《生物化学与分子生物学精品教学》dna的生物合成课件.ppt
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1、目录目录遗传信息的传递遗传信息的传递第三篇第三篇目录目录中心法则中心法则 (The Central Dogma)转转 录录翻翻 译译逆转录逆转录复复 制制目录目录除了某些以除了某些以RNA为基因组的为基因组的RNA病毒外,基因病毒外,基因通常是指染色体或基因组的一段通常是指染色体或基因组的一段DNA序列。序列。基因包括编码序列(外显子)、调控序列和间基因包括编码序列(外显子)、调控序列和间隔序列(内含子)隔序列(内含子)。基因(基因(genegene):编码蛋白质或):编码蛋白质或RNA等具有特等具有特定功能产物的、负载遗传信息的基本单位。定功能产物的、负载遗传信息的基本单位。目录目录基因组(
2、基因组(genome):一个生物体内所有遗传):一个生物体内所有遗传信息的总和。信息的总和。人类基因组包含了细胞核染色体人类基因组包含了细胞核染色体DNA(常(常染色体和性染色体)及线粒体染色体和性染色体)及线粒体DNA所携带的所所携带的所有遗传物质。有遗传物质。 目录目录第十四章第十四章DNA的生物合成的生物合成DNA Biosynthesis ( Replication )目录目录复制复制(replication) 是以是以DNA为模板的为模板的DNA合成,是基因组的复制过程。在这个过程中,合成,是基因组的复制过程。在这个过程中,亲代亲代DNA作为合成模板,按照碱基配对原则作为合成模板,按
3、照碱基配对原则合成子代分子,其化学本质是酶促脱氧核苷酸合成子代分子,其化学本质是酶促脱氧核苷酸聚合反应。聚合反应。 复制复制亲代亲代DNA子代子代DNADNA复制的基本特征复制的基本特征Basic Rules of DNA Replication第第 一一 节节目录目录半保留复制半保留复制(semi-conservative replication)双向复制双向复制(bidirectional replication)半不连续复制半不连续复制(semi-discontinuous replication) nDNA复制的主要特征复制的主要特征 目录目录一、一、 DNA以半保留方式进行复制以半保
4、留方式进行复制 DNA生物合成时,母链生物合成时,母链DNA解开为两解开为两股单链,各自作为模板股单链,各自作为模板(template)按碱基配按碱基配对规律,合成与模板互补的子链。子代细对规律,合成与模板互补的子链。子代细胞的胞的DNA,一股单链从亲代完整地接受过,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。两个子来,另一股单链则完全从新合成。两个子细胞的细胞的DNA都和亲代都和亲代DNA碱基序列一致。碱基序列一致。这种复制方式称为这种复制方式称为半保留复制半保留复制。n半保留复制半保留复制的概念的概念: :目录目录n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
5、能方式: : 全保留全保留 半保留式半保留式 混合式混合式 n密度梯度实验密度梯度实验: : 实验结果支持实验结果支持半保留复制半保留复制的设想。的设想。含含15N-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目录目录按半保留复制方式,子代按半保留复制方式,子代DNA与亲代与亲代DNA A的的碱基序列一致碱基序列一致,即子代保留了亲代的全部遗,即子代保留了亲代的全部遗传信息,体现了遗传的传信息,体现了遗传的保守性保守性。n半保留复制的意义半保留复制的意义: :遗传的保守性,是物种稳定性的分子基础,
6、遗传的保守性,是物种稳定性的分子基础,但但不是绝对的不是绝对的。目录目录AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母链母链DNA复制过程中形成复制过程中形成的复制叉的复制叉子代子代DNA目录目录 原核生物基因组是环状原核生物基因组是环状DNA,只有一个,只有一个复制起复制起点(点(origin)。复制从起点开始,向两个方向。复制从起点开始,向两个方向进行解链,进行的
7、是单点起始进行解链,进行的是单点起始双向复制双向复制。二、二、DNA复制从起点向两个方向延伸复制从起点向两个方向延伸复制中的放射自显影图象复制中的放射自显影图象A. 环状双链环状双链DNA及复制起始点及复制起始点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(termination, ter)oriterA B C目录目录 真核生物每个染色体有多个起始点,是多复真核生物每个染色体有多个起始点,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的距离定为一个复制子复制子(replicon) 。复制子是。复制子是独立完成复
8、制的功能单位。独立完成复制的功能单位。 53oriorioriori5353oriorioriori535533553复制复制3目录目录三、三、DNA复制反应呈半不连续特征复制反应呈半不连续特征3 5 3 5 解链方向解链方向3 5 3 3 5 领头链领头链(leading strand)后随链后随链(lagging strand)目录目录 顺着解链方向生成的子链,复制是连续进行的,顺着解链方向生成的子链,复制是连续进行的,这股链称为这股链称为领头链领头链(leading strand) 。 另一股链因为复制的方向与解链方向相反,不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
9、,这股不连续复制的能顺着解链方向连续延长,这股不连续复制的链称为链称为后随链后随链(lagging strand) 。复制中的不连。复制中的不连续片段称为续片段称为岡崎片段岡崎片段(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。制的半不连续性。 目录目录DNA复制的酶学和拓扑学变化复制的酶学和拓扑学变化第第 二二 节节The Enzymology and Topology of DNA Replication目录目录n参与参与DNA复制的物质复制的物质: 底物底物(substrate): dATP, dGT
10、P, dCTP, dTTP; 聚合酶聚合酶(polymerase): 依赖依赖DNA的的DNA聚合酶,聚合酶,简写为简写为 DNA-pol; 模板模板(template): 解开成单链的解开成单链的DNA母链;母链; 引物引物(primer): 提供提供3 -OH末端使末端使dNTP可以依次可以依次聚合;聚合; 其他的其他的酶和蛋白质因子酶和蛋白质因子。目录目录(dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 + PPiRNA引物引物RNA引物引物子代子代DNA目录目录n聚合反应的特点聚合反应的特点: : DNA 新链生成需新链生成需RNA引物引物和和模板模板; 新链的延长只可沿新链的延长只可
11、沿5 3 方向进行。方向进行。目录目录一、一、DNA聚合酶催化脱氧核苷酸间的聚合聚合酶催化脱氧核苷酸间的聚合 全称:全称:依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase) 简称:简称:DNA-pol 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:?能切除突变的能切除突变的 DNA片段片
12、段;切除引物切除引物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。n核酸外切酶活性核酸外切酶活性: : 目录目录(一)原核生物有(一)原核生物有3种种DNA聚合酶聚合酶目录目录个核心酶个核心酶1个个 -复合物(复合物( 、 、 、 、 、 6种亚种亚基)基)1对对 -亚基(可滑动亚基(可滑动的的DNA夹子)夹子)DNA聚合酶聚合酶全酶结构全酶结构全酶结构包括:全酶结构包括:目录目录 亚基亚基(130 000)主要功能是合成)主要功能是合成DNA 亚基亚基具有具有35 外切酶活性(复制保真性外切酶活性(复制保真性所必需)所必需) 亚基可增强其活性亚基可增强其活性 亚基亚基可能起
13、组装作用可能起组装作用核心酶由核心酶由 、 和和 亚基组成:亚基组成:两侧的两侧的 亚基发挥夹稳亚基发挥夹稳DNADNA模板链,并使酶沿模模板链,并使酶沿模板滑动的作用板滑动的作用目录目录2个个 -亚基亚基分别和分别和1个核心酶相互作用,其个核心酶相互作用,其柔性连接区可以确保在复制叉柔性连接区可以确保在复制叉1个全酶分子的个全酶分子的2个核心酶能够相对独立运动,分别负责合成个核心酶能够相对独立运动,分别负责合成前导链和后随链。前导链和后随链。功能:功能:有促进全酶组装至模板上及增强核心酶有促进全酶组装至模板上及增强核心酶活性的作用活性的作用 -复合物由复合物由6种亚基组成:种亚基组成: 、
14、、 、 、 、 目录目录n功能:功能: DNA-pol (109kD)对复制中的错误进行校读,对复制和修复对复制中的错误进行校读,对复制和修复中出现的空隙进行填补。中出现的空隙进行填补。目录目录323个氨基酸个氨基酸小片段小片段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 604个氨基酸个氨基酸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,进行,进行分子生物学研究中常用的工具酶。分子生物学研究中常用的工具酶。 目录目录 DNA-pol (120kD) D
15、NA-pol II基因发生突变,细菌依然能存活。基因发生突变,细菌依然能存活。 DNA-pol 对模板的特异性不高,即使在已发生对模板的特异性不高,即使在已发生损伤的损伤的DNA模板上,它也能催化核苷酸聚合。因模板上,它也能催化核苷酸聚合。因此认为,它参与此认为,它参与DNA损伤的应急状态修复。损伤的应急状态修复。目录目录(二)常见的真核细胞(二)常见的真核细胞DNA聚合酶有聚合酶有5种种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( (应急修复应急修复) )。在复制过程
16、中起校读、修复和填补缺在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。口的作用。在线粒体在线粒体DNA复制中起催化作用。复制中起催化作用。DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol 目录目录真核生物的真核生物的DNA聚合酶聚合酶填填补补引引物物空空隙隙,切切除除修修复复,重重组组延延长长子子链链的的主主要要酶酶,解解螺螺旋旋酶酶活活性性线线粒粒体体DNA复复制制低低保保真真度度的的复复制制起起始始引引发发,引引物物酶酶活活性性功功能能+-3 5 核核酸酸外外切切酶酶活活性性高高高高高高?中中5 3 聚聚合合活活性性25.512.514.04.016.5分分子子量量(kD)DNA-
17、pol填填补补引引物物空空隙隙,切切除除修修复复,重重组组延延长长子子链链的的主主要要酶酶,解解螺螺旋旋酶酶活活性性线线粒粒体体DNA复复制制低低保保真真度度的的复复制制起起始始引引发发,引引物物酶酶活活性性功功能能+-3 5 核核酸酸外外切切酶酶活活性性高高高高高高?中中5 3 聚聚合合活活性性25.512.514.04.016.5分分子子量量(kD)DNA-pol目录目录二、二、DNA聚合酶的碱基选择和校对功聚合酶的碱基选择和校对功能实现复制的保真性能实现复制的保真性 复制按照碱基配对规律进行,是遗传信息能复制按照碱基配对规律进行,是遗传信息能准确传代的基本原理。准确传代的基本原理。 此外
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