第十一章 DNA 的生物合成 Chapter 11 Biosynthesis of DNA

第十一章 第十一章 DNADNA 的生物合成 的生物合成Chapter 11Chapter 11 Biosynthesis of DNABiosynthesis of DNA

DNA是由四种脱氧核糖核酸所组成的长链大分子，是遗传信息的携带者。生物体的遗传信息就贮存在 DNA的

四种脱氧核糖核酸的排列顺序中。

DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分子，从而决定生物的表现型。DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则(DNA处于生命活动的中心）。

在RNA病毒中，其遗传信息贮存在RNA分子中。因此，在这些生物体中，遗传信息的流向是RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代，通过反转录将遗传信息传递给DNA，再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为反中心法则。

DNA dependent DNA polymerase—DDDPDNA dependent RNA polymerase—DDRPRNA dependent RNA polymerase—RDRPRNA dependent DNA polymerase—RDDP

复制（DDDP） 转录（DDRP） 翻译 DNA RNA 蛋白质 反转录（RDDP） RNA 复制（RDRP）

第一节 第一节 DNADNA复制的特点复制的特点

一、半保留复制 DNA在复制时，以亲代DNA的每一股作模板，合成完全相同的两个双链子代DNA，每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链，这种现象称为DNA的半保留复制(semi-conservative replication)。

半保留复制的证据（ 1958，M. Meselson 和 F. Stahl ）

① 将大肠杆菌在含 15N →的培养基中培养约十五代

使其DNA中的碱基氮均转变为 15N 。

② 将大肠杆菌（ 15N）移至只含 14N的培养基中同步培→养一代、二代、三代 分别提取DNA→作密度梯度离

心。结果：

二、有一定的复制起始点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，即复制起始点（ origin of replication）。原核生物中，复制起始点通常为一个 .真核生物中 , 复制起始点则为多个。

三、需要引物

RNA引物的大小：•原核生物： 50～ 100个核苷酸。

•真核生物：约为 10个核苷酸。 RNA引物的碱基顺序：•与其模板DNA的碱基顺序相配对。

引物 (primer)：•参与DNA复制的DNA聚合酶，必须以一段具有 3’端自由羟基（ 3’-OH）的 RNA作为引物，才能开始聚合子代DNA 链。

DNA复制时，以复制起始点为中心，向两个方向进行复制。但在低等生物中，也可进行单向复制（如滚环复制）。

四、双向复制

单向模型

起始点

双向模型

复制中的大肠杆菌环形染色体

五、半不连续复制

由于DNA聚合酶只能以 5‘→3’方 向聚 合 子代DNA链，即模板

DNA链的方向必须为 3'→5'。因此，分别以两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时的方式是不同的。

•模板链方向：3‘→5’

前导链 (leading strand)

滞后链 (lagging strand)

•复制方向： 5‘→3’

•复制方式：连续复制

•模板链方向： 5‘→3’

•复制方向： 5‘→3’

•复制方式：不连续复制

•

解链方向

冈崎片段的大小：•原核生物中约为 1000～ 2000个核苷酸，真核生物中约为 100个核苷酸 .

冈崎片段 (Okazaki fragment) :•由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因此，滞后链的合成也是一段一段的。DNA在复制时，由滞后链所形成的一些子代DNA短链称为冈崎片段。

第二节 第二节 DNADNA复制的条件复制的条件

一、底物

即 dATP， dGTP， dCTP， dTTP。 (dNMP)n+dNTP

(dNMP)n+1+PPi

DNA 复制是模板依赖性的，必须要以亲代 DNA链作为模板。亲代 DNA的两股链解开后，可分别作为模板进行复制。

二、模板 (template)

引物体

引物前体

引物合成酶 :

（DDRP）

(蛋白因子聚合体 )

蛋白 i、蛋白 n、蛋白 n”、蛋白 dnaC

(与引物预合成有关 )

蛋白 n’与蛋白 dnaB

(与识别复制起始点有关，并具有 ATPase活性 )

以DNA为模板，聚合一段 RNA短链引物 (primer).

三、引物体和 RNA引物

四、四、 DNADNA聚合酶聚合酶 (DDDP)(DDDP)

（一）种类和生理功能

原核生物

DNA Ⅰ聚合酶 （ pol Ⅰ）

DNA Ⅱ聚合酶 （ pol Ⅱ）

DNA Ⅲ聚合酶 （ pol Ⅲ）

这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能 酶。参与DNA复制的主要是 pol Ⅲ和pol Ⅰ。

pol Ⅰ为单一肽链的大分子蛋白质 ,可被特异的蛋白酶水解为两个片段，其中的大片段称为Klenow fragment，具有 5'→3'聚合酶活性和 3'→5'外切酶的活性。

pol Ⅲ 由十种亚基组成，其中 α 亚基具有5'→3' 聚合 DNA 的酶活性，因而具有复制DNA的功能；而 ε亚基具有 3'→5'外切酶的活性，因而与DNA复制的校正功能有关。

DNA Ⅲ聚合酶 的两个 B-亚基形成一个环形钳子围绕着DNA

真核生物

DNA聚合酶 α（ pol α）：延长滞后链

DNA聚合酶 γ（ pol γ）：参与线粒体DNA复制

DNA聚合酶 β（ pol β）：在其他聚合酶无活性 时才发挥作用。

DNA聚合酶 δ（ pol δ）：与DNA损伤修复、校读 和填补缺口有关。

DNA聚合酶 ε（ pol ε）：延长前导链

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，而使两段DNA连接起来。

DNA连接酶催化条件① 是： 需一段DNA片

段具有 3‘-OH，而另一段DNA片段具有5’-Pi ② 基； 未封闭的缺口位于双链DNA中，即其中有一条链是

③ 完整的； 需要消耗能量，在原核生物中由NAD+供能，在真核生物中由ATP供能。

六、单链DNA结合蛋白其作用是：稳定单链 DNA,保护单链 DNA

七、解 螺旋酶

又称解链酶或 rep蛋白，是用于解开DNA双链的酶蛋白，每解开一对碱基，需消耗两分子ATP。目前发现至少存在两种解 螺旋酶。

Ⅰ大肠杆菌拓朴异构酶 的结构

八、拓扑异构酶 Ⅰ拓扑异构酶 可使DNA双链中的一条链切断，松开双螺旋后再将DNA链连接起来，从而避免出现链的缠绕。反应无需供给能量。 Ⅱ拓扑异构酶 可切断DNA双链，使DNA的超螺旋松解后，再将其连接起来。消除复制叉前进时带来的扭曲张力。需 ATP水解 供能。

第三节 第三节 DNADNA生物合成过程生物合成过程

（一）预引发：1．解 旋解链，形成复制 叉：由拓扑异构酶和解链酶作用，使 DNA的超螺旋及双螺旋结构解开，碱基 间氢键断裂，形成两条单链DNA。单链DNA结合蛋白（ SSB）结合在两条单链DNA上，形成叉状结构，称为复制叉。

一、复制的起始DNA复制的起始阶段，由下列两步构成。

2．引物体组装：由蛋白因子（如 dnaB等）识别复制起始点，并与其他蛋白因子以及引物酶一起组装形成引物体。

（二）引发：

在引物酶的催化下，以DNA为模板，合成一段短的 RNA片段，从而获得 3'端自由羟基（ 3'-OH）。

二、复制的延长二、复制的延长

（一）聚合子代DNA：由DNA聚合酶催化，以 3'→5'方向的亲代

DNA链为模板，从 5'→3'方向聚合子代DNA链。在原核生物中，参与DNA复制延长的是DNA Ⅲ聚合酶 ；而在真核生物中，是DNA聚合酶 α(延长随从链 )和 δ（延长领头链）。

（二）引发体移动：

引发体向前移动，解开 新的局部双螺旋，形成新的复制叉，随从链重新合成 RNA引物，继续进行链的延长。

三、复制的终止三、复制的终止 （一）去除引物，填补缺口：原核生物 :由DNA Ⅰ聚合酶 来水解 去除RNA引物，并由该酶催化延长引物缺口处的DNA，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。真核生物中 :由一种特殊的核酸酶来水解去除 RNA引物，而冈崎片段仍由DNA聚合酶来延长。

（二）连接冈崎片段：

在DNA连接酶的催化下，形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。

（三）DNA复制的保真性：为了保证遗传的稳定，DNA的复制必须具有高

保真性。DNA复制时的保真性主要与下列因素有

关：

1．遵守严格的碱基配对规律；

2．DNA 聚合酶在复制时对碱基的正确选择；

3．对复制过程中出现的错误及时进行校正。

（四）真核生物端粒的形成：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。其共同的结构特征是由一些富含 G、 C的短重复序列构成，可重复数十次至数百次。

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。

端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体，它可以其RNA为模板，通过逆转录过程对末端DNA链进行延长。

端粒酶端粒酶 (telomerase)(telomerase)的作用机制的作用机制

第四节 第四节 DNADNA的损伤与修复的损伤与修复

一、DNA的损伤（突变）由自发的或环境的因素引起DNA一级结构的任何异常的改变称为DNA的损伤，也称为突变（mutation ）。常见的DNA的损伤包括碱基脱落、碱基修饰、交联，链的断裂，重组等。

（一）引起突变的因素

1．自发因素自发脱碱基：由于N-糖苷键的自发断裂，引起嘌呤或嘧啶碱基的脱落。每日可达近万个核苷酸残基。自发脱氨基：胞嘧啶自发脱氨基可生成尿嘧啶，腺嘌呤自发脱氨基可生成次黄嘌呤。每日可达几十到几百个核苷酸残基。复制错配：由于复制时碱基配对错误引起的损伤，发生频率较低。

2．物理因素：由紫外线、电离辐射、 X射线等引起的DNA损伤。其中， X射线和电离辐射常常引起DNA链的断裂，而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成，如 TT， TC， CC等二聚体。这些嘧啶二聚体由于形成了共价键连接的环丁烷结构，因而会引起复制障碍。

3．化学因素：(1)脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可加速 C脱氨基生成U， A脱氨基生成 I。

(2)烷基化剂：这是一类带有活性烷基的化合物，可提供甲基或其他烷基，引起碱基或磷酸基的烷基化，甚至可引起邻近碱基的交联。 (3)DNA加合剂：如苯并芘，在体内代谢后生成四羟苯并芘，与嘌呤共价结合引起损伤。 (4)碱基类似物：如 5-FU， 6-MP等，可掺入到DNA分子中引起损伤或突变。(5)断链剂：如过氧化物，含巯基化合物等，可引起DNA链的断裂。

（二）（二） DNADNA突变的类突变的类

型：型： 转换– – – 相同类型碱基的取代。 颠换– – – 不同类型碱基的取代。 点突变 插入– – – 增加一个碱基。 缺失– – – 减少一个碱基。 插入– – – 增加一段顺序。 缺失– – – 减少一段顺序。 复突变 倒位– – – 一段碱基顺序发生颠倒。 移位– – – 一段碱基顺序的位置发生改变。 重排– – – 一段碱基顺序与另一段碱基顺序发生交换。

碱基的转换碱基的转换

（三）DNA突变的效应：

1．同义突变：基因突变导致mRNA密码子第三位碱基的改变但不引起密码子意义的改变，其翻译产物中的氨基酸残基顺序不变，但有时可引起翻译效率降低。

2．误义突变：基因突变导致mRNA密码子碱基被置换，其意义发生改变，翻译产物中的氨基酸残基顺序发生改变。

4．移码突变：基因突变导致mRNA密码子碱基被置换，引起突变点之后的氨基酸残基顺序全部发生改变。

3．无义突变：基因突变导致mRNA密码子碱基被置换而改变成终止密码子，引起多肽链合成的终止。

二、二、 DNADNA损伤的修复损伤的修复 DNA损伤的修复方式可分为直接修复和取代修复两大类。

光复活 直接修复 转甲基作用 直接连接 无差错修复 切除修复 取代修复 重组修复 有差错倾向修复 SOS修复

1．转甲基作用：

在转甲基酶的催化下，将DNA上的被修饰的甲基去除。此时，转甲基酶自身被甲基化而失活。

2．直接连接：DNA断裂形成的缺口，可以在DNA连接酶的催化下，直接进行连接而封闭缺口。

（一）直接修复：1．光复活 这是一种广泛存在的修复作用。光复活能够修复任何嘧啶二聚体的损伤。其修复过程为：光复活酶（ photo-lyase) 识别嘧啶二聚体并与之结合形成

→复 合 物 在 300 ～600nm 可见光照射下，酶获得能量，将嘧啶二聚体的丁酰环打开，使之完

→全修复 光复活酶从DNA上解离。

特异性的核酸内切酶识别 DNA DNA糖苷酶识别受损伤的 的损伤部位，并在该部位的 5' 碱基，并将该碱基切除 端作一切口 由核酸外切酶（或 DNA聚合 在插入酶的催化下，以正确 Ⅰ酶 ）从 5' → 3'端逐一切除损 的碱基插入空位，修复 DNA 伤的单链片段 在 DNA聚合酶的催化下，以 互补链为模板，合成新的单链 片段以填补缺口 由 DNA连接酶催化连接片段， 封闭缺口

（二）取代修复 1．切除修复 这也是一种广泛存在的修复机制，可适用于多种 DNA损伤的修复。该修复机制可以分别由两种不同的酶来发动，一种是核酸内切酶，另一种是DNA糖苷酶。

2．重组修复 这是 DNA的复制过程中所采用的一种有差

错的修复方式。

3． SOS修复 这是一种在DNA分子受到较大范围损伤并且使复制受到抑制时出现的修复机制，以SOS借喻细胞处于危急状态。

DNA分子受到长片段高密度损伤，使DNA复制过程在损伤部位受到抑制。

损伤诱导一种特异性较低的新的DNA聚合酶，以及重组酶等的产生。

由这些特异性较低的酶继续催化损伤部位DNA的复制，复制完成后，保留许多错误的碱基，从而造成突变。