核酸的生物合成
本章重点介绍遗传中心法则和 DNA、
RNA的生物合成, 对基因工程作一般介
绍 。
思考 ?
DNA是绝大多数生物体遗传信息的载体, 继
1953年 Watson & Crick提出 DNA双螺旋结构模型
后, 1958年, Crick提出了, 中心法则, (Central
dogma)揭示了遗传信息的传递规律 。
遗传信息传递的 中心法则
蛋白质
翻译
转录
逆转录
复制
复制
DNA
RNA
生物的遗传信息以密码的形式储
存在 DNA分子上, 表现为特定的核苷
酸排列顺序 。 在细胞分裂的过程中,
通过 DNA复制 把亲代细胞所含的遗传
信息忠实地传递给两个子代细胞 。 在
子代细胞的生长发育过程中, 这些遗
传信息通过 转录 传递给 RNA,再由
RNA通过 翻译 转变成相应的蛋白质多
肽链上的氨基酸排列顺序, 由蛋白质
执行各种各样的生物学功能, 使后代
表现出与亲代相似的遗传特征 。 后来
人们又发现, 在宿主细胞中一些 RNA
病毒能以自己的 RNA为模板 复制 出新
的病毒 RNA,还有一些 RNA病毒能以
其 RNA为模板合成 DNA,称为 逆转录
这是中心法则的补充 。
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 。
目 录
第四节 基因工程及分子生物学技术简介
第一节 DNA的生物合成
第二节 RNA的生物合成
第三节 核酸合成的抑制剂
第一节 DNA的生物合成
一,DNA的复制 （ DNA指导下的 DNA合成 ）
三,DNA突变
四,DNA的损伤与修复
二,逆转录作用 （ RNA指导下的 DNA的合成）
一,DNA的半保留复制
1,概念 和 实验依据
2,原核生物 DNA聚合反应有关的酶类
3,原核细胞 DNA的复制的起始点和方式
5,DNA复制的忠实性
6,真核细胞 DNA的复制
4,原核细胞 DNA的复制过程 （半不连续复制）
DNA的半保留复制的
概念
DNA在复制时，两条
链解开分别作为模板，在
DNA聚合酶的催化下按碱
基互补的原则合成两条与
模板链互补的新链，以组
成新的 DNA分子。这样新
形成的两个 DNA分子与亲
代 DNA分子的碱基顺序完
全一样。由于子代 DNA分
子中一条链来自亲代，另
一条链是新合成的，这种
复制方式称为半保留复制 。
原核生物 DNA聚合反应有关的酶类
（ 1） DNA聚合酶 (DNA
polymetases)
（ 2） 引物酶 (peimase)和引发体
(primosome),启动 RNA引物链
的合成 。
(3） DNA连接酶 （ DNA ligase）
（ 4） DNA解链酶 (DNA helicase)
(5） 单链结合蛋白 (single-
strand binding protein,SSB)：
结合在解开的 DNA单链上，防止
重新形成双螺旋。
(6） 拓扑异构酶
(topoisomerase):兼具内切酶和
连接酶活力，能迅速将 DNA超螺
旋或双螺旋紧张状态变成松驰状
态，便于解链。
解旋酶
DNA聚
合酶 III
解链酶
RNA引物
引物酶和
引发体
DNA聚
合酶 I
SSB
3′ 3′ 5′
3′ 5′
5′ RNA
引物
复制的忠实性
DNA复制过程是一个高度精确的过程，
据估计，大肠杆菌 DNA复制 109-1010碱基对
仅出现一个误差，保证复制忠实性的原因主
要有以下三点,
a,DNA聚合酶的高度专一性（严格遵循
碱基配对原则）
b,DNA聚合酶的校对功能 （错配碱基被 3’-5’
外切酶切除）
c、起始时以 RNA作为引物
DNA
的半
保留
复制
实验
依据
1958年 Meselson
& stahl用同位素
示踪标记加密度
梯度离心技术 实
验,证明了 DNA是
采取半保留的方
式进行复制,
[15N] DNA
[14N- 15N] DNA
[14N] DNA
[14N- 15N] DNA
连
接
酶
连
接
切
口
Mg2+
连接酶 ATP或 NAD＋
PPi或 NMN
A
T C
G
P
T T
P P P
A A C C T
G A
P
A C
P P P P
OH
T G
G
A
T C
G
P
T T
P P P
A A C C T
G A
P
A C
P P P
T G
G
P
缺口
3'
3' 5'
5'
5'
5' 3'
3'
模板链
模板链
大肠杆菌 复制起点成串排列的重复序列
GATCTNTTNTTT
成串排列的
三个 13bp序列
共有序列 共有序列
TTATCCACA
DnaA蛋白结合位点
四个 9bp序列
DnaA DnaB
(解螺旋酶 )
SSB
大肠杆菌 DNA复制起点在起始阶段的结构模型
DNA复制的方式
环状 DNA复制
时所形成的 θ结
构
起始点
复制叉的推进
复制叉
起始点
起始点
起始点
复制叉 复制叉
未复制 DNA
单向复制
双向复制
原核细胞 DNA
的半不连续复
制复制过程
复制叉的
移动方向
解旋酶
DNA聚
合酶 III
解链酶
RNA引物
引物体
DNA聚
合酶 I
SSB
3′ 3′ 5′
前导链
随后链
3′ 5′
复制的起始
DNA链的合
成与延长
DNA链合
成的终止
5′ RNA引物
3′
3′
DNA连
接酶
DNA聚合酶 Ⅲ 全酶
?
? ?
?
?
? ?
?
?
核心酶
Pol III?
Pol III
延长因子
DNA聚合酶 Ⅲ 二聚体
DNA聚合酶催化的链延长反应
3′ 5′ 模板链
5′
RNA引物 子链
3′
3′
5′ 5′
3′
3′
5′ 5′
3′
大肠杆菌三种 DNA聚合酶比较
DNA
聚合酶 Ⅱ
分子量
每个细胞的分子统计数
5′-3 ′聚合酶作用
3′-5 ′核酸外切酶作用
5′-3 ′核酸外切酶作用
转化率
DNA
聚合酶 Ⅰ
DNA聚合酶 Ⅲ
（复合物）
109,000
400
+
+
+
1
120,000
100
+
+
-
0,05
400,000
10-20
+
+
+
50
比较项目
DNA聚合酶的 3?- 5? 外切酶水解位点
3′
3′ 5′
5′
错配碱基
3′- 5′核酸外切
酶水解位点
复制叉处前导链和随后链同时合成的工作模型
聚合酶 III
全酶
引物 聚合酶 III全酶
引物
引物体 引物体 解旋酶 解旋酶
DNA聚合酶的校对功能
5′-核酸
外切酶
3′-核酸
外切酶
裂缝
聚合中心
裂缝内部
DNA聚合酶的校对功能
聚合酶
错配硷基
复制方向
正 确
核苷酸
5′ 5′ 5′ 3′ 3′ 3′
切除错配
核苷酸
真核细胞 DNA复制的特点
? 多个起点复制
起点 起点 起点 起点 起点 起点
? 端 粒（ telemere）复制
端粒酶（ telomerase）
DNA复制需要引物，但在线形 DNA分子末端不可能
通过正常的机制在引物被降解后合成相应的片段,如果没
有特殊的机制合成末端序列，染色体就会在细胞传代中
变得越来越短。这一难题是通过端粒酶的发现才得到了
澄清，端粒酶是一种含 RNA的蛋白复合物，实质上是一
种逆转录酶，它能催化互补于 RNA模板的 DNA片段的合
成，使复制以后的线形 DNA分子的末端保持不变。
初步研究表明，人体中生殖细胞的端
粒长度保持不变，而体细胞的端粒长度
则随个体的老化而逐步缩短。对此的一
个推论是：人的生殖细胞具端粒酶的活
力，体细胞则否。这一问题的解决无疑
会有助于对生命衰老的认识 。 5′ 3′
AAAACCCCAAAACCC C C
C A
端粒酶
端粒合成的一种模型
3
′
5
′
TTTTGGGGTTTTG
5
′ 3′
AAAACCCCAAAACCC C C
C A
AA
3
′
5
′
TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTG
5
′ 3′
AAAACCCCAAAACCC C C
C A
AA
T T
GG
G
TG
GG
T
3
′ 5
′
AA
TTTTG
5
′ 3′
AAAACCCCAAAACCC C C
C A
GTTTTG
整合和
杂交
移位和
再杂交
端粒合成的完成
TTTTGGGG TTTTGGGG TTTTGGGGTTTT 5′
3′ n AA
3′
TTTTGGGG TTTTGGGG TTTTGGGGT 5′
3′
T
T CCCCT
n
AA 3′
TTTTGGGG TTTTGGGG TTTTGGGGT 5′
3′
T
T AAAACCCC AAAACCCC AAAACCCCT
n
进一步加工 继续延伸
真核和原核 DNA细胞复制比较
二、逆 转 录 作 用
1、概念
2、逆转录酶
3,病毒逆转录过程
4,逆转录的生物学意义
?扩充了中心法则
?有助于对病毒致癌机制的了解
?与真核细胞分裂和胚胎发育有关
?逆转录酶是分子生物学重要工具酶
三种功能
依赖 DNA指导下的 DNA聚合酶活力
依赖 RNA的 DNA聚合酶活力
核糖核酸酶 H活力
以 RNA为模板合成 DNA，这
与通常转录过程中遗传信息
从 DNA到 RNA的方向相反，故
称为逆转录作用。
逆转录过程中 cDNA的合成
依赖 RNA的
DNA聚合酶 核糖核酸酶 H活力 依赖 DNA的DNA聚合酶
逆 逆转录病毒的生活周期
生活周期
RNA
衣壳
被膜
逆转
录酶
转录
转译
整合入宿主细胞染色体 DNA
进入细胞
丢失被膜
丢失衣壳
逆转录
RNA
RNA
cDNA
衣壳蛋
白
被膜蛋
白
逆转录
酶
三,DNA的突变
DNA分子中的核苷酸序列发生突然而稳定的改变，从而导致 DNA
的复制以及后来的转录和翻译产物随之发生变化，表现出异常的遗传
特性，称为 DNA的突变。它包括由于 DNA损伤和错配得不到修复而引
起的突变，以及由于不同 DNA分子之间的交换而引起的遗传重组。
二,诱变剂的作用
?碱基类似物 (base analog)
?碱基修饰剂 (base modifier)
?嵌入染料 (intercalation dye)
?紫外线 (ultraviolet)和电离辐射 (ionizing radiation)
一,突变的类型
?碱基对的置换 (substitution)
?移码突变 (framesshift mutation)
DNA突变
的类型
-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G-
-A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-
转换
-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G-
-A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-
插入
A
-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G-
-A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-
缺失
T
野生型基因
-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G-
-A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-
-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G-
-A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-
颠换
碱基对的置换
(substitution)
移码突变
(framesshift mutation)
四,DNA的损伤与修复
某些物理化学因子，如紫外线、电离辐射和化学诱
变剂等，都有引起生物突变和致死的作用，其机理是作
用于 DNA，造成 DNA结构和功能的破坏，称为 DNA的损
伤, DNA的修复主要有以下类型,
暗修复
（ 4） 诱导修复 （ SOS修复 ）
（ 1） 光裂合酶修复活
（ 2） 切除修复
（ 3） 重组修复
DNA紫外线损伤的光裂合酶修复
1、形成嘧啶二聚体
2、光复合酶结合于
损伤部位
3、酶被可见光激活
4、修复后酶被释放
DNA的损伤和切除修复
碱基丢失 碱基缺陷或错配 结构缺陷
切开 核酸内切酶
核酸外切酶 切除
DNA聚合酶
DNA连接 酶
AP核酸内切酶
核酸外切酶
切开
切除
修复
连接
糖苷酶
插入酶 碱基取代
DNA的重组修复
胸腺嘧啶
二聚体
复制
核酸酶及
重组蛋白
修复复制
DNA聚合酶
DNA连接酶
重组
SOS反应的机制
靶基因表达 lexA靶基因表达
但产物被分解
recA大量表达
RecA促使
分解 LexA
未诱导的细胞
诱导的细胞
靶基因 lexA基因被 LexA
蛋白质部分阻遏
recA基因被 LexA
蛋白质部分阻遏 （ ?40个不同的位点被阻遏）
LexA(阻遏物 ) RecA(辅蛋白酶 )
单链 DNA
ATP
第二节 RNA的生物合成
一,DNA指导下 RNA的合成（转录 ）
二,RNA指导下 RNA的合成 (RNA的复制 )
三,RNA和 DNA合成比较
一,DNA指导下 RNA的合成（转录）
1,概念 及 DNA的有义链和反义链
2,RNA聚合酶及催化反应
3,RNA合成过程
4,RNA转录后的加工
5、真核生物的 RNA合成
转录的概念和 DNA的有义链和反义链
转录是在 DNA的指导下的 RNA聚合酶的催化下，
按照硷基配对的原则，以四种核苷酸为原料合成
一条与模板 DNA互补的 RNA 的过程。 RNA的转录从
DNA模板的特定位点开始，并在一定的位点终止。
此转录区域为一个转录单位。
启动子
（ promoter)
终止子
(terminator)
模板链（ templatte strand）
反意义链 (antisense strand)
有意义链 (sense strand) 非信息区
DNA
5
′
5
′ 3′
3
′
大肠杆菌 RNA聚合酶的结构示意图
?
?
? ?
??
核心酶 (α 2ββ?)
起始因子
β ?——和模板 DNA结合
β ——起始和催化聚合反应
α ——？
全酶 (α β β ? ?)
RNA聚合酶催化的反应
A
C
G
A
C
G
U
U
模板 DNA
5′
3′
5′
3′
新合成 RNA
RNA合成过程
起始
双链 DNA
局部解开
磷酸二酯
键形成
终止阶段
解链区到达
基因终点
延长阶段
5? 3?
?
?
RNA
启动子
（ promoter)
终止子
(terminator)
5?
?
RNA聚合酶
?
5? ?
3?
5? ?
3?
5?
5? 3? ?
离开
RNA链的延伸图解
3′
3′
RNA-DNA杂交螺旋
聚合酶的移动方向
新生 RNA
复链 解链
有义链
模板链（反义链）
延长部位
原核生物中 rRNA前体的加工
甲基化作用
专一核酸内切酶
30S前体
17S
tRNA
25S
专一核酸外切酶
16S rRNA tRNA 23S rRNA 5S
rRNA
专一核酸外切酶
tRNA前体分子的加工
a、切除 tRNA前体两端多余的序列,
5’—端切除几到 10个核苷酸。
b、末端添加,3’-端添加 CCA序列。
c、修饰：形成稀 有 碱基如 DH2 。
RNAaseP
RNAaseF RNAaseP RNAaseF
RNAaseD
RNAaseD
AC
C
?
? ?
表示核酸内切酶的作用
表示核苷酸转移酶的作用
表示核酸外切酶的作用
表示异构化酶的作用
真核细胞 mRNA的加工
5′,帽子
”
PolyA 3′
顺反子 (cistron )
m7G-5′ppp-N-3 ′ p
AAAAAAA-OH
? 5′ 端接上一个, 帽子, (CAP)结构
? 3′ 端添加 PolyA“尾巴,,由 RNA末端核苷酸转移酶催
化
? 剪接：剪去内含子 (intron),拼接外显子 (extron)
酵母酪氨酸 tRNA前体的加工
早转录本
成熟 tRNA
加工
真核生物和原核生物转录的差别
DNA
核
核糖体
新生蛋白质 真核生物 原核生物
mRNA前体
转运
加工 mRNA
mRNA
? 真核生物中转录与复制在不同的区域
? RNA聚合酶不相同
? 启动子不同
? 转录后 RNA加工修饰不同
噬菌体 Q?的合成
A,负链的合成
B,正链的合成
病毒的正链
复制中间体
复制中间体
新合成的正链
新合成的负链
负链
第三节 核酸合成的抑制剂
? 核苷酸合成抑制剂
氨基酸类似物
叶酸类似物
碱基和核苷酸类似物
嵌合剂
烷化剂
? 与 DNA模板结合的抑制剂
? 作用于 DNA聚合酶或 RNA集合酶的抑制剂
抗菌素,如利福平、曲张霉素
有机化合物：如磷羧基乙酸
第四节 基因工程及分子生物学
技术简介
一,基因工程
二,体细胞克隆技术
三,聚合酶键式反应 （ polymerase
chain reaction,PCR）
一、基因工程简介
基因工程亦称遗传工程，即利用 DNA重组 技术的方法，把
DNA作为组件，在细胞外将一种外源 DNA（目的基因）和载体
DNA重新组合连接（ 重组 ），最后将重组体转入宿主细胞，使
外源基因 DNA在宿主细胞中，随细胞的繁殖而增殖（ cloning，
克隆 ），或最后得到表达，最终获得基因表达产物或改变生物
原有的遗传性状。
基因工程的操作技术
基因工程的应用与前景
基因工程的
操作技术
Foreign DNA
to be inserted Plansmid vector
Joining
Recombinant
DNA molecule
Introduction into host cells by
transformation of viral infection
Host chromateme
Slection for cells coteining a
recombinant DNA molecule
Cloning
+
1、体外基因重组
? 目的基因的制备
? 载体的构建：质粒或
噬菌体
? 目的基因与载体重组
2,重组体 DNA的
转化增殖和表达
? 转化
? 筛选
? 增殖和基因表达
大白鼠的生长激素基因插入到一个质粒中去，在金
属巯基蛋白启动子旁边，这个启动子被金属镉所活化
三,PCR技术 原理 示意图
靶序列
变性和引
物复姓
循环 1
循环 2
循环 3
变性和引
物复姓
链延伸
Tag酶
链延伸
DNA和 RNA合成的比较
基因工程的应用和前景
? 建立基因文库。基因文库的建立有利于研究
基因结构、基因表达调控机制、个体发育和繁
殖的机理、疾病发病机制等，最终将导致遗传
育种、疾病基因治疗发生革命性进步。
? 生产某些珍贵的生化药物，如干扰素、胰岛
素、生长激素等。
? 改造生物原有性状，培育出人类需要的新物
种。
克隆羊多利的诞生
胚胎羊
乳腺上皮细胞
（提供 DNA）
母羊
除去细胞核的卵
母细胞（受体）
体外融合
植入受体母羊
问答题
1,比较 DNA复制与 RNA转录的异同 。
2,比较 DNA聚合酶与 RNA聚合酶催化作用的异同 。
3,DNA复制的高度准确性是通过什么来实现的？
4,肽链合成后的加工处理主要有哪些方式？
5、何谓基因工程？简述其基本理论、基本过程及应用价值
名词解释
中心法则 半保留复制 转录 反转录 翻译
有意义链 反意义链 内含子 外显子
冈崎片段 突变
本章重点介绍遗传中心法则和 DNA、
RNA的生物合成, 对基因工程作一般介
绍 。
思考 ?
DNA是绝大多数生物体遗传信息的载体, 继
1953年 Watson & Crick提出 DNA双螺旋结构模型
后, 1958年, Crick提出了, 中心法则, (Central
dogma)揭示了遗传信息的传递规律 。
遗传信息传递的 中心法则
蛋白质
翻译
转录
逆转录
复制
复制
DNA
RNA
生物的遗传信息以密码的形式储
存在 DNA分子上, 表现为特定的核苷
酸排列顺序 。 在细胞分裂的过程中,
通过 DNA复制 把亲代细胞所含的遗传
信息忠实地传递给两个子代细胞 。 在
子代细胞的生长发育过程中, 这些遗
传信息通过 转录 传递给 RNA,再由
RNA通过 翻译 转变成相应的蛋白质多
肽链上的氨基酸排列顺序, 由蛋白质
执行各种各样的生物学功能, 使后代
表现出与亲代相似的遗传特征 。 后来
人们又发现, 在宿主细胞中一些 RNA
病毒能以自己的 RNA为模板 复制 出新
的病毒 RNA,还有一些 RNA病毒能以
其 RNA为模板合成 DNA,称为 逆转录
这是中心法则的补充 。
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 。
目 录
第四节 基因工程及分子生物学技术简介
第一节 DNA的生物合成
第二节 RNA的生物合成
第三节 核酸合成的抑制剂
第一节 DNA的生物合成
一,DNA的复制 （ DNA指导下的 DNA合成 ）
三,DNA突变
四,DNA的损伤与修复
二,逆转录作用 （ RNA指导下的 DNA的合成）
一,DNA的半保留复制
1,概念 和 实验依据
2,原核生物 DNA聚合反应有关的酶类
3,原核细胞 DNA的复制的起始点和方式
5,DNA复制的忠实性
6,真核细胞 DNA的复制
4,原核细胞 DNA的复制过程 （半不连续复制）
DNA的半保留复制的
概念
DNA在复制时，两条
链解开分别作为模板，在
DNA聚合酶的催化下按碱
基互补的原则合成两条与
模板链互补的新链，以组
成新的 DNA分子。这样新
形成的两个 DNA分子与亲
代 DNA分子的碱基顺序完
全一样。由于子代 DNA分
子中一条链来自亲代，另
一条链是新合成的，这种
复制方式称为半保留复制 。
原核生物 DNA聚合反应有关的酶类
（ 1） DNA聚合酶 (DNA
polymetases)
（ 2） 引物酶 (peimase)和引发体
(primosome),启动 RNA引物链
的合成 。
(3） DNA连接酶 （ DNA ligase）
（ 4） DNA解链酶 (DNA helicase)
(5） 单链结合蛋白 (single-
strand binding protein,SSB)：
结合在解开的 DNA单链上，防止
重新形成双螺旋。
(6） 拓扑异构酶
(topoisomerase):兼具内切酶和
连接酶活力，能迅速将 DNA超螺
旋或双螺旋紧张状态变成松驰状
态，便于解链。
解旋酶
DNA聚
合酶 III
解链酶
RNA引物
引物酶和
引发体
DNA聚
合酶 I
SSB
3′ 3′ 5′
3′ 5′
5′ RNA
引物
复制的忠实性
DNA复制过程是一个高度精确的过程，
据估计，大肠杆菌 DNA复制 109-1010碱基对
仅出现一个误差，保证复制忠实性的原因主
要有以下三点,
a,DNA聚合酶的高度专一性（严格遵循
碱基配对原则）
b,DNA聚合酶的校对功能 （错配碱基被 3’-5’
外切酶切除）
c、起始时以 RNA作为引物
DNA
的半
保留
复制
实验
依据
1958年 Meselson
& stahl用同位素
示踪标记加密度
梯度离心技术 实
验,证明了 DNA是
采取半保留的方
式进行复制,
[15N] DNA
[14N- 15N] DNA
[14N] DNA
[14N- 15N] DNA
连
接
酶
连
接
切
口
Mg2+
连接酶 ATP或 NAD＋
PPi或 NMN
A
T C
G
P
T T
P P P
A A C C T
G A
P
A C
P P P P
OH
T G
G
A
T C
G
P
T T
P P P
A A C C T
G A
P
A C
P P P
T G
G
P
缺口
3'
3' 5'
5'
5'
5' 3'
3'
模板链
模板链
大肠杆菌 复制起点成串排列的重复序列
GATCTNTTNTTT
成串排列的
三个 13bp序列
共有序列 共有序列
TTATCCACA
DnaA蛋白结合位点
四个 9bp序列
DnaA DnaB
(解螺旋酶 )
SSB
大肠杆菌 DNA复制起点在起始阶段的结构模型
DNA复制的方式
环状 DNA复制
时所形成的 θ结
构
起始点
复制叉的推进
复制叉
起始点
起始点
起始点
复制叉 复制叉
未复制 DNA
单向复制
双向复制
原核细胞 DNA
的半不连续复
制复制过程
复制叉的
移动方向
解旋酶
DNA聚
合酶 III
解链酶
RNA引物
引物体
DNA聚
合酶 I
SSB
3′ 3′ 5′
前导链
随后链
3′ 5′
复制的起始
DNA链的合
成与延长
DNA链合
成的终止
5′ RNA引物
3′
3′
DNA连
接酶
DNA聚合酶 Ⅲ 全酶
?
? ?
?
?
? ?
?
?
核心酶
Pol III?
Pol III
延长因子
DNA聚合酶 Ⅲ 二聚体
DNA聚合酶催化的链延长反应
3′ 5′ 模板链
5′
RNA引物 子链
3′
3′
5′ 5′
3′
3′
5′ 5′
3′
大肠杆菌三种 DNA聚合酶比较
DNA
聚合酶 Ⅱ
分子量
每个细胞的分子统计数
5′-3 ′聚合酶作用
3′-5 ′核酸外切酶作用
5′-3 ′核酸外切酶作用
转化率
DNA
聚合酶 Ⅰ
DNA聚合酶 Ⅲ
（复合物）
109,000
400
+
+
+
1
120,000
100
+
+
-
0,05
400,000
10-20
+
+
+
50
比较项目
DNA聚合酶的 3?- 5? 外切酶水解位点
3′
3′ 5′
5′
错配碱基
3′- 5′核酸外切
酶水解位点
复制叉处前导链和随后链同时合成的工作模型
聚合酶 III
全酶
引物 聚合酶 III全酶
引物
引物体 引物体 解旋酶 解旋酶
DNA聚合酶的校对功能
5′-核酸
外切酶
3′-核酸
外切酶
裂缝
聚合中心
裂缝内部
DNA聚合酶的校对功能
聚合酶
错配硷基
复制方向
正 确
核苷酸
5′ 5′ 5′ 3′ 3′ 3′
切除错配
核苷酸
真核细胞 DNA复制的特点
? 多个起点复制
起点 起点 起点 起点 起点 起点
? 端 粒（ telemere）复制
端粒酶（ telomerase）
DNA复制需要引物，但在线形 DNA分子末端不可能
通过正常的机制在引物被降解后合成相应的片段,如果没
有特殊的机制合成末端序列，染色体就会在细胞传代中
变得越来越短。这一难题是通过端粒酶的发现才得到了
澄清，端粒酶是一种含 RNA的蛋白复合物，实质上是一
种逆转录酶，它能催化互补于 RNA模板的 DNA片段的合
成，使复制以后的线形 DNA分子的末端保持不变。
初步研究表明，人体中生殖细胞的端
粒长度保持不变，而体细胞的端粒长度
则随个体的老化而逐步缩短。对此的一
个推论是：人的生殖细胞具端粒酶的活
力，体细胞则否。这一问题的解决无疑
会有助于对生命衰老的认识 。 5′ 3′
AAAACCCCAAAACCC C C
C A
端粒酶
端粒合成的一种模型
3
′
5
′
TTTTGGGGTTTTG
5
′ 3′
AAAACCCCAAAACCC C C
C A
AA
3
′
5
′
TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTG
5
′ 3′
AAAACCCCAAAACCC C C
C A
AA
T T
GG
G
TG
GG
T
3
′ 5
′
AA
TTTTG
5
′ 3′
AAAACCCCAAAACCC C C
C A
GTTTTG
整合和
杂交
移位和
再杂交
端粒合成的完成
TTTTGGGG TTTTGGGG TTTTGGGGTTTT 5′
3′ n AA
3′
TTTTGGGG TTTTGGGG TTTTGGGGT 5′
3′
T
T CCCCT
n
AA 3′
TTTTGGGG TTTTGGGG TTTTGGGGT 5′
3′
T
T AAAACCCC AAAACCCC AAAACCCCT
n
进一步加工 继续延伸
真核和原核 DNA细胞复制比较
二、逆 转 录 作 用
1、概念
2、逆转录酶
3,病毒逆转录过程
4,逆转录的生物学意义
?扩充了中心法则
?有助于对病毒致癌机制的了解
?与真核细胞分裂和胚胎发育有关
?逆转录酶是分子生物学重要工具酶
三种功能
依赖 DNA指导下的 DNA聚合酶活力
依赖 RNA的 DNA聚合酶活力
核糖核酸酶 H活力
以 RNA为模板合成 DNA，这
与通常转录过程中遗传信息
从 DNA到 RNA的方向相反，故
称为逆转录作用。
逆转录过程中 cDNA的合成
依赖 RNA的
DNA聚合酶 核糖核酸酶 H活力 依赖 DNA的DNA聚合酶
逆 逆转录病毒的生活周期
生活周期
RNA
衣壳
被膜
逆转
录酶
转录
转译
整合入宿主细胞染色体 DNA
进入细胞
丢失被膜
丢失衣壳
逆转录
RNA
RNA
cDNA
衣壳蛋
白
被膜蛋
白
逆转录
酶
三,DNA的突变
DNA分子中的核苷酸序列发生突然而稳定的改变，从而导致 DNA
的复制以及后来的转录和翻译产物随之发生变化，表现出异常的遗传
特性，称为 DNA的突变。它包括由于 DNA损伤和错配得不到修复而引
起的突变，以及由于不同 DNA分子之间的交换而引起的遗传重组。
二,诱变剂的作用
?碱基类似物 (base analog)
?碱基修饰剂 (base modifier)
?嵌入染料 (intercalation dye)
?紫外线 (ultraviolet)和电离辐射 (ionizing radiation)
一,突变的类型
?碱基对的置换 (substitution)
?移码突变 (framesshift mutation)
DNA突变
的类型
-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G-
-A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-
转换
-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G-
-A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-
插入
A
-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G-
-A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-
缺失
T
野生型基因
-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G-
-A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-
-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G-
-A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-
颠换
碱基对的置换
(substitution)
移码突变
(framesshift mutation)
四,DNA的损伤与修复
某些物理化学因子，如紫外线、电离辐射和化学诱
变剂等，都有引起生物突变和致死的作用，其机理是作
用于 DNA，造成 DNA结构和功能的破坏，称为 DNA的损
伤, DNA的修复主要有以下类型,
暗修复
（ 4） 诱导修复 （ SOS修复 ）
（ 1） 光裂合酶修复活
（ 2） 切除修复
（ 3） 重组修复
DNA紫外线损伤的光裂合酶修复
1、形成嘧啶二聚体
2、光复合酶结合于
损伤部位
3、酶被可见光激活
4、修复后酶被释放
DNA的损伤和切除修复
碱基丢失 碱基缺陷或错配 结构缺陷
切开 核酸内切酶
核酸外切酶 切除
DNA聚合酶
DNA连接 酶
AP核酸内切酶
核酸外切酶
切开
切除
修复
连接
糖苷酶
插入酶 碱基取代
DNA的重组修复
胸腺嘧啶
二聚体
复制
核酸酶及
重组蛋白
修复复制
DNA聚合酶
DNA连接酶
重组
SOS反应的机制
靶基因表达 lexA靶基因表达
但产物被分解
recA大量表达
RecA促使
分解 LexA
未诱导的细胞
诱导的细胞
靶基因 lexA基因被 LexA
蛋白质部分阻遏
recA基因被 LexA
蛋白质部分阻遏 （ ?40个不同的位点被阻遏）
LexA(阻遏物 ) RecA(辅蛋白酶 )
单链 DNA
ATP
第二节 RNA的生物合成
一,DNA指导下 RNA的合成（转录 ）
二,RNA指导下 RNA的合成 (RNA的复制 )
三,RNA和 DNA合成比较
一,DNA指导下 RNA的合成（转录）
1,概念 及 DNA的有义链和反义链
2,RNA聚合酶及催化反应
3,RNA合成过程
4,RNA转录后的加工
5、真核生物的 RNA合成
转录的概念和 DNA的有义链和反义链
转录是在 DNA的指导下的 RNA聚合酶的催化下，
按照硷基配对的原则，以四种核苷酸为原料合成
一条与模板 DNA互补的 RNA 的过程。 RNA的转录从
DNA模板的特定位点开始，并在一定的位点终止。
此转录区域为一个转录单位。
启动子
（ promoter)
终止子
(terminator)
模板链（ templatte strand）
反意义链 (antisense strand)
有意义链 (sense strand) 非信息区
DNA
5
′
5
′ 3′
3
′
大肠杆菌 RNA聚合酶的结构示意图
?
?
? ?
??
核心酶 (α 2ββ?)
起始因子
β ?——和模板 DNA结合
β ——起始和催化聚合反应
α ——？
全酶 (α β β ? ?)
RNA聚合酶催化的反应
A
C
G
A
C
G
U
U
模板 DNA
5′
3′
5′
3′
新合成 RNA
RNA合成过程
起始
双链 DNA
局部解开
磷酸二酯
键形成
终止阶段
解链区到达
基因终点
延长阶段
5? 3?
?
?
RNA
启动子
（ promoter)
终止子
(terminator)
5?
?
RNA聚合酶
?
5? ?
3?
5? ?
3?
5?
5? 3? ?
离开
RNA链的延伸图解
3′
3′
RNA-DNA杂交螺旋
聚合酶的移动方向
新生 RNA
复链 解链
有义链
模板链（反义链）
延长部位
原核生物中 rRNA前体的加工
甲基化作用
专一核酸内切酶
30S前体
17S
tRNA
25S
专一核酸外切酶
16S rRNA tRNA 23S rRNA 5S
rRNA
专一核酸外切酶
tRNA前体分子的加工
a、切除 tRNA前体两端多余的序列,
5’—端切除几到 10个核苷酸。
b、末端添加,3’-端添加 CCA序列。
c、修饰：形成稀 有 碱基如 DH2 。
RNAaseP
RNAaseF RNAaseP RNAaseF
RNAaseD
RNAaseD
AC
C
?
? ?
表示核酸内切酶的作用
表示核苷酸转移酶的作用
表示核酸外切酶的作用
表示异构化酶的作用
真核细胞 mRNA的加工
5′,帽子
”
PolyA 3′
顺反子 (cistron )
m7G-5′ppp-N-3 ′ p
AAAAAAA-OH
? 5′ 端接上一个, 帽子, (CAP)结构
? 3′ 端添加 PolyA“尾巴,,由 RNA末端核苷酸转移酶催
化
? 剪接：剪去内含子 (intron),拼接外显子 (extron)
酵母酪氨酸 tRNA前体的加工
早转录本
成熟 tRNA
加工
真核生物和原核生物转录的差别
DNA
核
核糖体
新生蛋白质 真核生物 原核生物
mRNA前体
转运
加工 mRNA
mRNA
? 真核生物中转录与复制在不同的区域
? RNA聚合酶不相同
? 启动子不同
? 转录后 RNA加工修饰不同
噬菌体 Q?的合成
A,负链的合成
B,正链的合成
病毒的正链
复制中间体
复制中间体
新合成的正链
新合成的负链
负链
第三节 核酸合成的抑制剂
? 核苷酸合成抑制剂
氨基酸类似物
叶酸类似物
碱基和核苷酸类似物
嵌合剂
烷化剂
? 与 DNA模板结合的抑制剂
? 作用于 DNA聚合酶或 RNA集合酶的抑制剂
抗菌素,如利福平、曲张霉素
有机化合物：如磷羧基乙酸
第四节 基因工程及分子生物学
技术简介
一,基因工程
二,体细胞克隆技术
三,聚合酶键式反应 （ polymerase
chain reaction,PCR）
一、基因工程简介
基因工程亦称遗传工程，即利用 DNA重组 技术的方法，把
DNA作为组件，在细胞外将一种外源 DNA（目的基因）和载体
DNA重新组合连接（ 重组 ），最后将重组体转入宿主细胞，使
外源基因 DNA在宿主细胞中，随细胞的繁殖而增殖（ cloning，
克隆 ），或最后得到表达，最终获得基因表达产物或改变生物
原有的遗传性状。
基因工程的操作技术
基因工程的应用与前景
基因工程的
操作技术
Foreign DNA
to be inserted Plansmid vector
Joining
Recombinant
DNA molecule
Introduction into host cells by
transformation of viral infection
Host chromateme
Slection for cells coteining a
recombinant DNA molecule
Cloning
+
1、体外基因重组
? 目的基因的制备
? 载体的构建：质粒或
噬菌体
? 目的基因与载体重组
2,重组体 DNA的
转化增殖和表达
? 转化
? 筛选
? 增殖和基因表达
大白鼠的生长激素基因插入到一个质粒中去，在金
属巯基蛋白启动子旁边，这个启动子被金属镉所活化
三,PCR技术 原理 示意图
靶序列
变性和引
物复姓
循环 1
循环 2
循环 3
变性和引
物复姓
链延伸
Tag酶
链延伸
DNA和 RNA合成的比较
基因工程的应用和前景
? 建立基因文库。基因文库的建立有利于研究
基因结构、基因表达调控机制、个体发育和繁
殖的机理、疾病发病机制等，最终将导致遗传
育种、疾病基因治疗发生革命性进步。
? 生产某些珍贵的生化药物，如干扰素、胰岛
素、生长激素等。
? 改造生物原有性状，培育出人类需要的新物
种。
克隆羊多利的诞生
胚胎羊
乳腺上皮细胞
（提供 DNA）
母羊
除去细胞核的卵
母细胞（受体）
体外融合
植入受体母羊
问答题
1,比较 DNA复制与 RNA转录的异同 。
2,比较 DNA聚合酶与 RNA聚合酶催化作用的异同 。
3,DNA复制的高度准确性是通过什么来实现的？
4,肽链合成后的加工处理主要有哪些方式？
5、何谓基因工程？简述其基本理论、基本过程及应用价值
名词解释
中心法则 半保留复制 转录 反转录 翻译
有意义链 反意义链 内含子 外显子
冈崎片段 突变
