1、 生物体的遗传信息储存在生物体的遗传信息储存在DNA中，并通过中，并通过DNA的的复制由亲代传给子代。复制由亲代传给子代。 在子代的生长发育中遗传信息自在子代的生长发育中遗传信息自DNA转录给转录给RNA，然后翻译成蛋白质以执行各种生命功能，使后代表然后翻译成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。现出与亲代相似的遗传性状。复制复制转录转录翻译翻译逆转录逆转录复制复制 1958年年Crick提出提出中心法则中心法则(central dogma)，1971年完善。年完善。中心法则揭示了生物体内遗传信息的传递方向。中心法则揭示了生物体内遗传信息的传递方向。 遗传信息的传递包括：
2、遗传信息的传递包括：1. 复制复制(replication)：以以DNA分子为模板，合成出分子为模板，合成出相同相同DNA分子的过程。分子的过程。2. 转录转录(transcription)：以：以DNA为模板合成为模板合成RNA的的过程。过程。3. 翻译翻译(translation)：以：以mRNA为模板合成蛋白质为模板合成蛋白质的过程。的过程。13.1 13.1 参与参与DNADNA复制的主要酶和蛋白因子复制的主要酶和蛋白因子 DNA的复制是一个复杂的过程，包括：超螺旋的复制是一个复杂的过程，包括：超螺旋和双螺旋的解旋、复制的起始、链的延长和复制和双螺旋的解旋、复制的起始、链的延长和复制终
3、止等。终止等。 目前已发现目前已发现30多种酶及蛋白质因子参与多种酶及蛋白质因子参与DNA复复制。制。 分为分为型和型和型（型（DNA旋转酶旋转酶 gyrase ），），有内有内切酶和连接酶活力，使切酶和连接酶活力，使DNA超螺旋的紧张状态变超螺旋的紧张状态变为松弛状态。为松弛状态。 1.2 解旋酶（解旋酶（helicase） 大肠杆菌的解螺旋酶将大肠杆菌的解螺旋酶将DNA两条链解开形成单链。两条链解开形成单链。1.1 拓扑异构酶拓扑异构酶1.3 单链结合蛋白（单链结合蛋白（SSB） 结合在单链上，防止解开的单链结合在单链上，防止解开的单链DNA重新形成重新形成双链。双链。 1.4 引发酶（引
4、发酶（primerase） 大肠杆菌的大肠杆菌的DNA复制需要由复制需要由引发酶合成一小段引发酶合成一小段RNA作为作为DNA合成的引物合成的引物，因为所有的，因为所有的DNA聚聚合酶都只有按模板链的指令，在引物合酶都只有按模板链的指令，在引物3-OH端延端延伸新链的功能，没有从头开始合成的活力。伸新链的功能，没有从头开始合成的活力。RNA引物引物1.5 DNA聚合酶聚合酶 DNA聚合酶聚合酶 DNA模板（反转录时用模板（反转录时用RNA模板）模板） 引物（引物（DNA或或RNA，提供游离，提供游离3-OH） 4种种dNTP Mg2+DNA聚合发生的条件：聚合发生的条件：n1dATP + n2
5、dGTP + n3dCTP + n4dTTPDNA +（n1+n2+n3+n4）PPi模板模板DNAMg2+DNA聚合酶聚合酶 DNA聚合酶聚合酶 5 3 聚合酶活性聚合酶活性：是一个模板指导酶；只能：是一个模板指导酶；只能将脱氧核苷酸加于已存在的将脱氧核苷酸加于已存在的DNA或或RNA链的链的3 -OH 上，缺少不能合成。上，缺少不能合成。 3 5 外切酶活性外切酶活性：只对单链，起校对功能。：只对单链，起校对功能。 5 3 外切酶活性外切酶活性：对双链，损伤修复作用，：对双链，损伤修复作用，及切除及切除RNA引物并填补其留下的缺口引物并填补其留下的缺口。 5 3 聚合酶聚合酶模板链模板链新
6、生链新生链C (unable to pair with A)C removed 3 5 外切酶活性外切酶活性 5， 3， 外切酶活性外切酶活性Arthur Kornberg won the 1959 Nobel Prize in Medicine for his discovery of the mechanism in the biological synthesis of deoxyribonucleic acid (before Watson and Crick won theirs!) DNA聚合酶聚合酶 单体酶，分子量单体酶，分子量120Kd。催化活性：。催化活性： 53聚聚合合(活
7、性很低活性很低) ； 3 5 外切。外切。 寡聚酶，全酶由寡聚酶，全酶由10种共种共22个亚基组成，个亚基组成，、和和三种亚基组成核心酶。催化活性：三种亚基组成核心酶。催化活性： 5 3 聚合酶活性聚合酶活性：是主要的聚合酶是主要的聚合酶 3 5 外切酶活性外切酶活性 5 3 外切酶活性外切酶活性 DNA聚合酶聚合酶原核生物原核生物DNA-pol DNA-pol DNA-pol 功能功能 5 3 聚合活性聚合活性+ 3 5 外切酶活性外切酶活性+ 5 3 外切酶活性外切酶活性+-+分子量分子量109 000120 000140 000每个菌体中所含每个菌体中所含的酶分子数的酶分子数400402
8、0聚合速率（核苷酸数聚合速率（核苷酸数/分分/酶）酶）100060 0001.6 DNA连接酶（连接酶（DNA ligase） 催化催化DNA双双链链中的一条单链中的一条单链切口处游离的切口处游离的3-OH末端和末端和5磷酸磷酸基末端形成基末端形成 3,5 - 磷酸二酯键。磷酸二酯键。 拓扑异构酶拓扑异构酶引入负超螺旋，消除复制叉前进时带来引入负超螺旋，消除复制叉前进时带来的扭曲张力。的扭曲张力。 DNA解旋酶解旋酶解开双链解开双链DNA。 SSB结合于结合于DNA单链。单链。 DNA引发酶引发酶(在引发体中在引发体中)合成合成RNA引物。引物。 DNA 聚合酶聚合酶在两条新生链上合成在两条新
9、生链上合成DNA。 DNA 聚合酶聚合酶切除切除RNA引物，并补上引物，并补上DNA。 DNA ligase连接一个冈崎片段。连接一个冈崎片段。小小 结结2.1 DNA复制的起点和方向复制的起点和方向 DNA的复制只能从一个特定位点开始，称为的复制只能从一个特定位点开始，称为原原点（点（origin）。）。13.2 DNA13.2 DNA的复制过程的复制过程 基因组基因组DNA中具有复制原点并中具有复制原点并能独立进行复制能独立进行复制的单位称为的单位称为复制子复制子(replicon) 原核生物只有一个复制起点；原核生物只有一个复制起点； 真核细胞含有多个复制起点，是多复制子的。真核细胞含有
10、多个复制起点，是多复制子的。 复制复制从原点开始同时向从原点开始同时向DNA链的两个方向进行，链的两个方向进行，在复制的部分同时进行解链与合成，结果形成一个在复制的部分同时进行解链与合成，结果形成一个分叉，称为分叉，称为复制叉（复制叉（replication fork），），又称又称复制眼复制眼（replication eye）。）。2.1 DNA复制的主要阶段复制的主要阶段 DNA双螺旋的解开双螺旋的解开 旋转酶旋转酶引入负超螺旋，消除复制叉前进时带来引入负超螺旋，消除复制叉前进时带来的扭曲张力；的扭曲张力；DNA解旋酶解旋酶解开双链解开双链DNA；SSB结合结合于于DNA单链。单链。 RN
11、A引物的合成引物的合成 大肠杆菌的大肠杆菌的DNA复制需要由复制需要由引发酶合成一小段引发酶合成一小段RNA作为作为DNA合成的引物合成的引物，因为所有的，因为所有的DNA聚聚合酶都只有按模板链的指令，在引物合酶都只有按模板链的指令，在引物3-OH端延端延伸新链的功能，没有从头开始合成的活力。伸新链的功能，没有从头开始合成的活力。RNA引物引物 DNA链的延伸链的延伸DNA复制中一条链是不连续的复制中一条链是不连续的 DNA生物合成方向为生物合成方向为53 滞后链合成的模板形成环，复制叉上的二聚体滞后链合成的模板形成环，复制叉上的二聚体DNA聚聚合酶合酶全酶同时合成两条子链。全酶同时合成两条子
12、链。冈崎片段冈崎片段（Okazaki fragment）：以亲代）：以亲代5 3 为模为模 板链，合成新链，这些新链的合成实际上是由许多板链，合成新链，这些新链的合成实际上是由许多 5 3 方向合成的方向合成的DNA片段连接起来的。片段连接起来的。随后链随后链（lagging strand）：以冈崎片段合成的子链。）：以冈崎片段合成的子链。前导链前导链（leading strand）：连续合成的子链。）：连续合成的子链。半不连续复制半不连续复制（semidiscontinuous replication）：）： DNA复制过程中，新生的复制过程中，新生的DNA链一条按链一条按5 3 方向（与复
13、制叉移动方向一致）方向（与复制叉移动方向一致）连续连续合成，另一条合成，另一条按按5 3 方向（与复制叉移动方向相反）方向（与复制叉移动方向相反）不连续不连续合合成。成。 RNA引物的切除引物的切除 冈崎片段连接冈崎片段连接DNA聚合酶聚合酶IDNA连接酶连接酶4. DNA聚合酶聚合酶1. 解链酶解链酶2. 单链结合蛋白单链结合蛋白前导链前导链冈崎片段冈崎片段3. 引物酶引物酶5. 聚合酶聚合酶6. 连接酶连接酶复制叉复制叉引物引物 1953年，年，Watson和和Crick在提出在提出DNA双螺旋结构模型时就双螺旋结构模型时就推测推测DNA可能按照半保留机制进行自我复制。可能按照半保留机制进
14、行自我复制。2.1 DNA复制的半保留性复制的半保留性半保留复制半保留复制(semiconservative replication): 在复制过在复制过程中，每个子代程中，每个子代DNA分分子中有子中有一条链完全来自一条链完全来自亲代亲代DNA，另一条是新，另一条是新合成的合成的。 1958年，年，Meselson和和Stahl用用15N标记标记E.coli. DNA，用密度梯，用密度梯度离心试验证明度离心试验证明了了DNA的复制是的复制是半保留复制。半保留复制。 半保留复制具有重要的生物学意义半保留复制具有重要的生物学意义，DNA分分子以半保留方式进行复制，亲代子以半保留方式进行复制，亲代
15、DNA分子中的一分子中的一条链保留在子代条链保留在子代DNA分子中，可使遗传信息准确分子中，可使遗传信息准确的传递给子代细胞，保持其相对稳定性而不致发的传递给子代细胞，保持其相对稳定性而不致发生进化上不能忍受的变化生进化上不能忍受的变化。DNA复制的真实性？复制的真实性？ 生物体生物体DNA复制具有高度真实性，复制复制具有高度真实性，复制108-1010碱基对，只有一个错误碱基。碱基对，只有一个错误碱基。 聚合酶聚合酶、反应本身具有超常的忠实性反应本身具有超常的忠实性 聚合酶聚合酶的的3 5外切酶功能外切酶功能 RNA引物的使用引物的使用 DNA聚合的方向为聚合的方向为5 3 DNA的损伤修复
16、系统的损伤修复系统 逆转录逆转录（reverse transcription）：以）：以RNA为模板为模板合成合成DNA的过程，与通常转录过程中遗传信息流从的过程，与通常转录过程中遗传信息流从DNA到到RNA的方向相反。的方向相反。 逆转录酶逆转录酶（reverse transcriptase）：催化逆转）：催化逆转录反应的酶。录反应的酶。 许多具有许多具有RNA基因组的病毒含有这种酶，故这类基因组的病毒含有这种酶，故这类病毒又称为逆转录病毒（病毒又称为逆转录病毒（retrovirus）。它们多是致）。它们多是致癌病毒。癌病毒。13.4 13.4 反转录合成反转录合成DNADNA逆转录酶具有逆
17、转录酶具有3种活性：种活性： 依赖依赖RNA的的DNA聚合酶活性聚合酶活性 RNase H（核糖核酸酶（核糖核酸酶H）活性）活性 依赖依赖DNA的的DNA聚合酶活性聚合酶活性cDNA 一些物理化学因子如紫外线、电离辐射和化学诱一些物理化学因子如紫外线、电离辐射和化学诱变剂均可引起变剂均可引起DNA损伤，破坏其结构与功能。然而损伤，破坏其结构与功能。然而在一定条件下，生物机体能使这种损伤得到修复。在一定条件下，生物机体能使这种损伤得到修复。 DNA损伤损伤13.5 DNA13.5 DNA的损伤与修复的损伤与修复 细胞内具有一系列起修复作用的酶系统，可以除细胞内具有一系列起修复作用的酶系统，可以除
18、去去DNA上的损伤，恢复上的损伤，恢复DNA的双螺旋结构。目前已的双螺旋结构。目前已知有知有4种酶修复系统：种酶修复系统：光复活、切除修复、重组修复、光复活、切除修复、重组修复、SOS 修复修复，后三种不需要光，又称为暗修复。，后三种不需要光，又称为暗修复。1. 光复活光复活 可见光可见光（400500 nm）可激活光裂合可激活光裂合酶，此酶能分酶，此酶能分解由于紫外线解由于紫外线形成的嘧啶二形成的嘧啶二聚体。聚体。2. 切除修复切除修复切开切开切除切除修复修复连接连接3. 重组修复重组修复 切除修复发生在切除修复发生在DNA复制之前，而复制之前，而当当DNA发动复制时发动复制时尚未修复的损伤
19、部尚未修复的损伤部位，可以先复制，位，可以先复制，再重组修复。再重组修复。4. SOS 修复修复 避免差错的修复（避免差错的修复（error free repair）：光复合、）：光复合、切除修复及重组修复对切除修复及重组修复对DNA损伤的修复都不导致损伤的修复都不导致DNA突变。突变。 倾向差错的修复（倾向差错的修复（error prone repair）：）：SOS修复。在修复。在DNA损伤后，损伤后，DNA复制过程以脱氧核苷复制过程以脱氧核苷酸的聚合发生差错为代价，强行合成完整子代链酸的聚合发生差错为代价，强行合成完整子代链的一种挽救性修复。的一种挽救性修复。 光复合是利用光能，其余均利用光复合是利用光能，其余均利用ATP水解所释水解所释放的能量。放的能量。 光复合和切除修复是修复模板链；重组修复不光复合和切除修复是修复模板链；重组修复不是对损伤链直接修复，而是形成一条新的正常模是对损伤链直接修复，而是形成一条新的正常模板链。板链。 SOS修复是导致突变的修复。修复是导致突变的修复。1.名词解释名词解释 2. 试述参与原核生物试述参与原核生物DNA复制的酶及蛋白因子，并说明功复制的酶及蛋白因子，并说明功能。能。 半保留复制半保留复制 、 半不连续复制、半不连续复制、 复制子、复制子、 冈崎片段、冈崎片段、 前导链、前导链、 随后链、切除修复、反转录随后链、切除修复、反转录
