第十四章 DNA的生物合成(复制)2013课件.ppt
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1、人卫出版社生物化学与分子生物学 第八版 主要学习内容,1.蛋白质的结构与功能2.核酸的结构与功能3.酶,6.糖代谢7.脂类代谢8.生物氧化9.氨基酸代谢10.核苷酸代谢11.非营养物质代谢,生物分子结构与功能,物质代谢及其调节,基因信息的传递,第三篇,医学生物化学,2,人卫出版社生物化学与分子生物学 第八版 主要学习内容,第十四章 DNA的生物合成第十五章 DNA损伤与修复第十六章 RNA的生物合成第十七章 蛋白质的生物合成第十八章 基因表达调控第二十一章 DNA重组及重组DNA技术,第三篇 基因信息的传递,蛋白质的是生命活动的执行者,?基因!,龙生龙,凤生凤,老鼠天生会打洞。,5,概 述,核
2、 酸储存和传递遗传信息,蛋白质 构成生物体的基本组分 执行各种生理功能,6,中心法则(The Central Dogma),复 制,9,*DNA通过基因表达,决定蛋白质的结构、功能,*DNA通过复制,将基因信息代代相传,*RNA参与DNA遗传信息的表达,*RNA也可作为某些病毒遗传信息的载体,本 篇 主 要 内 容,蛋白质的生物合成(翻译,translation),DNA的生物合成(复制,replication),基因表达调控(control of gene expression),基因表达(gene expression),基因重组与基因工程(genetic recombination an
3、d engineering),11,RNA的生物合成(转录,transcription),DNA的生物合成(复制)DNA Biosynthesis(Replication),第 十四 章,12,第一节:DNA复制的基本特征第二节:DNA复制的酶学和拓扑学变化第三节:原核生物DNA复制过程第四节:真核生物DNA生物合成过程第五节:逆转录和其他复制方式,13,第 一 节DNA复制的基本特征 Basic Rules of DNA Replication,14,复制(replication)的概念:是指遗传物质的传代,以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。,15,分子基础:碱基配对规律和DNA双螺旋
4、结构,化学本质:酶促的单核苷酸聚合反应,半保留复制(semi-conservative replication)高保真性(high fidelity)双向复制(bidirectional replication)半不连续复制(semi-discontinuous replication),16,亲代 DNA,子代 DNA,?,17,一、半保留复制,18,DNA晶体衍射图片“照片51号”,设想:Watson和Crick在提出DNA双螺旋结构模型时推测,DNA在复制时首先两条链间的氢键断裂两条链分开,然后以每一条链分别做模板各自合成一条新的DNA链。这样新合成的子代DNA分子中一条链来自亲代DNA
5、,另一条链是新合成的,这种复制方式为半保留复制。,子链继承母链遗传信息的几种可能方式,20,密度梯度实验:,含重氮N15-DNA的细菌,梯度离心结果,N15,N14-DNA,N15,N14-DNAN14,N14-DNA,21,123,123,123,20min,20min,N-14:14,N-15:15,N-15:14,N-14:14,半保留复制概念:,DNA生物合成时,母链DNA解开为两股单链,各自作为模板(template),按碱基配对规律,合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA,一股单链从亲代完整地接受过来,另一股单链则完全从新合成。两个子细胞的DNA都和亲代 DNA 碱基序列一致。这种
6、复制方式称为半保留复制。,25,亲代 DNA,New!,一股单链从亲代完整地接受过来另一股单链则完全从新合成两个子代 DNA 和亲代 DNA 碱基序列一致,半保留复制:,子代 DNA,高保真性,26,遗传的保守性,是物种稳定性的分子基础,但不是绝对的!,半保留复制的意义:,按半保留复制方式,子代DNA 与亲代 DNA 的碱基序列一致,即子代保留了亲代的全部遗传信息,体现了遗传的保守性。,27,专家谈确定曹操DNA经过:曾花3月时间研究古牙(图),32,遗传的保守性,是物种稳定性的分子基础,但不是绝对的!,二、复制的方向性,双向复制 原核或真核生物的基因组复制时,DNA从起始点(origin)开
7、始,同时向两个方向解链,形成两个延伸方向相反的复制叉,称为双向复制(bidirectional replication)。,33,复制时 DNA 双链解开分成二股单链,新链沿着张开的二股单链生成,复制中形成的这种 Y 字形的结构就称为复制叉。,34,35,复制起始点(origin),复制时 DNA 双链解开分成二股单链。,36,复制示意图,原核生物:,单点双向复制,放射自显影图象,“”形,原核生物例如E.coli,是从固定的(唯一)复制起始点开始。,38,真核生物:,多点双向复制,真核生物的染色体庞大复杂,有多个复制起始点,同时进行多个DNA片段的复制。,复制子是独立完成复制的功能单位。从一个
8、DNA复制起始点开始的DNA复制区。习惯上将两个相邻起始点之间的距离定为一个复制子。,真核生物每个染色体有多个起始点,是多复制子的复制。,原核生物只有一个复制子,称为复制体。,39,复制示意图,原核生物:,单点双向复制,原核生物例如E.coli,是从固定的(唯一)复制起始点开始。,放射自显影图象,“”形,40,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),原核生物:,41,真核生物:,多点双向复制,真核生物的染色体庞大复杂,有多个复制起始点,同时进行多个DNA片段的复制。,42,概念:指 DNA 复制时,一条链连续合成,另一条链不连续
9、分段合成,最后连接成完整子链的合成方式。,三、复制的半不连续性,43,前导链(leading strand):顺着解链方向生成的子链,其复制是连续进行的,得到一条连续的子链,这股链称为前导链,又称领头链。,后随链(lagging strand):复制方向与解链方向相反,不能顺着解链方向连续延长,须等待解开足够长度的模板链后才能继续复制,即不连续复制,得到一条由 不连续片段 组成的子链,又称随从链。,44,领头链连续复制而随从链不连续复制,这就是复制的半不连续性。,45,46,第二节 DNA 复制的酶学和拓扑学变化The Enzymology of DNA Replication,47,参与DN
10、A复制的物质:,引物,模板(DNA母链),底物(dNTP),复制相关酶,48,DNA聚合酶解旋解链酶类引物酶和引发体DNA连接酶,指解开了的 DNA 母链单链。,严格的模板依赖性,即碱基配对。,(A=T、GC),49,四种脱氧单核苷酸:dNTP,dTTP,dCTP,dGTP,dATP,50,复制的化学反应:聚合反应,(dNMP)n+dNTP(dNMP)n+1+PPi,51,dNTP dNMP+PPi,52,53,DNA 新链生成需引物和模板;新链的延长只可沿 5 3 方向进行。,54,以 DNA 聚合酶 为主,包括其他酶和蛋白质因子。,55,复制的相关酶:,一、DNA 聚合酶,全称:依赖DNA
11、的DNA聚合酶(DNA-dependent DNA polymerase)简写:DNA-pol,56,dTTP,(dNMP)n+dNTP(dNMP)n+1+ppi,57,?,能切除突变的 DNA片段。,能辨认错配的碱基对,并将其水解(即时校读)。,58,(一)原核生物的 DNA 聚合酶:,59,其二级结构以-螺旋为主,分18 个螺旋区段。螺旋之 间以无规卷曲相连,H 和 I 间无规结构最长(50个氨基 酸残基);具有聚合作用,但只能延长 20个核苷酸左右,故并非真 正的复制酶!,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。,60,Arthur Kornberg 1918-2
12、007,323 个氨基酸,5 核酸外切酶活性,604 个氨基酸,DNA 聚合酶活性 5 核酸外切酶活性,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。,61,DNA-pol II 基因发生突变,细菌依然能存活。具体作用尚不十分清楚。参与DNA损伤的应急状态修复,控制复制的 保真性。,62,功能:是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶!,由至少10 种亚基组成的不对 称二聚体,一侧合成领头链,另一侧合成随从链。,、亚基组成核心酶,具有聚合及3-5外切酶活性;2 个亚基夹住模板链并使酶 沿之滑动;其余亚基统称复合物。,63,原核生物 DNA-pol 的组
13、成,64,大肠杆菌三种DNA聚合酶的特性,65,(二)真核生物的 DNA 聚合酶:,起始引发,有引物酶活性。,延长子链的主要酶,有解螺旋酶活性。,在没有其他 DNA-pol 时才发挥催化作用,参与低保真度的复制。,在复制过程中起校读、修复和填补缺口作用。,在线粒体DNA复制中起催化作用。,66,67,真核生物的 DNA 聚合酶,DNA 复制的保真性至少要依赖三种机制:,二、复制保真性的酶学依据,68,DNA-pol 通过对不同碱基构型的亲和力不同而 实现碱基选择作用。,嘌呤能形成顺式和反式的化学构型,形成氢键 时嘌呤应处于反式构型;,DNA-pol 靠其大分子结构协调非共价键(氢键)与共价键(
14、磷酸二酯键)的有序形成;,69,A:DNA-pol 的外切酶活性切 除错配碱基;并用其聚合活 性掺入正确配对的底物。,70,B:碱基配对正确时,DNA-pol 不表现外切酶活性。,三、复制中的分子解链及 DNA 分子拓扑学变化,DNA 分子的碱基埋在双螺旋内部,只有把 DNA 解成单链,它才能发挥模板作用。,71,原核生物复制起始的相关蛋白质,72,又称 DnaB 蛋白/复制蛋白/rep 蛋白,(一)解螺旋酶(helicase),利用 ATP 供能,作用于氢键,使 DNA 双链解开成为两条单链。,73,又称 螺旋反稳定蛋白,(二)单链结合蛋白(single stranded binding p
15、rotein,SSB),在复制中维持模板处于单链状态并保护模板单链的完整性。,74,75,76,解链过程中,DNA 分子会过度拧紧,产生打结、缠绕、连环等现象,必须改变 DNA 分子的构象,理顺 DNA 链,复制才能顺利进行。,77,(三)DNA 拓扑异构酶(DNA topoisomerase),拓扑酶,“拓扑”指物体或图像作弹性移位而 保持其原有的性质。,78,作用特点:,分 类:,既能水解、又能连接磷酸二酯键,79,(三)DNA 拓扑异构酶(DNA topoisomerase),拓扑酶,拓朴酶的作用机制:,80,(四)引物酶(primase),即 DnaG 蛋白/依赖 DNA 的 RNA
16、聚合酶,复制起始时催化生成 RNA 引物的酶。在模板的复制起始部位催化 NTP 的聚合,形成短片段的 RNA。这一小段 RNA 作为复制的引物(primer),提供 3-OH 末端,使 DNA-pol 能够催化 dNTP 聚合。,81,*引物酶(primase)与RNA-pol异同,依赖DNA的RNA聚合酶,引物酶与其他和复制有关的蛋白质形成的复合物。,83,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单链。反应需要消耗 ATP。,四、DNA 连接酶(DNA ligase),84,DNA 连接酶(DNA
17、ligase)只能连接碱基互补双链中的单链缺口,不能连接单独存在的DNA单链。,DNA 连接酶的作用机制:,85,DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。也是基因工程的重要工具酶之一。,DNA 连接酶的功能:,86,参与DNA复制的酶与蛋白因子总览图,87,DNA 复制中能催化生成磷酸二酯键的酶有哪些呢?,DNA 拓扑异构酶DNA 聚合酶DNA 连接酶,88,本次课重点,1.掌握概念:半保留复制、半不连续复制、冈崎片段、前导连、后随链、复制子(叉)2.掌握复制的基本特征3.掌握真核与原核DNA聚合酶的分类和功能,参与DNA复制的物质:,90,复制的
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