然后再 催化接上一个正确的核苷酸。即由3′端水解DNA链，具有3′→5′核酸外切酶的作 用。 ④修复损坏及变异作用：即由5′端水解DNA链，具有5′→3′核酸外切酶作用。 (详见后面介绍) ⑤由3′端使DNA链发生焦磷酸解。 ⑥催化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。
(二)DNA修复：目前已知细胞内有四种修复系统：
光复活；切除修复(复制前修复)；重组修复(复制后修复)；诱导修复和应急反 应（SOS），后三种又称为暗修复。
修复工作相继由四种酶催化，分为四步进行：（参见P348，图19-24右半部） ①切开（特异的核酸内切酶催化）：切开二聚体的5′端一侧， ②切除（核酸外切酶催化）：切除含二聚体的片断。 ③修复（DNA聚合酶Ⅰ催化）：在敞开的3′-OH上逐个接上正确的脱氧核苷， 形成与另一链有互补关系的短链。 ④连接（DNA连接酶）：将新合成的正确片段3′-OH与切去缺陷片断后而敞开 的5′-P，拼接起来。