第一節(jié) 生物能學(xué)的幾個(gè)概念
一、 化學(xué)反應(yīng)中的自由能變化及其意義
1、 化學(xué)反應(yīng)中的自由能
自由能：在一個(gè)體系中，能夠用來(lái)做有用功的那一部分能量稱自由能，用符號(hào)G表示。
在恒溫、恒壓下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)生有用功的能力可以用反應(yīng)前后自由能的變化來(lái)衡量。
自由能的變化：△G = G 產(chǎn)物 — G反應(yīng)物 = △H _ T△S
△G 代表體系的自由能變化，△H代表體系的焓變化，T代表體系的絕對(duì)溫度，△S代表體系的熵變化。
焓與熵都是體系的狀態(tài)函數(shù)。
焓代表體系的內(nèi)能與壓力P*體積V之和：H = U + P*V dH = dU + P*dV + V*dP
熵代表體系中能量的分散程度，也就是體系的無(wú)序程度：△S = dQ／T ，△S = △S體系+△S環(huán)境 ，只有△S≥0，過(guò)程才能自發(fā)進(jìn)行。
2、 △G是判斷一個(gè)過(guò)程能否自發(fā)進(jìn)行的根據(jù)
△G<0，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，能做有用功。
△G>0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，必須供給能量。
△G=0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。
一個(gè)放熱反應(yīng)(或吸熱反應(yīng))的總熱量的變化（△H)，不能作為此反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的判據(jù)，只有自由能的變化才是唯一準(zhǔn)確的指標(biāo)。
△G<0僅是反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行的必要條件，有的反應(yīng)還需催化劑才能進(jìn)行，催化劑（酶)只能催化自由能變化為負(fù)值的反應(yīng)，如果一個(gè)反應(yīng)的自由能變化為正值，酶也無(wú)能為力。
當(dāng)△G為正值時(shí)，反應(yīng)體系為吸能反應(yīng)，此時(shí)只有與放能反應(yīng)相偶聯(lián)，反應(yīng)才能進(jìn)行。
二、 標(biāo)準(zhǔn)自由能變化及其與化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)的關(guān)系
aA+bB → cC+dD
標(biāo)準(zhǔn)自由內(nèi)能變化：在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下的自由能變化，用△G°表示。
標(biāo)準(zhǔn)條件：25℃，參加反應(yīng)的物質(zhì)的濃度都是1mol∕L（氣體則是1大氣壓)。若同時(shí)定義pH =7.0，則標(biāo)準(zhǔn)自由能變化用△G°′表示。
對(duì)于一個(gè)溶液中的化學(xué)反應(yīng)：
aA bB → cC + dD
當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，△G = 0
K/是化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)，因此，△G°/ 也是一個(gè)常數(shù)。
常見(jiàn)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能△G°′已經(jīng)列在各種化學(xué)手冊(cè)中，可以根據(jù)△G°′= -RT lnK的公式求出平衡常數(shù)K′。
P15 舉例說(shuō)明如何用K/求出△G o / 和△G
從例子可以看出△G o / 和△G實(shí)際上是兩個(gè)不同條件下的自由能變化值。
（1) △G o /是標(biāo)準(zhǔn)條件下的自由能變化，既反應(yīng)物A、B、C、D的起始濃度都為1mol/L，溫度為25℃，pH=7.0時(shí)的△G。每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)都有其特定的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化（既△G o /)，是一個(gè)固定值，
△G是任意給定條件下的自由能變化，它是反應(yīng)物A、B、C、D的起始濃度、溫度、pH的狀態(tài)函數(shù)，在一個(gè)自發(fā)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)中，自由能總是在降低，△G總是負(fù)值，隨著反應(yīng)向平衡點(diǎn)的趨近，△G的絕對(duì)值逐漸縮小，直到為0。
（2) 從△G o / = -RT lnK/，可以求出K/及△G o /，根據(jù)△G o /、△G 與K/可以判斷任何條件下反應(yīng)進(jìn)行的方向及程度。
三、 自由能變化的可加和性。
在偶聯(lián)的幾個(gè)化學(xué)反應(yīng)中，自由能的總變化等于每一步反應(yīng)自由能變化的總和。
例如：Glc+ATP→G—6—P+ADP（總反應(yīng))
第一步，Glc+Pi→G—6—P+H2O,此反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行。
第二步，ATP+H2O→ADP+Pi
總反應(yīng)：Glc+ATP→G—6—P+ADP.
因此，一個(gè)熱力學(xué)上不能進(jìn)行的反應(yīng)，可與其它反應(yīng)偶聯(lián)，驅(qū)動(dòng)整個(gè)反應(yīng)進(jìn)行。此類反應(yīng)在生物體內(nèi)是很普遍的。
四、 高能磷酸化合物
高能化合物：水解時(shí)釋放5000卡/mol及以上自由能的化合物。
高能磷酸化合物：水解每摩爾磷酸基能釋放5000cal以上能量的磷酸化合物。
P21 表10-2 某些磷酸化合物水解時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化。
（一) 高能化合物的類型 P18—19
1、 磷氧鍵型。
（1)、 酰基磷酸化合物。
3—磷酸甘油酸磷酸，乙酰磷酸，氨甲酰磷酸，�；佘账�，氨酰腺苷酸。
（2)、 焦磷酸化合物。
無(wú)機(jī)焦磷酸，ATP，ADP
（3)、 烯醇式磷酸化合物。
磷酸烯醇式丙酮酸。
2、 氮磷鍵型。
磷酸肌酸，磷酸精氨酸。
3、 硫酯鍵型。
3’一磷酸腺苷一5’一磷酰硫酸，酰基輔酶A。
4、 甲硫鍵型。
S一腺苷甲硫氨酸。
（二) ATP的特殊的作用。
1、 是細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)能反應(yīng)和需能反應(yīng)的化學(xué)偶聯(lián)劑。
2、 在磷酸基轉(zhuǎn)移中的作用 。
Glc進(jìn)入血液中，唯一出路是磷酸化。G-6-P是Glc的一種活化形式。已糖激酶催化：Glc+ATP→G-6-P+ADP。
3一磷酸甘油是甘油的活化形式，能參與脂肪合成。甘油激酶：甘油+ATP→3一磷酸甘油+ADP。
（三) 磷酸肌酸、磷酸精氨酸的儲(chǔ)能作用 P23
磷酸肌酸是易興奮組織（如肌肉、腦、神經(jīng))唯一的能起暫時(shí)儲(chǔ)能作用的物質(zhì)。
磷酸精氨酸是無(wú)脊椎動(dòng)物肌肉中的儲(chǔ)能物質(zhì)
第二節(jié) 生物氧化、氧化電子傳遞鏈和氧化磷酸化作用
一、 生物氧化的概念和特點(diǎn)。
糖，脂，蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞中進(jìn)行氧化分解，生成CO2，H2O并釋放出能量，這個(gè)過(guò)程稱生物氧化。
生物氧化是需氧細(xì)胞呼吸代謝過(guò)程中的一系列氧化還原作用，又稱細(xì)胞氧化或細(xì)胞呼吸。
特點(diǎn)：反應(yīng)條件溫和，多步反應(yīng)，逐步放能。
生物氧化在活細(xì)胞中進(jìn)行，pH中性，反應(yīng)條件溫和，一系列酶和電子傳遞體參與氧化過(guò)程，逐步氧化，逐步釋放能量，轉(zhuǎn)化成ATP。
真核細(xì)胞，生物氧化多在線粒體內(nèi)進(jìn)行，在不含線粒體的原核細(xì)胞中，生物氧化在細(xì)胞膜上進(jìn)行。
圖示 ：生物氧化的三階段
第一階段：多糖，脂，蛋白質(zhì)等分解為構(gòu)造單位——單糖、甘油與脂肪酸、氨基酸，該階段幾乎不釋放化學(xué)能。
第二階段：構(gòu)造單位經(jīng)糖酵解、脂肪酸β氧化、氨基酸氧化等各自的降解途徑分解為丙酮酸、乙酰CoA等少數(shù)幾種共同的中間代謝物物，這些共同的中間代謝物在不同種類物質(zhì)的代謝間起著樞紐作用。該階段釋放少量的能量。
第三階段：丙酮酸、乙酰CoA等經(jīng)過(guò)三羧酸循環(huán)徹底氧化為CO2、H2O。釋放大量的能量。
在第二、第三階段中，氧化脫下的電子（H—)經(jīng)過(guò)一個(gè)氧化的電子傳遞過(guò)程（氧化電子傳遞鏈)最終傳給O2，并生成ATP，以這種方式生成ATP的作用稱為氧化磷酸化作用，它是一種很重要的將生物氧化和能量生成相偶連的機(jī)制。
生物氧化的終產(chǎn)物是CO2和H2O，CO2的形成是通過(guò)三羧酸循環(huán)過(guò)程，H2O則是在電子傳遞過(guò)程的最后階段生成。
二、 氧化電子傳遞過(guò)程
生物氧化過(guò)程中形成的還原型輔酶（NADH和FADH2)，通過(guò)電子傳遞途徑，使其重新氧化，此過(guò)程稱為電子傳遞過(guò)程。
在電子傳遞過(guò)程中，還原型輔酶中的氫以負(fù)質(zhì)子（H — )形式脫下，其電子經(jīng)一系列的電子傳遞體（電子傳遞鏈)轉(zhuǎn)移，最后轉(zhuǎn)移到分子氧上，質(zhì)子和離子型氧結(jié)合生成H2O。
三、 氧化電子傳遞鏈 P57 圖12-2
由NADH到O2的氧化電子傳遞鏈主要包括FMN、輔酶Q（CoQ)、細(xì)胞色素b、c1、c、a,a3及一些鐵硫蛋白。
氧化電子傳遞鏈位于原核生物的質(zhì)膜上，真核生物中位于線粒體的內(nèi)膜上。
電子載體的標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)能△G o /是逐步下降的，電子沿著電勢(shì)升高的方向流動(dòng)。其中有三個(gè)部位的勢(shì)能落差△G較大，足以形成ATP（ADP磷酸化需要的自由能=7.3Kal/mol.)。這三個(gè)部位正好是氧化磷酸化部位。
細(xì)胞內(nèi)供能物質(zhì)的徹底氧化產(chǎn)物是CO2、H2O其中CO2主要是在三羥酸循環(huán)中產(chǎn)生，水是在電子傳遞過(guò)程的最后階段產(chǎn)生。
四、 電子傳遞鏈的酶和電子載體
呼吸鏈中的電子載體都是和蛋白質(zhì)結(jié)合存在（包括NAD+、FMN、鐵硫中心、細(xì)胞色素)。這些蛋白質(zhì)大都是水不溶性的，嵌在線粒體的內(nèi)膜上。
NAD+是許多脫氫酶的輔酶，F(xiàn)MN是NADH脫氫酶的輔酶。
1、 NAD+和NADP+
脫氫酶分別與NAD+或NADP+結(jié)合，催化底物脫氫，這類酶稱為與NAD（P)相關(guān)的脫氫酶，
多數(shù)脫氫酶以NAD+為輔酶，少數(shù)以NADP+為輔酶（如G-6-P脫氫酶)少數(shù)酶能以NAD+或NADP+兩種輔酶（Glu脫氫酶)。
2、 NADH脫氫酶以及其它黃素蛋白酶類
NADH脫氫酶含F(xiàn)MN輔基，鐵-硫中心。
鐵硫中心鐵的價(jià)態(tài)變化（Fe3+→Fe2+)可以將電子從FMN輔基上轉(zhuǎn)移到呼吸鏈下一成員輔酶Q上。
含有核黃素輔基的酶還包括琥珀酸脫氫酶、脂酰CoA脫氫酶等。
3、 輔酶Q（泛醌)
電子傳遞鏈上唯一的非蛋白質(zhì)成分。
輔酶Q在線粒體中有兩種存在形式：膜結(jié)合型、游離型。
輔酶Q不僅可以接受FMN上的氫（NADH脫氫酶)，還可以接受線粒體FADH2上的氫（如琥珀酸脫氫酶、脂酰CoA脫氫酶以及其它黃素酶類)。
4、 細(xì)胞色素類。
細(xì)胞色素類是含鐵的電子傳遞體，鐵原子處于卟啉的結(jié)構(gòu)中心，構(gòu)成血紅素。
細(xì)胞色素類是呼吸鏈中將電子從輔酶Q傳遞到O2的專一酶類。
線粒體的電子傳遞鏈至少含有5種不同的細(xì)胞色素：b、c、c1、.a、a3.
細(xì)胞色素b有兩種存在形式：b562、b566
細(xì)胞色素c是唯一可溶性的細(xì)胞色素，同源性很強(qiáng)，可作為生物系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系的一個(gè)指標(biāo)。
細(xì)胞色素a、a3是以復(fù)合物的形式存在，又稱細(xì)胞色素氧化酶，將電子從細(xì)胞色素c傳到分子O2 。
五、 電子傳遞抑制劑
阻斷呼吸鏈中某一部位的電子傳遞。
1、 魚(yú)藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素
都可阻斷電子由NADH向CoQ傳遞。
2、 抗霉素A
抑制電子從細(xì)胞色素b向細(xì)胞色素c1傳遞
3、 氰化物、硫化氫、疊氮化物、CO等。
阻斷電子從細(xì)胞色素aa3 向O2傳遞
六、 氧化磷酸化作用
氧化磷酸化作用：電子沿著氧化電子傳遞鏈傳遞的過(guò)程中所伴隨的將ADP磷酸化為ATP的作用，或者說(shuō)是ATP的生成與氧化電子傳遞鏈相偶聯(lián)的磷酸化作用。
底物水平磷酸化作用：是指ATP的形成直接與一個(gè)代謝中間物（如PEP)上的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移相偶聯(lián)的作用。糖酵解中1,3-二磷酸甘油酸，磷酸烯醇丙酮酸。
1、 方程式：
NADP+H++3ADP+3Pi+1/2O2 → NAD++3H2O+3ATP
三個(gè)ATP的形成獲取了呼吸鏈中電子由NADH傳遞至氧所產(chǎn)生的全部自由能的42%。（21.9/52.7×100%)。
2、 幾個(gè)概念：
（1)、 P/O比
一對(duì)電子通過(guò)呼吸鏈傳至氧所產(chǎn)生的ATP的分子數(shù)。NADH→3ATP，F(xiàn)ADH2→2ATP
（2)、 ATP生成部位：
三個(gè)部位由三個(gè)酶復(fù)合體催化：
部位Ⅰ：NADP與CoQ之間，NADH脫氫酶。
部位Ⅱ：CoQ與CytC之間，CytC還原酶。
部位Ⅲ：Cyta與O2之間，CytC氧化酶。
（3)、 呼吸控制
ADP作為關(guān)鍵物質(zhì)，對(duì)氧化磷酸化的調(diào)節(jié)作用稱為呼吸控制。
（4)、 解偶聯(lián)劑，（2.4—硝基苯酚)
電子傳遞過(guò)程和ATP形成過(guò)程相分離，電子傳遞仍可進(jìn)行，但不能形成ATP。
（5)、 氧化磷酸化抑制劑：
抑制O2的利用和ATP的形成。
七、 氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理
P71圖12—4，跨膜質(zhì)子移動(dòng)示意圖
（一) 化學(xué)滲透假說(shuō)
第十三章 DNA的復(fù)制和修復(fù)
生物體的遺傳信息儲(chǔ)存在DNA中，并通過(guò)DNA的復(fù)制由親代傳給子代。在子代的生長(zhǎng)發(fā)育中遺傳信息自DNA轉(zhuǎn)錄給RNA，然后翻譯成蛋白質(zhì)以執(zhí)行各種生命功能，使后代表現(xiàn)出與親代相似的遺傳性狀。
1958年，F(xiàn).Crick提出中心法則：
（1)以原DNA分子為模板，合成出相同DNA分子的過(guò)程。
（2)以某一段DNA分子為模板，合成出與其序列對(duì)應(yīng)的RNA分子的過(guò)程。
（3)以mRNA為模板，根據(jù)三聯(lián)密碼規(guī)則，合成對(duì)應(yīng)蛋白質(zhì)的過(guò)程。
中心法則揭示了生物體內(nèi)遺傳信息的傳遞方向。
圖
DNA生物合成有兩種方式：DNA復(fù)制和反轉(zhuǎn)錄
DNA體內(nèi)復(fù)制涉及：原核、真核生物的染色體、細(xì)菌質(zhì)粒（環(huán)狀，雙鏈)、真核細(xì)胞器DNA（線粒體、葉綠體)、病毒（雙鏈，環(huán)狀)
DNA的體外復(fù)制：分子克隆。
第一節(jié) DNA的復(fù)制
一、 DNA半保留復(fù)制
1953年，Watson和Crick在提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型時(shí)就推測(cè)DNA可能按照半保留機(jī)制進(jìn)行自我復(fù)制。
P321 圖191 Watson和Crick提出的DNA雙螺旋復(fù)制模型
在復(fù)制過(guò)程中，首先親代雙鏈解開(kāi)，然后每條鏈作為模板，在其上合成互補(bǔ)的子代鏈，結(jié)果新形成的兩個(gè)子代DNA與親代DNA分子的堿基順序完全一樣，而且每個(gè)子代DNA分子中有一條鏈完全來(lái)自親代DNA，另一條是新合成的。
1958年，Meselson和Stahl用15N標(biāo)記E.coli. DNA，證明了DNA的復(fù)制是半保留復(fù)制。
P322 圖19-2 DNA的半保留復(fù)制。
1963年，Cairns用放射自顯影法，在顯微鏡下首次觀察到完整的正在復(fù)制的E. coli. 染色體DNA。
P323 圖 19-3
3H-脫氧胸苷標(biāo)記E.coli. DNA ，經(jīng)過(guò)將近兩代時(shí)間，用溶菌酶消化細(xì)胞壁，將E.coli. DNA轉(zhuǎn)至膜上，干燥，壓感光膠片，3H放出β粒子，還原銀，在光學(xué)顯微鏡下觀察。用這種方法證明了大腸桿菌染色體DNA是一個(gè)環(huán)狀分子，并以半保留的形式進(jìn)行復(fù)制。
DNA的半保留復(fù)制可以說(shuō)明DNA在代謝上的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)多代復(fù)制，DNA的多核苷酸鏈仍可以保持完整，并存在于后代而不被分解掉。
二、 復(fù)制起點(diǎn)、單位和方向
DNA的復(fù)制是在起始階段進(jìn)行控制的，一旦復(fù)制起始，它就會(huì)繼續(xù)下去直到整個(gè)復(fù)制子完成復(fù)制。
1、 復(fù)制起點(diǎn)
復(fù)制起點(diǎn)是以一條鏈為模板起始DNA合成的一段序列。有時(shí)，兩條鏈的復(fù)制起點(diǎn)并不總是在同一點(diǎn)上（如D環(huán)復(fù)制)。
在一個(gè)完整的細(xì)胞周期中，每一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)只使用一次，完成一次復(fù)制過(guò)程。
多數(shù)生物的復(fù)制起點(diǎn)，都是DNA呼吸作用強(qiáng)烈（甲醛變性實(shí)驗(yàn))的區(qū)段，即經(jīng)常開(kāi)放的區(qū)段，富含A.T。
★環(huán)狀DNA復(fù)制起點(diǎn)的確定方法
P325 圖19-6
★復(fù)制起點(diǎn)的克隆和功能分析——重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化法
大腸桿菌的復(fù)制起點(diǎn)oriC區(qū)1Kb的重組質(zhì)粒在轉(zhuǎn)化子中的復(fù)制行為與其染色體一樣，受到嚴(yán)密控制，每個(gè)細(xì)胞只有1-2個(gè)拷貝，用核酸外切酶縮短oriC克隆片段的大小，最后得到245bp的基本功能區(qū)，攜帶它的質(zhì)粒依然能夠自我復(fù)制，拷貝數(shù)可以增加到20以上，這說(shuō)明發(fā)動(dòng)復(fù)制的序列在245bp的基本功能區(qū)，而決定拷貝數(shù)的序列在基本功能區(qū)之外和1Kb之間。
鼠傷寒沙門(mén)氏菌的起點(diǎn)位于一段296bp的DNA片段上，與大腸桿菌的復(fù)制起始區(qū)有86%同源性，而且有些親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的細(xì)菌，其復(fù)制起點(diǎn)在大腸桿菌中亦能起作用。因此，復(fù)制起始區(qū)的結(jié)構(gòu)可能是很保守的。
起始序列含有一系列對(duì)稱的反向重復(fù)和某些短的成簇的保守序列。
2、 復(fù)制單位
復(fù)制子(Replicon)：Genome能獨(dú)立進(jìn)行復(fù)制的單位，每個(gè)復(fù)制子都含有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)。
原核生物的染色體和質(zhì)粒、真核生物的細(xì)胞器DNA都是環(huán)狀雙鏈分子，它們都是單復(fù)制子，都在一個(gè)固定的起點(diǎn)開(kāi)始復(fù)制，復(fù)制方向大多數(shù)是雙向的，少數(shù)是單向復(fù)制。多數(shù)是對(duì)稱復(fù)制，少數(shù)是不對(duì)稱復(fù)制（一條鏈復(fù)制后才進(jìn)行另一條鏈的復(fù)制)。
環(huán)狀DNA的復(fù)制眼象θ，稱θ形復(fù)制。
真核生物的染色體DNA是線形雙鏈分子，含有許多復(fù)制起點(diǎn)，因此是多復(fù)制子，每個(gè)復(fù)制子約有100-200Kbp。人體細(xì)胞平均每個(gè)染色體含有1000個(gè)復(fù)制子。
病毒DNA多種多樣，環(huán)狀或線形，雙鏈或單鏈，但都是單復(fù)制子。
3、 復(fù)制方向
定點(diǎn)起始，復(fù)制方向大多數(shù)是雙向的（等速進(jìn)行或異速進(jìn)行)，形成兩個(gè)復(fù)制叉，少數(shù)是單向復(fù)制，形成一個(gè)復(fù)制叉。
★用放射自顯影實(shí)驗(yàn)判斷DNA的復(fù)制方向及速度
低放射性3H-脫氧胸苷
高放射性3H-脫氧胸苷
a. 單向
b. 雙向等速 三種結(jié)果圖形
c. 雙向異速
E.coli.的一個(gè)溫度敏感株，在42℃時(shí)，能使DNA在完成復(fù)制后，不再開(kāi)始新的復(fù)制過(guò)程，而在25℃時(shí)復(fù)制功又能能恢復(fù)。
4、 DNA的幾種復(fù)制方式
（1)、 直線雙向復(fù)制
單點(diǎn)，雙向，T7
多點(diǎn)，雙向，真核染色體DNA
（2)、 θ型復(fù)制：環(huán)狀雙鏈DNA，單向或雙向（E .coli.)
（3)、 滾環(huán)復(fù)制：環(huán)狀單鏈DNA，Φx174
（4)、 D環(huán)復(fù)制：線粒體、葉綠體DNA
（5)、 多復(fù)制叉復(fù)制：
第一輪復(fù)制尚未完成，復(fù)制起點(diǎn)就開(kāi)始第二輪的復(fù)制。
在E.coli.富營(yíng)養(yǎng)時(shí)，可采取多復(fù)制叉復(fù)制方式。E.coli. DNA的復(fù)制最快可達(dá)50Kb/min，完全復(fù)制需40min，富營(yíng)養(yǎng)時(shí)，20min分裂。而真核染色體要6-8小時(shí)。
三、 與DNA復(fù)制有關(guān)的酶及蛋白質(zhì)因子
目前已發(fā)現(xiàn)30多種酶及蛋白質(zhì)因子參與DNA復(fù)制
（一) DNA的聚合反應(yīng)和聚合酶
DNA生物合成5，→3，，化學(xué)合成3，→5，
1、 DNA聚合反應(yīng)必備的條件
⑴ DNA聚合酶
⑵ DNA模板(反轉(zhuǎn)錄時(shí)用RNA模板)
⑶引物 (DNA、RNA或蛋白質(zhì))
⑷ 4種dNTP
⑸ Mg2+
2、 聚合反應(yīng)過(guò)程及特點(diǎn)
總反應(yīng)式：
n1dATP DNA pol . dAMP
n2dGTP +DNA dGMP DNA+（n1+n2+n3+n4)PPi
n3dCTP Mg2+ dCMP
n4dTTP dTMP
P329 圖19-10 P330圖19-11
在鏈的延長(zhǎng)過(guò)程中，鏈的游離3，-羥基，對(duì)進(jìn)入的脫氧核糖核苷三磷酸α磷原子發(fā)生親核攻擊，生成3，.5，-磷酸二酯鍵，并脫下焦磷酸。
DNA聚合酶的反應(yīng)特點(diǎn)：
⑴ 以4種dNTP為底物
⑵ 反應(yīng)需要接受模板的指導(dǎo)，不能催化游離的dNTP的聚合。
⑶ 反應(yīng)需有引物3，-羥基存在
⑷ 鏈生長(zhǎng)方向5， → 3，
⑸ 產(chǎn)物DNA的性質(zhì)與模板相同
3、 由DNA聚合酶催化的幾種DNA聚合類型
P331圖19-12
（1) 發(fā)莢環(huán)結(jié)構(gòu)：加入單鏈DNA作為模板和引物，3＇羥基端回折成引物鏈。
（2) 末端延伸聚合：加入雙鏈DNA作為模板和引物，3’末端突出作為模板。
（3) 分枝型和切口平移型聚合：加入雙鏈DNA，聚合發(fā)生在切口或末端單鏈區(qū)。
（4) 環(huán)形聚合：加入帶引物的環(huán)形DNA作為模板。
4、 E.coli DNA聚合酶
（1)、 E.coli. DNA pol.I（Kornberg酶，400 copy/cell)
單體酶，分子量109Kd，含一個(gè)Zn2+，每個(gè)細(xì)胞中含400個(gè)DNA pol.Ⅰ
催化活性：
5， → 3， 聚合活性
3， → 5， 外切活性
5， → 3， 外切活性
用蛋白水解酶將DNA pol.Ⅰ部分水解可得：
大片段（Klenow)，75Kd，活性：5， → 3，聚合活性、3， → 5，外切活性。
小片段，36Kd，活性：5， → 3，外切活性（只作用于雙鏈DNA的堿基配對(duì)部分，切除修復(fù))。
Klenow片段的用途：
a 補(bǔ)齊DNA 3，隱縮未端
b. 標(biāo)記DNA片段未端
c．cDNA合成第二鏈
d．d DNA測(cè)序
（2)、 E.coli. DNA Pol.Ⅱ（100 copy/cell)
單體酶，分子量120Kd
催化活性：5，→ 3，聚合(活性很低)
3，→ 5，外切
可能在DNA的修復(fù)中起某中作用。
（3)、 E.coli.DNA pol.Ⅲ（復(fù)制酶，10-20 copy/cell)
寡聚酶，全酶由10種共22個(gè)亞基組成，α、ε和θ三種亞基組成核心酶。
P334表10-3
DNA pol.Ⅲ是合成新鏈DNA主要的酶，又稱復(fù)制酶(Replicase)
Pol.Ⅲ的5，→3，外切酶活性只作用于單鏈DNA。
P334 表19-2 E.coli三種DNA聚合酶的性質(zhì)比較
★DNA聚合酶有6個(gè)結(jié)合位點(diǎn)
⑴ 模板DNA結(jié)合位點(diǎn)
⑵ 引物結(jié)合位點(diǎn)
⑶ 引物3，-OH位點(diǎn)、反應(yīng)位點(diǎn)
⑷ 底物dNTP結(jié)合位點(diǎn)
⑸ 5， → 3， 外切位點(diǎn)(pol.Ⅱ沒(méi)有)
⑹ 3， → 5， 外切位點(diǎn)(校正)
5、 真核生物DNA聚合酶
P334 表19-4 真核生物DNA聚合酶
真核DNA聚合酶一般不具備外切活力，可能由另外的酶在DNA復(fù)制中起校正功能。
⑴ DNA聚合酶α，多亞基，功能與E.coli. pol.Ⅲ類似，是真核DNA復(fù)制酶。
⑵ DNA聚合酶β，主要在DNA損傷的修復(fù)中起作用。
⑶ DNA聚合酶γ，從線粒體得到，可能與線粒體DNA的復(fù)制有關(guān)。
⑷ DNA聚合酶δ，特點(diǎn)：有3， → 5，外切活力
（二) 引物酶或RNA聚合酶（引發(fā)酶)
細(xì)胞內(nèi)，DNA的復(fù)制需要引物（DNA或RNA)，引物酶或RNA聚合酶可合成6-10個(gè)堿基的RNA引物。
★DNA復(fù)制為什么要用RNA引物？（為什么DNA聚合酶要用引物，RNA聚合酶不需要引物？)
P338
⑴從模板復(fù)制最初幾個(gè)核酸時(shí)，堿基堆集力和氫鍵都較弱，易發(fā)生錯(cuò)配
⑵新復(fù)制的最初幾個(gè)核苷酸，沒(méi)有與模板形成穩(wěn)定雙鏈，DNA聚合酶的5，→3，校對(duì)功能難發(fā)揮作用。
（三) 解螺旋酶
大腸桿菌的解螺旋酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ與rep蛋白共同作用，將DNA兩條鏈解開(kāi)。
解螺旋酶I、II、III沿著模板鏈的5’→3’方向隨著復(fù)制叉的前進(jìn)而移動(dòng)，而rep蛋白則在另一條模板鏈上沿3’→5’方向移動(dòng)。
（四) DNA旋轉(zhuǎn)酶
屬DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ，可引入負(fù)超螺旋，消除復(fù)制叉前進(jìn)時(shí)帶來(lái)的扭曲張力。
拓?fù)洚悩?gòu)酶分兩類：I和II，廣泛存在于原核生物和真核生物。
拓?fù)洚悩?gòu)酶I使DNA的一條鏈發(fā)生斷裂和再連接，反應(yīng)無(wú)須供給能量，主要集中在活性轉(zhuǎn)錄區(qū)，與轉(zhuǎn)錄有關(guān)。
拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ使DNA的兩條鏈同時(shí)斷裂和再連接，當(dāng)它引入超螺旋時(shí)需要由ATP供給能量。分布在染色質(zhì)骨架蛋白和核基質(zhì)部，與復(fù)制有關(guān)。
（五) 單鏈DNA結(jié)合蛋白（SSB)
復(fù)制叉上的解螺旋酶，沿雙鏈DNA前進(jìn)，產(chǎn)生單鏈區(qū)，大量的單鏈DNA結(jié)合蛋白與單鏈區(qū)結(jié)合，阻止復(fù)性和保護(hù)單鏈DNA不被核酸酶降解。
（六) DNA連接酶（ligase)
連接雙鏈DNA上的切口。
大腸桿菌連接酶只能在模板上連接DNA缺口。T4DNA ligase即可連接粘性末端的DNA，又可連接平齊末端的雙鏈DNA。
E.coli.和其它細(xì)菌的DNA ligase以NAD為能源，動(dòng)物細(xì)胞和噬菌體DNA ligase以ATP為能源。
（七) DNA復(fù)制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
P338-339
四、 DNA的半不連續(xù)復(fù)制
P336 圖19-15 DNA的半不連續(xù)復(fù)制
DNA聚合酶催化的方向是5，→3，。
前導(dǎo)鏈：
滯后鏈：
1968年，發(fā)現(xiàn)岡崎片段。長(zhǎng)度：
細(xì)菌：1Kb-2Kb，相當(dāng)于一個(gè)順?lè)醋拥拇笮 ?BR>真核：100-200bp，約等于一個(gè)核小體DNA的長(zhǎng)度。
五、 DNA復(fù)制過(guò)程（E.coli.)
P342 圖19-17 大腸桿菌的復(fù)制體結(jié)構(gòu)示意圖
1、 復(fù)制的起始
引發(fā)：當(dāng)DNA的雙螺旋解開(kāi)后，合成RNA引物的過(guò)程。
引發(fā)體：引物合成酶與各種蛋白質(zhì)因子（dnaB、dnaC、n、n＇n＇＇I)構(gòu)成的復(fù)合體，負(fù)責(zé)RNA引物的合成。
引發(fā)體沿著模板鏈5’→3’方向移動(dòng)（與岡崎片段合成的方向正好相反，而與復(fù)制叉移動(dòng)的方向相同)，移到一定位置上即可引發(fā)RNA引物的合成。
E.coli.DNA復(fù)制原點(diǎn)ori C，由245bp組成，三組13bp重復(fù)序列（近5，端處)，四組9 bp重復(fù)序列（另一端處)。
圖
大腸桿菌復(fù)制原點(diǎn)起始復(fù)制所需蛋白質(zhì)：
DNaA 在原點(diǎn)處打開(kāi)雙螺旋
DNaB 使DNA解旋
DNaC DNaB結(jié)合在原點(diǎn)所需
Hu 刺激起始
引物酶（DNaG) 合成RNA引物
SSB 結(jié)合單鏈DNA
RNA聚合酶 促進(jìn)DNaA活性
旋轉(zhuǎn)酶 松馳DNA扭曲應(yīng)力
20個(gè)DnaA結(jié)合在四組9bp重復(fù)區(qū)，形成起始復(fù)合物，DNA環(huán)繞此復(fù)合物。
三組13bp重復(fù)區(qū)依次變性，產(chǎn)生開(kāi)放型復(fù)合物。
DnaB（在DnaC協(xié)助下)與開(kāi)放復(fù)合物結(jié)合，進(jìn)一步解鏈。
2、 DNA鏈的延長(zhǎng)反應(yīng)
前導(dǎo)鏈只需要一個(gè)RNA引物，后隨鏈的每一個(gè)岡崎片段都需要一個(gè)RNA引物，鏈的延長(zhǎng)反應(yīng)由DNA pol.Ⅲ催化。
復(fù)制體：在DNA合成的生長(zhǎng)點(diǎn)（既復(fù)制叉上)分布著許多與復(fù)制有關(guān)的酶和輔助因子，它們?cè)贒NA的模板鏈形成離散的復(fù)合物，彼此配合進(jìn)行高度精確的復(fù)制，稱為復(fù)制體。
復(fù)制體沿著復(fù)制叉方向前進(jìn)就合成DNA。
3、 RNA引物的切除及缺口補(bǔ)齊
DNA polⅠ的5， → 3，外切活力，切除RNA引物。
DNApolⅠ的5， → 3，合成活性補(bǔ)齊缺口。
4、 DNA切口的連接
DNA ligase，動(dòng)物、真核由ATP供能，原核由NAD供能。
5、 DNA合成的終止
環(huán)狀DNA、線性DNA，復(fù)制叉相遇即終止。
u 小結(jié)：
⑴ DNA解螺旋酶解開(kāi)雙鏈DNA。
⑵ SSB結(jié)合于DNA單鏈。
⑶ DNA旋轉(zhuǎn)酶引入負(fù)超螺旋，消除復(fù)制叉前進(jìn)時(shí)帶來(lái)的扭曲張力。
⑷ DNA引物酶(在引發(fā)體中)合成RNA引物。
⑸ DNA pol.Ⅲ在兩條新生鏈上合成DNA。
⑹ DNA polⅠ切除RNA引物，并補(bǔ)上DNA。
⑺ DNA ligase連接一個(gè)岡崎片段。
DNA復(fù)制過(guò)程中，聚合酶對(duì)dTTP和dUTP的分辨能力高,有少量dUTP摻入DNA鏈中，此時(shí)，U-糖苷酶、AP內(nèi)切酶、DNA polⅠ、DNA ligase共同作用，切除尿嘧啶，接上正確的堿基。
六、 真核生物DNA的復(fù)制 P343
1、 復(fù)制起點(diǎn)和單位
真核生物染色體DNA是多復(fù)制子，有多個(gè)復(fù)制起點(diǎn)，可以多點(diǎn)起始，分段進(jìn)行復(fù)制。每個(gè)復(fù)制子大多在100-200bp之間，比細(xì)菌染色體DNA（單復(fù)制子)小得多。
★試驗(yàn)證據(jù)：5-氟脫氧胞苷標(biāo)記
真核生物DNA復(fù)制叉移動(dòng)的速度此原核的慢，如哺乳動(dòng)物復(fù)制叉移動(dòng)的速度每分鐘1-3Kb，細(xì)菌每分鐘5Kb。
真核生物染色體全部復(fù)制完成前，起點(diǎn)不再?gòu)男麻_(kāi)始復(fù)制。而在快速生長(zhǎng)的原核生物中，起點(diǎn)可以連續(xù)發(fā)動(dòng)復(fù)制。真核生物在快速生長(zhǎng)時(shí)，可采用更多的復(fù)制起點(diǎn)同時(shí)復(fù)制。如黑腹果蠅，早期胚胎細(xì)胞中相鄰復(fù)制起點(diǎn)的平均距離為7.9kb，而在培養(yǎng)的成體細(xì)胞中，平均距離為40kb，成體細(xì)胞只利用一部分復(fù)制起點(diǎn)。
2、 復(fù)制過(guò)程中組蛋白的裝配
核小體的結(jié)構(gòu)（200bp左右)
在真核生物的復(fù)制子上，親代染色體的核小體被逐個(gè)打開(kāi)，組蛋白以完整的八聚體形式直接轉(zhuǎn)移到子代DNA的前導(dǎo)鏈上，新合成的組蛋白與后隨鏈組裝成核小體。因此，DNA的復(fù)制是半保留的，而組蛋白則是全保留的。
★試驗(yàn)證據(jù)：環(huán)己酮亞胺抑制組蛋白合成，電子顯微鏡下觀察
3、 真核生物DNA復(fù)制的終止
端粒：一段DNA序列與蛋白質(zhì)形成的一種復(fù)合體，是真核細(xì)胞染色體末端所特有的結(jié)構(gòu)。
功能：
⑴保證線性DNA的完整復(fù)制
⑵保護(hù)染色體末端
⑶決定細(xì)胞壽命，胚系細(xì)胞含端粒酶，體細(xì)胞不表達(dá)端粒酶。
端粒（telomeres)分布于線性真核染色體未端。酵母端粒約100bp的重復(fù)序列，形式為：5，（TxGy)n3，(AxCy) n，x和y一般為1—4。
端粒末端的重復(fù)序列，通過(guò)端粒酶（telomerase)將其加到染色體末端。
端粒酶含有RNA和蛋白質(zhì)（起DNA聚合酶的作用)兩種組分，RNA分子約159b，含有多個(gè)CyAx重復(fù)序列，RNA分子用作端粒TxGy鏈合成的模板。端粒酶是一種反轉(zhuǎn)錄酶，它只合成與酶自身的RNA模板互補(bǔ)的DNA片段。
人類體細(xì)胞的端粒長(zhǎng)度，隨個(gè)體年齡增加而逐漸縮短。細(xì)胞每分裂一次，端�？s短50-200bp，短至1-4Kbp時(shí)，細(xì)胞就停止分裂。若能重建端粒，則細(xì)胞可以永遠(yuǎn)分裂。惡性腫瘤細(xì)胞端酶表達(dá)多。
⑴雜交
圖
⑵聚合
圖
⑶轉(zhuǎn)位再雜交
圖
⑷進(jìn)一步聚合
圖
⑸非標(biāo)準(zhǔn)GG配對(duì)
圖
七、 DNA復(fù)制的調(diào)控
八、 DNA復(fù)制的真實(shí)性
《楊岐生》P144
生物體DNA復(fù)制具有高度真實(shí)性，復(fù)制107-1011堿基對(duì),只有一個(gè)錯(cuò)誤堿基。
堿基對(duì)的自由能通常在4-13KJ/mol，這樣的自由能相當(dāng)于平均參入100個(gè)核苷酸就可能出現(xiàn)一次錯(cuò)配，僅靠Watson-Crick雙螺旋的堿基配對(duì)原則，突變率將高達(dá)10-2 。
1、 DNA聚合酶對(duì)堿基的選擇作用
酶的被動(dòng)論：不同的核苷酸在聚合位點(diǎn)停留時(shí)間不同，正確的dNTP能長(zhǎng)時(shí)間停留，而參與聚合。DNA聚合酶能依照模板的核苷酸，選擇正確的dNTP摻入引物末端。
酶積極參與理論：DNA聚合酶對(duì)正確與錯(cuò)誤的核苷酸，不僅親和性不同，而且將它們插入DNA引物端的速度也不同。
動(dòng)力學(xué)校正閱讀：在新的磷酸二酯鍵未形成時(shí)，dNTP結(jié)合在酶與模板—引物復(fù)合物的聚合位點(diǎn)上，DNA聚合酶能識(shí)別正確與錯(cuò)誤的dNTP。
DNA聚合酶對(duì)底物的識(shí)別作用，DNA聚合酶有兩種底物，一種是DNA模板—引物，另一種是dNTP。
DNA聚合酶先識(shí)別DNA模板和引物的3，未端，再識(shí)別底物dNTP，是一種有序的識(shí)別過(guò)程。
2、 3，→5，外切活性的校正閱讀
E. coli. DNA pol.Ⅰ和pol.Ⅲ有3，→5，外切活性，可刪除錯(cuò)誤插入的核苷酸。
缺失3， →5，外切活性的E. coli. DNA pol.Ⅰ，催化DNA合成時(shí)，出現(xiàn)錯(cuò)誤的幾率增高5-50倍。因此，3，→5，外切活性可以使DNA復(fù)制的真實(shí)性，提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。
圖
3、 影響DNA合成真實(shí)性的因素
⑴高濃度NMP(如3，-AMP, 5，-GMP)
NMP競(jìng)爭(zhēng)酶的dNTP結(jié)合位點(diǎn)，抑制3，→5，外切活性。
⑵某一種dNTP濃度銀高,可使引物3，末端離開(kāi)外切活性中心。
⑶dNTP 一般與二價(jià)陽(yáng)離子結(jié)合成活化形式，Mg2+為主要的二價(jià)陽(yáng)離子。當(dāng)用其它二價(jià)陽(yáng)離子（如Mn2+)代替Mg2+時(shí)，會(huì)改變酶的主體結(jié)構(gòu)，影響聚合活性和3，→3，外切活性。
4、 為什么用RNA引物
⑴從模板復(fù)制最初幾個(gè)核酸時(shí)，堿基堆集力和氫鍵都較弱，易發(fā)生錯(cuò)配
⑵新復(fù)制的最初幾個(gè)核苷酸，沒(méi)有與模板形成穩(wěn)定雙鏈，DNA聚合酶的5，→3，校對(duì)功能難發(fā)揮作用。
