2022年遗传的分子基础 .pdf

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1、第三章遗传的分子基础众所周知，基因位于染色体上，或者说染色体是基因的载体。而染色体主要是由 DNA 和蛋白质组成的，那么基因的本质是什么？ 1944年，Avery证实了遗传物质是DNA ，从此 DNA 就成为遗传学和分子生物学的研究中心。后来，又发现某些病毒不含DNA ，在这些生物中遗传物质只能是RNA 。这些遗传物质将遗传信息通过复制而繁殖，通过转录、翻译将信息表达出来，形成蛋白质，从而表达出性状。第一节遗传物质是 DNA （或RNA）核酸（ DNA 和RNA ）是生物体内的一种大分子化合物，由于最初是从细胞核中分离出来的，呈酸性，故称为核酸。但后来研究表明，核酸不仅存在于细胞核内，也存在于

2、细胞质中，如线粒体和叶绿体中都有 DNA 。自然界所有的生物都含有核酸，可以说没有核酸就没有生命。一、作为遗传物质必须具备的条件由于染色体上既有蛋白质又有DNA 和RNA ，作为遗传物质必须满足以下条件：1能贮存、携带大量的遗传信息，并能正确地表达：将遗传信息转变为生物体内其他大分子物质，最终指导产生细胞内各类有机物。2必须能自我复制：而且能将遗传信息从细胞到细胞、从上代到下代正确地传递。当然，这种传递主要是通过遗传物质的正确复制来完成的。3结构必须相对稳定，只有在特殊情况下能产生遗传性变异：现已了解到变异是通过基因的重组（recombination）和突变（ mutation）实现的，重组所

3、发生的变异是温和的，而且经常发名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 49 页 - - - - - - - - - 生；突变的频率很低，常产生有害的影响。4在细胞分裂时能均匀地分配。对染色体组成进行分析表明，蛋白质的结构虽然复杂，能携带大量的信息，但至今还没有确切证据证明蛋白质能自我复制，所以不能认为是遗传物质。经近几十年的研究，直接或间接地证实了核酸具备上述 4个条件，所以是遗传物质。二、核酸是遗传物质的间接证据1所有的生物都有核酸，但不一定都有蛋白质。例如类病

4、毒是由核酸分子构成，并不含有蛋白质。2在同一种生物的不同组织中，每一细胞核的DNA 含量基本相同，而配子的 DNA 含量恰好是体细胞的一半（表3-1）。表3-1 几种生物细胞中的DNA 含量（单位：10-6微克）生物种类肾细胞肝细胞红细胞精子家 鸡 2.4 2.5 2.5 1.3牛 6.4 6.4 3.3鲤 鱼 3.0 3.3 1.6人 5.6 5.6 2.53核酸是一种线状结构，是由4种核苷酸聚合而成的生物大分子，由于4种核苷酸的随机排列，它可携带大量的遗传信息。4能改变 DNA结构的各种因素都可引起基因突变或染色体变异。如诱发生物产生突变的紫外线最有效的波长是260nm，而 DNA吸收紫外

5、线最多的波长也是260nm。亚硝酸诱发突变也是由于它能破坏DNA 分子的碱基结构，使碱基配对错误或DNA的复制发生改变。三、核酸是遗传物质的直接证据上述间接证据只能说明核酸可作为遗传物质，下列3个经典试验证明核酸可控制性状的发育。1肺炎双球菌的转化肺炎双球菌（ Diplococcus pnerumoniae）有2种不同的类型：一种是光滑型（ S型），细胞被一层多糖类胶状膜 荚膜所保护，使它们可以不被宿主的正常防护机构所破坏，具有毒性，菌株能引起人的肺炎和小鼠的败血症，它们在培养基上形成光滑的菌落。另一种是粗糙型（R型），没有荚膜，不引起人的肺炎和小鼠的败血症，在培养基上形成粗糙的菌落。R型与S

6、型的各种抗原型都比较名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 49 页 - - - - - - - - - 稳定，在一般情况下不发生互变。在1928年， Griffith 发现用高温杀死的S型细菌和活的无毒的R型细菌注射到小鼠体内，不仅很多小鼠因败血症而死亡，而且从它们心脏血液中找到了活的S型细菌。活的 R型细菌或死的R型细菌分别注射小鼠时，都不引起败血症（表3-2，图3-1）。这说明S型肺炎双球菌必然含有某种促成这一转变的活性物质。但当时并不知道这种物质是什么。表

7、3-2 肺炎双球菌的转化试验转化源小鼠的反应提取物的类型S型菌败血症 S型菌R型菌健康 死S型菌 + R型菌败血症 S型菌S型蛋白质 +R型菌健康 S型DNA+R 型菌败血症 S型菌16年后，Avery 0.T.（1944）等用生物化学方法证明这种活性物质是 DNA 。他们不仅成功地重复了Griffith 的试验，而且他们把活的 S细菌中的 DNA 、蛋白质和荚膜物质提取出来，然后分别与活的 R型细菌混合，结果发现，只有DNA 能使R型细菌转变为 S型。之所以确认导致转化的物质是DNA ，是因为该提取物不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酸酶的影响，而只能为 DNA 酶所破坏。最后还证明， DNA 纯度

8、越高，转化效果越明显。结论：肺炎双球菌的遗传物质是DNA 。2噬菌体的侵染与繁殖Hershey和Chase 1952年用同位素32P和35S分别标记 T2噬菌体的 DNA 与蛋白质。因为磷是 DNA 的组分，蛋白质中无磷；而硫是蛋白质的组分，并不存在于 DNA 。然后用标记的 T2噬菌体（32P或35S）分别感染大肠杆菌，经10min后，用搅拌器甩掉附着于细胞外面的噬菌体外壳。发现在用32P标记的情况下，基本上全部放射性见于细菌内而不被甩掉并可传递给子代。在用35S标记的下，放射性大部分见于被甩掉的外壳中，细菌内很少或没有放射性，且不能传递给子代（图 3-2）。这样看来，主要是由于 DNA 进

9、入细胞内才产生完整的噬菌体。所以说 DNA 是在世代传递上控制性状发育的遗传物质。3烟草花叶病毒的重建名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 49 页 - - - - - - - - - 烟草花叶病毒（ tobacco mosaic virus，TMV ）是由 RNA（不是DNA ）与蛋白质组成的管状微粒，它的中心是单螺旋的RNA ，外部是由蛋白质组成的外壳。如果将TMV 的RNA 与蛋白质分开，把提纯的 RNA接种到烟叶上，可以形成新的 TMV而使烟草发病；单纯

10、利用它的蛋白质接种，就不能形成新的 TMV ，烟草继续保持健壮。如果事先用RNA酶处理提纯的 RNA ，再接种到烟草上，也不能产生新的 TMV。这说明在不含DNA 的TMV中，RNA 就是遗传物质。Rraenkel-Conrat H.和Singer B.把2种病毒分离，然后交叉混合，再感染烟草。结果是，如果把TMV 的RNA 和另一种病毒 霍氏车前病毒（ Holmes ribgrass，HR）的蛋白质混合感染，烟草叶片出现TMV 特征；若用 HR的RNA 与TMV 的蛋白质混合感染，则烟草叶片表现出HRV 的特征（图 3-3）。从这个试验中看到，在无DNA 的生物中， RNA 是遗传物质。综上

11、所述，遗传物质主要是DNA ，有时是 RNA 。第二节核酸的结构和复制核酸存在于一切活细胞或病毒中，核酸可分为DNA 和RNA 2类。一、核酸的分子组成核酸（ nucleic acid，NA）是一种高分子的化合物，组成核酸的基本单位是核苷酸（nucleotide，Nt），每个核苷酸包括 3部分：五碳糖、磷酸和环状的含氮碱基；这种碱基包括双环结构的嘌呤（purine）和单环结构的嘧啶（pyrimidine ）。两个核苷酸之间由3 和5 位的磷酸二酯键相连。核酸也可称为多聚核苷酸（polynucleotide ）。核酸水解产生核苷酸，核苷酸水解产生核苷（nucleoside）和磷酸，核苷进一步水解

12、成五碳糖和含氮碱基。核酸的分子组成如图3-4、5所示。腺嘌呤和脱氧核糖结合成脱氧腺苷，核苷再与磷酸结合形成核苷酸，称为脱氧核苷-5-磷酸或脱氧腺苷酸，简称腺苷酸。其他核苷酸的名称或来源都可依此类推。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 49 页 - - - - - - - - - 4种碱基（ A、G、C、T）+ 脱氧核糖 脱氧核苷 + 磷酸 4 种脱氧核苷酸 n个脱氧核苷酸聚合 单链 DNA 互补成双链 DNA4种碱基（ A、G、C、U）+ 核糖 核苷+磷酸 4

13、 种核苷酸 n 个核糖核苷酸聚合 RNA图 3-4 核酸的分子组成二、 DNA 的分子结构DNA 分子结构是 J.D.Watson和F.H.C.Crick （1953）首先阐明的。他们是依据一些前人所得出的证据而提出的DNA 双螺旋结构1提出 DNA 双螺旋证据（1）DNA 是一条许多脱氧核苷酸构成的长链：在Watson和Crick 之前已经证实 DNA 的一级结构是由许多脱氧核苷酸构成的长链，自然界的DNA 并不以单链存在，而是以 2条或 2条以上的链通过某种方式结合的形式存在。DNA 分子是细长的，而且有一定的坚硬度，因此与水形成十分粘稠的溶液。（2）Chargaff（19491951）研

14、究不同生物的 DNA 得到以下实验结果： 嘧啶核苷酸的总数（T+C量）总是等于嘌呤核苷酸的总数（A+G量）； A量总是等于T量，G量总是等于 C量，但A+T 的量不一定等于 G+C的量。（3）根据 R.Franklin等关于 DNA 晶体的 X射线衍射分析表明，DNA是由许多亚单位叠合在一起构成的，每一层的间距是 0.34nm，还表明 DNA 是一个长链高分子，在整个线状分子的长度上，分子的直径是衡定的。2 DNA 双螺旋的分子结构根据以上试验证据，Watson和Crick提出了 DNA 双螺旋模型，这个模型的结构要点如下（图3-6）：（1）DNA 分子是两条成对的多核苷酸链，以双螺旋的方式按

15、一定空间距离相互平行盘绕：其中每条多核苷酸链都是DNA 双链分子的半分子。每条单链都由相互交替连接的脱氧核糖和磷酸根所构成，而碱名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 49 页 - - - - - - - - - 基则是跟戊糖 -磷酸链相垂直。一条链上的碱基与另一条链上的碱基以氢键相结合，因此，两条半分子长链从头至尾通过碱基对的氢键联系在一起。（2）两条半分子多核苷酸链方向相反：从图3-6看出单链 DNA 的戊糖-磷酸骨架在脱氧核糖和磷酸根之间是通过3-5磷酸二酯

16、键连接起来，前一个脱氧核糖 3 位碳原子与后一个糖分子5 碳原子上的磷酸根相连，因此它们是不对称、有极性的。如果每一单链的起始端是 5 位碳原子，那么末端必定是3位碳原子。如果把一条单链称为 53，另一条单链则为 35 。（3）两条链的碱基以严格的互补关系配对：即腺嘌呤（ A）一定与胸腺嘧啶（ T）配对，鸟嘌呤（ G）一定与胞嘧啶（ C）配对，这称为碱基互补原则或Chargaff法则。在 DNA 分子中，A与T是以 2个氢键相连，G与C是以3个氢键相连（图 3-7）。所以，在含G-C碱基对多的片段，结构较牢固。根据碱基互补原则，若测知某条 DNA 分子的一种碱基的含量，即可求出其他 3种碱基的

17、含量。如在某种生物的 DNA 分子中，经测知含 15%的胞嘧啶，那么其他3种碱基的含量则为 G=15%，A=35% ，T=35%。（4）在 DNA 双螺旋中，各种空间距离非常固定：螺旋的直径是2nm（1nm=10-9m），每旋转 1圈的高度是 3.4nm，相邻的两对核苷酸（或碱基）对间的距离是0.34nm，即螺旋一圈含有 10对碱基。那么若已知某 DNA 的长度，就可求出该分子所含的核苷酸对数。例：大肠杆菌（ E .coli）的染色体是由 1100m的DNA 组成的，它包含多少对碱基？解：由于已知两核苷酸对间的距离为0.34nm，所以E.coli含有的核苷酸（碱基）对数为：1100103/ 0

18、.34 =3.235106（对）例：人类单倍体细胞中约有3109对核苷酸，二倍体细胞中 DNA 的长度应为多少？解：两碱基对间相距 0.34nm 人的二倍体细胞中 DNA 总长度为：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 49 页 - - - - - - - - - 31090.3410-92 = 2.04（米）。（5）4种碱基在 1条DNA 单链上可随机排列：从A、G、C、T4种碱基中任选 2种在一条单链上作全排列的形式就有42 =16种，即AA、AT、AG、A

19、C、GA、GT、GC、GG、CA、CG、CC、CT、TA、TG、TC、TT。假设一条 DNA 单链含有 100个核苷酸，按全排列方式推算，应有4100种不同的排列结构，可见数目是非常大的。现已知大多数生物体的基因约含 1000对碱基，而基因数一般在千、万个以上，所以DNA 分子内贮存的遗传信息是相当丰富的。（6）不同物种 DNA 的4种碱基含量各不相同（表3-3）表3-3 不同物种中 DNA 的碱基成分百分比物 种鸟嘌呤 (G) 腺嘌呤 (A) 胞嘧啶 (C) 胸腺嘧啶 (T) A+G/A+C G+C/A+T人 19.9 30.9 19.8 29.4 1.03 0.66小麦 23.8 25.6

20、 24.6 26.0 0.97 0.94洋葱 18.4 31.8 18.2 31.3 1.01 0.58菜豆 20.6 29.7 20.1 29.6 1.01 0.69酵母 18.3 31.7 17.4 32.6 1.00 0.56大肠杆菌 26.0 24.7 25.7 23.6 1.02 1.07 T2 噬菌体 18.2 32.5 16.8 32.5 1.02 0.543DNA 结构的变异类型近年来发现 DNA 的构型并不是固定不变的，除主要以Crick和Watson提出的的右手双螺旋构型存在外，还有许多变型。所以现在一般将Crick和Watson提出的双螺旋构型称为 B-DNA 。这种 B

21、-DNA 是DNA 正常生理状态下的构型。活细胞中绝大多数DNA是B-DNA 。但当外界环境条件发生变化时，DNA 的构型也会发生变化。当 DNA 在高盐浓度下时，则以A-DNA 形式存在。A-DNA是DNA 的脱水构型，它也是右手螺旋，但每螺旋一圈含有11个核苷酸对。 A-DNA 比较短和密，其平均直径为 2.3nm。大沟深而窄，小沟宽而浅。在活体内DNA并不以 A构型存在，但细胞内DNA-RNA 或RNA-RNA 双螺旋结构，却与A-DNA 非常相似。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - -

22、- - - - 第 7 页，共 49 页 - - - - - - - - - 现在还发现，某些 DNA 序列可以以左手螺旋的形式存在，称为Z-DNA （图 3-8）。某些 DNA 序列富含 G-C，并且在嘌呤和嘧啶交替出现时，可形成 Z-DNA 。Z-DNA 除左手螺旋外，每螺旋含有 12对碱基，分子直径为 1.8nm，只有一个深沟。表 3-4 3 种DNA 结构的差异双螺旋碱基倾角 ( ) 碱基间距 /nm 碱基直径 /nm 每轮碱基数螺旋方向 A-DNA 20 0.26 2.3 11 右 B-DNA 6 0.34 2.0 10 右 Z-DNA 7 0.37 1.8 12 左DNA 结构除上

23、述构型变化外，在体内还以正超螺旋的形式存在。从病毒到高等生物，DNA 在生物体内均表现为负超螺旋（negative supercoil）形式。负超螺旋是DNA 复制过程中，在拓扑异构酶（topoisomerase）和溴乙锭的存在下形成的。现在已有很多证据表明，这种负超螺旋结构与DNA 复制、重组以及基因的表达和调控有关。而正、负超螺旋的变化反映了DNA 在不同环境条件的变化。三、 RNA 的分子结构至于 RNA 的分子结构，就其化学组成上看，也是由 4种核苷酸组成的多聚体。它与DNA不同，首先在于以U代替了 T，其次是用核糖代替了脱氧核糖，再次是绝大部分 RNA 以单链形式存在，但可以折叠起来

24、形成若干双链区域。在这些区域内，凡互补的碱基对间可以形成氢键（图3-9）。有一些以 RNA 为遗传物质的动物病毒含有双链 RNA。RNA 分子结构的研究比 DNA 晚，这是因为细胞中的 DNA 比RNA 较稳定。现已知 RNA 大致分为 3类，即mRNA、tRNA、rRNA ，但它们的结构却干差万别，长度也不一样。它们的结构特点主要有以下几方面：（1）RNA 一般是单链结构，骨架是由核糖和磷酸分子间隔排列构名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 49 页 - -

25、- - - - - - - 成的，碱基与核糖相连。（2）有些 RNA 常以碱基配对的形式卷曲起来，形成多种空间结构。例如 tRNA 可形成三叶草结构，rRNA 也可拆叠，但mRNA 多以线状形式存在。（3）4种碱基在 RNA 分子中的排列依DNA的碱基顺序而定，由于它是以 DNA 为模板转录来的，所以也可蕴藏着丰富的遗传信息。四、两种核酸的区别经过分析， DNA 和RNA 既有相同处，又有不同处。其共同点是：都是由核苷酸组成的多聚体，且是长链大分子；4种碱基在一条单链上可随机排列，可形成 4n 种排列方式，也能贮存大量的遗传信息。然而，2种核酸也存在着多方面的差异。主要表现在：1组成核酸的糖分

26、子不同DNA 是脱氧核糖；而RNA 是核糖。2构成核酸的碱基不同DNA 含有A、G、C、T 4种碱基；RNA 中除主要含有 A、G、C、U 4种碱基外，还含有少量的稀有碱基，如甲基化的碱基和假尿嘧啶等。3多聚核苷酸链的结构不同DNA 通常是双链，以双螺旋的方式形成主体结构，只在少数病毒中有单链 DNA ；而 RNA 通常是单链结构， tRNA 可在多点上进行折叠，但在极少数病毒中，也有双链 RNA 。4产生的途径不同DNA 常由半保留复制方式产生，只在极少数病毒中，由一种反转录酶，以RNA为模板，反转录出单链 DNA ，继而再互补成双链DNA （cDNA ）；而 RNA常是以 DNA 为模板转

27、录产生的，但在极少数病毒中也可以通过复制而产生。5在真核生物细胞内存在的部位不同DNA 多位于细胞核内，只有很少一部分存在于细胞质中，而且主名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 49 页 - - - - - - - - - 要分布在叶绿体和线粒体内。RNA多存在于细胞质中，如rRNA 与蛋白质结合成核糖体， tRNA 存在于细胞质基质内，可携带氨基酸，仅有少部分留在细胞核内，成为染色体的组成成分及形成核仁等。6行使的功能不同DNA 通过复制可把遗传信息贮存并传递

28、给子代，通过转录将信息传递给 RNA；而mRNA 可作为蛋白质合成的模板，rRNA 与蛋白质结合成核糖体，是蛋白质合成的场所，tRNA 可携带氨基酸，并将氨基酸安放在mRNA 的特定位置上，它们共同作用将核酸的信息转译成蛋白质。五、 DNA 的复制（ DNA replication ）绝大多数 DNA 的复制是在细胞分裂间期的S期中进行。复制的简要过程是： DNA 双链分子的碱基对间的氢键逐步脱开，两条多核苷酸链彼此逐渐分开；双链一面分开，一面以每一条单链为模板各自将对应的核苷酸聚合起来； 新核苷酸链与原有的多核苷酸链形成新的双螺旋。这样，在DNA 聚合酶和其他多种酶的作用下，一个DNA 分子

29、就复制为两个结构上完全相同的DNA 分子（图 3-10）。亲代 DNA 分子 (1)的螺旋打开，每一条链作为新链合成的模板(2),最后形成两条相同的新DNA 分子 (3)1DNA 复制是半保留方式DNA 复制所产生的两条新DNA 分子与原来的 DNA 分子完全相同。由于每条子代 DNA 分子的两条核苷酸链中，一条来自亲 DNA 分子，另一条是新合成的，所以这种复制方式称为半保留复制（semi-conservative replication）。关于半保留复制方式的机理最初是 Watson和Crick（1953）根据实验提出的模型。在 1958年Meselson 和Stahl用实验证实了这一设想

30、。他们采用了氯化绝离心实验（图 3-11）。把大肠杆菌在含15N的NH4Cl的培养基中培养 15代，使所有的细菌DNA 都被15N标记，然后把细菌迅速转移至含14N的NH4Cl的培养基中培养，在不同间隔时间取出样品，将细胞裂解，把裂解液放在CsCl密名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 49 页 - - - - - - - - - 度梯度中离心（60000转/分，48小时）。由于在超速离心时，Cl 和Cs+被强大的离心力抛向离心管底部，但离子扩散力又使这些离子

31、上浮，2种相反力达到平衡时，在离心管中形成 CsCl分布梯度，从离心管顶端往下浓度逐渐递增，越向下密度越大。不同的 DNA 分子将按照各自的密度停留在相应的密度的某一位置上，形成一条带。在正常情况下，可以在紫外光下观察到不同密度的DNA 分子不同位置上形成区带。当把所有的细菌分别进行离心后发现，经15N标记的 DNA 在离心管下层形成一条带（下层带）；经在14N中培养一代的 DNA ，由于含有一重链（15N）和一轻链（14N），结果有有一条带，位于15N和14N的带之间（中间带）；而在14N中生长两代的 DNA ，又经过了一次复制，形成一条l4N/15N 杂种分子（中间带）和一个14N/14N

32、的轻分子（上层带），即在离心管中形成 2 条带：一条带位于14N和15N中间，另一条同14N带相一致。这样就证明了 DNA 复制是半保留的，并有力地否定了 DNA 的全保留和不保留等复制方式。2DNA 复制的方向是按 5 3 进行的复制过程中，新加入的脱氧核苷三磷酸（dNTP）总是以它的 5 位磷酸与 DNA 链上3 端的OH-缩合脱去焦磷酸，形成了 3 磷酸酯键。也就是说， DNA 新链的延伸生长总是在3 端。那么复制方向总是 53。3DNA 复制所需的各种酶DNA 复制是一个非常复杂的酶促过程，它需要30多种酶和蛋白质共同作用。人们常把这些酶和蛋白质称为复制体系，其中一部分酶和蛋白质结合在

33、一起，协同动作，构成复杂的复制体系 复制体（ replisome）。（1）DNA 聚合酶（ DNA polymerase ）DNA 聚合酶在不同的生物中其结构、功能各不相同（表3-5）。表 3-5 3种大肠杆菌 DNA 聚合酶的性质比较。性质聚合酶聚合酶聚合酶3 5外切校正 + + + 5 3外切校正 + 新生链的合成或聚合 +相对分子质量 /103 103 90 900细胞内分子数 400 ？ 1020生物学活性 1 0.05 15名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1

34、1 页，共 49 页 - - - - - - - - - 已知的结构基因 polA pol B polC （dnaE、N、Z、X、Q等）在真核细胞中主要有5种DNA 聚合酶，分别称为DNA 聚合酶 、 、 、 和 ，其特性如表 3-6。真核细胞的 DNA 聚合酶和细菌 DNA 聚合酶基本性质相同，均以dNTP为底物，需 Mg2+ 激活，聚合时必须有模板链和具有3-OH 末端的引物链，链的延伸方向为53。但真核细胞的 DNA 聚合酶一般都不具有核酸外切酶活性，推测一定有另外的酶在DNA 复制中起校对作用。真核生物中的 DNA 聚合酶 的功能主要是引物合成； 活性水平稳定，可能主要在DNA 损伤的

35、修复中起作用； 主要负责 DNA 复制的酶，参与前导链和后随链的合成； 的主要功能可能是去掉RNA 引物后把缺口补全。表 3-6 真核生物 DNA 聚合酶的特性比较性质聚合酶 聚合酶 聚合酶 聚合酶 聚合酶3 5外切校正无无有有有 5 3外切校正无无无无无功能 DNA引物合成损伤修复 mtDNA 复制核DNA 复制核DNA 复制在细胞内分布核内核内线粒体核内核内（?）亚基数 4 1 2 23 1（2）DNA 连接酶DNA 聚合酶虽能充填缺口，甚至聚合了很长的DNA 互补链，但都无法使缺口接合，只有DNA 连接酶可以完成这一任务。在当缺口的3-OH和5-P相邻并且各自的碱基处于配对状态时， DN

36、A 连接酶才能起作用（图3-12）。由于连接反应是在3-OH和5-P之间进行。因此必须水解ATP或NAD 供应能量，真核生物中连接酶使用ATP，E.coli使用 NAD 。（3）螺旋酶（ helicases）或解旋酶是促进 DNA 的两条互补链分离的一类酶，细胞中含有多种螺旋酶。它们的功能相互重迭或平行。这大概是由于许多反应都需要 DNA 螺旋的分离，特别是 DNA 复制这个精确度要求特高的反应更是如此。绝大多数螺旋酶在解链过程中都需要水解ATP供应能量，它们具有依赖于 DNA 的ATPase活性。螺旋酶可以分为两类：一类是反应后酶分子按化学计量方式与产物单链 DNA 结合，如螺旋酶螺旋酶，另

37、一类是仅仅催化 DNA 双链的分离，它们常与单链 DNA 结合蛋白（简称 SSB 蛋白）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 49 页 - - - - - - - - - 配合，以防止链间或链内 “ 退火”。如E.coli的rep蛋白，螺旋酶，T4的基因 4蛋白等。人们相信，在E. coli中rep蛋白是最主要的螺旋酶，它解开一个碱基对，需要水解 2个ATP分子。（4）DNA 旋转酶是大肠杆菌中重要的拓扑异构酶，大多数天然 DNA 都具有负超螺旋，它不但可以变

38、为泡状单链形式，有利于许多蛋白质的结合，而且在复制的开始阶段，可以缓解由于复制叉的移动而造成的超缠现象。DNA 旋转酶有 4个亚基，两个-亚基和两个 - 亚基。DNA 断裂后，两个 5-P末端共价连接于两个-亚基。这样，断裂双链 DNA 两端连接于同一个酶分子上，而不致于造成开环；另一方面，它储藏了磷酸二酯键断裂所释放出来的能量。在转变符号后重新连接时不再 需要活化。然而，这一过程仍要消耗 ATP。（5）单链结合蛋白（SSB蛋白， single strand bindingprotein）这是四聚体结构，单体有177个氨基酸，每个真核细胞中有800多个拷贝。其作用主要是：参与DNA 复制引发体

39、的组装；消除使 pol 停止前进的二级结构；促进大肠杆菌pol、pol的活性；能提高DNA 复制的忠实性。避免单链退火或形成链内氢键，单链区必须与SSB蛋白结合。（6）RNA 聚合酶主要是在 DNA 复制时，先由它产生一段RNA 引物。进而才在 DAN 聚合酶的作用下合成DNA ，真正进行 DNA 复制。4复制的半不连续性DNA 复制时，在解旋酶的作用下，双链解开，每条单链都作为模板，合成新链。这时，一条新链可以按53方向进行连续复制。但另条链的合成不能按35进行，必然仍按53方向进行。1968年，日本的遗传学家冈崎（ Okazaki）利用3H胸腺嘧啶标记大肠杆菌，发现这条链的合成是不连续的。

40、实际上，随着复制叉的延伸，双链DNA 分段逐渐解开，其中一条链连续复制，另一条链也按名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 49 页 - - - - - - - - - 5 3方向合成新链片段，即冈崎片段（ Okazaki fragment），然后这些片段再由连接酶接成一完整的单链（图3-13）。那么，紧随复制叉进行复制的一条单链称为前导链（leading strand ），另一条先合成冈崎片段，再连接成的单链称为后随链或延迟链（laggingstrand）。实

41、验证明，在原核生物中（主要是细菌），每一冈崎片段约有10002000个核苷酸；在真核生物中，每一冈崎片段约长100200个核苷酸。5DNA 复制时需有 RNA做引物已知的 DNA 聚合酶都不能在复制时直接起始DNA 新链或冈崎片段的合成，只能在已有引物的 3-OH 上聚合核苷酸，延伸DNA 链。因此，在合成冈崎片段时，必须先借助 RNA 聚合酶，以 DNA 为模板，合成一小段 RNA （约含几十个核苷酸），叫做 “ 引物RNA ”。然后DNA 聚合酶再合成 DNA 片段。当整条链合成完毕或冈崎片段相连后，DNA 聚合酶I 再把 RNA 引物去掉，替换上相应的 DNA 片段，最后由DNA 连接酶

42、把片段完整地连接起来。6DNA 复制时具有特定的起始点和终止点（1）复制起点：经过电镜和其他方法证实，原核生物的 DNA 复制都只有一个起点，而且是双向进行的。这个复制起点（ origin ofreplication）通常用 ori或O表示。利用分子克隆的方法了解到，许多细菌的ori 区域的碱基顺序都十分保守，这段顺序约含有 200多个碱基对，经常出现回文对称结构，即反向重复顺序（inverted repeats ，IR），所以易与复制有关的蛋白质所识别。真核生物的DNA 复制也是从特定的区域开始，向2个方向等速进行的。与原核生物不同的是复制起点不是一个而是多个，甚至达上千个。（2）复制子：复

43、制从起点开始，双向进行，直到终点为止（图 3-14）。在 DNA 复制时，每个这样的DNA 复制单位称为复制单元或复制子（ rep1icon），这些复制子并不是同时开始复制，它们的激活各有不同的特定时刻。高等生物染色体上有数百至数万个复制子。如果蝇DNA 中约有 3500个复制子，在酵母中约有 500个。而大肠杆菌的DNA 只有一个复制子。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 49 页 - - - - - - - - - （3）终止子：从 DNA 复制起点开始

44、，经过延伸，到达终止点，完成一个复制子的复制。这个使复制结束的区域称为终止子（terminator）。但也有例外的情况，如在枯草杆菌中，复制从特定位点开始，但复制叉移动不对称，一个方向只移动 1/5DNA ，另一个方向移动 4/5 DNA ，最后相遇。7DNA 复制的高度准确性在大肠杆菌中，每复制 105个核苷酸可能出现一个误差，在真核生物中，DNA 复制出错率在 3109bp的基因中仅有 3个碱基发生错误。这种复制的准确性除了由互补碱基配对的严格性外，还有 DNA 聚合酶的校正功能。在原核生物中，某些DNA 聚合酶具有校正功能，如大肠杆菌的 DNA 聚合酶 I除了起聚合作用外，还具有 35的

45、外切酶活力，它能识别错配的碱基，切去错误的核苷酸，并安放正确的核苷酸。真核生物的DNA 聚合酶无校正功能，但另有其他机制来保证复制的准确性。校正机制主要有以下几种：（1）在复制中的校正：由DNA 聚合酶的 35 校正外切酶来进行。如果在引物链 3-OH 末端是错配的核苷酸，则不能作为有效的模板而继续延长。这时，DNA 聚合酶的 35校正外切酶把错配的核苷酸切掉。直到产生一个配对正确并具有3-OH 末端的引物链；然后才以53的合成活性使链继续延长。因此，DNA 聚合酶是种自我校正酶，在它沿着DNA 模板前进中随时去掉自己在聚合反应中所发生的错误。（2）复制后的二次校正：当经过第一次DNA 聚合酶

46、的 35外切酶的校正后，为了消除在复制了的新链中仍可能有的少量错误，将进行第二次校正。这二次校阅系统所识别的不是错配的具体的核苷酸，而是由于错配而造成的螺旋外部的扭曲。当识别出某扭曲位点后，必须准确地把新链中的错配核苷酸消除与校正（图3-15）。如果把作为复制模板的旧链中正确的核苷酸去掉，就会以错配链为模板而把错误固定下来，因而产生变异。(a) 模板链和新生链上不配对碱基及GATC 序列的甲基化状况; (b) 错配矫正酶结合于未甲基化的GATC 及同一条链上的错配碱基 ; (c) 错配矫正酶切除一段包含错配碱基的DNA; (d) 聚合酶进行缺口充填8DNA 复制类型的多样性根据DNA 合成的起

47、始方式，复制可分为多种类型。（1）复制叉式或 复制： DNA 在复制原点解开成单链状态，分别作为模板，各自合成其互补链，则出现两个叉子状的生长点，叫做复制名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 49 页 - - - - - - - - - 叉。具有双链环状 DNA 的细菌和病毒的 DNA 复制形状象希腊字母 ，因而称为 复制，又叫 Cairns复制（是由 Cairns首先发现的），其复制子称为Cairns分子。在 复制中同样有双向复制和单向复制（图3-16），大

48、多数生物为双向等速复制，也有少数双向不等速复制的情况。（2）滚环式复制（ rolling circ1e replication ）或 式复制：这种复制方式比较广泛，在噬菌体、病毒、线粒体和叶绿体DNA 、细菌质粒、两栖类卵母细胞核糖体基因扩增等都有该类DNA 复制方式。现以X174 噬菌体为例说明滚环式复制过程。X174 噬菌体的遗传物质是环形正链单链DNA，它可自身复制或转录，产生RNA，翻译成蛋白质等。当DNA进入宿主细胞后，先合成一条互补的负链，与正链配成双螺旋，从而形成了环状的双链DNA 。称为复制型（ RF）。复制开始时双链DNA 中的正链被一种限制性内切酶切开一个缺口，暴露出了 3

49、 末端和 5 末端。 5 末端可能固定在细胞的某种结构上，同时DNA 环进行滚动（图 3-17）。随着滚动，在DNA 聚合酶的作用下， 3 末端不断添上核苷酸而延长，为前导链； 5末端则连续延伸成一条尾巴。随后，以5 端尾巴为模板合成了互补DNA 链，从而使尾巴变成了 DNA 双螺旋，合成的互补链为后随链。后随链亦按不连续合成方式先合成冈崎片段，然后连接成整链。由于环形 DNA 多次循环滚动，这条双链尾巴可延伸达噬菌体DNA 长度的610倍。尾巴被内切酶依环状DNA 长度分割成若干段。每段的两条链均具有彼此形成互补关系的5 末端，称为粘性末端。粘性末端配对，形成环形双链 DNA 。然后，在连接

50、酶作用下，封闭缺口，形成完整的双螺旋 DNA 环。与其他复制方式相比，滚环式复制是一种快速的DNA 复制方式。（3）D环式复制（ D-loop replication ）：在线粒体和叶绿体DNA中除发现滚环式复制外，1977年 Jerome Vinograd 等人还发现了D环式复制。双螺旋的两条模板链并不同时进行复制，轻链（含嘧啶碱基较多的链）先开始复制，稍后重链再开始复制。当复制沿轻链开始时，重链上产生了 “D ”形环（图 3-18）。随着环形轻链复制的进行，D环逐渐增大，增大的方向为53。重链后来亦开始复制，复制以 53的方向名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - -