文档介绍：第九章 DNA的生物合成
(The Biosynthesis of DNA)
脱氧核糖核酸(DNA)是生物界遗传的主要物质基础。生物有机体的遗传特征以密码(code)的形式编码在DNA分子上,表现为特定的核苷酸排列顺序(即遗传信息),在细胞分裂前通过DNA的复制(Replication),将遗传信息由亲代传递给子代,在后代的个体发育过程中,遗传信息由DNA转录(Transcription)给RNA,并指导蛋白质合成,以执行各种生命功能,使后代表现出与亲代相似的遗传性状,这种遗传信息的传递方向,是从DNA到RNA再到蛋白质,即所谓的生物学“中心法则”,80年代以后在某些致癌RNA病毒中发现遗传信息也可存在于RNA分子中,由RNA通过逆转录(reverse transcription)的方式将遗传信息传递给DNA。这为中心法则加入了新的内容。
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中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律,揭示遗传的分子基础,不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识,而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程,给人类的生产和生活带来了深刻的革命。
复制:以亲代DNA 双链中的每一股链为模板,按照碱基配对原则,合成出与亲代完全相同的两个双链DNA 分子的过程。
转录:以DNA 为模板,按照碱基配对原则,将DNA 分子的遗传信息转移到RNA 分子上的过程。
翻译:以RNA 为模板,根据三个碱基决定一个AA 的原则,合成具有特定AA顺序的蛋白质的过程。
逆转录:逆转录病毒能以其RNA 为模板,合成DNA,称为逆转录。
本章的内容主要涉及DNA生物合成的三个方面,第一,DNA复制;第二,细胞内DNA受到损伤时进行的修复作用;第三,RNA反转录为DNA。
第一节 DNA的复制
DNA做为遗传物质的基本特点就是在细胞分裂前进行准确地自我复制(self replication),使DNA的量成倍增加,这是细胞分裂的物质基础。曾经有过多种关于DNA复制方式的学说,包括半保留复制,全保留复制以及分散复制等。1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型指出,DNA是由二条互补的脱氧核苷酸链组成,所以一条DNA链上的核苷酸排列顺序是由图16-1双螺旋DNA的复制另一条决定的。这就说明DNA的复制是由原来存在的分子为模板来合成新的链。
一、DNA复制的方式及一般过程
(一)DNA的半保留复制(semiconservative replication)
Watson和Crick在提出DNA双螺旋结构模型时即推测,DNA在复制时首先两条链之间的氢键断裂,两条链分开,然后以每一条链分别做模板各自合成一条新的DNA链,这样新合成的子代DNA分子中一条链来自亲代DNA,另一条链是新合成的,这种复制方式为半保留复制(如P407图)。
1958年Meselson和Stahl利用氮标记技术在大肠杆菌中首次证实了DNA的半保留复制,他们将大肠杆菌放在含有15N标记的NH4Cl培养基中繁殖了15代,使所有的大肠杆菌DNA被15N所标记,可以得到15N标记的DNA。然后将细菌转移到含有14N标记的NH4Cl培养基中进行培养,在培养不同代数时,收集细菌,裂解细胞,用氯化铯(CsCl)密度梯度离心法观察DNA所处的位置。由于15N-DNA的密度比普通DNA(14N-DNA)的密度大,在氯化铯密度梯度离心(density gradient centrifugation)时,两种密度不同的DNA分布在不同的区带(如下图)。
实验结果表明:在全部由15N标记的培养基中得到的15N-DNA显示为一条重密度带位于离心管的管底。当转入14N标记的培养基中繁殖后第一代,得到了一条中密度带,这是15N-DNA和14N-DNA的杂交分子。第二代有中密度带及低密度带两个区带,这表明它们分别为15N14N-DNA和14N14N-DNA。随着以后在14N培养基中培养代数的增加,低密度带增强,而中密度带逐渐减弱,离心结束后,从管底到管口,CsCl溶液密度分布从高到低形成密度梯度,不同重量的DNA分子就停留在与其相当的CsCl密度处,在紫外光下可以看到DNA分子形成的区带。为了证实第一代杂交分子确实是一半15N-DNA-半14N-DNA,将这种杂交分子经加热变性,对于变性前后的DNA分别进行CsCl密度梯度离心,结果变性前的杂交分子为一条中密度带,变性后则分为两条区带,即重密度带(15N-DNA)及低密度带(14N-DNA)。这个实验只有用半保留复制的理论才能得到圆满的解释。
半保留复制的生物学意义:使生物的遗传性保持了相对稳定性。
(二)DNA复制的一般过程
DNA双螺旋是由两条方向相反的单链组成,复制开始时,双链打开,形成一个复制叉(rep