第三部分 复制转录和翻译剖析课件.ppt

第三部分 分子生物学,DNA复制把亲代的遗传信息忠实地传递给子代。在子代通过转录传递给RNA，再通过翻译生成Pr来表现生命活动。,1、DNA的半保留复制2、DNA复制的起点与方向3、DNA的半不连续复制4、DNA复制的分子基础5、DNA复制的过程6、DNA复制的忠实性7、真核生物复制（端粒酶）,DNA的复制,DNA的半保留复制,DNA在复制时，两条链解开分别作为模板，在DNA聚合酶的催化下按碱基互补的原则合成两条与模板链互补的新链，以组成新的DNA分子。由于子代DNA分子中一条链来自亲代，另一条链是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。,DNA复制的起始、方向（5 3),复制叉,复制叉,未复制DNA,单向复制,双向复制,真核细胞DNA多个起点复制（5 3 ),复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）,以35方向的亲代DNA链作模板的子代链在复制时基本上是连续进行的，其子代链的聚合方向为5 3，这一条链被称为前导链(leading strand)。以53方向的亲代DNA链为模板的子代链在复制时则是不连续的，其链的聚合方向也是5 3 ，这条链被称为后随/滞后链(lagging strand)。前导链连续复制而后随链不连续复制，就是复制的半不连续性。,DNA的半不连续复制,两条子链的合成方向都是53,后随链是不连续合成的，DNA在复制时，由后随链所形成的一些子代DNA不连续的短片段称为冈崎片段(Okazaki fragment)。冈崎片段的大小，在原核生物中约为10002000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。,DNA的半不连续复制,前导链(leading strand),后随/滞后链(lagging strand),DNA的半不连续复制,冈崎片段(okazaki fragment),DNA复制的分子基础,1. 底物 dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)2. 有关的酶 拓扑异构酶、解链酶、引物酶、聚合酶（DNA聚合酶I 、II、III）、DNA连接酶3. 模板 单链的DNA母链4. 引物 寡核苷酸引物（RNA)5. 其他蛋白质因子 单链结合蛋白（SSB维持模板处于单链状态，保护单链的完整）,DNA拓扑异构酶(解旋酶）既能水解，又能打断碱基互补配对的氢键打开超螺旋DNA解链酶解开双螺旋引物酶是RNA聚合酶，合成一段RNA引物,引物酶催化合成短链RNA引物分子,引物,引物酶,引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。,前导链(leading strand),后随/滞后链(lagging strand),DNA的半不连续复制,冈崎片段(okazaki fragment),引物RNA,引物RNA,引物RNA,在原核生物中目前发现DNA聚合酶有三种，分别命名为DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。参与DNA复制的主要是DNA聚合酶 和 DNA聚合酶 ,种类和生理功能,原核生物中的三种DNA聚合酶,切除引物,DNA聚合酶的活性,5至3的聚合活性5 3方向链的延伸 核酸外切酶活性 5 3外切酶活性切除引物 3 5外切酶活性校对功能,参与DNA复制的DNA聚合酶，必须以一段具有3端自由羟基（3-OH）的RNA作为引物(primer) ，才能开始聚合子代DNA链。RNA引物的大小，在原核生物中通常为50 100个核苷酸，在真核生物中约为10个核苷酸。RNA引物的碱基顺序，与其模板DNA的碱基顺序相配对,需要引物,5至 3的聚合活性（ 5 3 ）,DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读,A：DNA-pol外切酶活性3 5切除错配碱基；并用其聚合酶活性5 3掺入正确配对的底物B：碱基配对正确， DNA-pol不表现外切酶活性。,3 5外切酶活性校对功能,连接酶连接缺口,Mg2+,连接酶,A,T,C,G,P,T,T,P,P,P,A,A,C,C,T,G,A,P,A,C,P,P,P,P,OH,T,G,G,A,T,C,G,P,T,T,P,P,P,A,A,C,C,T,G,A,P,A,C,P,P,P,T,G,G,P,缺口,3,3,5,5,5,5,3,3,模板链,模板链,3,5磷酸二酯键,DNA的复制过程,（一） 复制的起始,（二） 复制的延伸,（三） 复制的终止,起始的过程,打开DNA超螺链,打开双螺旋,防止复螺旋,单链结合蛋白,解链酶,引 物,引物酶,拓扑异构酶,合成,引物,DNA复制起始过程,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引发体,DNA连接酶,引物,DNA双链,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引发体,DNA连接酶,引物,DNA复制起始的过程,拓扑异构酶与DNA双链结合，松弛超螺旋。,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引发体,DNA连接酶,引物,DNA复制起始过程,解链酶解开DNA双螺旋,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引发体,DNA连接酶,引物,单链结合蛋白防止复螺旋,DNA复制起始的过程,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引发体,DNA连接酶,引物(RNA),DNA复制起始过程,引物酶合成引物,(二)DNA复制的延伸DNA聚合酶,1. DNA聚合酶把新生链的第一个脱氧核苷酸加到引物的3OH上，开始新生链的合成过程,引物,组成 DNA 的脱氧核糖核苷酸一个个连接起来,3,5-磷酸二酯键,引物,引物,引物,引物,引物,引物,引物,引物,DNA模板链,DNA新链,引物,2.半不连续复制与冈崎片段,前导链,滞后链,冈崎片段,5,3,2.半不连续复制与冈崎片段,前导链、后随链/滞后链、半不连续复制、冈崎片段。,DNA聚合酶,DNA聚合酶,(三)复制的终止,遇到终止子停止复制DNA聚合酶利用 5 3外切酶活性水解引物DNA聚合酶聚合活性填补缺口DNA连接酶连接缺口。,3,3,3,3,3,3,3,3,5,5,5,5,5,5,5,5,5,原核细胞DNA的半不连续、半保留复制过程,复制叉的移动方向,拓扑异构酶,解链酶,DNA聚合酶I,3,5,3,5,复制的起始、方向,DNA链的合成与延长,DNA链合成的终止,DNA聚合酶,复制的忠实性,DNA复制过程是一个高度精确的过程，据估计，大肠杆菌DNA复制109-1010碱基对仅出现一个误差，保证复制忠实性的原因主要有以下四点:,a、DNA聚合酶的高度专一性（严格遵循 碱基配对原则）,b、DNA聚合酶的校对功能（错配碱基被3-5 外切酶切除）,c、起始时以RNA作为引物,d、DNA的损伤修复系统,基因表达包括转录和翻译两个过程，转录的起始是基因表达的第一步，也是基因表达调节的主要控制点 转录的概念,转录的概念和DNA的模板链和编码链,转录是在DNA的指导下的RNA聚合酶的催化下，按照碱基配对的原则，以四种NTP为原料合成一条与模板DNA互补的RNA的过程。RNA的转录从DNA模板的特定位点开始，并在一定的位点终止。此转录区域为一个转录单位。,启动子,终止子,模板链/无义链,编码链/有义链/非模板链,非信息区,DNA,5,5,3,3,转录的连续性 RNA转录合成时，以DNA作为模板，在RNA聚合酶的催化下，连续合成一段RNA链。,转录的单向性RNA转录合成时，只能向一个方向进行聚合，即RNA链的合成方向也为5 3,大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图,核心酶(2),起始因子,和模板DNA结合与底物结合催化聚合反应与转录频率相关,全酶(2),RNA聚合酶缺乏35外切酶活性因此无校对功能不需引物,RNA聚合酶催化的反应,A,C,G,A,C,G,U,U,模板DNA,5,3,新合成RNA,合成方向,3 5-磷酸二酯键,. 起始位点的识别：识别正确的启动位点(启动子一段保守DNA序列位于基因上游，是RNA聚合酶结合并开始转录的位置，-35区、-10区、+1)并形成复合物,使局部DNA结构松散，打开17bp暴露出DNA模板链，有利于RNA聚合酶进入转录泡,3,5,+1转录起始点,TTGACA,TATAAT,3,5,35序列 Sextama 框全酶结合位点,10序列Pribnow框核心酶结合位点,.链的延长：以NTP为原料和能量，DNA模板链为模板，靠核心酶的催化，核苷酸间通过3,5-磷酸二酯键形成核糖核酸链(RNA),. 转录起始：转录起始不需要引物，加入的第一个核苷三磷酸常是GTP或ATP。第一个核苷三磷酸一旦掺入到转录起始点到合成几个核苷酸，亚基就会被释放脱离核心酶。,RNA链的延伸（转录泡）图解,. 转录终止：终止子和因子 终止子：具有一段富含G-C的回文区域，转录生成的RNA链可形成发夹结构，影响RNA聚合酶的行进使转录终止 因子：当RNA聚合酶移动至终止子部位时，因子与其结合使转录终止,RNA合成过程,起始,双链DNA局部解开,第一个磷酸二酯键形成,终止阶段,解链区到达基因终点,延长阶段,RNA,启动子,终止子,12.1 遗传密码12.2 tRNA的结构与功能12.3 蛋白质合成机制12.4 蛋白质合成的过程,蛋白质的生物合成,一、概述,遗传密码:指核苷酸三联体决定氨基酸的对应关系密码子:为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线性位置的三个核苷酸单位称为密码子（Coden）或三联体密码。密码子是按53方向编码，不重叠、无标点不停顿、共有64个密码子有终止信号：UAG、UAA、UGA 有起始信号：AUG（真核中起始为Met、原核中起始为fMet。在真核原核翻译中间为Met）,遗传密码,遗 传 密 码,Third letter,密码子的特点： 简并性：同一种AA有两个或更多密码子的现象称为密码子的简并性；对应于同一种AA的不同密码子称为同义密码子。 普遍性/通用性：指各种低等和高等生物，包括病毒、细菌及真核生物，基本上共用一套遗传密码。只有很少数例外。,t RNA转运活化的AA至mRNA模板上,4个关键位点tRNA3-CCA-OH的氨基酸接受位点识别密码子的反密码子位点D环上识别氨酰-tRNA合成酶位点TC环上核糖体的识别位点：与大亚基的5srRNA互补识别,氨酰-tRNA合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase),氨基酸活化的反应,活化反应形成酯键,AA的活化形式,第一步反应,氨基酸 ATP-E 氨酰-AMP-E PPi,活化过程：,N-甲酰甲硫氨酰-tRNAfMet的形成,Met-tRNAMet,fMet-tRNAfMet,N10-甲酰FH4,FH4,转甲酰酶,氨酰- tRNA合成酶特点,a、专一识别位点： 专一识别所需要的AA，每种AA都有专一的酶，只作用于L-氨基酸，不作用于D-氨基酸。 识别专一性或特定的tRNA。,b、校对作用：氨酰- tRNA合成酶的水解 部位可以水解错误活化的氨基酸。,蛋白质合成机制:tRNA的负载是特异性的，tRNA的反密码子与被翻译的mRNA密码子相互作用的特异性，氨酰化的特异性保证tRNA携带特定的氨基酸。 mRNA按53方向读取密码子，tRNA的反密码子与被翻译的mRNA密码子之间碱基配对是反向平行的，mRNA密码子的第三位碱基配对时可以摆动减少碱基改变时造成AA的改变。,密码子与反密码子的配对关系,反密码子,tRNA,5,3,A U C,5,mRNA,3,密码子,1 2 3,反向摆动配对,反密码子与密码子之间的碱基配对,A UC G,反密码子第一位碱基 密码子第三位碱基,G,UC,U,AG,I,UCA,结果：一种tRNA能与多个一二位相同的简并密码子配对减少有害突变,一、概述,基因的遗传信息在转录过程中从DNA转移到mRNA，再由mRNA将这种遗传信息表达为蛋白质中氨基酸顺序的过程叫做翻译。合成体系：20种氨基酸、mRNA、tRNA、核糖体、酶和因子、无机离子、ATP 、GTP 合成方向：NC端。,概 述,mRNA携带着DNA的遗传信息，多肽链的合成模板蛋白质合成时，mRNA结合于核糖体小亚基上，大亚基结合带氨基酸的tRNA，tRNA的反密码子与mRNA密码子配对。,原核生物核糖体组成,真核生物核糖体组成,核糖体翻译的场所,翻 译 的 步 骤,、肽链的形成（起始、延长、终止）,、肽链的释放,、氨基酸的活化,原核生物多肽链的合成过程,原核生物多肽链的合成分为三个阶段：肽链合成的起始、肽链的延长、肽链合成的终止。,A、肽链合成的起始,B、肽链的延长,C、肽链合成的终止,原核生物中肽链合成的起始,30S亚基 mRNA IF3- IF1复合物,30S mRNA GTP- fMet tRNA- IF2- IF1复合物,70S起始复合物,mRNA +30S亚基-IF3,70S起始复合物,IF-1,IF-3,三个与tRNA结合的位点： A位：又称受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；由大、小亚基成分构成。 P位：又称给位或肽酰基位，结合起始氨基酰tRNA， 在延伸中结合延伸中的肽酰基并向A位给出肽酰基；由大、小亚基成分构成。 E位：又称出口位/排出位，空载tRNA脱离核糖体前的结合位点；主要由大亚基成分构成。,核蛋白体大、小亚基的功能,原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式,A位：氨基酰位(aminoacyl site),P位：肽酰位(peptidyl site),E位：排出位(exit site),真核生物多肽链合成的起始,1、真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂2、起始氨基酸为Met，不是fMet,肽链的延长,进位/结合,移位,进位,(EF-Tu)进位/结合因子,肽键形成,3,（EF-G）移位因子,B：肽链合成的延长进位、成肽、移位,肽键形成,肽基转移酶（大亚基23SrRNA，核酶）水解酯键并形成肽键,C：肽链合成的终止： RF识别终止密码子, RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA,（1）释放因子RF1或RF2进入核糖体A位。 （2）多肽链的释放（3）70S核糖体解离,RF,：肽链的释放,RF,蛋白质的合成是一个高度耗能过程 AA活化 2个高能磷酸键（ATP） 肽链起始 1个（70S复合物形成，GTP） 进位 1个（GTP） 移位 1个（GTP）,第一个氨基酸掺入需消耗3个活化2+起始1 以后每掺入一个AA需要消耗4个活化2+进位1+移位1,复制、转录、翻译、密码子,要 点 回 顾,第 三 部 分 习 题,1、写出两个转氨酶催化的反应方程式及尿素分子中氮原子和碳原子的来源、消耗能量的数目。2、 1mol硬脂酸(C18)彻底氧化可净产生多少ATP3、脂肪酸的生物合成与氧化分解有什么区别？4、遗传信息从亲代到子代并通过蛋白质表现生命活动，请阐述其主要过程的机制。,