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DNA通過基因表達，決定了蛋白質的結構、功能RNA也可作為某些病毒遺傳信息的載體。
1、複製(replication)
2、基因表達 轉錄(transcription)翻譯(translation)
3、基因表達調控
4、基因工程(geneticengineering (geneexpression) (control geneexpression)
DNA複製(replication)--由親代DNA合成兩個相同的子代DNA的過程。
複製 親代DNA 子代DNA
一、半保留複製(semi-conservative replication)
二、雙向複製(bidirectional replication)
三、半不連續複製(semi-discontinuous replication)
四、複製的高保真性(high fidelity)子鏈繼承母鏈遺傳信息的幾種可能方式：全保留式、半保留式、混合式
(一)半保留複製的定義
複製時，母鏈的雙鏈DNA解開成兩股單鏈，各自作為模板指導子代合成新的互補鏈。子代細胞的DNA雙鏈，其中一股單鏈從親代完整地接受過來，另一股單鏈則完全重新合成。由於鹼基互補，兩個子細胞的DNA雙鏈，都和親代母鏈DNA鹼基序列一致。這種複製方式稱為半保留複製(semi-conservative replication)。母鏈DNA複製過程中形成的複製叉子代DNA。
1、使親代DNA所含的信息以極高的準確度傳遞給子代DNA分子。
2、DNA通過複製和基因表達這兩種主要功能，決定了生物的特性和類型並體現了遺傳過程的相對保守性。遺傳的保守性，是物種穩定性的分子基礎，但不是絕對的。
(一)雙向複製的定義
複製時，DNA從起始點(origin)向兩個方向解鏈，形成兩個延伸方向相反的複製叉，稱為雙向複製(bidirectional replication)。
複製中的放射自顯影圖象真核生物每個染色體有多個起始點，是多複製子的複製。習慣上把兩個相鄰起始點之間的距離定為一個複製子(replicon) 。複製子是獨立完成複製的功能單位。
DNA雙螺旋的兩條鏈是反平行的，而DNA合成的方向只能是5』→3』。
在DNA複製時，1條鏈的合成方向和複製叉的前進方向相同，可以連續複製，叫作前導鏈 (leading strand)；而另一條鏈的合成方向和複製叉的前進方向正好相反，不能連續複製，只能分成幾個片段(岡崎片段)合成，稱之為滯後鏈(lagging strand)。領頭鏈連續複製而隨從鏈不連續複製，就是複製的半不連續複製。解鏈方向領頭鏈(leading strand)隨從鏈(lagging strand)DNA複製的精確度極高，誤差率很低，以保證物種在維持遺傳保守性的同時，還要通過變異不斷進化。
DNA複製的高度忠實性至少要依賴三種機制：
1、遵守嚴格的鹼基配對規律；
2、DNA聚合酶在複製延長中對鹼基的選擇功能；
3、複製出錯時，DNA聚合酶的即時校讀功能。
複製的保真性和鹼基選擇 DNA聚合酶靠其大分子結構協調非共價(氫鍵)與共價(磷酸二酯鍵)鍵的有序形成。嘌呤的化學結構能形成順式和反式構型，與相應的嘧啶形成氫鍵配對，嘌呤應處於反式構型。
DNA複製的反應體系：
一、複製的化學反應
(一)複製的反應體系
1.底物：四種dNTP：dATP 、dTTP、 dGTP、dCTP
2.聚合酶：依賴DNA的DNA聚合酶，DNA- pol；
3.模板：指解開成單鏈的DNA母鏈；
4.引物：提供3』-OH末端，使dNP可以依次聚合；
5.其他酶和蛋白質因子。
在聚合酶的作用下，一個核苷酸5′-P和相鄰的核苷酸上核糖的3′-OH生成磷酸二酯鍵而逐一聚合的形成多核苷酸鏈。(dNMP) +ppiDNA鏈生成過程，DNA 新鏈生成需引物和模板；只能從5′-端向3＇-端延長。(dNMP)(dNMP)n+1 PPi(一)DNA聚合酶
(二)解鏈解旋酶
(三)引物酶
(四)DNA連接酶DNA全稱：依賴DNA的DNA聚合酶(DDDP)縮寫：DNA-pol
活性：
1.能切除RNA引物和突變的DNA片段。能辨認錯配的鹼基對，並將其水解。
DNA-pol、DNA-polII、DNA-pol DNA結構特點 單一多肽鏈，從N端到C端有3個酶促活性結構域依次排列：5′3′外切酶、 3′5′外切酶和DNA聚合酶。
DNAPolI在蛋白酶的作用下，可分為大、小兩個片段。小片段具有5＇3＇外切酶活性。大片段(又稱為Klenow片段)具有聚合酶活性及3′5′外切酶活性， 它對核酸技術十分有用。DNA-pol(109kD)323個胺基酸
小片段核酸外切酶活性
大片段/Klenow 片段604個胺基酸DNA聚合酶活性
木瓜蛋白酶DNA-pol Klenow片段是實驗室合成DNA，進行分子生物學研究中常用的工具酶。
DNA-pol
①5′3′聚合酶的活性：對複製和修復中出現的空隙進行填補。
②3′5′外切酶活性：對複製中錯誤進 行即時校讀，保證複製的準確性。
③5′3′外切酶活性：可去除RNA引物和突變鹼基。
DNA-polII5′3』聚合酶活性 3』5′外切酶活性無5』3』外切酶活性它只是在無pol I及pol的情況下才起作用，其真正的功能也未完全清楚，可能在損傷修復中有特殊作用。
DNApol-結構特點由10種亞基(α)組成不對稱異源二聚體。
核心酶(α亞基：5′3′聚合酶活性亞基：3′5′外切酶活性和鹼基選擇功能， 是複製保真性所必需。
θ亞基：可能起組裝作用-複合物：促進全酶組裝至模板及增強核心酶活性 DNA-pol DNA-pol在活細胞內的功能 5′3′聚合酶的活性：是在複製延長中真正催化新鏈核苷酸聚 3′5′外切酶活性：對複製中錯誤進行即時校讀，保證複製的準確性。催化DNA 聚合參與DNA損 傷的應急狀態修復修複合成、切除引物、填補空隙功能 20 40 400 分子數/細胞 105聚合酶活性pol III pol II pol DNADNA-pol DNA-po1δ：延長領頭鏈和隨從鏈；
DNA-poIα：合成RNA引物；
DNA-polε：校讀、修復和填補缺口。
DNA-polβ：在沒有其他DNA-pol時發揮催化功能。
DNA-po1γ：催化線粒體DNA的合成。
DNADNA 填補引物空隙，切除修復，重組延長子解螺旋酶活性線粒體DNA復35核酸外切酶活性
53聚合活性25.5 12.5 14.0 4.016.5 分子量(kD) DNA-pol填補引物空隙，切除修復， 重組延長子解螺旋酶活性線粒體DNA復35核酸外切酶活性 53聚合活性25.5 12.5 14.0 4.0 16.5 分子量(kD) DNA-pol
(二)與複製起始及解鏈解旋相關的酶類
在複製起始時需要多種酶和蛋白因子，共同起解開、理順DNA鏈，維持DNA在 一段時間內處於單鏈狀態的作用。
理順DNA鏈
拓撲異構酶 (gyrA，穩定已解開的單鏈單鏈DNA 結合蛋白SSB 催化RNA引物生成)
引物酶 DnaG (dnaG) 運送和協同DnaB DnaC (dnaC) 解開DNA雙鏈
解螺旋酶
DNA拓撲異構酶，改變DNA分子構象，理順DNA鏈，使複製能順利進行。
引物酶屬DNA指導的RNA 聚合酶，但不同於催化轉錄過程的RNA聚合酶。
DNA
(一)複製的起始
(二)複製的延長
(三)複製的終止
1、DNA解鏈
2、引發體的形成併合成引物
3、超螺旋的轉型
拓撲酶通過切斷、旋轉和再連結的作用，實現DNA超螺旋的轉型，即把正超螺旋變為負螺旋。實驗證明，負超螺旋比正超螺旋有更好的 模板作用。
1.DnaA蛋白辨認結合oriC的重複序列，並與DNA形成複合物，引起解鏈；
2.DnaB在DnaC的輔助下結合於初步打開的雙鏈，並用其解螺旋酶活性開鏈；
3.拓撲酶通過切斷、旋轉和再連結的作用，實 現DNA超螺旋的轉型；
4.SSB結合在已開鏈的DNA模板上，使DNA在 一定的範圍內保持開鏈狀態。
5.引物酶介入，形成的引發體，可按照模板的 配對序列，催化NTP的聚合，生成引物。脫氧單核苷酸逐個加入而延長DNA新鏈，其化學反應本質是生成磷酸二酯鍵。
催化此反應的酶：
原核生物：DNA-pol
真核生物：DNA-polα-催化不連續複製DNA-polδ -催化連續複製
複製起始時，母鏈即已解開，兩股單鏈都是模板，其作用是按鹼基配對規律指 引核苷酸加入到新鏈。每次加入的單個核苷酸，都是以dNTP為 原料，複製時子鏈從5』向3』延長。複製延長速度相當快。E.coli每秒鐘能加入的核苷酸數達2500個。在形成雙螺旋結構時，DNA雙鏈的走向是相反的。複製經解鏈後，兩股單鏈在複製叉上也是走向相反。複製，包括引物合成，只能從5′向3′延伸。而在同一複製叉上，解鏈的方向只可能有一個。複製方向與解鏈方向不一致 可以理解不連續複製的成因 順著解鏈方向而生成的子鏈，複製是連續進行的，這股鏈稱為領頭鏈(leadingstrand)。複製的方向與解鏈方向相反生成的子鏈稱為隨從鏈(lagging strand)。隨從鏈的複製必須等待模板鏈解開至足夠長度，才能從5′3『方向生成引物然後複製。隨從鏈在延長時，又要等到下一段暴露出足夠長而度的模板，再次生成引物而延長。這就是不連續複製。隨從鏈的合成隨從鏈不連續複製的片段稱為岡崎片段，其大小在1000~2000個核苷酸。每一個不連續複製的片段5』-端都帶有一個RNA引物。片段的複製完成後，RNA引物會被除去而代之以DNA片段，因此複製至最後，兩股子鏈都是DNA鏈。岡崎片段在同一個複製叉上，領頭鏈的複製先於後隨鏈，但兩鏈是在同一DNApol催化下進行。即隨從鏈的模板可摺疊或環繞成環狀，與前導鏈正在延長的區域對齊，使領頭鏈和隨從鏈的生長點都處在DNApol催化位點上。解鏈方向就是酶的前進方向，也是複製叉延伸方向。原核生物基因是環狀DNA，雙向複製的複製片段在複製的終止點(ter)處匯合。複製的起始點和終止點剛好把環狀DNA分為兩個半圓，兩個方向各進行180，同 時在終止點匯合。為了定位方便，習慣把E.coli的DNA分為 100等分。E.coli複製起始點oriC在82位點，複製終點ter(termination)在32位點。coliori ter E.coli 82 32 ter oriC ATPADP+Pi DNA連接酶 隨從鏈上不連續性片段的連接哺乳動物的細胞周期 DNA合成(synthesis) G1G2
二、真核生物的DNA生物合成真核生物每個染色體有多個起始點，是多複製子複製。複製有時序性，即複製子以分組方式激活而不是同步起動。
複製的起始需要DNA-polα(引物酶活性)和 polδ(解螺旋酶活性)參與。還需拓撲酶和複製因子(replication factor，RF)。增殖細胞核抗原(proliferation cell nuclear antigen， PCNA)在複製起始和延長中起關鍵作用。
親代DNA隨從鏈、引物、核小體、染色體DNA呈線狀，複製在末端停止。
複製中岡崎片段的連接，複製子之間的連染色體兩端DNA子鏈上最後複製的RNA引物，去除後留下空隙。
端粒(telomere)指真核生物染色體線性DNA分子末端的結構。功能 維持DNA複製的完整性結構特點：末端DNA序列是多次重複的富含G、C鹼基的短序列。
TTTTGGGGTTTTGGGG… (telomerase) 端粒酶RNA(human telomerase RNA， hTR) 端粒酶協同蛋白(humantelomerase associated protein 端粒酶逆轉錄酶(humantelomerasereverse transcriptase， hTRT) 端粒酶的催化延長作用
DNA聚合酶複製子鏈進一步加工端粒，特別是端粒酶的活性與細胞的生長、繁殖、衰老凋亡以及腫瘤的發生密切相關。端粒的平均長度隨細胞分裂次數的增多及年齡的增長而逐漸變短至消失，可導致染色體穩定性下降，導致細胞衰老凋亡。
體細胞幾乎沒有端粒酶活性，隨多次細胞分裂端粒逐漸縮短，細胞失去增殖能力。而端粒酶活性較高的胚原細胞，端粒長度未縮短。腫瘤細胞端粒酶重新獲得活性，以維持端粒結構致使染色體穩定而成為永生細胞。腫瘤細胞的端粒比正常人同類細胞顯著縮短。
ReverseTranscription OtherDNA Replication Ways
逆轉錄酶(reverse transcriptase)
逆轉錄：在逆轉錄酶的作用下以RNA為模板合成DNA的過程。此過程中，核酸合成與轉錄(DNARNA)過程遺傳信息的流動方向相反(RNA→DNA)，故稱為逆轉錄(reverse transcription) RNA病毒的基因組是RN而不DNA，其複製方式是逆轉錄，故稱為逆轉錄病毒 (retrovirus)。
RNA病毒感染活細胞後，要先經逆轉錄成為雙鏈DNA，通過基因重組方式，參加入宿主細胞基因組，並隨宿主細胞複製和表達。這種重組方式稱為整合(integration)。病毒基因的整合可能是病毒致癌的重要方式。
能催化以單鏈RNA為模板合成雙鏈DNA的反應的酶稱為逆轉錄酶(reverse transcriptase)。它兼有三種酶的活性：
RNA指導的DNA聚合酶；DNA指導的DNA聚合酶和RNase H活性。
所謂RNase H活性是指除去雜合分子中的RNA。它可以從5′3′和3′5′兩個方向水解DNA-RNA。
逆轉錄酶和其他DNA聚合酶一樣，合成DNA的方向為5′3＇，並且不能從頭合成DNA，也需要引物，是病毒本身的一種tRNA。
①以單鏈RNA的基因組為模板，在逆轉錄酶 (RNA指導的DNA聚合酶)的催化下，合成一條單 鏈DNA；
②產物與模板生成RNADNA雜化雙鏈，雜化雙鏈中的RNA被逆轉錄酶(RNase H)水解；
③以新合成的單鏈DNA為模板，逆轉錄酶(DNA指導的DNA聚合酶)催化合成第二鏈DNA。
逆轉錄病毒細胞內的逆轉錄現象
RNA模板逆轉錄酶DNA-RNA RNA酶單鏈DNA逆轉錄酶
雙鏈DNA逆轉錄酶AAAASI核酸酶 DNA聚合酶鹼水解
分子生物學研究可應用逆轉錄酶，作為獲取基因工程目的基因的重要方法之一，此法稱為cDNA法。
以mRNA為模板，經逆轉錄合成的與mRNA鹼基序列互補的DNA鏈。試管內合成cDNA
三、逆轉錄酶和逆轉錄現象的生物學意義
(一)逆轉錄酶和逆轉錄現象是分子生物學研究中的重大發現 RNA同樣兼有遺傳信息傳代與表達功能。
(二)對逆轉錄病毒的研究，拓寬了病毒致癌理論。
(三)分子生物學研究應用逆轉錄酶 (cDNA法)，作為獲取基因工程目的基因 的重要方法之一。
DNA Damage (Mutation) RepairDNA 個別脫氧核糖核苷酸殘基甚至片段DNA在構成、複製或表型功能上的異常變化，稱為突變( Mutation)，也稱為DNA損傷(DNA damage)。遺傳物質結構改變引起遺傳信息的改變。
(一)突變是進化、分化的分子基礎自發突變或自然突變
(二)突變導致基因型改變 多態性：個體之間的基因型差別。
(三)突變導致死亡 突變發生在對生命過程至關重要的基因上，可導致個體、細胞的死亡。(四)突變是某些疾病的發病基礎
有害的突變
(一)自發突變
(二)誘發突變
1.物理因素：主要指紫外線和各種輻射， 如紫外線可引起DNA鏈上相鄰的兩個嘧啶 鹼基發生共價結合，生成嘧啶二聚體。
2.化學因素：化工原料、化工產品和副產品，各種工業的排放物、農藥、食品防腐劑或添加劑，以至汽車排放的廢氣。
常見的化學誘變劑 化合物類別分子改變鹼基類似物 如：5-BU DNA缺失G•錯配(mismatch) •缺失(deletion) •插入(insertion) •重排(rearrangement)(frame-shift)mismatch DNA分子上的鹼基錯配稱點突變( mutation)。
點突變發生在基因的編碼區域，可導致胺基酸的改變。
轉換：發生在同型鹼基之間，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。
顛換：發生在異型鹼基之間，即嘌呤變嘧啶或嘧啶變嘌呤。
鐮形紅細胞貧血病人Hb (HbS) β亞基 N-val 肽鏈CAC GTG 基因 正常成人Hb (HbA)β亞基 N-val 肽鏈CTC GAG 基因c-rasH
缺失：一個鹼基或一段核苷酸鏈從DNA 大分子上消失。
插入：原來沒有的一個鹼基或一段核苷酸鏈插入到DNA大分子中間。
框移突變：三聯體密碼的閱讀方式改變，造成蛋白質胺基酸排列順序發生改變，其後果是翻譯出的蛋白質可能完全不同。
缺失Crearrangement DNA分子內發生較大片段的交換，稱為重組或重排。
移位的DNA可以在新位點上顛倒方向反 置(倒位)，也可以在染色體之間發生交換重組。由基因重排引起的兩種地中海貧血基因型 四、DNA損傷的修復(DNArepairing) 修復是指針對已發生了的缺陷而施行的 補救機制。
修復的主要類型：
(一)光修復(light repairing)
(二)切除修復(excision repairing)
(三)重組修復(recombination repairing)
(四)SOS修復 光修復過程是通過光修復酶(photolyase) 催化而完成的，僅需300~600nm波長照 射即可活化，普遍存在於各種生物，人體細胞中也有發現。通過此酶作用可使嘧啶二聚體分解為原來的非聚合狀態，DNA完全恢復正常。
光修復
光修復酶 (photolyase) UV
(二)切除修復(excision repairing) 細胞內最重要的修復機制，包括去除損傷DNA，填補空隙和連接。
1、原核生物
DNA損傷修復：UvrA，UvrB辨認及結合DNA損傷部位；
UvrC在解螺旋酶的協助下切除損傷部位。DNA-pol和連接酶填補空隙和連接。
2、真核生物DNA損傷修復：XP類蛋白辨認和切除損傷DNA部位，切除後留下的空隙，則由DNA-pol 加以修復。E.coli UvrA UvrB UvrC OH DNA聚合酶OH DNA連接酶ATP
(三)重組修復(recombination repairing) 當DNA分子的損傷面較大，還來不及修復完善就進行複製時，損傷部位因無模板指引，複製 出來的新子鏈會出現缺口，這時，就靠重組蛋 白RecA的核酸酶活性將另一股健康的母鏈與缺口部分進行交換，以填補缺口。損傷鏈移到己完成複製的鏈上，如果損傷又只 發生在雙鏈DNA中的一股單鏈，則下一輪的複製損傷鏈就只佔DNA的1/4，不斷複製後，其比例就越來越低，稱為把損傷鏈「稀釋」掉。
SOS是一類應急性的修複方式。由於DNA損傷廣泛至難以繼續複製，由此而誘發出一系列複雜的反應。
coli，各種與修復有關的基因，組成一個稱為調節子(regulon)的網絡式調控系統。
特點：反應特異性低，對鹼基的識別、選擇能力差。通過SOS修復，複製如能繼續，細胞是可存活的。然而，DNA保留的錯誤會較多，引起較廣泛、長期的突變。
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