生物化学 DNA的生物合成

生 物 四膜虫 尖毛虫 鞭毛虫 酵母 鼠 人
4. 几种生物端粒DNA的重复序列 序列 CCCCAA（Blacburn & Gall,1978） CCCCAAAA(Klobutcher et al ,1981) CCCTA(Le Blancq et al,1991) CCACACACA CCCTAA(Kipling & Cooke,1990) CCCTAA(Moyzis et al,1998)
解链过程中，DNA分子会过度拧紧、打结、缠绕、连环等现象。
２．拓扑异构酶具有内切核酸酶及DNA连接酶的性质 ３．类型： Ⅰ型拓扑异构酶：切割DNA双链中的一股， 并适时连接，不需ATP．参与复制和转录 Ⅱ型拓扑异构酶：切割DNA双链，并适时连接， 需ATP，参与复制 ４．作用：松弛超螺旋
拓扑异构酶Ⅰ的作用
OH HO P O O OH P O
5´
聚 合 方 向
3´
O
OH
OH
OH O O P HO O
ห้องสมุดไป่ตู้
OH P CH2 O
HO
P O
C
OH H
真核细胞DNA聚合酶的类别、细胞定位、性质及功能
DNA聚合酶
相对分子量（KD） 细胞内定位 相关酶活性
Polα
> 250
Polβ
36～38
Polγ
160～300
Polδ Polε
原核生物（细菌） DNA-Pol III（核心酶） ω蛋白 gyrase（旋转酶） DnaB蛋白 DnaC蛋白 单链DNA结合核蛋白 DnaG蛋白（引物酶） Pol III的β亚基 Pol III的γ亚基复合物 DNA 连接酶 DNA-Pol Ⅰ 真核细胞 Pol δ 功能 主要合成酶 拓扑异构酶Ⅰ 拓扑异构 拓扑异构酶Ⅱ 拓扑异构 解旋酶（T抗原） 解双螺旋 解旋酶（T抗原） 解双螺旋 复制蛋白A 维持DNA单链状态 Pol α/引发酶 合成RNA引物 增殖细胞核抗原 滑动夹 复制因子C 装载滑动夹 DNA连接酶I 连接DNA片段 RNaseH、 FEN1 去除 RNA引物
拓扑异构酶Ⅱ的作用
四、 解螺旋酶（helicase） 作用是解开局部一小段双链DNA形成单链，利于 DNA合成
五、单链DNA结合蛋白（single- strand DNA binding protein,SSB） 作用：SSB与单链DNA结合，阻止已解链的DNA重 新形成双链，利于DNA合成
六、增殖细胞核抗原 增殖细胞核抗原（PCNA ） 是DNA聚合酶δ的辅助 蛋白质。PCNA的三个亚 基绕着DNA形成一个滑 动夹子,DNA聚合酶δ附 着于滑动夹子上沿DNA 向前移动，进行复制。 七、复制因子C（RFC） 是一种装载因子，它帮助 PCNA环状滑动夹子的装 配 。 此因 子 作 为 DNA 聚 合酶α和δ之间的连系 物或纽带，有助于前导 链和后随链的同时合成。
—与DNA-polα结合的引发酶在起始位点合成约10个核苷 酸 的RNA引物，然后由DNA-polα再形成15~30个核苷 酸的DNA片段。
二、DNA链的延伸
• DNA聚合酶α/引发酶产生RNA-DNA后（大约40个核苷酸）， RFC紧密结合到引物-模板接合处，DNA聚合酶α与模板DNA 脱离。 • RFC负责组装PCNA滑动夹子，然后DNA聚合酶δ结合到 PCNA组成的滑动夹子上，完成冈崎片段的延伸，最终长度 达130-200个核苷酸。 前导链引物合成后由DNA聚合酶δ连续 延伸DNA 链，长度可达5-10kb。
核酸酶H（RNaseH） 盖内切核酸酶I DNA连接酶
去除RNA引物 去除RNA引物的最后一个核苷酸 连接冈崎片段及参与修复
一、DNA聚合酶
3´→5´的聚合功能，即以DNA为模 板，催化新链3´，5´-磷酸二酯 键的生成。 DNA聚合酶不能将两个核苷酸聚合， 故需一段RNA因物 3´→5´外切核酸酶活性（较读功 能）
U
（三）端粒DNA复制--爬行模型
（四）端粒、端粒酶与衰老
1. 通过对体内外细胞端粒平均长度研究，发现同一种细胞不同生 长时期端粒长度不同，且端粒DNA序列重复程度与细胞的寿命呈 正相关。 2. 人类细胞体外分裂时，通常细胞每分裂一次，端粒DNA序列丢失 约50bp～200bp，细胞停止分裂，处于静止状态。说明端粒DNA 序列的缩短与细胞增殖受限有关。随着年龄的增加，细胞的连 续分裂，端粒DNA逐渐缩短，甚至丢失，细胞老化并丧失增殖能 力而死亡。 3. 老年人的端粒DNA长度明显短于年轻人。因此，端粒DNA缩短是 细胞衰老的普遍现象。原因可能是人体端粒酶的活性低。研究 发现，精子细胞和肿瘤细胞中的端粒酶活性极高。
二、DNA的双向复制
复制起点(origin)：是含有100～200个碱基对的一段DNA 复制叉（replication fork）: 复制子（replicon）:人的基因组可能有104~105个复制子 新链增长的方向:5´→3´
三、DNA的半不连续复制
领头链（leading chain）: 后随链（lagging chain）: 冈崎片段：后随链合成的小片段DNA
三、DNA复制的终止
—RNA引物的水解：首先由RNase H降解RNA引 物，留下单个核糖核苷酸连接到冈崎片段上。 然后，由盖内切核酸酶除去最后一个核苷酸。 —DNA大分子的形成：DNA连接酶将相邻的两 个DNA片段连接起来，形成大分子DNA链。
前导链
复制叉前进方向
3´
polδ
5´
增殖细胞核抗原
C
A
引发酶与DNA聚合酶α形成复合体。 引发酶负责合成约10个核苷酸的 RNA引物。它的底物为核苷三磷酸。 在引物产生基础上后， DNA聚合酶 α负责聚合15～30个核苷酸，它 的底物为脱氧核苷三磷酸。
T
A
T
A
G T G C G
C
G 5´
三、拓扑异构酶（topoisomerase）
１．拓扑是指物体或图像作弹性位移而又保持不变的 性质。
第二节 参与真核生物DNA复制的有关酶及蛋白因子
复制体系的组分 模板 亲代双链DNA 底物 dATP、dGTP、dCTP、dTTP 多种酶 拓扑异构酶、引物酶、 DNA聚合酶、解螺旋酶、 DNA连接酶、核酸酶H、盖内切核酸酶I 多种蛋白因子 单链DNA结合蛋白、复制蛋白A、复制 因子C、增殖细胞核抗原
ATP
AMP+PPi
—A—A—G—C G—T—T—G—C—G—A—C—C—T—G— —T—T—C—G—C—A—A—C—G—C—T G—G—A—C—
ATP AMP+PPi
第二节真核生物DNA的复制过程
一、DNA复制的起始
—起点辨认复合物（ORC）辨认复制的起始点序列（此 序列含有由11个核苷酸组成的保守序列：A（T） TTTATA（G）TTTA（T））， ORC具有弱解旋酶 活性的小染色体维系蛋白(MCM)再与之结合，产生复 制叉，形成复制泡，单链DNA结合蛋白（复制蛋白A） 与单链DNA结合，解旋酶再结合到复制泡上。
5. 不同生物端粒DNA的长度
生物 酿酒酵母 尖毛虫 小鼠 大鼠 人 精子细胞 血细胞 长度 245bp～395bp 20bp 5kb～80kb 长达150kb 约15kb 15kb 12kb
6.端粒DNA的结构
① 端粒DNA有三个结构功能区：端粒相关序列、端粒重复序列和 3´单链悬突（两个重复序列的长度）。不同物种的端粒DNA长 度差别很大。重复序列长度也不一样。 3´单链悬突可能是端 粒的一个普遍特征。 真核生物的端粒DNA序列相当保守，一般有5～8bp 串联重复组成， 特征是富含G/C，在3´端超出互补链12～16个核苷酸。
八、核酸酶H（RNaseH）和盖内切核酸酶（FEN1） 它们参与去除RNA引物的作用。 RNaseH降解RNA引物，留下 一个核苷酸连在冈崎片段的末端，由FEN1完成去除最后 一个核苷酸。
九、 DNA连接酶（ligase） 作用：催化两个DNA片段间形成3´，5´-磷酸二酯键 而将它们连接在一起。
真核DNA复制的有关酶类及蛋白因子
酶及有关蛋白因子 DNA聚合酶α/引发酶 DNA聚合酶δ 拓扑异构酶 功 能 引发及后随链的部分合成 主要的DNA复制酶 松弛DNA超螺旋，有利于复制 解开DNA双螺旋
与单链DNA结合，防止再形成双 链 参与滑动夹子的装配 滑动夹，与合成的连续性有关
解螺旋酶
单链DNA结合蛋白及复制蛋白A 复制因子C（RFC） 增殖细胞核抗原（PCNA）
四、DNA复制需要RNA引物
RNA引物约10个核苷酸
五、DNA具有高度保真性
① ② ③ ④ 严格遵守碱基配对原则 DNA聚合酶对碱基的选择功能 DNA聚合酶的校读功能 细胞修复系统（碱基错配的发生率为10-1～10-2， DNA-pol较读功能使之降为 10-5～10-6，复制后的 校正修复系统使之降为10-10～10-8 ）
亲代
子
代
1
2
3
（三）DNA半保留复制的意义
---AGAACTTAG-----TCTTGAATC-----AGAACTTAG-----TCTTGAATC-----AGAACTTAG-----TCTTGAATC---
1.遗传的保守性是相对的 2. 遗传的变异性是绝对的
DNA复制的一般特点
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 亲代DNA的两条链均作为模板 DNA的局部需解旋，尚需拓扑异构酶松弛超螺旋 DNA聚合酶以5'到3'的方向合成新链 DNA聚合酶需RNA引物 DNA的合成是半不连续的 DNA复制高度精确（DNA聚合酶的较读功能） DNA的合成非常迅速 线性DNA末端（端粒）的复制需端粒酶参与
端粒相关序列
端粒重复序列
3´端悬突
7.端粒DNA结合蛋白 包括与3´单链悬突特异结合的蛋白质和与端粒双链DNA结 合的蛋白质。端粒蛋白与端粒DNA结合，保护大约 100bp的双链和末端单链DNA。
端粒相关序列 端粒重复序列
3´端悬突
（二）端粒酶
1. 什麽是端粒酶？端粒酶是由RNA和蛋白质组成的一种 很特殊的核蛋白复合物。 2. 端粒酶的作用：端粒酶RNA含有与端粒DNA互补的序 列，并具有逆转录酶的性质。端粒酶负责端粒DNA合 成。
二、线粒体DNA复制-D环复制
线粒体DNA有两个复制起 点。第二个复制起点开 始复制时，第一个复制 起点已复制达全环的 2/3 ，并将外环取代出 来。电镜下观察此结构 似D形，故称D环复制。 D环复制时两条新链的起 始时间不同，因此复制 是不对称的。
第四节 原核生物DNA的复制
.
一、参与原核生物DNA复制的酶类及蛋白因子
5´ ——A-G-A-T-C-C-G-C-T-T-A-A-C-G-C-G-T-T-A-T-A-T-C-A-C-G-C-G-C—— 3´ 5´ 3´ A-A-T-A-U-A-G-U-G-C-G-C-G 5´ 3´
——T-C-T-A
C
G
C
RNA引物
G
G
C
二、引发酶（引物酶）
G UU A A A A T C T G G C C G 3´ G C A
第一节
DNA复制的一般规律
一、 DNA半保留复制 （一）概念
复制
亲代DNA
（二）DNA半保留复制的实验证明
1. 2. 3. 4. 同位素标记技术—15NH4Cl 细菌培养技术 DNA提取技术 密度梯度离心技术--15NH4Cl>
14NH
4Cl
15N-DNA 14N-DNA
混合
15N-DNA
14N-DNA
3´ 5´
复制因子C 引发酶/Pol- α 5´ 3´ 5´
polδ RNaseH和侧翼核酸 内切酶（FEN1）
DNA连接酶
冈崎片段
（130-200nt）
后随链
四、端粒DNA的复制
（一）端粒 1. 什麽是端粒？端粒是指真 核染色体两末端的一种特 殊的膨大结构。 2. 端粒的构成：端粒由染色 体末端DNA和DNA结合蛋白 组成的复合物。 3. 端粒的作用是（1）保护染 色体末端DNA不被核酸酶降 解。（2）避免染色体间的 融合。
第三篇 遗传信息的传递
前 言
1958年Francis Crick 提出遗传信息传递的中心法则 1970年D Baltimore对遗传信息传递的中心法则作出补充
转录 复制 DNA 逆转录
RNA
翻译
蛋白质
翻译 复制 RNA 蛋白质
第十一章
DNA的生物合成
1953年James Watson和Francis Crick 提出DNA双螺旋结 构模型，并推测DNA的半保留复制 1958年，Meselson和Stahl利用15N标记大肠杆菌DNA，证 明了DNA半保留复制 1963年，Cairna利用放射性自显影的方法，首次观察到 大肠杆菌染色体DNA的复制。
170 256
Polξ
Polη Polι
核
核
有
无 无 物 及 链 始
线粒体
有
有 无
核
有
有 无
核
有
有 无
5´→3´聚合酶 有
3´→5´外切酶 无 引发酶 有 功能 引 成 随 其 成
合 碱基切除 线粒体 后 修复 DNA复制 的 合
主 要 不清楚， 损 伤 旁 损 伤 损 伤 旁 复 制 复制或 路修复 旁 路 路修复 酶 修复 修复