生物化学课件第12章DNA的生物合成.ppt
- 文档编号:18718954
- 上传时间:2023-10-18
- 格式:PPT
- 页数:114
- 大小:7.56MB
生物化学课件第12章DNA的生物合成.ppt
《生物化学课件第12章DNA的生物合成.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《生物化学课件第12章DNA的生物合成.ppt(114页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
第9章,DNA的生物合成DNABiosynthesis(Replication),DNA、RNA、蛋白质其一级结构即核苷酸或氨基酸的排列顺序是遗传信息的存在形式。
DNA是生物遗传的主要物质基础(A、G、C、T)基因是DNA分子中编码生物活性产物的DNA片段,其产物主要是蛋白质或是各种RNA蛋白质是生命活动的执行(体现)者基因组是指生物体细胞内全部染色体DNA总和(人类细胞基因组中含34万个编码蛋白质的基因),生物遗传信息分子,蛋白质,遗传信息传递的中心法则(centraldogma),FrancisCrick(1916-2004),DNA,RNA,1958年,DNA的生理功能,DNA上的遗传信息通过表达(转录和翻译)产生特定蛋白质而实现其功能。
DNA通过自我复制将储存的遗传信息稳定地、忠实地从亲代DNA传递到子代DNA中。
复制(replication)是指遗传物质的传代,以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程。
亲代DNA,复制,子代DNA,本章主要内容:
复制的基本规律DNA复制的反应体系复制的过程逆转录DNA损伤与修复,复制(replication),DNA的复制DNAReplication,第一节,复制的方式半保留复制(semi-conservativereplication)半不连续复制(semi-discontinuousreplication)双向复制(bidirectionalreplication)复制的高保真性(highfidelity),一.复制的基本规律,1、半保留复制是DNA复制的基本特征,DNA生物合成时,母链DNA解开为两股单链,各自作为模板(template)按碱基配对规律,合成与模板互补的子链。
子代DNA,一条单链从亲代完整地接受过来,另一条单链则完全从新合成。
两个子代DNA都和亲代DNA碱基序列一致。
这种复制方式称为半保留复制。
半保留复制的概念:
AGGTACTGCCACTGG,TCCATGACGGTGACC,CCACTGG,GGTGACC,AGGTACTG,TCCATGAC,TCCATGAC,AGGTACTG,AGGTACTGCCACTGG,TCCATGACGGTGACC,AGGTACTGCCACTGG,TCCATGACGGTGACC,+,母链DNA,复制过程中形成的复制叉,子代DNA,子链继承母链遗传信息的几种可能方式:
全保留式半保留式混合式,密度梯度离心实验,含15N-DNA的细菌,第一代,第二代,实验结果支持半保留复制的设想。
15N-DNA,14N-DNA,混合,按半保留复制方式,子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致,即子代保留了亲代的全部遗传信息,体现了遗传的保守性。
半保留复制的意义:
2、DNA一股子链复制的方向与解链方向相反导致半不连续复制,5,3,解链方向,领头链(leadingstrand),随从链(laggingstrand),3,5,领头链连续复制,随从链不连续复制,这就是复制的半不连续性,冈崎片段,半不连续复制,顺着解链方向生成的子链,复制是连续进行的,这股链称为领头链(leadingstrand)。
另一子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,这条不连续复制的链称为随从链(laggingstrand)。
复制中的不连续片段称为冈崎片段(okazakifragment)。
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。
原核生物复制时,DNA从起始点(origin)向两个方向解链,形成两个延伸方向相反的复制叉,称为双向复制。
3、DNA复制从起始点向两个方向延伸形成双向复制,A.环状双链DNA及复制起始点B.复制中的两个复制叉C.复制接近终止点(termination,ter),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的距离定为一个复制子(replicon)。
复制子是独立完成复制的功能单位。
复制子,真核生物的多复制子复制,已完成复制的复制子,复制进程,复制起始点、复制子与复制叉,2.酶在复制延长时对碱基的选择功能,1.遵守严格的碱基配对规律,3.复制出错时酶的及时校读功能,DNA复制的保真性至少要依赖三种机制,4、复制的高保真性,复制的自发突变率约有10-9,也就是每复制109个碱基有一个碱基发生与原DNA模板不配对的情况,复制的自发突变率,自发突变,变异,进化,半保留复制semi-conservativereplication,半不连续复制semi-discontinuousreplication,复制方向为双向bidirectionalreplication,高保真性复制highfidelity,复制的特点,二.DNA复制的反应体系,TheEnzymologyandTopologyofDNAReplication,参与DNA复制的物质:
底物(substrate):
dATP,dGTP,dCTP,dTTP;(dNTP)聚合酶(polymerase):
依赖DNA的DNA聚合酶,简写为DNA-pol;模板(template):
解开成单链的DNA母链;引物(primer):
与模板互补的RNA片段,提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合;其他的酶和蛋白质因子。
参与DNA复制的物质,DNA复制系统,底物dNTP,聚合酶DNA-pol,模板解成单链的DNA母链,引物与模板互补的RNA片段,其它酶和蛋白质因子,底物(substrate):
dATP,dGTP,dCTP,dTTP,聚合酶(polymerase):
依赖DNA的DNA聚合酶简写为DNA-pol,模板(template):
解开成单链的DNA母链,引物(primer):
提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合,解螺旋酶引物酶单链DNA结合蛋白DNA连接酶等,1、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,(dNMP)n+dNTP(dNMP)n+1+PPi,PPi,C,G,A,聚合反应机理,2、DNA聚合酶催化核苷酸之间聚合,全称:
依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase)简称:
DNA-pol,活性:
1.53的聚合活性2.核酸外切酶活性,35外切酶活性:
53外切酶活性:
?
能切除突变的DNA片段或RNA引物。
能辨认错配的碱基对,并将碱基错配核苷酸水解。
核酸外切酶活性:
(一)原核生物的DNA聚合酶分为三型,DNA-polDNA-polDNA-pol,原核生物中的三种DNA聚合酶,功能:
DNA-pol(109kD),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。
1、DNA聚合酶活性2、5核酸外切酶活性3、5核酸外切酶活性,DNA-pol的核酸外切酶校读活性,B:
如果碱基配对正确,DNA-polI则不表现外切酶活性;只表现聚合酶活性。
DNA-polI,外切活性,聚合活性,dCTP,A:
碱基配对错误,DNA-polI表现外切酶活性,切除错配碱基;并用其聚合活性掺入正确配对的底物,模板链,新合成链,模板链,新合成链,功能:
DNA-pol(250kD),是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。
1、DNA聚合酶活性2、5核酸外切酶活性,核心酶,-复合物,PolIII全酶(二聚体)每一个单体都具有催化活性,一个作用于领头链,另一个作用于随从链,使两股链在同一地方同一时间进行合成。
随从链母链环绕360度,形成局部片断与领头链靠近,沿同一方向进行合成。
(二)常见的真核细胞DNA聚合酶有五种,DNA-pol,引物合成,随从链的部分合成。
延长子链的主要酶。
参与低保真度的复制,参与损伤修复。
在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。
在线粒体DNA复制中起催化作用。
DNA-pol,DNA-pol,DNA-pol,DNA-pol,真核生物的DNA聚合酶,填补引物,空隙,切,除修复,,重组,延长子,链的主,要酶,,解螺旋,酶活性,线粒体,DNA,复,制,参与损伤修复,引物酶作用,功能,+,+,+,-,-,3,5,外切酶,高,高,高,?
中,5,3,聚合酶,25.5,12.5,14.0,4.0,16.5,分子量(,kD,DNA,-,pol,填补引物,空隙,切,除修复,,重组,延长子,链的主,要酶,,解螺旋,酶活性,线粒体,DNA,复,制,功能,+,+,+,-,-,3,5,高,高,高,低,中,5,3,25.5,12.5,14.0,4.0,16.5,分子量(,DNA,-,pol,理顺,DNA,链,拓扑异构酶,(,),稳定已解开的单链,单链,DNA,结合蛋白,SSB,催化,RNA,引物生成,引物酶,DnaG,(,dnaG,),运送和协同,DnaB,DnaC,(,dnaC,),解开,DNA,双链,解螺旋酶,DnaB,(,dnaB,),识别并结合起始点,DnaA,(,dnaA,),蛋白质(基因),通用名,功能,原核生物与复制相关蛋白质,3、与复制相关的其他酶,解螺旋酶(helicase)利用ATP供能,作用于氢键,使DNA双链解开成为两条单链。
引物酶(primase)复制起始时催化生成RNA引物的酶。
单链DNA结合蛋白(singlestrandedDNAbindingprotein,SSB)在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整。
DnaB,DnaG,2ATP/碱基对,DNA的高级结构是超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。
正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同,即延右手方向扭曲。
负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反即延左手方向扭曲。
原核生物DNA的环状超螺旋结构,原核生物DNA多为环状,以负超螺旋的形式存在,平均每200碱基就有一个超螺旋形成。
DNA拓扑异构酶改变DNA超螺旋状态、理顺DNA链,DNA复制解螺旋时延同一轴反向旋转,DNA分子打结,缠绕。
在复制叉前产生正超螺旋。
拓扑异构酶,切断DNA双链中一股链,使DNA解链旋转不致打结;适当时候封闭切口,DNA变为松弛状态。
反应不需ATP。
拓扑异构酶,切断DNA分子两股链,断端通过切口旋转使超螺旋松弛。
利用ATP供能,连接断端,DNA分子进入负超螺旋状态。
作用机制:
拓扑异构酶的作用方式,拓扑酶I,拓扑酶I切断DNA双链中的一股,使两个螺旋变为一个,适当时候再封闭缺口,DNA解链旋转不致打结,拓扑酶的作用方式:
4、DNA连接酶连接DNA双链中的单链缺口,连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P末端,使二者生成磷酸二酯键,从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。
DNA连接酶(DNAligase)作用方式:
HO,5,3,3,5,DNA连接酶,ATP,ADP,5,3,5,3,DNA连接酶的作用:
DNA连接酶,DNA连接酶在复制中起最后封闭缺口的作用。
在DNA修复、重组中也起封闭缺口作用。
也是基因工程的重要工具酶之一。
功能:
(一)复制起始:
DNA解链形成引发体,需要解决两个问题:
1.DNA解开成单链,提供模板。
2.形成引发体,合成引物,提供3-OH末端。
三、原核生物的DNA复制过程,E.coli复制起始点oriC-特殊的序列约245bp,1.DNA解链,识别区,富含A、T区,解链过程,DnaA、B、C三种蛋白参与,DnaB解螺旋酶,DnaC,DnaA蛋白四个相同亚基组成,识别区,解螺旋酶,DNA解成单链,3,5,含有DnaB(解螺旋酶)、DnaC蛋白、引物酶(DnaG)和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。
引物酶,识别区,2.引发体的形成,3,5,3,5,引物,引物酶,3.引物的形成,引物酶,引物是由引物酶催化合成的短链RNA。
引发体的生成,
(二)复制的延长过程:
领头链连续复制,随从链不连续复制,复制的延长指在DNA-pol催化下,dNTP以dNMP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。
领头链的合成:
领头链沿着53方向可以连续地延长。
随从链的合成,复制的延长,同一复制叉上领头链和随从链由相同的DNA-pol催化延长,PolIII全酶(二聚体)每一个单体都具有催化活性,一个作用于领头链,另一个作用于随从链,使两股链在同一地方同一时间进行合成。
随从链母链环绕360度,形成局部片断与领头链靠近,沿同一方向进行合成。
原核生物基因是环状DNA,两个复制叉在复制的终止点(ter)处汇合。
(三)复制的终止过程:
切除引物、填补空缺、连接切口,随从链上不连续性片段的连接:
复制的终止,复制过程动画,某些低等生物的DNA(M13噬菌体)或染色体以外的DNA(质粒)。
采取滚环复制的方式。
滚环复制,滚环复制方式,A蛋白(具有核酸内切酶活性,在复制起点外环打开缺口),滚动成新环,闭环单链为模板,边滚动边连续复制,打开的外环单链不连续复制,滚环复制,四、真核生物DNA复制,P181,1真核生物每个染色体有很多个起始点,是多复制子复制。
真核生物复制与原核基本相似,真核生物复制速度不如原核生物,整体复制速度并不慢。
2真核生物随从链的冈崎片段较短,100-200个核苷酸。
原核生物为1000-2000个核苷酸。
3复制的起始过程复杂,起始需要DNA-pol(引物酶活性)和pol(解螺旋酶活性),还需拓扑酶和复制因子(RFA和RFC)。
增殖细胞核抗原(PCNA)在起始和延长中都起关键作用。
4真核生物DNA复制与核小体组装同步进行,复制完成后随即组装成染色体。
真核生物染色体DNA呈线状,在DNA复制过程中子代DNA5末端的RNA引物被去除后,留下空隙。
5.端粒酶参与解决染色体末端复制问题,5,3,3,5,5,3,3,5,+,5,3,3,3,3,5,5,端粒(telomere)是指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构部分,通常膨大成粒状。
P182,功能,维持染色体的稳定性保证DNA复制的完整性,端粒的结构特点,由3末端单链DNA序列和蛋白质构成。
3末端DNA序列是多次重复的富含G、T碱基的短序列。
端粒酶(telomerase),端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体,以其RNA为模板,通过逆转录过程对染色体末端DNA链进行延长。
端粒酶的分子结构,端粒酶RNA(hTR)端粒酶协同蛋白(hTP1)端粒酶逆转录酶(hTRT),端粒酶的组成,功能提供RNA模板、催化逆转录、通过爬行模型的机制维持染色体的完整。
端粒DNA末端,1、端粒酶靠hTR(AnCn)x与端粒DNA3末端GT重复序列结合,内在模板RNA,2、以端粒酶RNA为模板,逆转录,延长端粒DNA3末端,3、端粒酶移位、空出RNA模板,再次延长端粒DNA3末端,同时DNA母链反摺利于下游复制延伸。
4、延伸足够长度后端粒酶脱离母链,代之以DNA-Pol。
此时母链3-OH反折,同时作为引物和模板,完成末端双链复制。
DNA-Pol,D环复制(D-loopreplication),是线粒体DNA(mitochondrialDNA,mtDNA)的复制形式。
五、线粒体DNA复制,特点:
1.两条链复制起始点不在同一位置.2.两条链不是同时合成的.3.两条链合成的方向相反.4.两条链都是连续合成的.,随从链起始点,领头链起始点,随从链继续,替代链,领头链完成,逆转录和逆转录病毒ReverseTranscription&ReverseTranscriptionvirus,第二节,逆转录酶(reversetranscriptase),逆转录(reversetranscription),逆转录酶,一、逆转录病毒的基因组是RNA,其复制方式是逆转录,RNA,DNA,逆转录酶催化三种反应:
以RNA为模板指导的DNA合成(逆转录酶)水解RNA(RNA水解酶)以DNA为模板指导的DNA合成(DNA聚合酶),逆转录病毒细胞内的逆转录现象:
逆转录,逆转录酶发现的理论和实践意义:
1.完善了“中心法则”,遗传信息也可以从RNA传递到DNA。
2.促进了分子生物学、生物化学和病毒学的研究,为肿瘤的防治提供了新的线索。
3.逆转录酶已经成为分子生物学研究的重要工具酶。
DNA损伤(突变)与修复DNADamage(Mutation)&Repair,第三节,DNA突变具体指个别脱氧核苷酸残基至DNA片段在构成、复制或表型功能的异常变化,也称为DNA损伤(DNAdamage)。
从分子水平来看,突变就是DNA分子上碱基的改变。
一、引发DNA突变的因素,
(一)自发突变,1.自发脱碱基:
由于N-糖苷键的自发断裂,引起嘌呤或嘧啶碱基的脱落。
每日可达近万个核苷酸残基。
2.自发脱氨基:
胞嘧啶自发脱氨基可生成尿嘧啶,腺嘌呤自发脱氨基可生成次黄嘌呤。
每日可达几十到几百个核苷酸残基。
3.复制错配:
由于复制时碱基配对错误引起的损伤,发生频率较低。
(二)多种化学或物理因素可诱发突变,实验室用来诱发突变,也是生活环境中导致突变的因素,主要有物理和化学因素。
物理因素:
紫外线(ultraviolet,UV)、各种辐射,化学因素:
化工产品,工业排放物,农药,食品防腐剂和添加剂,汽车尾气。
导致突变的化合物大约已有6万多种,二、引起突变的分子改变类型有多种,错配(mismatch)缺失(deletion)插入(insertion)重排(rearrangement),DNA分子上的单一碱基的变异又称点突变。
(一)错配可导致编码氨基酸的改变,镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)亚基,正常成人Hb(HbA)亚基,镰形红细胞贫血病人,
(二)缺失、插入和框移突变造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变,缺失:
一个或一段核苷酸链从DNA大分子上消失。
插入:
原来没有的一个或一段核苷酸链插入到DNA大分子中间。
缺失或插入都可导致框移突变。
框移突变是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。
缺失引起框移突变:
(三)重组或重排常可引起遗传、肿瘤等疾病,DNA分子内较大片段从一个位置转到另一个位置,或不同DNA分子间较大片段的重新组合,称为重排或重组。
由基因重排引起的两种地中海贫血基因型:
基因重排,DNA损伤(突变)可能造成两种结果:
其一是导致复制或转录障碍(如胸腺嘧啶二聚体);其二是导致基因突变(如胞嘧啶自发脱氨基转变为尿嘧啶),使DNA序列发生永久性改变。
进化使细胞拥有灵敏的机制,以识别和修复这些损伤,否则细胞无法维持正常活动。
三、DNA损伤的修复,修复(repairing),光修复切除修复重组修复SOS修复,修复的主要类型,是DNA受损伤后的补救,使其恢复正常结构。
(一)光修复,光修复酶(photolyase),UV,这是细胞内主要的修复方式。
其过程包括去除损伤的DNA,填补空缺和连接缺口。
(二)切除修复,1.碱基切除修复(baseexcisionrepairing,BER),包括甲基化的、脱氨基、氧化的碱基、无碱基位点的修复,2核苷酸切除修复(nucleotideexcisionrepairing,NER),核苷酸切除修复在各种损伤中起作用,原核生物中切除修复过程比较简单真核生物中切除修复过程比较复杂,大约需要25种蛋白因子参加原核和真核都需要相应的核酸内切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶完成修复,E.coli的切除修复机制,切除修复,切除修复1,着色性干皮病(xerodermapigmentosum),缺乏核酸内切酶,切除修复机制不能进行,当皮肤受到紫外线照射后,DNA损伤不能修复,这类患者易患皮肤癌。
损伤的模板,有缺口子链,有损伤DNA,正常的模板,无缺口子链,复制,RecA,随复制次数增多,损伤链所占比例越来越小,逐渐被“稀释”掉,(三)重组修复,重组修复,(四)SOS修复,当DNA损伤广泛难以继续复制时,这种紧急状态将诱导SOS修复。
这种修复特异性低,对碱基的识别、选择能力差。
通过SOS修复,细胞是可存活的。
然而DNA保留的错误较多,导致较广泛突变。
在E.coli,各种与SOS修复有关的基因,组成一个称为调节子(regulon)的网络式调控系统。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 生物化学 课件 12 DNA 生物 合成