第十一章 核酸的生物合成
nucleic acid biosynthesis
本章主要内容
DNA的生物合成 RNA的生物合成
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基 因 (gene)： 为蛋白质或RNA编码的DNA功能片 段，是以碱基排列顺序的方式储存的遗 传信息。 传信息。 基 因 组（genome)： 某一物种拥有的全部遗传物质， 某一物种拥有的全部遗传物质，从 分子意义上说， 分子意义上说，是指全部DNA序列。 序列。
基因表达： 基因表达：是指将遗传信息由DNA 是指将遗传信息由DNA转录 DNA转录为 转录为RNA、 RNA、再翻译成蛋白质 翻译成蛋白质。 成蛋白质。 转录： 转录：遗传信息从 DNA传递给 DNA传递给mRNA 传递给mRNA的过程 mRNA的过程。 的过程。 翻译： 翻译：mRNA链上的遗传信息合成蛋白质的过程 mRNA链上的遗传信息合成蛋白质的过程。 链上的遗传信息合成蛋白质的过程。
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中心法则（ 中心法则（ central
dogma）
1958年 1958年Crick将生物遗传信息的这种传递方式称为中心法则 Crick将生物遗传信息的这种传递方式称为中心法则。 将生物遗传信息的这种传递方式称为中心法则。
主要内容
● ●
DNA的生物合成 —— 复制 RNA的生物合成 —— 转录
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第一节 复制的基本规律
DNA复制的基本原则
半保留复制 复制起始点 双向复制 半不连续复制 需要模板和引物
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一 半保留复制的概念
DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链， 各自作为模板(template)按碱基配对规律，合成与模 板互补的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完 整地接受过来，另一股单链则完全重新合成。两个子 细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。这种复制方 式称为半保留复制。
半保留复制 semiconservative replication
A G A A C T T A G
T C T T G A A T C
亲代
A G A A C T T A G
T C T T G A A T C
子代
A G A A C T T A G
T C T T G A A T C
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A G C T
T C G A
亲代 DNA
A G C T
T C G A
AT GC CG TA
子代 DNA
DNA半保留复制实验
梯度离心结果 含N15-DNA的细菌
培养于普 通培养液
第一代
继续培养于 普通培养液
第二代
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DNA半保留复制的实验
? 半保留复制的意义 按半保留复制方式， 按半保留复制方式 ， 子代 DNA 与亲 代 DNA 的 碱基序列一致， 碱基序列一致 ， 即子代保留了 亲代的全部遗传信息， 亲代的全部遗传信息 ， 体现了遗传的保 体现了遗传的 保 守性。 守性。 遗传的保守性， 遗传的保守性，是物种稳定性的分子 基础， 基础，但不是绝对的。 不是绝对的。
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二、复制的起始点和方向
? 复制起始点： 复制起始点：
染色体上固定的位置， 染色体上固定的位置，由100－ 100－200个碱基对组成 200个碱基对组成 的一段DNA 的一段DNA。 DNA。
? 方向： 方向：单向或双向复制
复制时， 复制时，DNA从起始点向两个方向解链， 从起始点向两个方向解链，形成两个延 伸相反的复制叉
复制时双链打开， 复制时双链打开，分开成两股， 分开成两股，各自 作为模板， 作为模板，子链沿模板延长所形成的Y字 形的结构称为复制叉 形的结构称为复制叉。 复制叉。
5' 3' 3' 5' 5' 3' 5'
复制方向
3'
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复制中的放射自显影图象
原核生物： 原核生物：?基因组是环状DNA 基因组是环状DNA： DNA： ?只有一个复制起始点 只有一个复制起始点 DNA被描述为 DNA 被描述为眼睛 被描述为 眼睛状 眼睛 状 。 为说明 方便而做的图为θ形。
oriC
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真核生物： 真核生物：
? 染色体DNA有多个复制起始点。 多个复制起始点。 ? 两个起始点之间的DNA片段称为复制子 片段称为复制子。 复制子。 ? 复制子是独立完成复制的功能单位。 复制子是独立完成复制的功能单位。
真核生物多个复制起始点、 真核生物多个复制起始点、复制子与复制叉
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真核生物的多复制子复制电镜图
三 半不连续复制（ 半不连续复制（semidiscontinous replication)
冈崎片段
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3′
5′
5′ 3′
领头链 (leading strand)
3′
5′
解链方向
3′ 5′
随从链 (lagging strand)
3′
5′
? 顺着解链方向生成的子链， 顺着解链方向生成的子链 ， 复制是连续 进行的这股链称为前导链 进行的这股链称为前导链。 前导链。 ? 另一股链因为复制的方向与解链方向相 反 ， 不能顺着解链方向连续延长， 不能顺着解链方向连续延长 ， 这股 不连续复制的链称为后随链 不连续复制的链称为后随链。 后随链。 ? 领头链连续复制而随从链不连续复制， 领头链连续复制而随从链不连续复制 ， 就是复制的半不连续性 就是复制的半不连续性。 半不连续性。
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冈崎片段： 冈崎片段： ? 1968年日本生化学者冈崎用电镜及放射 自显影技术， 自显影技术 ， 观察到 DNA 复制中出现 不连续的片段， 一些不连续的片段 不连续的片段 ，将这些不连续的片 一些 段称为冈崎片段 段称为冈崎片段。 冈崎片段。 ? 原核生物: 原核生物: 1000~2000个核苷酸 ? 真核生物: 真核生物: 100~200个核苷酸
半不连续复制动画
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第二节
DNA复制的酶学
The Enzymology of DNA Replication
DNA复制的体系
底物: 底物: dNTP (dATP、dGTP 、dCTP 、dTTP) 聚合酶: 依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-pol) 模板: 解开成单链的DNA母链 引物: 引物: 提供3‘-OH末端的RNA 末端的RNA短片断 RNA短片断 其他酶和蛋白质因子: 其他酶和蛋白质因子: 拓扑异构酶、 拓扑异构酶、解螺旋酶、 解螺旋酶、 单链DNA结合蛋白、 结合蛋白、引物酶、 引物酶、连接酶
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一、 复制的化学反应
(dNMP)n + dNTP → (dNMP)n+1 + PPi
?聚合反应的特点
DNA 新链生成需引物 新链生成需引物和 引物和模板； 模板； 新链的延长只可沿5′ → 3′方向进行 。
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A1
二 DNA聚合酶
全称： 全称：依赖DNA的DNA聚合酶 (DNAdependent DNA polymerase) 简称： 简称：DNA-pol 活性： 活性：1. 5′→3′ 的聚合活性 2. 核酸外切酶活性
奥乔亚 Severo Ochoa Kornberg
科恩伯格 Arthur
? 1959 年获诺贝尔生理学或医学奖
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幻灯片 31 A1 DNA的生物合成，即复制，是一个酶促的生化反应，催化此反应的主要酶是依赖DNA的DNA聚合酶 （DNA-dependent DNA polymerase，DDDP），简称DNA－pol。
作者, 2006-10-18
5′
3′
3′
5′
聚合反应机理
聚合反应的特点
? 以单链DNA为模板 ? 以dNTP为原料 ? 引物提供3'-OH ? 聚合方向为5' →3' ? 遵守碱基互补规律
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? 核酸外切酶活性
5′
AG C T T C A G G A T A
→
3′
| | | | | | | | | | |
3′
?
5′
T C G AA G T C C T A G C G A C
? 3′ → 5′外切酶活性 能辨认错配的碱基对， 能辨认错配的碱基对，并将其水解。 并将其水解。 ? 5′ → 3′外切酶活性 能切除引物和突变的 DNA片段。 片段。
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（一）原核生物的DNA聚合酶
? DNA-pol Ⅰ ? DNA-pol Ⅱ ? DNA-pol Ⅲ ? DNA-pol Ⅳ ? DNA-pol Ⅴ
E. Coli中的DNA聚合酶
pol I 5′→ 3′聚合酶活性 3′→ 5′外切酶活性 5′→ 3′外切酶活性 亚基数 分子数/细胞 功能 + + + 1 400
校读、 校读、修复合 成、切除引物 填补空隙
pol II + + － 1 40
参与DNA 参与DNA损伤 DNA损伤 的应急状态修 复
pol III + + － 10 20
催化DNA 聚合
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