第10章 DNA的生物合成课件.ppt
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1、第10章 DNA的生物合成DNA Biosynthesis(Replication),核酸(nucleic acid)是含有磷酸基团的重要生物大分子,因最初从细胞核分离获得,又具有酸性,故称为核酸。,什么是核酸?,核酸的种类、分布及功能,90%以上分布于细胞核功能:遗传信息的贮存和携带者,分布于胞核、胞液,(deoxyribonucleic acid),(ribonucleic acid),脱氧核糖核酸:DNA,核糖核酸:RNA,参与遗传信息的表达各过程,Oswald Avery(1877-1955),R型细菌:无毒型肺炎球菌S型细菌:有毒型肺炎球菌,肺炎球菌转化实验,DNA是遗传的物质基础,
2、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,嘌呤(purine),碱基(bases),嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine,C),尿嘧啶(uracil,U),胸腺嘧啶(thymine,T),戊 糖,构成核苷酸的戊糖有两种,DNA分子中含有-D-2脱氧核糖,RNA分子中的戊糖为-D-核糖。,DNA双螺旋结构要点,DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成。磷酸基和脱氧核糖在外側,形成DNA的骨架。双螺旋直径2nm,顺轴方向每隔0.34nm有一个核苷酸,螺旋一圈螺距3.4nm,一圈10对碱基。,两条链由碱基间的氢键相连。AT,GC,染色体,本章主要内容,复制的基本规律 DNA复制
3、的酶学和拓扑学变化 复制的过程 逆转录和其他复制方式 DNA损伤(突变)与修复,本章目的要求,掌握:遗传信息传递的中心法则、复制的基本过程、复制的基本规律、半保留复制、半不连续复制、反转录、参与复制的酶及其功能、DNA聚合酶的三种活性。熟悉:端粒酶的概念与功能、DNA损伤的类型及其修复方式。,以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。,复制(replication)的概念,第一节 复制的基本规律Basic Rules of DNA Replication,一、半保留复制(semi-conservative)二、双向复制(bidirectional)三、半不连续复制(semi-discontinu
4、ous),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。这种复制方式称为半保留复制。,1、半保留复制的概念:,一、半保留复制是DNA复制的基本特征,DNA复制,解旋:在解旋酶作用下,把两条螺旋双链解开。形成子链:以解开的每段链为模板,按照碱基互补配对原则,合成与母链互补的子链。螺旋化:在酶的作用下,重新生成两个双螺旋结构的DNA分子。,2、子链继承母链遗传信息的可能方式,全保留式 半保留式 混合式,如果DNA是以半保留的方式复制的,那么离心后应该出现三种
5、DNA带:,科学家推测:,3、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,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。,遗传的保守性,是物种稳定性的分子基础,但不是绝对的。,4、半保留复制的意义,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。,二、DNA复制从起始点向两个方向延伸形成双向复制,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),真核生物每个染色体有多
6、个起始点,是多复制子的复制。习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一个复制子(replicon)。复制子是独立完成复制的功能单位。,人Hela细胞DNA复制电镜照片,三、DNA一股子链复制的方向与解链方向相反导致半不连续复制,领头链,随从链,复制叉的形成,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(leading strand)。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(lagging strand)。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。,第二节 DNA
7、复制酶学和拓扑学,The Enzymology and Topology of DNA Replication,参与DNA复制的物质,底物(substrate):dATP,dGTP,dCTP,dTTP;聚合酶(polymerase):依赖DNA的DNA聚合酶,简写为 DNA-pol;模板(template):解开成单链的DNA母链;引物(primer):提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合;其他的酶和蛋白质因子。,一、核苷酸和核苷酸之间生成磷酸二酯键是复制的基本化学反应,(dNMP)n+dNTP(dNMP)n+1+PPi,聚合反应的特点:,DNA 新链生成需引物和模板;新链的延长只可沿5 3
8、方向进行。,是多功能酶,具三种酶活性:,二、DNA聚合酶催化核苷酸之间聚合,1、53 的聚合活性;2、35 核酸外切酶活性;3、53 核酸外切酶活性;,全称:依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependent DNA polymerase),3 5外切酶活性:,5 3外切酶活性:切除引物。,?,能辨认错配的碱基对,并将其水解。具即时校对功能(instant proofreading),核酸外切酶活性,DNA-pol DNA-pol DNA-pol,(一)原核生物DNA聚合酶分为三型,(1)原核生物的DNA聚合酶,DNA-pol(109 kD),功能:对复制中的错误进行校读,对复制和修复中出现
9、的空隙进行填补。,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,常用工具酶,DNA-pol(120 kD),DNA-pol II基因发生突变,细菌依然存活。DNA-pol II对模板的特异性不高,即使在已发生损伤的DNA模板上,它也能催化核苷酸聚合。因此认为,它参与DNA损伤的应急状态修复。,DNA-pol(250 kD),是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。,(二)常见的真核细胞DNA聚合酶,三、核酸外切酶的校读活性和碱基选择功能是复制保真性的酶学依据,复制按照碱基配对规律进行
10、,是遗传信息能准确传代的基本原理。此外还需酶学的机制来保证复制的保真性。,(一)核酸外切酶辨认切除错配碱基,核酸外切酶(exonuclease)是指能从核酸链的末端把核苷酸依次水解出来的酶,外切酶是有方向性的。,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。B:碱基配对正确,DNA-pol不表现活性。,DNA pol 的校读功能,(二)复制的保真性依赖正确的碱基选择,DNA聚合酶靠其大分子结构协调非共价(氢键)与共价(磷酸二酯键)键的有序形成。嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型,与相应的嘧啶形成氢键配对,嘌呤应处于反式构型。,遵守严格的碱基配对规律;聚合酶在复制
11、延长时对碱基的选择功能;复制出错时DNA-pol的及时校读功能。,DNA复制保真性至少依赖三种机制,四、复制中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,它才能起模板作用。,(一)多种酶参与DNA解链和稳定单链状态,解螺旋酶,E.Coli 基因图,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。引物酶(primase)复制起始时催化生成RNA引物的酶,不同于催化转录的RNA-pol。单链DNA结合蛋白(single stranded DNA binding protein,SSB)在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完
12、整。,(二)DNA拓扑异构酶改变DNA超螺旋状态,复制过程正超螺旋的形成:,解链过程中正超螺旋的形成,既能水解、又能连接磷酸二酯键。,拓扑异构酶 拓扑异构酶,拓扑异构酶分类:,拓扑异构酶作用特点:,拓扑异构酶,切断DNA双链中一股链,使DNA解链旋转不致打结;适当时候封闭切口,DNA变为松弛状态。反应不需ATP。,拓扑异构酶,切断DNA分子两股链,断端通过切口旋转使超螺旋松弛。利用ATP供能,连接断端,DNA分子进入负超螺旋状态。,作用机制,拓扑酶的作用方式,DNA解链过程需要的酶,五、DNA连接酶连接DNA单链缺口,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
13、把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。,DNA连接酶(DNA ligase)作用方式:,DNA连接酶的作用,DNA聚合酶,拓扑酶和连接酶催化3,5-磷酸二酯键生成的比较,起始initiation延伸elongation终止termination,第三节 DNA生物合成过程The Process of DNA Replication,(一)复制起始:DNA解链形成引发体,一、原核生物的DNA生物合成,E.coli复制起始点 oriC,1、DNA解链,复制起点的结构特征:DNA在复制时,需在特定的位点起始,这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段,即复制起始点(复制子)。,Dna A,Dna B、D
14、na C,DNA拓扑异构酶,引物酶,SSB,3,5,3,5,2、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。,RNA引物的大小,通常为110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。,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,DNA双螺旋的解旋,单链,解螺旋酶(),(二)复制的延长过程:领头链连续复制,随从链不连续复制,复制的延长指在DNA-pol催化下,dNTP以dNMP的方式逐个加入引物后或延长中的子链上,其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。,OH 3,3,领头链的合成,领头链的子链沿着53方向
15、可以连续地延长。,随从链的合成,复制过程简图,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。,(三)复制终止:切除引物、填补空缺、连接切口,随从链上不连续性片段的连接:,哺乳动物的细胞周期,DNA合成期,G1,G2,S,M,二、真核生物的DNA生物合成,S期:DNA复制G1,G2期:RNA和蛋白质合成M期:分裂期,真核生物每个染色体有多个起始点,是多复制子复制。复制有时序性,即复制子以分组方式激活而不是同步起动。复制的起始需要DNA-pol(引物酶活性)和pol(解螺旋酶活性)参与。还需拓扑酶和复制因子(replication factor,RF)。,(一)复制的
16、起始,增殖细胞核抗原(proliferation cell nuclear antigen,PCNA)在复制起始和延长中起关键作用。(类似DNA pol)细胞能否分裂,决定于进入S期及M期。G1S及G2M的调节,与蛋白激酶活性有关。相关激酶具有调节亚基和催化亚基(属于酶的哪种调节方式?)蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而实施调控作用。(属于酶的哪种调节方式?),复制起始的调节,(二)复制的延长,染色体DNA呈线状,复制在末端停止。复制中岡崎片段的连接,复制子之间的连接。染色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物,去除后留下空隙。,(三)复制的终止,?,DNA缠绕成的染色体末端,有称做端
17、粒(telomere)的区域。控制着细胞的分裂次数,端粒随着细胞分裂每次变短,短到某个程度,细胞将不再分裂。人的一生中,细胞大约能分裂5060次。因此端粒是控制生理寿命的生物钟,而端粒长短就成为表示细胞“年龄”的指标。如果加入一种“端粒酶”阻止它缩短,就可使细胞保持年轻,人就像吃了“唐僧肉”一样实现长生不老的梦想。,端粒(telomere),指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。,端粒的功能:,维持染色体的稳定性维持DNA复制的完整性,端粒的结构特点,由末端单链DNA序列和蛋白质构成。多次重复的富含G、T碱基的短序列。,TTTTGGGGTTTTGGGG,DNA聚合酶复制子链,进一步加工,端
18、粒酶催化作用的爬行模型,第四节 逆转录和其他复制方式Reverse Transcription,双链DNA是大多数生物的遗传物质。某些病毒的遗传物质是RNA。少数低等生物如M13噬菌体,它的感染型只含单链DNA。原核生物的质粒,真核生物的线粒体DNA,都是染色体外存在的DNA。这些非染色体基因组,采用特殊的方式进行复制。,逆转录酶,一、逆转录病毒的基因组是RNA,其复制方式是逆转录,RNA,DNA,逆转录(reverse transcription);逆转录酶(reverse transcriptase)。,逆转录病毒细胞内的逆转录现象:,RNA病毒在细胞内复制成双链DNA的前病毒(provi
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