第四章+DNA的生物合成
第四章DNA的生物合成
DNA复制的特点
1、半保留复制
2、复制的起始，方向与速度
3、半不连续复制
4、DNA聚合酶催化，多种蛋白质参与
一、半保留复制P514
半保留复制——DNA在复制时，以亲代DNA的每一条链为模板，按碱基互补原则，分别合成新链，每个子代DNA中都含有一条亲代DNA链。
三种可能的DNA复制机制
二、复制的起始，方向与速度
DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起始位点(origin) 。
复制起始位点序列特征：富含AT，具有复制起始蛋白识别的区域。
独立完成复制的功能单位称为复制子(replicon) 。
DNA复制的起始，必须以一段具有3’端自由羟基（3’-OH）的RNA作为引物(primer) ，RNA引物的序列与模板DNA的碱基顺序相配对。
DNA复制大多为双向等速复制。
三、半不连续复制
DNA聚合酶只能以5’→3’方向聚合子代DNA链，即模板DNA链的前进方向必须是3’→5’。
复制时，1条链的前进方向与复制叉打开方向是一致的，可连续合成，称为先导链(leading strand)，另一条链的前进方向与复制叉打开方向相反，不能连续复制，称为滞后链(lagging strand)。所以DNA的复制是半不连续复制。
滞后链的复制过程: 先以片段的形式合成冈崎片段，多个冈崎片段再连接成完整的链。
四、DNA聚合酶催化，多种蛋白质参与
（一）、DNA聚合酶（DNA polymerase，DNA pol）
活性：1. 5→'3'的聚合酶活性
聚合反应：底物－－dNTP
2. 核酸外切酶活性
DNA聚合酶的核酸外切酶活性
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
切除突变的DNA片段与冈崎片段中的引物。
DNA聚合酶的种类
在原核生物中，目前发现的DNA聚合酶有三种，DNA聚合酶Ⅰ（pol Ⅰ），DNA 聚合酶Ⅱ（pol Ⅱ），DNA聚合酶Ⅲ（pol Ⅲ）。参与DNA复制的主要是pol Ⅲ和pol Ⅰ。
原核生物中的三种DNA聚合酶
pol Ⅰpol Ⅱpol Ⅲ
5'→
3'聚合酶活性+++
5'→3'外切酶活性+--3'→5'外切酶活性+++
生理功能填补缺口
修复损伤
校正错误
主要起修复作
用
复制先导链与冈崎片段
校正错误
pol Ⅰ可被特异的蛋白酶水解为两个片段，其中的大片段保留了两种酶活性,即5‘→3’聚合酶和3‘→5’外切酶活性，通常被称为Klenow 片段。
真核生物的DNA聚合酶
DNA-polαβγδε
分子量(kD)16.5 4.014.012.525.5
5'→3'聚合酶活性++?+++++++++
3'→5'外切酶活性--+++
生理功能起始引发
引物酶活
性
低保真度
复制
线粒体
DNA复制
延长子代链
的主要酶,
解螺旋酶活
性
填补缺口,
切除修复,
重组
（二）、单链DNA结合蛋白（SSB蛋白）
单链DNA结合蛋白是一些能够与单链DNA结合的蛋白质，以四聚体形式与单链DNA结合，起保持单链的存在的作用。
（三）、解链酶（helicase）
解链酶，又称解旋酶，解螺旋酶，是用于解开DNA双链的酶蛋白。
延模板链移动，每解开一对碱基，需消耗2分子ATP。
（四）、DNA拓扑异构酶( topoisomerase)
能够松解DNA超螺旋结构的酶。
拓扑异构酶的作用特点
能水解连接磷酸二酯键
（五）、DNA连接酶
DNA连接酶(DNA ligase)可催化两段DNA片段之间磷酸二酯键的形成，把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。滞后链冈崎片段的连接。
第三节DNA的复制的过程
一、复制的起始
二、复制的延长
三、复制的终止
四、环状DNA的复制
五、端粒与端粒酶
一、复制的起始
DNA复制的起始由两步构成。
1．解旋解链，形成复制叉：
A. DnaA蛋白识别复制起始序列，由拓扑异构酶和解链酶作用，使DNA双螺旋结构解开，形成两条单链DNA。
B. 单链DNA结合蛋白（SSB）四聚体结合在两条单链DNA上，形成复制叉。
2．引发体组装和引物合成：
A. 由解链酶(DnaB蛋白) 等6个蛋白装配成引发前体，并与引发酶(DnaG蛋白) 形成引发体；
B. 在引发酶的催化下，以DNA为模板，合成一段短的RNA片段作为引物，从而获得3'端自由羟基（3'-OH）。
引发体的组装形成
含有解螺旋酶(DnaB蛋白)、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。
二、复制的延长
复制的延长指在DNA聚合酶催化下，以亲代DNA链为模板，从5’→3’方向聚合形成子代DNA链。其化学本质是将dNMP逐个通过磷酸二酯键添加到子链3 ’末端羟基上。
在原核生物中，参与DNA复制延长的是DNA聚合酶Ⅲ；而在真核生物中是DNA 聚合酶δ。
DNA延伸过程简图
三、复制的终止
（一）去除引物，填补缺口：
在复制过程中形成的RNA引物，需由RNA酶来水解去除；
RNA引物水解后遗留的缺口，由DNA聚合酶Ⅰ（原核生物）或DNA聚合酶ε（真核生物）催化延长缺口处的DNA，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。
（二）连接冈崎片段：
在DNA连接酶的催化下，生成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完整的DNA长链。
四、环状DNA的复制过程
环状DNA复制有多种形式，比较常见的为θ复制、滚环复制和D环复制。
θ复制是通过Colin实验发现的。其特点是：复制起始后双向复制，得到2个环状子代DNA分子。
滚环复制特点
（1）不需RNA引物
（2）只有一个复制叉，单向复制
（3）形成多联体（concatemer ）
（4）一次起始可以合成多个子代DNA，效率高
采用滚环复制的DNA，大多为噬菌体DNA。
D环复制(D-loop replication) ：是线粒体DNA 的复制形式，其特点是：单向复制，两条链合成不对称，形成一个双链环状分子与一个部分单链环。
五、端粒与端粒酶
链状DNA的末端问题：线状DNA，复制完成切去引物后，会产生5’末端缺失。
端粒（telomere）是指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构部分，通常膨大成粒状。
端粒的结构特点
由末端单链DNA序列和蛋白质构成。
? 末端DNA序列是多次重复的富含G、T碱基的短序列。
功能
维持染色体的稳定性
?保证DNA复制的完整性
线性DNA在复制完成后，其末端由于引物RNA的水解而可能出现缩短。故需要在端粒酶（telomerase）的催化下，进行延长反应。
端粒酶(telomerase)
端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体，它可以其RNA（端粒酶RNA）为模板，通过反转录酶（端粒酶反转录酶）催化反转录反应对末端DNA链进行延长。
反转录酶与反转录现象
反转录酶和反转录现象的发现
理论意义：RNA兼有遗传信息传代与表达功能。
应用意义：可人工合成cDNA及构建cDNA文库。
第三节DNA的突变
一、基因突变的特征与意义
二、基因突变的类别
三、引起基因突变的原因
一、基因突变的特征与意义