生物化學的生物合成

生物化學的生物合成第一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日復制翻譯蛋白質（病毒）RNA（病毒）逆轉錄中心法則（Thecentraldogma）:遺傳信息從DNA經RNA流向蛋白質的過程。轉錄RNA翻譯蛋白質DNA復制1958年Crick，1970年Temin第二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日復制(replication)是指使子代細胞得到和親代相一致的遺傳物質，DNA復制是以母鏈DNA為模板合成子鏈DNA的過程。復制親代DNA子代DNA第三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日第十四章DNA的生物合成DNABiosynthesis(Replication)第四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日【目的要求】一、掌握半保留復制的概念。二、掌握DNA復制的基本特征和過程。三、掌握DNA復制的原料、參與的因子和各

種酶類。四、熟悉逆轉錄的概念及基本過程。第五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日執(zhí)考大綱要求的知識點中心法則（1）DNA生物合成的概念

（2）DNA的復制(參與體系和過程？)

（3）逆轉錄

（4）DNA的損傷與修復第六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日本章主要內容：DNA復制的基本特征(重點掌握）

DNA復制的酶學和拓撲學變化(重點掌握）原核生物DNA復制過程(重點掌握）真核生物DNA生物合成過程逆轉錄和其他復制方式第七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日DNA復制的基本特征BasicRulesofDNAReplication第一節(jié)第八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日半保留復制(semi-conservativereplication)雙向復制(bidirectionalreplication)半不連續(xù)復制(semi-discontinuousreplication)DNA復制的主要特征第九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日一、DNA以半保留方式進行復制

DNA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。子代的DNA，一股單鏈從親代完整地接受過來，另一股單鏈則完全從新合成。子代DNA和親代DNA堿基序列一致。這種復制方式稱為半保留復制。半保留復制的概念:第十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母鏈DNA復制過程中形成的復制叉子代DNA第十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日子鏈繼承母鏈遺傳信息的幾種可能方式:

全保留式半保留式混合式第十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日——實驗結果支持半保留復制的設想。含重氮-DNA的細菌培養(yǎng)于普通培養(yǎng)液

第一代繼續(xù)培養(yǎng)于普通培養(yǎng)液

第二代密度梯度實驗

重氮DNA重氮DNA重氮DNA第十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日第十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日按半保留復制方式，子代DNA與親代DNA的堿基序列一致，即子代保留了親代的全部遺傳信息，體現(xiàn)了遺傳的保守性。半保留復制的意義:遺傳的保守性，是物種穩(wěn)定性的分子基礎，但不是絕對的。第十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日原核生物基因組是環(huán)狀DNA，只有一個復制起點（origin）。復制從起點開始，向兩個方向進行解鏈，進行的是單點起始雙向復制。二、DNA復制從起點向兩個方向延伸復制中的放射自顯影圖象第十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日A.環(huán)狀雙鏈DNA及復制起始點B.復制中的兩個復制叉C.復制接近終止點(termination,ter)oriterABC第十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日真核生物每個染色體有多個起始點，是多復制子的復制。從一個DNA復制起點起始的DNA復制區(qū)稱為一個復制子(replicon)

。復制子是獨立完成復制的功能單位。5’3’oriorioriori5’3’第十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’復制3’第十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日3535解鏈方向3′5′3′3′5′領頭鏈(leadingstrand)隨從鏈(laggingstrand)

順解鏈方向生成的子鏈，復制為連續(xù)進行，稱為領頭鏈。

另一股鏈復制方向與解鏈方向相反，不能順著解鏈方向連續(xù)延長，稱為隨從鏈。

復制中不連續(xù)片段稱為岡崎片段(okazakifragment)。

領頭鏈連續(xù)復制而隨從鏈不連續(xù)復制，就是復制的半不連續(xù)性。三、半不連續(xù)復制第二十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日DNA復制的酶學和拓撲學變化第二節(jié)TheEnzymologyandTopologyofDNAReplication第二十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日參與DNA復制的物質:底物(substrate):dATP,dGTP,dCTP,dTTP；聚合酶(polymerase):

依賴DNA的DNA聚合酶，簡寫為DNA-pol；模板(template):

解開成單鏈的DNA母鏈；引物(primer):

提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合；其他的酶和蛋白質因子。第二十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日復制的基本化學反應是生成磷酸二酯鍵(dNMP)n

+dNTP→(dNMP)n+1

+PPi第二十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日聚合反應的特點:DNA新鏈生成需RNA引物和模板；新鏈的延長只可沿5→3方向進行。第二十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日一、DNA聚合酶催化脫氧核苷酸間的聚合全稱：依賴DNA的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase)簡稱：DNA-pol活性：1.53

的聚合活性2.核酸外切酶活性第二十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日5′AGCTTCAGGATA

3′

|||||||||||3′TCGAAGTCCTAGCGAC5′35外切酶活性:53外切酶活性:?能切除突變的DNA片段。能辨認錯配的堿基對，并將其水解。核酸外切酶活性:第二十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日（一）原核生物有3種DNA聚合酶DNA-polⅠDNA-polⅡDNA-polⅢ第二十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日原核生物的DNA聚合酶第二十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日２個核心酶1個-復合物（、、、、、

6種亞基）1對-亞基（可滑動的DNA夾子）DNA聚合酶Ⅲ全酶結構全酶結構包括：第二十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日功能：DNA-polⅠ（109kD）對復制中的錯誤進行校讀，對復制和修復中出現(xiàn)的空隙進行填補。二級結構以α螺旋為主，只能延長約20個核苷酸。第三十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日323個氨基酸小片段5核酸外切酶活性大片段/Klenow片段

604個氨基酸DNA聚合酶活性

5核酸外切酶活性N端C端木瓜蛋白酶DNA-polⅠKlenow片段是實驗室合成DNA，進行分子生物學研究中常用的工具酶。

第三十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日DNA-polⅡ（120kD）DNA-polII基因發(fā)生突變，細菌依然能存活。DNA-polⅡ對模板的特異性不高，即使在已發(fā)生損傷的DNA模板上，它也能催化核苷酸聚合。因此認為，它參與DNA損傷的應急狀態(tài)修復。第三十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日DNA-polαβγδε分子量（KD）＞25036-38160-300170256細胞內定位細胞核細胞核線粒體細胞核細胞核5′→3′聚合酶活性＋＋＋＋＋3′→5′外切酶活性--＋＋＋功能起始引發(fā)，引物酶的活性，低保真度的復制，參與應急修復（功能不詳）線粒體DNA的復制酶延長子鏈的主要酶，解旋酶的活性校讀、修復和填補引物缺口（二）常見的真核細胞DNA聚合酶有5種第三十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日二、DNA聚合酶的堿基選擇和校對功能實現(xiàn)復制的保真性復制按照堿基配對規(guī)律進行，是遺傳信息能準確傳代的基本原理。此外還需酶學的機制來保證復制的保真性。第三十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日遵守嚴格的堿基配對規(guī)律；聚合酶在復制延長時對堿基的選擇功能；復制出錯時有即時校對功能。DNA復制的保真性至少要依賴三種機制：第三十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

1.嚴格遵守堿基配對規(guī)律；

DNA聚合酶的高度專一性（嚴格遵循堿基配對原則，但錯配率為710-6

）第三十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日復制保真性的酶學機制：2、DNA-pol的核酸外切酶活性和及時校讀（二）復制的保真性依賴DNA-pol對堿基的正確選擇DNApolIII在催化磷酸二酯鍵形成之前完成對堿基的選擇。3、復制的保真性依賴DNA-pol對堿基的正確選擇第三十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日三、復制中的解鏈伴有DNA分子拓撲學變化DNA分子的堿基埋在雙螺旋內部，只有把DNA解成單鏈，它才能起模板作用。

第三十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日（一）多種酶參與DNA解鏈和穩(wěn)定單鏈狀態(tài)第三十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日1、解旋酶(helicase)功能:斷裂互補堿基間的氫鍵，使DNA雙鏈分離成單鏈。解螺旋酶ATP解旋酶Rep蛋白，DnaB功能:利用ATP供能，把雙鏈DNA解開成單鏈。第四十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日DNA正超螺旋與負超螺旋負超螺旋正超螺旋DNA雙螺旋拓撲異構酶改變DNA超螺旋狀態(tài)、理順DNA鏈2、拓撲異構酶(topoisomerase，Topo)第四十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日解鏈過程中正超螺旋的形成第四十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日切割DNA雙鏈，此時不需ATP；爾后由ATP供能，使DNA分子成負超螺旋再連接切口。不需ATP，切割雙鏈DNA中的一鏈，使DNA松弛后,連接切口。TopoⅠ:TopoⅡ:

臨床上使用的某些抗腫瘤藥（如喜樹堿，鬼臼乙叉甙等）是通過抑制Topo酶活性而殺死腫瘤細胞的。22/62Topo酶：切割DNA鏈，使其松弛后再連接。動畫第四十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日3、單鏈結合蛋白(single-strandbindingprotein,SSB)

功能：穩(wěn)定已經解開的單鏈，防止核酸酶的水解。

DNA結合蛋白由177個氨基酸構成的四聚體蛋白第四十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日5′

5′RNA引物5′3′5′3′4、引物酶(primase)DNA合成需在RNA引物的基礎上進行催化RNA引物合成的酶叫引物酶，它是一種特殊的RNA聚合酶？依賴DNA的RNA聚合酶對利福平不敏感第四十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日HO5’3’3’5’DNA連接酶ATPADP5’3’5’3’5、DNA連接酶連接復制中的單鏈缺口DNA連接酶的作用：第四十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日DNA連接酶在復制中起最后接合缺口的作用。在DNA修復、重組及剪接中也起縫合缺口作用。也是基因工程的重要工具酶之一。功能：第四十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日DNA聚合酶DNA母鏈dNTPRNA引物引物酶解旋酶單鏈結合蛋白拓撲異構酶連接酶合成DNA提供子鏈合成的模板提供原料提供3’-OH合成RNA引物打開母鏈雙螺旋結構四聚體,維持單鏈結構減少超螺旋連接岡崎片段參與DNA復制的物質各有什么作用呀？第四十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日原核生物DNA復制過程TheProcessofDNAReplicationinProkaryotes第三節(jié)第四十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日起始是復制中較為復雜的環(huán)節(jié)，在此過程中，各種酶和蛋白因子在復制起始點處裝配引發(fā)體，形成復制叉并合成RNA引物。

需要解決兩個問題：1.DNA解開成單鏈，提供模板。2.形成引發(fā)體，合成引物，提供3-OH末端。一、復制的起始第五十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日E.coli復制起始點oriC

GATTNTTTATTT

···GATCTNTTNTATT

···GATCTCTTATTAG

···11317293244···

TGTGGATTA

-‖-

TTATACACA

-‖-TTTGGATAA-‖-TTATCCACA5866166174201209237245

串聯(lián)重復序列

反向重復序列5353（一）

DNA的解鏈A--TA--GTGTTTATACACATTATCCACAAATAGGT--T回文結構AGCT

TCGAE.coli復制起始點oriC跨度為245bp第五十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日原核生物的復制起始部位及解鏈

第五十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日DnaADnaB、DnaCDNA拓撲異構酶引物酶SSB3535（二）引物合成和引發(fā)體形成含有解螺旋酶（DnaB蛋白）、DnaC蛋白、引物酶（DnaG蛋白）和DNA復制起始區(qū)域的復合結構稱為引發(fā)體。功能：解開成單鏈，生成引物。引發(fā)體第五十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日3535引物是由引物酶催化合成的短鏈RNA分子。引物3'HO5'引物酶第五十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日引發(fā)體和復制叉的生成

第五十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日二、DNA鏈的延長復制的延長指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式逐個加入引物或延長中的子鏈上，其化學本質是磷酸二酯鍵的不斷生成。

第五十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日5'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA-pol第五十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日領頭鏈的合成：領頭鏈的子鏈沿著5→3方向可以連續(xù)地延長。第五十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日后隨鏈的合成第五十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

在復制叉同時合成前導鏈和后隨鏈第六十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日復制過程簡圖第六十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日原核生物基因是環(huán)狀DNA，雙向復制的復制片段在復制的終止點(ter)處匯合。oriter

E.coli8232oriterSV40500三、復制的終止第六十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日555RNA酶OHP5DNA-polⅠdNTP55PATPADP+Pi55DNA連接酶

子鏈中的RNA引物被取代第六十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日第六十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日真核生物DNA生物合成過程TheProcessofDNABiosynthesisineukaryotes第四節(jié)(自學為主)第六十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日真核生物復制子多、岡崎片段短、復制叉前進速度慢等；DNA復制從引發(fā)進入延伸階段發(fā)生DNA聚合酶/轉換；切除岡崎片段RNA引物的是核酸酶RNAseHⅠ和FEN1等。真核生物與原核生物DNA復制的差異：第六十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日哺乳動物的細胞周期DNA合成期G1G2SM細胞能否分裂，決定于進入S期及M期這兩個關鍵點。G1→S及G2→M的調節(jié)，與蛋白激酶活性有關。蛋白激酶通過磷酸化激活或抑制各種復制因子而實施調控作用。第六十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日真核生物每個染色體有多個起始點，是多復制子復制。復制的起始需要DNA-polα（引物酶活性）和polδ（解螺旋酶活性）參與。還需拓撲酶和復制因子(replicationfactor,RF)。一、真核生物復制的起始與原核基本相似增殖細胞核抗原（PCNA）在復制起始和延長中起關鍵作用。具有與E.coliDNA聚合酶Ⅲ的β亞基相同的功能和相似的構象。第六十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日DNA-polδ和polα分別兼有解螺旋酶和引物酶活性。在復制叉及引物生成后，DNA-polδ通過PCNA的協(xié)同作用，逐步取代polα，在RNA引物的3-OH基礎上連續(xù)合成領頭鏈。隨從鏈引物也由polα催化合成。然后由PCNA協(xié)同，polδ置換polα，繼續(xù)合成DNA子鏈。二、真核生物復制的延長發(fā)生DNA聚合酶α/δ轉換第六十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日3553領頭鏈3535親代DNA后隨鏈引物核小體三、真核生物DNA合成后立即組裝成核小體第七十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日染色體DNA呈線狀，復制在末端停止。染色體兩端DNA子鏈上最后復制的RNA引物，去除后留下空隙。四、端粒酶參與解決染色體末端復制問題端粒酶：由RNA與蛋白