生物化學(xué)課件：DNA合成

第一節(jié)DNA的生物合成引言中心法則核酸是貯存和傳遞遺傳信息的生物大分子生物體的遺傳信息以密碼的形式編碼在DNA分子上，表現(xiàn)為特定的核苷酸排列順序遺傳信息的流動法則——

中心法則DNARNA復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯Protein引言中心法則中

心

法

則DNARNA復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯Protein引言中心法則逆轉(zhuǎn)錄RNA復(fù)制中

心

法

則引言中心法則以親代DNA分子的雙鏈為模板，按照堿基配對的原則，合成出與親代DNA分子相同的雙鏈DNA的過程以DNA分子中一條鏈的部分片段為模板，按照堿基配對原則，合成出一條與模板DNA鏈互補的RNA分子的過程復(fù)制(Replication)轉(zhuǎn)錄(Transcription)翻譯(Translation)把mRNA上的遺傳信息按照遺傳密碼轉(zhuǎn)換成蛋白質(zhì)中特定的氨基酸序列的過程(“翻譯”又叫“轉(zhuǎn)譯”)真核生物：細胞核原核生物：細胞質(zhì)的核質(zhì)區(qū)一.復(fù)制的基本特征1.復(fù)制的部位n1dATPn2dGTPn3dCTPn4dTTPDNA聚合酶(DNA模板)DNA＋(n1+n2+n3+n4)PPi一.復(fù)制的基本特征2.復(fù)制的反應(yīng)半保留復(fù)制DNA復(fù)制時，親代DNA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，各形成一條互補鏈。每個子代DNA分子中，有一條鏈來自親代DNA，另一條則是新形成的。一.復(fù)制的基本特征3.復(fù)制的方式親代第一代第二代一.復(fù)制的基本特征3.復(fù)制的方式（15N標(biāo)記E.coliDNA）半保留復(fù)制引物：

RNA片段（含10-60nt）鏈的延伸方向： 5′→3′一.復(fù)制的基本特征3.復(fù)制的方式半保留復(fù)制基因組中能獨立進行復(fù)制的單位叫復(fù)制子。每個復(fù)制子都含有控制復(fù)制起始的起點。一.復(fù)制的基本特征3.復(fù)制的方式DNA復(fù)制的方式有多種。一.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DNA聚合酶反應(yīng)的特點：以四種脫氧核苷三磷酸為底物；反應(yīng)需要接受模板的指導(dǎo)；反應(yīng)要有引物3’-OH的存在；需Mg2+激活；DNA鏈的生長方向為5’→3’；產(chǎn)物與模板的性質(zhì)相同。二.原核生物DNA的復(fù)制

1.DNA聚合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)合部位分布十分精巧。不能從無到有合成新鏈，因為在未核實前一個nt是否正確配對，是不會進行聚合反應(yīng)的。主要負責(zé)RNA引物的切除和校對。E.ColiDNA聚合酶I二.原核生物DNA的復(fù)制

1.DNA聚合酶DNA聚合酶I3‘→5’核

酸外切酶5‘→3’核

酸外切酶5‘→3’核

酸外切酶聚合酶CN5'→3'核

酸外切酶3'→5'核

酸外切酶蛋白酶小片段MW35000大片段MW68000Klenow片段二.原核生物DNA的復(fù)制

1.DNA聚合酶DNA聚合酶IKlenow片段的結(jié)構(gòu)5'3'3'聚合酶位點3'→5'核

酸外切二.原核生物DNA的復(fù)制

1.DNA聚合酶DNA聚合酶IIIDNA聚合酶III是DNA復(fù)制酶，聚合活性高。DNA聚合酶III為異二聚體，使解開的雙鏈可同時復(fù)制。其復(fù)雜的亞基結(jié)構(gòu)使其具有更高的忠實性(fidelity)、協(xié)同性(cooperativity)和持續(xù)性(processivity)。二.原核生物DNA的復(fù)制

1.DNA聚合酶DNA聚合酶IIIDNA聚合酶III亞基組成：δδ'χψε：3’→5’核酸外切酶活性。θα：聚合酶活性。核心酶τ：促使核心酶二聚化。β：夾住DNA分子并可向前移動。γ：依賴DNA的ATP酶。夾子裝置器二.原核生物DNA的復(fù)制

1.DNA聚合酶DNA聚合酶ⅠDNA

polⅡ

DNA

polⅢ結(jié)構(gòu)基因亞基種類3'→5'外切5'→3'外切聚合速度持續(xù)合成能力功能polApolBpolC11≥10++++__慢很慢

快30-200≥1000≥50000切除引物，修復(fù)修復(fù)復(fù)制大腸桿菌DNA聚合酶二.原核生物DNA的復(fù)制

2.DNA復(fù)制體二.原核生物DNA的復(fù)制解開DNA的酶和蛋白質(zhì)將DNA的兩條鏈打開。每解開一對堿基需要水解2分子ATP。大腸桿菌中的解螺旋酶有rep蛋白、解螺旋酶I、II、III。解螺旋酶解螺旋酶二.原核生物DNA的復(fù)制

2.DNA復(fù)制體解開DNA的酶和蛋白質(zhì)單鏈結(jié)合蛋白(SSB)與解鏈后的DNA單鏈結(jié)合，阻止其再次形成雙螺旋。

具有協(xié)同效應(yīng)（在原核生物中）。調(diào)節(jié)DNA分子超螺旋類型與數(shù)量的酶。可分為拓撲異構(gòu)酶Ⅰ和拓撲異構(gòu)酶Ⅱ，兩者協(xié)同作用控制著DNA的拓撲結(jié)構(gòu)。除連環(huán)數(shù)不同外其它性質(zhì)均相同的DNA分子稱為拓撲異構(gòu)體。解螺旋酶拓撲異構(gòu)酶二.原核生物DNA的復(fù)制

2.DNA復(fù)制體解開DNA的酶和蛋白質(zhì)單鏈結(jié)合蛋白(SSB)拓撲異構(gòu)酶Ⅰ：使DNA的一條鏈發(fā)生斷裂和再連接，消除負超螺旋，反應(yīng)不消耗能量。每次改變的連環(huán)數(shù)為+1。主要用于轉(zhuǎn)錄。拓撲異構(gòu)酶Ⅱ(旋轉(zhuǎn)酶)：使DNA的兩條鏈發(fā)生斷裂和再連接，引入負超螺旋，需要ATP提供能量。每次改變的連環(huán)數(shù)為-2。主要用于復(fù)制。解螺旋酶二.原核生物DNA的復(fù)制

2.DNA復(fù)制體解開DNA的酶和蛋白質(zhì)拓撲異構(gòu)酶單鏈結(jié)合蛋白(SSB)解螺旋酶τα=β+兩條鏈的互繞數(shù)拓撲連環(huán)數(shù)螺旋數(shù)超螺旋數(shù)超螺旋DNA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)。二.原核生物DNA的復(fù)制

2.DNA復(fù)制體解開DNA的酶和蛋白質(zhì)拓撲異構(gòu)酶單鏈結(jié)合蛋白(SSB)解螺旋酶引發(fā)體引發(fā)體識別復(fù)制的起始部位，啟動RNA引物的合成；是一個以DnaB（解旋酶）和DnaG（引發(fā)酶）為主體的大復(fù)合體。二.原核生物DNA的復(fù)制

2.DNA復(fù)制體解開DNA的酶和蛋白質(zhì)拓撲異構(gòu)酶單鏈結(jié)合蛋白(SSB)催化DNA雙鏈中一條鏈上的切口（3′-OH與它下游相鄰的核苷酸的5′-磷酸之間）共價連結(jié)（形成磷酸二酯鍵）。連結(jié)過程需要能量:

E.coli和某些細菌中由NAD+提供；動物細胞由ATP提供。二.原核生物DNA的復(fù)制

2.DNA復(fù)制體連接酶作用機理H2COOH堿基堿基…O堿基堿基…PH2CPH2COOH堿基堿基…O堿基堿基…PH2CPAMPATP或NAD+PPi或NMN+AMPH2COOH堿基堿基…O堿基堿基…PH2CPCH2OadeP

原核生物的DNA上一般只有一個復(fù)制原點，但在迅速生長時期，第一輪復(fù)制尚未完成，就在起點處啟動第二輪復(fù)制。

真核生物則有多個復(fù)制原點，可以同時啟動復(fù)制過程。3.復(fù)制的過程二.原核生物DNA的復(fù)制復(fù)制的啟動引發(fā)體成員DnaA識別并結(jié)合與oriC；DnaB（解旋酶）、SSB、PriA、DnaG（引物酶）等蛋白結(jié)合，形成引發(fā)體；拓撲異構(gòu)酶II向DNA引入負超螺旋，消除解鏈產(chǎn)生的扭曲張力。DnaG在后隨鏈模板上合成RNA引物；3.復(fù)制的過程二.原核生物DNA的復(fù)制復(fù)制的啟動（E.coli)復(fù)制眼的結(jié)構(gòu)

一條鏈延伸的方向與復(fù)制叉前進的方向一致，它的合成能連續(xù)進行，稱為先導(dǎo)鏈；另一條鏈延伸的方向與復(fù)制叉前進的方向相反，這條新鏈的合成是不連續(xù)的，而且總晚于先導(dǎo)鏈，所以稱為后隨鏈。3.復(fù)制的過程二.原核生物DNA的復(fù)制DNA鏈的延伸DNA鏈的延伸按5'→3'方向。5’3’5’3’后隨鏈中合成的多個DNA片段，稱為岡崎片段。這種先導(dǎo)鏈連續(xù)合成，后隨鏈斷續(xù)合成的方式，稱為半不連續(xù)復(fù)制。3.復(fù)制的過程二.原核生物DNA的復(fù)制DNA鏈的延伸

引物酶在復(fù)制原點附近合成一段RNA引物；

DNA聚合酶Ⅲ在引物的3'末端逐個添加脫氧核苷酸。隨著復(fù)制叉的推進，親代DNA雙螺旋不斷被解開，先導(dǎo)鏈也不斷延伸。

①先導(dǎo)鏈的合成3.復(fù)制的過程二.原核生物DNA的復(fù)制DNA鏈的延伸②隨后鏈的合成引物的合成:隨后鏈的每個岡崎片段都需要合成RNA引物。也是由引物酶催化。

3.復(fù)制的過程二.原核生物DNA的復(fù)制DNA鏈的延伸②隨后鏈的合成岡崎片段的合成：DNA聚合酶Ⅲ在引物的3'末端使DNA鏈延伸，直至抵達其下游的另一個岡崎片段的RNA引物的5'端。引物的合成:隨后鏈的每個岡崎片段都需要合成RNA引物。也是由引物酶催化。

3.復(fù)制的過程二.原核生物DNA的復(fù)制DNA鏈的延伸岡崎片段的連結(jié)：DNA聚合酶Ⅰ

DNA連接酶②隨后鏈的合成3.復(fù)制的過程二.原核生物DNA的復(fù)制DNA鏈的延伸

先導(dǎo)鏈和隨后鏈中DNA的延伸由同一個DNA聚合酶Ⅲ全酶二聚體催化隨后鏈的模板回折成環(huán)，從而使岡崎片段的延伸方向與先導(dǎo)鏈的延伸方向一致，它們的3'末端分別落在DNA聚合酶Ⅲ全酶的雙活性部位。3.復(fù)制的過程二.原核生物DNA的復(fù)制DNA鏈的延伸大部分的復(fù)制是從復(fù)制原點向兩側(cè)同時進行，因此兩側(cè)的復(fù)制叉都是生長點，隨著復(fù)制叉的移動，復(fù)制眼逐步增大。

所以每條新合成的DNA鏈中既有先導(dǎo)鏈，又有后隨鏈。3.復(fù)制的過程二.原核生物DNA的復(fù)制DNA鏈的延伸3.復(fù)制的過程二.原核生物DNA的復(fù)制DNA鏈的延伸環(huán)狀的DNA從單點開始雙向復(fù)制，當(dāng)兩個復(fù)制叉在復(fù)制原點的對面的終止區(qū)相遇并合并時，結(jié)束復(fù)制，形成兩個環(huán)狀DNA分子。3.復(fù)制的過程二.原核生物DNA的復(fù)制DNA鏈的終止真核生物具有核小體結(jié)構(gòu)。真核生物基因組龐大，且復(fù)制叉移動速率比原核生物慢得多。真核生物DNA上存在多個復(fù)制子，但每個復(fù)制子在每個細胞周期只復(fù)制一次。復(fù)制的終止比較特別，形成端粒DNA。1.真核生物DNA復(fù)制的特點三.真核生物DNA的復(fù)制DNA聚合酶αDNA聚合酶βDNA聚合酶γDNA聚合酶δDNA聚合酶ε2.真核生物DNA聚合酶三