第12章  DNA的生物合成

 一、教学目的

学习DNA的生物合成，了解复制的特点、原核生物与真核生物复制的区别。

二、教学要求

（一）掌握DNA复制的特点和半保留复制、岗崎片段的概念；复制反应体系：底物，模板，参与DNA复制的酶，包括DNA聚合酶，解螺旋酶，拓扑酶，单链DNA结合蛋白，引物酶，DNA连接酶在复制中的作用。

（二）掌握逆转录及逆转录酶的概念及作用特点。

（三）熟悉DNA半保留复制的实验证据、复制全过程，原核生物及真核生物复制的主要区别，端粒酶的概念。

（四）了解逆转录是RNA病毒的复制形式。

三、教学内容

（一）复制的基本规律：半保留复制的实验依据和意义、双向复制、复制的半不连续性。

（二）DNA复制的酶学和拓扑学变化：复制的化学反应、DNA聚合酶、复制保真性的酶学依据、复制中的解链和DNA分子拓扑学变化、DNA连接酶。

（三）DNA生物合成过程：原核生物的DNA生物合成、真核生物的DNA生物合成。

（四）逆转录和其他复制方式：逆转录病毒和逆转录酶、逆转研究的意录义、滚环复制和D环复制。

二、名词解释

1.DNA聚合酶

答案：DNA聚合酶:DNA聚合酶即依赖DNA的DNA聚合酶(DNA- depentlentDNApoly merase),简称 DNA pol,是参与DNA复制最重要的酶。其催化的聚合反应是以碱基互补的规律按模板指引进行的,即只有当进入的核苷酸碱基与模板链对应的碱基互补配对时,才能催化形成磷酸二酯键。

2.semi-conservative replication

答案：半保留复制:DNA生物合成时,母链DNA解开为两股单链,各自作为模板按碱基配对规律合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA,一股单链从亲代完整地接受过来,另一股单链则完全重新合成。两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制。

3.semi-discontinuous replication

答案：半不连续复制:DNA双螺旋结构中一股单链的方向为5′→3′,另一股单链的方向为3′→5′。复制时,顺着解链方向生成的一股子链,其合成方向与解链方向相同,合成能连续进行,该链为前导链;而另一股子链的合成方向与解链方向相反,不能顺着解链方向连续延长,需等待模板链解开至一定长度后才能合成一段，然后又等待下一段模板暴露出来再合成，合成是不连续进行的,称为随从链。这种前导链连续复制而随从链不连续复制的方式称为半不连续复制。

4.Okazaki fragment

答案：冈崎片段:复制中,随从链的复制方向与解链方向相反,不能顺着解链方向连续延长。这种随从链中的不连续片段称为冈崎片段。

5.replicon

答案：复制子:指从一个DNA复制起点起始的DNA复制区域,它是一个独立复制单位,包括复制起点和终点。

难易程度：

6.leading strand

答案：前导链:指复制时顺着解链方向生成的子链,复制是连续进行的。

7.端粒

答案：指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构部分,由末端单链DNA序列和蛋白质构成,通常膨大成粒状。功能是维持染色体的稳定性和DNA复制的完整性。端粒结构的共同特点是
多次重复的富含G、T碱基的短序列。

8. reverse transcription

答案：逆转录:指在逆转录酶的催化下,以RNA为模板、dNTP为原料合成DNA的过程。由于该过程的信息传递方向是从RNA→DNA,与转录的方向相反,故称为逆转录。逆转录主要存在于逆转录病毒的生命周期之中。

三、填空题

1.在DNA生物合成过程中,复制方向与解链方向相同且连续合成的子链称为             ,另一条复制方向与解链方向相反且非连续合成的子链称为               。

答案：领头链；随从链；

2.原核生物和真核生物进行DNA复制主要都包括           、          、和           、等过程。

答案：起始；延长；终止；

3.原核生物DNA复制过程中延长子链的主要酶是            、真核生物DNA复制过程中延长子链的主要酶是            。

答案：DNA-polⅢ；DNA- polδ/DNA聚合酶δ；

4.线粒体DNA的复制方式叫作               。    

答案：D环复制

5.原核生物DNA聚合酶有            、            、            ，真核生物DNA聚合酶有           、            、           、            、和            5种。

答案：DNA-polⅠ；DNA-polⅡ；DNA-polⅢ；DNA polα；DNA polβ；DNA polγ；DNA polδ；DNA polε；

四、简答题

1.什么是生物遗传信息的中心法则?其信息传递的简要过程是怎样的?

答案：答：中心法则,是指遗传信息从DNA传递给RNA,再从RNA传递至蛋白质的信息传递规则,即完成遗传信息的转录和翻译的过程。此外,DNA的复制是遗传信息从DNA传递给DNA,逆转录是遗传信息从RNA传递给DNA。简要过程是DNA经复制后,基因以DNA为模板转录生成RNA,再以RNA为模板翻译为相应蛋自质,逆转录现象是指遗传信息可以从RNA经反转录为DNA再经过转录及翻译为蛋白质。

2.简述参与DNA复制的主要酶类和蛋白因子的种类及生化功能。

答案：答：(1)拓扑异构酶,改变DNA超螺旋状态、理顺DNA链。
(2)解旋酶,与DNA结合后,沿被结合的DNA链单向移动、不断地解开DNA双链。
(3)单链DNA结合蛋白,与已被解开的DNA单链结合,起到稳定单链的作用。

(4)引物酶,在复制起始时催化生成与模板链互补的RNA引物。
(5)DNA聚合酶,以DNA为模板、dNTP为原料,合成互补的DNA新链。
(6)DNA连接酶,连接DNA双链中单链缺口,生成磷酸二酯键,从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。

3.简述原核生物(如E.coli)复制起始时，解链及引发体生成过程。

答案：答：复制起始时E.coli中DnaA蛋白辨认复制起始元件,DnaA蛋白与oriC位点中反向重复序列结合后,促使oriC位点中串联重复序列(13mer)解链。同时募集DnaB、DnaC蛋白。DnaB具有解旋酶活性,其在DnaC蛋白协助下进一步展开双链解链,在此基础上,引物酶及其单链结合蛋白等结合在开链DNA上,共同形成引发体。

五、论述题

1.什么叫逆转录? 逆转录可发生在哪些情况下?简述逆转录的基本过程。

答案：答：逆转录即反转录,是指在逆转录酶的催化下,以RNA为模板、dNTP为原料合成DNA的过程。由于该过程的信息传递方向是从RNA→DNA,与转录的方向相反,故称为逆转录。逆转录可发生于:①在逆转录病毒感染宿主细胞甚至致癌的过程中;②在基因工程中,可以mRNA为模板,先合成cDNA再得到目的基因。逆转录的基本过程为:①以单链RNA为模板,逆转录酶催化合成一条单链DNA,生成 RNA/DNA杂化双链;②杂化双链中的RNA被逆转录酶水解,剩下新合成的子链DNA单链;③以新合成的DNA单链为模板,逆转录酶催化合成第二条DNA单链,形成完整的DNA双链分子。在3步反应中都是由逆转录酶完成,此酶同时具有RNA为模板催化DNA合成、水解杂化链上的RNA和DNA为模板催化DNA合成的3种酶活性。

2.试述端粒酶的组成及端粒酶维持染色体完整性的机制。

答案：答：端粒酶由端粒酶RNA、端粒酶协同蛋白和端粒酶逆转录酶3部分组成,密切参与染色体末端复制。在细胞进行分裂、DNA不断复制时,染色体两端DNA子链上,最后复制的RNA引物被去除后会留下空隙,剩下的DNA单链母链如果不填补成双链,容易被核内DNase酶解,就会导致每复制一次染色体就会缩短而影响染色体的完整性,而真核生物通过端粒酶解决了上述问题。端粒酶是一种逆转录酶,它以其自身段RNA链与3′末端DNA互补识别结合,进而以其剩余的RNA片段作为模板合成DNA,使单链DNA的3′末端不断延长,以此重复合成而延伸。延伸至足够长度时,端粒酶脱离母链,代之以DNA聚合酶,此时母链3′末端反折,在DNA聚合酶催化下完成末端双链的复制。该模式被称为“爬行”模式,端粒酶通过这种机制维持染色体的完整性与稳定性。