《基因信息传递》PPT课件.ppt

基因信息传递,第 三 篇,山西医科大学生物化学与分子生物学教研室杨涛,中心法则,DNA的生物合成DNA Biosynthesis,第 十 章,本章内容,第一节 DNA复制的特点第二节 DNA复制的酶学第三节 DNA生物合成过程第四节 逆转录第五节 DNA损伤与修复,DNA复制的特点,第一节,一、半保留复制(semiconservative replication),（一）概念（二）实验依据：密度梯度实验（三）生物学意义：1.保证遗传信息传递的忠实性 2.遗传和变异的统一,密度梯度实验,实验结果支持半保留复制的设想。,含重氮-DNA的细菌,第一代,第二代,梯度离心结果,二、双向复制(bidirectional replication),原核生物复制时，DNA从起始点(origin)向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制。,A.环状双链DNA及复制起始点B.复制中的两个复制叉C.复制接近终止点(termination,ter),三、半不连续复制(semi-discontinuous replication),顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链。另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链。复制中的不连续片段称为岡崎片段(okazaki fragment)。领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。,领头链(leading strand),随从链(lagging strand),四、需要RNA引物(primer),DNA聚合酶不能直接聚合游离的dNTP，必须由一段核酸片段提供3OH末端。,DNA复制的酶学,第二节,一、DNA复制的体系,（一）底物：dNTP,N=A,T,C,G（二）模板：DNA单链（三）引物：RNA或延长中的DNA子链，提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合（四）酶和蛋白质因子：,(dNMP)n+dNTP(dNMP)n+1+PPi,二、DNA复制的酶学,（一）解螺旋酶helicase：可以将DNA双链解开成为单链。大肠杆菌中发现的解螺旋酶为DnaB。,（二）DNA拓扑异构酶DNA topoisomerase：通过切断并连接DNA双链中的一股或双股，改变DNA分子拓扑构象，避免DNA分子打结、缠绕、连环，在复制的全程中都起作用。类型：拓扑异构酶I和拓扑异构酶II。拓扑异构酶I能切断DNA双链中一股并再连接断端，反应不需ATP供能；拓扑异构酶II能使DNA双链同时发生断裂和再连接，需ATP供能。,（三）DNA单链结合蛋白 single chain binding protein-SSB：可以维持模板的单链状态并保护模板不受核酸酶的降解。随着DNA双链的不断解开，SSB能不断的与之结合、解离。,（四）引物酶primase：是一种RNA聚合酶，在复制的起始点处以DNA为模板，催化合成一小段互补的RNA。引物酶能直接在单链DNA模板上催化游离的NTP合成一小段RNA，并由这一小段RNA引物提供3-OH，经DNA聚合酶催化链的延伸。,（五）DNA聚合酶 全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependent DNA polymerase)简称：DNA-pol 活性：53 的聚合活性 53核酸外切酶活性 35核酸外切酶活性,3 5外切酶活性,5 3外切酶活性,?,能切除突变的 DNA片段。,能辨认错配的碱基对，并将其水解。,1.原核生物的DNA聚合酶,功能：对复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空隙进行填补。,DNA-pol（109kD）,323个氨基酸,小片段,5 核酸外切酶活性,大片段/Klenow 片段,604个氨基酸,DNA聚合酶活性 5 核酸外切酶活性,N 端,C 端,DNA-pol,Klenow片段是实验室合成DNA，进行分子生物学研究中常用的工具酶。,DNA-pol（120kD）,DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活。它参与DNA损伤的应急状态修复。,功能是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。,DNA-pol(250kD),2.真核生物的DNA聚合酶DNA-pol 起始引发，有引物酶活性DNA-pol 参与低保真度的复制 DNA-pol 在线粒体DNA复制中起催化作用DNA-pol 延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性DNA-pol 校读、修复和填补缺口,（六）DNA连接酶 DNA ligase 连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。,HO,5,3,3,5,DNA连接酶,ATP,ADP,5,3,5,3,三、DNA复制的保真性,（一）酶学依据：1.核酸外切酶活性和校读；2.复制的保真性和碱基选择（二）机制：1.遵守严格的碱基配对规律；2.聚合酶在复制延长中对碱基的选择功能；3.复制出错时有即时的校读功能,DNA生物合成过程,第三节,一、原核生物DNA生物合成,（一）起始阶段 1.辨认起始点，形成单链：2.合成引发体：3.合成引物：,E.coli复制起始点 oriC,Dna A,Dna B、Dna C,DNA拓扑异构酶,引物酶,SSB,3,5,3,5,引发体和引物,含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。,3,5,3,5,引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。,引物,引物酶,（二）延长阶段复制的延长指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。,领头链的合成,随从链的合成,目 录,目 录,复制过程简图,（三）终止阶段 原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制片段在复制的终止点(ter)处汇合。,随从链上不连续性片段的连接,二、真核生物DNA生物合成,（一）DNA的复制只发生在S期（二）多复制子（三）真核细胞含有5种DNA聚合酶（四）端粒复制 染色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物，去除后留下空隙。,目 录,5,3,3,5,5,3,3,5,+,5,3,3,3,3,5,5,1.端粒telemer：指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。2.结构特点：（1）由末端单链DNA序列和蛋白质构成。（2）末端DNA序列是多次重复的富含G、C碱基的短序列。,3.功能：（1）维持染色体的稳定性（2）维持DNA复制的完整性 4.端粒酶：由RNA和蛋白质组成（1）RNA发挥模板作用（2）蛋白质发挥逆转录酶活性,端粒酶的催化延长作用,爬行模型,DNA聚合酶复制子链,进一步加工,逆转录(reverse transcription),第四节,一、概念,逆转录指遗传信息从RNA流向DNA，是RNA指导下的DNA合成过程，即以RNA为模板，四种dNTP为原料，合成与RNA互补的DNA单链。,二、逆转录酶(reverse transcriptase),催化逆转录过程的酶称逆转录酶，RNA病毒中都含有此酶。具有三种酶活性：RNA指导的DNA聚合酶 RNA酶 DNA指导的DNA聚合酶,三、合成过程,分子生物学研究可应用逆转录酶，作为获取基因工程目的基因的重要方法之一，此法称为cDNA法。,以mRNA为模板，经逆转录合成的与mRNA碱基序列互补的DNA链。,试管内合成cDNA,cDNA complementary DNA,DNA损伤与修复,第五节,一、突变的意义,（一）突变是进化、分化的分子基础（二）突变导致基因型改变（三）突变导致死亡（四）突变是某些疾病的发病基础,二、引发突变的因素,（一）物理因素：紫外线(ultra violet,UV)、各种辐射,（二）化学因素：,三、突变的分子改变类型,（一）错配(mismatch)DNA分子上的碱基错配称点突变(point mutation)。1.转换：发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。2.颠换：发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。,镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)亚基,正常成人Hb(HbA)亚基,（二）缺失(deletion)、插入(insertion)1.缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失。2.插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到DNA大分子中间。3.缺失或插入都可导致框移(frame-shift)突变。框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。,缺失引起框移突变,（三）重组(recombination)DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。,目 录,四、DNA损伤的修复,（一）光修复(light repairing),（二）切除修复(excision repairing)是细胞内最重要和有效的修复机制，主要由DNA-pol和连接酶完成。,E.coli的切除修复机制,（三）重组修复(recombination repairing),（四）SOS修复当DNA损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出一系列复杂的反应。在E.coli，各种与修复有关的基因，组成一个称为调节子(regulon)的网络式调控系统。这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差。通过SOS修复，复制如能继续，细胞是可存活的。然而DNA保留的错误较多，导致较广泛、长期的突变。,