导图社区 生物化学与分子生物学——DNA的合成
人民卫生出版社 第九版 《生物化学与分子生物学》 第十二章 DNA的合成，包含真核生物DNA复制过程、DNA复制的基本规律、DNA复制的酶学和拓扑学等。
这是一篇关于抗真菌药的思维导图，主要内容包括：作用机制，唑类抗真菌药，概述。抗真菌药是指能抑制或杀灭真菌的药物。这类药物在医学领域具有广泛的应用，主要用于治疗由真菌引起的各种感染。
这是一篇关于磺胺类抗菌药的思维导图，主要内容包括：不良反应5，体内过程，作用特点，作用机制，药理作用，概述。
这是一篇关于喹诺酮类抗菌药的思维导图，主要内容包括：小结，药物相互作用，禁忌证，不良反应6，临床应用6，体内过程，耐药性，作用机制3，药理作用，构效关系，概述。
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DNA的合成
DNA复制的基本规律
半保留复制
DNA以半保留方式进行复制
在复制时，亲代双链DNA解开为两股单链，各自作为模板，依据碱基配对规律，合成序列互补的子链DNA双链
意义
遗传保守性（稳定性)
差异的普遍性
遗传保守性不是绝对的：由于DNA突变和DNA重组普遍存在
子代DNA中保留了亲代的全部遗传信息，亲代与子代DNA之间碱基序列的高度一致
双向复制
DNA复制从起点双向进行
原核生物DNA复制
只有一个复制起点
原核生物基因组是环状DNA
单点起始双向复制
复制叉
定义
复制中的模板DNA形成两个延伸方向相反的开链区
正在进行复制的双链DNA所形成的Y形区域
组成
头部
已解旋的两条模板单链
正在进行合成的新链
尾部
尚未解旋的DNA模板双链
复制从起点开始，向两个方向进行解链
真核生物DNA复制
多起点双向复制特征
真核基因组庞大而复杂，由多个染色体组成，全部染色体均需复制，每个染色体又有多个起点
每个起点产生两个移动方向相反的复制叉
复制完成时，复制叉相遇并汇合连接
复制子是含有一个复制起点的独立完成复制的功能单位
从一个DNA复制起点起始的DNA复制区域称为复制子（replicon）
两个相邻起点之间的距离
半不连续复制
DNA复制以半不连续方式进行
原因：DNA聚合酶只能催化DNA链从5’至3‘方向的合成
前导链（leading strand）
解链方向生成的子链DNA，其合成是连续进行的（连续复制）
后随链（lagging strand）
非连续复制，随着模板链的解开逐段地从5′→3′生成引物并合成
前导链连续复制而后随链不连续复制的方式被称为半不连续复制
两条互补链的合成是不对称的
在引物生成和子链延长上，后随链都比前导链要迟一些
冈崎片段（Okazaki fragment）
沿着后随链的模板链合成的新DNA片段
片段之间通过DNA连接酶连接
去除引物
填补引物留下的空隙
高保真性
DNA复制具有高保真性
概念
错配概率极低
原因
绝对保真性
“半保留复制”确保亲代和子代DNA分子之间信息传递的绝对保真性
严格的碱基配对原则
高保真DNA聚合酶遵守严格的碱基配对原则
复制叉的复杂精细结构
体内复制叉的复杂精细结构提高了复制的准确性
存在修复系统
DNA聚合酶的核酸外切酶活性和校读功能
复制后修复系统
光复活修复
剪切修复
重组修复
SOS
对错配加以纠正
DNA复制的酶学和拓扑学
DNA复制
反应本质
酶促脱氧核苷酸聚合反应
底物
dNTP
dATP
dGTP
dCTP
dTTP
三个磷酸基团
最靠近核糖的为α-P,向外以此为β-P、γ-P
聚合反应中，α-P与子链末端核糖的3’-OH连接
模板
解开成单链的DNA母链
反应简式
(dNMP)n+dNTP→（dNMP)n+1 + PPi
N代表4中碱基中的任意一种
三个阶段
起始
延伸
终止
DNA聚合酶催化脱氧核苷酸间的聚合
DNA聚合酶
全称
依赖DNA的DNA聚合酶（DNA pol)
特点
需要单链DNA模板
只具有5’→ 3’聚合酶活性，没有3’→ 5’聚合酶活性
不能催化DNA新链从头合成，只能催化dNTP加入已有核苷酸链的3'-OH末端 （需要带3-OH的核酸引物）
原核生物有至少5种DNA聚合酶
DNA pol Ⅰ
由polA编码
主要在DNA损伤修复中发挥作用
在半保留复制中起到辅助作用
修复和复制
对复制中的错误进行校对
对复制中和修复中出现的空隙进行填补
分子结构
二级结构以α-螺旋为主
用特异的蛋白酶将其水解为两个片段
小片段
323个氨基酸残基
5'→3'核酸外切酶活性
大片段（Klenow片段）
实验室合成DNA，分子生物学研究中常用的工具酶
604个氨基酸残基
DNA聚合酶活性
3'→5'核酸外切酶活性
DNA pol Ⅱ
由polB编码
修复
DNA pol Ⅱ基因发生突变，细菌依然能存活
参与DNA损伤的应急状态修复
对模板的特异性不高，即使在已发生损伤的DNA模板上，它也能催化核苷酸聚合
DNA pol Ⅲ
由polC编码
原核生物中复制延长中真正起催化作用的酶
引物合成、主要的复制延伸聚合酶
10种（17个)亚基构成的不对称异聚合体
2个核心酶（2α、2ε、2θ）
α、ε、θ亚基
作用
α
合成DNA前导链和后随链
5'→3'聚合酶活性
ε
3'→5'外切酶活性（复制保真性所必需）α亚基可增强其活性
执行碱基选择功能
θ
可能起组装的作用
维系二聚体
主要作用
合成DNA
有5'→3'聚合活性
1对β亚基（4β）构成的滑动夹
夹稳DNA模板链
使酶沿着模板滑动
γ-复合物（夹子加载复合体）
γ、δ、δ'、ψ、χ、2τ
2个τ亚基分别和1个核心酶相互作用，其柔性连接区可以确保在复制叉1个全酶分子的2个核心酶能够相对独立运动，分别负责合成前导链和后随链
促进滑动夹加载
促进全酶组装至模板上
增强核心酶活性的作用
DNA pol IV
由dinB编码
DNA poI V
由umu'2C编码
跨损伤合成DNA聚合酶
常见的真核细胞DNA聚合酶有5种
DNA pol β
保真度低，参与应急修复复制
DNA pol γ
线粒体DNA复制的酶
Ⅱ
DNA pol δ
合成后随链
DNA pol ε
合成前导链
DNA pol α
引物酶活性
合成引物（催化RNA链的合成）
Ⅲ
聚合酶转换的概念
DNA pol α合成引物，然后迅速被具有连续合成能力的DNA pol ε和DNA pol δ所替换的过程
DNA聚合酶的碱基选择和校对功能
DNA复制的保真性至少要依赖三种机制
遵守严格的碱基配对规律 （半保留复制）
聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能
复制出错时有即时校对功能
复制的保真性依赖正确的碱基选择
ε亚基是执行碱基选择功能的
“错配”实验发现，DNA pol Ⅲ中核心亚基ε对核苷酸的参入具有选择性
DNA pol Ⅲ对不同构型糖苷键表现不同亲和力，因此实现其选择功能
反式
顺式
聚合酶中的核酸外切酶活性在复制中辨认切除错配碱基并加以校正
错配修复
在复制过程中辨认并切除错配的碱基，对复制错误进行校正
基础
核酸外切酶活性 (exonuclease)
DNA pol Ⅰ、DNA pol δ和DNA pol ε都具有很强的3'→5'核酸外切酶活性，能进行错配校对
从核酸链一端把核苷酸依次水解的酶活性，一般具有方向性
复制中DNA分子拓扑学变化
如何解开DNA双链是理解复制机制的关键
多种酶参与DNA解链和稳定单链状态
原核生物复制中参与DNA解链的相关蛋白质（原核基因）
DnaA（dnaA）
辨认功能起点
DnaB（dnaB）
解旋酶
利用ATP供能
作用于氢键，使得DNA双链解开成为两条单链
解开DNA双链
DnaC（dnaC）
运送和协同DnaB
DnaG（dnaG）
引物酶
复制起始时催化生成RNA引物的酶
催化RNA引物生成
SSB
单链DNA结合蛋白
在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整
稳定已经解开的单链DNA
拓扑异构酶
拓扑异构酶Ⅱ/促旋酶
解开超螺旋
DNA拓扑异构酶改变DNA超螺旋状态
DNA拓扑异构酶（简称拓扑酶）
种类
Ⅰ型
不依赖ATP
切断DNA双链中一股，使DNA解链旋转中不致打结，适当时候又把切口封闭，使DNA变为松弛状态
Ⅱ型
依赖ATP
切断处于正超螺旋状态的DNA双链，使超螺旋松弛，然后利用ATP供能，松弛状态的DNA的断端在同一个酶的催化下接连恢复，DNA分子进入负超螺旋状态
Ⅲ型
拓扑的概念
在物理学上指物体或图像作弹性位移而保持物体原有的性质
DNA连接酶连接复制中产生的单链缺口
DNA连接酶
连接DNA链3'-OH末端和另一DNA链的5'-P末端，使得两者之间生成磷酸二酯键，从而将两段相邻的DNA链连接成完整的链
消耗ATP
功能与用途
DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用
冈崎片段
在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用
是基因工程的重要工具酶之一
原核生物DNA复制过程
复制的起始
DNA的解链
复制有固定起点
E.coli（大肠杆菌）的固定复制起点
oriC
跨度
245bp
5组由9个碱基对（9bp)组成的串联重复序列
DnaA结合位点
3组由13个碱基对（13bp)组成的串联重复序列
富含AT
容易解链
需要多种蛋白质参与
DnaA
结构
同源四聚体
功能
辨认复制起点
辨认并结合于oriC的串联重复序列（AT区）上
几个DnaA蛋白相互靠近，形成DNA-蛋白质复合体结构，促使AT区的DNA解链
DnaB
别名
DnaC
解旋酶在DnaC蛋白的协同下，结合并沿着解链方向移动，使双链解开足够用于复制的长度，并且逐步置换出DnaA蛋白
需要DNA拓扑异构酶
拓扑异构酶Ⅱ
通过切断、旋转和再连接的作用，实现DNA超螺旋的转型
把正超螺旋变为负超螺旋
引物合成和起始复合物的形成
引物的合成需要引物酶的催化
需要引物酶的客观原因
DNA pol不具有催化两个游离dNTP之间形成磷酸二酯键的能力
只具有催化核酸片段的3'-OH末端与dNTP间的聚合的能力
属于RNA聚合酶
但又不同于催化转录的RNA聚合酶
利福平是转录用RNA pol的特异性抑制剂，而引物酶对利福平不敏感
不需要3'-OH端便能催化NTP的聚合
催化RNA引物合成
引物长度约为5～10个核苷酸不等
起始复合物（引发体）
解旋酶DnaB、DnaC、引物酶和DNA的复制起始区域共同构成的起始复合物结构
起始复合物蛋白质组分在DNA链上的移动需要ATP供能
复制中DNA链的延长
酶
方向
5'→3'
在同一个复制叉上，前导链的复制先于后随链
前导链和后随链在同一个DNA pol Ⅲ酶催化下进行延长
前导链和后随链的延长方向和延长点都处在DNA pol Ⅲ核心酶的催化位点上
速度快
复制的终止
切除引物
填补空缺
由后复制的片段延长以填补先复制片段的引物空隙
连接切口
真核生物DNA复制过程
真核生物DNA复制的起始与原核生物基本相似
复制具有时序性
复制子以分组方式激活而不是同步启动
转录活性高的DNA在S期早期就进行复制
高度重复的序列如卫星DNA、连接染色体双倍体的部位即中心体和线性染色体两端即端粒都是在S期的最后阶段才复制的
复制起点序列更复杂
复制起始也是打开双链形成复制叉，形成引发体和合成RNA引物
详细机制尚未完全明了
需要这些酶的参与
增殖细胞核抗原（proliferation cell nuclear antigen)PCNA在复制起始和延长中发挥关键作用
PCNA
具有与E.coli DNA pol Ⅲ的β亚基相同的功能和相似的构象，即形成闭合环形的可滑动的DNA夹子，在RFC的作用下PCNA结合与引物-模板链
同源三聚体
类似于β亚基
使DNA pol δ获得持续合成的能力
活动夹，促进DNA的合成
促进核小体生成
用途
PCNA的蛋白质水平是检验细胞增殖能力的重要指标
真核生物DNA复制的延长发生DNA聚合酶转换
聚合酶转换的定义
冈崎片段的长度大致与一个核小体所含DNA碱基数（135bp)或其若干倍相等
FEN1和RNase H等负责去除真核复制RNA引物
就酶的催化速率而言，远比原核生物慢
鉴于真核生物是多复制子复制，故总体速度是不慢的
复制速度受不同器官组织、不同发育时期和不同生理状况影响而不同
真核生物DNA合成后立即组装成核小体
真核生物DNA复制与核小体装配同步进行，复制完成后随即组合成染色体并从G2期间过渡到M期
核小体的破坏仅仅局限于紧邻复制叉的一段短的区域内，复制叉的移动使核小体被破坏，但是复制叉向前移动时，核小体在子链上迅速形成
原有组蛋白大部分会被重新利用，但也需合成新的组蛋白
端粒酶解决染色体末端复制问题
染色体末端复制问题
染色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物，去除后留下空隙。剩下的DNA单链母链如果不填补成双链，就会被核内的DNase酶解，染色体经过多次复制会变得越来越短（如某些低等生物）
端粒
真核生物染色体线性DNA分子的末端结构
形态学
染色体DNA末端膨大成粒状
维持染色体的稳定性和DNA复制的完整性
富含T-G短序列的多次重复，并能反折成二级结构
端粒酶
兼有提供RNA模板和催化逆转录的功能
端粒酶RNA
端粒酶协同蛋白1
端粒酶逆转录酶
在细胞中负责端粒的延长的一种酶，是基本的核蛋白逆转录酶，可将端粒DNA加至真核细胞染色体末端，把DNA复制损失的端粒填补起来，使端粒修复延长，可以让端粒不会因细胞分裂而有所损耗，使得细胞分裂的次数增加
作用机理
爬行模型
教材P245
个人理解
端粒酶先延长母链（逆转录的方式），再以母链为模板延长子链（招募DNA pol）
端粒酶的活性不一定与端粒的长度成正比
真核生物染色体DNA在每个细胞周期中只能复制一次
复制仅仅出现在S期，而且只能复制一次
真核细胞DNA复制的起始分两步进行
复制基因的选择
时期
出现于G1期
基因组的每一个复制基因位点均组装成前复制复合物
复制起点的激活
仅出现在S期之后
将激活pre-RC，募集若干复制基因结合蛋白和DNA聚合酶，并起始DNA解旋
与细胞周期的进程一致
细胞周期蛋白D的水平在G1后期升高，激活S期的CDK（细胞周期蛋白依赖性激酶），复制许可因子是CDK的底物，为发动DNA复制所必须。复制许可因子一般不能通过核膜进入核内，但是在有丝分裂的末期、核膜重组之前可以进入细胞核，与DNA的复制起点结合。等待被刺激进入S期的CDK激活，启动复制。一旦复制启动，复制许可因子即可失去活性或被降解。在细胞周期的其他时间内，新的复制许可因子不能进入细胞核内，保证在一个细胞周期内只能进行一次基因组的复制。
真核生物线粒体DNA按D环方式复制
复制起点不在双链DNA同一位点，内、外环复制有时序差别
mtDNA容易发生突变，损伤后的修复较为困难
mtDNA的突变与衰老等自然现象有关，也和一些疾病的发生有关
逆转录
逆转录酶
依赖RNA的DNA聚合酶
催化以RNA为模板合成双链DNA
三种活性
RNA指导的DNA聚合酶活性
RNase活性
DNA指导的DNA聚合酶活性
辅因子
锌离子
催化反应三步骤
RNA/DNA杂化双链的生成
逆转录酶以病毒基因组RNA为模板，催化dNTP聚合生成DNA互补链，产物是RNA/DNA杂化双链
RNA单链的水解
杂化双链中的RNA被逆转录酶中有RNase活性的组分水解
被感染细胞中的RNase也可以水解RNA链
DNA互补链的生成
RNA分解后剩下的单链DNA再用作模板，由逆转录酶催化合成第二条DNA互补链
逆转录的发现发展了中心法则
中心主题
