DNA的生物合成（复制）课件.ppt

1、DNA分子结构分子结构53353 , 5 磷酸磷酸二酯键二酯键1.复制的基本规律（半保留复制）复制的基本规律（半保留复制）2.复制过程中的酶复制过程中的酶3.逆转录概念和逆转录酶逆转录概念和逆转录酶DNADNARNARNA蛋白质蛋白质RNARNA复制复制复制复制转录转录逆转录逆转录翻译翻译RNARNADNADNA蛋白质蛋白质翻译翻译 复制复制是指以亲代是指以亲代DNA为模板合成子链为模板合成子链DNA的过程。的过程。AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTG

2、GTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+亲代亲代DNA 复制叉复制叉子代子代DNA 第一节第一节 DNA的复制基本规律和酶学的复制基本规律和酶学复制的方式复制的方式半保留复制半保留复制固定起始点固定起始点双向复制（新合成链有方向性）双向复制（新合成链有方向性）半不连续复制半不连续复制高保真复制高保真复制基本规律基本规律(一一)半保留复制半保留复制子链继承母链遗传信息的几种可能方式子链继承母链遗传信息的几种可能方式AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCAT

3、GACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+亲代亲代DNA 复制叉复制叉子代子代DNA 全保留式全保留式 半保留式半保留式 混合式混合式密度梯度实验密度梯度实验 含重氮含重氮-DNA的细菌的细菌培养于普培养于普通培养液通培养液 第一代第一代继续培养于继续培养于普通培养液普通培养液 第二代第二代梯度离心结果梯度离心结果半保留复制的实验依据和意义半保留复制的实验依据和意义 全保留式全保留式 半保留式半保留式 混合式混合式第一代第一代第一代第一代第一代第一代第二代第二代第二代第二代第二代第二代原核生物

4、原核生物A. 环状双链环状双链DNA及及 复制起始点复制起始点B. 复制中的两个复制叉复制中的两个复制叉C. 复制接近终止点复制接近终止点oriterA B C(二二)固定起始点固定起始点 复制是从具有特异碱基序列的复制起始点开始。复制是从具有特异碱基序列的复制起始点开始。原核生物原核生物(一个起始点一个起始点)，真核生物，真核生物(多个起始点多个起始点)。E.coli复制起始点复制起始点 oriC 串联重复序列串联重复序列 反向重复序列反向重复序列5 3 5 3 OT（三）双向复制（三）双向复制真核生物真核生物DNA是线性（染色体），有是线性（染色体），有多个复制起始点。多个复制起始点。复制

5、子复制子 从一个从一个DNA复制起始点开始的复制起始点开始的DNA复制区域复制区域称为称为复制子。复制子。新链的生成有方向性新链的生成有方向性5 35533OHRNA5533(四四)复制的半不连续性复制的半不连续性3 5 3 5 解链方向解链方向3 5 3 3 5 领头链领头链随从链随从链 顺解链方向生成的子顺解链方向生成的子链，复制为连续进行，链，复制为连续进行，称为称为领头链领头链。 另一股链复制方向另一股链复制方向与解链方向相反，不能与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，顺着解链方向连续延长，称为称为随从链随从链。 复制中不连续片段称为复制中不连续片段称为岡岡崎片段崎片段。DNA-p

6、ol的核酸外切酶活性和及时校读的核酸外切酶活性和及时校读DNA-pol外切活性外切活性聚合活性聚合活性AGA:CGB:5/3/5/3/无活性无活性(五五) 高保真复制高保真复制DNA复制保真性依赖三种机制复制保真性依赖三种机制 a) 遵守严格的碱基配对规律。遵守严格的碱基配对规律。b) 聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能。聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能。c) 复制出错时复制出错时DNA-pol的及时校读功能。的及时校读功能。A C T T G A DNA复制的体系复制的体系 (一一) 底物底物 dATP, dGTP, dCTP, dTTP。(二二) 模板模板 解开成单链的解开成单链的DNA

7、母链。母链。(三三) 引物引物 提供提供3 -OH末端使末端使dNTP可以依次聚合可以依次聚合的的RNA(DNA)片断。片断。(五五) 酶和蛋白因子酶和蛋白因子1.DNA聚合酶聚合酶 全称为全称为依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase)，简称简称DNA-pol。(四四) 能量能量5533OHRNA5533DNA-pol(1)活性：活性：53 的聚合活性的聚合活性dATP, dGTP, dCTP, dTTP大肠杆菌大肠杆菌E.coli中的三种中的三种DNA聚合酶聚合酶分类分类DNA聚合酶聚合酶IDNA聚合酶聚合酶IIDNA聚合酶聚合酶II

8、I分子量分子量(kD)109120900聚合速率聚合速率(核苷酸核苷酸/分分)1 00060 0005 3聚合酶活性聚合酶活性+3 5外切酶活性外切酶活性+5 3外切酶活性外切酶活性+生物学功能生物学功能切除引物切除引物填补空缺填补空缺DNA损伤修复损伤修复延长子链延长子链校读作用校读作用校读作用校读作用(2)原核生物的原核生物的DNA聚合酶聚合酶DNA-pol DNA-pol DNA-pol 53 的聚合酶活性的聚合酶活性；3 5 外切酶活性：外切酶活性：能辨认错配的碱基对，并将其水解能辨认错配的碱基对，并将其水解 5 3 外切酶活性外切酶活性: 能切除引物和延长冈崎片段能切除引物和延长冈崎

9、片段5 A G C T T C A G G A T A 3 | | | | | | | | | | |3 T C G A A G T C C T A G C G A C 5 ?3 5 5RNA5 53 3dATP, dGTP, dCTP, dTTP3 3DNA-pol I5 3 外切酶活性外切酶活性: 能切除引物和延长冈崎片段能切除引物和延长冈崎片段53 的聚合酶活性；的聚合酶活性；DNA-pol DNA-pol (120kD) DNA-pol II对模板的特异性不高，它参与对模板的特异性不高，它参与DNA损伤的应急状态修复。损伤的应急状态修复。 功能：功能：是原核生是原核生物复制延长中真正物

10、复制延长中真正起催化作用的酶。起催化作用的酶。 DNA-pol (250kD)(3)真核生物的真核生物的DNA聚合酶聚合酶填补引物填补引物空隙，切空隙，切除修复，除修复，重组重组延长子延长子链的主链的主要酶，要酶，解螺旋解螺旋酶活性酶活性线粒体线粒体DNA 复复制制起始引起始引发，引发，引物酶活物酶活性性功能功能+-3 5 高高高高高高？中中5 3 聚合活性聚合活性25.512.514.04.016.5分子量（分子量（ kD ）DNA -pol填补引物填补引物空隙，切空隙，切除修复，除修复，重组重组延长子延长子链的主链的主要酶，要酶，解螺旋解螺旋酶活性酶活性线粒体线粒体DNA 复复制制起始引起

11、始引发，引发，引物酶活物酶活性性+-3 5 外切外切 酶活性酶活性高高高高高高？中中5 3 聚合活性聚合活性25.512.514.04.016.5分子量（分子量（ kD ）DNA -pol参与参与损伤损伤与修与修复复生物学生物学(1)解链酶解链酶 利用利用ATP供能，打开氢键，使供能，打开氢键，使DNA双链双链解开成为两条单链。解开成为两条单链。(2)引物酶引物酶 复制起始时催化生成复制起始时催化生成RNA引物的酶。引物的酶。(3)单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白(single strand DNA binding protein, SSB) 在复制中维持模板处于单链状态在复制中维持模板处

12、于单链状态并保护单链的完整。并保护单链的完整。 2.其他酶与蛋白因子其他酶与蛋白因子稳定已解开的单链稳定已解开的单链单链单链 DNA 结合蛋白结合蛋白SSB催化催化RNA引物生成引物生成引物酶引物酶DnaG (dnaG)运送和协同运送和协同 DnaBDnaC (dnaC)解开解开DNA双链双链解螺旋酶解螺旋酶DnaB (dnaB)辨认起始点辨认起始点DnaA (dnaA)蛋白因子蛋白因子通用名通用名功能功能(4)DNA拓扑异构酶拓扑异构酶 指理顺指理顺DNA链，改变超螺旋状链，改变超螺旋状态的酶。态的酶。 拓扑异构酶拓扑异构酶 切断切断DNA双链中双链中一股一股链，使链，使DNA解链旋转不致打

13、结；适当时候封闭切口，解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，DNA变为松弛状态变为松弛状态。反应反应不需不需ATP。DNA拓扑异构酶拓扑异构酶 分为分为I型和型和II型。型。 拓扑异构酶拓扑异构酶 切断切断DNA分子分子两股两股链，断端通链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。利用过切口旋转使超螺旋松弛。利用ATP供能连接断端，供能连接断端， DNA分子缓解超螺旋状态。分子缓解超螺旋状态。(5)DNA连接酶连接酶(DNA ligase) 连接连接DNA链链3 -OH末端和相邻末端和相邻DNA链链5 -P末端，使二者生成末端，使二者生成磷酸二磷酸二酯键酯键，从而把两段相邻的，从而把两段相邻的DNA链连接

14、成一条完整链连接成一条完整的链。的链。3POO-O-OHO5POO-O-O335DNA连接酶连接酶ATPADP5353535即即 DNA解链解链 辨认起始点辨认起始点 RNA引物的生成引物的生成 DNA领头链与随从链的生成领头链与随从链的生成 RNA引物水解引物水解,冈崎片段延长。冈崎片段延长。 完整完整DNA分子的形成分子的形成5 3 3 5 Dna A5 3 3 5 Dna B、 Dna C复制起始区复制起始区稳定已解开的单链稳定已解开的单链单链单链DNA结合蛋白结合蛋白SSB催化催化RNA引物生成引物生成引物酶引物酶DnaG (dnaG)运送和协同运送和协同DnaBDnaC (dnaC)

15、解开解开DNA双链双链解链酶解链酶DnaB (dnaB)辨认起始点辨认起始点DnaA (dnaA)蛋白因子蛋白因子通用名通用名功能功能 辨认起始点辨认起始点5 3 3 5 Dna B Dna C引物引物酶酶DNA拓扑异构酶拓扑异构酶含有解螺旋酶、含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和蛋白、引物酶和DNA复复制起始区域的复合结构称为制起始区域的复合结构称为引发体引发体。 SSB引发体引发体 DNA解链解链3 5 3 5 引物是由引物酶催化合成的短链引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。分子。 引物引物3 HO5引物引物酶酶 RNA引物的生成引物的生成 5 35dATPdGTPdTTPdCTPdT

16、TPdGTPdATPdCTPOH 33DNA-pol复制的延长指在复制的延长指在DNA-pol催化下，催化下，dNTP以以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，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。其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。 DNA领头链与随从链的生成领头链与随从链的生成复制的半不连续性复制的半不连续性3 5 3 5 解链方向解链方向3 5 3 3 5 领头链领头链随从链随从链复复 制制 延延 长长 动动 画画53 353 3 RNA引物水解，冈崎片段延长引物水解，冈崎片段延长 完整完整DNA分子的形成分子的形成原核生物原核生物DNADNA真核生物

17、真核生物DNADNA随从链上不连续性片段的连接随从链上不连续性片段的连接5 5 OH5 5 I5 5 DNA连接酶连接酶 ADP+PiATP53 353 3原核生物原核生物DNADNA真核生物真核生物DNADNA35 5复复制制简简图图拓扑异构酶拓扑异构酶引物酶引物酶E.coli 的的Topo功能功能是将复制产生的两个是将复制产生的两个子染色体从连环体中子染色体从连环体中分离出来，催化连环分离出来，催化连环和去连环过程和去连环过程 。真核生物真核生物DNA复制复制1. 端粒端粒(telomere)指真核生物染色体线性指真核生物染色体线性DNA分子末分子末端的结构。端的结构。形态学上，染色体形态

18、学上，染色体DNA末端膨大成粒末端膨大成粒状，这是因为状，这是因为DNA和它的结合蛋白紧密结合，象和它的结合蛋白紧密结合，象两顶帽子那样盖在染色体两端。两顶帽子那样盖在染色体两端。TTTTGGGGTTTTGGGG 端粒与端粒酶端粒与端粒酶3.功能功能维持染色体的稳定性。维持染色体的稳定性。维持维持DNA复制的完整性。复制的完整性。2. 结构特点结构特点由末端单链由末端单链DNA序列和蛋白质构成。序列和蛋白质构成。末端序列是多重复富含末端序列是多重复富含G、T的短序列。的短序列。4. 端粒酶端粒酶(telomerase)端粒酶端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR)端

19、粒酶协同蛋白端粒酶协同蛋白(human telomerase associatedprotein 1, hTP1)端粒酶逆转录酶端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase, hTRT) 5.端粒酶催化作用的爬行模型端粒酶催化作用的爬行模型 真核真核DNA复制后，两个复制后，两个5末端的引物被切除，缺口末端的引物被切除，缺口无法填补，故无法填补，故DNA将面临多次复制而逐渐缩短的问题。将面临多次复制而逐渐缩短的问题。 09生理学或医学奖得主布莱克本（左）和格雷德生理学或医学奖得主布莱克本（左）和格雷德 09生理学或医学奖得主绍斯塔克生理学或医学奖

20、得主绍斯塔克 这三人在端粒和端粒酶保这三人在端粒和端粒酶保护染色体的机理上取得重大护染色体的机理上取得重大的成果。的成果。突变突变(Mutation)是指是指DNA分子中碱基序列分子中碱基序列的改变，又称为的改变，又称为DNA损伤损伤(DNA damage)。意义意义突变是进化、分化的分子基础突变是进化、分化的分子基础突变导致基因型改变突变导致基因型改变突变导致死亡突变导致死亡突变是某些疾病的发病基础突变是某些疾病的发病基础一、引发突变的因素一、引发突变的因素1.物理因素物理因素 紫外线紫外线(ultra violet, UV)、各种辐射、各种辐射(一一)自发因素自发因素(二二)诱发因素诱发因

21、素复制过程中发生的突变，复制过程中发生的突变，可发生可发生10-16频率的突变。频率的突变。 PRRNNHOOCH3NNHOOCH3PRRNNHOOCH3NNHOOCH3UV嘧啶二聚体嘧啶二聚体2. 化学因素化学因素3. 生物因素生物因素如逆转录病毒等。如逆转录病毒等。碱基类似物：碱基类似物：5-FU、6-MP等等 脱氨剂：亚硝酸盐、亚硝酸铵类等脱氨剂：亚硝酸盐、亚硝酸铵类等 烷化剂：如氮芥类等烷化剂：如氮芥类等 抗生素及其类似物：阿霉素等抗生素及其类似物：阿霉素等吖啶类：溴乙锭等吖啶类：溴乙锭等DNA加合剂加合剂(三三)突变的类型突变的类型错配错配缺失缺失 插入插入 重排重排框移框移DNA分

22、子上的碱基错配称分子上的碱基错配称点突变点突变(point mutation)。(1) 转换转换:发生在同型碱基之间，即嘌呤代替发生在同型碱基之间，即嘌呤代替 另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。 (2) 颠换颠换:发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧 啶或嘧啶变嘌呤。啶或嘧啶变嘌呤。1.错配错配 (mismatch)2.重排重排(rearrangement)DNA分子内较大片段的交换，称为重分子内较大片段的交换，称为重组或重排。组或重排。 3.缺失缺失(deletion)、插入、插入(insertion)和框移和框移(frame-shift)

23、(1)缺失：一个碱基或一段核苷酸链从缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大大分子上消失。分子上消失。(2)插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到链插入到DNA大分子中间。大分子中间。(3)缺失或插入都可导致缺失或插入都可导致框移突变框移突变 。谷谷 酪酪 蛋蛋 丝丝5 G C A G U A C A U G U C 丙丙 缬缬 组组 缬缬正常正常5 G A G U A C A U G U C 缺失缺失C 框移突变框移突变是是指三联体密码的阅读方式改变，造成蛋指三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。白质氨基酸排列顺序发生改变。 二、

24、二、DNA损伤的修复损伤的修复 修复修复(repairing) ：是对已发生分子改变是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复原有的天然状态。的补偿措施，使其回复原有的天然状态。光修复光修复(light repairing)切除修复切除修复(excision repairing)重组修复重组修复(recombination repairing)SOS修复修复 类型类型PRRNNHOOCH3NNHOOCH3PRRNNHOOCH3NNHOOCH3(一一)光修复光修复光修复酶光修复酶(photolyase) UV(二二)切除修复切除修复是细胞内最重要和有是细胞内最重要和有效的修复机制，主要由效的修复机制

25、，主要由DNA-pol和连接酶完成。和连接酶完成。UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶聚合酶OHPDNA连接酶连接酶ATPE.coli的切除的切除修复机制修复机制(三三)重组修复重组修复(四四)SOS修复修复1.当当DNA损伤难以复制时，而诱发出一系列复杂损伤难以复制时，而诱发出一系列复杂的反应。的反应。2.在在E. coli，各种与修复有关的基因，组成一个称，各种与修复有关的基因，组成一个称为为调节子调节子(regulon)的网络式调控系统。的网络式调控系统。3.这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差。通过差。通过SOS修复，复制如能继续，细

26、胞可存修复，复制如能继续，细胞可存活。但活。但DNA保留的错误较多，导致较广泛、长保留的错误较多，导致较广泛、长期的突变。期的突变。 逆转录逆转录酶酶逆转录与逆转录酶逆转录与逆转录酶RNA 模板模板逆转录酶逆转录酶DNA-RNA 杂杂化双链化双链逆转录酶逆转录酶c cDNA逆转录酶逆转录酶双链双链DNA逆转录现象逆转录现象1.逆转录现象发现于逆逆转录现象发现于逆转录病毒。转录病毒。2.cDNA是指以是指以RNA为为模板，经逆转录合成模板，经逆转录合成的与的与RNA碱基序列互碱基序列互补的补的DNA链。链。5 5 5 5 DNA连接酶连接酶 ADP+PiATPDNA-pol(109kD)小片段小

27、片段5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性大片段大片段/Klenow 片段片段 DNA聚合酶活性聚合酶活性 ， 5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性N 端端C 端端木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶DNA-pol Klenow片段是实验室合成片段是实验室合成DNA的常用工具酶。的常用工具酶。 功能功能: :对复制中的对复制中的错误进行校读，对复错误进行校读，对复制和修复中出现的空制和修复中出现的空隙进行填补。隙进行填补。5 5 5 RNA酶酶OHP5 DNA-poldNTP5 5 PATP ADP+Pi5 5 DNA连接酶连接酶随从链上不连续性片段的连接随从链上不连续性片段的连接领头链的合成领头链的合成1.领头链的延长领头链的延长领头链沿着领头链沿着5/ 3/方向可以连续的延长。方向可以连续的延长。2.随从链的延长随从链的延长