医学生化第10章DNA的生物合成课件.ppt
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- 医学 生化 10 DNA 生物 合成 课件
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1、目录目录目录目录目录目录目录目录目录目录目录目录第第10章章DNA的生物合成的生物合成DNA Biosynthesis(Replication)目录目录目录目录复制复制(replication)是指遗传物质的传代,是指遗传物质的传代,以母链以母链DNA为模板合成子链为模板合成子链DNA的过程。的过程。复制复制亲代亲代DNA子代子代DNA目录目录n本章主要内容:本章主要内容:复制的基本规律复制的基本规律 DNA复制的酶学和拓扑学变化复制的酶学和拓扑学变化 复制的过程复制的过程 逆转录和其他复制方式逆转录和其他复制方式 DNA损伤(突变)与修复损伤(突变)与修复复制的基本规律复制的基本规律Basi
2、c Rules of DNA Replication第第 一一 节节目录目录(一)半保留复制(一)半保留复制(semi-conservative replication)(二)双向复制(二)双向复制(bidirectional replication)(三)半不连续复制(三)半不连续复制(semi-discontinuous replication)(四)高保真复制(四)高保真复制(high fidelity replication)n复制的基本规律复制的基本规律 目录目录一、半保留复制是一、半保留复制是DNA复制的基本特征复制的基本特征 DNA生物合成时,母链生物合成时,母链DNA解开为两解
3、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:AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTA
4、CTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+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能方式:全保留式全保留式 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目录目录按半保留复制方式,
5、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,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 原核生物复制时,原核生物复制时,DNA从从起始点起始点(origin)向两向两个方向解链,形成两个延伸方向相反的复制个方向解链,形成两个延伸方向相反的复制叉,称为叉,称为双向复制双向复制。二、二、DNA复制从起始点向两个方向复制从起始点向两个方向延伸形成双向复制延
6、伸形成双向复制复制中的放射自显影图复制中的放射自显影图像像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制的功能单位。独立完成复制的功能单位。53oriorioriori5353oriorioriori5355335
7、53复制复制3目录目录三、三、DNA一股子链复制的方向与解链一股子链复制的方向与解链方向相反导致半不连续复制方向相反导致半不连续复制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)随从链随从链(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,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
8、称为随从链随从链(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。目录目录目录目录目录目录目录目录目录目录目录目录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,dGTP,dCTP,dTTP;聚合酶聚合酶(
9、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;其他的酶和蛋白质因子。其他的酶和蛋白质因子。目录目录一、核苷酸和核苷酸之间生成磷酸二酯键一、核苷酸和核苷酸之间生成磷酸二酯键是复制的基本化学反应是复制的基本化学反应(dNMP)n+dNTP (dNMP)n+1+PPi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沿5 3
10、 方向进行。方向进行。目录目录二、二、DNA聚合酶催化核苷酸之间聚合聚合酶催化核苷酸之间聚合 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
11、。n核酸外切酶活性核酸外切酶活性:目录目录(一)原核生物的(一)原核生物的DNA聚合酶分为三型聚合酶分为三型 DNA-pol DNA-pol DNA-pol 目录目录原核生物的原核生物的DNADNA聚合酶聚合酶可可能能不不可可能能可可能能基基因因突突变变后后的的致致死死性性无无无无有有5 3 核核酸酸外外切切酶酶活活性性20?400分分子子数数/细细胞胞多多亚亚基基不不对对称称二二聚聚体体?单单肽肽链链组组成成250120109分分子子量量(kD)DNA-pol IIIDNA-pol IIDNA-pol I可可能能不不可可能能可可能能基基因因突突变变后后的的致致死死性性无无无无有有5 3 核核
12、酸酸外外切切酶酶活活性性20?400分分子子数数/细细胞胞多多亚亚基基不不对对称称二二聚聚体体?单单肽肽链链组组成成250120109分分子子量量(kD)DNA-pol IIIDNA-pol IIDNA-pol I目录目录 DNA-pol (109kD)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
13、学研究中常用的工具酶。目录目录目录目录DNA-pol(120kD)53 聚合酶活性聚合酶活性35外切酶活性外切酶活性 DNA-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。模板上,它也能催化核苷酸聚合。因此认为,它参与因此认为,它参与DNA损伤的应急状态修复。损伤的应急状态修复。目录目录目录目录 DNA-pol (250kD)目录目录目录目录E.Coli中的中的DNA聚合酶聚合酶目录目录(二)常见的真核细胞(二)常见的真核细胞DNA聚合酶有五
14、种聚合酶有五种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 。在复制过程中起校读、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
15、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目录目录三、复制中的分子解链伴有三
16、、复制中的分子解链伴有DNA 分子拓扑学变化分子拓扑学变化DNA分子的碱基埋在双螺旋内部,只有把分子的碱基埋在双螺旋内部,只有把DNA解成单链,它才能起模板作用。解成单链,它才能起模板作用。目录目录(一)多种酶参与(一)多种酶参与DNA解链和稳定单链状态解链和稳定单链状态理顺理顺DNA链链拓扑异构酶拓扑异构酶(gyrA,B)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
17、)蛋白质(基因)蛋白质(基因)通用名通用名功能功能原核生物复制起始的相关蛋白质原核生物复制起始的相关蛋白质目录目录E.Coli 基因图基因图目录目录解螺旋酶解螺旋酶(helicase)利用利用ATP供能,作用于供能,作用于氢键,使氢键,使DNA双链解开成为两条单链。双链解开成为两条单链。引物酶引物酶(primase)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。单链单链DNA结合蛋白结合蛋白(single stranded DNA binding protein,SSB)在复制中维持模板处于单链状在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整态并保护单链的完整。目录目录108局部
18、解链后局部解链后(二)(二)DNA拓扑异构酶改变拓扑异构酶改变DNA超螺旋状态、超螺旋状态、理顺理顺DNA链链n复制过程正超螺旋的形成:复制过程正超螺旋的形成:目录目录解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成目录目录 既能水解既能水解 、又能连接磷酸二酯键。、又能连接磷酸二酯键。拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶n拓扑异构酶分类:拓扑异构酶分类:n拓扑异构酶作用特点:拓扑异构酶作用特点:目录目录拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA双链中双链中一股一股链,使链,使DNA解链旋转不致打结;适当时候封解链旋转不致打结;适当时候封闭切口,闭切口,DNA变为松弛状态变为松弛状态。反应反应不需
19、不需ATP。拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA分子分子两股两股链,断端通过链,断端通过切口旋转使超螺旋松弛。切口旋转使超螺旋松弛。利用利用ATP供能,连接断端,供能,连接断端,DNA分子进入负超螺旋状态。分子进入负超螺旋状态。n作用机制:作用机制:目录目录n拓扑酶的作用方式:拓扑酶的作用方式:目录目录四、四、DNA连接酶连接连接酶连接DNA双链中的双链中的单链缺口单链缺口连接连接DNA链链3-OH末端和相邻末端和相邻DNA链链5-P末端,使二者生成磷酸二酯键,从而把两段相末端,使二者生成磷酸二酯键,从而把两段相邻的邻的DNA链连接成一条完整的链。链连接成一条完整的链。n DNA连接酶连接酶(D
20、NA ligase)作用方式:作用方式:POO-O-OHO5POO-O-O335DNA连接酶连接酶ATPADP5353nDNA连接酶的作用:连接酶的作用:目录目录 DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。作用。在在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。口作用。也是基因工程的重要工具酶之一。也是基因工程的重要工具酶之一。n功能:功能:目录目录提供核糖提供核糖3-OH提供提供5-P结果结果DNA聚合酶聚合酶引物或延长中的引物或延长中的新链新链游离游离dNTP去去PPi(dNTP)n+1连接酶连接酶复制中不连续的两条单链复制中不连续的两
21、条单链不连续不连续连续链连续链拓扑酶拓扑酶切断、整理后的两链切断、整理后的两链改变拓扑状态改变拓扑状态DNA聚合酶,拓扑酶和连接酶催化聚合酶,拓扑酶和连接酶催化3,5-磷酸二酯键生成的比较磷酸二酯键生成的比较目录目录DNA生物合成过程生物合成过程The Process of DNA Replication第第 三三 节节目录目录(一)复制起始:(一)复制起始:DNA解链形成引发体解链形成引发体需要解决两个问题:需要解决两个问题:1.DNA解开成单链,提供模板。解开成单链,提供模板。2.形成引发体,合成引物,提供形成引发体,合成引物,提供3-OH末端。末端。一、原核生物的一、原核生物的DNA生物
22、合成生物合成目录目录E.coli复制起始点复制起始点 oriC GATTNTTTATTT GATCTNTTNTATT GATCTCTTATTAG 1 13 17 29 32 1 13 17 29 32 44 TGTGGATTA-TTATACACA-TTTGGATAA-TTATCCACA58 66 166 174 201 209 237 58 66 166 174 201 209 237 245 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 1.DNA解链:解链:目录目录DnaB、DnaCDnaG(引物酶)(引物酶)DnaA蛋白复合物蛋白复合物目录目录 Dna A Dna B
23、、Dna CDNA拓扑异构酶拓扑异构酶引物引物酶酶SSB3 5 3 5 2.引发体和引物引发体和引物含有解螺旋酶、含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。复制起始区域的复合结构称为引发体。目录目录3 5 3 5 引物是由引物酶(引物是由引物酶(DnaG蛋白蛋白)催化合成的短链)催化合成的短链RNA分子。分子。引物引物3 HO5引物引物酶酶目录目录(二)复制的延长过程:领头链连续复制,(二)复制的延长过程:领头链连续复制,随从链不连续复制随从链不连续复制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
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