原核细胞dna的复制共22页

第一节 DNA的生物合成
一. DNA的复制
复制部位：
真核生物：细胞核
原核生物：细胞质的核质区
(一) 复制的反应
一. DNA的复制
n1d ATP n2d CTP n3d GTP n4d TTP
DNA聚合酶 DNA模板
DNA +（n1+n2+n3+n4)PPi
PPi随即被焦磷酸酶水解，从 而推动聚合反应的进行。
做半保留复制（semiconservative replication）。
(二) 复制的方式 半保留复制
一. DNA的复制
(二) 复制的方式
一. DNA的复制
如何证明半保留复制
1958年，Meselson 证明：用，15NH4Cl唯一氮源
培养大肠杆菌，之后，用14NH4Cl培养，然后进行
CsCl2进行密度梯度离心。由于15NH4Cl密度大于
双螺旋DNA
3′5′ 带切开的3′ 端单链穿越 与另一条连 接封口 Tyr
一.DNA的复制
TopⅠ被解离 (-) (-)
P OH
2个负超螺旋 DNA-酶中间物
O R HN CH C NH R′ CH 2 Tyrosine N O O O 5′ H Oˉ H P O O P Oˉ (b) O O H H DNA链 N H N NH 2 N
② 随后链的合成
引物的合成：随后链的每个冈崎片段都需要合成
RNA引物。也是由引物酶催化。
冈崎片段的合成： DNA聚合酶 Ⅲ (原核细胞 )在引物的 3'末端使DNA链延伸，直至抵达其 下游的另一个冈崎片段的 RNA引物
的5'端。
（五）复制的过程 3.复制叉的推进-复制叉推进的过程

将遗传信息从亲代传给子代，从而保持遗传信息的连续性。
三、DNA复制的过程
DNA复制的起点和方向 (1)原核生物：单起点双向复制 (2)真核生物：多起点双向复制
在复制速率相同的前提下，图中DNA是从其最右边开始复制的，这种复 制方式提高了DNA复制的效率。
课堂巩固
1.将在含15NH4Cl的培养液中培养若干代的某真核细胞转移到含14NH4Cl的培 养液中培养，让细胞连续进行有丝分裂，并进行密度梯度离心。下列相关说
巩固提升
4.用32P标记了某玉米体细胞(正常体细胞含20条染色体)的DNA分子双链，再将这些细
B 胞转入不含32P的培养基中培养，完成了两次细胞分裂。下列有关叙述错误的是( )
A.在第一次细胞分裂的中期，一个细胞中的染色体总数和被32P标记的染 色体数分别是20和20
B.在第二次细胞分裂的后期，一个细胞中的染色体总数和被32P标记的染 色体数分别是40和40
讨论： 1.碱基互补配对原则暗示DNA的复制机制可能是怎样的？
in the following communications. We were not aware of the details of the results presented there when we devised our structure, which rests mainly though not entirely on published experimental data and stereochemical arguments.
四、DNA复制相关计算
(3)过程：用15N标记细胞的DNA分子，然后将其放到含14N的培养液中进行两次有丝分裂， 情况如图所示：
第一次有丝分裂形成的两个细胞中所有的DNA分子都呈“杂合状态”，即15N/14N－DNA； 第二次有丝分裂形成的子细胞有多种可能性，可能子细胞的所有染色体都含15N，也可能子细胞

同 点 条件
模板、原料（dCTP、dATP、dGTP、dTTP）、 能量、酶、引物等
解旋方 式
氢键在高温下断裂，双链全
部解开 半保留复制、 全解旋再复制
场所
体外
不 同
引物
DNA
解旋酶催化氢键逐步断裂
半保留复制、 边解旋变复制
主要在细胞核中
RNA
点
酶 热稳定DNA聚合酶（Taq酶）
解旋酶、DNA聚合酶等
的DNA分子总数之比为7∶1，则n是
A．2 B．3
C．4
D．5
(C )
2、某一DNA分子含有800个碱基对，其中含有A为600
个。该DNA分子连续复制数次后，消耗周围环境中含G
的脱氧核苷酸6200个，该DNA分子已经复制了
A、4次 C、6次
B、5次 D、7次
答案：B
(4)一条链中 ＝0.4，互补链中的此值是多少？0.4
(5)若A有P个，占全部碱基数的20%，则该DNA分子中的G
有多少个？ 1.5P
关于下图所示DNA分子的说法，正确的是( )
答案：C
A．限制酶作用于①部位，DNA连接酶作用于③部位 B．该DNA的特异性表现在碱基种类和(G＋C)/(A＋T)的比例 上 C．若该DNA中A为p个，占全部碱基的n/m(m>2n)，则G的个 数为pm/2n－p D．把该DNA放在含15N的培养液中复制两代，子代中含15N的 DNA占3/4
D 等于1×106
由80个碱基组成的DNA分子片段有一个基因，其携带的遗 传信息最多可达：
下列与DNA分子的多样性无关的是：D
A 碱基的排列顺序
B 碱基的数目
C 碱基的种类
D DNA的空间结构

皆含有15N，然后再移入14N培养基中培养，抽取亲代及子 代的DNA经高速离心分离，如图①～⑤为可能的结果， 下列叙述错误的是 ( )
A．子一代DNA应为② C．子三代DNA应为④
B．子二代DNA应为① D．亲代的DNA应为⑤
基础回顾 考点探究
解析
由题意可知，子一代的 DNA应为全中 (14N、 15N) ，即
b．在氮源为15N的培养基中生长的大肠杆菌，其DNA分子均
为15N－DNA(亲代)。 c．将亲代15N大肠杆菌转移到氮源为14N的培养基中，再连续 繁殖两代 (Ⅰ和Ⅱ)，用密度梯度离心法分离，不同相对分子 质量的DNA分子将分布在试管中的不同位置上。
基础回顾
考点探究
实验预测：
(1)如果与对照(14N/14N)相比，子代Ⅰ能分辨出两条DNA带：
只含14N的DNA分子为 2个，离心后一半位于中密度带，一半位于 低密度带，对应图中的e；复制3次后，产生8个DNA分子，其中含
15N、14N的DNA分子为2个，只含14N的DNA分子为6个，离心后少
部分位于中密度带，大部分位于低密度带，对应图中的f。
答案
A
基础回顾 考点探究
2．细菌在15N培养基中繁殖数代后，使细菌DNA的含氮碱基
制；哺乳动物成熟的红细胞已丧失细胞核，也无各种细 胞器，不能进行DNA分子的复制。
基础回顾
考点探究
2．若上图为核DNA复制过程，则图中刚形成的两个子 DNA 位置如何？其上面对应片段中基因是否相同？两个子
DNA将于何时分开？
提示 染色体复制后形成两条姐妹染色单体，刚复制产
生的两个子DNA分子即位于两姐妹染色单体中，由着丝 点相连，其对应片段所含基因在无突变等特殊变异情况 下应完全相同，两子DNA分子将于有丝分裂后期或减数

作用 5‘－3’聚合酶及外切酶作用，3‘－5’外切酶酶作用， 可校正/修复DNA链，还可切除引物 5‘－3’聚合酶及3‘－5’外切酶酶作用，可校正/修复 DNA链 与酶Ⅰ作用类似，酶活高，是主要的链延伸酶（聚合酶 replicase）

冈崎片段与半不连续复制（okazaki 1968年）

识别 解链
起始 延伸 终止
1. 起始位点的识别
σ识别正确的启动位点，启动子的结构至少由三部分组成：-35序列提供 了RNA聚合酶全酶识别的信号；-10序列是酶的紧密结合位点（富含AT 碱基，利于双链打开）；第三部分是RNA合成的起始点。

保守序列：是指对具有同一功能的一系列序列进行比较，每一位置出 现频率最高的碱基序列。
大肠杆菌全部基因组(含4X106bp)只有一个复制原点。高等 生物体中DNA具有多个复制原点
2. DNA生物合成的基本问题
模板
引物 dNTP DNA聚合酶 Mg2＋ 在5’-3’方向延伸

二、原核细胞DNA的复制合成
1.原核DNA聚合酶 2.复制的复杂性
5’
3’ 5’
3’
酶 DNA聚合酶Ⅰ DNA聚合酶Ⅱ DNA聚合酶Ⅲ
传信息从 DNA传递给 复制 mRNA的过程称为转录。根据 DNA mRNA链上的遗传信息合成蛋 转录 反转录 白质的过程，被称为翻译和 RNA 蛋白质 翻译 表达。1958年Crick将生物 复制 遗传信息的这种传递方式称为中心法则。
Reverse transcription
三、原核细胞RNA转录合成特点

不对称转录 “转录单位”（transcription unit）
以操纵子（operon）为转录的功能单位,结构上包括四 个功能区：多顺反子（结构基因区）、启动子、操作子、 终止子和调节基因。

◆接着，由引发酶组成的引发体迅速作用于两条单链 DNA 上。不论是前导链还是滞后链，都需要一 段 RNA 引物以开始子链 DNA 的合成 。
2、冈崎片段与半不连续复制
• DNA 的复制过程中，前导链是连续复制的，而 滞后链是通过冈崎片段的连接来合成的，是不连 续的，称之为 DNA 的半不连续复制。所有DNA 聚合酶的方向都是 5 '→ 3 '，而不是 3 '→ 5 '。 为了解释 3 '→ 5 '是如何合成滞后链的，冈崎提 出了 DNA 的半不连续复制。
5、DNA连接酶
连接各冈崎片段，最终形成后随链。
二、真核生物DNA的复制特点
1、原核生物是单复制子，真核生物是多复制 子（每条染色体上有多个复制起点）
2、DNA全部复制完毕后才进入第二轮复制， 原核生物在第一轮复制末完就进行第二轮 复制。
3、真核生物DNA的复制起点被称为自主复 制 序列，含有几个复制起始必需的保护区。
从复制原点到终点组成一个复制单位叫复制子复制子复制时解链酶等先将dna的一段双链解开形成复制点这个复制点的形状象一个叉子故称为复制时解链酶等先将dna的一段双链解开形成复制点这个复制点的形状象一个叉子故称为复制叉基本概念
第四节 原核生物与真核生物 DNA的复制特点
一、原核生物DNA的复制特 点
二、真核生物DNA的复制特 点
决定复制的起始与否。这种调控从单细胞生物 到高等生物是高度保守的。
此外，真核生物复制的起始还包括转录 活化、复制起始复合物的合成和引物合成 等阶段，许多参与复制起始蛋白的功能与 原核生物中类似。
DNA聚合酶II的活性很低，若以每分钟 酶促核苷酸掺入DNA的转化率计算，只有 DNA聚合酶I的5%，所以也不是复制中主 要的酶。目前认为DNA聚合酶II的生理功 能主要是起修复DNA的作用。

- 第四节 DNA的复制 真核生物复制的特点
1、复制叉移动速度大约只有50bp/s，不到大肠杆菌得1/20。 2、真核生物每条染色质上可以有多处复制起始点：人类DNA中 每间隔3万－30万个碱基就有一个复制起始点，而原核生物只有 一个起始点； 3、真核生物的染色体在全部完成复制之前，各个起始点上DNA 的复制不能再开始，而在快速生长的原核生物中，复制起始点上 可以连续开始新的DNA复制，表现为虽只有一个复制单元，但 可有多个复制叉。 4、真核生物DNA聚合酶的特性：5种DNA聚合酶 5、端粒酶保证染色体复制的完整性。
“多莉”的衰老 研究端粒丢失的速率，预测人类的寿命 研究推测端粒酶与肿瘤的关系
第五节 DNA复制的调控
原核细胞的生长和增殖速度取决于培养条件，在不同
生长和增殖速度的细胞中DNA链延伸的速度几乎是恒定的， 但复制叉的数量不同。迅速分裂的细胞具较多复制叉，而分 裂缓慢的细胞复制叉较少并出现复制的间隙。
第五节 DNA复制的调控
真核细胞的生活周期可分为4个时期：
（1）G1：复制预备期;
（2）S：复制期;
（3）G2：有丝分裂准备期； （4）M：有丝分裂期。
DNA复制只发生在S期。
第五节 DNA复制的调控
真核细胞中DNA复制有3个水平的调控：
1.细胞生活周期水平调控，也称为限制点调控，即决定细
胞停留在G1期， 还是进入S期。——复制起点点火
5’
5’ 3’
+
3’ 复制叉到达末 3’ 端后，一条单
5’ 链被置换出来
末端碱基配对
5’
形成双链体起
3’
始点
5’
以单链为模板
3’
5’ 的DNA合成
3: 腺病毒DNA的复制

端粒酶（telomerase）是1985年发现的一种核糖核蛋白酶，由三部分组成：端粒酶RNA、端粒酶协同蛋白和端粒酶逆转录酶。该酶兼有提供RNA模板和催化逆转录的功能，通过一种称为爬行模型的机制维持染色体的完整。端粒酶结合后，依其RNA模板，在端粒单链3′-OH为引物基础上，不断反向转录，催化其延长，到一定长度，形成G-G配对的发夹结构，3′-OH端回折与互补链方向一致，端粒酶脱落，由DNA聚合酶催化，按新延伸的链为模板合成互补链。DNA末端复制变短和用端粒酶增加其长度，这两个过程处于平衡状态，所以染色体保持大致相同的长度。
三、与DNA复制有关的酶
DNA指导下的DNA合成，是一个复杂、有序的酶促反应过程，涉及几十种酶和因子参与。
1.DNA聚合酶（polymerase）
1956年Kornberg等首先从大肠杆菌中发现DNA-polＩ，能催化脱氧核苷酸加到引物链的3′-OH末端，引物延伸方向5′→3′。该酶需要的条件：4种dNTP、Mg2+、DNA模板（template）、引物（primer），此酶有三种活性：5′→3′聚合酶，5′→3′外切酶（切除引物和突变片段），3′→5′外切酶（校正活性）。
（二）复制的延长
DNA-polⅢ在引物的3′-OH端，按模板碱基序，催化加入的dNTPs生成磷酸二酯键，子链的延长按5′→3′方向延伸，其速度相当快。E.coli基因组，即全套基因染色体上的DNA约3 000kb。按20分钟繁殖一代，每秒加入的核苷酸数达2500bp。随从链先是生成若干短的冈崎片段，片段之间的连接由RNA酶水解去掉引物，留下的空缺（gap）由DNA-polＩ催化填补，再由DNA连接酶将两个片段连在一起。
1963年Cairus用放射自显影的方法第一次观察到完整的正在复制的大肠杆菌染色体DNA。

双螺旋DNA的复制 图 5-1 双螺旋 的复制
主要内容
1、半保留复制的含义与证据 、 2、DNA复制的一般过程 、 复制的一般过程 3、真核生物DNA复制的特点 、真核生物 复制的特点
1、DNA的半保留复制
Watson和Crick在提出 和 在提出DNA双螺旋结构 在提出 双螺旋结构 模型时即推测， 模型时即推测，DNA在复制时首先两条链 在复制时首先两条链 之间的氢键断裂使两条链分开，然后以每一 之间的氢键断裂使两条链分开， 条链分别做模板各自合成一条新的DNA链， 链 条链分别做模板各自合成一条新的 这样新合成的子代DNA分子中一条链来自 分子中一条链来自 这样新合成的子代 亲代DNA，另一条链是新合成的，这种复 ，另一条链是新合成的， 亲代 制方式为半保留复制（ 制方式为半保留复制（图5-2和图5-3 ）。 半保留复制 和
图 5-9
DNA的两点单向复制 的两点单向复制
总之， 总之，DNA复制的起点及方向 复制的起点及方向 不仅原核细胞与真核细胞不同， 不仅原核细胞与真核细胞不同，就 是同属于原核生物和真核生物的不 同种属也有相当大的差异(图 同种属也有相当大的差异 图5-10)。 。
（1）DNA复制的起始点
复制是从DNA分子上的特定部位开始的，这一部 分子上的特定部位开始的， 复制是从 分子上的特定部位开始的 位叫做复制起始点。细胞中的 位叫做复制起始点。细胞中的DNA复制一经开始就会 复制起始点 复制一经开始就会 连续复制下去，直至完成细胞中全部基因组 连续复制下去，直至完成细胞中全部基因组DNA的复 的复 制。DNA复制从起始点开始直到终点为止，每个这样 复制从起始点开始直到终点为止， 复制从起始点开始直到终点为止 单位称为复制子或复制单元 的DNA单位称为复制子或复制单元。在原核细胞中， 单位称为复制子或复制单元。在原核细胞中， 每个DNA分子只有一个复制起始点，因而只有一个复 分子只有一个复制起始点， 每个 分子只有一个复制起始点 制子，而在真核生物中， 的复制是从许多起始点 制子，而在真核生物中，DNA的复制是从许多起始点 真核生物中 的复制是从 同时开始的，所以每个 分子上有许多个复制子。 同时开始的，所以每个DNA分子上有许多个复制子。 分子上有许多个复制子

Klenow fragment
起校正作用 起修复和切除引物作用
3′→5′核酸外切酶 核酸外切酶
校对（proofreading ） 校对（ 保证遗传信息忠实传递
5′→3′核酸外切酶 核酸外切酶
切去 端RNA引物并填满 切去5’端 切去 引物并填满 DNA修复（嘧啶二聚体） 修复（嘧啶二聚体） 修复
第34章 DNA复制
主要内容
DNA的复制 一、DNA的复制 复制的特征 DNA聚合酶 DNA聚合酶 复制的过程 PCR） 二、聚合酶链式反应 （PCR） DNA的修复 三、DNA的修复
中心法则
复制
DNA
转录
RNA
翻译
蛋白质
反转录
的复制(Replication) 一、DNA的复制 的复制
以原核生物大肠杆菌（ 以原核生物大肠杆菌（E．Co1i)为例 )
DNA聚合酶催化的反应： 聚合酶催化的反应： 聚合酶催化的反应
ndATP ndGTP ndCTP ndTTP
模板（ 模板（DNA） ） 引物（ 引物（RNA，DNA） ， ） DNA聚合酶 聚合酶
DNA ＋ 4nPPi
聚合反应机理： 聚合反应机理：
聚合反应机理： 聚合反应机理：
5’
3’
DNA聚合酶的种类 聚合酶的种类
环状DNA复制形成的 结构 复制形成的θ结构 环状 复制形成的
3 DNA的半不连续复制 的半不连续复制 （semidiscontinuous replication） ）
半不连续复制：在DNA复制时，一条链是连续的，另一条链 半不连续复制： 复制时， 复制时 一条链是连续的， 是不连续的。 是不连续的。
起始阶段（Initiation） ： ）