《生化教研室》PPT课件.ppt
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1、生化教研室 肖建英,第四章,DNA的复制、突变、损伤与修复,第一节DNA的复制第二节基因突变第三节DNA的修复系统,主要学习内容,复制(replication)是指遗传物质的传代,以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。,第一节 DNA的复制,半保留复制(semi-conservative replication)复制的高保真性(high fidelity)双向复制(bidirectional replication)半不连续复制(semi-discontinuous replication),一、DNA复制的一般特征,概念:DNA生物合成时,母链DNA解开为两股单链,各自作为模板(templ
2、ate)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。这种复制方式称为半保留复制。,1、半保留复制(semi-conservative replication),(一)半保留复制、复制子、复制叉、双向复制,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。,半保留复制的意义,遗传的保守性,是物种稳定性的分子基础,但不是绝对的。,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,A
3、GGTACTGCCACTGG,TCCATGACGGTGACC,CCACTGG,GGTGACC,AGGTACTG,TCCATGAC,TCCATGAC,AGGTACTG,AGGTACTGCCACTGG,TCCATGACGGTGACC,AGGTACTGCCACTGG,TCCATGACGGTGACC,+,母链DNA,复制过程中形成的复制叉,子代DNA,复制的基本规律,2、复制起点(origin of replication,ori 或 O),DNA复制时总是从一个特定的位置开始,这一位置称为复制起点。多数是富含A T配对的区域。,富含A T配对的区域经常处于开发与闭合的动态平衡之中,称为DNA的呼吸作
4、用。,4、复制叉(replication fork),真核生物每个染色体上形成多个复制子。,大多数原核和真核生物复制时,DNA都是从固定起始点开始向两个方向解链,形成两个延伸方向相反的复制叉,称为双向复制。,5、复制方向,(1)双向复制(bidirectional replication),(2)单向复制 从特定的位置开始,单方向进行复制。,(3)不对称的双向复制,6、复制终点,(1)环状DNA复制终点固定的复制终点(2)线状DNA复制终点形成一个大分子 串联体(多联体)。如噬菌体病毒。,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),
5、(二)DNA复制的酶系,1、使DNA链解离的酶,解旋酶 单链DNA结合蛋白 DNA旋转酶(拓扑异构酶),(1)解螺旋酶(helicase)(DnaB 蛋白):利用ATP供能,作用于氢键,使DNA双链解开成为两条单链(2)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整 E.Coli中的SSB 以四聚体形式存在,与DNA结合具有协同作用。,DNA复制的酶学,(3)DNA拓扑异构酶(DNA topoisomerase),DNA复制的酶学,解链过程中正超螺旋的形成,拓扑异构酶作用特点既能水解、又能连接磷酸
6、二酯键,拓扑异构酶 拓扑异构酶 拓扑异构酶 拓扑异构酶,分 类,DNA复制的酶学,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。,拓扑异构酶作用机制,DNA复制的酶学,2、DNA聚合酶,全称:依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependent DNA polymerase)简称:DNA-pol,(1)原核细胞中的DNA聚合酶,DNA-pol DNA-pol DNA-pol,功能:对复制中的错误进行校读,对
7、复制和修复中出现的空隙进行填补,切除引物。,DNA-pol(109kD),53 聚合活性,35外切活性53外切活性,DNApol 利用35外切活性切除错配的碱基,同时利用53聚合活性补回正确的核苷酸,这种功能称为即时校读(proof read)。,DNApol 的53外切酶作用可以与其聚合作用同时发生,产生缺口平移(nick translation)、链的置换及模板转辙现象。,DNApol的即时校读功能,5,5,5,5,5,5,5,5,5,3,3,3,3,3,3,带有切刻的双链,切口平移,链的置换,链置换,模板转辙,323个氨基酸,小片段,5 核酸外切酶活性,大片段/Klenow 片段,604
8、个氨基酸,53聚合活性 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(900kD),DNApol 分子量为900KD,全酶由10种(、)22个亚基构成不对称二聚体;核心酶包含、亚基;亚基分别催化领头链与随从链的合成;亚基有35外切酶活性及对碱基的选择功能,亚基为装配所必需;亚基起着夹住模板又能使酶延模板滑动的作用。,DNA-pol DNA-p
9、ol DNA-pol分子数/细胞 400?20比活性 低于pol?比pol大10倍以上分子量(kD)109 120 900分子组成 单一肽链,有A至R?10种、22个亚基 共18-螺旋肽段 不对称二聚体53聚合活性 53外切活性 35外切活性 基因突变后致死性 可能 不可能 可能功 能 校读 不清楚 在复制延长中 填补空隙 修复合成 催化新链合成 切除引物,原核生物的三种DNA聚合酶比较,(2)真核细胞中的DNA聚合酶,DNA-pol,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。,参与低保真度的复制。,在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。,在线粒体DNA复制中起催化作用。
10、,DNA-pol,DNA-pol,DNA-pol,DNA-pol,真核生物的DNA聚合酶比较,3、DNA连接酶,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。,DNA连接酶(DNA ligase)作用方式,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,领头链(leading strand),随从链(lagging strand),半不连续性复制,(三)DNA的复制过程,顺着解链方向生成的子链,复制是连续进行的,这股链称为前导链(领头链
11、)。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后滞链(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。,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,二、原核生物的DNA复制,(一)复制的起始(二)复制的延长(三)
12、复制的终止,复制过程:,需要解决两个问题:,1.DNA解开成单链,提供模板。,2.合成引物,提供3-OH末端。,(一)大肠杆菌基因组复制的起始,原核生物的DNA复制,E.coli复制起始点 oriC,1.复制起始点,Dna A,Dna B、Dna C,DNA拓扑异构酶,引物酶,SSB,3,5,3,5,2.复制的引发形成引发体和引物,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,原核生物DNA复制的起始DNA拓扑异构酶在复制起始部位将DNA引入 负超螺旋。DnaA蛋白辨认、结合于起始位点,并促
13、使解链。DnaB与DnaC复合物进入,生成引发前体,然后 DnaB继续发挥解链的作用。SSB与解开的单链结合,稳定和保护单链。引物酶(DnaG)进入并与引发前体结合生成引发体(解螺旋酶、DnaC 蛋白、引物酶和DNA起始区)。引发体中的引物酶催化NTP聚合,生成引物。DNA拓扑异构酶(型为主)在解链前方理顺DNA 链,松弛正超螺旋。,(二)复制的延长,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。,原核生物的DNA生物合成,OH 3,3,复制的化学反应,(dNMP)n+dNTP(dNMP)n+1+PPi,聚合反应的特
14、点,以亲代DNA单链为模板DNA 新链生成需引物;遵循碱基配对规律(A=T,GC)dNTP为原料5 3方向延长,领头链的合成,随从链的合成,复制的延长,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)大肠杆菌基因组复制的终止,(一)真核细胞DNA复制的起始点,三、真核生物的DNA复制,1、猴病毒SV40 的复制起始点,SV40基因组为5kb,双链环状DNA。只有一个复制原点,包括几个必要的元件:四个5-GAGGC-3序列,是大T抗原结 合位点。一个15bp的回文结构,最早解链区域。一个只有A-T组成的17bp区域,促进解链。,2、酵母的复制起始点自主复制序列
15、,11bp。,真核生物染色体有多个起始点,是多复制子复制。1、解链复制的起始需要:DNA-pol(引物酶活性);DNA-pol(解螺旋酶活性);拓扑酶;单链DNA结合蛋白 复制蛋白(replication protein A,RPA)。,(二)真核细胞DNA复制的过程,3,5,5,3,领头链,3,5,3,5,亲代DNA,随从链,引物,核小体,2、复制的延长需要:,DNA pol催化新链延长;增殖细胞核抗原(PCNA)提高DNA pol在模板上的行进能力。,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。,(
16、三)真核细胞DNA复制的终止,5,3,3,5,5,3,3,5,+,5,3,3,3,3,5,5,复制的终止,端粒(telomere):指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。,1、端粒的复制:,端粒酶(telomerase),端粒酶RNA(human telomerase RNA,hTR)端粒酶协同蛋白(human telomerase associated protein 1,hTP1)端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase,hTRT),组成,端粒酶的催化机制,爬行模型,DNA聚合酶复制子链,进一步加工,2、端粒酶与药物,(1)针对端粒酶
17、RNA或端粒酶逆转录酶的mRNA设计反义寡核苷酸药物 阻断端粒DNA的合成或端粒酶逆转录酶的表达。如:肽核酸(PNA)是一种非常有前途的药物。,肽核酸的用途:抗癌研究显著抑制永生化的肿瘤细胞 端粒酶活性;病原体检测的分子杂交、原位杂交、突变分析等;基因芯片的制备,是基因芯片的升级产品;定量PCR,实时检测PCR的扩增反应。,(2)核酶:直接作用于端粒酶RNA的锤头状核酶。,(3)逆转录酶抑制剂:如:3-叠氮胸苷,(4)其它:核苷类似物、端粒酶蛋白抗体等。,四、线粒体DNA的复制,(一)线粒体DNA结构,闭环双链DNA,一条重链,一条轻链。不同生物线粒体 基因组大小不同,人 16569bp。细胞
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