第十三章 DNA的生物合成-复制
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动画：DNA replication 5
DNA半保留复制的实验证明
• 1958 年 Meselson 和 Stahl 用同位素示踪和密度梯度离 心的方法证明了DNA的半保 留复制。
• 该实验首先将大肠杆菌在含 15N的培养基中培养约15代， 使其DNA中的碱基氮均转变 为15N。然后将大肠杆菌移至 只含14N的培养基中同步培养 一代、二代。分别提取DNA， 作密度梯度离心，将具有不 同密度的DNA分离开。
• 补充：在某些情况下，RNA也可以是遗传信息的基本携 带者。如：RNA病毒能以自身RNA分子为模板进行复制； 致癌RNA病毒还能通过逆转录的方式将遗传信息传递给 DNA。
复制
DNA
转录 逆转录
翻译 RNA
复制（病毒）
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蛋白质
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第一节 DNA的生物合成
• DNA的自我复制 • 逆转录作用 • DNA的损伤、修复和突变
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• 许多与DNA复制直接相关的基因被称为dna基 因；不过也有其他不同的名称。
• 与复制相关的基因：dnaA、dnaB、 …dnaX
• 相应的基因产物：DnaA、DnaB…DnaX • DnaA：辨认复制起始点oriC（origin C）； • DnaB：引发体的组分，具有解螺旋酶的活性； • DnaC：引发体组分，帮助DnaB结合于起点； • DnaG：引物酶，合成前体片段的引物。
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动画：DNA半保留复制实验6
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。
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7
（二）DNA复制的条件
模板 解螺旋酶 拓扑异构酶 DNA聚合酶
底物 单链结合蛋白 引物、引物酶 DNA连接酶
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8
1. 模板（template）
DNA复制是模板依赖性 的，必须要以亲代DNA 链作为模板。亲代DNA 的两股链解开后，可分 别作为模板进行复制。
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2. 底物（substrate）
• 以四种脱氧核苷三磷酸为底物，即dATP、 dGTP、dCTP、dTTP。
• dNMP和dNTP代表任意一个脱氧核苷酸和脱 氧核苷三磷酸。
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3. 解螺旋酶
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引物酶催化合成短链RNA引物分子
• RNA引物的大小，在原核生物中通常为50~ 100个核苷
酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。RNA引物的碱基
顺序，与其模板DNA的碱基a 顺序相配对。
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7. DNA聚合酶
• 全称：依赖DNA的DNA聚合酶 （DNA-dependent DNA polymerase，DDDP），简称：DNA-pol
• 使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在，即稳 定单链DNA，便于其作为模板复制子代DNA；
• 保护单链DNA，避免核酸酶的降解。
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5. DNA拓扑异构酶
• 引起拓扑异构反应的酶称为拓扑异构酶 （topoisomerase）。DNA复制时模板DNA超螺旋的松 弛和复制后超螺旋的再恢复都需要拓扑异构酶的参与。
核酸的生物合成
DNA的生物合成 RNA的生物合成
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• 现代生物学已充分证明，核酸是生物遗传的物质 基础。
• 除少数RNA病毒外，几乎所有的生物均以DNA为
遗传信息的载体。
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• 1958年，Crick提出了遗传信息的“中心法则”。DNA通 过复制（replication）将遗传信息由亲代传递给子代；通 过 转 录 （ transcription ） 和 翻 译 （ translation ） ， 合 成 特异的蛋白质，以执行各种生命功能，使后代表现出与亲 代相似的遗传性状。DNA的复制、转录和翻译过程就构 成了分子生物学的中心法则（central dogma）。
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。
动画：拓扑异构酶
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• 拓扑异构酶II也叫旋转酶（gyrase），在有ATP功能的 情况下，可引入负超螺旋，可消除复制叉前进时产生的 扭曲张力，它和拓扑异构酶I一起共同控制着DNA的拓 扑结构。
• 解螺旋酶（helicase） ，又称解链酶，是用于 解开DNA双链的酶蛋白。
• 大肠杆菌有4中解螺旋酶，即解螺旋酶I、II、III 和Rep蛋白，其中Rep蛋白是最主要的解螺旋 酶。
• 每解开一对碱基，需消耗2分子ATP，依靠水解 ATP提供解链所需要的能量。
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4. 单链DNA结合蛋白
• 单链DNA结合蛋白（single strand binding protein, SSB），是一些能够与单链DNA结合的 蛋白质因子。
拓扑一词的含义是指物体或图象做弹性移位而又保持物体不变的性质。 DNA 分子中存在打结，缠绕、连环的现象。
解链过程中正a超螺旋的形成
14
• 按照作用机制，拓扑异构酶可分为I、II两种类型。
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。
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6. 引物、引物酶
• 引物酶（primase）本质上是一种依赖DNA的RNA聚合 酶，该酶以DNA为模板，聚合一段RNA短链引物 （primer），以提供自由的3’-OH，使子代DNA链能够 开始聚合。
• 引物酶需组装成引发体才能催化RNA引物的合成。
• 在 E. coli 中 ， 含 有 DnaB 蛋 白 、 DnaC 蛋 白 、 引 物 酶 （DnaG蛋白）和DNA复制起始区域的复合结构被称为 引发体（primosome） 。
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一、DNA的自我复制
（一）半保留复制（semiconservative replication）
❖ 双螺旋DNA的每一条DNA链作 为模板复制一条新链，可产生 两个新的双螺旋DNA分子，这 两个子代DNA分子都含有一条 新链、一条旧链。
❖ 与之相对是全保留复制：由复 制产生的新合成的DNA链组成 双螺旋分子，而亲本双链得以 保留。
• 活性：1. 53 的聚合酶活性；2. 核酸外切酶活性
DNA聚合酶催a化DNA链的延长
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核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶称为核酸酶，按其作 用位置分为: 1. 核酸外切酶：作用于核酸链的末端（3’端或5’端）， 逐个水解下核苷酸。
动画：DNA replication 5
DNA半保留复制的实验证明
• 1958 年 Meselson 和 Stahl 用同位素示踪和密度梯度离 心的方法证明了DNA的半保 留复制。
• 该实验首先将大肠杆菌在含 15N的培养基中培养约15代， 使其DNA中的碱基氮均转变 为15N。然后将大肠杆菌移至 只含14N的培养基中同步培养 一代、二代。分别提取DNA， 作密度梯度离心，将具有不 同密度的DNA分离开。
• 补充：在某些情况下，RNA也可以是遗传信息的基本携 带者。如：RNA病毒能以自身RNA分子为模板进行复制； 致癌RNA病毒还能通过逆转录的方式将遗传信息传递给 DNA。
复制
DNA
转录 逆转录
翻译 RNA
复制（病毒）
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第一节 DNA的生物合成
• DNA的自我复制 • 逆转录作用 • DNA的损伤、修复和突变
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• 许多与DNA复制直接相关的基因被称为dna基 因；不过也有其他不同的名称。
• 与复制相关的基因：dnaA、dnaB、 …dnaX
• 相应的基因产物：DnaA、DnaB…DnaX • DnaA：辨认复制起始点oriC（origin C）； • DnaB：引发体的组分，具有解螺旋酶的活性； • DnaC：引发体组分，帮助DnaB结合于起点； • DnaG：引物酶，合成前体片段的引物。
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动画：DNA半保留复制实验6
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。
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（二）DNA复制的条件
模板 解螺旋酶 拓扑异构酶 DNA聚合酶
底物 单链结合蛋白 引物、引物酶 DNA连接酶
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1. 模板（template）
DNA复制是模板依赖性 的，必须要以亲代DNA 链作为模板。亲代DNA 的两股链解开后，可分 别作为模板进行复制。
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2. 底物（substrate）
• 以四种脱氧核苷三磷酸为底物，即dATP、 dGTP、dCTP、dTTP。
• dNMP和dNTP代表任意一个脱氧核苷酸和脱 氧核苷三磷酸。
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3. 解螺旋酶
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引物酶催化合成短链RNA引物分子
• RNA引物的大小，在原核生物中通常为50~ 100个核苷
酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。RNA引物的碱基
顺序，与其模板DNA的碱基a 顺序相配对。
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7. DNA聚合酶
• 全称：依赖DNA的DNA聚合酶 （DNA-dependent DNA polymerase，DDDP），简称：DNA-pol
• 使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在，即稳 定单链DNA，便于其作为模板复制子代DNA；
• 保护单链DNA，避免核酸酶的降解。
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5. DNA拓扑异构酶
• 引起拓扑异构反应的酶称为拓扑异构酶 （topoisomerase）。DNA复制时模板DNA超螺旋的松 弛和复制后超螺旋的再恢复都需要拓扑异构酶的参与。
核酸的生物合成
DNA的生物合成 RNA的生物合成
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• 现代生物学已充分证明，核酸是生物遗传的物质 基础。
• 除少数RNA病毒外，几乎所有的生物均以DNA为
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• 1958年，Crick提出了遗传信息的“中心法则”。DNA通 过复制（replication）将遗传信息由亲代传递给子代；通 过 转 录 （ transcription ） 和 翻 译 （ translation ） ， 合 成 特异的蛋白质，以执行各种生命功能，使后代表现出与亲 代相似的遗传性状。DNA的复制、转录和翻译过程就构 成了分子生物学的中心法则（central dogma）。
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。
动画：拓扑异构酶
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• 拓扑异构酶II也叫旋转酶（gyrase），在有ATP功能的 情况下，可引入负超螺旋，可消除复制叉前进时产生的 扭曲张力，它和拓扑异构酶I一起共同控制着DNA的拓 扑结构。
• 解螺旋酶（helicase） ，又称解链酶，是用于 解开DNA双链的酶蛋白。
• 大肠杆菌有4中解螺旋酶，即解螺旋酶I、II、III 和Rep蛋白，其中Rep蛋白是最主要的解螺旋 酶。
• 每解开一对碱基，需消耗2分子ATP，依靠水解 ATP提供解链所需要的能量。
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4. 单链DNA结合蛋白
• 单链DNA结合蛋白（single strand binding protein, SSB），是一些能够与单链DNA结合的 蛋白质因子。
拓扑一词的含义是指物体或图象做弹性移位而又保持物体不变的性质。 DNA 分子中存在打结，缠绕、连环的现象。
解链过程中正a超螺旋的形成
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• 按照作用机制，拓扑异构酶可分为I、II两种类型。
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。
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6. 引物、引物酶
• 引物酶（primase）本质上是一种依赖DNA的RNA聚合 酶，该酶以DNA为模板，聚合一段RNA短链引物 （primer），以提供自由的3’-OH，使子代DNA链能够 开始聚合。
• 引物酶需组装成引发体才能催化RNA引物的合成。
• 在 E. coli 中 ， 含 有 DnaB 蛋 白 、 DnaC 蛋 白 、 引 物 酶 （DnaG蛋白）和DNA复制起始区域的复合结构被称为 引发体（primosome） 。
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一、DNA的自我复制
（一）半保留复制（semiconservative replication）
❖ 双螺旋DNA的每一条DNA链作 为模板复制一条新链，可产生 两个新的双螺旋DNA分子，这 两个子代DNA分子都含有一条 新链、一条旧链。
❖ 与之相对是全保留复制：由复 制产生的新合成的DNA链组成 双螺旋分子，而亲本双链得以 保留。
• 活性：1. 53 的聚合酶活性；2. 核酸外切酶活性
DNA聚合酶催a化DNA链的延长
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核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶称为核酸酶，按其作 用位置分为: 1. 核酸外切酶：作用于核酸链的末端（3’端或5’端）， 逐个水解下核苷酸。