第 13章 DNA的生物合成 -复制
DNA Biosynthesis--Repication
本章主要内容：
? 中心法则
? DNA复制的半保留性
? DNA的复制过程
? DNA的损伤和修复
? 反转录
Watson and
Crick,1953
人类科学发展历
史上的伟大里程碑。
现代生物化学和分子生物学的一个最基本的观点 —— 在生
命有机体中，基因是唯一能够复制，并且能永远存在的单位，
而其意义最终须通过蛋白质才体现出来。
从 DNA到蛋白质，遗传信息的流动遵循着 中心法则 。
1.中心法则
2.DNA的半保留复制
半保留复制 （ semiconservative replication）
即新的双链 DNA中，一股链来自模板，
一股链为新合成的。
半保留复制的意义
复制的这种方式可保证亲代的
遗传特征完整无误的传递给子代，
体现了遗传的 保守性 。
2.DNA的半保留复制
半保留复制实验依据
1958年 M.Messelson 等用实验加以
证实
双螺旋结构是半保留复制的分子基
础
（以原核生物 大肠杆菌为例）
1,原料, dNTP,Mg++
2,双链 DNA模板
3,引物 （ primer），小片段的 DNA或 RNA，常是 RNA，
有游离的 3’OH。
4,引物酶 （ primase,DnaG），用于合成复制所必需
的 RNA引物
3.DNA的复制过程
3.1 与复制有关的酶和因子
5,解螺旋酶 ( helicase ),DnaB,由 DnaA和 DnaC协助在
复制的起始点（ Ori C）上解开双螺旋。
6,单链结合蛋白 （ SSB,single stranded binding protein）
稳定已经解开成两股的 DNA单链，防止其退火复性。
7,拓扑异构酶 （ DNA topoisomerase）
拓扑一词的含义是指物体或图象做弹性移位而又保持物体
不变的性质。
DNA 分子中存在打结，缠绕、连环的现象。
I 型酶,切开双链中的一股，使 DNA不致打结，切口的 3’端可
通过自由转动一周再与 5’端磷酸连接，
不需 ATP。
II 型酶：切断处于超螺旋状态中双股链中的某个部位，通过切
口使超螺旋松弛，利用 ATP使 DNA恢复复制所要求的负超螺旋
状态。
8,DNA聚合酶 （ DNApolymerase）
聚合酶 III 主要的复制酶，并有校读、纠错的功能
5’—— 3’ 延伸多核苷酸链，活性很强,有模板依赖性，其延伸的方
式是依据碱基互补配对的原则，将原料 dNTP与游离的 3’ OH上连接，同
时释出一个 PPi 。
3’—— 5’ 外切酶切除可能错配的核苷酸
聚合酶 I 用于切除引物 RNA,并填补留下的空隙
5’—— 3’延伸多核苷酸链,
3’—— 5’ 外切酶的作用，切除可能错配的核苷酸
5’—— 3’ 外切酶的作用是切除引物
聚合酶 II 活性弱
5’—— 3’延伸多核苷酸链
3’—— 5’ 外切酶
DNA聚合酶延伸多核苷酸链总是 5’ 3’
聚合酶催化的链延长反应
DNA聚合酶 Ⅰ DNA聚合酶 Ⅱ DNA聚合酶 Ⅲ
不同种类亚基数目 1 ≥7 ≥10
相对分子质量 103 000 88 000 900 000
5′→3 ′核酸聚合酶
活性 + + +
3′→5 ′核酸外切酶
活性 + + +
5′→3 ′核酸外切酶
活性 + - -
聚合速度（核苷酸 /
分） 1 000~1200 2400 15 000~60 000
持续合成能力 3~200 1500 ≥500 000
分子数 /细胞 400 100 10~20
功能 切除引物，修复 修复 复制
真核的 DNA聚合酶
真核 DNA的复制至少涉及 5种复制酶,
其中 α, δ, ε 参与染色体 DNA的复制,
α 有引物要求；
β 负责 DNA的修复；
γ 的功能是线粒体 DNA的复制 。
9,DNA连接酶（ ligase）
将不连续的 DNA片段以磷酸二酯键连接起来，原核生物
通过分解 NAD为 NMN和 Pi提供能量，真核生物则消耗 ATP
复制的起始在原核生物只有一个起始点（ OriC），而在真核生物有多
个起始点。
DnaB（解螺旋酶,rep蛋白）,DnaA 和 DnaC参与解链，形成 复制叉
（ replication fork）,SSB结合并稳定解开的单股 DNA链；引物酶
（ DnaG）与上述因子、酶构成 引发体 （ primosome），并合成 RNA引物。
解链造成的超螺旋，由 拓扑异构酶 实现超螺旋的转型，即把正超螺旋
转变为负超螺旋。
3.DNA的复制过程
3.2 DNA复制过程
? 复制的起始
复制起始点
原核
真核
复制叉
原
核
生
物
复
制
的
起
始
这个过程由 DNA聚合酶 III催化，它是 主要的复制酶 。
领头链（ leading chain）,为连续合成，合成方向与解链方向一致，
它的模板 DNA链是 5’—— 3’ 链。
滞后链（ lagging chain ）,不连续合成，在 RNA引物基础上分段合
成 DNA小片段 （冈崎片段）,方向与解链方向相反，它的模板 DNA
链是 3’—— 5’链。
由此可见，整个 DNA分子的复制是 半不连续 的。
?多肽链的延伸
半不连续复制示意图
复制叉上各种酶与蛋白因子的作用和作用部位
复制叉的结构
? 复制的终止
由 DNA聚合酶 I完成切除引物，并且填补空隙，由 DNA连接酶 将 DNA片
段连接起来。
在真核生物，由 端粒酶 （ telomerase）催化,在真核线性 DNA的
末端形成一种特殊的结构并与蛋白质结合成 端粒 （ telomere）。
端粒由成百个 6个核苷酸的重复序列所组成（人为 TTAGGG，
四膜虫为 TTGGGG）。端粒的功能为稳定染色体的末端结构，
防止染色体间末端连接，并可补偿滞后链 5′-末端在消除
RNA引物后造成的空缺。复制可使端粒 5′末端缩短，而端
粒酶（ telomerase）可外加重复单位到 5′-末端上，结果使
端粒维持一定的长度。
胸腺嘧啶二聚体
DNA的突变 (损伤 )大多数是
自发的，是进化与分化的基础。
环境中的理化因素，如紫外
辐射引起两个嘧啶碱基的共价
聚合。许多化学诱变剂，它们
常是致癌物,如亚硝酸盐，常
导致 DNA突变。
DNA的突变有点突变（碱基
的错配）、碱基的缺失,DNA片
段的重排等形式。
4.DNA的损伤与修复
4.1 DNA的损伤
直接修复,如光复活酶,普遍存在在生物机体中,可以把嘧啶二聚
体恢复正常状态。
切除修复,找出损伤位臵并切除，进行修复合成并连接。
重组修复,先复制再修复。子代链在对应模板链的损伤 处留
下缺口，先将同源母链 DNA上相应的核苷酸片段转移替补，然
后再合成一段序列填充缺口。
SOS系统,复杂的应急反应。既有避免差错的修复又有引起差错
的修复，后者有高变异率但也增加了生存机会。
4.DNA的损伤与修复
4.2 DNA损伤的修复
切除修复
重组修复
逆转录也称反转录，是某些生物（如鸡的肉瘤病毒,HIV等）的特
殊复制方式。它们的遗传信息载体是 RNA 而不是 DNA。因此，在感染细
胞时，首先经过逆转录作用成为双链 DNA，才能整合到宿主基因组中去。
这个过程由逆转录酶催化，它具有以 RNA为模板合成 DNA，水解杂
交链上的 RNA以及以 DNA为模板合成 DNA三种活性。
逆转录现象和 逆转录酶（ reverse transcriptase） （ H,Temin，
1970）是分子生物学研究中的重大发现，是对经典中心法则重要补充。
5.逆转录作用 — 以 RNA为模板合成 DNA
本 章 结 束
DNA Biosynthesis--Repication
本章主要内容：
? 中心法则
? DNA复制的半保留性
? DNA的复制过程
? DNA的损伤和修复
? 反转录
Watson and
Crick,1953
人类科学发展历
史上的伟大里程碑。
现代生物化学和分子生物学的一个最基本的观点 —— 在生
命有机体中，基因是唯一能够复制，并且能永远存在的单位，
而其意义最终须通过蛋白质才体现出来。
从 DNA到蛋白质，遗传信息的流动遵循着 中心法则 。
1.中心法则
2.DNA的半保留复制
半保留复制 （ semiconservative replication）
即新的双链 DNA中，一股链来自模板，
一股链为新合成的。
半保留复制的意义
复制的这种方式可保证亲代的
遗传特征完整无误的传递给子代，
体现了遗传的 保守性 。
2.DNA的半保留复制
半保留复制实验依据
1958年 M.Messelson 等用实验加以
证实
双螺旋结构是半保留复制的分子基
础
（以原核生物 大肠杆菌为例）
1,原料, dNTP,Mg++
2,双链 DNA模板
3,引物 （ primer），小片段的 DNA或 RNA，常是 RNA，
有游离的 3’OH。
4,引物酶 （ primase,DnaG），用于合成复制所必需
的 RNA引物
3.DNA的复制过程
3.1 与复制有关的酶和因子
5,解螺旋酶 ( helicase ),DnaB,由 DnaA和 DnaC协助在
复制的起始点（ Ori C）上解开双螺旋。
6,单链结合蛋白 （ SSB,single stranded binding protein）
稳定已经解开成两股的 DNA单链，防止其退火复性。
7,拓扑异构酶 （ DNA topoisomerase）
拓扑一词的含义是指物体或图象做弹性移位而又保持物体
不变的性质。
DNA 分子中存在打结，缠绕、连环的现象。
I 型酶,切开双链中的一股，使 DNA不致打结，切口的 3’端可
通过自由转动一周再与 5’端磷酸连接，
不需 ATP。
II 型酶：切断处于超螺旋状态中双股链中的某个部位，通过切
口使超螺旋松弛，利用 ATP使 DNA恢复复制所要求的负超螺旋
状态。
8,DNA聚合酶 （ DNApolymerase）
聚合酶 III 主要的复制酶，并有校读、纠错的功能
5’—— 3’ 延伸多核苷酸链，活性很强,有模板依赖性，其延伸的方
式是依据碱基互补配对的原则，将原料 dNTP与游离的 3’ OH上连接，同
时释出一个 PPi 。
3’—— 5’ 外切酶切除可能错配的核苷酸
聚合酶 I 用于切除引物 RNA,并填补留下的空隙
5’—— 3’延伸多核苷酸链,
3’—— 5’ 外切酶的作用，切除可能错配的核苷酸
5’—— 3’ 外切酶的作用是切除引物
聚合酶 II 活性弱
5’—— 3’延伸多核苷酸链
3’—— 5’ 外切酶
DNA聚合酶延伸多核苷酸链总是 5’ 3’
聚合酶催化的链延长反应
DNA聚合酶 Ⅰ DNA聚合酶 Ⅱ DNA聚合酶 Ⅲ
不同种类亚基数目 1 ≥7 ≥10
相对分子质量 103 000 88 000 900 000
5′→3 ′核酸聚合酶
活性 + + +
3′→5 ′核酸外切酶
活性 + + +
5′→3 ′核酸外切酶
活性 + - -
聚合速度（核苷酸 /
分） 1 000~1200 2400 15 000~60 000
持续合成能力 3~200 1500 ≥500 000
分子数 /细胞 400 100 10~20
功能 切除引物，修复 修复 复制
真核的 DNA聚合酶
真核 DNA的复制至少涉及 5种复制酶,
其中 α, δ, ε 参与染色体 DNA的复制,
α 有引物要求；
β 负责 DNA的修复；
γ 的功能是线粒体 DNA的复制 。
9,DNA连接酶（ ligase）
将不连续的 DNA片段以磷酸二酯键连接起来，原核生物
通过分解 NAD为 NMN和 Pi提供能量，真核生物则消耗 ATP
复制的起始在原核生物只有一个起始点（ OriC），而在真核生物有多
个起始点。
DnaB（解螺旋酶,rep蛋白）,DnaA 和 DnaC参与解链，形成 复制叉
（ replication fork）,SSB结合并稳定解开的单股 DNA链；引物酶
（ DnaG）与上述因子、酶构成 引发体 （ primosome），并合成 RNA引物。
解链造成的超螺旋，由 拓扑异构酶 实现超螺旋的转型，即把正超螺旋
转变为负超螺旋。
3.DNA的复制过程
3.2 DNA复制过程
? 复制的起始
复制起始点
原核
真核
复制叉
原
核
生
物
复
制
的
起
始
这个过程由 DNA聚合酶 III催化，它是 主要的复制酶 。
领头链（ leading chain）,为连续合成，合成方向与解链方向一致，
它的模板 DNA链是 5’—— 3’ 链。
滞后链（ lagging chain ）,不连续合成，在 RNA引物基础上分段合
成 DNA小片段 （冈崎片段）,方向与解链方向相反，它的模板 DNA
链是 3’—— 5’链。
由此可见，整个 DNA分子的复制是 半不连续 的。
?多肽链的延伸
半不连续复制示意图
复制叉上各种酶与蛋白因子的作用和作用部位
复制叉的结构
? 复制的终止
由 DNA聚合酶 I完成切除引物，并且填补空隙，由 DNA连接酶 将 DNA片
段连接起来。
在真核生物，由 端粒酶 （ telomerase）催化,在真核线性 DNA的
末端形成一种特殊的结构并与蛋白质结合成 端粒 （ telomere）。
端粒由成百个 6个核苷酸的重复序列所组成（人为 TTAGGG，
四膜虫为 TTGGGG）。端粒的功能为稳定染色体的末端结构，
防止染色体间末端连接，并可补偿滞后链 5′-末端在消除
RNA引物后造成的空缺。复制可使端粒 5′末端缩短，而端
粒酶（ telomerase）可外加重复单位到 5′-末端上，结果使
端粒维持一定的长度。
胸腺嘧啶二聚体
DNA的突变 (损伤 )大多数是
自发的，是进化与分化的基础。
环境中的理化因素，如紫外
辐射引起两个嘧啶碱基的共价
聚合。许多化学诱变剂，它们
常是致癌物,如亚硝酸盐，常
导致 DNA突变。
DNA的突变有点突变（碱基
的错配）、碱基的缺失,DNA片
段的重排等形式。
4.DNA的损伤与修复
4.1 DNA的损伤
直接修复,如光复活酶,普遍存在在生物机体中,可以把嘧啶二聚
体恢复正常状态。
切除修复,找出损伤位臵并切除，进行修复合成并连接。
重组修复,先复制再修复。子代链在对应模板链的损伤 处留
下缺口，先将同源母链 DNA上相应的核苷酸片段转移替补，然
后再合成一段序列填充缺口。
SOS系统,复杂的应急反应。既有避免差错的修复又有引起差错
的修复，后者有高变异率但也增加了生存机会。
4.DNA的损伤与修复
4.2 DNA损伤的修复
切除修复
重组修复
逆转录也称反转录，是某些生物（如鸡的肉瘤病毒,HIV等）的特
殊复制方式。它们的遗传信息载体是 RNA 而不是 DNA。因此，在感染细
胞时，首先经过逆转录作用成为双链 DNA，才能整合到宿主基因组中去。
这个过程由逆转录酶催化，它具有以 RNA为模板合成 DNA，水解杂
交链上的 RNA以及以 DNA为模板合成 DNA三种活性。
逆转录现象和 逆转录酶（ reverse transcriptase） （ H,Temin，
1970）是分子生物学研究中的重大发现，是对经典中心法则重要补充。
5.逆转录作用 — 以 RNA为模板合成 DNA
本 章 结 束
