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第十章 基因信息的传递. DNA 的生物合成. 基因 : 生物活性产物编码的 DNA 功能片段. 复制 : 以 DNA 作为 模板 指导的 DNA 合成,即将 DNA 携带的信息传至子代 DNA DNA 合成也可以 RNA 为 模板 指导合成,通常将其称作反转录作用 , 见于 RNA 病毒. 模板 作用: 大量生 产同一产品. 模 板. 中心法则 Central Dogma. DNA. 复制. 逆 转录. 转录. RNA. 翻译. 蛋白质(病毒). 少数病毒复制. 翻译. 蛋白质. 父链. 子链. 第一节 半保留复制. - PowerPoint PPT Presentation
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第十章 基因信息的传递
DNA的生物合成
复制:以 DNA作为模板指导的 DNA合
成,即将 DNA携带的信息传至子代 DNA
DNA合成也可以 RNA为模板指导合成,通常将其
称作反转录作用 ,见于 RNA病毒
基因:生物活性产物编码的 DNA功能片段
模 板
模板作用:大量生产同一产品
中心法则 Central Dogma
RNA
DNA
蛋白质
转录
翻译
复制
逆转录
少数病毒复制 翻译 蛋白质(病毒)
第一节 半保留复制
定义:两个子代分子中各有一条链来自亲代,各有另一条新合成的链,这
种复制方式叫半保留复制
父链
子链
1958 – Matthew Meselson和Franklin Stahl
美国科学家马修 .梅塞尔(Matthew Keelson)
福兰克林 .斯塔尔 (Franklin Stahl)
(蓝 : 15N)
(棕 : 14N)
DNA半保留复制的证据
培养于普通培养液
继续培养于普通培养液
含 15N-DNA的细菌 普通 DNA
重 DNA
第一代 中等密度 DNA
第二代普通 DNA中等密度 DNA
意义?
新合成 的链
重 DNA
普通 DNA
中等密度 DNA
全保留
混 合
一代 二代
一代 二代
复制的起始点与方向
亲代 DNA开链,复制起始点呈叉型移动
复制叉亲代 DNA 分子
3’
5’
3’
5’复制起始点( ori): DNA复制要从 DNA分子的特定部位开始,此部位称复制起始点
原核:一个起始点,约 245bp,特殊的重复序 列
真核:多个起始点
ori
E.coli复制起始点 oriC跨度为245bp,有 3组串联重复序列和 2对反向重复序列
GATTNTTTATTT…GATCTNTTNTATT…GATCTCTTATTAG
串联重复序列
反向重复序列
…TTTGGATAA…..TTATCCACA AATAGGT--T
TGTGGATTA……TTATACACA… A--TA--GTGT
回文结构
AGCTTCGA
复制方向
• DNA合成的方向单向、双向?
1个起始点
双向复制
oriori
复制子 ori ori
真核生物两个相邻复制起始点之间的 DNA 片段
以起始点为中心,向两个方
向进行复制
多个起始点
第二节 DNA复制的酶学
1. 模板:解开成单链的 DNA母链
3. DNA聚合酶, DNA-pol
2. 底物 dNTP : dATP, dGTP, dCTP, dTTP
4. 引物( primer): RNA引物
5. 其他酶和蛋白质因子
一、复制的化学反应
生成磷酸二酯键N1OH3`5`+dN2TP N1N2-OH
3`5`+PPi
DNA pol
3’——TAGAAGACCTATTGGCC——5’5’——ATCTTCTGGATAACCGG——3’
二、 解链相关酶类
1. 解旋酶 (helicase)
2. 拓扑异构酶( topoisomerase I、 II) 3. 单链 DNA结合蛋白(SSB)
2.1 解旋酶 (helicase)
解螺旋酶
作用:断裂互补碱基间的氢键,使 DNA成单链
dnaA 、 B 、 C… DnaA 、 B 、 C…
ATP
2.2 拓扑异构酶( Topo)
拓扑 (topology)与拓扑异构DNA正超螺旋与负超螺旋
负超螺旋正超螺旋 DNA双螺旋
拓扑异构酶
超螺旋
螺旋
Topo酶:切割 DNA链,使其松弛后再连接
Helicase
TopoⅡ( DNA Gyrase)
Helicase
Supercoiled DNA
TOPOⅡ
TOPOⅡ
TOPOⅡ
TOPOⅡ
TOPOⅡ
TOPOⅡ
TOPOⅡ
TOPOⅡ
TOPOⅡ
ATP
TOPOⅡ
2.3 单链 DNA结合蛋白( SSB)
作用:防止单链 DNA重新形成双链,防止单链 DNA被核酸酶水解
SSBSSB
三、 DNA聚合酶( DNA-pol)
即依赖于 DNA的 DNA聚合酶( DDDP)
真核生物有多种:
DNA-pol 、、、、…
原核生物有 3种:
DNA-polⅠ 、 Ⅱ 、 Ⅲ
DNA聚合酶功能
•5´3´聚合作用
•5´3´外切酶
•3´5´外切酶活性
5' ucgagcuag-OH 3 '
5 ' ucgagcuag
DNA poldNTP
5´3´聚合作用
3 ' agctcgatcgtagcctagcgtagcagtgcacgatc 5 '
3 ' agctcgatcgtagcctagcgtagcagtgcacgatc 5 '
catcggatcgcatcgtcacgtgctag 3 '
5’ 3’
内切酶
外切酶
外切酶与内切酶作用图解
5´3´ 外切酶活性的功能
切除引物,切除突变片段
5’ 3’
3’5’ 外切酶活性
校读
错配碱基
大肠杆菌三种 DNA聚合酶比较DNA
聚合酶Ⅱ
分子量
每个细胞的分子统计数
5´-3 ´聚合酶作用
3´-5 ´核酸外切酶作用
5´-3 ´核酸外切酶作用
转化率主要功能
活性( nt/min )
DNA聚合酶Ⅰ
DNA聚合酶Ⅲ(复合物)
109, 000
400
+
+
+
1
校读 ,修复1000
120, 000
40
+
+
-
0 .05
400, 000
10-20
+
+
+
50
复制100000
特 性
不清填补缺口
50
DNA聚合酶Ⅲ全酶
核心酶
Pol III
Pol III
延长因子
DNA聚合酶Ⅲ二聚体
小片段 大片段( Klenow fragment)5 ' →3 ' 聚合功能3 '→5 '外切酶活性 5'→3'外切酶活性
DNA pol I
四、引物酶 (Primase)和引发体
5´
5´
催化 RNA引物合成的酶叫引物酶,它是一种特殊的 RNA 聚合酶
DNA合成需在 RNA引物的基础上进行
RNA引物
5´ 3´
5´3´
DnaA
引发体( primosome):包括解螺旋 酶 、 DnaC、引物酶及 DNA复制的起始 区域
5´ 3´
3´ 5´引物酶
DnaC
引发体
解螺旋酶
五、 DNA连接酶 (DNA ligase)
功能: 催化 DNA双链的 3’羟基和相邻的5’磷酸基团形成磷酸二酯键,从而把两段相邻的 DNA链连成完整的链
小 结主要成员 主要作用
DnaA 识别复制起始位点
解螺旋酶 解开 DNA双链SSB 维持已解开单链 DNA的稳定
引物酶 合成 RNA引物
TOPO 使打结、缠绕、正超螺旋的 DNA松驰DNA-pol DNAⅢ 复制
DNA-pol Ⅰ 水解引物、填补空隙、修复作用
DNA 连接酶 催化双链 DNA中单链缺口的连接
第三节 DNA生物合成过程
1.复制的起始
2.链的延长
3.复制的终止
DNA合成期
哺乳动物的细胞周期
一 复制的起始(一 ) DNA解成单链
由特定蛋白质识别复制起始位点( ori),在解螺旋酶、 TOPO酶及单链DNA结合蛋白的共同作用下, DNA解链,解旋,形成复制叉
倒 Y
(二 )引发体的生成
解旋酶解开双链后引物酶进入形成引发体
5´ 3´
3´ 5´引物酶
DnaC
引发体
解旋酶
(三) RNA引物的合成
5´
5´ RNA引物
5´ 3´
5´3´
参与复制起始的蛋白因子
名称 功能
DnaA 蛋白 辨认起始点
解螺旋酶( DnaB, Rep ) 解开 DNA双链DnaC 协助解螺旋酶
引物酶( DnaG ) 催化 RNA引物生成SSB 稳定解开的单链
拓扑异构酶 理顺 DNA链
OriC E.coli复制起始点
引物合成后,由 DNA polⅢ(在真核细胞为 DNA聚合酶和 )催化,按碱基配对原则,将 dNTP逐一添加到引物 3’ 末端,形成磷酸二酯键,使新合成的链不断延 长
二 复制的延长
3’——AAGACCTATT——5’5’——TTCTGGATAA——3’
DNA Pol I, II and IIIDNA Pol I, II and III
5’- DNA - OH5’- DNA - OH5’- DNA - OH5’- DNA - OH 5’- DNA - O5’- DNA - O - - PP - -N - OHN - OH
PPPPPPPP
++
++ ddNNTTPsPs
前导链前导链
后随链
3’
5’3’
5’
延 长5’
5’5’3’
3’
5’3’3’
5’
SSB
DNA Polymera
se
冈崎片断
RNA引物
引物酶
5’3’
5’
TOPOⅡ解旋酶
1.半不连续性: DNA复制过程中,一条链是连续复制,另一条链是不连续复制的现象
几个重要概念
4. 冈崎片段( Okazaki fragment):
不连续复制的片段
3. 随从链 : 链的延长方向 (5’3’)与解链方向相反,为不连续复制
2.领头链 :链的延长方向 (5’ 3’)与解链方向 相同 , 为连续复制
滚环复制
某些病毒、质粒、线粒体 DNA的特
殊复制形式
三 复制的终止
1. 原核生物复制终止
2.真核生物复制终止
1、原核生物 DNA为环状,双向复制的汇 合点就是复制终止点
原核生物复制终止
2. 领头链上的 RNA引物被 RNA酶水解后,由 DNA pol I 催化,由新合成链提供 -OH 补齐
终点
起点 RNA酶DNA pol I
连接酶
3、冈崎片段引物的消除和连接
RNA引物RNA酶
DNA pol I
DNA连接酶
端粒和端粒酶
端粒酶[组成 ]: RNA + 蛋白质[作用 ]:可作为反转录酶,以含端粒 DNA重复序列拷贝的 RNA作模板,合成端粒 DNA片段 [生物学意义 ]: 1.合成端粒,保证染色体复制的完整性 2.保护 DNA末段降解及相互融合
端粒 :真核线性染色体末端,含重复序列TTTGGG, 在端粒酶的作用下形成
第四节 DNA损伤(突变)与修复
DNA的损伤(突变): DNA分子一级结构的
改变称为 DNA损伤或突变
修复的意义 : DNA复制中的错误若保留下
来,在体细胞将影响功能;在性细胞将影响
后代,体内的修复系统保证了 DNA复制的高
度精确性
突变的类型
1. 点突变
2. 缺失、插入和框移突变
3. DNA重排
DNA损伤的修复
光复活酶
(可见光) T-T
1. 光修复
TT
2.切除修复 参与因子 : UvrA、 UvrB、UvrC
3.重组修复
RecA
DNA pol
切除修复
4. SOS修复
DNA分子多处受到较大范围的损伤,应急
诱导产生的修复作用称 SOS 修复
细胞能继续生存,但引起 DNA较长期的
广泛的突变
后果:
第五节 逆转录现象和逆转录酶
逆转录: RNA指导下的 DNA合成作用,以
RNA为模板在逆转录酶催化下,由 dNTP聚
合成 DNA的作用,新生 DNA分子存有 RNA
基因组的信息
逆转录酶 :又称为反转录酶,为依赖
RNA的 DNA聚合酶
逆转录酶是多功能酶,有三种酶活性:
1. 逆转录活性:即以 RNA为模板合成 DNA
2. RNase活性:水解 RNA:DNA中的 RNA
3. DNA pol活性:以 DNA为模板合成 DNA
特点:无外切酶活性,转录错误率高 2×10-
4
5’ 3’
5’ 3’
TTTT
poly A tail
3’ 5’
CCC3’5’ 3’GGG
5’
整合入细胞基因组
逆转录活性
RNase活性
RNA:DNA杂合链
RNA模板
单链 DNA
双链 DNA
DNA pol活性