第十章 基因信息的传递

DNA的生物合成

复制：以 DNA作为模板指导的 DNA合

成，即将 DNA携带的信息传至子代 DNA

DNA合成也可以 RNA为模板指导合成，通常将其

称作反转录作用 ,见于 RNA病毒

基因：生物活性产物编码的 DNA功能片段

模 板

模板作用：大量生产同一产品

中心法则 Central Dogma

RNA

DNA

蛋白质

转录

翻译

复制

逆转录

少数病毒复制 翻译 蛋白质（病毒）

第一节 半保留复制

定义：两个子代分子中各有一条链来自亲代，各有另一条新合成的链，这

种复制方式叫半保留复制

父链

子链

1958 – Matthew Meselson和Franklin Stahl

美国科学家马修 .梅塞尔(Matthew Keelson)

福兰克林 .斯塔尔 (Franklin Stahl)

(蓝 : 15N)

(棕 : 14N)

DNA半保留复制的证据

培养于普通培养液

继续培养于普通培养液

含 15N-DNA的细菌 普通 DNA

重 DNA

第一代 中等密度 DNA

第二代普通 DNA中等密度 DNA

意义？

新合成 的链

重 DNA

普通 DNA

中等密度 DNA

全保留

混 合

一代 二代

一代 二代

复制的起始点与方向

亲代 DNA开链，复制起始点呈叉型移动

复制叉亲代 DNA 分子

3’

5’

3’

5’复制起始点（ ori）： DNA复制要从 DNA分子的特定部位开始，此部位称复制起始点

    原核：一个起始点，约 245bp,特殊的重复序 列

    真核：多个起始点

ori

E.coli复制起始点 oriC跨度为245bp，有 3组串联重复序列和 2对反向重复序列

GATTNTTTATTT…GATCTNTTNTATT…GATCTCTTATTAG

串联重复序列

反向重复序列

…TTTGGATAA…..TTATCCACA AATAGGT--T

TGTGGATTA……TTATACACA… A--TA--GTGT

回文结构

AGCTTCGA

复制方向

• DNA合成的方向单向、双向？

1个起始点

双向复制

oriori

复制子 ori ori

真核生物两个相邻复制起始点之间的 DNA 片段

以起始点为中心，向两个方

向进行复制

多个起始点

第二节 DNA复制的酶学

1. 模板：解开成单链的 DNA母链

3. DNA聚合酶， DNA-pol

2. 底物 dNTP ： dATP， dGTP， dCTP， dTTP

4. 引物（ primer）： RNA引物

5. 其他酶和蛋白质因子

一、复制的化学反应

生成磷酸二酯键N1OH3`5`+dN2TP N1N2-OH

3`5`+PPi

DNA pol

3’——TAGAAGACCTATTGGCC——5’5’——ATCTTCTGGATAACCGG——3’

二、 解链相关酶类

1. 解旋酶 (helicase)

2. 拓扑异构酶（ topoisomerase I、 II） 3. 单链 DNA结合蛋白(SSB)

2.1 解旋酶 (helicase)

解螺旋酶

作用：断裂互补碱基间的氢键，使 DNA成单链

dnaA 、 B 、 C… DnaA 、 B 、 C…

ATP

2.2 拓扑异构酶（ Topo）

拓扑 (topology)与拓扑异构DNA正超螺旋与负超螺旋

负超螺旋正超螺旋 DNA双螺旋

拓扑异构酶

超螺旋

螺旋

Topo酶：切割 DNA链，使其松弛后再连接

Helicase

TopoⅡ（ DNA Gyrase）

Helicase

Supercoiled DNA

TOPOⅡ

TOPOⅡ

TOPOⅡ

TOPOⅡ

TOPOⅡ

TOPOⅡ

TOPOⅡ

TOPOⅡ

TOPOⅡ

ATP

TOPOⅡ

2.3 单链 DNA结合蛋白（ SSB）

作用：防止单链 DNA重新形成双链，防止单链 DNA被核酸酶水解

SSBSSB

三、 DNA聚合酶（ DNA-pol）

即依赖于 DNA的 DNA聚合酶（ DDDP）

真核生物有多种：

DNA-pol 、、、、…

原核生物有 3种：

DNA-polⅠ 、 Ⅱ 、 Ⅲ

DNA聚合酶功能

•5´3´聚合作用

•5´3´外切酶

•3´5´外切酶活性

5' ucgagcuag-OH 3 '

5 ' ucgagcuag

DNA poldNTP

5´3´聚合作用

3 ' agctcgatcgtagcctagcgtagcagtgcacgatc 5 '

3 ' agctcgatcgtagcctagcgtagcagtgcacgatc 5 '

catcggatcgcatcgtcacgtgctag 3 '

5’ 3’

内切酶

外切酶

外切酶与内切酶作用图解

5´3´ 外切酶活性的功能

切除引物，切除突变片段

5’ 3’

3’5’ 外切酶活性

校读

错配碱基

大肠杆菌三种 DNA聚合酶比较DNA

聚合酶Ⅱ

分子量

每个细胞的分子统计数

5´-3 ´聚合酶作用

3´-5 ´核酸外切酶作用

5´-3 ´核酸外切酶作用

转化率主要功能

活性（ nt/min ）

DNA聚合酶Ⅰ

DNA聚合酶Ⅲ（复合物）

109， 000

400

+

+

+

1

校读 ,修复1000

120， 000

40

+

+

-

0 .05

400， 000

10-20

+

+

+

50

复制100000

特 性

不清填补缺口

50

DNA聚合酶Ⅲ全酶

核心酶

Pol III

Pol III

延长因子

DNA聚合酶Ⅲ二聚体

小片段 大片段（ Klenow fragment）5 ' →3 ' 聚合功能3 '→5 '外切酶活性 5'→3'外切酶活性

DNA pol I

四、引物酶 (Primase)和引发体

5´

5´

催化 RNA引物合成的酶叫引物酶，它是一种特殊的 RNA 聚合酶

DNA合成需在 RNA引物的基础上进行

RNA引物

5´ 3´

5´3´

DnaA

引发体（ primosome）：包括解螺旋 酶 、 DnaC、引物酶及 DNA复制的起始 区域

5´ 3´

3´ 5´引物酶

DnaC

引发体

解螺旋酶

五、 DNA连接酶 (DNA ligase)

功能： 催化 DNA双链的 3’羟基和相邻的5’磷酸基团形成磷酸二酯键，从而把两段相邻的 DNA链连成完整的链

小 结主要成员 主要作用

DnaA 识别复制起始位点

解螺旋酶 解开 DNA双链SSB 维持已解开单链 DNA的稳定

引物酶 合成 RNA引物

TOPO 使打结、缠绕、正超螺旋的 DNA松驰DNA-pol DNAⅢ 复制

DNA-pol Ⅰ 水解引物、填补空隙、修复作用

DNA 连接酶 催化双链 DNA中单链缺口的连接

第三节 DNA生物合成过程

1.复制的起始

2.链的延长

3.复制的终止

DNA合成期

哺乳动物的细胞周期

一 复制的起始(一 ) DNA解成单链

由特定蛋白质识别复制起始位点（ ori），在解螺旋酶、 TOPO酶及单链DNA结合蛋白的共同作用下， DNA解链，解旋，形成复制叉

倒 Y

(二 )引发体的生成

解旋酶解开双链后引物酶进入形成引发体

5´ 3´

3´ 5´引物酶

DnaC

引发体

解旋酶

（三） RNA引物的合成

5´

5´ RNA引物

5´ 3´

5´3´

参与复制起始的蛋白因子

名称 功能

DnaA 蛋白 辨认起始点

解螺旋酶（ DnaB， Rep ） 解开 DNA双链DnaC 协助解螺旋酶

引物酶（ DnaG ） 催化 RNA引物生成SSB 稳定解开的单链

拓扑异构酶 理顺 DNA链

OriC E.coli复制起始点

引物合成后，由 DNA polⅢ（在真核细胞为 DNA聚合酶和 )催化，按碱基配对原则，将 dNTP逐一添加到引物 3’ 末端，形成磷酸二酯键，使新合成的链不断延 长

二 复制的延长

3’——AAGACCTATT——5’5’——TTCTGGATAA——3’

DNA Pol I, II and IIIDNA Pol I, II and III

5’- DNA - OH5’- DNA - OH5’- DNA - OH5’- DNA - OH 5’- DNA - O5’- DNA - O - - PP - -N - OHN - OH

PPPPPPPP

++

++ ddNNTTPsPs

前导链前导链

后随链

3’

5’3’

5’

延 长5’

5’5’3’

3’

5’3’3’

5’

SSB

DNA Polymera

se

冈崎片断

RNA引物

引物酶

5’3’

5’

TOPOⅡ解旋酶

1.半不连续性： DNA复制过程中，一条链是连续复制，另一条链是不连续复制的现象

几个重要概念

4. 冈崎片段（ Okazaki fragment）：

不连续复制的片段

3. 随从链 : 链的延长方向 (5’3’)与解链方向相反，为不连续复制

2.领头链 :链的延长方向 (5’ 3’)与解链方向 相同 , 为连续复制

滚环复制

某些病毒、质粒、线粒体 DNA的特

殊复制形式

三 复制的终止

1. 原核生物复制终止

2.真核生物复制终止

1、原核生物 DNA为环状，双向复制的汇 合点就是复制终止点

原核生物复制终止

2. 领头链上的 RNA引物被 RNA酶水解后，由 DNA pol I 催化，由新合成链提供 -OH 补齐

终点

起点 RNA酶DNA pol I

连接酶

3、冈崎片段引物的消除和连接

RNA引物RNA酶

DNA pol I

DNA连接酶

端粒和端粒酶

端粒酶[组成 ]： RNA + 蛋白质[作用 ]：可作为反转录酶，以含端粒 DNA重复序列拷贝的 RNA作模板，合成端粒 DNA片段 [生物学意义 ]：     1.合成端粒，保证染色体复制的完整性     2.保护 DNA末段降解及相互融合

端粒 :真核线性染色体末端，含重复序列TTTGGG, 在端粒酶的作用下形成

第四节 DNA损伤（突变）与修复

DNA的损伤（突变）： DNA分子一级结构的

改变称为 DNA损伤或突变

修复的意义 : DNA复制中的错误若保留下

来，在体细胞将影响功能；在性细胞将影响

后代，体内的修复系统保证了 DNA复制的高

度精确性

突变的类型

1. 点突变

2. 缺失、插入和框移突变

3. DNA重排

DNA损伤的修复

光复活酶

（可见光） T-T

1. 光修复

TT

2.切除修复 参与因子 : UvrA、 UvrB、UvrC

3.重组修复

RecA

DNA pol

切除修复

4. SOS修复

DNA分子多处受到较大范围的损伤，应急

诱导产生的修复作用称 SOS 修复

细胞能继续生存，但引起 DNA较长期的

广泛的突变

后果：

第五节 逆转录现象和逆转录酶

逆转录： RNA指导下的 DNA合成作用，以

RNA为模板在逆转录酶催化下，由 dNTP聚

合成 DNA的作用，新生 DNA分子存有 RNA

基因组的信息

逆转录酶 :又称为反转录酶，为依赖

RNA的 DNA聚合酶

逆转录酶是多功能酶，有三种酶活性：

1. 逆转录活性：即以 RNA为模板合成 DNA

2. RNase活性：水解 RNA:DNA中的 RNA

3. DNA pol活性：以 DNA为模板合成 DNA

特点：无外切酶活性，转录错误率高 2×10-

4

5’ 3’

5’ 3’

TTTT

poly A tail

3’ 5’

CCC3’5’ 3’GGG

5’

整合入细胞基因组

逆转录活性

RNase活性

RNA:DNA杂合链

RNA模板

单链 DNA

双链 DNA

DNA pol活性