山东大学生物化学精品课程 08-1 DNA replication
《生物化学原理》之DNA复制
•･ DNA的复制 •･ DNA的损伤和修复 •･ 遗传重组
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RNA
一一、DNA的复制：指亲代DNA链双螺旋解开，分别作为模版， 指导子子代DNA合成的过程。
•･ 半保留复制：DNA复制后产生生的新链中，一一条来自亲代的 DNA，另一一条是新合成的新链。
•･ DNA聚合酶：参与DNA复制的主要酶，它催化四种dNTP 合成DNA双链。 ✦ DNA聚合酶的作用特点：
1.以四种dNTP为底物
2.反 应必须接受模板的指导 3.反应必须有3’-OH的存在 4.反应必须有二二价金金属Mg2+的存在
5.DNA链的合成方方向是从5’➝3’
•･ 复制的起始：DNA复制开始于特定的位置，即DNA的复制 有特定的复制起始点（replication origin）。在起始位点处， DNA双螺旋打开，以两条DNA单链为模版，向两端开始复 制。
双向复制
•･ 复制叉：DNA复制过程中，亲代的DNA双链从复制起点开 始逐步解链，形成一一个分叉状结构，称为复制叉。
和单个酶的直接修复作用。
光修复
•･ 切除修复：指在一一系列酶的催化下，将DNA分子子中受损的 部分切除，并以完整的那条单链为模板，合成切除部分的 过程。
•･ 错配修复：修复在复制过程中错配且没有被校正的碱基。
•･ SOS反应和易错修复：SOS反应是指细胞DNA受到大大面积 损伤或者DNA复制系统受到抑制的情况下的应急效应。
DNA聚合酶Ⅰ的3’➝5’核酸 外切酶活性在DNA复制过 程中起重要的校对作用。
山东大学精品课程 表
所在单位 外国语学院 经济学院 管理学院 管理学院 数学学院 化学与化工学院 信息科学与工程学院 信息科学与工程学院 材料科学与工程学院 电气工程学院
医学院 医学院 药学院 威海分校法学院 威海分校新闻传播学院
负责人姓名 丛亚平 范爱军 戚桂杰 陈志军 鲁统超 宋其圣 袁东风 姜威
孙康宁/李爱菊 赵建国 孙汶生 王怀经 徐文方 葛荃 邵文利
2004 年省级精品课程
2005 年省级精品课程；2008 年国家精品课程
2004 年省级精品课程 2004 年省级精品课程 2004 年省级精品课程；2005 年国家精品课程
序号
课程名称
1
《大学英语》
2 《计算机网络技术》
3
《电磁学》
4
《低频电子线路》
5
《机械设计》
6
《材料科学基础》
7
《自动控制理论》
医学院
马榕
9
《机械工程材料》
材料科学与工程学院
姜江
10
《电磁学》
物理学院
秦宏伟
11
《生药学》
药学院
陈永林
12
《物理化学》
化学与化工学院
张树永
13
《高频电子线路》
信息科学与工程学院
袁东风
2006 年省级精品课程 2006 年省级精品课程 2006 年省级精品课程 2006 年省级精品课程
2007 年省级精品课程
《微积分与数学实验》 《系统解剖学》 《护理学基础》
《工程流体力学》
所在学院 文学与新闻传播学院
物理学院 历史文化学院
经济学院 数学学院
医学院
负责人姓名 盛玉麒 张承琚 王育济 于良春 刘桂真 张运
DNA的生物合成
3´
| | | | | | | | | | |
3´
?
5´
T C G AA G T C C T A G C G A C
3 5外切酶活性: 能辨认错配的碱基对，并将其水解。 5 3外切酶活性: 能切除突变的 DNA片段。
（一）原核生物有3种DNA聚合酶
DNA-pol Ⅰ
DNA-pol Ⅱ
另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不
能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的
链称为后随链(lagging strand) 。复制中的不连
续片段称为岡崎片段(okazaki fragment)。 前导链连续复制而后随链不连续复制，就是复 制的半不连续性。
目录
第 二 节 DNA复制的酶学和拓扑学变化
DNA-pol Ⅲ
目录
一、DNA聚合酶
全称是依赖DNA的
DNA聚合酶
（DNAdependent DNA
polymerase），
简称DNA-pol。
Arthur Kornberg
目录
罗杰· 科恩伯格与父亲
目录
原核生物的DNA聚合酶
DNA-pol I DNA-pol II 分子量(kD) 组成 分子数/细胞 5→3核酸外切酶活性 基因突变后的致死性 109 单肽链 400 有 可能 120 ？ ？ 无 不可能 DNA-pol III 250 多亚基不对称 二聚体 20 无 可能
半保留复制(semi-conservative replication) 双向复制(bidirectional replication) 半不连续复制(semi-discontinuous replication)
目录
某大学生物工程学院《生物化学》考试试卷(1441)
某大学生物工程学院《生物化学》课程试卷（含答案）__________学年第___学期考试类型：（闭卷）考试考试时间：90 分钟年级专业_____________学号_____________ 姓名_____________1、判断题（95分，每题5分）1. 遗传密码的变偶性（可变性）是指密码子的第1位碱基比其他两个碱基在识别反密码子时具有较小的专一性，这样反密码子的第3位碱基则可有最大的阅读能力。
（）[山东大学2017研]答案：错误解析：遗传密码的变偶性（可变性）是指密码子的第3位碱基比其他两个碱基在识别反密码时具有较小的专一性，这样反密码子的第1位碱基则可有最大的阅读能力。
2. 生物体的DNA复制都是双向对称的，没有例外。
（）答案：错误解析：3. 由色氨酸脱羧、羟化形成的5′羟色胺是一种新的抗抑郁症药物。
（）解析：4. 紫外辐射引起的DNA损伤可通过光复活作用修复。
光复活酶虽然在生物界分布很广，从低等单细胞生物直到鸟类都有，但高等哺乳类中却没有此酶。
（）答案：正确解析：5. TCA中底物水平磷酸化直接生成的是ATP。
（）答案：错误解析：TCA中底物水平磷酸化在哺乳动物形成一分子GTP，在植物和微生物直接形成ATP。
6. 黄嘌呤氧化酶既可以使用黄嘌呤也可以使用次黄嘌呤作为底物。
（）答案：正确解析：次黄嘌呤被黄嘌呤氧化酶氧化成黄嘌呤，黄嘌呤再被黄嘌呤氧化酶氧化成尿酸。
7. 在氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ的作用下，CO2和NH3合成氨甲酰磷酸。
（）解析：8. 1mol葡萄糖经糖酵解途径生成乳酸，需经一次脱氢，两次底物水平磷酸化过程，最终生成2molATP分子。
（）答案：正确解析：9. 在蛋白质合成时的启动阶段，核糖体与mRNA的结合是在mRNA的5′端或靠近5′端。
（）[山东大学2017研]答案：错误解析：肽链合成方向为mRNA的5′→3′，核糖体与mRNA的结合是在起始密码子附近的SD序列，并非空间意义上的mRNA的5′端或靠近5′端。
山东大学生物化学试题(3)及答案
生物化学试题（3）一、名词解释(20)1、乙醛酸循环2、无效循环（futile cycle）3、糖异生作用4、Lesch-Nyhan综合症（Lesch-Nyhan syndrome）5、Klenow片段（Klenow fragment）6、错配修复（mismatch repair）7、外显子（exon）8、（密码子）摆动（wobble）9、魔点 10、Q循环二、填空题（20分）1．蛋白激酶对糖代谢的调节在于调节___与___。
2. 由半乳糖合成糖原时，半乳糖-1-磷酸先与___反应，生成___，然后在___酶的催化下转变成___再参与糖原合成。
3. 糖原的分解是从___开始，由糖原磷酸化酶催化生成___。
4．酮体是指___。
5．核苷三磷酸在代谢中起着重要的作用。
___是能量和磷酸基团转移的重要物质，___参与单糖的转变和多糖的合成___参与卵磷脂的合成，___供给肽链合成时所需要的能量6．在糖异生作用中由丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸，在线粒体内丙酮酸生成草酰乙酸是___酶催化的，同时要消耗___；然后在细胞质内经___酶催化，生成磷酸烯醇丙酮酸，同时消耗__ 。
7．提出三羧酸循环的生化学家是___，它还提出了___循环。
8．三羧酸循环中调控酶有___。
9．氨基酸转氨酸的辅酶是___，体内一碳单位的载体是___。
10．动物细胞中TCA循环的中间物不能从乙酰CoA来净合成，但这些中间物可以通过丙酮酸与___化合成生成，此反应需要___辅基参与。
11．原核生物基因调控的操纵子模型，其学说的最根本的前提是基因有两种类型，即___和结构基因12．以DNA为模板的转录是___转录，即一个特殊结构基因只能从___转录生成mRNA。
13．大肠杆菌RNA聚合酶全酶是由___亚基组成，其中核心酶是指___。
14． Beta-氧化生成的beta-羟脂酰CoA的立体异构是___型，而脂肪酸合成过程中生成的b-羟脂酰ACP的立体异构是___型。
某大学生物工程学院《生物化学》考试试卷(1191)
某大学生物工程学院《生物化学》课程试卷（含答案）__________学年第___学期考试类型：（闭卷）考试考试时间：90 分钟年级专业_____________学号_____________ 姓名_____________1、判断题（100分，每题5分）1. 主动转运有两个显著特点；一是逆浓度梯度进行，因而需要能量驱动；二是具有方向性。
（）答案：正确解析：2. 胆固醇是生物膜的主要成分，可调节膜的流动性，原理是胆固醇是两性分子。
（）答案：正确解析：3. RNA聚合酶能以两个方向同启动子结合，并启动相邻基因的转录。
但是，模板链的选择由另外的蛋白因子确定。
（）答案：错误解析：核不均一RNA是不成熟的mRNA。
4. 血脂包括甘油三酯、磷脂、胆固醇及其酯、游离脂肪酸和载脂蛋白等。
（）答案：错误解析：血脂不包括载脂蛋白。
5. 人体细胞中的核苷酸部分从食物消化吸收而来，部分是体内自行合成。
（）答案：错误解析：6. 逆转录只发现在RNA病毒，DNA病毒没有。
（）答案：错误解析：7. 电子通过呼吸链的传递方向是从∆Eϴ′正到∆Eϴ′负。
答案：错误解析：8. 一个细菌只有一条双链DNA，人的一个染色体含有46条双链DNA。
（）[山东大学2016研]答案：错误解析：人的一个体细胞含有46条双链DNA，一个染色体仅含有1条双链DNA。
9. 阻遏蛋白是阻碍RNA聚合酶与启动子的结合。
（）[武汉科技大学2012研]答案：错误解析：阻遏蛋白是基于某种调节基因所制成的一种控制蛋白质，在原核生物中具有抑制特定基因（群）产生特征蛋白质的作用。
阻遏蛋白能识别特定的操纵基因，当操纵序列结合阻遏蛋白时会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻遏转录，介导负性调节。
10. 人体内若缺乏维生素B6和维生素PP，均会引起氨基酸代谢障碍。
（）答案：错误解析：11. 三羧酸循环中，琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化成延胡索酸时，电子受体是NAD＋。
第34章 DNA的复制和修复(2013-2-28)
复制的类型和方式—滚环复制
E. coli phage (噬菌体）: ΦX174
• “Template “rolls”, extrudes leading strand • Okazaki frags made on leading strand as it emerges.
复制的类型和方式—多复制叉复制
半保留复制非常普遍
• 单链DNA首先复制合成双链的复制型（单链DNA复 制时，通常先宣传双链复制型，再进行半保留复制）
思考题
1. 设计实验证明DNA是半保留复制
-2012大连理工大学生物化学
2. 猪流感病毒HRN1是反转录病毒，试想出实验方案以阻止病毒在细
胞内复制而不影响细胞内DNA正常复制。 一个同学想研究DNA复制过程用放射性磷来标记底物，他标记的磷是
意义：按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基 序列一致，子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传 的保守性。是物种稳定的分子基础，但是相对的。
possible copying mechanism OF DNA
DNA复制方式有三种可能性，即全保留、半保留和分散式。
弥散式
2. DNA半保留复制的证明(两个)
思考题
3. DNA是以半保留方式进行复制的，如果放射性全标记的双 链DNA分子在无放射性标记的溶液中经两次复制，那么所产 生的4个DNA分子其放射性状况如何？
A、两个分子含有放射性； B、全部含有放射性； C、双链中各有一半含有放射性； D、所有分子的两条链都没有放射性。
华南理工大学2006年生物化学
链的复制起点不在同一点上，一条链先复制，另一条 链保持单链而被取代：当一条链复制到一定程度时才 暴露出另一条链的复制起点，另一条链才开始复制， （单向复制，全连续复制，没有冈崎片段）
(整理)第十六章DNA的复制与修复--王镜岩《生物化学》第三版笔记完美打印版
第十六章DNA 的复制与修复第一节 DNA 的复制 一、半保留复制（semi-conservation replication ）（一）证据：15标记大肠杆菌DNA ，然后在氮-14中培养，新形成的DNA 是杂合双链，即双链中一条是重链（约重1％），一条是轻链。
第二代则有一半全是轻链，一半是杂合双链。
DNA 在用氚标记的胸苷复制近两代，放射自显影，未复制部分银密度低，由一条放射链和一条非放射链组成；已复制部分有一条双链是放射的，一条双链有一半是放射的。
这证明大肠杆菌DNA 是环状分子，以半保留方式复制。
（二）特点：子代保留一条亲代链，而不是将它分解。
这说明DNA 是相对稳定的。
双螺旋DNA （或RNA ）是所有已知基因的复制形式。
二、复制的起点和单位（一）基因组能独立进行复制的单位称为复制子。
原核生物是单复制子，真核生物是多复制子。
每个复制子有起点。
通过测定基因出现的频率可以确定起点位置，距离起点越近的基因出现的频率越高。
起点有发动复制的序列，也有决定拷贝数的序列。
起点的结构是很保守的。
（二）复制终止点：已发现Ecoli 的与复制终止有关位点，其中含有23bp 的保守序列，由tus 蛋白与此位点结合参与复制的终止。
真核生物中似乎没有复制终止点。
（三）复制多数是双向、对称的，但也有例外。
通过放射自显影可以判断复制是双向还是单向：先在低放射性培养基中起始复制，再转移到高放射性培养基中，如是双向复制，其放射自显影图是中间银密度低；单向复制则为一端低。
（四）单向复制有一些特殊方式：噬菌体φX174DNA 是环状单链分子，复制时先形成双链，再将正链切开，将5’连接在细胞膜上，从3’延长，滚动合成出新的正链。
DNA 复制时是高度不对称的，一条链先复制，另一条链保持单链而被取代，呈D 环形状。
这是因为两条链的复制起点不同，另一条链的起点露出才能复制。
三、有关的酶（一）反应特点： dNTP 为底物3’-羟基存在链的生长方向是5’-3’DNA 的性质与模板相同（二）大肠杆菌DNA 聚合酶聚合酶I ：单链球状蛋白，含锌。
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生物化学Chapter 8 DNA的生物合成Biosythesis of DNA
生物代谢信息代谢能量代谢
物质代谢
生物代谢
DNA Replication
Replication of DNA
semiconservative proposed by Watson and
(a) Hypothesis 1: Semi-conservative replication
(b) Hypothesis 2:
Conservative replication
Intermediate molecule
(c) Hypothesis 3:
Dispersive replication
Matthew Meselson and Franklin Stahl (1958)
Meselson and Stahl Matthew
Meselson and
Franklin Stahl
proved that
the
replication of
DNA from E.
coli was
semiconserva
tive
replication in
1958
Testing Models for DNA replication
Semi-conservative replication of DNA
Isotopes of nitrogen (non-radioactive) were used in this experiment
1.1 Semiconservative replication of DNA
但只涉及DNA复制前和复制后的状态
1.1 Semiconservative replication of DNA
• 1963年，Cairns设计了一个 更为严谨的实验—放射自显 影的方法，进一步证实了 DNA的半保留复制； • 1957年，Taylor的实验证 明，在真核生物中，DNA的 复制也是半保留的；
（双链标记） (单链标记) （单链标记）
1.1 Semiconservative replication of DNA
How does DNA replication proceed?
• Does replication begin at random sites or at unique site? • Does DNA replication proceed in one direction or both directions? • The overall chain growth occurs in 5’→3’, 3’→5’, or both directions?
Thermodynamics Dynamics
How does DNA replication proceed?
These reactions required some enzymes! • What enzymes take part in DNA synthesis? • How does duplication of the long helical duplex occur without the strands becoming tangled? …... • …... …... …... …...
1.2 DNA聚合反应的条件
1967年，Kornberg以α-32P-dCTP参入DNA的情况测定了DNA合成 所需的基本反应条件： 1. 2. 3. 4. 5.
32P-dCTP 32P-dCTP 32P-dCTP 32P-dCTP 32P-dCTP
＋ 酶系统 ＋ DNA片断＋ 酶系统 ＋ dGTP ＋ DNA片断＋ 酶系统 ＋ dGTP ＋ dTTP＋ DNA片断＋ 酶系统 ＋ dGTP ＋ dTTP＋ dATP＋ DNA片断 ＋ 酶系统
保温30 min后，检测32P-dCTP参入DNA的情况
1.2 DNA聚合反应的条件
实验结果： 1. 2. 3. 4. 5. No addition Few 32P-dCMP added; Few 32P-dCMP added; Few 32P-dCMP added; Much many 32PdCMP added • 实验结果还发现产物DNA与模板DNA的碱基比是一样的; • 3’-OH is necessary for duplication. DNA合成需要的基本条件： • • • • • 模板DNA； 4种dNTP； DNA聚合酶系统 3’-OH寡核苷酸引物 Mg2+
DNA replication
Nucleotides are successively added using deoxynucleoside triphosphosphates (dNTP’s)
Information replication verses Chemical reaction
Chemical Reaction:
1. 2.
32P-dCTP 32P-dCTP
＋ Enzyme ＋ dGTP ＋ dTTP＋ dATP＋ Enzyme Production (P)
Substrate (S) + Energy +Catalyzer
Thermodynamics+Dynamics (reaction rate) Chemical Reaction 3.
32P-dCTP
＋ dGTP ＋ dTTP＋ dATP＋ DNA fraction＋ Enzyme
The reaction was not similar to Chemical reaction. The rate of this reaction was not controlled by the concentration of substrate.
Information replication
DNA sequence was copied
? ?
如果两条链是平行的，则会出现：TpA= ApT; GpC= CpG;
GpA= CpT; ApG= TpC;
Replication
origin Replication
forks
Autoradiogram of replicating mammalian cellular DNA
Replicating SV40 DNA Unreplicated,
positive supercoils
of parent strands Replicated DNA
No complete unwinding of chains!
Replication
forks
Replication forks: 在DNA 复制
后，每个复制点由母链和两条
子链形成的叉状结构。
Overall direction of progeny chain
growth at a replicating fork: one
in 5’→3’and the other in 3’→
5’direction
5’
5’5’5’
3’3’
3’3’
The leading strand The lagging strand •Both daughter strands are synthesized in 5’→3’
direction
•One daughter strand at the replication fork is
synthesized continuously and the other
discontinuously, called
the leading strand and
lagging strand
respectively.
DNA replication is semi-discontinuous Continuous synthesis
Discontinuous synthesis。