生物化學(xué)與分子生物學(xué)：第13章DNA的生物合成

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1、 第13章 DNA的生物合成 一、DNA復(fù)制的基本規(guī)律： 1．半保留復(fù)制*：DNA生物合成時，母鏈DNA解開為兩股單鏈，各自作為模板按堿基配對規(guī)律，合成與模板互補的子鏈。子代細胞的DNA，一股單鏈從親代完整地接受過來，另一股單鏈則完全重新合成。這種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。 2．半不連續(xù)復(fù)制：由于兩條親代DNA鏈以逆向平行的方式存在，而DNA聚合酶又只能以5'→3'方向聚合子代DNA鏈，因此以3'→5'方向的親代DNA鏈作模板的子代鏈在聚合時基本上是連續(xù)進行的，這一條鏈被稱為領(lǐng)頭鏈(leading strand)。而以5'→3'方向的親代DNA鏈為模板的子代鏈在聚合時則是不連續(xù)的，這條

2、鏈被稱為隨從鏈(lagging strand)。DNA在復(fù)制時，由隨從鏈所形成的一些子代DNA短鏈稱為岡崎片段(Okazaki fragment)。 3．雙向復(fù)制：DNA復(fù)制時，以復(fù)制起始點為中心，向兩個方向進行復(fù)制。但在低等生物中，也可進行單向復(fù)制。 4．復(fù)制的高保真性：為了保證遺傳的穩(wěn)定，DNA的復(fù)制必須具有高保真性。DNA復(fù)制時的保真性主要與下列因素有關(guān)：①遵守嚴格的堿基配對規(guī)律；②在復(fù)制時對堿基的正確選擇；③對復(fù)制過程中出現(xiàn)的錯誤及時進行校正。 二、參與DNA復(fù)制的主要酶類： 1．DNA聚合酶（DNA dependent DNA polymerase, DDDP）： 在原核生

3、物中，DNA聚合酶有三種，分別為DNA聚合酶Ⅰ、DNA聚合酶Ⅱ、DNA聚合酶Ⅲ。pol Ⅰ具有5'→3'聚合酶活性、3'→5'外切酶活性和5'→3'外切酶的活性；其功能主要是去除引物、填補缺口以及修復(fù)損傷。DNA聚合酶Ⅲ具有5'→3'聚合酶活性和3'→5'外切酶活性，是原核生物中參與DNA復(fù)制的主要酶。 在真核生物中，目前發(fā)現(xiàn)的DNA聚合酶有五種。其中，參與染色體DNA復(fù)制的是pol α和pol δ，參與線粒體DNA復(fù)制的是pol γ，polε與DNA損傷修復(fù)、校讀和填補缺口有關(guān)，pol β只在其他聚合酶無活性時才發(fā)揮作用。 DNA聚合酶催化的反應(yīng)特點*: (1) 以單鏈DNA為模板；

4、 (2) 以dNTP為原料； (3) 需要引物提供3′-OH； (4) 聚合方向(新鏈的延長)只能為5′→3′； （5） 遵守堿基互補規(guī)律； （6） 需要Mg2+。 2．解旋、解鏈酶類： （1）解螺旋酶：利用ATP供能，作用于氫鍵，使DNA雙鏈解開成為兩條單鏈。 （2）單鏈DNA結(jié)合蛋白（single strand binding protein, SSB）：是能夠與單鏈DNA結(jié)合的蛋白質(zhì)因子。其作用為：①穩(wěn)定單鏈DNA，便于以其為模板復(fù)制子代DNA；② 保護單鏈DNA，避免核酸酶的降解。 （3）拓撲異構(gòu)酶：拓撲異構(gòu)酶可將DNA雙鏈中的一條鏈或兩條鏈切斷，松開超螺旋后再將DNA

5、鏈連接起來，從而避免出現(xiàn)DNA鏈的纏繞、打結(jié)。 3.引物酶：是一種依賴DNA的RNA聚合酶（DDRP），為DNA-pol發(fā)揮作用提供的3'-OH。 4.DNA連接酶(DNA ligase)：DNA連接酶可催化雙鏈DNA分子中單鏈片段之間形成磷酸二酯鍵，從而使DNA片段連接起來。 三、參與DNA復(fù)制的物質(zhì)： 1．底物：以四種脫氧核糖核酸為底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。 2．模板：以親代DNA的兩股鏈解開后，分別作為模板進行復(fù)制。 3．需要引物：DNA聚合酶必須以一段具有3'端自由羥基（3'-OH）的RNA作為引物，才能開始聚合子代DNA鏈。 4．各種酶和蛋

6、白因子：DNA聚合酶、拓撲異構(gòu)酶、解螺旋酶、單鏈DNA結(jié)合蛋白、引物酶、連接酶。其中DNA聚合酶是DNA復(fù)制最主要的酶。 四、DNA生物合成過程： DNA在復(fù)制時，需在特定的位點起始，在原核生物中，復(fù)制起始點通常為一個，而在真核生物中則為多個。 1．復(fù)制的起始：由拓撲異構(gòu)酶和解鏈酶作用，使局部DNA的超螺旋及雙螺旋結(jié)構(gòu)解開，形成兩條單鏈DNA，單鏈DNA結(jié)合蛋白（SSB）結(jié)合在單鏈DNA上，形成復(fù)制叉；在引物酶的催化下，合成一段短的RNA引物。 2．復(fù)制的延長：催化合成領(lǐng)頭鏈和隨從鏈。 3．復(fù)制的終止：去除引物，填補缺口，在DNA連接酶的催化下，將岡崎片段連接起來，形成完整的DNA長

7、鏈。 五、DNA的損傷： 由自發(fā)的或環(huán)境的因素引起DNA一級結(jié)構(gòu)的任何異常改變均稱為DNA的損傷突變。 引起DNA損傷的因素有：1．自發(fā)因素；2．物理因素；3．化學(xué)因素。4．生物因素 六、DNA突變的常見類型：點突變、插入、缺失、重排 七、基因突變的后果* （一）僅改變基因型，不改變表型 （二）導(dǎo)致遺傳性疾病的發(fā)生 （三）致死性突變 （四）突變是進化、分化的分子基礎(chǔ) 八、DNA損傷的修復(fù)： DNA損傷的修復(fù)方式有光復(fù)活、切除修復(fù)、重組修復(fù)和SOS修復(fù)，后二者屬于有差錯傾向修復(fù)。 切除修復(fù)*：是細胞內(nèi)最重要和有效的修復(fù)機制，可適用于多種DNA損傷的修復(fù)。主要由DNA-polⅠ和連接酶完成。 修復(fù)的大概過程：①特異性的核酸內(nèi)切酶（如原核中的UvrA、UvrB和UvrC）或DNA糖苷酶識別DNA受損傷的部位，并在該部位的5'端作一切口；②由核酸外切酶（或DNA聚合酶Ⅰ）從5'→3'端逐一切除損傷的單鏈；③在DNA聚合酶的催化下，以互補鏈為模板，合成新的單鏈片段以填補缺口；④由DNA連接酶催化連接片段，封閉缺口。