【教学课件】第三篇基因信息的传递.ppt

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1、第三篇 基因信息的传递,DNA,DNA,mRNA,蛋白质,复制,转录,翻译,逆转录,复制,以DNA为模板，指导DNA合成的过程,酶：DNA指导的DNA聚合酶（DDDP）,原料:dNTP,基因遗传,基因表达,转录,以DNA为模板，指导RNA合成的过程,酶：DNA指导的RNA聚合酶（DDRP）,原料：NTP,遗传信息传递的中心法则,第十章 DNA的生物合成（复制）,教学要求:掌握生物信息传递中DNA合成的基本过程，包括复制体系、酶、复制起始、延伸、终止以及逆转录的过程，了解DNA损伤与修复。,复制,第十章 DNA的生物合成（复制）,第一节 复制的基本规律第二节 DNA复制的酶学和拓朴学变化第三节

2、DNA生物合成过程第四节 逆转录和其他复制方式第五节 DNA损伤（突变）与修复小结,复制（replication）：以亲代DNA为模板，合成出完全相同的子代DNA的过程。,第一节1,一、半保留复制的实验依据和意义,第一节 复制的基本规律,半保留复制：复制生成的子代DNA中，一条链来自亲代，另一条为新合成。这种子代DNA分子中总是保留一条链来自亲代DNA的复制称为半保留复制。,第一节2,一、半保留复制的实验依据和意义,AGAACT,TCTTGA,AGAACT,TCTTGA,TCTTGA,AGAACT,亲代DNA,子代DNA,第一节 复制的基本规律,原核生物从一个固定的起始点开始，同时向两个方向进

3、行复制，称为双向复制。,二、双向复制,第一节 复制的基本规律,第一节1,二、双向复制,真核细胞染色体比较复杂，可能有多个复制起点，同时形成多个复制单位,第一节 复制的基本规律,第一节1,三、复制的半不连续性,第一节 复制的基本规律,第二节1,DNA复制所需条件：1、底物：四种dNTP 2、依赖DNA的聚合酶(DNA-pol)3、模板 4、引物 5、其它酶和蛋白质因子,第二节 DNA复制的酶学和拓朴学变化,第二节2,一、复制的化学反应二、DNA聚合酶（DNA-pol）三、复制保真性的酶学依据四、复制中解链和DNA分子拓扑学变化五、DNA连接酶,第二节 DNA复制的酶学和拓朴学变化,复制的化学反应

4、,一、复制的化学反应,第二节 DNA复制的酶学和拓朴学变化,5 3 聚合活性,一、复制的化学反应,核苷酸链,磷酸二酯键,核苷酸连接成的核酸（片段）,第二节2,二、DNA聚合酶（DNA-pol）原核生物的DNA聚合酶 真核生物的DNA聚合酶,第二节 DNA复制的酶学和拓朴学变化,原核DNA聚合酶,原核生物的DNA聚合酶,DNA-pol I、DNA-pol II、DNA-pol III个数比=400：40：20/细胞。,DNA-pol I：只能催化延长约20个核苷酸左右，不是真正催化复制延长的酶，主要是进行校读，填补空隙。,DNA-pol II：只在无pol I 及pol III时起作用。,DNA

5、-pol III：复制延长中真正催化新链核苷酸聚合的酶。比活性比pol I 大10倍以上，每分钟能催化对达105个核苷酸的聚合。,第二节 DNA复制的酶学和拓朴学变化,DNA聚合酶III,核心酶兼有核苷酸的聚合和核酸链的35外切酶活性。,亚基起着夹住模板链并使酶沿模板链滑动的作用,DNA聚合酶III,第二节 DNA复制的酶学和拓朴学变化,真核生物聚合酶,有DNA-pol、5种。,真核生物的DNA聚合酶,DNA-pol 和在复制延长中起作用，DNA-pol 延长领头链，而pol 延长随从链。,DNA-pol 在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。,DNA-pol 在没有其它DNA-pol时才

6、发挥作用。,DNA-pol 在线粒体内起作用。,第二节 DNA复制的酶学和拓朴学变化,第二节2,三、复制保真性的酶学依据 核酸外切酶活性和校读 复制的保真性和碱基选择,第二节 DNA复制的酶学和拓朴学变化,原核生物DDDP,DNA聚合酶主要功能 聚合作用：填充后随链中冈崎片段之间的间隙；53外切酶活性切除引物或损伤部分；35外切酶活性有“校对”作用。,三、复制保真性的酶学依据,第二节 DNA复制的酶学和拓朴学变化,DNA-pol II也有这三种作用。,DNA聚合酶是复制时起主要作用的酶同时也有35核酸外切酶活性，保证DNA复制的真实性。,35外切酶活性 53外切酶活性,核酸外切酶活性和校读,D

7、NA聚合酶I校读,核酸外切酶活性和校读,第二节 DNA复制的酶学和拓朴学变化,复制的保真性,复制的保真性和碱基选择,至少依赖三种机制：1、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。,第二节 DNA复制的酶学和拓朴学变化,解螺旋酶,四、复制中的解链和DNA分子拓朴学变化,第二节 DNA复制的酶学和拓朴学变化,解螺旋酶、引物酶和 单链DNA结合蛋白 DNA拓扑异构酶,解螺旋酶,解螺旋酶在复制中的解链作用,DnaB蛋白,第二节 DNA复制的酶学和拓朴学变化,解螺旋酶 领头链 rep蛋白 Dna B 随从链 解链酶,DNA拓扑异构酶(解旋酶）既能水解，

8、又能连接磷酸二酯键拓扑酶 切断DNA双链中的一股拓扑酶 切断DNA双链 单链DNA结合蛋白（SSB）维持模板处于单链状态保护单链的完整,引物酶,引物酶在DNA复制中的作用,复制起始时引物酶与解螺旋酶（DnaB蛋白）共同起作用。,DnaB蛋白DnaA蛋白(辨认起始点)DnaC蛋白(辅助解螺旋酶解链),引发体的下游解开双链，再由引物酶催化引物的合成。,第二节 DNA复制的酶学和拓朴学变化,引发体（primosome）,复合体,引物酶,模板DNA,单链结合蛋白,单链DNA结合蛋白在复制中的作用,第二节 DNA复制的酶学和拓朴学变化,拓扑异构酶,拓扑异构酶在复制中的解螺旋作用,拓扑异构酶I：切断DNA

9、双链中的一股，使DNA解链旋转不打结，适当时候又把切口封闭，使DNA变为松弛状态。反应不需ATP。拓扑异构酶II：在无ATP时，切断处于超螺旋状态的DNA分子双链某一部位，断端通过切口使超螺旋松弛；在有ATP时，断端在拓扑酶催化下恢复连接松弛状态的DNA又进入负超螺旋状态。,拓扑酶对DNA分子的作用是既能水解，又能连接磷酸二酯键。,第二节 DNA复制的酶学和拓朴学变化,DNA连接酶,五、DNA连接酶在复制中的作用,第二节 DNA复制的酶学和拓朴学变化,三种酶催化磷酸二酯键比较,三种酶催化生成磷酸二酯键的比较,提供核糖3-OH 提供5-P 结果DNA聚合酶 引物或延长 游离dNTP（dNMP）n

10、+1 中的新链 去PPi连接酶 复制中不连续 不连续连续链 的两条单链拓扑酶 切断、整理后 改变拓扑状态 的两链,第二节 DNA复制的酶学和拓朴学变化,第三节,第三节 DNA 生物合成过程,一、复制的起始 DNA解链 引发体和引物二、复制的延长 复制延长的生化过程 复制的半不连续性和冈崎片段 滚环复制三、复制的终止 原核生物复制终止及不连续片段连接 真核生物的端粒和端粒酶,原核,DNA解成单链,双向复制,复制叉,复制子,DNA解成单链,第三节 DNA 生物合成过程,双向复制,原核生物DNA的双向复制,第三节 DNA 生物合成过程,复制子,复制子,第三节 DNA 生物合成过程,复制起始点,复制起

11、始点,第三节 DNA 生物合成过程,E.coli复制起始点oriC跨度为245bp，包含有三组串联重复序列和两对反向重复序列,引发体和引物复制中引物-短链RNA引物酶 5到3合成RNA引物（约10bp）引物酶进入，加上解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶（DnaG蛋白）和DNA的起始复制区域形成引发体。DNA聚合酶 由其亚单位辨认引物，新链的第一个脱氧核苷酸与引物的3-OH形成磷酸二酯键，开始复制拓扑异构酶 松弛螺旋。,引发体的生成1,引发体的生成,第三节 DNA 生物合成过程,引发体的生成2,引发体的生成,第三节 DNA 生物合成过程,引发体的生成3,引发体的生成,第三节 DNA 生物合成过程,参

12、与复制起始的蛋白质,参与复制起始的各种蛋白质,名 称 功 能DnaA蛋白 辨认起始点解螺旋酶（DnaB蛋白，解开DNA双链 rep蛋白）DnaC蛋白 协助解螺旋酶引物酶（DnaG蛋白）催化RNA引物生成SSB 稳定解开的单链拓扑异构酶 理顺DNA链oriC（245bp的DNA组分）E.coli的复制起始点,第三节 DNA 生物合成过程,复制延长,3AAGACCTATT5,5TTCTGGATAA3,复制的延长,随从链,前导链,冈崎片段,第三节 DNA 生物合成过程,复制的延长原核生物为pol 真核生物为DNA 聚合酶和，其中与随从链的合成有关，与领头链的合成有关复制延长的生化过程原核 生物复制延

13、长的速度很快，真核生物复制有多个复制起点，复制的半不连续性和冈崎片段领头链是连续合成的，而随从链则是不连续合成冈崎片段 DNA复制过程中出现一些不连续片段,第三节 DNA 生物合成过程,复制的延长,同一复制叉上，领头链与随从链的延长不同步，但由同一DNA聚合酶催化。,RNA引物取代,复制的终止,第三节 DNA 生物合成过程,原核生物复制终止及不连续片段连接复制有终止点领头链是不间断延长的，随从链是 生成一个个的冈崎片段，最后连接成一条完整的DNA链。pol 5 3外切酶活性水解引物pol聚合活性填补空隙DNA连接酶连接缺口。,RNA引物取代,复制的终止,第三节 DNA 生物合成过程,真核生物的

14、端粒和端粒酶端粒(telomere)是真核生物染色体线性DNA分子末端的结构 富含GC的重复序列人：(TTAGGG)n端粒酶(telomerase)RNA-蛋白质复合物 既有模板，又有逆转录酶以自身的RNA为模板延长DNA单链，然后反折为双链,爬行模式端粒酶与生物体的衰老、肿瘤的发生有关,第三节 DNA 生物合成过程,端粒,端粒和端粒酶,第三节 DNA 生物合成过程,爬行模式,复制过程中各酶和蛋白质因子的作用,复制的过程,模板 DNA 先解链解旋,引物酶作用，以NTP为原料合成RNA引物,dNTP存在下由DNA聚合酶催化，在RNA引物基础上合成DNA新链,DNA 聚合酶外切作用切除引物,(空缺

15、部位再由该酶发挥填补作用),DNA 连接酶连接冈崎片段形成完整的DNA 分子,(解链酶、解旋酶和单链结合蛋白）,（引物酶、NTP）,（DNA聚合酶、dNTP）,（DNA 聚合酶、dNTP）,（DNA 连接酶）,参与的物质,第五节,第四节 逆转录和其他复制方式,逆转录：以RNA分子为模板合成DNA分子的过程。,逆转录酶：以单链RNA为模板合成DNA的酶。此酶有三种活性（作用）：（1）它能以（+）RNA为模板，反向转录出（）DNA，形成异质双链。（2）它能水解异质双链中的RNA，起到RNA水解酶的作用。（3）它能以（）DNA为模板合成（+）DNA，产生一个双链的DNA分子。,逆转录过程,逆转录过程

16、,第四节 逆转录和其他复制方式,反转录流程,转录,逆转录酶活性：以RNA为模板催化DNA合成；水解杂化双链的RNA 以DNA为模板催化DNA的合成,反转录流程,逆转录特点：从RNADNA的反向转录过程；DNA中间产物必须结合到宿主细胞染色体中。（大部分逆转录病毒都会引起肿瘤）,三、滚环复制和D环复制,滚环复制低等生物如质粒，复制时采用滚环复制。环状DNA双链一股先开一个缺口，5端向外伸展，两股链均直接作为模板，无需另外合成引物。,三、滚环复制和D环复制,滚环复制,三、滚环复制和D环复制,第四节,第五节 DNA损伤或突变与修复,突变（mutation）：一些物理化学因子使DNA分子上一个或多个脱

17、氧核糖核苷酸的构成、复制或表型功能的异常变化，这种现象也称为DNA损伤（DNA damage）。,一、突变的意义二、引发突变的因素三、突变的分子改变类型四、DNA损伤的修复,突变的意义,一、突变的意义,（一）突变是进化、分化的分子基础（二）只有基因型改变的突变（三）致死性的突变（四）突变是某些疾病的发病基础,第五节 DNA损伤或突变与修复,引发突变的因素,二、引发突变的因素,1、物理因素：2、化学因素：,第五节 DNA损伤或突变与修复,诱变因素及突变类型,突变类型,三、突变的分子改变类型,（一）错配（点突变）（二）缺失、插入和框移（三）重排,第五节 DNA损伤或突变与修复,镰性细胞病发病机理图

18、,不间隔性,密码子的不间隔性：在mRNA分子上两个相邻的密码子之间没有任何核苷酸的间隔，即正确翻译时，必须从某一特定的起点开始，连续地一个密码子挨着一个密码子“阅读翻译”下去，直到终止密码子。,5-AUGCUACACGCUCUAUACUAG-3,一般相邻密码子中的核苷酸不能重复使用。如果在mRNA分子中插入或减去某一个核苷酸，就会使这一核苷酸以后的“阅读”发生错误，合成多肽链中所代表的氨基酸也不一样，称之为移码突变。,5-AUGCUACCACGCUCUAUACUAG-3,5-AUGCUAACGCUCUAUACUAG-3,损伤修复,四、DNA损伤的修复,光修复 切除修复 重组修复 SOS修复,第五节 DNA损伤或突变与修复,光修复 紫外光照射可使相邻的两个T 形成二聚体 光修复酶可使二聚体解聚为单体状态，DNA完全恢复正常。光修复酶的激活需300-600m波长的光。,切除修复参与的酶有 核酸内切酶，pol,DNA连接酶,切除修复,重组修复重组蛋白RecA，pol，连接酶参与 损伤会保留下去,重组修复,小结,中心法则及其补充复制（replication）逆转录半保留复制领头链 随从链 冈崎片段复制原料、模板、酶、产物复制基本过程DNA损伤与修复,复习思考题,结束,Class is over Thank you!,