生物化學(xué)：第一節(jié)DNA的生物合成

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1、第一節(jié)第一節(jié) DNADNA的生物合成的生物合成引言引言 中心法則中心法則遺傳信息的流動(dòng)法則 中心法則引言引言 中心法則中心法則中心法則引言引言 中心法則中心法則中心法則引言引言 中心法則中心法則一一. . 復(fù)制的基本特征復(fù)制的基本特征1. 復(fù)制的部位一一. . 復(fù)制的基本特征復(fù)制的基本特征2. 復(fù)制的反應(yīng)DNA復(fù)制時(shí)，親代復(fù)制時(shí)，親代DNA的雙螺旋先解旋并分開，的雙螺旋先解旋并分開，然后以每條鏈為模板，按照堿基配對原則，各形成然后以每條鏈為模板，按照堿基配對原則，各形成一條互補(bǔ)鏈。一條互補(bǔ)鏈。每個(gè)每個(gè)子代子代DNA分子分子中，中，有一條鏈來自親代有一條鏈來自親代DNA，另一條則是新形成的另一條

2、則是新形成的。一一. . 復(fù)制的基本特征復(fù)制的基本特征3. 復(fù)制的方式一一. . 復(fù)制的基本特征復(fù)制的基本特征3. 復(fù)制的方式（15N標(biāo)記標(biāo)記E.coli DNA）一一. . 復(fù)制的基本特征復(fù)制的基本特征3. 復(fù)制的方式一一. . 復(fù)制的基本特征復(fù)制的基本特征 3. 復(fù)制的方式一一. . 復(fù)制的基本特征復(fù)制的基本特征 3. 復(fù)制的方式雙向(多數(shù)）.單向（少數(shù)） 1. DNA聚合酶DNADNA聚合酶反應(yīng)的特點(diǎn)：聚合酶反應(yīng)的特點(diǎn)：以四種脫氧核苷三磷酸為以四種脫氧核苷三磷酸為底物底物；反應(yīng)需要接受反應(yīng)需要接受模板模板的指導(dǎo)；的指導(dǎo)；反應(yīng)要有反應(yīng)要有引物引物3-OH的存在；的存在；需需Mg2+激活；激

3、活；DNA鏈的生長鏈的生長方向方向?yàn)闉?3；產(chǎn)物產(chǎn)物與模板的性質(zhì)相同。與模板的性質(zhì)相同。 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制 1. DNA聚合酶是一種多功能的酶。是一種多功能的酶。在酶的活性中心上，與這些功能有關(guān)的結(jié)合部位分在酶的活性中心上，與這些功能有關(guān)的結(jié)合部位分布十分精巧。布十分精巧。不能從無到有合成新鏈，因?yàn)樵谖春藢?shí)前一個(gè)不能從無到有合成新鏈，因?yàn)樵谖春藢?shí)前一個(gè)nt是是否正確配對，是不會(huì)進(jìn)行聚合反應(yīng)的。否正確配對，是不會(huì)進(jìn)行聚合反應(yīng)的。主要負(fù)責(zé)主要負(fù)責(zé)RNA引物的切除和校對引物的切除和校對。E.Coli DNA聚合酶聚合酶I 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的

4、復(fù)制的復(fù)制 1. DNA聚合酶DNA聚合酶聚合酶I3535核核酸外切酶酸外切酶5353核核酸外切酶酸外切酶5353核核酸外切酶酸外切酶聚合酶聚合酶CN5353核核酸外切酶酸外切酶3535核核酸外切酶酸外切酶蛋蛋白白酶酶小片段小片段MW35 000大片段大片段MW68 000Klenow片片段段 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制 1. DNA聚合酶DNA聚合酶聚合酶IKlenow片段的結(jié)構(gòu)片段的結(jié)構(gòu)553333聚合酶位點(diǎn)聚合酶位點(diǎn)3535核核酸外切酸外切 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制 1. DNA聚合酶DNA聚合酶聚合酶IIIvDNA聚合酶聚合酶III

5、是是DNA復(fù)制酶復(fù)制酶，聚合活性高。，聚合活性高。vDNA聚合酶聚合酶III為異二聚體，使解開的雙鏈可為異二聚體，使解開的雙鏈可同時(shí)復(fù)制。同時(shí)復(fù)制。v其復(fù)雜的亞基結(jié)構(gòu)使其具有更高的其復(fù)雜的亞基結(jié)構(gòu)使其具有更高的忠實(shí)性忠實(shí)性(fidelity)、協(xié)同性協(xié)同性(cooperativity)和和持續(xù)性持續(xù)性(processivity)。 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制 1. DNA聚合酶DNA聚合酶聚合酶IIIDNADNA聚合酶聚合酶IIIIII亞基組成：亞基組成： ：3535核酸外切核酸外切酶活性酶活性。 ：聚合酶活性。聚合酶活性。核核心心酶酶：促使核心酶二聚化。促使核心酶二

6、聚化。：夾住夾住DNADNA分子并可向前移動(dòng)。分子并可向前移動(dòng)。：依賴依賴DNADNA的的ATPATP酶。酶。夾子夾子裝置器裝置器 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制 1. DNA聚合酶 DNA DNA聚合酶聚合酶 DNA DNA polpol DNADNA polpol結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因亞基種類亞基種類3535外切外切5353外切外切聚合速度聚合速度持續(xù)合成能力持續(xù)合成能力功能功能pol Apolpol B Bpol C1 110+_ 慢很慢 快30-200 1000 50000切除引物，修復(fù)切除引物，修復(fù)修復(fù)修復(fù) 復(fù)制復(fù)制大腸桿菌大腸桿菌DNA聚合酶聚合酶 二二. . 原核

7、生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制 2. DNA復(fù)制體 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制解開DNA的酶和蛋白質(zhì) 將將DNA的兩條鏈打開。每的兩條鏈打開。每解開一對堿基需要水解解開一對堿基需要水解2分子分子ATP。 大腸桿菌中的解螺旋酶有大腸桿菌中的解螺旋酶有rep蛋白蛋白、 解螺旋酶解螺旋酶I、II、III。v 解螺旋酶解螺旋酶 v 解螺旋酶解螺旋酶 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制 2. DNA復(fù)制體解開DNA的酶和蛋白質(zhì)v 單鏈結(jié)合蛋白單鏈結(jié)合蛋白( (SSB)SSB)與解鏈后的與解鏈后的DNADNA單鏈結(jié)合，阻止其再次形成雙螺旋。單鏈結(jié)合，阻止其

8、再次形成雙螺旋。 具有協(xié)同效應(yīng)（在原核生物中）。具有協(xié)同效應(yīng)（在原核生物中）。 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)DNADNA分子超螺旋類型與數(shù)量的酶。分子超螺旋類型與數(shù)量的酶。 可分為可分為拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶和和拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶，兩者協(xié)同作兩者協(xié)同作用控制著用控制著DNADNA的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 除連環(huán)數(shù)不同外其它性質(zhì)均相同的除連環(huán)數(shù)不同外其它性質(zhì)均相同的DNADNA分子稱為分子稱為拓拓?fù)洚悩?gòu)體。撲異構(gòu)體。v 解螺旋酶解螺旋酶 v 拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制 2. DNA復(fù)制體解開DNA的酶和蛋白質(zhì)v 單鏈結(jié)合蛋白單鏈結(jié)合蛋白(SSB)o 拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)

9、酶：使使DNA的的一條鏈一條鏈發(fā)生斷裂和再連接發(fā)生斷裂和再連接，消除負(fù)超螺旋消除負(fù)超螺旋，反應(yīng)，反應(yīng)不消耗能量不消耗能量。每次改變的連。每次改變的連環(huán)數(shù)為環(huán)數(shù)為+1。主要用于轉(zhuǎn)錄。主要用于轉(zhuǎn)錄。o 拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶(旋轉(zhuǎn)酶旋轉(zhuǎn)酶)：使：使DNA的的兩條鏈兩條鏈發(fā)生斷裂發(fā)生斷裂和再連接，和再連接，引入負(fù)超螺旋引入負(fù)超螺旋，需要需要ATP提供能量提供能量。每。每次改變的連環(huán)數(shù)為次改變的連環(huán)數(shù)為-2。主要用于復(fù)制。主要用于復(fù)制。v 解螺旋酶解螺旋酶 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制 2. DNA復(fù)制體解開DNA的酶和蛋白質(zhì)v 拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶v 單鏈結(jié)合蛋白單鏈結(jié)合蛋白(

10、 (SSB)SSB)v 解螺旋酶解螺旋酶 =+兩條鏈的互繞數(shù)兩條鏈的互繞數(shù)拓?fù)溥B環(huán)數(shù)拓?fù)溥B環(huán)數(shù)螺旋數(shù)螺旋數(shù)超螺旋數(shù)超螺旋數(shù)超螺旋超螺旋DNADNA處于高能狀態(tài)，若一條鏈有一處于高能狀態(tài)，若一條鏈有一切口它即自發(fā)轉(zhuǎn)變成松弛狀態(tài)。切口它即自發(fā)轉(zhuǎn)變成松弛狀態(tài)。 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制 2. DNA復(fù)制體解開DNA的酶和蛋白質(zhì)v 拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶v 單鏈結(jié)合蛋白單鏈結(jié)合蛋白( (SSB)SSB)v 解螺旋酶解螺旋酶 v 引發(fā)體引發(fā)體引發(fā)體識別復(fù)制的起始部位，啟動(dòng)引發(fā)體識別復(fù)制的起始部位，啟動(dòng)RNARNA引物的合成；引物的合成；是一個(gè)以是一個(gè)以DnaBDnaB（解旋酶）

11、和解旋酶）和 DnaGDnaG（引發(fā)酶）為主體引發(fā)酶）為主體的大復(fù)合體。的大復(fù)合體。 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制 2. DNA復(fù)制體解開DNA的酶和蛋白質(zhì)v 拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶v 單鏈結(jié)合蛋白單鏈結(jié)合蛋白( (SSB)SSB) 催化催化DNA雙鏈中一條鏈上的切口（雙鏈中一條鏈上的切口（3-OH 與它下游相鄰的核苷酸的與它下游相鄰的核苷酸的 5-磷酸之間）共價(jià)連磷酸之間）共價(jià)連結(jié)（結(jié)（形成磷酸二酯鍵形成磷酸二酯鍵）。）。連結(jié)過程需要能量連結(jié)過程需要能量: : E.coliE.coli和某些細(xì)菌中和某些細(xì)菌中由由NADNAD+ +提供；提供； 動(dòng)物細(xì)胞動(dòng)物細(xì)胞由由ATP

12、ATP提供。提供。 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制 2. DNA復(fù)制體連接酶作用機(jī)理作用機(jī)理H2COOH堿基堿基堿基O堿基堿基堿基PH2CPH2COOH堿基堿基堿基O堿基堿基堿基PH2CPAMPATP或或NAD+PPi或或NMN+AMPH2COOH堿基堿基堿基O堿基堿基堿基PH2CPCH2OadeP 原核生物的原核生物的DNADNA上一般只有一個(gè)復(fù)制原點(diǎn)上一般只有一個(gè)復(fù)制原點(diǎn)，但在，但在迅速生長時(shí)期，第一輪復(fù)制尚未完成，就在起點(diǎn)處啟迅速生長時(shí)期，第一輪復(fù)制尚未完成，就在起點(diǎn)處啟動(dòng)第二輪復(fù)制。動(dòng)第二輪復(fù)制。 真核生物則有多個(gè)復(fù)制原點(diǎn)真核生物則有多個(gè)復(fù)制原點(diǎn)，可以同時(shí)啟動(dòng)復(fù)，

13、可以同時(shí)啟動(dòng)復(fù)制過程。制過程。 3. 復(fù)制的過程 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制復(fù)制的啟動(dòng)復(fù)制的啟動(dòng) 引發(fā)體成員引發(fā)體成員DnaA識別并結(jié)合與識別并結(jié)合與oriC； DnaB（解旋酶）、（解旋酶）、SSB、PriA、 DnaG（引物酶（引物酶）等蛋白結(jié)合，形成引發(fā)體；）等蛋白結(jié)合，形成引發(fā)體； 拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶II向向DNA引入負(fù)超螺旋，消除解鏈產(chǎn)生引入負(fù)超螺旋，消除解鏈產(chǎn)生 的扭曲張力。的扭曲張力。 DnaG在后隨鏈模板上合成在后隨鏈模板上合成RNA引物；引物； 3. 復(fù)制的過程 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制復(fù)制的啟動(dòng)（復(fù)制的啟動(dòng)（E.col

14、i)復(fù)制眼的結(jié)構(gòu)復(fù)制眼的結(jié)構(gòu) 一條鏈延伸的方向與復(fù)制叉前進(jìn)的方向一致，它一條鏈延伸的方向與復(fù)制叉前進(jìn)的方向一致，它的合成能連續(xù)進(jìn)行，稱為的合成能連續(xù)進(jìn)行，稱為先導(dǎo)鏈先導(dǎo)鏈； 另一條鏈延伸的方向與復(fù)制叉前進(jìn)的方向相反，另一條鏈延伸的方向與復(fù)制叉前進(jìn)的方向相反，這條新鏈的合成是不連續(xù)的，而且總晚于先導(dǎo)鏈，所這條新鏈的合成是不連續(xù)的，而且總晚于先導(dǎo)鏈，所以稱為以稱為后隨鏈后隨鏈。 3. 復(fù)制的過程 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制DNADNA鏈的延伸鏈的延伸 DNA鏈的延伸按鏈的延伸按53方向。方向。5353后隨鏈中合成的多個(gè)后隨鏈中合成的多個(gè)DNADNA片段，稱為片段，稱為岡崎

15、片段岡崎片段。這種先導(dǎo)鏈連續(xù)合成，后隨鏈斷續(xù)合成的方式，這種先導(dǎo)鏈連續(xù)合成，后隨鏈斷續(xù)合成的方式，稱為半不連續(xù)復(fù)制。稱為半不連續(xù)復(fù)制。 3. 復(fù)制的過程 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制DNADNA鏈的延伸鏈的延伸 引物酶引物酶在復(fù)制原點(diǎn)附近合成一段在復(fù)制原點(diǎn)附近合成一段RNARNA引物；引物； DNADNA聚合酶聚合酶在引物的在引物的33末端逐個(gè)添加脫氧核苷酸。末端逐個(gè)添加脫氧核苷酸。 隨著復(fù)制叉的推進(jìn)，親代隨著復(fù)制叉的推進(jìn)，親代DNADNA雙螺旋不斷被解開，先雙螺旋不斷被解開，先導(dǎo)鏈也不斷延伸。導(dǎo)鏈也不斷延伸。 先導(dǎo)鏈的合成先導(dǎo)鏈的合成 3. 復(fù)制的過程 二二. . 原

16、核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制DNADNA鏈的延伸鏈的延伸 隨后鏈的合成隨后鏈的合成v 引物的合成引物的合成: : 隨后鏈的每個(gè)岡崎片段都需要合隨后鏈的每個(gè)岡崎片段都需要合成成RNARNA引物。也是由引物。也是由引物酶引物酶催化。催化。 3. 復(fù)制的過程 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制DNADNA鏈的延伸鏈的延伸 隨后鏈的合成隨后鏈的合成v 岡崎片段的合成岡崎片段的合成：DNA聚合酶聚合酶在引物的在引物的3末端末端使使DNA鏈延伸，直至抵達(dá)其下游的另一個(gè)岡崎片鏈延伸，直至抵達(dá)其下游的另一個(gè)岡崎片段的段的RNA引物的引物的5端。端。v 引物的合成引物的合成: : 隨

17、后鏈的每個(gè)岡崎片段都需要合隨后鏈的每個(gè)岡崎片段都需要合成成RNARNA引物。也是由引物。也是由引物酶引物酶催化。催化。 3. 復(fù)制的過程 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制DNADNA鏈的延伸鏈的延伸v 岡崎片段的連結(jié)：岡崎片段的連結(jié)：DNADNA聚合酶聚合酶 DNADNA連接酶連接酶 隨后鏈的合成隨后鏈的合成 3. 復(fù)制的過程 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制DNADNA鏈的延伸鏈的延伸 先導(dǎo)鏈和隨后鏈中先導(dǎo)鏈和隨后鏈中DNADNA的延伸由同的延伸由同 一個(gè)一個(gè)DNADNA聚合酶聚合酶全酶二聚體催化全酶二聚體催化 隨后鏈的模板隨后鏈的模板回折成環(huán)回折成環(huán)

18、，從而使岡崎片段的延伸方，從而使岡崎片段的延伸方向與先導(dǎo)鏈的延伸方向一致，它們向與先導(dǎo)鏈的延伸方向一致，它們的的3末端分別落在末端分別落在DNADNA聚合酶聚合酶全酶的雙活性部位。全酶的雙活性部位。 3. 復(fù)制的過程 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制DNADNA鏈的延伸鏈的延伸 大部分的大部分的復(fù)制是從復(fù)制原點(diǎn)向兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行復(fù)制是從復(fù)制原點(diǎn)向兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行，因此因此兩側(cè)的復(fù)制叉都是生長點(diǎn)兩側(cè)的復(fù)制叉都是生長點(diǎn)，隨著復(fù)制叉的移動(dòng)，隨著復(fù)制叉的移動(dòng)，復(fù)制眼逐步增大。，復(fù)制眼逐步增大。 所以每條新合成的所以每條新合成的DNADNA鏈中鏈中既有先導(dǎo)鏈，又有既有先導(dǎo)鏈，又有后隨鏈。后隨

19、鏈。 3. 復(fù)制的過程 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制DNADNA鏈的延伸鏈的延伸 3. 復(fù)制的過程 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制DNADNA鏈的延伸鏈的延伸 環(huán)狀的環(huán)狀的DNADNA從單點(diǎn)開始雙向復(fù)制，當(dāng)兩個(gè)復(fù)制從單點(diǎn)開始雙向復(fù)制，當(dāng)兩個(gè)復(fù)制叉在復(fù)制原點(diǎn)的叉在復(fù)制原點(diǎn)的對面的終止區(qū)相遇并合并時(shí)，結(jié)束對面的終止區(qū)相遇并合并時(shí)，結(jié)束復(fù)制，形成兩個(gè)環(huán)狀復(fù)制，形成兩個(gè)環(huán)狀DNADNA分子分子。 3. 復(fù)制的過程 二二. . 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制DNADNA鏈的終止鏈的終止v 真核生物具有真核生物具有核小體核小體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。v 真核生物

20、真核生物基因組龐大基因組龐大，且復(fù)制叉移動(dòng)速率比原核生物慢，且復(fù)制叉移動(dòng)速率比原核生物慢得多。得多。v 真核生物真核生物DNADNA上存在上存在多個(gè)復(fù)制子多個(gè)復(fù)制子，但每個(gè)復(fù)制子在每個(gè)，但每個(gè)復(fù)制子在每個(gè)細(xì)胞周期只復(fù)制一次。細(xì)胞周期只復(fù)制一次。v 復(fù)制的終止比較特別，形成復(fù)制的終止比較特別，形成端粒端粒DNADNA。 1. 真核生物DNA復(fù)制的特點(diǎn) 三三. . 真核生物真核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制DNADNA聚合酶聚合酶 DNADNA聚合酶聚合酶 DNADNA聚合酶聚合酶 DNADNA聚合酶聚合酶 DNADNA聚合酶聚合酶 2. 真核生物DNA聚合酶 三三. . 真核生物真核生物DNADN

21、A的復(fù)制的復(fù)制合成引物、后隨鏈合成引物、后隨鏈修復(fù)酶修復(fù)酶線粒體線粒體DNADNA合成合成合成前導(dǎo)鏈合成前導(dǎo)鏈修復(fù)酶修復(fù)酶 3. 端粒DNA 三三. . 真核生物真核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制v端粒是真核生物染色體末端的特殊序列；端粒是真核生物染色體末端的特殊序列；v它是由它是由端粒酶端粒酶RNA模板上拷貝出數(shù)以百計(jì)的模板上拷貝出數(shù)以百計(jì)的重復(fù)序列構(gòu)成；重復(fù)序列構(gòu)成；v端粒端粒DNA形成特殊結(jié)構(gòu)，具有保護(hù)染色體末形成特殊結(jié)構(gòu)，具有保護(hù)染色體末端免遭降解的功能。端免遭降解的功能。v端粒的截短與細(xì)胞衰老有關(guān)。端粒的截短與細(xì)胞衰老有關(guān)。四四. DNA. DNA復(fù)制的忠實(shí)性復(fù)制的忠實(shí)性v DNA聚合酶的聚合反應(yīng)具有保真性；聚合酶的聚合反應(yīng)具有保真性；v DNA聚合酶利用外切酶活性進(jìn)行校對；聚合酶利用外切酶活性進(jìn)行校對；v 使用使用RNA引物；引物；v 依賴于核苷酸代謝庫調(diào)節(jié)系統(tǒng)和體內(nèi)多種依賴于核苷酸代謝庫調(diào)節(jié)系統(tǒng)和體內(nèi)多種修復(fù)系統(tǒng)。修復(fù)系統(tǒng)。