第十三章 核酸的生物合成  本章主要讨论DNA的生物合成即

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1、第十三章第十三章 核酸的生物合成核酸的生物合成 本章主要讨论本章主要讨论DNA的生物合成即的生物合成即DNA的半保留复制；的半保留复制；RNA生物合成即生物合成即DNA到到RNA的转录。的转录。现加上下一章蛋白质的生物合成内容现加上下一章蛋白质的生物合成内容(即翻译过程即翻译过程)，就构成了分子遗传学中心法则。，就构成了分子遗传学中心法则。 第一节第一节 DNA的复制与修复的复制与修复研究DNA复制的目的就是要了解三个问题。第一、子代第一、子代DNA为什么能够直接地获得新为什么能够直接地获得新DNA的遗传信息的遗传信息?第二、复制是怎样进行的第二、复制是怎样进行的第三、生物体是怎样对第三、生物

2、体是怎样对DNA复制进行调控的复制进行调控的?一、一、DNA的半保留复制的半保留复制 (P321 图图19-1 P321 图图19-1)在DNA复制过程中，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条则是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。实验证明见课本。生物意义生物意义：DNA的半保留复制机制可以说明DNA在代谢上的稳定性。（一）、反应所需的条件及反应的特点：（一）、反应所需的条件及反应的特点：(1)原料原料(或底物或底物)：四种5三磷酸脱氧核苷(dNTP)，缺一不可。(2)模板及辅助因子模板及辅助因子：DNA模板、Mg2+(或Mn2+)或DNA二条链(一条链为模板，一条链为引物)(3)引物

3、链引物链：具有自由3-OH的RNA或DNA片段(约10个核苷酸)(4)反应反应：由引物末端3-OH与进入的5三磷酸脱氧核苷的磷酸残基化合，生成酯键(35磷酸二酯键，并脱下焦磷酸)(5)方向方向：DNA 链由53方向延长(6)能量能量：来自与之间的高能磷酸键裂解(7)四种四种dNTP参加反应的先后顺序参加反应的先后顺序，由DNA模板决定，受碱基配对支配；而不受四种dNTP相对浓度的影响。(8)产物产物DNA的性质与模板相同的性质与模板相同。这说明DNA聚合酶是一种模板指导的酶。 二、参加复制过程的主要酶及作用二、参加复制过程的主要酶及作用 DNA是由脱氧核糖核苷酸聚合而成，参加聚合反应的酶包括多

4、种DNA聚合酶以及DNA连接酶。 （一）大肠杆菌中（一）大肠杆菌中DNA聚合酶：聚合酶：(含含Zn2+)（DDDP） (1)DNA聚合物聚合物(又称又称Kornberg酶酶)的特殊作用：的特殊作用：(是一个多功能酶是一个多功能酶)去除引物及填补间隙作用去除引物及填补间隙作用：在DNA复制过程中，可将引物RNA水解下来，并催化合成DNA片段以填补间隙。DNA聚合酶作用：聚合酶作用：催化DNA链由53方向延长。校正错误作用校正错误作用：它可将DNA链的末端接上的错误核苷酸水解下来，然后再催化接上一个正确的核苷酸。即由3端水解DNA链，具有35核酸外切酶的作用。修复损坏及变异作用修复损坏及变异作用：

5、即由5端水解DNA链，具有53核酸外切酶作用。(详见后面介绍)由由3端使端使DNA链发生焦磷酸解。链发生焦磷酸解。催化无机焦磷酸盐与脱氧核糖核苷三磷酸之间的焦磷酸基交换催化无机焦磷酸盐与脱氧核糖核苷三磷酸之间的焦磷酸基交换。 (2)DNA聚合酶聚合酶特殊作用：特殊作用：目前尚不大清楚，可能在DNA修复中起作用。 (3)DNA聚合酶聚合酶的特殊作用：的特殊作用：主要参与绝大多数新的DNA的合成。 DNA聚合酶 M.W. 109Kdal 单一多肽链，聚合1000个核苷酸/分/分子DNA聚合酶 M.W. 120Kdal 单一多肽链，聚合2000个核苷酸/分/分子DNA聚合酶 M.W. 180Kdal

6、 单一多肽链，聚合50000个核苷酸/分/分子(二二)DNA连接酶及作用：连接酶及作用：DNA聚合酶能催化DNA片段及链的延长合成，但不能将DNA断片连接起来，这种连接反应是由DNA连接酶来催化的。DNA连接酶不单是DNA复制所必需的，而且也是在DNA损伤修复及基因重组中不可缺少的酶。 连接双股DNA中的一股存在的缺口， 不能连接单股DNA 。(三三)拓扑异构酶：拓扑异构酶： 生物体内生物体内DNA分子通常处于负超螺旋状态分子通常处于负超螺旋状态.拓扑异构酶的作用拓扑异构酶的作用 拓扑异构酶的作用是使DNA的超螺旋的圈数增加或者减少。 此作用需要ATP分解提供能量。(四四)DNA解螺旋酶及单链

7、结合蛋白解螺旋酶及单链结合蛋白(SSB)： (五五)引发酶引发酶(引物合成酶引物合成酶) 又称特定的又称特定的RNA聚合酶聚合酶 根据DNA的顺序合成RNA引物，本质上是 RNA聚合酶 RNA引物引物（约10个核苷酸的RAN片段）是由引 发酶（引发体）来合成的，合成时不需要引物，其碱基与一般模板DNA配对，合成的方向是53。 三、三、DNA的半不连续复制的半不连续复制 DNA解链后，DNA聚合酶即以分开了的两条多核苷酸链为模板进行复制。DNA两条链都能作为模板。以复制叉向前移动的方向为标准，走向为35的模板链上的DNA能以53方向连续合成，直到所需的长度，这条链能连续合成称为前导链前导链，而另

8、一条走向为53的模板链却不能连续合成，称为滞后链滞后链。1968年日本学者冈崎等提出了DNA的不连续复制模型，认为需先合成一些约为10002000个核苷酸(真核生物为100200个)DNA片段(称为冈崎片冈崎片段段)，其合成方向也是53，但与复制叉移动的方向相反，这些片段合成后可在DNA连接酶作用下拼接起来，直到其长度与前导链相等。DNA这一复制过程称为半不连续合成半不连续合成(Semidis-continous)。 四、四、DNA复制的主要过程：（见复制的主要过程：（见P342 图图19-17） 1、拓扑异构酶可引入负超螺旋而造成DNA双链断裂，以便于解螺旋酶的作用。2、解螺旋酶将双股螺旋解

9、开，形成复制岔口(复制叉)。3、单链结合蛋白质(SSB)结合于每股链上，以维持两链处于分开状态。4、引物合成酶催化合成RNA引物。5、DNA聚合酶催化合成新的DNA的前导链及冈崎片断。6、DNA聚合酶切除引物，并合成DNA片段以填补空隙。7、DNA连接酶将冈崎片断拼接起来，以完成滞后链的合成。五、真核生物五、真核生物DNA的复制：的复制：复制条件、酶及因子复制条件、酶及因子 等均与原核生物相似。等均与原核生物相似。 特点特点 1、真核生物DNA复制的冈崎片断约为200bp，相当于一个核小体DNA的长度。（小于原核生物：10002000 bp） 2、复制速度比原核生物慢，基因组较大，但真核生物染

10、色体DNA上有许多复制起点，它们可以分段进行复制。细菌的DNA复制叉移动速度为5万bp/分；哺乳动物则为1千3千bp/分。 3、真核生物一个复制起点一般发动一次复制过程，快速生长往往采用更多的复制起点。原核生物：一个起点可连续发动复制。 4、真核生物在复制子上，由于其染色体是以核小体为结构单位组成，因此在其复制时涉及到亲代DNA链与组蛋白八聚体的解开和子代DNA与组蛋白的重新组装。六、六、DNA复制调控复制调控(了解了解)： 1963年 Jacob等提出复制子模型（即一个复制单位）：（P 344） 它的一个结构基因能产生一种蛋白质起始因子（initiator）,具有 感受细胞内信号、识别复制基

11、因、促使复制开始等作用。 复制子中存在正、负调节系统，调控机制很复杂。 七、七、DNA损伤及修复：损伤及修复：（一（一）DNA损伤损伤：指DNA分子的一级结构的任何异常改变，包括异常修饰和顺序改变。 可分为自发的损伤自发的损伤和环境因子引起的损伤环境因子引起的损伤。1、物理损伤物理损伤：V辐射、电离辐射。（放射性同位素粒子、x射线） 可使DNA分子中出现 ：TT（二聚体）防碍复制、转录等。2、化学损伤化学损伤：主要有亚硝酸、亚硝基胺、甲基化试剂、碱基类似物等改变碱基配对顺序，影响DNA正常复制。 如：亚硝酸（HNO2）可使 A变成 I （脱NH3） C变成 U （脱NH3） (二二)DNA修复