2023年春第十一DNA合成（教学课件）.ppt

生物化学与分子生物学教研室生物化学与分子生物学教研室 BiochemistryBiochemistry Department of Biochemistry&Molecular Biology 燕燕 秋秋 第十一章第十一章 DNA的生物合成的生物合成 (DNA Biosynthesis)1953年年 Watson&Crick提出提出DNA双螺旋结构模型。双螺旋结构模型。1958年年 Crick提出了“中心法那么提出了“中心法那么,揭示了遗传信息的传递规揭示了遗传信息的传递规律。律。Reverse transcription 中心法那么中心法那么(Central Dogma)Replication 贮存遗传信息贮存遗传信息 直接模板直接模板 有功能的产物有功能的产物 复制复制 转录转录 翻译翻译 1868年年 Miescher 从脓细胞细胞核中提取到“核素从脓细胞细胞核中提取到“核素 1944年年 Avery 证实证实 DNA 是遗传物质是遗传物质 1953年年 Watson 和和 Crick 提出提出 DNA 双螺旋结构模型双螺旋结构模型 1965年年 Nirenberg 确定遗传密码表确定遗传密码表 1975年年 Temin 和和 Baltimore 发现逆转录酶发现逆转录酶 1981年年 Gilbert 和和 Sanger 建立建立 DNA 序列测定方法序列测定方法 1985年年 Mullis 创造创造 PCR 技术技术 1990年年 美国启动人类基因组方案美国启动人类基因组方案 2001年年 绘制人类基因组草图绘制人类基因组草图 有关核酸研究的重大进展有关核酸研究的重大进展 第三篇第三篇 遗传信息的传递遗传信息的传递 第十一章第十一章 DNA DNA 的生物合成的生物合成 第十二章第十二章 RNA RNA 的生物合成的生物合成 第十三章第十三章 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 第十二章第十二章 DNA的生物合成的生物合成 第一节第一节 DNA复制的一般规律复制的一般规律 一、一、DNA的半保存复制的半保存复制 二、二、DNA的双向复制的双向复制 三、三、DNA的半不连续复制的半不连续复制 四、四、DNA复制需引物复制需引物 五、五、DNA复制的高保真性复制的高保真性 第二节第二节 参与真核生物参与真核生物DNA复制的有关酶类及蛋白因子复制的有关酶类及蛋白因子 第三节第三节 真核生物真核生物DNA的复制过程的复制过程 一、一、DNA复制的起始复制的起始 二、二、DNA链的延伸链的延伸 三、三、DNA复制的终止的合成复制的终止的合成 四、端粒四、端粒DNA的合成的合成 第四节第四节 原核生物原核生物DNA的复制过程的复制过程 一、参与原核生物一、参与原核生物DNA复制的酶类及蛋白因子复制的酶类及蛋白因子 二、原核生物二、原核生物DNA的复制过程的复制过程 第五节第五节 反转录过程及其他方式的复制反转录过程及其他方式的复制 一、反转录过程一、反转录过程 二、线粒体二、线粒体DNA的复制的复制 三、噬菌体三、噬菌体DNA的滚环复制的滚环复制 第六节第六节 DNA的损伤和修复的损伤和修复 一、基因突变一、基因突变 二、二、DNA损伤的修复损伤的修复 学习策略：学习策略：根本概念根本概念 比照真核与原核生物复制的特点比照真核与原核生物复制的特点 第一节第一节 DNADNA复制的一般规律复制的一般规律 General Survey of DNA General Survey of DNA ReplicationReplication 真核细胞真核细胞DNA复制的时期复制的时期-S期期 G1G1期期DNADNA合成前期合成前期、S S期期DNADNA合成期合成期、G2G2期期DNADNA合成合成后期后期、M M期期有丝分裂期有丝分裂期。S S期：细胞内的期：细胞内的dNTPdNTP含量和含量和DNADNA聚合酶活性，以及聚合酶活性，以及DNADNA合成速合成速度均达顶峰。度均达顶峰。1957年Matthew Meselson和Franklin Stahl证明了DNA的半保存复制方式。一、一、DNA 的半保存复制的半保存复制 半保存复制的实验依据半保存复制的实验依据 1.1.同位素标记技术：同位素标记技术：1515，1414NHNH4 4ClCl 3.DNA3.DNA别离技术别离技术 4.4.密度梯度离心技术：密度梯度离心技术：1515NHNH4 4Cl Cl 1414NHNH4 4ClCl 2.2.细菌培养技术细菌培养技术 实验结果实验结果：semi-conservative replication:DNA复制过程中，两条多核苷酸链之间复制过程中，两条多核苷酸链之间的氢键断裂，以每条链各作为模板合成新的氢键断裂，以每条链各作为模板合成新的互补链。这样新形成的两个子代的互补链。这样新形成的两个子代DNA分分子与原来子与原来DNA分子的碱基顺序完全一样。分子的碱基顺序完全一样。每个子代分子的一条链来自亲代每个子代分子的一条链来自亲代DNA。另。另一条链那么是新合成的，这种复制方式称一条链那么是新合成的，这种复制方式称为半保存复制。为半保存复制。半保存复制半保存复制 1.两条链在局部解开两条链在局部解开,以利于复制。以利于复制。2.局部解旋引起周围区域过度缠绕局部解旋引起周围区域过度缠绕,需要拓朴异构需要拓朴异构 酶解旋及解链。酶解旋及解链。3.DNA聚合酶以聚合酶以5到到3方向合成。一条链的合成方向合成。一条链的合成 是连续的，而另一条链的合成那么是不连续的。是连续的，而另一条链的合成那么是不连续的。4.DNA复制的“高保真复制的“高保真性，校正机制保证正确性。性，校正机制保证正确性。5.DNA的合成迅速，有许多酶及蛋白因子。的合成迅速，有许多酶及蛋白因子。6.复制器本身不能复制线性复制器本身不能复制线性DNA的末端，端粒酶参的末端，端粒酶参与端粒的复制。与端粒的复制。DNA复制的一般特点复制的一般特点 二、二、DNA的双向复制的双向复制 一一DNA复制起始过程复制起始过程 复制是在特殊的位置上开始的，此位置称复复制是在特殊的位置上开始的，此位置称复制起始点制起始点origins of replication,ori。真核。真核生物有多个复制起始点。生物有多个复制起始点。每个复制点的形状象一个叉子，故称为复每个复制点的形状象一个叉子，故称为复制叉制叉(replication fork)。真核基因组真核基因组由多个染色体组成，每个染色体有由多个染色体组成，每个染色体有多个复制起点多个复制起点，形成，形成多个复制叉多个复制叉。两个相邻复制。两个相邻复制起点之间的距离为一个复制子起点之间的距离为一个复制子(replicon)。104-105bp。细菌基因组细菌基因组为环状为环状DNADNA，只有一个复制起点，但，只有一个复制起点，但 DNADNA从复制起点向两个方向解链，形成两个复制叉，从复制起点向两个方向解链，形成两个复制叉，称为称为双向复制双向复制 (bidirectional replication)(bidirectional replication)。细菌质粒细菌质粒DNADNA和病毒和病毒DNADNA的复制为单向复制。的复制为单向复制。(unidirectional replication)(unidirectional replication)。三、三、DNADNA的半不连续复制的半不连续复制 3 5 3 5 解链方向解链方向 前导链（领头链）前导链（领头链）(leading strand)后随链（随从链）后随链（随从链）(lagging strand)四、四、DNA复制需引物复制需引物 RNA引物。五、五、DNA复制的高保真性复制的高保真性 proofreading(校正)第二节第二节 参与真核生物参与真核生物DNA复制复制 的有关酶类及蛋白因子的有关酶类及蛋白因子 表表11-1 真核生物真核生物DNA复制的两种主要聚合酶及有关因子复制的两种主要聚合酶及有关因子 一、一、DNA聚合酶聚合酶DNA polymerase dNTP为底物，为底物，DNA为模板为模板,催化脱氧多核苷酸链在催化脱氧多核苷酸链在3-OH端与另一个脱氧核苷三磷酸的端与另一个脱氧核苷三磷酸的5-磷酸生成磷酸二酯键，从磷酸生成磷酸二酯键，从而延长多核苷酸链。又称为而延长多核苷酸链。又称为DNA指导的指导的DNA聚合酶聚合酶DNA-directed DNA polymerase,DDDP。需需Mg2+。方向：方向：53。(dNMP)n+dNTP (dNMP)n+1+PPi 5-磷酸二酯键磷酸二酯键 方向方向：5 真核生物的真核生物的DNA聚合酶的分类及功能聚合酶的分类及功能 表表11-2真核细胞真核细胞DNA聚合酶的分类及功能聚合酶的分类及功能 酶的名称酶的名称 功能功能 Pol 引物合成及后随链局部合成引物合成及后随链局部合成 Pol 碱基切除修复碱基切除修复 Pol 线粒体线粒体DNA复制复制 Pol 主要复制酶主要复制酶 Pol 不清楚，复制或修复不清楚，复制或修复 Pol 损伤旁路修复损伤旁路修复 Pol 损伤旁路修复损伤旁路修复 Pol 损伤旁路修复损伤旁路修复 表表12-3 真核生物的真核生物的DNA聚合酶的性质聚合酶的性质 DNA聚合酶 蛋白质分子量K 250 3638 160300 170 256 细胞定位 核 核 线粒体 核 核 相关连酶的活性 3 5外切酶 无 无 有 有 有 引物酶 有 无 无 无 无 35 核酸外切核酸外切酶酶 能识别错配的碱基对，并将其水解。能识别错配的碱基对，并将其水解。DNADNA复制复制的高保真性的高保真性 DNADNA复制过程是一个高度精确的过程，保证复制忠实复制过程是一个高度精确的过程，保证复制忠实性的原因主要有以下三点性的原因主要有以下三点:严格遵循碱基互补配对原那么严格遵循碱基互补配对原那么 DNADNA聚合酶在复制过程中对碱基的选择功能聚合酶在复制过程中对碱基的选择功能 复制出错时的即时校读功能复制出错时的即时校读功能 遗传和变异遗传和变异 53 核酸外切核酸外切酶活性酶活性 5 5 3 3 外切酶活性外切酶活性,能切除突变的能切除突变的 DNADNA片段。片段。二、引发酶二、引发酶primerase 又称引物酶。在又称引物酶。在DNADNA复制过程中，需要合成一复制过程中，需要合成一小段小段RNARNA引物引物primerprimer。RNARNA引物的碱基与引物的碱基与DNADNA模模板互补，并为板互补，并为DNADNA的合成提供游离的的合成提供游离的3 3-OHOH末端。末端。3 3 5 DNA单链模板单链模板 A T G G C T A T T G A A U A C C G A OH ppp OH T 5 3 RNA引物引物 三、拓扑异构酶三、拓扑异构酶 topoisomerase 作用：切断并连接作用：切断并连接DNADNA双链中的一股或双股，改变双链中的一股或双股，改变 DNADNA分子拓扑构象，防止分子拓扑构象，防止DNADNA分子打结、缠绕、分子打结、缠绕、连环，在复制的全程中都起作用。连环，在复制的全程中都起作用。类型：拓扑异构酶类型：拓扑异构酶I I：切断：切断DNADNA双链中一股并再连接双链中一股并再连接 断端，反响不需断端，反响不需ATPATP供能；供能；拓扑异构酶拓扑异构酶IIII：使：使DNADNA双链同时发生断裂和再双链同时发生断裂和再 连接，需连接，需ATPATP供能。供能。举例：抗肿瘤药物的靶点举例：抗肿瘤药物的靶点 四、解四、解螺螺旋酶旋酶 helicase 解开解开DNADNA双螺旋，其作用是在复制叉前解开一小段双螺旋，其作用是在复制叉前解开一小段DNADNA。五、单链五、单链DNA结合蛋白结合蛋白 single-strand DNA binding protein,SSB 作用：结合单链。作用：结合单链。维持模板的单链状态维持模板的单链状态,并