第十一章核酸的生物合成 核酸是贮存和传递遗传信息的生物大 分子。生物体的遗传信息是以密码的形式 编码在DNA分子上,表现为特定的核苷酸 排列顺序。在细胞分裂过程中通过DNA的 复制把遗传信息由亲代传递给子代,在子 代的个体发育过程中遗传信息由DNA传 递到RNA,最后翻译成特异的蛋白质,表 现出与亲代相似的遗传性状(遗传信息由 DNA←→RNA→Pr)。在某些情况下RNA 也是重要的遗传物质,如在RNA病毒中 RNA具有自我复制的能力,并同时作为 mRNA,指导病毒蛋白质的生物合成。在 致癌RNA病毒中,RNA还以逆转录的方 式将遗传信息传递给DNA分子。上述遗传 信息的流向称为中心法则 central dogma), 它是由F. Crick在1958年最早提出的,其
267 第十一章 核酸的生物合成 核酸是贮存和传递遗传信息的生物大 分子。生物体的遗传信息是以密码的形式 编码在 DNA 分子上，表现为特定的核苷酸 排列顺序。在细胞分裂过程中通过 DNA 的 复制把遗传信息由亲代传递给子代，在子 代的个体发育过程中遗传信息由 DNA 传 递到 RNA，最后翻译成特异的蛋白质，表 现出与亲代相似的遗传性状（遗传信息由 DNA←→RNA→Pr）。在某些情况下 RNA 也是重要的遗传物质，如在 RNA 病毒中 RNA 具有自我复制的能力，并同时作为 mRNA，指导病毒蛋白质的生物合成。在 致癌 RNA 病毒中，RNA 还以逆转录的方 式将遗传信息传递给 DNA 分子。上述遗传 信息的流向称为中心法则(central dogma)， 它是由 F．Crick 在 1958 年最早提出的，其
后又得到不断的补充和完善 中心法则可简洁的用图11-1表示: DNA RNA 转录 复制 翻译 逆转录 蛋白质 复制[病毒 图11-1中心法则简图 *P270图中复制就是指以原来分子为 模板,合成出相同分子的过程;转录(或逆 转录)就是在DNA(或RNA)分子上合成出 与其核苷酸顺序相对应的RNA(或DNA)的 过程;翻译就是在以rRNA和蛋白质组成 的核糖核蛋白体(简称核糖体)上,以mRNA 为模板,根据每三个相邻核苷酸决定一种 氨基酸的三联体密码规则,由tRNA运送 氨基酸,合成出具有特定氨基酸顺序的蛋 白质肽链的过程
268 后又得到不断的补充和完善。 中心法则可简洁的用图 11-1 表示： 图 11-1 中心法则简图 *P270 图中复制就是指以原来分子为 模板，合成出相同分子的过程；转录(或逆 转录)就是在 DNA(或 RNA)分子上合成出 与其核苷酸顺序相对应的 RNA(或 DNA)的 过程；翻译就是在以 rRNA 和蛋白质组成 的核糖核蛋白体(简称核糖体)上，以 mRNA 为模板，根据每三个相邻核苷酸决定一种 氨基酸的三联体密码规则，由 tRNA 运送 氨基酸，合成出具有特定氨基酸顺序的蛋 白质肽链的过程。 DNA 复制 转录 逆转录 复制 [病毒] 翻译 蛋白质 RNA
第一节DNA的生物合成 、半保留复制 DNA 呈双股螺 旋结构, 原来的亲代分子 这样的结 构对于维 持遗传物 质的稳定 第一代子分子 性和复制 的准确性 都是极为 第二代子分子 重要的。 两条链严 格以A-T 图11DNA的半保留复制 和G—C碱 基配对所形成的氢键联结在一起,这两条
269 第一节 DNA 的生物合成 一、半保留复制 DNA 呈双股螺 旋结构， 这样的结 构对于维 持遗传物 质的稳定 性和复制 的准确性 都是极为 重要的。 两条链严 格以 A—T 和G—C碱 基配对所形成的氢键联结在一起，这两条 图 11-2 DNA 的半保留复制
链是互补的。在DNA复制时,亲代DNA 的双螺旋先行解旋和分开,然后以每条链 为模板,按照碱基配对原则,在这两条链 上各形成一条互补链。这样,由亲代DNA 的分子可以精确地复制出2个子代DNA分 子。每个子代DNA分子中有一条链是从亲 代DNA来的,另一条则是新形成的,这叫 做半保留复制( semiconservative replication)(图11-2)。这个半保留复制首 先由 Meselson与 Stahl(1958)用同位素N 实验证明。将大肠杆菌培养在以15NH4Cl 为惟一氮源的培养基中,经多代之后,细 胞内所形成的DNA都为15N所标记。收集 细胞并抽提出DNA,然后进行氯化铯平衡 密度梯度离心。这时DNA形成单一的浮力 密度为1.724g/m1的条带,而对照是在普 通14N培养基中生长的大肠杆菌,其DNA 浮力密度较低,为1.710g/ml。现在将15N 氮源培养的大肠杆菌转移到含14N的培养
270 链是互补的。在 DNA 复制时，亲代 DNA 的双螺旋先行解旋和分开，然后以每条链 为模板，按照碱基配对原则，在这两条链 上各形成一条互补链。这样，由亲代 DNA 的分子可以精确地复制出2 个子代 DNA 分 子。每个子代 DNA 分子中有一条链是从亲 代 DNA 来的，另一条则是新形成的，这叫 做 半 保 留 复 制 (semiconservative replication) (图 11-2)。这个半保留复制首 先由 Meselson 与 Stahl (1958)用同位素 15N 实验证明。将大肠杆菌培养在以 15NH4Cl 为惟一氮源的培养基中，经多代之后，细 胞内所形成的 DNA 都为 15N 所标记。收集 细胞并抽提出 DNA，然后进行氯化铯平衡 密度梯度离心。这时 DNA 形成单一的浮力 密度为 1.724g／ml 的条带，而对照是在普 通 14N 培养基中生长的大肠杆菌，其 DNA 浮力密度较低，为 1.710g／ml。现在将 15N 氮源培养的大肠杆菌转移到含 14N 的培养
基中生长,每隔一段时间取样测定DNA的 浮力密度。经一代之后,DNA只出现一条 区带,浮力密度为1.717g/m,位于1N DNA和14N—DNA之间,这条区带的DNA 是由14N/15N-DNA组成的。经二代之后, 出现两条区带,其浮力密度分别为1.710g /m和1.717g/m,即一条区带为14N/ 14N一DNA,另一条区带为1N/15N-DNA 再继续培养,1N/14N一DNA分子逐渐增 多,而14N/15NDNA分子所占的比例逐 渐减少。这些结果及其解释可用图11-3表 示。这个试验结果证明DNA是以半保留方 式进行复制的。以后用其他细菌、动物、 植物、噬菌体、动物病毒等也证明了DNA 的半保留复制。DNA的半保留复制可以使 遗传信息的传递保持相对的稳定,这和它 的遗传功能是相吻合的,说明半保留复制 具有重要的生物学意义。但是这种稳定性 是相对的。在一定条件下,DNA会发生损 271
271 基中生长，每隔一段时间取样测定 DNA 的 浮力密度。经一代之后，DNA 只出现一条 区带，浮力密度为 1.7l7g／ml，位于 15N— DNA 和 14N—DNA 之间，这条区带的 DNA 是由 14N／15N—DNA 组成的。经二代之后， 出现两条区带，其浮力密度分别为 1.710g ／ml 和 1.717g／ml，即一条区带为 14N／ 14N—DNA，另一条区带为 14N／15N -DNA。 再继续培养，14N／14N—DNA 分子逐渐增 多，而 14N／15N—DNA 分子所占的比例逐 渐减少。这些结果及其解释可用图 11-3 表 示。这个试验结果证明 DNA 是以半保留方 式进行复制的。以后用其他细菌、动物、 植物、噬菌体、动物病毒等也证明了 DNA 的半保留复制。DNA 的半保留复制可以使 遗传信息的传递保持相对的稳定，这和它 的遗传功能是相吻合的，说明半保留复制 具有重要的生物学意义。但是这种稳定性 是相对的。在一定条件下，DNA 会发生损
伤,需要修复;在复制和转录中DNA会有 损耗,必须进行更新;在发育和分化过程 中,DNA特定序列可能修饰、删除、扩增 和重排。 与DNA复制有关的酶和蛋白质 DNA的合成是以四种三磷酸脱氧核糖 核苷为底物(四种NTP)的聚合反应,该 过程除了酶的催化之外,还需要以适量的 DNA为模板,以RNA(或DNA)为引物和 镁离子的参与。 nIdATP n2dGTP DNA聚合酶 DNA+(n+n2+n3+n4)PPi n3dCTP 模板DNA,Mg nadTTP 原料
272 伤，需要修复；在复制和转录中 DNA 会有 损耗，必须进行更新；在发育和分化过程 中，DNA 特定序列可能修饰、删除、扩增 和重排。 二、与 DNA 复制有关的酶和蛋白质 DNA的合成是以四种三磷酸脱氧核糖 核苷为底物（四种 NTP）的聚合反应，该 过程除了酶的催化之外，还需要以适量的 DNA 为模板，以 RNA(或 DNA)为引物和 镁离子的参与。 n1dATP + n2dGTP DNA 聚合酶 + DNA+ (n1+n2+n3+n4)PPi n3dCTP 模板 DNA, Mg2+ + n4dTTP 原 料 产 物
轻杂重 沉降方向链链链 DNA的组成 两条重链 对照DNA 两条轻链 对照DNA 轻链混 实际结果 分裂一次后 §§ 分裂三次后 8 图113证明DNA半保留复制的 Meselsen-Stahl实验图解 实际上,DNA合成的反应是很复杂的, 催化这个反应的酶也有多种,除DNA聚合 酶外,还有RNA引物合成酶(即引发酶)、 DNA连接酶、拓扑异构酶、解螺旋酶及多 种蛋白质因子参与。现将与DNA合成有关 的几种酶和蛋白质因子扼要介绍如下; 1.引物合成酶(亦称引发酶, Primase) 273
273 图 11-3 证明 DNA 半保留复制的 Meselsen-Stahl 实验图解 实际上，DNA合成的反应是很复杂的， 催化这个反应的酶也有多种，除 DNA 聚合 酶外，还有 RNA 引物合成酶(即引发酶)、 DNA 连接酶、拓扑异构酶、解螺旋酶及多 种蛋白质因子参与。现将与 DNA 合成有关 的几种酶和蛋白质因子扼要介绍如下； 1． 引物合成酶(亦称引发酶，Primase) 轻杂重 合 沉降方向链链链 亲代DNA （两条重链） 对照DNA （两条轻链） 对照DNA （两条重链和 轻链混合） 实际结果 分裂一次后 的DNA 分裂二次后 的DNA 分裂三次后 的DNA DNA的组成
此酶以DNA为模板合成一段RNA, 这段RNA作为合成DNA的引物( Primer) 催化引物RNA合成的酶对利福平 ( rifampicin)不敏感,而且在一定程度上可 用脱氧核糖核苷酸代替核糖核苷酸作为底 物,而与经典的RNA聚合酶不同。大肠杆 菌的引物酶为一条单链多肽,分子量为60 000。 2.DNA聚合酶 DNA polymerase) 目前已知的DNA聚合酶有多种,它们 的性状和在DNA合成中的功能均不相同。 在大肠杆菌中发现有3种DNA聚合酶,分 别称为DNA聚合酶I、Ⅱ、Ⅲ。DNA聚合 酶I最初是在1955年由 Kornberg在大肠杆 菌内发现的。 Kornberg将其进行了高度纯 化。纯化的酶是一条单链多肽,呈球状, 直径约为65mm,是DNA直径的3倍左右。 相对分子质量为109000。每个分子含一个 锌原子。这个锌原子与酶的催化作用有关
274 此酶以 DNA 为模板合成一段 RNA， 这段 RNA 作为合成 DNA 的引物(Primer)。 催化引物 RNA 合 成 的 酶 对利福平 (rifampicin)不敏感，而且在一定程度上可 用脱氧核糖核苷酸代替核糖核苷酸作为底 物，而与经典的 RNA 聚合酶不同。大肠杆 菌的引物酶为一条单链多肽，分子量为 60 000。 2． DNA 聚合酶(DNApolymerase) 目前已知的 DNA 聚合酶有多种，它们 的性状和在 DNA 合成中的功能均不相同。 在大肠杆菌中发现有 3 种 DNA 聚合酶，分 别称为 DNA 聚合酶 I、Ⅱ、Ⅲ。DNA 聚合 酶 I 最初是在 1955 年由 Kornberg 在大肠杆 菌内发现的。Kornberg 将其进行了高度纯 化。纯化的酶是一条单链多肽，呈球状， 直径约为 6.5nm，是 DNA 直径的 3 倍左右。 相对分子质量为 109 000。每个分子含一个 锌原子。这个锌原子与酶的催化作用有关
DNA聚合酶I是多功能酶: (1)、它具有5′→3′聚合酶功能,形成 3′,5′一磷酸二脂键,DNA聚合酶 都不能从无到有开始合成DNA链,只 能在已有引物的3′端游离一OH上 合成延伸DNA,合成延伸方向为5′ 3′; (2)、5′→3′外切酶作用。 A、它的主要功能是对DNA损伤的修复; B、以及在DNA复制时,填补RNA引物 切除后留下的空隙; (3)、3′→5′外切酶的活性,在正常聚合 条件下此酶活性很低,一旦出现碱基 错配,则聚合反应停止,此酶活性增 强,它被认为具有校对的功能; 当有底物和模板存在时,DNA聚合酶I 可将脱氧核糖核苷酸逐个地加到具有3′ OH末端的多核苷酸(RNA引物或DNA) 链上形成3′,5′—磷酸二脂键(图11-4) 275
275 DNA 聚合酶 I 是多功能酶： （1）、它具有 5′ →3′聚合酶功能，形成 3′ ，5′—磷酸二脂键，DNA 聚合酶 都不能从无到有开始合成 DNA 链，只 能在已有引物的 3′端游离—OH 上 合成延伸 DNA，合成延伸方向为 5′ →3′ ； （2）、5′→3′外切酶作用。 A、它的主要功能是对 DNA 损伤的修复； B、以及在 DNA 复制时，填补 RNA 引物 切除后留下的空隙； （3）、3′→5′外切酶的活性，在正常聚合 条件下此酶活性很低，一旦出现碱基 错配，则聚合反应停止，此酶活性增 强，它被认为具有校对的功能； 当有底物和模板存在时，DNA 聚合酶 I 可将脱氧核糖核苷酸逐个地加到具有 3′ —OH 末端的多核苷酸(RNA 引物或 DNA) 链上形成 3′ ，5′—磷酸二脂键(图 11-4)
至今已发现的DNA聚合酶都不能从无到 有开始合成DNA链,只能在已有引物的 3′端游离一OH上合成延伸DNA,合成延 伸方向为5′→3′。该酶具有3′→5′核 酸外切酶的活性,能在3′-OH端将DNA 链水解。在正常聚合条件下,3′→5′外 切酶活性很低。一旦出现碱基错配,则聚 合反应停止,由3′→5′外切酶将错配的 核苷酸切除,然后继续进行正常的聚合反 立。3′→5′核酸外切酶被认为具有校对 的功能。5′→3′核酸外切酶的功能是由 5′端水解双链DNA,切下单核苷酸或 段寡核苷酸。它可能起着切除DNA损伤 部分或将5′端RNA引物切除的作用 DNA聚合酶Ⅰ在细胞中担负着多种功能, 如双链缺口的填补,单股链的置换合成, 具有引物的环形、线形单股链的合成
276 至今已发现的 DNA 聚合酶都不能从无到 有开始合成 DNA 链，只能在已有引物的 3′端游离—OH 上合成延伸 DNA，合成延 伸方向为 5′→3′。该酶具有 3′→5′核 酸外切酶的活性，能在 3′—OH 端将 DNA 链水解。在正常聚合条件下，3′→5′外 切酶活性很低。一旦出现碱基错配，则聚 合反应停止，由 3′→5′外切酶将错配的 核苷酸切除，然后继续进行正常的聚合反 应。3′→5′核酸外切酶被认为具有校对 的功能。5′→3′核酸外切酶的功能是由 5′端水解双链 DNA，切下单核苷酸或一 段寡核苷酸。它可能起着切除 DNA 损伤 部分或将 5′端 RNA 引物切除的作用。 DNA 聚合酶 I 在细胞中担负着多种功能， 如双链缺口的填补，单股链的置换合成， 具有引物的环形、线形单股链的合成