分子生物学之DNA复制课件.ppt
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- 分子生物学 DNA 复制 课件
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1、 第第3章章 DNA复制复制 (DNA Replication)3.1.基本概念基本概念3.2.复制起点与方向复制起点与方向 3.3.Semi-Conservation Replication 3.4.复制的方式复制的方式 3.5.线状线状 DNA的复制的复制3.7.DNA复制的基因与酶类体系复制的基因与酶类体系 3.8.DNA复制速率及拷贝数的调控复制速率及拷贝数的调控 3.9.Methylation of DNA 3.6.The termination of DNA 3.1.基基 本本 概概 念念 (Basic Concept)遗传物质的分子机制遗传物质的分子机制分子生物学的核心分子生物学
2、的核心Watson&Crick:Watson&Crick:一种遗传物质,必须能行使两种 功能,即自我复制和对细胞的高 度特异性的影响遗传物质的基本属性遗传物质的基本属性:基因的自我复制基因的自我复制 基因的突变基因的突变 控制性状的表达控制性状的表达DNA复制复制 亲代双链亲代双链DNADNA分子在分子在DNADNA聚合酶的作用下,分别以聚合酶的作用下,分别以 每单链每单链 DNADNA分子为模板,聚合与自身碱基可以互补分子为模板,聚合与自身碱基可以互补 配对的游离的配对的游离的dNTPdNTP,合成出两条与亲代合成出两条与亲代DNADNA分子完分子完 全相同的子代全相同的子代DNADNA分子
3、的过程。分子的过程。Replicon Replicon;基因组中能独立进行复制的单位。基因组中能独立进行复制的单位。Replisome;A unit of the genome in which DNA A unit of the genome in which DNA contain a region from origin to terminator contain a region from origin to terminator The multi protein(30 The multi protein(30)structure that assembles )structure
4、that assembles at replicating fork to undertake synthesis of DNA at replicating fork to undertake synthesis of DNA DNA replication at phase S of cell cycle DNA replication at phase S of cell cycle E.coli 37 0.5 h105 bp/min S 6-8hs M 1hG23-4hsmammalian cell 22-25hrs500-5000 bp/min G112hs?3.2.复制起点与方向复
5、制起点与方向(replication origin&direction)rich AT&palindrom rich AT&palindrom Enzymes binding site Enzymes binding site 复制起点的特征复制起点的特征E E.colicoli 复制起点复制起点ori C245bp,序列保守序列保守成串排列的三成串排列的三个个13bp序列序列四个四个9bp序列序列DnaA蛋白结合位点蛋白结合位点真核生物复制起点的研究是以酵母为基础的uARS(automatic Replication Sequence)自主复制序列uARS1(A,B1,B2,B3)A区具有高
6、度保守性 uB区变化较大AT rich 复制的多模式复制的多模式 单单起点、起点、单单方向方向单单起点、起点、双双方向方向多多起点、起点、双双方向方向1963 Cairns 1963 Cairns 37,5 ci/mM H3-T,6min 37,52 ci/mM H3-T,6min 42,T,one circle DNA双向复制的证据双向复制的证据 模式?模式?E.coli mut.ts 复制发动温度敏感突变型复制发动温度敏感突变型42不能发动不能发动DNA复制、但可完成复制、但可完成DNA延伸延伸模式?单单 起起 点、点、双双 方方 向向两个复制叉 子链子链DNA延伸方向延伸方向 DNA p
7、olymerase reacts on the 3 end onlyDNA polymerase reacts on the 3 end only5 OHT C AT C A C 5 OH 3New DNA elongation from 5 to 3 direction New DNA elongation from 5 to 3 direction ppp OH C+ppi 如果如果DNA的延伸方向是的延伸方向是 3 5 A T C G +5 ppp OH 3 G ppp OH G A T C G 5 ppp OH 3 A T C G +5 ppp OH 3 G ppp OH G 5 pp
8、p因能量的需要,因能量的需要,DNA的的5 端必须带有端必须带有PPP游离游离dNTP具有具有pppppp OH 3 A T C G 在在0.2M NaCl 的生理环境中,磷酸基团间的强电负性,使的生理环境中,磷酸基团间的强电负性,使dNTP难以聚合到难以聚合到DNA的的5端,而且双链端,而且双链DNA的的5端碱基配对困难。端碱基配对困难。碱基发生错配后的校正碱基发生错配后的校正 费时、费能(增加脱磷酸、加磷酸的能量消耗)费时、费能(增加脱磷酸、加磷酸的能量消耗)A T C G ppp OH+pppAp OHT C Gppp OH T C GT C Gpp p OH 3.3.DNA的半保留复制
9、的半保留复制 (Semi-Conservation Replication)半保留复制半保留复制的实验验证的实验验证3535OK!How?5353one strand of DNA replication in Okazaki fragment 1kb53535353(semi-discontinuous replication!semi-discontinuous replication!)?a)Okazaki fragment a)Okazaki fragment 1968 Reiji Okazaki1968 Reiji Okazakib)半不连续复制半不连续复制 (semi-discon
10、tinuous replicationsemi-discontinuous replication)证据证据 Okazaki片段的发现,为不连续复制提供片段的发现,为不连续复制提供了有力的证据了有力的证据。Prok.1-2kb,Euk.0.1-0.2kb 在复制叉上发生一条新链为连续合成,在复制叉上发生一条新链为连续合成,另一条链为不连续合成的复制机制。另一条链为不连续合成的复制机制。leading strand lagging strand leading strand(前导链):连续复制:连续复制lagging strand(后随链):按后随链):按Okazaki 片段不片段不连续复制连续
11、复制3.4.DNA复制的方式复制的方式(DNA replication model)(DNA replication model)starting pointstarting point RNA primer RNA primer transcription activation transcription activation leading strand leading strand fork fork lagging strand lagging strand 复制叉式复制叉式(replication forkreplication fork)环状环状DNADNA复制复制 (form f
12、orm,5050,000bp/min)000bp/min)多复制子多复制子 真核生物(真核生物(1000-1000-3000bp/min)3000bp/min)大多数生物染色体采取大多数生物染色体采取双向对称复制双向对称复制。枯草杆菌采取不对称复制。枯草杆菌采取不对称复制。DNA聚合酶不能发动子链聚合酶不能发动子链DNA的复制起始的复制起始.DNADNA聚合酶行使聚合作用需要:聚合酶行使聚合作用需要:a)a)引物提供引物提供3-OH3-OHb)b)以四种以四种dNTPdNTP作为底物作为底物c)c)模板指导模板指导d)d)延伸方向延伸方向5353 RNARNA引物的合成(引物的合成(ATPAT
13、P,GTPGTP,CTPCTP,UTPUTP)RNARNA聚合酶和引物合成酶聚合酶和引物合成酶(primase(primase)引物的长度:几个引物的长度:几个1010个核苷酸个核苷酸 DNADNA聚合酶聚合酶I I:RNARNA引物的消除和缺口的填补引物的消除和缺口的填补 primer primer DNA DNA复制的转录激活复制的转录激活 (transcriptional activation)RNA polymerase Rif RNA polymerase Rif S S 10 Nt RNA primer for leading Strand origin dnaGprimase R
14、if R for lagging Strand primosomepppRNA as primerDNA polymerase IIIpppDNA polymerase IDNA polymerase IDNAligase RNApolRNApol(RNA polymerase)Rif (RNA polymerase)Rif S S dnaG(primasednaG(primase)Rif)Rif R R 完成对后随链引物的合成完成对后随链引物的合成 完成完成10 Nt RNA引物合成后引物合成后.DNApol III进行进行DNA链的延伸链的延伸 DNApol I 对对RNA引物切除并聚合填
15、补引物切除并聚合填补 连接酶连接酶(ligase)将连接)将连接 Okazaki Okazaki 片段片段.完成对先导链引物的合成完成对先导链引物的合成 实现实现DNA复制的转录激活起始复制的转录激活起始较先导链的启动落后一个较先导链的启动落后一个Okazaki片断片断 Conclusion 共价延伸方式共价延伸方式(covalence elongationcovalence elongation)或或 滚环方式滚环方式(rolling circlerolling circle)D.S.DNA Nick leading StrandElongation rolling Lagging Stra
16、nd1)1)X174X174单链单链DNADNA分子(分子(+),以此为模板,),以此为模板,起始合成(起始合成(-)DNADNA链,成为(链,成为(+/-+/-)双链)双链DNADNA分子,即复制型分子,即复制型RFI.RFI.2)2)(+)链)链DNADNA复制起点复制起点被被特异性特异性A A蛋白蛋白切断,切断,33和和55端游离出来。端游离出来。3)3)(-)DNADNA为模板,为模板,以以 (+)链)链DNADNA 3-3-OHOH为引物,为引物,DNADNA聚合酶聚合酶IIIIII合成新链合成新链(+)。)。原来的(原来的(+)链)链DNADNA 被取代。被取代。4)4)(+)链)
17、链DNADNA被滚出一定被滚出一定 长度后,产生环状长度后,产生环状(+)链)链DNADNA。(+/-+/-)DNADNA链,继续参与复链,继续参与复制。制。置换式置换式 或或 D-Loop(Displacement formDisplacement form)D.S.DNA In mitochondrial DNA In mitochondrial DNA also in chloroplast DNA also in chloroplast DNA S.S.DNA as template New S.S.DNA Displacement D-LoopTop I ,Top II Helica
18、se(rep protein)Single Strand Binding protein(SSB)DnaB proteinDnaC protein Primase DNA Polymerase III DNA Polymerase I Ligase for primosome复复制制体体进进 化化 中中 形形 成成 了了 灵灵 活活 的的 多多 酶酶 复复 合合 体体 replisomeprimosome(引发体(引发体)PriA(dual role)displace SSB from S.S DNA and helicase DnaT required at prepriming stage
19、 DnaB is central component,action with DnaC DnaC is central component,action with DnaB PriB function is unknown PriC function is unknown DnaG primase(引物酶引物酶)进进 化化 中中 形形 成成 了了 灵灵 活活 的的 多多 酶酶 复复 合合 体体 replisome 位于复制叉处的多酶复合体位于复制叉处的多酶复合体完成完成 lagging Strand DNA延伸时延伸时 必须快速从一个冈崎片段移到另一冈崎片段必须快速从一个冈崎片段移到另一冈崎片
20、段 In lagging Strand 多酶系统多酶系统 必须完成多次反复的启动与扩展必须完成多次反复的启动与扩展 E.coli 启动启动20004000次的冈崎片段复制次的冈崎片段复制3.5.线状线状 DNA的复制的复制 及避免及避免5末端短缩的模式末端短缩的模式 (5-end shortend)3-OH?3-OHLagging strand of Lagging strand of 环状环状 DNA replication DNA replication Lagging strand of Lagging strand of 线状线状 DNA replication DNA replica
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