DNA的生物合成

DNA的生物合成 一、遗传学的中心法则和反中心法则： DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分子，从而决定生物的表现型。DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则。但在少数RNA病毒中，其遗传信息贮存在RNA中。因此，在这些生物体中，遗传信息的流向是RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代；通过反转录将遗传信息传递给DNA，再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为反中心法则。 二、DNA复制的特点： 1．半保留复制：DNA在复制时，以亲代DNA的每一股作模板，合成完全相同的两个双链子代DNA，每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链，这种现象称为DNA的半保留复制(semiconservative replication)。DNA以半保留方式进行复制，是在1958年由M. Meselson 和 F. Stahl 所完成的实验所证明。 2．有一定的复制起始点：DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起始点（复制子）。在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在真核生物中则为多个。 3．需要引物(primer)：DNA聚合酶必须以一段具有3'端自由羟基（3'-OH）的RNA作为引物，才能开始聚合子代DNA链。RNA引物的大小，在原核生物中通常为50～100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。 4．双向复制：DNA复制时，以复制起始点为中心，向两个方向进行复制。但在低等生物中，也可进行单向复制。 5．半不连续复制：由于DNA聚合酶只能以5'→3'方向聚合子代DNA链，因此两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时的方式是不同的。以3'→5'方向的亲代DNA链作模板的子代链在聚合时基本上是连续进行的，这一条链被称为领头链(leading strand)。而以5'→3'方向的亲代DNA链为模板的子代链在聚合时则是不连续的，这条链被称为随从链(lagging strand)。DNA在复制时，由随从链所形成的一些子代DNA短链称为冈崎片段(Okazaki fragment)。冈崎片段的大小，在原核生物中约为1000～2000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。 三、DNA复制的条件： 1．底物：以四种脱氧核糖核酸(deoxynucleotide triphosphate)为底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。 2．模板(template)：以亲代DNA的两股链解开后，分别作为模板进行复制。 3．引发体(primosome)和RNA引物(primer)：引发体由引发前体与引物酶（primase）组装而成。引发前体是由若干蛋白因子聚合而成的复合体；引物酶本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP）。 4．DNA聚合酶（DNA dependent DNA polymerase, DDDP）： ⑴种类和生理功能：在原核生物中，目前发现的DNA聚合酶有三种，分别命名为DNA聚合酶Ⅰ（pol Ⅰ），DNA聚合酶Ⅱ（pol Ⅱ），DNA聚合酶Ⅲ（pol Ⅲ），这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。pol Ⅰ为单一肽链的大分子蛋白质，具有5'→3'聚合酶活性、3'→5'外切酶活性和5'→3'外切酶的活性；其功能主要是去除引物、填补缺口以及修复损伤。pol Ⅱ具有5'→3'聚合酶活性和3'→5'外切酶活性，其功能 不明。pol Ⅲ是由十种亚基组成的不对称二聚体，具有5'→3'聚合酶活性和3'→5'外切酶活性，与DNA复制功能有关。 在真核生物中，目前发现的DNA聚合酶有五种。其中，参与染色体DNA复制的是pol α（延长随从链）和pol δ（延长领头链），参与线粒体DNA复制的是pol γ，polε与DNA损伤修复、校读和填补缺口有关，pol β只在其他聚合酶无活性时才发挥作用。 ⑵DNA复制的保真性：为了保证遗传的稳定，DNA的复制必须具有高保真性。DNA复制时的保真性主要与下列因素有关：①遵守严格的碱基配对规律；②在复制时对碱基的正确选择；③对复制过程中出现的错误及时进行校正。 5．DNA连接酶(DNA ligase)：DNA连接酶可催化两段DNA片段之间磷酸二酯键的形成，而使两段DNA连接起来。该酶催化的条件是：① 需一段DNA片段具有3'-OH，而另一段DNA片段具有5'-Pi基；② 未封闭的缺口位于双链DNA中，即其中有一条链是完整的；③ 需要消耗能量，在原核生物中由NAD+供能，在真核生物中由ATP供能。 6．单链DNA结合蛋白（single strand binding protein, SSB）：又称螺旋反稳蛋白（HDP）。这是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子。其作用为：①稳定单链DNA，便于以其为模板复制子代DNA；② 保护单链DNA，避免核酸酶的降解。 7．解螺旋酶（unwinding enzyme）：又称解链酶或rep蛋白，是用于解开DNA双链的酶蛋白，每解开一对碱基，需消耗两分子ATP。 8．拓扑异构酶(topoisomerase)：拓扑异构酶可将DNA双链中的一条链或两条链切断，松开超螺旋后再将DNA链连接起来，从而避免出现链的缠绕。 四、DNA生物合成过程： 1．复制的起始： ⑴预引发：①解旋解链，形成复制叉：由拓扑异构酶和解链酶作用，使DNA的超螺旋及双螺旋结构解开，形成两条单链DNA。单链DNA结合蛋白（SSB）结合在单链DNA上，形成复制叉。DNA复制时，局部双螺旋解开形成两条单链，这种叉状结构称为复制叉。②引发体组装：由引发前体蛋白因子识别复制起始点，并与引发酶一起组装形成引发体。 ⑵引发：在引发酶的催化下，以DNA链为模板，合成一段短的RNA引物。 2．复制的延长： ⑴聚合子代DNA：由DNA聚合酶催化，以亲代DNA链为模板，从5'→3'方向聚合子代DNA链。 ⑵引发体移动：引发体向前移动，解开新的局部双螺旋，形成新的复制叉，随从链重新合成RNA引物，继续进行链的延长。 3．复制的终止： ⑴去除引物，填补缺口： RNA引物被水解，缺口由DNA链填补，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。 ⑵连接冈崎片段：在DNA连接酶的催化下，将冈崎片段连接起来，形成完整的DNA长链。 ⑶真核生物端粒（telomere）的形成：端粒是指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构部分，通常膨大成粒状。线性DNA在复制完成后，其末端由于引物RNA的水解而可能出现缩短。故需要在端粒酶（telomerase）的催化下，进行延长反应。端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体，它可以其RNA为模板，通过逆转录过程对末端DNA链进行延长。 五、DNA的损伤： 由自发的或环境的因素引起DNA一级结构的任何异常的改变称为DNA的损伤。常见的DNA的损伤包括碱基脱落、碱基修饰、交联，链的断裂，重组等。引起DNA损伤的因素有： 1．自发因素： (1)自发脱碱基：由于N-糖苷键的自发断裂，引起嘌呤或嘧啶碱基的脱落。 (2)自发脱氨基：C自发脱氨基可生成U，A自发脱氨基可生成I。 (3)复制错配：由于复制时碱基配对错误引起的损伤。 2．物理因素：由紫外线、电离辐射、X射线等引起的DNA损伤。其中，X射线和电离辐射常常引起DNA链的断裂，而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成，如TT，TC，CC等二聚体。 3．化学因素： (1)脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可加速C脱氨基生成U，A脱氨基生成I。 (2)烷基化剂：这是一类带有活性烷基的化合物，可提供甲基或其他烷基，引起碱基或磷酸基的烷基化，甚至可引起邻近碱基的交联。 (3)DNA加合剂：如苯并芘，在体内代谢后生成四羟苯并芘，与嘌呤共价结合引起损伤。 (4)碱基类似物：如5-FU，6-MP等，可掺入到DNA分子中引起损伤或突变。 (5)断链剂：如过氧化物，含巯基化合物等，可引起DNA链的断裂。 六、DNA突变的类型： 1．点突变：转换——相同类型碱基的取代。颠换——不同类型碱基的取代。插入——增加一个碱基。缺失——减少一个碱基。 2．复突变：插入—— 增加一段顺序。缺失—— 减少一段顺序。倒位—— 一段碱基顺序发生颠倒。易位—— 一段碱基顺序的位置发生改变。重组—— 一段碱基顺序与另一段碱基顺序发生交换。 七、DNA突变的效应： 1．同义突变：基因突变导致mRNA密码子第三位碱基的改变但不引起密码子意义的改变，其翻译产物中的氨基酸残基顺序不变。 2．误义突变：基因突变导致mRNA密码子碱基被置换，其意义发生改变，翻译产物中的氨基酸残基顺序发生改变。 3．无义突变：基因突变导致mRNA密码子碱基被置换而改变成终止暗码子，引起多肽链合成的终止。 4．移码突变：基因突变导致mRNA密码子碱基被置换，引起突变点之后的氨基酸残基顺序全部发生改变。 八、DNA损伤的修复： DNA损伤的修复方式可分为直接修复和取代修复两大类。直接修复包括光复活、转甲基作用和直接连接作用，均属于无差错修复。取代修复包括切除修复、重组修复和SOS修复，后二者属于有差错倾向修复。 1．光复活：由光复活酶识别嘧啶二聚体并与之结合形成复合物，在可见光照射下，酶获得能量，将嘧啶二聚体的丁酰环打开，使之完全修复。 2．转甲基作用：在转甲基酶的催化下，将DNA上的被修饰的甲基去除。此时，转甲基酶自身被甲基化而失活。 3．直接连接：DNA断裂形成的缺口，可以在DNA连接酶的催化下，直接进行连接而封闭缺口。 4．切除修复：这种修复机制可适用于多种DNA损伤的修复。该修复机制可以分别由两种不同的酶来发动，一种是核酸内切酶，另一种是DNA糖苷酶。①特异性的核酸内切酶（如原核中的UvrA、UvrB和UvrC）或DNA糖苷酶识别DNA受损伤的部位，并在该部位的5'端作一切口；②由核酸外切酶（或DNA聚合酶Ⅰ）从5'→3'端逐一切除损伤的单链；③在DNA聚合酶的催化下，以互补链为模板，合成新的单链片段以填补缺口；④由DNA连接酶催化连接片段，封闭缺口。 5．重组修复：①DNA复制时，损伤部位导致子链DNA合成障碍，形成空缺；②此空缺诱导产生重组酶（重组蛋白RecA），该酶与空缺区结合，并催化子链空缺与对侧亲链进行重组交换；③对侧亲链产生的空缺以互补的子链为模板，在DNA聚合酶和连接酶的催化下，重新修复缺口；④亲链上的损伤部位继续保留或以切除修复方式加以修复。 6．SOS修复：这是一种在DNA分子受到较大范围损伤并且使复制受到抑制时出现的修复机制，以SOS借喻细胞处于危急状态。