第十章 dna、rna的生物合成 课件.ppt
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1、核酸的合成,分子生物学(分子遗传学)中心法则,反映了从DNARNA蛋白质的遗传信息主流,揭示了生物体内遗传信息的贮存、传递和表达的规律。,转录,RNA,翻译,蛋白质,DNA,RNA(病毒),复制,复制,翻译,蛋白质(病毒),反转录,第一节 DNA的生物合成,DNADNA DNA复制,RNADNA 反转录,两种方式,复制:以亲代DNA或RNA为模板,根据碱基配对的原则,在一系列酶的作用下,生成与亲代相同的子代DNA或RNA的过程。,一、DNA的复制,复制的方式,DNA的半保留复制,一、DNA的半保留复制,2.半保留复制的实验证据:,1.定义:,1958年Meselson和Stahl用同位素15N
2、标记大肠杆菌DNA,首先证明了DNA的半保留复制。,以亲代DNA双链为模板以碱基互补方式合成子代DNA,这样新形成的子代DNA中,一条链来自亲代DNA,而另一条链则是新合成的,这种复制方式叫半保留复制。,第十二章 DNA复制与修复,DNA半保留复制,DNA的复制的方式-,1958,Messelson and Stahl实验证实,细菌的DNA双链,(蓝线的代表含15N),含15N-DNA的细菌,DNA半保留复制的证据,第一代,故可排除混合式复制方式,排除全保留式,细菌的DNA双链,(蓝线的代表含15N),(红线的代表含14N),含15N-DNA的细菌,DNA半保留复制的证据,排除混合式,Why?
3、,DNA的半保留复制的生物学意义:,DNA在代谢上的稳定性并非指DNA是一种惰性物质。,DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性,是保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代必要措施。,必须具备的基本条件,模板:母链DNA 原料:dNTP(包括dATP、dGTP、dCTP、dTTP)酶和蛋白质因子:引物:一小段RNA 能量(ATP)及某些无机离子,参与DNA复制的酶类与蛋白质因子及其主要作用,1.拓扑异构酶(topoisomerase,Topo),无ATP时:作用相当于Topo,但切割的是双链DNA某一部位(断双链)。有ATP时:使带断口、松弛状的DNA分子旋紧转变成负超螺旋结构,再连接断端。,不
4、需耗能(ATP),切割(断)双链DNA中的一链,松解螺旋,封闭切口。又称切割封口酶。,Topo 的作用,Topo(又称旋转酶)的作用,拓扑异 构酶II+ATP,拓扑异 构酶I,DNA的松弛状态与超螺旋,2.解链酶(又称解螺旋酶或螺旋酶,helicase),作用:断裂互补碱基间的氢键,使DNA双链分离形成“复制叉”。,3.单链DNA结合蛋白(DNA结合蛋白)(single stranded DNA-binding protein,SSB),作用:防止重新形成双 链和防止单链模板被核酸酶水解,维持DNA单链状态和完整性,4.引物酶(Primase),RNA的合成:需引物酶,它是一种特殊的RNA聚合
5、酶。,DNA不能从无有合成,需在一小段RNA基础上合成DNA,5.DNA聚合酶(DNA polymerase,DNA pol)即依赖于DNA的DNA聚合酶(DDDP),原核生物(E.coli)迄今已知只有3种:DNA pol、DNA pol、DNA pol。真核生物 亦发现有多种DDDP:DDDP、。其性质与功能,原料:四种脱氧核苷三磷酸(dATP、dGTP dCTP dTTP)需要模板:以DNA为模板链,合成子代DNA,模板可以是双链,也可以是单链DNA。合成产物与模板互补。需要引物:一小段RNA(或DNA)为引物,在大肠杆 菌中,DNA的合成需要一段RNA链作为引物,引物含3-OH.合成方
6、向:5 3,(一)DNA聚合酶:1956年Kornberg等在大肠杆菌中首先发现DNA聚合酶,其后发现该酶在许多生物中广泛存在。该酶的催化性质如下:,大肠杆菌中DNA聚合酶某些性质 DNA聚合酶 性 质-酶分子/细胞 400 40 20 酶分子量(kd)109 90 140 5 3 聚合功能 有 有 有 5 3 外切酶活性 有 有 无 3 5 外切酶活性 有 有 有 聚合核苷酸数/分钟/分子(37)1000 50 15000 主要功能 修复等 修复作用 复制,表13-2 真核细胞中DNA聚合酶的性质 DNA聚合酶 性质-分布 细胞核 细胞核 线粒体 细胞核 细胞核 分子量(kd)250 36-
7、38 160-300 170 256 3 5外切酶活性 无 无 有 有 有 5 3聚合作用 有 有 有 有 有 主要功能 复制 损伤修复 复制 复制 复制,损伤修复(随从链)(领头链),DDDP 53聚合作用示意图,DDDP 的 53外切及35外切作用示意图,35外切,5 3外切,5,3,C,A,3,6.DNA连接酶(DNA Ligase),作用:在有模板指导的条件下,催化2个DNA片段(两片段间的距离为1个3,5-磷酸二酯键的键长)的连接。原理:在一个DNA片段的3-OH末端和另一个DNA片段的5-P末端形成3,5-磷酸二酯键,从而实现连接。特点:原核细胞:需辅助因子NAD+真核细胞:不需辅
8、助因子NAD+,但需耗能(ATP),表13-4 参与DNA复制的酶及蛋白质 酶或蛋白质 主要作用 拓扑异构酶类 克服解链时打结及缠绕、松驰或引 进负超螺旋 解链酶类 解开DNA双链 单链DNA结合蛋白 维持已解开单链DNA的稳定 引物酶 合成RNA引物 DNA聚合酶 DNA复制 DNA聚合酶 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,(五)、参与DNA复制的酶与蛋白因子总览图,DNA的复制过程 复制的起始 链的延长 复制的终止,复制的起始,1.在拓扑异构酶、解链酶及单链DNA 结合蛋白的共同作用下,DNA解旋、解链,形成复制叉。2.依赖于单链模板,由引物酶催化
9、按碱基配对规律合成一小段RNA引物(原核细胞引物长50-100个碱基,真核约10个碱基)。,DNA的复制过程:(以大肠杆菌为例),复制的终止:,复制的起始1、起始复合物的形成:称为引发2、RNA引物的合成,链的延伸:,复制起始阶段的特点,真核细胞:具有多个 起始位点,原核细胞:仅有一个复制起始位点,但往往是双向复制,链的延长,引物合成后,由DNA pol(真核细胞为DNA聚合酶或)催化,在引物3-OH末端逐一添加与模板链对应互补的脱氧核苷磷酸,使新合成的链不断延长。前导链:链的延长方向(5 3)与解链方向(复制叉移动方向)相同,为连续合成。随从链:链的延长方向(53)与解链方向(复制叉移动方向
10、)相反,为不连续合成。分段合成的DNA片段,最初被命名为冈崎片段,III,三、DNA复制的半不连续性,前导链,滞后链,冈崎片段,前导链:以3 5 方向的亲代链为模板连续合成的子代链。,滞后链:以5 3方向的亲代链为模板的子代链先逆复制叉移动方向合成冈崎片段,再连接成滞后链。,DNA链的延伸,在DNA聚合酶的催化下,以四种5-脱氧核苷三磷酸为底物,在RNA引物的3端以磷酸二酯键连接上脱氧核糖核苷酸并释放出焦磷酸。DNA链的延伸同时进行前导链和滞后链的合成。两条链方向相反。,前导链 滞后链 冈崎片段 半不连续复制,冈崎模型,复制的终止,1.水解引物及填补空隙 冈崎片段合成后,由DNA pol(真核
11、细胞可能是DNA聚合酶)水解去除RNA引物,并填补留下的空隙(5 3)聚合。2.完整双链DNA分子的形成 填补空隙后,DNA片段与片段之间还有一个缺口(一个3,5-磷酸二酯键的长度),由DNA连接酶催化连接成完整的链,从而产生完整的双链DNA分子。,DNA复制的精确性(高保真复制),1、碱基的配对规律:摸板链与新生链之间的碱基配对保证碱基配错几率约为1/1041/105。2、DNA聚合酶的35外切酶活性的校对功能,使碱基的错配几率又降低1001000倍。3、DNA的损伤修复系统。,DNA复制必须具有高度精确性,在大肠杆菌的细胞DNA复制中其错误率约为1/1091/1010,即每1091010个
12、核苷酸才出现一个错误,也就是大肠杆菌染色体DNA复制100010000次才出现一个核苷酸的错误。这么高的精确性的保证主要与下列因素有关:,二、反转录(reverse transcription),概念 以RNA为模板,dNTP为原料,反转录酶催化,按碱基配对规律合成DNA的过程。反转录酶,又称为依赖RNA的DNA聚合酶(RNA-dependent DNA polymerase,RDDP),DNA,RNA,RNA(病毒),病毒RNA,RNA-DNA 杂化分子,cDNA,前病毒(双链DNA),酶催化反应示意图,反向转录酶存在于所有致癌RNA病毒中,其功能可能与病毒的恶性转化作用有关;,但它也存在于
13、某些正常细胞中,在细胞分化与胚胎发生中可能起某些作用。,反转录病毒和反转录酶的发现,提出了一个重要的医学问题病毒致癌及癌基因,反转录的医学意义,反转录的医学意义,癌基因(oncogene):能在体外引起细胞恶性转化,在体内诱发肿瘤的基因.,细胞癌基因(c-onc)或原癌基因(pro-onc):存在于生物正常细胞基因组中的癌基因.正常情况下基因处于静止或低表达的状态.当受到致癌刺激被活化并发生异常时则可发生细胞癌变.,病毒癌基因(v-onc):存在于致瘤病毒中的能使靶细胞发生恶性转化的基因.,用三个小写字母表示癌基因名称,如myc,fos,ras,src等,抑癌基因:是一类抑制细胞过度生长,增殖
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