《生物化学》课程教学资源（讲义）第九章 DNA的生物合成

第九章DNA的生曲合成 第九章DNA的生物合成 (The Biosynthesis of DNA) 脱氧核糖核酸(DNA)是生物界遗传的主要物质基础。生物有机体的遗传特 征以密码(code)的形式编码在DNA分子上,表现为特定的核苷酸排列顺序(即 遗传信息),在细胞分裂前通过DNA的复制( Replication),将遗传信息由亲代 传递给子代,在后代的个体发育过程中,遗传信息由DNA转录( Transcription 给RNA,并指导蛋白质合成,以执行各种生命功能,使后代表现出与亲代相 似的遗传性状,这种遗传信息的传递方向,是从DNA到RNA再到蛋白质, 即所谓的生物学“中心法则”,80年代以后在某些致癌RNA病毒中发现遗传 信息也可存在于RNA分子中,由RNA通过逆转录( reverse transcription)的方 式将遗传信息传递给DNA。这为中心法则加入了新的内容 复制 录 蛋白质 耐译 中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律,揭示遗传的分子基础 不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识, 而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程,给人类的生产和生 来了深刻的革命。 复制:以亲代DNA双链中的每一股链为模板,按照碱基配对原则,合成 出与亲代完全相同的两个双链DNA分子的过程。 转录:以DNA为模板,按照碱基配对原则,将DNA分子的遗传信息转 移到RNA分子上的过程。 翻译:以RNA为模板,根据三个碱基决定一个AA的原则,合成具有特 定AA顺序的蛋白质的过程 逆转录:逆转录病毒能以其RNA为模板,合成DNA,称为逆转录 本章的内容主要涉及DNA生物合成的三个方面,第一,DNA复制:第 ,细胞内DNA受到损伤时进行的修复作用:第三,RNA反转录为DNA

第九章 DNA 的生物合成 ·1· 蛋白质 翻译 转录 逆转录 复制 复制 DNA RNA 蛋白质 翻译 转录 逆转录 复制 复制 DNA RNA 第九章 DNA 的生物合成 (The Biosynthesis of DNA) 脱氧核糖核酸(DNA)是生物界遗传的主要物质基础。生物有机体的遗传特 征以密码(code)的形式编码在 DNA 分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序（即 遗传信息），在细胞分裂前通过 DNA 的复制(Replication)，将遗传信息由亲代 传递给子代，在后代的个体发育过程中，遗传信息由 DNA 转录(Transcription) 给 RNA，并指导蛋白质合成，以执行各种生命功能，使后代表现出与亲代相 似的遗传性状，这种遗传信息的传递方向，是从 DNA 到 RNA 再到蛋白质， 即所谓的生物学“中心法则”，80 年代以后在某些致癌 RNA 病毒中发现遗传 信息也可存在于 RNA 分子中，由 RNA 通过逆转录(reverse transcription)的方 式将遗传信息传递给 DNA。这为中心法则加入了新的内容。 ? 中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础， 不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识， 而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带 来了深刻的革命。 复制：以亲代 DNA 双链中的每一股链为模板，按照碱基配对原则，合成 出与亲代完全相同的两个双链 DNA 分子的过程。 转录：以 DNA 为模板，按照碱基配对原则，将 DNA 分子的遗传信息转 移到 RNA 分子上的过程。 翻译：以 RNA 为模板，根据三个碱基决定一个 AA 的原则，合成具有特 定 AA 顺序的蛋白质的过程。 逆转录：逆转录病毒能以其 RNA 为模板，合成 DNA，称为逆转录。 本章的内容主要涉及 DNA 生物合成的三个方面，第一，DNA 复制；第 二，细胞内 DNA 受到损伤时进行的修复作用；第三，RNA 反转录为 DNA

第九章DNA的生曲合成 第一节DNA的复制 DNA做为遗传物质的基本特点就是在细胞分裂前进行准确地自我复制 ( self replication),使DNA的量成倍增加,这是细胞分裂的物质基础。曾经有 过多种关于DNA复制方式的学说,包括半保留复制,全保留复制以及分散复 制等。1953年 Watson和 Crick提出DNA双螺旋结构模型指出,DNA是由二 条互补的脱氧核苷酸链组成,所以一条DNA链上的核苷酸排列顺序是由图 16-1双螺旋DNA的复制另一条决定的。这就说明DNA的复制是由原来存在 的分子为模板来合成新的链 、DNA复制的方式及一般过程 (一)DNA的半保留复制( semiconservative replication) Watson和(rick在提出DNA双螺旋结构模型时即推测,DNA在复制时 首先两条链之间的氢键断裂,两条链分开,然后以每一条链分别做模板各自 合成一条新的DNA链,这样新合成的子代DNA分子中一条链来自亲代DNA 另一条链是新合成的,这种复制方式为半保留复制(如P407图) 1958年 Meselson和Stah利用氮标记技术在大肠杆菌中首次证实了DNA 的半保留复制,他们将大肠杆菌放在含有15N标记的NHC1培养基中繁殖了 15代,使所有的大肠杆菌DNA被1N所标记,可以得到1N标记的DNA。 然后将细菌转移到含有14N标记的NH4Cl培养基中进行培养,在培养不同代 数时,收集细菌,裂解细胞,用氯化铯(CsC)密度梯度离心法观察DNA所处 的位置。由于15N-DNA的密度比普通DNA(4N-DNA)的密度大,在氯化铯密 度梯度离心( density gradient centrifugation)时,两种密度不同的DNA分布在不 同的区带(如下图)

第九章 DNA 的生物合成 ·2· 第一节 DNA 的复制 DNA 做为遗传物质的基本特点就是在细胞分裂前进行准确地自我复制 (self replication)，使 DNA 的量成倍增加，这是细胞分裂的物质基础。曾经有 过多种关于 DNA 复制方式的学说，包括半保留复制，全保留复制以及分散复 制等。1953 年 Watson 和 Crick 提出 DNA 双螺旋结构模型指出，DNA 是由二 条互补的脱氧核苷酸链组成，所以一条 DNA 链上的核苷酸排列顺序是由图 16-1 双螺旋 DNA 的复制另一条决定的。这就说明 DNA 的复制是由原来存在 的分子为模板来合成新的链。 一、DNA 复制的方式及一般过程 （一）DNA 的半保留复制(semiconservative replication) Watson 和 Crick 在提出 DNA 双螺旋结构模型时即推测，DNA 在复制时 首先两条链之间的氢键断裂，两条链分开，然后以每一条链分别做模板各自 合成一条新的 DNA 链，这样新合成的子代 DNA 分子中一条链来自亲代 DNA， 另一条链是新合成的，这种复制方式为半保留复制（如 P407 图）。 1958 年 Meselson 和 Stahl 利用氮标记技术在大肠杆菌中首次证实了 DNA 的半保留复制，他们将大肠杆菌放在含有 15N 标记的 NH4Cl 培养基中繁殖了 15 代，使所有的大肠杆菌 DNA 被 15N 所标记，可以得到 15N 标记的 DNA。 然后将细菌转移到含有 14N 标记的 NH4Cl 培养基中进行培养，在培养不同代 数时，收集细菌，裂解细胞，用氯化铯(CsCl)密度梯度离心法观察 DNA 所处 的位置。由于 15N-DNA 的密度比普通 DNA(14N-DNA)的密度大，在氯化铯密 度梯度离心(density gradient centrifugation)时，两种密度不同的 DNA 分布在不 同的区带（如下图）

第九章DNA的生曲合成 () 6⑨ E ai Coven Rep iate 15 Centrifuge Centrifuge Centrifuge Centifuge x21y223 实验结果表明:在全部由1N标记的培养基中得到的15N-DNA显示为一 条重密度带位于离心管的管底。当转入1N标记的培养基中繁殖后第一代,得 到了一条中密度带,这是15N-DNA和N-DNA的杂交分子。第二代有中密度 带及低密度带两个区带,这表明它们分别为15NN-DNA和14N1N-DNA。随 着以后在1N培养基中培养代数的增加,低密度带增强,而中密度带逐渐减弱, 离心结束后,从管底到管口,CsCl溶液密度分布从高到低形成密度梯度,不 同重量的DNA分子就停留在与其相当的CsCl密度处,在紫外光下可以看到 DNA分子形成的区带。为了证实第一代杂交分子确实是一半15N-DNA一半 14N-DNA,将这种杂交分子经加热变性,对于变性前后的DNA分别进行CsCl 密度梯度离心,结果变性前的杂交分子为一条中密度带,变性后则分为两条 区带,即重密度带(NDNA)及低密度带(1N-DNA)。这个实验只有用半保留 制的理论才能得到圆满的解释。 半保留复制的生物学意义:使生物的遗传性保持了相对稳定性 (二)DNA复制的一般过程 DNA双螺旋是由两条方向相反的单链组成,复制开始时,双链打开,形 成一个复制叉( replicative fork,从打开的起点向一个方向形成)或一个复制泡 ( replicative bubble,从打开的起点向两个方向形成)。两条单链分别做模板。 各自合成一条新的DNA链。由于DNA一条链的走向是5→3方向,另一条链

第九章 DNA 的生物合成 ·3· 实验结果表明：在全部由 15N 标记的培养基中得到的 15N-DNA 显示为一 条重密度带位于离心管的管底。当转入 14N 标记的培养基中繁殖后第一代，得 到了一条中密度带，这是 15N-DNA 和 14N-DNA 的杂交分子。第二代有中密度 带及低密度带两个区带，这表明它们分别为 15N14N-DNA 和 14N14N-DNA。随 着以后在 14N 培养基中培养代数的增加，低密度带增强，而中密度带逐渐减弱， 离心结束后，从管底到管口，CsCl 溶液密度分布从高到低形成密度梯度，不 同重量的 DNA 分子就停留在与其相当的 CsCl 密度处，在紫外光下可以看到 DNA 分子形成的区带。为了证实第一代杂交分子确实是一半 15N-DNA－半 14N-DNA，将这种杂交分子经加热变性，对于变性前后的 DNA 分别进行 CsCl 密度梯度离心，结果变性前的杂交分子为一条中密度带，变性后则分为两条 区带，即重密度带( 15N-DNA)及低密度带( 14N-DNA)。这个实验只有用半保留 复制的理论才能得到圆满的解释。 半保留复制的生物学意义:使生物的遗传性保持了相对稳定性。 （二）DNA 复制的一般过程 DNA 双螺旋是由两条方向相反的单链组成，复制开始时，双链打开，形 成一个复制叉(replicative fork,从打开的起点向一个方向形成)或一个复制泡 (replicative bubble，从打开的起点向两个方向形成) 。两条单链分别做模板。 各自合成一条新的 DNA 链。由于 DNA 一条链的走向是 5'→3'方向，另一条链

第九章DNA的生曲合成 的走向是3→5方向,但生物体内DNA聚合酶只能催化DNA从5→3的方向 合成。那么,两条方向不同的链怎样才能做模板呢?这个问题由日本学者冈 崎先生解决。 Unidirectional Bidirectional Origin Replication forks 原来,在以3→5方向的母链为模板时,复制合成出一条5→3方向的前 导链( leading strand),前导链的前进方向与复制叉打开方向是一致的,因此前 导链的合成是连续进行的,而另一条母链DNA是5→3方向,它作为模板时 复制合成许多条5→3方向的短链,叫做随从链( agging strand),随从链的前进 方向是与复制叉的打开方向相反的。随从链只能先以片段的形式合成,这些 片段就叫做冈崎片段( Okazaki fragments),原核生物冈崎片段含有1000~200 核苷酸,真核生物一般100~200核苷酸。最后再将多个冈崎片段连接成一条 完整的链。由于前导链的合成是连续进行的,而随从链的合成是不连续进行 的,所以从总体上看DNA的复制是半不连续复制(见下图) Lead strand Direction of me 3 5 of replication fork Oka? Lagging 解链 RNA引物 合I

第九章 DNA 的生物合成 ·4· 解旋酶 DNA聚 合酶III 解链酶 RNA引物 引物酶和 引发体 DNA聚 合酶I SSB 3´ 3´ 5´ 5´ 3´ 5´ RNA 引物 解旋酶 DNA聚 合酶III 解链酶 RNA引物 引物酶和 引发体 DNA聚 合酶I SSB 3´ 3´ 5´ 5´ 3´ 5´ RNA 引物 的走向是 3'→5'方向，但生物体内 DNA 聚合酶只能催化 DNA 从 5'→3'的方向 合成。那么，两条方向不同的链怎样才能做模板呢？这个问题由日本学者冈 崎先生解决。 原来，在以 3'→5'方向的母链为模板时，复制合成出一条 5'→3'方向的前 导链(leading strand)，前导链的前进方向与复制叉打开方向是一致的，因此前 导链的合成是连续进行的，而另一条母链 DNA 是 5'→3'方向，它作为模板时， 复制合成许多条 5'→3'方向的短链，叫做随从链(lagging strand)，随从链的前进 方向是与复制叉的打开方向相反的。随从链只能先以片段的形式合成，这些 片段就叫做冈崎片段(Okazaki fragments)，原核生物冈崎片段含有 1000～2000 核苷酸，真核生物一般 100～200 核苷酸。最后再将多个冈崎片段连接成一条 完整的链。由于前导链的合成是连续进行的，而随从链的合成是不连续进行 的，所以从总体上看 DNA 的复制是半不连续复制(见下图)

第九章DNA的生曲合成 DNA复制的全部过程可以人为地分成三个阶段 第一个阶段为DNA复制的起始阶段,这个阶段包括起始点,复制方向以 及引发体的形成; 第二阶段为DNA链的延长,包括前导链及随从链的形成和切除RNA引 物后填补空缺及连接冈崎片段; 第三阶段为DNA复制的终止阶段。在DNA复制的整个过程中需要30多 种酶及蛋白质分子参加,我们将在DNA复制的各个阶段中着重介绍它们的作 用 、DNA复制的起始阶段 (一)DNA复制的起始点 复制是从DNA分子上的特定部位开始的,这一部位叫做复制起始点 ( originof replication)常用on或O表示(原点、起点)。细胞中的DNA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DNA的复制。DNA复 制从起始点开始直到终点为止,每个这样的DNA单位称为复制子或复制单元 ( replicon)。在原核细胞中,每个DNA分子只有一个复制起始点,因而只有 个复制子,而在真核生物中,DNA的复制是从许多起始点同时开始的,所以 每个DNA分子上有许多个复制子。 DNA复制起始点有结构上的特殊性,例如:大肠杆菌染色体DNA复制 起始点Oric由422个核苷酸组成,是一系列对称排列的反向重复序列,即回 文结构( palindrome),其中有9个核苷酸或13个核苷酸组成的保守序列,这些 部位是大肠杆菌中DnaA蛋白识别的位置,大肠杆菌染色体DNA是环状双链 DNA,它的复制是典型的“θ”型复制(由于形状像希腊字母θ,见下图)。从 个起点开始,同时向两个方向进行复制,当两个复制方向相遇时,复制就 停止。而有些生物的DNA复制起始区是一段富含A·T的区段。这些特殊的 结构对于在DNA复制起始过程中参与的酶和许多蛋白质分子的识别和结合都 是必须的 (二)DNA复制的方向(P408) 定点开始双向复制 这是原核生物和真核生物DNA复制最主要的形式,从一个特定位点解链 沿着两个相反的方向各生长出两条链,形成一个复制泡,用电子显微镜可以 观察到复制泡的存在(如下图)

第九章 DNA 的生物合成 ·5· DNA 复制的全部过程可以人为地分成三个阶段： 第一个阶段为 DNA 复制的起始阶段，这个阶段包括起始点，复制方向以 及引发体的形成； 第二阶段为 DNA 链的延长，包括前导链及随从链的形成和切除 RNA 引 物后填补空缺及连接冈崎片段； 第三阶段为 DNA 复制的终止阶段。在 DNA 复制的整个过程中需要 30 多 种酶及蛋白质分子参加，我们将在 DNA 复制的各个阶段中着重介绍它们的作 用。 二、DNA 复制的起始阶段 （一）DNA 复制的起始点 复制是从 DNA 分子上的特定部位开始的，这一部位叫做复制起始点 (originof replication)常用 ori 或 O 表示(原点、起点)。细胞中的 DNA 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 DNA 的复制。DNA 复 制从起始点开始直到终点为止，每个这样的 DNA 单位称为复制子或复制单元 (replicon)。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 个复制子，而在真核生物中，DNA 的复制是从许多起始点同时开始的，所以 每个 DNA 分子上有许多个复制子。 DNA 复制起始点有结构上的特殊性，例如：大肠杆菌染色体 DNA 复制 起始点 Oric 由 422 个核苷酸组成，是一系列对称排列的反向重复序列，即回 文结构(palindrome)，其中有 9 个核苷酸或 13 个核苷酸组成的保守序列，这些 部位是大肠杆菌中 DnaA 蛋白识别的位置，大肠杆菌染色体 DNA 是环状双链 DNA，它的复制是典型的“θ”型复制(由于形状像希腊字母θ，见下图)。从 一个起点开始，同时向两个方向进行复制，当两个复制方向相遇时，复制就 停止。而有些生物的 DNA 复制起始区是一段富含 A·T 的区段。这些特殊的 结构对于在DNA复制起始过程中参与的酶和许多蛋白质分子的识别和结合都 是必须的。 （二）DNA 复制的方向（P408） 1. 定点开始双向复制 这是原核生物和真核生物DNA复制最主要的形式，从一个特定位点解链， 沿着两个相反的方向各生长出两条链，形成一个复制泡，用电子显微镜可以 观察到复制泡的存在(如下图)