第二章DNA的生物合成(复制)

第二章DNA的生物合成（复制）教学大纲要求1.描述遗传学中心法则，扩大的中心法则及生物学意义。2.记住DNA合成的概念，包括以DNA作为模板指导的DNA合成(复制)，以RNA作为模板指导的DNA合成(反转录)及DNA的修复合成，分别描述其概念。3.复述DNA复制特点，过程，参与的酶和因子(包括它们的功能)。简要叙述复制过程及真核DNA复制特点。4.结合反转录酶的功能，简要叙述反转录过程及其生物学意义。记住端粒酶的概念与功能。5.列举DNA损伤的几种类型，写出修复合成的几种方式名称。叙述切除修复过程。教材内容精要（一）遗传信息传递概述基本概念：1.遗传：生殖过程中表现出来的子代与亲代的相似性。2.变异：生殖过程中表现出来的子代与亲代的差异性。3.基因:能为生物大分子蛋白质，也包括RNA编码的核酸片段。高等生物的基因是DNA，少数低等生物的遗传物质是RNA。4.复制:即DNA的生物合成，DNA母链为模板，由核苷酸聚合成子代DNA的过程。5.转录即RNA的生物合成，DNA贮存的遗传信息作模板，转抄成RNA的碱基序列。6.翻译:把mRNA的遗传信息用遗传密码的方式破读为蛋白质分子上的氨基酸排列次序，即蛋白质的生物合成。7.中心法则:遗传信息从DNA流向RNA，再流向蛋白质的信息传递规律。DNA有贮存、表达遗传信息功能，因此认为DNA处于生命活动中心。8.基因表达贮存在DNA上的遗传信息，通过转录和翻译，指导合成主要执行生命活动功能的蛋白质的过程。9.半保留复制亲代的DNA双链解开，各自作为模板，按照碱基配对规律(AT配对，GC配对)，指引子链的合成。因此，子代DNA双链和亲代DNA双链有一致的碱基序列。DNA是遗传的物质基础。DNA分子中由4种不同碱基组成的核苷酸的排列顺序(以下简称碱基顺序)即是储藏的遗传信息。所谓基因，即指DNA分子中碱基组成的功能片段。DNA分子很大(如人类基因组DNA约含3109个碱基对)，但全部由A、G、C和T四种碱基以不同的排列方式组成。不同的基因由不同的碱基序列构成，并携带不同的遗传信息。细胞分裂时，通过DNA的复制，遗传信息从亲代DNA分子传到子代DNA分子中。另一方面，DNA分子储藏的信息要通过指导特异蛋白质的合成来体现其生物学功能。以DNA分子为模板，用四种dNTP做原料，以碱基互补配对原则将DNA的遗传信息抄录到mRNA分子中。这种将DNA的遗传信息传递给mRNA的过程称为转录。以mRNA为模板，按其碱基排列顺序，以三个相邻碱基序列决定一个氨基酸的密码子形式，决定蛋白质(肽链)合成时氨基酸排列顺序的过程称为翻译。通过转录和翻译，基因遗传信息从DNA传递到蛋白质，由蛋白质赋予细胞一定的表型。遗传信息传递的规律，称为遗传信息传递的中心法则。自然界某些RNA病毒还可以RNA为模板，指导DNA的合成。这种遗传信息传递方向与转录过程相反，称为反(逆)转录，它使遗传信息传递的中心法则被补充。(二)DNA的合成1．DNA生物合成的概念DNA分子在生物体内经酶促聚合反应进行合成，DNA合成反应主要有DNA指导的DNA合成、RNA指导的DNA合成以及修复合成三种方式。以DNA作为模板指导的DNA合成作用称为DNA复制，由此将DNA携带的信息传至子代DNA。它是细胞内DNA最主要的合成方式；DNA的合成也可以RNA为模板指导DNA合成作用，这称为反向转录作用，可见于病毒。环境因素可以造成DNA分子结构的损伤，损伤的DNA可进行修复合成，即校正错误的序列，以保持DNA结构的稳定性。2．DNA的复制合成(1)复制的概念：DNA复制开始时，亲代DNA双链分子打开，分别作为模板，在DNA依赖的DNA聚合酶催化下，按A与T、G与C碱基配对原则，自5→3连续的合成一条前导链；不连续地合成一些片段，而后连成一条随从链，所以DNA复制是半不连续合成。在子代DNA双链分子中，一条来自亲代的旧链，另一条为新合成的链，故DNA复制是半保留复制。(2)复制需要的酶类：DNA复制的化学本质是由其组成单位核苷酸逐一聚合成核酸大分子的过程。核苷酸之间是靠生成磷酸二酯键而彼此连接的。作为原料(底物)的核苷酸是脱氧三磷酸核苷(dATP，dCTP，dGTP，dTTP，总称dNTP)。聚合是在3OH和5P之间生成3，5磷酸二酯键，并以焦磷酸的方式脱出dNTP上的，-磷酸基。催化DNA的核苷酸聚合的酶是依赖DNA的DNA聚合酶，可简称为DNApol。原核生物的DNA聚合酶有DNApolⅠ，Ⅱ，Ⅲ。DNApolⅢ是复制延长中起催化作用的，DNApolⅠ有校读、填补空隙、修复等功能。真核生物DNA聚合酶有DNApol、、、。复制延长中起催化作用的是DNApol和。复制的保真性，除了靠模板的指引，于链延长严格遵照碱基配对规律外，DNA聚合酶I的即时校读，DNA-polⅢ的碱基选择功能，都能体现复制保真性。除了DNA聚合酶外，复制需要的其他酶和因子大致有三类：一是解链酶类，包括解螺旋酶和单链DNA结合蛋白(SSB)；二是拓扑异构酶类，这类酶通过切断DNA链，绕过缺口又重新连接以达到解连环、解缠、解结的目的，使DNA解链中造成的过度盘绕、打结等现象得以理顺；三是引物酶类，该酶通过组成引发体催化RNA(不是删A)引物的生成，复制过程由引物提供3OH末端，与底物dNTP的5P生成磷酸二酯键。此外DNA连接酶也催化消耗ATP生成磷酸二酯健，它连接两条不连续链相邻的3OH和5P。(3)DNA复制过程：真核生物的DNA复制过程与原核牛物基本相似，但基理尚不十分清楚。以原核生物为例，将正coliDNA复制过程分为以下阶段：1)螺旋的松弛与解链：复制起始首先要解开DNA双链。在E.coli，复制超始点称为oriC，它有规律的结构能被四聚体的DnaA蛋白辨认结合。在此基础上DnaB蛋白(解螺旋酶)在DnaC蛋白辅助下结合于起始点，并打开双链。再由单链DNA、结合蛋白保护和稳定DNA单链，形成复制点。复制点的形状像叉子，即复制叉。2)引发：引物酶催化RNA引物生成，由引物提供3OH基，复制就可进入延长阶段。用电镜观察原核生物的环状DNA，是在一个起始点上进行双向复制。真核生物有多个复制起始点，两起始点之间的范围称为一个复制子。主要由引发酶和引发前体参与合成RNA引物。在前导链合成中，先由引发酶催化合成一段RNA引物(10～60bp)；继而在DNA聚合酶Ⅲ催化下，以5→3方向连续的合成DNA链。随从链引物的合成是在引物酶，引发前体以及DnaA蛋白联合作用下合成的。继而在引物的3-OH端进行冈崎片段的合成。3)DNA链的延长：DNA链的延长是在DNA聚合酶(DNAp01)催化下，以四种脱氧三磷酸(dNTP)即dATP、dGTP、dCTP和dTTP为原料进行的合成反应。反应体系中有DNA模板、引物及Mg2+存在。聚合作用是自引物3-OH端开始，沿5→3方向逐个加入脱氧核苷酸&NMP而脱下焦磷酸PPi，使DNA链得以延长。DNApoi仅催化DNA链沿5→3方向的聚合作用，因此，解开双链后在5→3方向的模板上可以按5→3方向合成前导链；而以5→3方向链为模板、仍然按5→3方向合成不连续的短冈崎片段。子链生成过程是半不连续式的。因为DNA走向相反，而子链只能从5端向3端方向延长。DNA双链解开成两股单链，都是复制模板。复制方向和解链方向一致的一股链，就可以连续复制，称为前导链。另一股母链沿5至3方向解开，子链只能从其解链的反方向延长，因此是不连续的，称为随从链。电镜下观察到的这些不连续复制片段，称为冈崎片段。某些低等生物环状DNA采用滚环复制的方式。环状DNA打开一个缺口后，一股链伸出，另一股链保持环状，边滚动边复制。4)终止：复制的终止在原核生物是双向复制的两子链在复制终止点处汇合。其中包括把复制中的不连续片段连接成连续的子链。在DNA合成的片段内，由DNA聚合酶I外切酶活性切除RNA引物，致使各片段之间形成空隙，然后由DNA聚合酶I的聚合酶活性催化填补空隙，最后由DNA连接酶将这些片段再连接起来，成为一条长链。DNA复制完毕后，DNATolm将DNA分子引入超螺旋结构。真核生物的DNA复制与Ecoli基本相似，但仍有一些特点，如有多个起始点，冈崎片段的长度小于原核生物，在DNA聚合酶与配合下催化合成反应等不同。这一过程需先由RNA酶水解引物，引物留下的空隙由DNA聚合酶I催化dNTP逐一自5向3端聚合而填补。最后，两不连续片段相邻的5P和3OH还有一个缺口，则由DNA连接酶加以连接。真核生物复制是在细胞周期的S-期进行，有多个复制起始点同时进行复制，两复制起始点之间的范围称为一个复制子。复制的延长过程大致上与原核生物相似。真核生物染色体DNA采取线性复制方式。最早生成的一段RNA引物被水解后，留下的空隙如何填补，曾经是一个不明确的问题。虽然很早就已观察到染色体两端膨大成端粒。但端粒的DNA结构阐明和端粒酶的发现却是近年才清楚的。端粒酶含有RNA的组分，这些RNA组分可作为逆转录的模板，而端粒酶又有逆转录酶的活性。因此，端粒的结构和端粒酶的活性保证了DNA线性复制性，不会复制一次，缩短一段。端粒酶的活性和细胞衰老，肿瘤发生有一定的关系。半保留复制，提供了复制的保真性，都是遗传保守性的依据。遗传保守性保证了物种的相对稳定，而突变是和遗传的保守性对立的，在生物界中普遍存在的现象。有突变才能有种(三)反转录合成(1)反转录的概念：反转录又称逆转录，是RNA指导下的DNA合成作用，即以RNA为模板，由&NTP聚合生成DNA的作用，因为此RNA指导下的DNA合成作用恰好与转录作用中遗传信息的流动呈反方向进行，所以称为反转录作用。催化此反应的酶为反转录酶或逆转录酶。在致癌的RNA病毒中，有反转录酶的存在。(2)反转录酶与反转录：反转录酶具有三种酶活性：①RNA指导的DNA合成反应；②RNA的水解反应；③DNA指导的DNA聚合反应。反转录合成以病毒基因组RNA为模板，在反转录酶的催化下，先合成一条与RNA模板互补的DNA单链，产物与模板形成DNA-RNA杂交分子。然后，以此新合成的DNA单链为模板，合成另一条互补DNA链，形成双链DNA分子。反转录合成的方向也是自5→3进行：在DNA合成开始时需要tRNA作为引物。经反转录合成的DNA分子，一旦整合到宿主染色体的基因组中，可导致宿主细胞癌变。端粒酶类似于反转录酶，由RNA和蛋白质组成，该酶利用自身的RNA为模板，催化染色体DNA端区的合成，防止染色体缩短。(3)反转录病毒：是一类RNA病毒，因含反转录酶而得名。人类免疫缺陷病毒(HIV)也是一种反转录病毒，因它的感染导致艾滋病。(四)DNA的修复合成(1)DNA损伤与突变：DNA复制过程中的错误可产生碱基突变，这可以由DNA聚合酶在复制过程中来修正错误。习；境中某些理化因素或生物学因素，也引起DNA序列上的改变，DNA损伤的类型有链的断裂、链内交联和链间交链等；DNA的突变分为点突变、缺失突变、插入和置换突变。这些DNA的损伤不校正，则会影响DNA的复制和转录功能，引起生物体变异。(2)DNA损伤修复：DNA的损伤修复是通过一系列酶完成的，并可通过切除修复、重组修复和SOS修复等不同方式来进行，而切除修复最为重要。切除修复包括光化酶修复、UvrAI修复两种方式。大多数突变目前还不知道其发生的原因，称为自然突变。研究上用物理、化学因素可以诱发突变。而这些物理、化学诱变因素正随着物质文明的不断进步，成为现代文明生活中的一隐患。从分子水平看，突变是DNA分子的损伤，它包括点突变(错配)、缺失、插入、框移、重排等各种类型。越来越多遗传性疾病、肿瘤，都逐渐在DNA水平上找到了病变的根本原因。细胞内有使DNA损伤完全或不完全复原的一些机制，称为修复。DNA修复实际上是一种特殊的复制现象。主要的修复方式有光修复、切除修复、重组修复、SOS修复等。其中切除修复是一种重要的，又了解得较多的修复方