1、九九 核酸的生物合成核酸的生物合成（一）中心法则（一）中心法则逆转录：以逆转录：以RNARNA为模板为模板，合成出，合成出cDNAcDNA的过程。的过程。转录酶转录酶是是DNADNA指导指导下的下的RNARNA合成酶合成酶逆转录酶逆转录酶是是RNARNA指指导下的导下的DNADNA聚合酶聚合酶例题例题 何为中心法则？广义的中心法则在狭隘的中心何为中心法则？广义的中心法则在狭隘的中心法则的基础上有哪些发展法则的基础上有哪些发展？南京南京农业大学农业大学（二）（二）DNADNA的生物合成的生物合成2.1 2.1 原核生物原核生物DNADNA的复制的复制一、一、DNADNA的半保留复制的半保留复制父
2、链父链子链子链DNADNA双链解开，以双链解开，以每条单每条单链为模板链为模板，合成其互补，合成其互补的子链，成为的子链，成为两个相同两个相同的子代的子代DNADNA，其中每个子，其中每个子代代DNADNA分子分子拥有亲代和新拥有亲代和新合成的链各一条合成的链各一条。1. 1. 定义定义验证实验：验证实验：密度梯度离心实验密度梯度离心实验 含含15N-DNA的细菌的细菌培养于含培养于含14N的普的普通培养基通培养基 第一代第一代继续培养于继续培养于含含14N的普的普通培养基通培养基 第二代第二代例题例题 如果放射性标记的双链如果放射性标记的双链DNADNA分子在无放射性标记的分子在无放射性标记
3、的溶液中经过两次复制，那么所产生的四个溶液中经过两次复制，那么所产生的四个DNADNA分子分子，其放射性状况如何？，其放射性状况如何？ A. A. 两个分子含有放射性两个分子含有放射性 B. B. 全部含有放射性全部含有放射性 C. C. 双链中各有一半含有放射性双链中各有一半含有放射性 D. D. 所有分子的两条链都没有放射性所有分子的两条链都没有放射性20012001年年上海交大上海交大二、二、DNADNA的半不连续复制的半不连续复制前导链前导链后随链后随链冈崎冈崎片段片段 新链按新链按5-3方向合成方向合成 前导链为连续合成前导链为连续合成 后随链的合成不连续，后随链的合成不连续，由许多
4、冈崎片段组成由许多冈崎片段组成例题例题 作出作出DNADNA半不连续复制示意图，注明链的方向，并半不连续复制示意图，注明链的方向，并画出复制叉画出复制叉“看似同向前进看似同向前进”的特征。的特征。南京南京农业大学农业大学全称：全称：DNA指导的指导的DNA聚合酶聚合酶简称：简称：DNA-pol活性：活性： 53 的的聚合聚合活性活性 核酸核酸外切酶外切酶活性活性 1. DNA聚合酶（聚合酶（DNA polymease）三、参与三、参与DNADNA复制的酶复制的酶5 u ucgagccgagcu uagag- -OHOH 3 5 u ucgagccgagcu uagagDNA poldNTP3
5、agctcgatcgtagcctagcgtagcagtgcacgatcagctcgatcgtagcctagcgtagcagtgcacgatc 5 3 agctcgatcgtagcctagcgtagcagtgcacgatcagctcgatcgtagcctagcgtagcagtgcacgatc 5 catcggatcgcatcgtcacgtgctagcatcggatcgcatcgtcacgtgctag 3 (dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 + PPi DNA聚合酶聚合酶DNA模板，模板，Mg2+ 5 5 3 3 聚合作用聚合作用5 A G C T T C A G G A T A 3
6、 | | | | | | | | | | |3 T C G A A G T C C T A G C G A C 5 3 5 外切酶活性外切酶活性 5 3 外切酶活性外切酶活性?能切除突变的能切除突变的 DNA片段和片段和RNA引物。引物。能辨认错配的碱基对，并将其水解，起校对作用。能辨认错配的碱基对，并将其水解，起校对作用。 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 DNA聚合酶聚合酶催化活性催化活性功功 能能5 3 聚合聚合3 5 外切外切5533 外切外切原原核核生生物物DNADNA聚合酶聚合酶切除引物切除引物，修复修复DNADNA聚合酶聚合酶 修复（活性低）修复（活性低）DNADNA聚合酶聚合酶链的
7、延长链的延长（活性高）（活性高）E.ColiE.Coli有至少五种有至少五种DNADNA聚合酶聚合酶 DNA聚合酶聚合酶和和是是1999年新发现的。年新发现的。当当DNA受到严重损伤时，生物体可诱导产生两种受到严重损伤时，生物体可诱导产生两种酶，但它们的修复准确率低，会导致生物的高变酶，但它们的修复准确率低，会导致生物的高变异率。异率。例题例题 大肠杆菌中催化大肠杆菌中催化DNADNA新链延长的主要酶是（）新链延长的主要酶是（） A. DNAA. DNA连接酶连接酶 B. DNAB. DNA聚合酶聚合酶I I C. DNA C. DNA聚合酶聚合酶IIII D.DNA D.DNA聚合酶聚合酶2
8、0082008年农学联考年农学联考05年中科院考题中，问的年中科院考题中，问的是是“负责负责DNA复制的酶复制的酶”。POO-O-O35DNA连接连接酶酶ATPADP53HO5POO-O-O353作用：催化双链作用：催化双链DNADNA的切口连接成的切口连接成3 3,5,5-磷酸二酯键。磷酸二酯键。大肠杆菌中以大肠杆菌中以NADNAD+ +提供能量。提供能量。注意：此酶不能将注意：此酶不能将两条游离的两条游离的DNADNA单链单链连接起来。连接起来。 2. DNA连接酶（连接酶（DNA ligase）作用：通过水解作用：通过水解ATPATP释放的能量，解开双链释放的能量，解开双链DNADNA中
9、碱基中碱基配对的配对的氢键氢键，使，使DNADNA变为单链变为单链解螺旋酶解螺旋酶ATP 3. 使使DNA双螺旋解开所需的酶或蛋白质双螺旋解开所需的酶或蛋白质（1）DNA解螺旋酶（解螺旋酶（DNA helicase）种类：种类：(1)解螺旋酶解螺旋酶、：沿模沿模板板DNADNA一条链一条链5 533方向移动方向移动，并与复制叉前进，并与复制叉前进同向同向；(2)rep(2)rep蛋白蛋白等：它们沿着模板等：它们沿着模板DNADNA另一条链另一条链3 355方向移动方向移动，并与复制叉前进，并与复制叉前进同向同向。 与解开的单链与解开的单链DNADNA结合，结合，防止重新形成双链防止重新形成双链
10、 防止核酸酶降解单链防止核酸酶降解单链DNADNA（2）单链结合蛋白）单链结合蛋白（single-strand binding protein，SSB）1.1. 作用：作用：10108 8 局部解链局部解链（3）拓扑异构酶（）拓扑异构酶（topoisomerase）(1)(1)复制叉前进时候，使模复制叉前进时候，使模板板DNADNA超螺旋松弛超螺旋松弛；(2)(2)复制后使复制后使超螺旋恢复超螺旋恢复拓扑异构酶拓扑异构酶I I拓扑异构酶拓扑异构酶IIII使使DNADNA一条链一条链断裂和再连断裂和再连接接使使DNADNA两条链两条链断裂和再连断裂和再连接接反应无需供能反应无需供能反应需要反应需
11、要ATPATP减少负超螺旋减少负超螺旋引入负超螺旋引入负超螺旋与转录有关与转录有关与复制有关与复制有关P.390图图13-62. 2. 类型类型例题例题 能够将能够将DNADNA双链解开成单链的酶是双链解开成单链的酶是A.A.引发酶引发酶B B）拓扑异构酶）拓扑异构酶C C）限制性内切酶）限制性内切酶D D）解螺旋酶）解螺旋酶南京南京农业大学农业大学任何任何DNADNA聚合酶都不能从头合成新的聚合酶都不能从头合成新的DNADNA链，都只能在引物的基础上延长链，都只能在引物的基础上延长DNADNA链。链。催化这些引物合成的酶称为引发酶。催化这些引物合成的酶称为引发酶。大肠杆菌中的引发酶是大肠杆菌
12、中的引发酶是DnaGDnaG蛋白蛋白 4.引发酶（引发酶（primase）引物多数为RNADnaADnaA由由引发前体引发前体与与引引发酶发酶组装而成。组装而成。5 5 3 3 3 3 5 5 引发酶引发酶DnaCDnaC引发体引发体解螺旋酶解螺旋酶作用：作用：a.a.识别复制起点；识别复制起点；b.b.解开解开DNADNA双链；双链；c.c.引发引物引发引物RNARNA合合成。成。 5.引发体（引发体（primosome）起始起始延长延长终止终止四、原核生物四、原核生物DNADNA的复制过程的复制过程1 1、复制的起始、复制的起始 复制的起点和方向复制的起点和方向 RNA引物的合成引物的合成
13、 起点的识别和双链的解开起点的识别和双链的解开该区域具有高度保守的该区域具有高度保守的重复序列，并重复序列，并富含富含ATAT序序列列，双链容易分开。，双链容易分开。 复制的起点和方向（复制的起点和方向（originorigin、oriori）原核生物只有一个复制起点，复制方向大多数原核生物只有一个复制起点，复制方向大多数是双向的。是双向的。真核染色体真核染色体DNADNA有有多个复制起点，形多个复制起点，形成多个复制眼，同成多个复制眼，同时双向复制。时双向复制。ori 起点的识别和双链的解开起点的识别和双链的解开a.DnaAa.DnaA蛋白识别蛋白识别起始位点，形成起始位点，形成起始复合物。
14、起始复合物。 Dna A Dna B、 Dna C 拓扑异构酶拓扑异构酶SSB3 5 3 5 b.b.由由拓扑异构酶拓扑异构酶和和解链酶解链酶DnaBDnaB作用，作用，解开双链。解开双链。c. SSBc. SSB结合在两结合在两条单链条单链DNADNA上，形上，形成复制叉。成复制叉。称为引发称为引发前体或预前体或预引发体引发体3 5 3 5 在引物酶的催化下，以在引物酶的催化下，以DNA为模板，合成一段短的为模板，合成一段短的RNA片段作为引物，获得片段作为引物，获得3-OH。 引物引物3 HO5引物引物酶酶 引物引物的合成的合成引发体前体与引发酶组引发体前体与引发酶组成引发体成引发体才能起
15、引发作才能起引发作用，即合成用，即合成RNA引物引物引物合成后，由引物合成后，由DNA DNA polpol催化，按碱基配对原则，催化，按碱基配对原则，将将dNTPdNTP逐一添加到引物逐一添加到引物3 3末端，形成磷酸二酯键，末端，形成磷酸二酯键，使新合成的链不断延长。使新合成的链不断延长。2 2、复制的延长、复制的延长 5 5 3 35 5dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH 33 3DNA-pol3冈崎片段555353前导链与复制叉前进与复制叉前进同向同向的子的子代代DNA合成是合成是连续的连续的，叫叫先导链（领头链）先导链（领头链）；与复制叉前进与复制叉
16、前进反向反向的子代的子代DNA合成是合成是不连续的不连续的，叫叫后随链（冈崎片段）后随链（冈崎片段）半半不不连连续续复复制制 引物酶引物酶在复制原点附近合成在复制原点附近合成一段一段RNA引物引物； DNA pol在引物的在引物的3末端末端逐个添加脱氧核苷酸。逐个添加脱氧核苷酸。 随着复制叉的推进，亲代随着复制叉的推进，亲代DNA双螺旋不断被解开，双螺旋不断被解开，先导链也不断延伸。先导链也不断延伸。 先导链的合成先导链的合成复制叉的推进复制叉的推进 后随链的合成后随链的合成引物的合成引物的合成冈崎片段的合成冈崎片段的合成后随链的每个冈崎片段都需后随链的每个冈崎片段都需要合成要合成RNARNA
17、引物。引物。DNADNA聚合酶聚合酶在引物的在引物的33末端使末端使DNADNA链延伸，直至链延伸，直至抵达其下游的另一个冈崎片段的抵达其下游的另一个冈崎片段的RNARNA引物的引物的55端。端。RNARNA引物引物DNA DNA polIpolIDNA DNA polIpolIDNADNA连接酶连接酶冈崎片段的连结：冈崎片段的连结：前导链前导链后随链后随链3 35 53 35 5延延 长长5 55 55 53 33 35 53 33 35 5SSBSSBDNA DNA PolymerasePolymerase冈崎冈崎片断片断RNARNA引物引物引物酶引物酶5 53 35 5TOPO解旋酶解旋
18、酶1 1、原核生物、原核生物DNADNA为环状，双向复制的汇合点就是为环状，双向复制的汇合点就是复制终止点复制终止点 2 2、在、在DNADNA聚合酶聚合酶I I的作用下，切除引物的作用下，切除引物RNARNA，填补空，填补空缺缺DNADNA；在；在连接酶连接酶作用下，连接各子链作用下，连接各子链DNADNA。3 3、复制的终止、复制的终止 小小 结结主要成员主要成员 主要作用主要作用解螺旋酶解螺旋酶 断开氢键，解开断开氢键，解开DNADNA双链双链SSB SSB 稳定解开的单链稳定解开的单链DNADNA引发酶引发酶 合成合成RNARNA引物。与引发前体形成引发体。引物。与引发前体形成引发体。
19、 拓扑异构酶拓扑异构酶 使使DNADNA解旋解旋DNADNA聚合酶聚合酶 水解引物、水解引物、DNADNA复制、修复作用复制、修复作用DNADNA连接酶连接酶 催化双链催化双链DNADNA中单链缺口的连接中单链缺口的连接 起始：起始：DnaADnaA识别起点识别起点拓扑异构酶、拓扑异构酶、DnaBDnaB和和SSBSSB等配合解开双链等配合解开双链引发酶引发酶合成合成RNARNA引物引物DNA的复制过程（半不连续复制）终止：终止：DNADNA聚合酶聚合酶I I切除引物并填补空缺切除引物并填补空缺DNADNA连接酶连接酶连上缺口连上缺口延伸：延伸：DNADNA聚合酶聚合酶催化延长催化延长先导链：
20、先导链：5-35-3方向连续合成；方向连续合成；后随链：冈崎片段的不连续合成后随链：冈崎片段的不连续合成例题例题 DNADNA复制时两条链的合成方式有区别吗？复制时两条链的合成方式有区别吗？如果有，区别是什么？如果有，区别是什么？20072007年年中科院中科院2.2 2.2 原核与真核生物原核与真核生物 DNA DNA复制的差异复制的差异相同点相同点 都是半保留复制都是半保留复制 都是半不连续复制都是半不连续复制 复制方向复制方向原原 核核真真 核核单点复制（一个复制子）单点复制（一个复制子） 多点复制（多个复制子）多点复制（多个复制子）主要复制酶为主要复制酶为DNA DNA polpol有
21、多种聚合酶有多种聚合酶引物和冈崎片段长引物和冈崎片段长引物和冈崎片段短引物和冈崎片段短有端粒和端粒酶有端粒和端粒酶2.3 2.3 逆转录逆转录例题例题 劳氏肉瘤病毒逆转录的产物是劳氏肉瘤病毒逆转录的产物是 A. DNAA. DNA B. B. cDNAcDNA C. C. ccDNAccDNA D. Ts-DNA D. Ts-DNA20092009年农学联考年农学联考例题例题 逆转录酶是一类（）逆转录酶是一类（） A. DNAA. DNA指导的指导的DNADNA聚合酶聚合酶 B. DNAB. DNA指导的指导的RNARNA聚合酶聚合酶 C. RNA C. RNA指导的指导的DNADNA聚合酶聚
22、合酶 D. RNA D. RNA指导的指导的RNARNA聚合酶聚合酶20032003年年西南农业大学西南农业大学例题例题 一个逆转录病毒的单链一个逆转录病毒的单链RNARNA碱基组成摩尔百分碱基组成摩尔百分比为：比为：A,15A,15；U,25; G,25; C:35U,25; G,25; C:35。由该病毒。由该病毒的逆转录酶催化生成的双链的逆转录酶催化生成的双链DNADNA的碱基组成是的碱基组成是多少？多少？20072007年年中科院中科院2.4 DNA2.4 DNA的损伤与修复的损伤与修复物理因素：如紫外线、电离辐射等；物理因素：如紫外线、电离辐射等；化学因素：如碱基类似物（化学因素：如
23、碱基类似物（5-5-溴尿嘧啶）溴尿嘧啶） 碱基修饰剂（亚硝酸、烷化剂）碱基修饰剂（亚硝酸、烷化剂） 嵌入染料（溴化乙啶）；嵌入染料（溴化乙啶）；损伤的结果：突变或死亡损伤的结果：突变或死亡突变的表现：碱基对置换、插入碱基和碱基缺失突变的表现：碱基对置换、插入碱基和碱基缺失一、一、DNADNA损伤的类型及产生的原因损伤的类型及产生的原因嘧啶二聚体形成机理嘧啶二聚体形成机理 DNADNA同一条链上相连的同一条链上相连的胸腺嘧啶胸腺嘧啶受受紫外线照射紫外线照射的刺的刺激下，以环丁基环的结构形成激下，以环丁基环的结构形成嘧啶二聚体嘧啶二聚体（TTTT）。）。UV双链间双链间H H键作用被键作用被破坏，
24、引起了破坏，引起了DNADNA变形，妨碍了变形，妨碍了DNADNA的复制和转录等的复制和转录等作用。作用。1. 直接修复直接修复（1）光修复）光修复 可见光可见光（400 700nm）可激活可激活光复活酶光复活酶切开切开嘧嘧啶二聚体啶二聚体，恢复成正常，恢复成正常DNA结构的过程。结构的过程。注意：注意：v只适合于紫外光引起的只适合于紫外光引起的DNADNA嘧啶二聚体损伤；嘧啶二聚体损伤；v高等哺乳动物没有！高等哺乳动物没有！二、修复的方式与机制二、修复的方式与机制（2）其它酶直接修复）其它酶直接修复 如：如：O O6 6- -甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤-DNA-DNA甲基转移酶甲基转移酶 当碱基当
25、碱基G G烷基化形成烷基化形成O O6 6- -甲基鸟嘌呤时，该酶甲基鸟嘌呤时，该酶可以识别并将可以识别并将O O6 6位的甲基转移到酶自身基团上，位的甲基转移到酶自身基团上，使使G G恢复正常。恢复正常。UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶聚合酶OHPDNA连接酶连接酶ATP切开切开核酸内切酶核酸内切酶切除切除核酸外切酶核酸外切酶聚合聚合聚合酶聚合酶,连接连接DNA连接酶连接酶2. 切除修复切除修复v此修复利用的是此修复利用的是化学能化学能ATP，所以也叫，所以也叫暗修复暗修复。v包括包括 核苷酸核苷酸切除修复切除修复 碱基碱基切除修复切除修复将受损伤的单链部分切除，并以另一条完整将受
26、损伤的单链部分切除，并以另一条完整的的DNADNA链为模板，合成出新的被切去的部分。链为模板，合成出新的被切去的部分。3. 错配修复错配修复v 修复修复DNA复制中新合成复制中新合成DNA链上的错配碱基链上的错配碱基v 利用是否甲基化区分新合成的利用是否甲基化区分新合成的DNA链和模板链链和模板链 甲基化：模板链（旧链）甲基化：模板链（旧链） 未甲基化：新链未甲基化：新链v 切除未甲基化的链切除未甲基化的链 以甲基化的链为模板进行修复合成以甲基化的链为模板进行修复合成在紧急情况下，应急产生在紧急情况下，应急产生校对功能低的修复酶校对功能低的修复酶，采，采用填补任何碱基的修复方式。用填补任何碱基
27、的修复方式。4. SOS反应与修复反应与修复这是具有差错的修复，变异率高这是具有差错的修复，变异率高例题例题 DNADNA损伤修复中，给生物带来高变异率的是损伤修复中，给生物带来高变异率的是A A）切除修复）切除修复B B）SOSSOS修复修复C C）光复活）光复活D D）重组修复）重组修复南京南京农业大学农业大学5. 重组修复重组修复损伤的损伤的DNA先进行复制，先进行复制，在子代在子代DNA损伤互补的部损伤互补的部位出现缺口。位出现缺口。通过分子间重组，将同源通过分子间重组，将同源DNA的母链上相应完好的的母链上相应完好的片断移至缺口处，再填补重片断移至缺口处，再填补重组产生的缺口。组产生
28、的缺口。v子代子代DNAv 损伤并未消损伤并未消除 ， 但 被除 ， 但 被 “稀释稀释”了。了。 被修复的对象是什么？被修复的对象是什么？损伤被完全修复了吗？损伤被完全修复了吗？例题例题20022002年年华东理工大学华东理工大学哪些因素能引起哪些因素能引起DNADNA损伤？生物体是如何进行修复损伤？生物体是如何进行修复的？这些机制对生物体有何意义？的？这些机制对生物体有何意义？ DNA DNA损伤的修复机制保证了生物遗传损伤的修复机制保证了生物遗传信息的稳定，不致于流失或改变。信息的稳定，不致于流失或改变。3. 3. 意义：意义：本节结束本节结束例题例题 逆转录酶是一类（）逆转录酶是一类（） A. DNAA. DNA指导的指导的DNADNA聚合酶聚合酶 B. DNAB. DNA指导的指导的RNARNA聚合酶聚合酶 C. RNA C. RNA指导的指导的DNADNA聚合酶聚合酶 D. RNA D. RNA指导的指导的RNARNA聚合酶聚合酶南京南京农业大学农业大学
