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1、第三篇第三篇 基因信息传递基因信息传递DNA DNA 的生物合成（复制）的生物合成（复制）RNA RNA 的生物合成（转录）的生物合成（转录）蛋白质的生物合成（翻译）蛋白质的生物合成（翻译）王燕菲王燕菲 教授教授复制复制转录转录翻译翻译逆转录逆转录 DNA RNA 蛋白质蛋白质中心法则中心法则：（The Central Dogma ）基因：是为生物活性产物编码的基因：是为生物活性产物编码的 DNA DNA 功能片断功能片断,其产物主要是蛋白质及其产物主要是蛋白质及RNARNA。复制（复制（replicationreplication）转录（转录（transcriptiontranscripti
2、on）翻译（翻译（translationtranslation）基因表达：就是转录和翻译的过程。基因表达：就是转录和翻译的过程。第十章第十章 DNA DNA 的生物合成（复制）的生物合成（复制）复制：遗传信息从亲代复制：遗传信息从亲代 DNA DNA 传递到传递到子代子代 DNA DNA 分子上，称为复制。分子上，称为复制。DNA DNA 的生物合成包括三种情况：的生物合成包括三种情况：DNA DNA 复制复制DNA DNA 修复修复逆转录逆转录第一节第一节 复制的基本规律复制的基本规律半保留复制双向复制半不连续复制高保真性半保留复制：复制时，母链的双链 DNA 解开成两股单链，各自作为模板指
3、导子链合成新的互补链。两个子代 DNA 分别保留一条亲代 DNA 链，各自与新合成的互补链组成双螺旋分子。一、半保留复制的实验依据和意义DNADNA复制的几种可能的方式复制的几种可能的方式全保留式全保留式半保留式半保留式混合式混合式半保留复制半保留复制的试验依据的试验依据15N14NMesselson Messelson 和和 Stahl Stahl 以试验以试验证实了半保留证实了半保留复制。复制。子一代子一代子二代子二代以以1515N N合成的合成的DNA DNA 为重链为重链以以1414N N合成的合成的DNA DNA 为轻链为轻链Messelson Messelson 和和 Stahl
4、Stahl 试验试验半保留复制的意义半保留复制的意义由于由于 DNA DNA 分子中的碱基互补关系，分子中的碱基互补关系，一股链可以确定其互补链的碱基序一股链可以确定其互补链的碱基序列。按半保留复制的方式，子代保列。按半保留复制的方式，子代保留了亲代留了亲代 DNA DNA 的全部遗传信息。的全部遗传信息。AGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATCTCTTGAATCAGAACTTAG亲代 DNA子代子代 DNA DNA母链母链母链子链子链子链子链通过半保留复通过半保留复制，子代和亲制，子代和亲代的代的 DNA DNA 是是一致的。一致的。因而体现了遗因而体现了遗传
5、过程的相对传过程的相对保守性。保守性。二、双向复制二、双向复制双向复制：原核生物从一个固定双向复制：原核生物从一个固定的起始点（的起始点（oriori）开始，同时向两）开始，同时向两个方向进行复制，称为双向复制。个方向进行复制，称为双向复制。由由放放射射自自显显影影在在电电镜镜下下的的图图像像揭揭示示了了复复制制的的过过程程复制叉：复制时双链打开，分开成两股，新链沿着张开的模板生成，形成复制叉。真核生物的染色体有多个复制起始点。复制子：两个复制起始点之间的 DNA 片段称为复制子。真真核核原核原核三、复制的半不连续性三、复制的半不连续性冈崎片段（冈崎片段（Okazaki fragmentOka
6、zaki fragment）DNA DNA 复制中，一股链是可以连续进复制中，一股链是可以连续进行的，成为行的，成为领头链领头链。其合成方向与。其合成方向与复制叉的前进方向相同。复制叉的前进方向相同。另一股链是不连续复制，称为另一股链是不连续复制，称为随从随从链链。其合成方向与复制叉的前进方。其合成方向与复制叉的前进方向相反。向相反。第二节第二节 DNA DNA 复制的酶学复制的酶学复制是在酶催化下的核苷酸聚合过程，需要：复制是在酶催化下的核苷酸聚合过程，需要：高能底物：高能底物：dATP,dCTP,dGTP,dTTP dATP,dCTP,dGTP,dTTP 总称总称 dNTP dNTP聚合酶
7、：依赖聚合酶：依赖 DNA DNA 的的 DNA DNA 聚合酶（聚合酶（DNA-polDNA-pol）。）。模板：解开成单链模板：解开成单链 DNA DNA 的母链。的母链。引物：提供引物：提供 3-OH 3-OH 末端，使末端，使 dNTP dNTP 可依次聚合。可依次聚合。其他酶和蛋白因子。其他酶和蛋白因子。一、复制的化学反应一、复制的化学反应DNADNA合成的总反应为：合成的总反应为：dATPdCTPdGTP(dNMP)ndTTP分步反应可简写为：分步反应可简写为：(dNMP)n+dNTP(dNMP)n+1+PPi nDNA+nPPi模板，引物模板，引物酶，蛋白因子酶，蛋白因子Mg+等
8、等DNA DNA 聚合的反应底物为高能底物聚合的反应底物为高能底物反应底物为脱氧三磷酸核苷反应底物为脱氧三磷酸核苷 dNTPdNTP。碱基：碱基：A A C C G G T T脱氧核苷：脱氧核苷：dAdA dC dC dG dG dT dT脱氧一磷酸核苷脱氧一磷酸核苷:dAMP dCMP dGMP dTMPdAMP dCMP dGMP dTMP脱氧三磷酸核苷脱氧三磷酸核苷:dATPdATP dCTP dGTP dTTP dCTP dGTP dTTPDNA DNA 链的合成方向是链的合成方向是 5353核苷酸之间以核苷酸之间以磷酸二酯键磷酸二酯键结合结合在在 DNA DNA 链的生成过程中，需要
9、模板，引物链的生成过程中，需要模板，引物的参与，引物提供的参与，引物提供3 3 末端的末端的-OH-OH基，在碱基，在碱基基配对的原则下，由模板指导进行配对的原则下，由模板指导进行53 53 的延长。的延长。DNA 聚合反应1、dNTP 与模板链的碱基互补配对。2、聚合链的3末端的羟基攻击a-磷酸。3、a-磷酸与3末端的羟基形成磷酸二酯键，释放焦磷酸。二、二、DNA DNA 聚合酶聚合酶DNA DNA 聚合酶是依赖聚合酶是依赖 DNA DNA 的的 DNA DNA 聚合聚合酶（酶（DNA-dependent DNA polymerase)DNA-dependent DNA polymerase
10、)原核生物的原核生物的DNA DNA 聚合酶聚合酶 DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-polKlenow Klenow 片段是原核生物片段是原核生物 DNA-pol DNA-pol水水解后得到的大片段，具有解后得到的大片段，具有5 3 5 3 聚聚合活性和合活性和 3 5 3 5 外切酶活性。外切酶活性。5 3外切酶活性3 5外切酶活性5 3聚合活性60 0001000聚合速率（核苷酸数/分/酶）2040400每个菌体中所含的酶分子数140 000120 000109 000分子量-+功能DNA-pol DNA-pol DNA-pol 原核
11、生物真核生物的DNA聚合酶校读、修复、填补缺口DNA-pol 延长领头链DNA-pol 参与线粒体DNA复制DNA-pol 可能是DNA修复酶DNA-pol 延长随从链DNA-pol 3 53 5外切酶活性外切酶活性可将复制过程中错可将复制过程中错配的碱基辨认及切配的碱基辨认及切除，再利用除，再利用5 35 3聚合活性补回正确聚合活性补回正确的碱基，这种功能的碱基，这种功能称为即时校读。称为即时校读。三、复制的保真性三种机制确保三种机制确保 DNA DNA 复制的保真性复制的保真性1 1、严格遵守碱基的配对原则。、严格遵守碱基的配对原则。2 2、聚合酶在复制延长中对碱基的选择、聚合酶在复制延长
12、中对碱基的选择功能。功能。3 3、复制出错时有即时的校读功能。、复制出错时有即时的校读功能。四、复制中解链和四、复制中解链和DNADNA分子的拓扑学变化分子的拓扑学变化（一）解螺旋酶：将（一）解螺旋酶：将DNADNA双螺旋解开双螺旋解开成为单链。成为单链。（二）（二）DNA DNA 拓扑异构酶：松弛调整超拓扑异构酶：松弛调整超螺旋。螺旋。（三）单链（三）单链 DNA DNA 结合蛋白（结合蛋白（SSBSSB）：）：维持复制中的维持复制中的 DNA DNA 模板处于单链状态模板处于单链状态。解链是一种高速的解链是一种高速的反向旋转，需拓扑反向旋转，需拓扑酶调整超螺旋。酶调整超螺旋。DNA DNA
13、 拓扑异构酶：拓扑异构酶：松弛调整超螺旋松弛调整超螺旋五、DNA 连接酶连接酶连接双链连接酶连接双链 DNA DNA 中的单链缺口。中的单链缺口。第三节第三节 DNA DNA 生物合成过程生物合成过程拓扑异构酶拓扑异构酶DNA单链单链结合蛋白结合蛋白DNA聚合酶聚合酶解螺旋酶解螺旋酶DNA生物合成示意图参与复制起始的参与复制起始的蛋白因子依次有：蛋白因子依次有：DnaADnaADnaBDnaB（解螺旋酶）（解螺旋酶）DnaCDnaCSSBSSB（单链（单链 DNA DNA结合蛋白）结合蛋白）DnaGDnaG（引物酶）（引物酶）一、复制的起始一、复制的起始（一）（一）DNA DNA 解成单链解成
14、单链双向复制：原核生物从一个固定的起双向复制：原核生物从一个固定的起始点（始点（oriori）开始，同时向两个方向）开始，同时向两个方向进行复制，称为双向复制。进行复制，称为双向复制。由由放放射射自自显显影影在在电电镜镜下下的的图图像像揭揭示示了了复复制制的的过过程程（二）引发体的形成（二）引发体的形成引物酶按照引物酶按照 DNA DNA 模板的配对序列，模板的配对序列，催化聚合催化聚合 NTP NTP 形成形成 RNA RNA 引物。引物。引物长度为十几到几十的核苷酸，引物长度为十几到几十的核苷酸，合成方向为合成方向为 53 53。引物酶和引发体引物酶和引发体引物酶：一种引物酶：一种 RNA
15、 RNA 聚合酶。聚合酶。引物：由引物酶催化聚合的短链引物：由引物酶催化聚合的短链 RNA RNA分子，为分子，为 DNA DNA 聚合提供聚合提供 3-OH 3-OH。引发体：由引物酶和解螺旋酶等组成，引发体：由引物酶和解螺旋酶等组成，将将 DNA DNA 双链打开，合成双链打开，合成 RNA RNA 引物，引物，为为 DNA DNA 聚合创造条件。聚合创造条件。二、复制的延长二、复制的延长DNA DNA 复制中，一股链是可以连续进行复制中，一股链是可以连续进行的，成为的，成为领头链领头链。其合成方向与复制。其合成方向与复制叉的叉的前进方向相同前进方向相同。另一股链是不连续复制，称为另一股链
16、是不连续复制，称为随从链随从链。其合成方向与复制叉的其合成方向与复制叉的前进方向相反前进方向相反。（一）复制延长的生化过程（一）复制延长的生化过程RNA RNA 引物在复制过程中被引物在复制过程中被 DNA DNA所取代所取代三、复制的终止三、复制的终止（一）原核生物的终止既不连续片（一）原核生物的终止既不连续片段的连接。段的连接。RNA RNA引物的切除引物的切除 缺口的填补缺口的填补 缺口的连接缺口的连接（二）真核生物的端粒和端粒酶。（二）真核生物的端粒和端粒酶。大肠杆菌的基因图及与复制有关的基因大肠杆菌的基因图及与复制有关的基因真核生物的真核生物的DNADNA复制复制真核生物的真核生物的
17、 DNA DNA生物合成在细胞生物合成在细胞周期的合成期周期的合成期（S S 期）。期）。真核生物的复制起始真核生物的复制起始复制叉：复制时双链打开，分开成两股，复制叉：复制时双链打开，分开成两股，新链沿着张开的模板生成，形成复制叉。新链沿着张开的模板生成，形成复制叉。真核生物的染色体有真核生物的染色体有多个多个复制起始点。复制起始点。复制子：两个复制起始点之间的复制子：两个复制起始点之间的 DNA DNA 片段称为复制子。片段称为复制子。真核原核真核生物的复制真核生物的复制终止和端粒酶终止和端粒酶端粒酶催化的爬行模型端粒酶催化的爬行模型爬行模型爬行模型作用机理作用机理第第四四节节 滚滚环环复
18、复制制D-D-环复制环复制线粒体的复制形式。线粒体的复制形式。两条链各有一个复制起始点，位置不两条链各有一个复制起始点，位置不同。同。第四节第四节 DNA DNA损伤（突变）与修复损伤（突变）与修复突变：指一个或多个脱氧核糖核苷酸的突变：指一个或多个脱氧核糖核苷酸的构成、复制或表性功能的异常变化。即构成、复制或表性功能的异常变化。即遗传物质结构改变引起遗传信息的改变。遗传物质结构改变引起遗传信息的改变。损伤（突变）与修复损伤（突变）与修复一、突变的意义一、突变的意义突变是进化，分化的分子基础突变是进化，分化的分子基础只有基因型改变的突变只有基因型改变的突变致死性突变致死性突变突变是某些疾病的发
19、病基础突变是某些疾病的发病基础二、引发突变的因素二、引发突变的因素物理和化学的因素：物理和化学的因素：紫外线紫外线化学诱变剂化学诱变剂紫外线紫外线引起突引起突变：形变：形成胸腺成胸腺嘧啶二嘧啶二聚体。聚体。TTTT三、突变分子改变的类型三、突变分子改变的类型错配错配缺失、插入和框移突变缺失、插入和框移突变重排重排错配（点突变）错配（点突变）框移突变（框移突变（frame shift frame shift mutation)mutation)一个碱基的插入造成下游翻译出的一个碱基的插入造成下游翻译出的氨基酸完全改变氨基酸完全改变重排四、四、DNA DNA 损伤的修复损伤的修复（一）光修复（一）光修复（二）切除修复（二）切除修复（三）重组修复（三）重组修复（四）（四）SOSSOS修复修复