DNA是生物遺傳的主要物質基礎

DNA是生物遺傳的主要物質基礎，生物機體的遺傳信息以密碼的形式編碼在DNA分子上，表現(xiàn)為特定的核苷酸排列順序，并通過DNA的復制由親代傳遞給子代。在后代的生長發(fā)育過程中，遺傳信息自DNA轉錄給RNA,然后翻譯成特異的蛋白質，以執(zhí)行各種生命功能，使后代表現(xiàn)出與親代相似的遺傳性狀。中心法則1964-1970勞氏肉瘤病毒的遺傳方式致癌RNA病毒病毒（復制）復制轉錄DNARNA蛋白質翻譯逆轉錄1958年，遺傳信息的單向二、DNA的合成（一）依賴于DNA的DNA合成（DNA的復制）1、DNA的半保留復制：在1953年，Watson和Crick在建立雙螺旋DNA結構的基礎上就提出了DNA復制的半保留復制假說。他們推測DNA復制時，兩鏈先分開，然后用堿基配對的方式，按照單鏈DNA的核苷酸順序合成新鏈，以組成新DNA分子。這樣形成的兩個DNA分子與原來的DNA分子的堿基順序完全一樣，每個子代分子的一條鏈來自親代DNA、另一條鏈是新合成的，這種方式稱為半保留復制（如右圖）。

DNA的半保留復制定義：由親代DNA生成子代DNA時，每個新形成的子代DNA中，一條鏈來自親代DNA，而另一條鏈則是新合成的，這種復制方式叫半保留復制半保留復制的實驗證據(jù):1958年Meselson和Stahl用同位素15N標記大腸桿菌DNA,首先證明了DNA的半保留復制。15N-DNA的密度大于14N-DNA的密度DNA的半保留復制的生物學意義：DNA的半保留復制表明DNA在代謝上的穩(wěn)定性，保證親代的遺傳信息穩(wěn)定地傳遞給后代。

DNA在代謝上的穩(wěn)定性并非指DNA是一種惰性物質。2、DNA復制的起始點和方向：DNA復制開始于染色體上固定的起始點。起始點是含有100-200個堿基對的一段DNA。DNA的兩條鏈在起始點分開形成叉子樣的“復制叉”，隨著復制叉的移動完成DNA的復制過程。細胞內存在能識別起始點的特種蛋白質。

DNA復制可以朝一個方向進行，也可以朝兩個相反的方向進行（如有圖）。其證據(jù)來自放射自顯影實驗或電子顯微鏡觀察。大多數(shù)生物染色體DNA的復制是雙向進行的。大腸桿菌染色體DNA的復制經(jīng)證明是雙向進行的（如右圖）。在迅速生長的原核生物中，第一個染色體DNA復制尚未完成，第二個DNA分子就在同一個起始點上開始復制，其復制叉移動的速度約為105堿基對/分。真核生物染色體的不同位置上有多個起試點，如在30000個堿基對長的果蠅染色體DNA上有2000-3000個起試點，如下圖：真核生物的復制叉移動較慢（5x102-5x103堿基對/分。但由于同時起作用的復制叉數(shù)目很大，所以復制的總速度比原核生物要快。3.與與DNA復制有有關的的酶和和蛋白白質原料：四種脫脫氧核核苷三三磷酸酸（dATP、、dGTP、dCTP、、dTTP)模板：以DNA的兩條條鏈為為模板板鏈，，合成成子代代DNA。引物：一小小段RNA(或DNA）為引物物，在在大腸腸桿菌菌中，DNA的合成成需要要一段段RNA鏈作為為引物。。（1）DNA聚合酶酶：DNA復制過過程中中最基基本的的酶促促反應應始四四種脫脫氧核核苷酸酸的聚聚合反反應。。1956年Kornberg等首先先從大大腸桿桿菌中中分離離出催催化此此反應應的DNA聚合酶酶。在在大腸腸桿菌菌中現(xiàn)現(xiàn)已發(fā)發(fā)現(xiàn)三三種DNA聚合酶酶，分分別稱稱為聚聚合酶酶Ⅰ、聚合合酶Ⅱ和聚合合酶Ⅲ。三種種酶的的作用用和活活力大大小見見下表表。聚合酶Ⅰ聚合酶Ⅱ聚合酶Ⅲ功能5‘→3’的聚合酶作用5‘→3’的外切酶作用3‘→5’的外切酶作用相對分子量每個細胞的分子數(shù)活性（37℃時每個酶分子酶分鐘聚合的核苷酸數(shù)主要作用

+++109000400600主要對DNA損傷修復,切除引物

+-+12000030紫外線損傷的修復

+++14000010-209000DNA復制的主要聚合酶表1.大腸桿桿菌DNA聚合酶酶在大腸腸桿菌菌中發(fā)發(fā)現(xiàn)有有三種種DNA聚合酶酶（用突變變株研研究其其功能能）：⑴DNA聚合酶酶Ⅰ:單體酶酶,多多肽鏈鏈內含含一個個鋅原原子（（其鰲鰲合劑劑是O-二氮氮雜雜菲菲）），，多多功功能能酶酶。。它具具有有53聚合合酶酶功功能能（對對脫脫氧氧核核苷苷酸酸的的選選擇擇））；；3’’5’’外外切切酶酶活活性性（對對雙雙鏈鏈無無作作用用，，校對對功功能能。。但在在正正常常聚聚合合條條件件下下，，此此活活性性不不能能作作用用于于生生長長鏈鏈））及及5’’3’’外外切切酶酶活活性性（雙雙鏈鏈有有效效，，主主要要是是對對DNA損傷傷的的修修復復，，以以及及在在DNA復制制時時RNA引物物切切除除及及其其空空隙隙的的填填補補））；；在在DNA鏈的的3形成成焦焦磷磷酸酸解解（（生生理理意意義義不不大大））；；無無機機焦焦磷磷酸酸鹽鹽與與dNTP之間間的的焦焦磷磷酸酸基基交交換換。。⑵DNA聚合合酶酶ⅡⅡ：：多亞亞基基酶酶，，聚合合作作用用，，但但聚聚合合活活力力很很低低；；具具有有3’’5’’外外切切酶酶活活性性。。其其它它生生理理功功能能尚尚不不清清楚楚，，可可能能在在修修復復紫紫外外光光引引起起的的DNA損傷傷中中起起作作用用。。⑶DNA聚合合酶酶ⅢⅢ：：是原原核核生生物物DNA復制制的的主主要要聚聚合合酶酶，該該酶酶由由10種亞亞基基組組成成，，其其中中、、、、形形成成全全酶酶的的核核心心酶酶。具具有有5’’3’’DNA聚合合酶酶活活性性（（亞亞基基，，速率率高高））；；具具有有3’’5’外外切酶酶（亞基基）的校對對功能能，提提高DNA復制的的保真真性；；還具具有5’3’外外切酶酶活性性（單單鏈有有效，，其意意義未未知））。另外:（4））DNA聚合酶酶IV和V：1999年發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，當當DNA嚴重損損傷時時，誘誘導產產生。。許多研研究證證明：：DNA聚合酶酶Ⅲ是完整整大腸腸桿菌菌細胞胞中主主要負負責DNA鏈延長長的酶酶。它它以一一個相相對分分子量量約為為450000，稱為為“DNA聚合酶酶Ⅲ全酶””的大大復合合物的的形式式起作作用，，全酶酶有好好幾個個亞基基（如如下左左圖））。用用聚丙丙烯酰酰胺凝凝膠電電泳分分離純純化一一萬倍倍的DNA聚合酶酶Ⅲ，得到到的主主要成成分為為相對對分子子量140000的多肽肽（α亞基））。在在復合合物中中的β亞基（（也稱稱為DNA聚合酶酶Ⅲ輔酶））的功功能是是識別別引物物并使使DNA母鏈與與引物物鏈結結合。。一旦旦全酶酶結合合在正正確的的起始始位置置上，，DNA聚合酶酶Ⅲ輔酶就就以游游離的的形式式釋放放，隨隨后DNA聚合酶酶Ⅲ復合物物催化化子代代DNA鏈的延延長（（右圖圖）。。DNA聚合酶酶催化化的反反應可可以利利用雙雙鏈作作為模模板和和引物物，也也可以以利用用單鏈鏈作為為模板板和引引物。。如下下圖中中，A為單鏈鏈自身身回折折作為為模板板，形形成發(fā)發(fā)夾環(huán)環(huán)結構構。B、C為雙鏈鏈作為為模板板，其其中C是由于于酶離離開原原先的的模板板，開開始復復制互互補鏈鏈而形形成分分枝結結構。。D為環(huán)狀狀DNA進行的的反應應。A、C只存在在于體體外酶酶促合合成的的DNA分子中中，它它使DNA的變性性行為為異常常，并并且失失去遺遺傳活活性。。DNA聚合酶酶具有有”校校對““作用用：DNA聚合酶酶的3‘→→5’’的外切切酶活活力是是校對對新生生DNA鏈和改改正聚聚合酶酶活性性所造造成””錯配配“的的一種種手段段。當當因聚聚合酶酶活性性的作作用插插入一一個錯錯配的的核苷苷酸時時，酶酶能識識別這這種””失誤誤“并并立即即從新新DNA鏈的3’端除掉掉所錯錯配的的核苷苷酸。。所以以當復復制叉叉沿模模板鏈鏈移動動時，，所加加入的的每個個脫氧氧核苷苷酸單單位都都將受受到檢檢查（（如右右圖））。DNA聚合酶酶的校校正功功能十十分有有效，，其準準確率率達到到每聚聚合104個核苷苷酸單單位至至多出出現(xiàn)一一個錯錯配的的核苷苷酸。。復制的的準確確性高高于轉轉錄和和轉譯譯過程程。這這點非非常重重要，，因為為復制制的錯錯誤可可引起起突變變或致致死。。由上可可以歸歸納出出DNA聚合酶酶的反反應特特點：：①以四種種脫氧氧核糖糖核苷苷三磷磷酸作作為底底物；；②反應需需要接接受模模板的的指導導；③反應需要要引物3’－羥基存存在；④DNA鏈的延長長方向為為5‘→3’；⑤產物DNA的性質于于模板相相同；⑥合成過程程種有校校正作用用。這就表明明了DNA聚合酶合合成的產產物是模模板的復復制物。。真核生物物DNA聚合酶：：主要作作用類似似于大腸腸桿菌聚聚合酶，，但有不不同?，F(xiàn)現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)現(xiàn)四種，，分別以以α、β、γ、δ來命名（（有資料料介紹有有5種，即多多一種ε，它在結結構和性性質上類類似于δ，其主要要功能時時參與DNA的修復）），其各各種酶的的特性歸歸納為下下表：表2.真核生物物DNA聚合酶聚合酶α聚合酶β聚合酶γ聚合酶δ分子量亞基數(shù)細胞內分布酶活力占總量的百分比核酸外切酶活力5‘→3’聚合作用110-220000

多個細胞核

-80%

無有

450001個細胞核

10-15%

無有600001個線粒體

2-15%

無有1220001個細胞核

10-25%3‘→5’外切酶活力有在真核細細胞內有有五種DNA聚合酶（與細菌菌DNA聚合酶的的性質基基本相同同：底物物、模板板、引物物、方向向）αβγδε定位細細胞核細細胞胞核線線粒粒體細細胞核細細胞核3‘-5’外切--+++酶活性功能引物合成修復作用線粒體DNA的復制核DNA的復制修復作用在復制過過程中，，真核細細胞有兩兩個相互互協(xié)作的的酶，即即α負責后隨隨鏈，δ負責前導導鏈的合合成，如如下圖：：3.DNA連接酶（（1967年發(fā)發(fā)現(xiàn)）：：若雙鏈DNA中一條鏈鏈有切口口，一端端是3’’-OH，另一端是是5‘-磷酸基基，連接接酶可催催化這兩兩端形成成磷酸二二酯鍵，，而使切切口連接接。但是它不不能將兩兩條游離離的DNA單鏈連接接起來。。大腸桿菌菌和其它它細菌的的DNA連接酶要要求NAD+提供能量量，在高高等生物物和噬菌菌體中，，則要求求ATP提供能量量。T4噬菌體的的DNA連接酶不僅能在在模板鏈鏈上連接接DNA和DNA鏈之間的的切口，，而且能能連接無無單鏈粘粘性末端端的平頭頭雙鏈DNA。。3‘5‘3‘5‘OHP連接酶的的反應機機制：酶+NAD+(ATP)酶-AMP+煙酰胺單單核苷酸酸（PPi））酶-AMP+P-5‘‘-DNA酶+AMP-P-5’-DNADNA-3’-OH+AMP-P-5’-DNADNA-3’-O-P-5’’-DNA+AMPDNA連接酶在DNA復制、損損傷修復復、重組組等過程程中起重重要作用用作用4.拓撲異構構酶:催化DNA的拓撲連連環(huán)數(shù)發(fā)發(fā)生變化化的酶，，在DNA重組修復復和其他他轉變方方面起重重要作用用。5、解螺螺旋酶（（解鏈鏈酶）：通過水水解ATP將DNA兩條鏈打打開。E.coli中的rep蛋白就是是解螺旋旋酶，還還有解螺螺旋酶I、II、III。每解開一一對堿基基需要水水解2個個ATP分子。這類酶能能通過水水解ATP獲得能量量來解開開雙鏈，，每解開開一對堿堿基，需需要水解解2分子ATP成ADP和磷酸鹽鹽。分解解ATP的活力要要有單鏈鏈DNA的存在在。如如雙鏈鏈DNA中有