DNA的生物合成
合集下载
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)
第一节 DNA的生物合成
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
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
第十章 DNA的生物合成(共65张PPT)
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
DNA复制与转录的比较
以DNA为模板
相 遵循碱基配对原则 同 都需依赖DNA的聚合酶 点 聚合过程都是生成磷酸二酯键
新链合成方向为5’→3’
重组修复（recombination repair ）
• 又称复制后修复（ postreplication repair）
• 受损伤的DNA在进行复制时，跳 过损伤部位，在子代DNA链与损 伤相对应部位出现缺口。通过分子 间重组，从完整的母链上将相应的 碱基顺序片段移至子链的缺口处， 然后再用合成的多核苷酸来补上母 链的空缺，此过程即重复修复。并 非完全校正。
structures were observed; no single stranded
DNA is visible.
No complete unwinding of the two
parental strands occurred before the
daughter strands are synthesized
• 当DNA受到大剂量紫外线（波长260nm附近）照射 时，可引起DNA链上相邻的两个嘧啶碱基共价聚合 ，形成二聚体，例如TT二聚体。
2. DNA损伤修复
• 光复活 • 切除修复 • 重组修复 • SOS修复
光复活（photoreactivation）
• 可见光（最有效波长 400nm）激活生物界 广泛分布（高等哺乳 动物除外）的光复活 酶，该酶分解嘧啶二 聚体。
二、DNA的复制
dnaA蛋白与起始点形成复合物，促进其他 dna蛋白也与起始点形成复合物。一旦双螺旋 解开成单链，SSB即结合单链。
DNA的生物合成
功能型生物信息
组装
大分子的
第十三章
第十四章
第十五章
DNA的生物合成
RNA的生物合成
蛋白质的生物合成
第十三章
DNA的生物合成
DNA 是
主要的遗传物质
DNA
中心法则
复制
◆ 转录
◆ 翻译
RNA
◆
蛋白质
第十三章 DNA的生物合成
引言
第一节
第二节
中心法则
★
DNA的生物合成
★
DNA的损伤与修复
底物：dNTP
★
（三）DNA的复制过程(大肠杆菌)
（四）真核细胞的DNA复制
★
（五）复制高度准确性的保障
（六）逆转录
（五）复制高度准确性的保障
在碱基互补配对的结构基础上，
细胞通过RNA引物、DNA聚合
酶的识别及外切酶活性、复制组
分的协同作用、端粒酶的作用及
强大的损伤修复系统最终保证了
复制的高保真。
正常生理情况下，错配率在10-10以下。
链的延长具有严格
的方向性：
5’ → 3’
7、DNA的半不连续复制：
酶作用的严格的延长方向
的制约所导致。
7、DNA的半不连续复制：
前导链，后随链。
冈崎片段：
5’→3’，1000~2000bp，
7~11s 的均一小片段。
8、RNA引物的切除与填补
及子链DNA片段的连接：
DNA聚合酶Ⅰ切除引物
并合成DNA填补片段；
半保留
复制的
生物学
意义？
→超螺旋的解旋？
→双螺旋的解旋？
→单核苷酸链的稳定？
→复制的具体过程？
组装
大分子的
第十三章
第十四章
第十五章
DNA的生物合成
RNA的生物合成
蛋白质的生物合成
第十三章
DNA的生物合成
DNA 是
主要的遗传物质
DNA
中心法则
复制
◆ 转录
◆ 翻译
RNA
◆
蛋白质
第十三章 DNA的生物合成
引言
第一节
第二节
中心法则
★
DNA的生物合成
★
DNA的损伤与修复
底物：dNTP
★
（三）DNA的复制过程(大肠杆菌)
（四）真核细胞的DNA复制
★
（五）复制高度准确性的保障
（六）逆转录
（五）复制高度准确性的保障
在碱基互补配对的结构基础上，
细胞通过RNA引物、DNA聚合
酶的识别及外切酶活性、复制组
分的协同作用、端粒酶的作用及
强大的损伤修复系统最终保证了
复制的高保真。
正常生理情况下，错配率在10-10以下。
链的延长具有严格
的方向性：
5’ → 3’
7、DNA的半不连续复制：
酶作用的严格的延长方向
的制约所导致。
7、DNA的半不连续复制：
前导链，后随链。
冈崎片段：
5’→3’，1000~2000bp，
7~11s 的均一小片段。
8、RNA引物的切除与填补
及子链DNA片段的连接：
DNA聚合酶Ⅰ切除引物
并合成DNA填补片段；
半保留
复制的
生物学
意义？
→超螺旋的解旋？
→双螺旋的解旋？
→单核苷酸链的稳定？
→复制的具体过程？
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
第13章 DNA生物合成(简明生物化学)
引物酶：合成RNA引物（十个bp左右），方向 为5’ 到 3’
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 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
DNA聚合酶只能催化DNA链从5'端至3'方向合成，故子链沿着模板复制时，DNA复制的酶学与拓扑学 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； 引物(primer): 提供3'-OH末端使dNTP可以依次聚合； 其他的酶和蛋白质因子。 生成磷酸二酯键是复制的基本化学反应 (dNMP)n + dNTP → (dNMP)n+1 + PPi DNA 新链生成需引物和模板； 新链的延长只可沿5'→ 3'方向进行 DNA聚合酶(依赖DNA的DNA聚合酶)催化核苷酸之间聚合 活性 5'-3' 的聚合活性 核酸外切酶活性 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 原核生物的DNA聚合酶分为三型
双向复制 (bidirectional replication) 定义 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 原核生物
A. 环状双链DNA及复制起始点（一个复制点） B. 复制中的两个复制叉 C. 复制接近终止点 真核生物
多个复制起点，多起点双复制特征 从一个DNA复制起点起始的DNA复制区域称为复制子 半不连续复制 (semi-discontinuous replication)
拓扑异构分类 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
双向复制 (bidirectional replication) 定义 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 原核生物
A. 环状双链DNA及复制起始点（一个复制点） B. 复制中的两个复制叉 C. 复制接近终止点 真核生物
多个复制起点，多起点双复制特征 从一个DNA复制起点起始的DNA复制区域称为复制子 半不连续复制 (semi-discontinuous replication)
拓扑异构分类 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
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
生物化学与分子生物学课件-第十二章-DNA的生物合成
第十二章DNA的生物合成教学要求（一）掌握内容1. 复制、半保留复制、双向复制、半不连续性复制、复制叉、复制子、领头链、随从链、冈崎片段的概念。
2. 参与DNA复制的主要物质。
3. 原核和真核生物DNA聚合酶作用、种类及其特点。
4. 拓扑异构酶、引物酶、单链DNA结合蛋白和DNA连接酶的作用和特点。
5. 原核生物DNA复制过程和各阶段的特点。
6. 端粒和端粒酶概念；反转录概念、作用特点及作用过程。
7. DNA损伤（突变）的概念、突变的类型；切除修复的基本原理。
（二）熟悉内容1. 半保留复制的实验依据。
2. DNA复制的化学反应、保真性的酶学依据。
3. 真核生物DNA复制过程和各阶段的特点。
4. 突变的意义、引发因素；光修复、SOS修复及重组修复的概念。
（三）了解内容1. 端粒延长机制。
2. 反转录的生物学意义。
3. 光修复、SOS修复及重组修复的作用方式。
教学内容（一）复制的基本规律1. 半保留复制2. 双向复制3. 复制的半不连续性（二）DNA复制的酶学和拓扑学变化1. 复制的化学反应2. DNA聚合酶（1）原核生物DNA聚合酶；（2）真核生物DNA聚合酶。
3. 复制保真性的酶学依据4. 复制中的解链和DNA分子的拓扑学变化（1）解螺旋酶和单链DNA结合蛋白；（2）引物酶；（3）DNA拓扑异构酶。
5. DNA连接酶（三）DNA生物合成过程1. 原核生物的DNA生物合成（1）复制的起始；（2）复制的延长；（3）复制的终止。
2. 真核生物的DNA生物合成（1）复制的起始；（2）复制的延长；（3）复制的终止和端粒酶。
（四）反转录和其它复制方式1. 反转录病毒和反转录酶2. 反转录研究的意义3. 滚环复制和D环复制（自学）（五）DNA的损伤（突变）与修复1. 突变的概念及意义2. 引发突变的因素3. 突变分子改变类型（1）错配；（2）缺失和插入；（3）重排。
4. DNA损伤的修复（1）直接修复；（2）切除修复；（3）重组修复；（4）SOS修复。
第九章 DNA的生物合成
主要内容
• 概述 • DNA的生物合成 • DNA的损伤与修复
概
述
遗传信息传递的中心法则
反映了从DNARNA蛋白质的遗传信息主 流，揭示了生物体内遗传信息的贮存、传递和 表达的规律。
复制
DNA
转录
RNA
翻译
蛋白质
反转录
复制
RNA （病毒）
翻译
蛋白质 （病毒）
第一节
★ 定义：
DNA的复制
复制是指以亲 代DNA为模板合成 子链DNA的过程。
四、DNA的复制过程
大致分为三阶段： 复制的起始 链的延长 复制的终止
（一）复制的起始
1. DNA解成单链
由特定蛋白质识别复制起始位点（ori）解螺 旋酶、TOPO酶及单链DNA结合蛋白的共同作用下， DNA解链，解旋，形成复制叉 2. 引发体的生成 解旋酶解开双链后引物酶进入形成引发体
3. RNA引物的合成 依赖于单链模板，由引物酶催化按碱基配对 规律合成一小段RNA引物(原核细胞引物长50-100 个碱基，真核约10个碱基)。
（4）在RNA引物上合成DNA
DNA复制的精确性（高保真复制）
DNA复制必须具有高度精确性，在大肠杆菌的细 胞DNA复制中其错误率约为1/109～1/1010，即每109～ 1010个核苷酸才出现一个错误，也就是大肠杆菌染色 体DNA复制1000～10000次才出现一个核苷酸的错误。 这么高的精确性的保证主要与下列因素有关： 1、碱基的配对规律：摸板链与新生链之间的碱 基配对保证碱基配错几率约为1/104～1/105。 2、DNA聚合酶的3’→5’外切酶活性的校对功能， 使碱基的错配几率又降低100～1000倍。 3、DNA的损伤修复系统。
（1）DNA聚合酶 即依赖于DNA的DNA聚合
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。
第五章DNA生物合成
旧链
新链
• 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
（四） 复制的起点和方向
1.概念 概念
●
复制子(replicon)：基因组能独立进行复制的单位。 ：基因组能独立进行复制的单位。 复制子 独立进行复制的单位 习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一个复制 习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一个复制 子.
第五章
DNA的生物合成 的生物合成
原核生物的DNA复制 第一节 原核生物的 复制 第二节 真核生物的 真核生物的DNA复制 复制 第三节 DNA的损伤修复 的损伤修复 第四节 DNA的重组 的重组
DNA具有储存、传递（包括复制、转录、翻译） 具有储存、传递（包括复制、转录、翻译） 具有储存 和接受（反转录）遗传信息的功能。 和接受（反转录）遗传信息的功能。 DNA的生物合成包括 的生物合成包括DNA的复制、损伤修复和重 的复制、 的生物合成包括 的复制 组。 DNA复制是保持DNA分子的忠实拷贝过程 DNA复制是保持DNA分子的忠实拷贝过程，具有 分子的忠实拷贝过程， 复制是保持 高度的忠实性，DNA修复和重组是影响遗传信息 高度的忠实性， 修复和重组是影响遗传信息 本身结构的调整过程，保持遗传信息的完整性。 本身结构的调整过程，保持遗传信息的完整性。
2）功能： ）功能：
聚合酶活性（ ① 5′→3′聚合酶活性（大片段上）； 聚合酶活性 大片段上）； 酶与模板结合后构象改变，识别碱基， 酶与模板结合后构象改变，识别碱基，正确配对后才 发挥聚合作用；（错误率10-5） 发挥聚合作用；（错误率 ；（错误率 外切酶活性（ ② 3′→ 5′外切酶活性（大片段上）； 外切酶活性 大片段上）； 仅对短的单链DNA起作用，主要是对新生DNA链进行 起作用，主要是对新生 仅对短的单链 起作用 链进行 校对，防止“错配” 错误率5*10-2） 校对，防止“错配”； （错误率 外切酶活性（ ③ 5′→3′外切酶活性（小片段上）。 外切酶活性 小片段上）。 仅作用于双链DNA，可切除由紫外线照射形成的嘧啶二 ， 仅作用于双链 聚体，也可切除冈崎片段5’端RNA引物。 聚体，也可切除冈崎片段 端 引物。 引物
第十四章 DNA的生物合成
• 核酸外切酶活性
5´ A G C T T C A G G A T A
3´
? | | | | | | | | | | |
3´ T C G A A G T C C T A G C G A C
5´
• 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 能切除引物，突变的 DNA片段。
• 领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制 的半不连续性（semi-discontinuous replication）。
第二节
DNA复制的酶学
The Enzymology of DNA Replication
•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 引物(primer): RNA，提供3-OH末端 其他的酶和蛋白质因子：解旋酶、拓扑异构酶、 引物酶、DNA连接酶、单链结合蛋白等
复制的化学反应 •聚合反应的特点 ➢DNA 新链生成需引物和模板； ➢新链的延长只可沿5 → 3方向进行 。
• 密度梯度实验
梯度离心结果
含重氮-DNA的细菌
培养于轻氮 培养液
第一代
继续培养于 轻氮培养液
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 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。自然界还存在着普遍的变异现象。
一、半保留复制 (semiconservative replication)
生物化学第13章DNA的生物合成
延长
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 。
THANKS
感谢观看
合成生物学与基因合成
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 。
THANKS
感谢观看
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。
生化·第13章·DNA的生物合成
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
首页
生物化学
第十一章 DNA的复制
（一）. 原核生物的DNA聚合酶。
现在已知的原核生物DNA聚合酶有三种： 1 . DNA聚合酶Ⅰ 2 . DNA聚合酶Ⅱ 3 . DNA聚合酶Ⅲ
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
首页
生物化学
第十一章 DNA的复制
1 、DNA聚合酶Ⅰ
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ首页
生物化学
第十一章 DNA的复制
(三)、 DNA复制的保真性
DNA复制的保真性至少依赖 三种机理。 1、遵守严格的碱基配对规律。 2、DNA-pol Ⅲ 对碱基的选择功能。 3、复制中出现错误时，DNA-pol Ⅰ 有即时的校读功能。
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
首页
生物化学
第十一章 DNA的复制
连接酶的作用
5' 3'
ATP 3'
3' 把连接的缺口放大，示其化学反应。 O ' 5 5' OH 3' + O¯ P 3' O
ATP
P HO
ADP 5'
5' 连接酶
3' 5'
DNA连接酶
ADP
–O
5'
O
O P O
–O
3'
DNA连接酶的作用方式
+ ppi
或 n1dATP n2dCTP n1dTTP + DNA n2dGTP (模板) +2(n1+n2)PPi
DNA聚合酶 Mg 2+,引物
首页
生物化学
第十一章 DNA的复制
（一）. 原核生物的DNA聚合酶。
现在已知的原核生物DNA聚合酶有三种： 1 . DNA聚合酶Ⅰ 2 . DNA聚合酶Ⅱ 3 . DNA聚合酶Ⅲ
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
首页
生物化学
第十一章 DNA的复制
1 、DNA聚合酶Ⅰ
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ首页
生物化学
第十一章 DNA的复制
(三)、 DNA复制的保真性
DNA复制的保真性至少依赖 三种机理。 1、遵守严格的碱基配对规律。 2、DNA-pol Ⅲ 对碱基的选择功能。 3、复制中出现错误时，DNA-pol Ⅰ 有即时的校读功能。
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
首页
生物化学
第十一章 DNA的复制
连接酶的作用
5' 3'
ATP 3'
3' 把连接的缺口放大，示其化学反应。 O ' 5 5' OH 3' + O¯ P 3' O
ATP
P HO
ADP 5'
5' 连接酶
3' 5'
DNA连接酶
ADP
–O
5'
O
O P O
–O
3'
DNA连接酶的作用方式
+ ppi
或 n1dATP n2dCTP n1dTTP + DNA n2dGTP (模板) +2(n1+n2)PPi
DNA聚合酶 Mg 2+,引物
生物化学课件第十二章 DNA的生物合成
解链方向
随从链 (lagging strand)
5
• 顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，
这股链称为领头链。
• 另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能 顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称 为随从链。复制中的不连续片段称为岡崎片段 (okazaki fragment)。
• 领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制
（二）复制的延长
复制的延长指在DNA-pol催化下，dNTP以 dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上， 其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。
3' 5'
DNA-pol
OH 3'
5' 3'
dCTP
dGTP
dTTP
dATP
dCTP
dATP
dGTP
dTTP
3
5 3
领头链 (leading strand)
3 5
·· ·TGTGGATTA-‖-TTATACACA-‖-TTTGGATAA-‖-TTATCCACA
58
66
166
174
201
209
237
245
E.coli复制起始点 oriC
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。
复制中的放射自显影图象
的半不连续性。
领头链的合成
随从链的合成
阶段一
阶段二
阶段三
阶段四
复 制 过 程 简 图
（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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第十二章
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
DnaG (dnaG)
引物酶
SSB
单链DNA
结合蛋白
拓扑异构酶 (gyrA, B)
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
DNA-pol Ⅱ（120kD）
• DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活 • 推测它参与DNA损伤的应急状态修复。
DNA-pol Ⅲ (250kD) 功能 是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。
二，复制保真性的酶学依据
(一)核酸外切酶活性：校读功能
DNA-pol I： 5’ 3’外切酶活性 3’ 5’外切酶活性 5’ 3’聚合酶活性
引物酶、DNA连接酶、 单链DNA结合蛋白等。
• 聚合反应的特点
DNA 新链生成需引物和模板； 新链的延长只可沿5 → 3方向进行 。
Байду номын сангаас
DNA聚合酶
全称：依赖DNA的DNA聚合酶 (DNAdependent DNA polymerase)
简称：DNA-pol
活性：1. 53 聚合酶的活性 2. 核酸外切酶活性
理顺DNA链
• 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态并保护单 链的完整
5´ A G C T T C A G G A T A
3´
? | | | | | | | | | | |
3´ T C G A A G T C C T A G C G A C 5´
• 3 5外切酶活性 能辨认错配的碱基对，并将其水解。
Protease cleavage
35 kDa
68 kDa
DNA polymerase I has three enzymatic activities in a single polypeptide chain, which can be cleaved into two functional parts by mild protease treatment.
二.双向复制
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。
多复制子的复制
复制子是独立完成复制的功能单位
三、复制的半不连续性
3
领头链 (leading strand)
5 解链方向
3
随从链 (lagging strand)
岗崎片段
5
第二节
The hypothesis of semiconservative replication proposed by Watson and Crick in 1953.
Radioisotope labeling and density gradient centrifugation clearly distinguishes replications of semiconservative
250 多亚基不对称
二聚体
20 无 可能
DNA-pol Ⅰ （109kD）
功能：切除引物，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。
• 核酸外切酶活性
• 5 3外切酶活性 1) 引物的切除 2) 突变的 DNA片段的切除(首先由特异的核酸
内切酶识别并切断受损的DNA链)。
• 核酸外切酶活性
DNA复制的酶学和拓扑学
The Enzymology of DNA Replication
•参与DNA复制的物质
底物(substrate): dATP, dGTP, dCTP, dTTP（ dNTPs ） 模板(template) : 解开成单链的DNA母链 引物(primer): 提供3-OH末端 DNA聚合酶: 其他的酶和蛋白质因子：解螺旋酶、拓扑异构酶、
一、半保留复制
•半保留复制的概念
1、DNA生物合成时，母链DNA局部 解开形成两股单链，各自作为模板 (template)按碱基配对规律，合成与模 板互补的子链。
2、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 全重新合成。两个子细胞的DNA都和 亲代DNA碱基序列一致。
半保留复制的 实验证据
（二）DNA拓扑异构酶(DNA topoisomerase)
正超螺旋：向紧缠的方向额外再旋转几圈，然后使 之环化，所形成的超螺旋。——对于DNA来说，为 左手螺旋。 负超螺旋：向松缠的方向旋转几圈，然后使之环化， 所形成的超螺旋。——对于DNA来说，为右手螺旋。 超螺旋总是要向着抵消初级螺旋改变的方向发展。
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
DnaG (dnaG)
引物酶
SSB
单链DNA
结合蛋白
拓扑异构酶 (gyrA, B)
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
DNA-pol Ⅱ（120kD）
• DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活 • 推测它参与DNA损伤的应急状态修复。
DNA-pol Ⅲ (250kD) 功能 是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。
二，复制保真性的酶学依据
(一)核酸外切酶活性：校读功能
DNA-pol I： 5’ 3’外切酶活性 3’ 5’外切酶活性 5’ 3’聚合酶活性
引物酶、DNA连接酶、 单链DNA结合蛋白等。
• 聚合反应的特点
DNA 新链生成需引物和模板； 新链的延长只可沿5 → 3方向进行 。
Байду номын сангаас
DNA聚合酶
全称：依赖DNA的DNA聚合酶 (DNAdependent DNA polymerase)
简称：DNA-pol
活性：1. 53 聚合酶的活性 2. 核酸外切酶活性
理顺DNA链
• 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态并保护单 链的完整
5´ A G C T T C A G G A T A
3´
? | | | | | | | | | | |
3´ T C G A A G T C C T A G C G A C 5´
• 3 5外切酶活性 能辨认错配的碱基对，并将其水解。
Protease cleavage
35 kDa
68 kDa
DNA polymerase I has three enzymatic activities in a single polypeptide chain, which can be cleaved into two functional parts by mild protease treatment.
二.双向复制
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。
多复制子的复制
复制子是独立完成复制的功能单位
三、复制的半不连续性
3
领头链 (leading strand)
5 解链方向
3
随从链 (lagging strand)
岗崎片段
5
第二节
The hypothesis of semiconservative replication proposed by Watson and Crick in 1953.
Radioisotope labeling and density gradient centrifugation clearly distinguishes replications of semiconservative
250 多亚基不对称
二聚体
20 无 可能
DNA-pol Ⅰ （109kD）
功能：切除引物，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。
• 核酸外切酶活性
• 5 3外切酶活性 1) 引物的切除 2) 突变的 DNA片段的切除(首先由特异的核酸
内切酶识别并切断受损的DNA链)。
• 核酸外切酶活性
DNA复制的酶学和拓扑学
The Enzymology of DNA Replication
•参与DNA复制的物质
底物(substrate): dATP, dGTP, dCTP, dTTP（ dNTPs ） 模板(template) : 解开成单链的DNA母链 引物(primer): 提供3-OH末端 DNA聚合酶: 其他的酶和蛋白质因子：解螺旋酶、拓扑异构酶、
一、半保留复制
•半保留复制的概念
1、DNA生物合成时，母链DNA局部 解开形成两股单链，各自作为模板 (template)按碱基配对规律，合成与模 板互补的子链。
2、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 全重新合成。两个子细胞的DNA都和 亲代DNA碱基序列一致。
半保留复制的 实验证据
（二）DNA拓扑异构酶(DNA topoisomerase)
正超螺旋：向紧缠的方向额外再旋转几圈，然后使 之环化，所形成的超螺旋。——对于DNA来说，为 左手螺旋。 负超螺旋：向松缠的方向旋转几圈，然后使之环化， 所形成的超螺旋。——对于DNA来说，为右手螺旋。 超螺旋总是要向着抵消初级螺旋改变的方向发展。