第十章核酸的生物合成已知DNA是生物遗传的主要物质基础，是遗传信息的载体。

但它是怎样把信息传递给子代并进行表达的？已证明DNA可进行自我复制，即在细胞分裂时，—个DNA分子可复制成两个与原来完全相同的DNA分子，并分配在两个分裂的子细胞中，这是把遗传信息传给子代的方式。

在后代的生长发育过程中，遗传信息自DNA转录——即把其分子中某些片段的信息转抄在RNA分子中，此种RNA称为信使RNA （mRNA），它们再指导合成特异的蛋白质（翻译），并由这些蛋白质表现出生命活动的特征，执行各种生命功能。

这种转录和翻译，即为遗传信息的表达过程。

第一节DNA的生物合成DNA是由其组成单元脱氧核苷三磷酸聚合起来的生物大分子。

活体内合成的新的DNA必须维持亲代细胞内原有的DNA分子结构，这样才得以保持遗传性状不变。

现已知无论是高等生物或低等生物，体内DNA的合成都是以原有的DNA为模板“浇铸”而成，因此它们的结构和功能都能保持和亲本一模一样，所以DNA的合成也往往称为DNA复制。

—、DNA的复制方式原核生物每个细胞只含有一个染色体；真核生物每个细胞则含有多个染色体。

在细胞增殖周期的一定阶段，整个染色体组都将发生精确的复制，随后以染色体为单位把复制的基因组分配到两个子代细胞中去。

染色体DNA的复制与细胞分裂之间存在密切的相互联系，一旦复制完成，即可发动细胞分裂；细胞分裂结束后，又可开始新的一轮DNA复制。

1. 半保留复制DNA由互补的两条多核苷酸链组成。

一条链上的核苷酸排列顺序决定了另一条链的核苷酸排列顺序。

由此可见，DNA分子的每一条链都含有合成它互补链所必需的全部信息。

1953年，Wotson和Crick在提出DNA双螺旋结构模型时即推测，DNA复制时两条互补链分开，然后在每条链上按碱基配对的方式合成新的互补链，以组成新的DNA分子。

这样新形成的两DNA分子与原来的DNA分子的碱基顺序完全一样。

每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。

二、复制的起点和方向DNA的复制开始于染色体上固定的起始点。

超始点是含有100～200个碱基对的一段DNA。

先是DNA 的两条链在起始点分开形成叉子样的“复制叉”，随着复制叉的移动完成DNA的复制过程。

细胞内存在着能识别起始点的特种蛋白质。

DNA复制可以朝一个方向，也可以朝两个方向进行。

三、与DNA复制有关的酶和蛋白质DNA的复制是一个十分复杂的过程，但能精确高速地进行，极少出现错误（错误机率10－8～10－9），这是许多酶和蛋白质共同作用的结果。

（一）DNA聚合酶1．大肠杆菌DNA聚合酶DNA复制过程中最基本的酶促反应是四种脱氧核苷酸的聚合反应。

1956年Kornberg等首先从大肠杆菌提取液中分离出催化此反应的酶。

他们将大肠杆菌提取液与32p标记α—磷酸根的四种脱氧核苷三磷酸（dA TP，dTTP，dGTP，dCTP）的混合物一同温育，发现32P掺入到延伸的DNA链的核苷酸残基之间的3＇，5＇—磷酸二酯键中去。

催化这个反应的酶称为DNA聚合酶，其后从不同的生物中都找到了这种酶。

2. 真核生物DNA聚合酶在发现大肠杆菌DNA聚合酶后不久，从小牛胸腺中也分离到了DNA聚合酶。

其后，曾对各种真核生物，包括动物、植物和微生物，广泛研究了它们细胞中的DNA聚合酶。

现已知，在真核生物中存在四种DNA聚合酶，分别为α、β、γ、δ。

（二）DNA连接酶（DNA Ligase）DNA聚合酶只能催化多核苷酸链的延长反应，不能使链连接，环状DNA的复制表明，必定有一种酶，能催化链的两个末端之间形成共价连接。

1967年几个实验室同时发现了DNA连接酶。

它催化双链DNA 中一条链断口的末端3＇—OH 与5＇—磷酸基之间形成3＇，5＇—磷酸二酯键，把两段DNA 共价连接起来。

（三）引发酶已知的DNA聚合酶都不能催化复制的起始，需要具有3＇—OH的多聚核苷酸作引物。

许多实验证明，引物是在DNA复制前先行合成的一小段RNA。

（四）参与DNA双螺旋解开的酶和蛋白质1．DNA旋转（gyrase)DNA旋转酶兼有内切酶与连接酶的活力，能迅速使DNA的二条链断开又接上。

当与ATP水解产生ADP和pi的反应偶联时，使环状DNA从松驰态转变为超螺旋状态；在没有ATP时可使超螺旋DNA变为松驰态。

旋转酶可协助解链酶使DNA解旋成为复制的模板，又可使完成了复制的两个子代环状双螺旋DNA 互相分开。

DNA旋转酶广泛存在于各种生物中，是完成DNA复制所必需的酶。

2．DNA解链酶（helicase）DNA解链酶是一类能通过水解ATP获得能量使DNA双链中氢键断开的酶，也称为松链蛋白。

3．单链结合蛋白（single —strand binding protein，SSB）DNA解开的两条单链随即被单链结合蛋白SSB所覆盖。

它的功能在于稳定DNA解开的单链，阻止复性和保护单链部分不被核酸酶降解。

四、原核细胞DNA的复制过程1．起始2．链的延长3．终止在DNA复制过程中需要有数种酶或蛋白质参与。

在不同的生物中，DNA复制的细节亦有所不同，但基本情况大致相似。

现根据大肠杆菌中的材料，将DNA复制过程总结如下。

（1）辨认起始点特异的蛋白可以在DNA模板上辨认DNA复制的起始点。

由此启动，开始合成RNA 引物。

RNA聚合酶有辨认起始点的作用。

（2）DNA的解链由DNA旋转酶和解链酶协同作用，使DNA双链松弛并使氢键局部解开。

（3）RNA引物的生成以DNA为模板，在DNA指导的RNA聚合酶催化下，合成由50～100个核苷酸组成的短段RNA，合成方向由5＇→3＇。

（4）在RNA引物上合成DNA 首先，以DNA双链中3＇→5＇方向的链为模板，在引物RNA的3＇—端连续地合成其互补链，此为前导链。

同时，以DNA双链的另一链为模板，在若干RNA引物的3＇—端合成冈崎片段。

（5）RNA引物的脱落和补缺口DNA聚合酶I催化（由5＇→3＇外切）切除引物。

切除RNA引物的部位，按碱基互补原则，沿5＇→3＇方向用与模板互补的脱氧核苷酸残基填满，完成冈崎片段的延长。

（6）在连接酶的作用下将相邻的DNA片段以3＇，5＇—磷酸二酯键连接起来形成滞后链。

五、真核细胞DNA的复制真核生物DNA的复制速度比原核生物慢，基因组比原核生物大，然而真核生物染色体DNA上有许多复制起点，它们可以分段进行复制，故此可以加速复制的进行。

在真核细胞DNA复制过程中，BNA引物较小，约由10个核苷酸组成，冈崎片段也较小，约由100个核苷酸组成。

此外，DNA聚合酶、连接酶以及与DNA双螺旋解旋有关的各种酶和蛋白质都与原核细胞中相应的酶和蛋白质有相似的性质。

真核生物复制叉的移动速度虽较慢，但由于多起点双向复制，所以复制总速度比原核生物快。

综上所述，将DNA复制的基本特点总结如下：复制是半保留的；细菌或病毒的DNA复制起始于一个特定位点，真核细胞染色体DNA复制有多处起始点；复制可是单向的，多数是双向的，双向复制时两个复制叉前进的速度不一定相同；复制时每条链都由5＇→3＇端延长；复制的过程是半不连续的，前导链是连续合成的，滞后链是不连续合成的，相邻的DNA片段由连接酶连接成DNA新链；DNA复制是在RNA引物上起始的，RNA引物以后被酶切除；复制可能有多种机制，既使在同一细胞里，可能因环境——温度、营养条件、酶的丰富程度、dNTP供应是否平衡、模板是否被外界环境损伤等情况，复制也可以采用不同的方式。

第二节DNA的损伤和修复在自然界中，生物经常受到种种物理或化学因素以及在代谢过程中产生的自由基的影响，从而使DNA 受到损伤。

DNA的损伤往往导致突变、癌变或死亡。

不过生物在长期演化的过程中形成了一套修复的机制。

修复之后虽然免于死亡，但仍难免遭到突变或致癌的危险。

一、DNA损伤的各种结构改变1. 碱基缺失或插入酸或高温都可以导致碱基缺失。

在生理温度下，每天每一哺乳动物的基因组可以失去10 000个嘌呤。

DNA受到嵌入剂如吖啶类化合物作用，可以使复制时发生碱基缺失或增加，从而导致移码突变。

2．碱基改变电离辐射、烷化剂都可以修饰碱基，碱基类似物或核苷酸类似物可以代替正常的碱基或核苷酸掺入到正在复制中的DNA分子内。

如果DNA聚合酶的校阅功能（3＇→5＇外切活力）缺陷，便不能除去那些错误掺入的核苷酸。

又如胞嘧啶、腺嘌呤等由于自发的脱氨或是与亚硝酸反应而脱氨形成尿嘧啶和次黄嘌呤等错误的碱基。

3．形成胸腺嘧啶二聚体DNA经紫外线照射后，同一条链上相邻的两个嘧啶碱基（尤其是两个相邻的胸腺嘧啶）之间可以交联形成环丁烷基的结构，当这两个相邻碱基为胸腺嘧啶时，这一结构便称为胸腺嘧啶二聚体。

这一结构的存在将使双链发生扭曲，从而影响复制。

不同的嘧啶所形成二聚体的机率不相同，比率大致是：除了以上几种类型的损伤外，还有链的断裂、链与链之间发生交联等。

含有二聚物的DNA双链二、修复机制1．光复活修复2．切除修复三、修复缺陷与疾病癌症和DNA修复系统有一定的关系。

着色性干皮病是一种罕见的皮肤病。

患者对紫外线特别敏感，往往发展成为皮肤癌。

这是一种遗传性疾病，通过常染色体以隐性方式传递。

患者的细胞培养物内聚合酶活力并不缺陷，但不能切除二聚物，可被T4噬菌体的内切酶V所补偿，表明患者的修复系统中内切酶缺陷。

其它如毛细血管共济失调症、贫血病等亦都属于人类DNA修复缺陷的疾病。

第三节RNA的生物合成贮存于DNA中的遗传信息需要通过转录和翻译而得到表达。

转录过程中，DNA的一条链作为模板，在其上合成出RNA分子，合成以碱基配对方式进行，所产生的RNA链与模板DNA互补。

细胞内各类RNA，包括参与翻译过程的mRNA，rRNA，tRNA，以及具有特殊功能的小RNA，都是以DNA为模板，在RNA 聚合酶的催化下合成的。

最初的转录产物通常需要经过一系列断裂、拼接、修饰等加工过程才能成为成熟的RNA分子，在某些病毒繁殖时，还能以RNA为模板合成RNA，即进行RNA复制。

致癌RNA病毒能以RNA为模板合成DNA，即进行逆转录。

（一）DNA指导的RNA聚合酶催化RNA合成的酶称为RNA聚合酶。

该酶许多性质与DNA聚合酶相似。

RNA聚合酶需以四种核苷三磷酸为底物，并以适当的DNA作为模扳，RNA的合成反应不需要引物，由RNA聚合酶从单核苷酸的3＇—OH上逐个加上核苷酸，与模板DNA反向平行，从5＇→3＇方向合成。

反应是可逆的，但焦磷酸的分解可推动反应趋向聚合。

模板DNA与转录产物RNA的碱基配对关系是：dA —U，dG —C，dT —A，dC —G聚合反应可用下式表示：（二）原核细胞的转录作用原核细胞的转录作用分三个阶段进行。

1．转录的起始2．RNA链的延伸起始反应完成后，核心酶沿DNA链滑动，并按模板序列选择核糖核苷酸，第二、三……个核苷酸依次转录，RNA链逐渐延长。