第章DNA的生物合成(PPT 精品)课件.ppt
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1、遗传信息的遗传信息的传递与表达传递与表达生物化学主要研究内容生物化学主要研究内容基因(基因(genegene):): 生物活性产物编码的最小的生物活性产物编码的最小的DNA功能片段功能片段。其产物为各种其产物为各种RNA或蛋白质。或蛋白质。基因组(基因组(genome)genome): 某一物种拥有的全部遗传物质,从分子意义某一物种拥有的全部遗传物质,从分子意义上说,是指全部上说,是指全部DNADNA序列。序列。基因表达(基因表达(gene expressiongene expression):): 指指DNADNA分子中的遗传信息通过转录和翻译合分子中的遗传信息通过转录和翻译合成出蛋白质的过
2、程。成出蛋白质的过程。中心法则(中心法则(the central dogma)第第 十四十四 章章 DNADNA的生物合成的生物合成导导 学学1. 掌握掌握DNA复制的复制的基本基本规律规律。2. 掌握参与掌握参与DNA复制的各种主要酶的功能。复制的各种主要酶的功能。3. 掌握掌握DNA生物合成的基本过程生物合成的基本过程。掌握端粒的概念、掌握端粒的概念、合成和意义。合成和意义。4. 掌握逆转录的概念。了解逆转录的应用。掌握逆转录的概念。了解逆转录的应用。5. 掌握掌握DNA损伤修复的类型及特点。了解损伤修复的类型及特点。了解DNA突变突变的类型。的类型。14.1 DNA14.1 DNA复制的
3、特征复制的特征14.2 DNA14.2 DNA复制的酶学复制的酶学14.3 DNA14.3 DNA复制的过程复制的过程14.4 14.4 端粒端粒DNADNA的合成的合成14.5 14.5 逆转录作用逆转录作用14.6 DNA14.6 DNA的损伤与修复的损伤与修复14.7 14.7 基因重组和克隆基因重组和克隆14.1 DNA14.1 DNA复制的特征复制的特征半保留复制半保留复制 (semi-conservative replication)(semi-conservative replication)双向复制双向复制 (bidirectional replication)(bidirec
4、tional replication)半不连续复制半不连续复制 (semi-discontinuous (semi-discontinuous replication) replication) 14.1.1 DNA14.1.1 DNA的半保留复制的半保留复制 全保留式全保留式 半保留式半保留式 混合式混合式 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半保留复制的实验证据:半保留复制的实验证据:MeselsonMeselson & Stahl, 1958& Stahl, 1958同位素同位素1 51 5N N标记放射标记放射CsClCsCl密度梯度离心实验。密度梯度离
5、心实验。首先验明了首先验明了DNADNA的半的半保留复制的假说。保留复制的假说。14.1.1 DNA14.1.1 DNA的半保留复制的半保留复制半保留复制半保留复制(semi-semi-conservative replicationconservative replication):): 复制时,每一条复制时,每一条DNADNA链在新链合链在新链合成中充当模板,按碱基配对方式形成中充当模板,按碱基配对方式形成两个新的成两个新的DNADNA分子,每个分子都含分子,每个分子都含有一条新链和一条旧链。有一条新链和一条旧链。新链新链旧链旧链14.1.1 DNA14.1.1 DNA的半保留复制的半保留
6、复制生物学意义:生物学意义:。14.1.1 DNA14.1.1 DNA的半保留复制的半保留复制复制叉(复制叉(replication forkreplication fork) 复制开始后由于复制开始后由于DNADNA双链解开,在两股单链上进行复制,形成双链解开,在两股单链上进行复制,形成的的Y Y字状结构字状结构。14.1.2 DNA14.1.2 DNA的双向复制的双向复制35535353复复制制方方向向双向复制双向复制双向复制验证试验双向复制验证试验单向复制单向复制第一次脉冲标记: 低放射性低放射性 (蓝色)第二次脉冲标记: 高放射性高放射性(红色内环)19631963年年CairnsCa
7、irns,3 3H H掺入放射自显影实验。掺入放射自显影实验。14.1.2 DNA14.1.2 DNA的双向复制的双向复制双向复制双向复制 DNADNA从从起始点起始点(origin)(origin)向两个方向解链,形成两个延伸方向两个方向解链,形成两个延伸方向相反的复制叉,称为向相反的复制叉,称为双向复制双向复制。14.1.2 DNA14.1.2 DNA的双向复制的双向复制原核生物双向复制原核生物双向复制 型复制型复制 只有一个复制起始点。只有一个复制起始点。14.1.2 DNA14.1.2 DNA的双向复制的双向复制复制子(复制子(replicon) 真核生物双向复制中两个起始点之间的真核
8、生物双向复制中两个起始点之间的DNADNA片段。片段。复制子是独立完成复制的功能单位。复制子是独立完成复制的功能单位。染色体染色体DNADNA有有多个复制起始点多个复制起始点。合成方向和速度合成方向和速度方向:方向: 新生新生DNADNA链的合成方向为:链的合成方向为:5353。速度:速度: 原核生物复制叉移动快(约原核生物复制叉移动快(约10105 5 bp/minbp/min) E.coli E.coli的的5 510106 6个碱基在个碱基在30min30min内可以完成一次复制。内可以完成一次复制。 真核生物复制叉移动慢(约真核生物复制叉移动慢(约5 510102 25 510103
9、3 bp/minbp/min) 人的人的3 310109 9个碱基在个碱基在8h8h内可以完成一次复制。内可以完成一次复制。 (0.8min0.8min可以复制一次人的可以复制一次人的5 510106 6个碱基)个碱基) 为什么不是为什么不是3535?为什么真核生物复制叉移为什么真核生物复制叉移动快却没有真核生物复制动快却没有真核生物复制效率高?效率高?14.1.2 DNA14.1.2 DNA的双向复制的双向复制14.1.2 DNA14.1.2 DNA的半不连续复制的半不连续复制DNADNA复制的几种可能方式复制的几种可能方式长片段长片段短时间短时间3 3H H掺入掺入长片段长片段+短片短片段
10、段短片段短片段 自显影自显影& & 提取提取DNADNA长片段长片段长片段长片段短片段短片段长时间长时间3 3H H掺入掺入OkazakiOkazaki,19681968DNADNA的半不连续复制的半不连续复制(semi-discontinuous replicationsemi-discontinuous replication):): 前导链(前导链( leading strand leading strand )的连续复制和)的连续复制和后随链(后随链( lagging strand lagging strand )的不连续复制方式。)的不连续复制方式。14.1.2 DNA14.1.2
11、DNA的半不连续复制的半不连续复制冈崎片段(冈崎片段(Okazaki fragmentOkazaki fragment):): 在不连续的后随链在不连续的后随链DNADNA合成中形成的合成中形成的DNADNA短片段。短片段。在原核生物有在原核生物有1000100020002000核苷酸,真核生物约核苷酸,真核生物约100100200200核苷酸。核苷酸。14.1.2 DNA14.1.2 DNA的半不连续复制的半不连续复制35533553前导链:连续复制前导链:连续复制冈崎片段冈崎片段复制叉复制叉复制叉复制叉后随链:不连续复制后随链:不连续复制3 55 314.1 DNA14.1 DNA复制的特
12、征复制的特征小结小结1 1、三种特征:半保留、双向、不连续性。、三种特征:半保留、双向、不连续性。 2 2、生物科学问题研究方式、生物科学问题研究方式 提出问题提出问题建立假说建立假说实验验证实验验证底物底物: : dNTPdNTP (A/G/C/T) (A/G/C/T) 聚合酶聚合酶: : 依赖依赖DNADNA的的DNADNA聚合酶聚合酶其他酶其他酶: : 拓扑异构酶、解螺旋酶、单链拓扑异构酶、解螺旋酶、单链DNADNA结合蛋白、连接酶。结合蛋白、连接酶。14.2 DNA14.2 DNA复制的酶学复制的酶学DNADNA复制的体系复制的体系模板模板: : 解开成单链的解开成单链的DNADNA母
13、链母链引物引物: : 提供提供3-OH3-OH末端的寡核苷酸末端的寡核苷酸DNADNA聚合酶(聚合酶(DNA polymeraseDNA polymerase,DNA-DNA-polpol): 以单链或双链以单链或双链DNA为模板,催化由脱氧核苷三磷酸合成为模板,催化由脱氧核苷三磷酸合成DNA的酶。的酶。活性:活性: 1. 53 的聚合活性的聚合活性 2. 核酸外切酶活性核酸外切酶活性种类:种类: 大肠杆菌:大肠杆菌:DNADNA聚合酶聚合酶、和和。 真核生物:真核生物:含有含有DNADNA聚合酶聚合酶 、 、和和。14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 14.2.1 DNA14
14、.2.1 DNA聚合酶聚合酶 聚合活性的化学反应聚合活性的化学反应Polymerase(dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 + PPi 聚合活性的作用特点聚合活性的作用特点 4 4种种dNTPdNTP底物(底物(A/G/C/TA/G/C/T), ,与之有高度亲和力;与之有高度亲和力; 接受模板指导;接受模板指导; 遵循碱基互补原则,识别是否是正确的碱基;遵循碱基互补原则,识别是否是正确的碱基; 无法催化无法催化2 2个游离的单核苷酸形成磷酸酯键;个游离的单核苷酸形成磷酸酯键; 需引物提供需引物提供3-OH3-OH; 新链生长方向:新链生长方向: 5353。14.2.1 DNA14.
15、2.1 DNA聚合酶聚合酶 14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 核酸外切酶活性核酸外切酶活性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 外切酶活性外切酶活性 5 3 外切酶活性外切酶活性?能切除引物和突变的能切除引物和突变的 DNA片段。片段。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。14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 DNADNA聚合酶(聚合酶(DNA polymeraseDNA polymerase,
16、DNA-DNA-polpol):): 以单链或双链以单链或双链DNA为模板,催化由脱氧核苷三磷酸合成为模板,催化由脱氧核苷三磷酸合成DNA的酶。的酶。活性:活性: 1. 53 的聚合活性的聚合活性 2. 核酸外切酶活性核酸外切酶活性种类:种类: 大肠杆菌:大肠杆菌:DNADNA聚合酶聚合酶、和和。 真核生物:真核生物:含有含有DNADNA聚合酶聚合酶 、 、和和。1959 1959 年获诺贝尔生理学或医学奖年获诺贝尔生理学或医学奖 在大肠杆菌中发现在大肠杆菌中发现DNADNA聚合酶聚合酶I I。 奥乔亚 科恩伯格 Severo Ochoa Arthur Kornberg14.2.1 DNA14
17、.2.1 DNA聚合酶聚合酶 大肠杆菌大肠杆菌DNADNA聚合酶聚合酶(pol)pol)性质:性质: 5353聚合酶活性,聚合酶活性, 53 53外切酶活性,外切酶活性, 35 35外切酶活性。外切酶活性。生理功能:生理功能: 校读,校读,去除去除RNA引物,填补空隙,参与引物,填补空隙,参与DNA损伤修损伤修复复。14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 323323个氨基酸个氨基酸小片段小片段5 5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性大片段大片段/ /KlenowKlenow 片段片段 604604个氨基酸个氨基酸 5 5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性5 5 3 3 DNADNA聚合
18、酶活性聚合酶活性N N 端端C C 端端木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶DNA DNA polpol14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 KlenowKlenow片段片段Klenow片段是实验室合成片段是实验室合成DNA,进行分子生物学研究,进行分子生物学研究中常用的工具酶。中常用的工具酶。 大肠杆菌大肠杆菌DNADNA聚合酶聚合酶(polpol)性质:性质: 5353聚合酶活性,聚合酶活性, 3 5 3 5外切酶活性。外切酶活性。 无无 5353外切酶活性。外切酶活性。生理功能:生理功能: 只是在无只是在无polpol及及polpol的情况下暂时起作用;的情况下暂时起作用; 对模板的特异
19、性不高对模板的特异性不高, ,主要参与主要参与DNADNA损伤的修复损伤的修复。14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 大肠杆菌大肠杆菌DNADNA聚合酶聚合酶(polpol)组成:组成: 至少由至少由1010种亚基组成种亚基组成,二聚体二聚体,其中,其中、和和组成组成 核心酶核心酶; 性质:性质: 53 53聚合酶活性,聚合酶活性,3 53 5外切酶活性。外切酶活性。 无无 5353外切酶活性。外切酶活性。生理功能:生理功能: 真正起真正起复制作用复制作用的酶,主要负责的酶,主要负责DNADNA链的延伸链的延伸。14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 核心酶核心酶
20、亚基:亚基:5353聚合酶活性聚合酶活性;亚基:亚基:3535外切酶活性,起外切酶活性,起校对功能校对功能, 可提高聚合酶可提高聚合酶复制复制DNADNA的保真性;的保真性; 亚基:亚基:可能起组建的作用。可能起组建的作用。亚基:亚基:犹如夹子,识别引物夹住犹如夹子,识别引物夹住DNADNA分子向前滑动;分子向前滑动;其余的亚基:其余的亚基:构成构成 - -复合物,可增强核心酶活性的复合物,可增强核心酶活性的 作用。作用。夹子夹子装配复合体装配复合体 亚基:亚基:促使核心酶二聚化促使核心酶二聚化核心酶二聚化核心酶二聚化DNADNA聚合酶聚合酶IIIIII有两个有两个夹子装配复合体。夹子装配复合
21、体。DNA DNA 聚合酶聚合酶 pol pol pol pol pol pol 亚基数目亚基数目 1 1 7 7 10105 533聚合酶活性聚合酶活性 + + + + + + 3355外切酶活性外切酶活性 + + + + +5 533外切酶活性外切酶活性 + - -+ - -聚合速度聚合速度( (核苷酸核苷酸/ /分分) 1000-1200 2400 15000-60000 ) 1000-1200 2400 15000-60000 持续合成能力持续合成能力 3-200 1500 5000003-200 1500 500000生理功能生理功能 切除引物切除引物 修复修复 复制复制 修复修复大
22、肠杆菌大肠杆菌3 3种种DNADNA聚合酶性质比较聚合酶性质比较14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 DNADNA聚合酶(聚合酶(DNA polymeraseDNA polymerase,DNA-DNA-polpol): 以单链或双链以单链或双链DNA为模板,催化由脱氧核苷三磷酸合成为模板,催化由脱氧核苷三磷酸合成DNA的酶。的酶。种类:种类: 大肠杆菌:大肠杆菌:DNADNA聚合酶聚合酶、和和。 真核生物:真核生物:含有含有DNADNA聚合酶聚合酶 、 、和和。14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 真核生物的真核生物的DNADNA聚合酶聚合酶14.2.1 DN
23、A14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 DNA-pol DNA-pol 起始引发,有引物酶活性。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。延长子链的主要酶,有解螺旋酶活性。参与低保真度的复制参与低保真度的复制 。在复制过程中起校读、修复和填补缺口在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。的作用。在在线粒体线粒体DNADNA复制中起催化作用。复制中起催化作用。DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol 1. 1. 遵守严格的碱基配对规律遵守严格的碱基配对规律( (错配率错配率1010-4-41010-
24、5-5) );2. 2. 聚合酶在复制延长时对碱基的选择聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能功能 ( (错配率错配率1010-4-41010-5-5) );3. 3. 复制出错时复制出错时DNA-DNA-polpol的即时校读功能。的即时校读功能。DNADNA复制的复制的保真性保真性至少要依赖三种机制至少要依赖三种机制 14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 解螺旋酶(解螺旋酶(unwinding enzymeunwinding enzyme): 又又称解链酶(称解链酶(helicasehelicase)或)或reprep蛋白。蛋白。利用利用ATPATP供能,作用于供能,作用于氢键
25、氢键,使,使DNADNA双链解开成为两条双链解开成为两条单链单链。每解开一对碱基,需消耗每解开一对碱基,需消耗2 2分子分子ATPATP。种类:种类: 目前发现至少存在两种解螺旋酶。目前发现至少存在两种解螺旋酶。14.2.2 14.2.2 解螺旋酶解螺旋酶单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白(single strand binding proteinsingle strand binding protein,SSBSSB) 一些能够与单链一些能够与单链DNADNA结合的蛋白质因子。结合的蛋白质因子。生理功能生理功能: 维持单链状态,防止复性;对抗核酸酶水解,保护单链完整。维持单链状态,防止复性
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