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第 13 章 DNA 的生物合成 - 复制 DNA Biosynthesis--Repication. 本章主要内容. 中心法则 DNA 复制的半保留性 DNA 的复制过程 DNA 的损伤和修复 反转录. Watson and Crick ， 1953 人类科学发展历史上的伟大里程碑。. 1 中心法则. 现代生物化学和分子生物学的一个最基本的观点 —— 在生命有机体中，基因是唯一能够复制，并且能永远存在的单位， 而其意义最终须通过蛋白质才体现出来。 从 DNA 到蛋白质，遗传信息的流动遵循着 中心法则 。. 2 DNA 的半保留复制.
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第13章 DNA的生物合成-复制DNA Biosynthesis--Repication
本章主要内容 中心法则 DNA复制的半保留性 DNA的复制过程 DNA的损伤和修复 反转录
Watson and Crick， 1953 人类科学发展历史上的伟大里程碑。
1 中心法则 现代生物化学和分子生物学的一个最基本的观点——在生命有机体中，基因是唯一能够复制，并且能永远存在的单位， 而其意义最终须通过蛋白质才体现出来。 从DNA到蛋白质，遗传信息的流动遵循着中心法则。
2 DNA的半保留复制 半保留复制（semiconservative replication） 即新的双链DNA中，一股链来自模板，一股链为新合成的。 半保留复制的意义 复制的这种方式可保证亲代的遗传特征完整无误的传递给子代，体现了遗传的保守性。
半保留复制实验依据 1958年M.Messelson 等用实验予以了证实 双螺旋结构是半保留复制的分子基础
3 DNA的复制过程 3.1 与复制有关的酶和因子 • （以原核生物 大肠杆菌为例） • 1. 原料： dNTP，Mg++ • 2. 双链DNA模板 • 3. 引物（primer），小片段的DNA或RNA，常是RNA，有游离的 3’OH。 • 4. 引物酶（primase，DnaG），用于合成复制所必需的RNA引物 • 5. 解螺旋酶 ( helicase ) , DnaB, 由DnaA和DnaC协助在复制的起始点（Ori C）上解开双螺旋。
单链结合蛋白（SSB，single stranded binding protein）稳定已经解开成两股的DNA单链，防止其退火复性。 7. 拓扑异构酶(DNA topoisomerase) DNA 分子中存在打结，缠绕、连环的超螺旋现象。 I 型酶： 切开双链中的一股，使DNA不致打结，切口的3’端可通过自由转动一周再与5’端磷酸连接，不需ATP。 II 型酶：切断处于超螺旋状态中双股链中的某个部位，通过切口使超螺旋松弛，利用ATP使DNA恢复复制所要求的负超螺旋状态。 (注: 拓扑一词的含义是指物体或图象作弹性移位而又保持物体不变的性质。)
DNA片段RNA片段 注意 核苷酸之间的连接方式是3’，5’-磷酸二酯键
8. DNA聚合酶（DNA polymerase） 聚合酶III ——主要的复制酶，兼有校读、纠错的功能 有从5’——3’ 延伸多核苷酸链的聚合酶活性，有模板依赖性，其延伸的方式是依据碱基互补配对的原则，将原料dNTP与末端核苷酸游离的3’ OH以3’,5’磷酸二酯键连接，同时释出一个PPi。DNA聚合酶延伸多核苷酸链的方向总是5’ 3’ 有从3’——5’ 外切酶的活性，以切除可能错配的核苷酸
聚合酶 I 用于切除引物RNA,并填补留下的空隙 有从5’——3’ 延伸多核苷酸链的聚合酶的活性； 有从3’——5’ 外切酶的活性，以切除可能错配的核苷酸； 有从5’——3’ 外切酶的活性，其作用是切除引物 聚合酶II 活性弱,作用与聚合酶III相似 有从5’——3’延伸多核苷酸链的聚合酶活性； 有从3’——5’ 外切酶的活性
真核的DNA聚合酶 真核DNA的复制至少涉及5种复制酶，其中α、δ、ε参与染色体DNA的复制。 α有引物要求； β负责DNA的修复； γ的功能是线粒体DNA的复制。
9. DNA连接酶（ligase） 将不连续的DNA片段以3’，5’磷酸二酯键连接起来，原核生物通过分解NAD为NMN和Pi提供能量，真核生物则消耗ATP
3.2 DNA复制过程 复制的起始在原核生物只有一个起始点（OriC），而在真核生物有多个起始点。 由DnaB（解螺旋酶）在DnaA 和DnaC协助下解链，形成复制叉（replication fork），SSB结合并稳定解开的单股DNA链；引物酶（DnaG）与上述因子、酶构成引发体（primosome），并合成RNA引物。解链造成的超螺旋，由拓扑异构酶实现超螺旋的转型，即把正超螺旋转变为有利于复制的负超螺旋。 复制的起始
原核 复制叉 真核 复制起始点
多核苷酸链的延伸 这个过程由DNA聚合酶III催化，它是主要的复制酶。 领头链（leading chain）：为连续合成，合成方向与解链方向一致，它的模板DNA链是 5’——3’ 链。 滞后链（lagging chain ）：不连续合成，在RNA引物基础上分段合成DNA小片段（冈崎片段），方向与解链方向相反，它的模板DNA链是3’——5’链。 由此可见，整个DNA分子的复制是半不连续的。
复制的终止 由DNA聚合酶I完成切除引物，并且填补空隙，由DNA连接酶将DNA片段连接起来。
在真核生物，由端粒酶（telomerase）催化, 在真核线性DNA的 末端形成一种特殊的结构并与蛋白质结合成端粒（telomere）。 端粒由成百个6个核苷酸的重复序列所组成（人为TTAGGG， 四膜虫为TTGGGG）。端粒的功能为稳定染色体的末端结构， 防止染色体间末端连接，并可补偿滞后链5′-末端在消除 RNA引物后造成的空缺。复制可使端粒5′末端缩短，而端 粒酶（telomerase）可外加重复单位到5′-末端上，结果使 端粒维持一定的长度。
4 DNA的损伤与修复 4.1 DNA的损伤 DNA的突变(损伤)大多数是 自发的，是进化与分化的基础。 环境中的理化因素，如紫外 辐射引起两个嘧啶碱基的共价 聚合。许多化学诱变剂，它们 常是致癌物,如亚硝酸盐，常 导致DNA突变。 DNA的突变有点突变（碱基 的错配）、碱基的缺失、DNA片 段的重排等形式。 胸腺嘧啶二聚体
4.2 DNA损伤的修复 直接修复：如光复活酶,普遍存在在生物机体中,可以把嘧啶二聚体恢复正常状态。 切除修复：找出损伤位置并切除，进行修复合成并连接。 重组修复： 先复制再修复。子代链在对应模板链的损伤 处留下缺口，先将同源母链DNA上相应的核苷酸片段转移替补，然后再合成一段序列填充缺口。 SOS系统：复杂的应急反应。既有避免差错的修复又有引起差错的修复，后者有高变异率但也增加了生存机会。
重组修复 切除修复
5 逆转录作用（reverse transcription） 逆转录也称反转录，是以RNA为模板合成DNA的特殊复制方式（在某些生物如鸡的肉瘤病毒、HIV等）。 它们的遗传信息载体是RNA 而不是DNA。因此，在感染细胞时，首先经过逆转录作用成为双链DNA，才能整合到宿主基因组中去。 这个过程由逆转录酶催化，它具有以单链RNA为模板合成与其互补的DNA（cDNA），再水解杂交链上的RNA以及以cDNA为模板合成双链DNA三种活性。 逆转录现象和逆转录酶（reverse transcriptase）（H. Temin，1970）是分子生物学研究中的重大发现，是对经典中心法则重要补充。
