DNA的生物合成精簡

1、1會計學(xué)DNA的生物合成精簡的生物合成精簡（一）中心法則（一）中心法則逆轉(zhuǎn)錄：以逆轉(zhuǎn)錄：以RNARNA為模板為模板，合成出，合成出cDNAcDNA的過程。的過程。轉(zhuǎn)錄酶轉(zhuǎn)錄酶是是DNADNA指導(dǎo)指導(dǎo)下的下的RNARNA合成酶合成酶逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶是是RNARNA指指導(dǎo)下的導(dǎo)下的DNADNA聚合酶聚合酶南京南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)大學(xué)（二）（二）DNADNA的生物合成的生物合成2.1 2.1 原核生物原核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制一、一、DNADNA的半保留復(fù)制的半保留復(fù)制父鏈父鏈子鏈子鏈DNADNA雙鏈解開，以雙鏈解開，以每條單每條單鏈為模板鏈為模板，合成其互補，合成其互補的子鏈，成為的子鏈，成為兩

2、個相同兩個相同的子代的子代DNADNA，其中每個子，其中每個子代代DNADNA分子分子擁有親代和新?lián)碛杏H代和新合成的鏈各一條合成的鏈各一條。1. 1. 定義定義驗證實驗：驗證實驗：密度梯度離心實驗密度梯度離心實驗 含含15N-DNA的細菌的細菌培養(yǎng)于含培養(yǎng)于含14N的普的普通培養(yǎng)基通培養(yǎng)基 第一代第一代繼續(xù)培養(yǎng)于繼續(xù)培養(yǎng)于含含14N的普的普通培養(yǎng)基通培養(yǎng)基 第二代第二代20012001年年上海交大上海交大類似題目類似題目2002南農(nóng)大南農(nóng)大二、二、DNADNA的半不連續(xù)復(fù)制的半不連續(xù)復(fù)制前導(dǎo)鏈前導(dǎo)鏈后隨鏈后隨鏈岡崎岡崎片段片段 新鏈按新鏈按5-3方向合成方向合成 前導(dǎo)鏈為連續(xù)合成前導(dǎo)鏈為連續(xù)合

3、成 后隨鏈的合成不連續(xù)，后隨鏈的合成不連續(xù)，由許多岡崎片段組成由許多岡崎片段組成南京南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)大學(xué) 1. DNA聚合酶（聚合酶（DNA polymease）三、參與三、參與DNADNA復(fù)制的酶復(fù)制的酶5 u ucgagccgagcu uagag- -OHOH 3 5 u ucgagccgagcu uagagDNA poldNTP3 agctcgatcgtagcctagcgtagcagtgcacgatc agctcgatcgtagcctagcgtagcagtgcacgatc 5 3 agctcgatcgtagcctagcgtagcagtgcacgatc agctcgatcgtagcctag

4、cgtagcagtgcacgatc 5 catcggatcgcatcgtcacgtgctagcatcggatcgcatcgtcacgtgctag 3 (dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 + PPi DNA聚合酶聚合酶DNA模板，模板，Mg2+ 5 5 3 3 聚合作用聚合作用只聚合，不連接。能量來自dNTP中磷酸酐鍵的斷裂和焦磷酸水解產(chǎn)生的能量。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

5、變的能切除突變的 DNA片段和片段和RNA引物。引物。能辨認錯配的堿基對，并將其水解，起校對作用。能辨認錯配的堿基對，并將其水解，起校對作用。 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 DNA聚合酶聚合酶催化活性催化活性功功 能能5 3 聚合聚合3 5 外切外切5533 外切外切原原核核生生物物DNADNA聚合酶聚合酶切除引物切除引物，修復(fù)修復(fù)DNADNA聚合酶聚合酶 修復(fù)（活性低）修復(fù)（活性低）DNADNA聚合酶聚合酶鏈的延長鏈的延長（活性高）（活性高）E.ColiE.Coli有至少五種有至少五種DNADNA聚合酶聚合酶 DNA聚合酶聚合酶和和是1999年新發(fā)現(xiàn)的。當DNA受到嚴重損傷時，生物體可誘導(dǎo)產(chǎn)

6、生兩種酶，但它們的修復(fù)準確率低，會導(dǎo)致生物的高變異率。20082008年農(nóng)學(xué)聯(lián)考年農(nóng)學(xué)聯(lián)考05年中科院考題中，問的是“負責DNA復(fù)制的酶”。E.ColiE.Coli DNA DNA聚合酶聚合酶I I的酶活性有哪些？該酶在復(fù)的酶活性有哪些？該酶在復(fù)制中的主要作用又是什么？制中的主要作用又是什么？20042004南農(nóng)大南農(nóng)大POO-O-O35DNA連接連接酶酶ATPADP53HO5POO-O-O353作用：催化雙鏈作用：催化雙鏈DNADNA的切口連接成的切口連接成3 3,5,5-磷酸二酯鍵。磷酸二酯鍵。注意：此酶不能將注意：此酶不能將兩條游離的兩條游離的DNADNA單鏈單鏈連接起來。連接起來。 2

7、. DNA連接酶（連接酶（DNA ligase）需能：大腸桿菌中以需能：大腸桿菌中以NADHNADH為能量，動物以為能量，動物以ATPATP為能量。為能量。作用：通過水解作用：通過水解ATPATP釋放的能量，解開雙鏈釋放的能量，解開雙鏈DNADNA中堿基中堿基配對的配對的氫鍵氫鍵，使，使DNADNA變?yōu)閱捂溩優(yōu)閱捂溄庑附庑窤TP 3. 使使DNA雙螺旋解開所需的酶或蛋白質(zhì)雙螺旋解開所需的酶或蛋白質(zhì)（1）DNA解（螺）旋酶（解（螺）旋酶（DNA helicase）大部分解旋酶沿模板大部分解旋酶沿模板DNADNA一條鏈一條鏈5 533方向移動，與復(fù)制叉方向移動，與復(fù)制叉前進前進同向同向；rep

8、rep蛋白蛋白等則沿著模板等則沿著模板DNADNA另一另一條鏈條鏈3 355方向移動，與復(fù)方向移動，與復(fù)制叉前進也是制叉前進也是同向同向。 與解開的單鏈與解開的單鏈DNADNA結(jié)合，防止重新形成雙鏈結(jié)合，防止重新形成雙鏈 防止核酸酶降解單鏈防止核酸酶降解單鏈DNADNA（2）單鏈結(jié)合蛋白）單鏈結(jié)合蛋白（single-strand binding protein，SSBP）1.1. 作用：作用：10108 8 局部解鏈局部解鏈（3）拓撲異構(gòu)酶（）拓撲異構(gòu)酶（topoisomerase） 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)DNADNA分子分子超螺旋超螺旋類型類型和數(shù)量和數(shù)量拓撲異構(gòu)酶拓撲異構(gòu)酶I I拓撲異構(gòu)酶拓撲異構(gòu)酶II

9、II使使DNADNA一條鏈一條鏈斷裂和再連斷裂和再連接接使使DNADNA兩條鏈兩條鏈斷裂和再連斷裂和再連接接反應(yīng)無需供能反應(yīng)無需供能反應(yīng)需要反應(yīng)需要ATPATP減少負超螺旋，準備進行減少負超螺旋，準備進行轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄引入負超螺旋，抵消復(fù)制引入負超螺旋，抵消復(fù)制叉移動時產(chǎn)生的正超螺旋叉移動時產(chǎn)生的正超螺旋與轉(zhuǎn)錄有關(guān)與轉(zhuǎn)錄有關(guān)與復(fù)制有關(guān)與復(fù)制有關(guān)2. 2. 類型類型南京南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)大學(xué)任何任何DNADNA聚合酶都不能從頭合成新的聚合酶都不能從頭合成新的DNADNA鏈，都只能在引物的基礎(chǔ)上延長鏈，都只能在引物的基礎(chǔ)上延長DNADNA鏈。鏈。催化這些引物合成的酶稱為引發(fā)酶，由催化這些引物合成的酶稱為引

10、發(fā)酶，由引發(fā)體介導(dǎo)合成。引發(fā)體介導(dǎo)合成。大腸桿菌中的引發(fā)酶是大腸桿菌中的引發(fā)酶是DnaGDnaG蛋白蛋白 4.引發(fā)酶（引發(fā)酶（primase）和引發(fā)體（）和引發(fā)體（primosome）引物多為RNADnaADnaA引發(fā)體引發(fā)體由引發(fā)前體與由引發(fā)前體與引發(fā)酶引發(fā)酶組裝而成組裝而成5 5 3 3 3 3 5 5 引發(fā)酶引發(fā)酶DnaCDnaC引發(fā)體引發(fā)體解螺旋酶解螺旋酶作用：作用：a.a.識別復(fù)制起點；識別復(fù)制起點；b.b.解開解開DNADNA雙鏈；雙鏈；c.c.引發(fā)引物引發(fā)引物RNARNA合合成。成。起始起始延長延長終止終止四、原核生物四、原核生物DNADNA的復(fù)制過程的復(fù)制過程1 1、復(fù)制的起始

11、、復(fù)制的起始 復(fù)制的起點和方向復(fù)制的起點和方向 RNA引物的合成引物的合成 起點的識別和雙鏈的解開起點的識別和雙鏈的解開該區(qū)域具有高度保守的該區(qū)域具有高度保守的重復(fù)序列，并重復(fù)序列，并富含富含ATAT序序列列，雙鏈容易分開。，雙鏈容易分開。 復(fù)制的起點和方向（復(fù)制的起點和方向（originorigin、oriori）原核生物只有一個復(fù)制起點，復(fù)制方向大多數(shù)原核生物只有一個復(fù)制起點，復(fù)制方向大多數(shù)是雙向的。是雙向的。真核染色體真核染色體DNADNA有有多個復(fù)制起點，形多個復(fù)制起點，形成多個復(fù)制眼，同成多個復(fù)制眼，同時雙向復(fù)制。時雙向復(fù)制。ori 起點的識別和雙鏈的解開起點的識別和雙鏈的解開a.D

12、naAa.DnaA蛋白識別蛋白識別起始位點，形成起始位點，形成起始復(fù)合物。起始復(fù)合物。 Dna A Dna B、 Dna C 拓撲異構(gòu)酶拓撲異構(gòu)酶SSB3 5 3 5 b.b.由由拓撲異構(gòu)酶拓撲異構(gòu)酶和和解鏈酶解鏈酶DnaBDnaB作用，作用，解開雙鏈。解開雙鏈。c. SSBc. SSB結(jié)合在兩結(jié)合在兩條單鏈條單鏈DNADNA上，形上，形成復(fù)制叉。成復(fù)制叉。稱為引發(fā)稱為引發(fā)前體或預(yù)前體或預(yù)引發(fā)體引發(fā)體3 5 3 5 在引物酶的催化下，以在引物酶的催化下，以DNA為模為模板，合成一段短的板，合成一段短的RNA片段作為片段作為引物，獲得引物，獲得3-OH。 引物引物3 HO5引物引物酶酶 引物引物

13、的合成的合成引物合成后，由引物合成后，由DNA polDNA pol催化，按堿基配對原則，催化，按堿基配對原則，將將dNTPdNTP逐一添加到引物逐一添加到引物3 3末端，形成磷酸二酯鍵，末端，形成磷酸二酯鍵，使新合成的鏈不斷延長。使新合成的鏈不斷延長。2 2、復(fù)制的延長、復(fù)制的延長 5 5 3 35 5dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH 33 3DNA-pol3岡崎片段555353前導(dǎo)鏈與復(fù)制叉前進與復(fù)制叉前進同向同向的子的子代代DNA合成是合成是連續(xù)的連續(xù)的，叫叫先導(dǎo)鏈（領(lǐng)頭鏈）先導(dǎo)鏈（領(lǐng)頭鏈）；與復(fù)制叉前進與復(fù)制叉前進反向反向的子代的子代DNA合成是合成

14、是不連續(xù)的不連續(xù)的，叫叫后隨鏈（岡崎片段）后隨鏈（岡崎片段）半半不不連連續(xù)續(xù)復(fù)復(fù)制制 引物酶引物酶在復(fù)制原點附近合成在復(fù)制原點附近合成一段一段RNA引物引物； DNA pol在引物的在引物的3末端末端逐個添加脫氧核苷酸。逐個添加脫氧核苷酸。 隨著復(fù)制叉的推進，親代隨著復(fù)制叉的推進，親代DNA雙螺旋不斷被解開，雙螺旋不斷被解開，先導(dǎo)鏈也不斷延伸。先導(dǎo)鏈也不斷延伸。 先導(dǎo)鏈的合成先導(dǎo)鏈的合成復(fù)制叉的推進復(fù)制叉的推進 后隨鏈的合成后隨鏈的合成引物的合成引物的合成岡崎片段的合成岡崎片段的合成后隨鏈的每個岡崎片段都需后隨鏈的每個岡崎片段都需要合成要合成RNARNA引物。引物。DNADNA聚合酶聚合酶在引

15、物的在引物的33末端使末端使DNADNA鏈延伸，直至鏈延伸，直至抵達其下游的另一個岡崎片段的抵達其下游的另一個岡崎片段的RNARNA引物的引物的55端。端。RNARNA引物引物DNA pol IDNA pol IDNA pol IDNA pol IDNADNA連接酶連接酶岡崎片段的連結(jié)：岡崎片段的連結(jié)：前導(dǎo)鏈前導(dǎo)鏈后隨鏈后隨鏈3 35 53 35 5延延 長長5 55 55 53 33 35 53 33 35 5SSBSSBDNA DNA PolymerasePolymerase岡崎岡崎片斷片斷RNARNA引物引物引物酶引物酶5 53 35 5TOPO解旋酶解旋酶雙向復(fù)制的環(huán)狀雙向復(fù)制的環(huán)狀D

16、NADNA分子，匯合點就是復(fù)制終止點；分子，匯合點就是復(fù)制終止點；在在DNADNA聚合酶聚合酶I I的作用下，切除引物的作用下，切除引物RNARNA，填補空缺，填補空缺DNADNA；在；在連接酶連接酶作用下，連接各子鏈作用下，連接各子鏈DNADNA。3 3、復(fù)制的終止、復(fù)制的終止 小小 結(jié)結(jié)主要成員主要成員 主要作用主要作用解旋酶解旋酶 斷開氫鍵，解開斷開氫鍵，解開DNADNA雙鏈雙鏈SSB SSB 穩(wěn)定解開的單鏈穩(wěn)定解開的單鏈DNADNA引發(fā)酶引發(fā)酶 合成合成RNARNA引物。與引發(fā)前體形成引發(fā)體。引物。與引發(fā)前體形成引發(fā)體。 拓撲異構(gòu)酶拓撲異構(gòu)酶 使使DNADNA解旋解旋DNADNA聚合酶

17、聚合酶 水解引物、水解引物、DNADNA復(fù)制、修復(fù)作用復(fù)制、修復(fù)作用DNADNA連接酶連接酶 催化雙鏈催化雙鏈DNADNA中單鏈缺口的連接中單鏈缺口的連接問答題：請從參與E.coli DNA復(fù)制所需的酶和因子中，選取五種不同功能的酶或因子，列表說明各自的作用。2002南農(nóng)大終止：終止：DNADNA聚合酶聚合酶I I切除引物并填補空缺切除引物并填補空缺DNADNA連接酶連接酶連上缺口連上缺口延伸：延伸：DNADNA聚合酶聚合酶催化延長催化延長先導(dǎo)鏈先導(dǎo)鏈：5 5-3-3方向連續(xù)合成；方向連續(xù)合成；后隨鏈后隨鏈：岡崎片段的不連續(xù)合成：岡崎片段的不連續(xù)合成20072007年年中科院中科院 DNADN

18、A復(fù)制中有哪些確保準確性的措施？復(fù)制中有哪些確保準確性的措施？20052005年年南農(nóng)大南農(nóng)大2.2 2.2 原核與真核生物原核與真核生物 DNA DNA復(fù)制的差異復(fù)制的差異原原 核核真真 核核單點復(fù)制（一個復(fù)制子）單點復(fù)制（一個復(fù)制子）可多次連續(xù)發(fā)動復(fù)制可多次連續(xù)發(fā)動復(fù)制多點復(fù)制（多個復(fù)制子）多點復(fù)制（多個復(fù)制子）一個細胞周期僅復(fù)制一次一個細胞周期僅復(fù)制一次主要復(fù)制酶為主要復(fù)制酶為DNA DNA polpol有多種聚合酶有多種聚合酶引物和岡崎片段長引物和岡崎片段長引物和岡崎片段短引物和岡崎片段短有端粒和端粒酶有端粒和端粒酶無核小體無核小體DNADNA與組蛋白構(gòu)成核小體與組蛋白構(gòu)成核小體2.3

19、 2.3 逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄20092009年農(nóng)學(xué)聯(lián)考年農(nóng)學(xué)聯(lián)考20032003年年西南農(nóng)業(yè)大學(xué)西南農(nóng)業(yè)大學(xué)20072007年年中科院中科院2.4 DNA2.4 DNA的損傷與修復(fù)的損傷與修復(fù)一、一、DNADNA損傷的類型及產(chǎn)生的原因損傷的類型及產(chǎn)生的原因轉(zhuǎn)換、顛換移碼突變例如吖啶類化合物UV雙鏈間雙鏈間H H鍵作用被鍵作用被破壞，引起了破壞，引起了DNADNA變形，妨礙了變形，妨礙了DNADNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄等的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄等作用。作用。1. 直接修復(fù)直接修復(fù)（1）光修復(fù)）光修復(fù) 可見光可見光（400 700nm）可激活可激活光復(fù)活酶光復(fù)活酶切開切開嘧嘧啶二聚體啶二聚體，恢復(fù)成正常，恢復(fù)成正常DNA結(jié)

20、構(gòu)的過程。結(jié)構(gòu)的過程。注意：注意：v只適合于紫外光引起的只適合于紫外光引起的DNADNA嘧啶二聚體損傷；嘧啶二聚體損傷；v高等哺乳動物沒有！高等哺乳動物沒有！二、修復(fù)的方式與機制二、修復(fù)的方式與機制（2）其它酶直接修復(fù)）其它酶直接修復(fù) 如：如：O O6 6- -甲基鳥嘌呤甲基鳥嘌呤-DNA-DNA甲基轉(zhuǎn)移酶甲基轉(zhuǎn)移酶 當堿基當堿基G G烷基化形成烷基化形成O O6 6- -甲基鳥嘌呤時，該酶甲基鳥嘌呤時，該酶可以識別并將可以識別并將O O6 6位的甲基轉(zhuǎn)移到酶自身基團上，位的甲基轉(zhuǎn)移到酶自身基團上，使使G G恢復(fù)正常?；謴?fù)正常。UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶聚合酶OHPDNA連接酶

21、連接酶ATP切開切開核酸內(nèi)切酶核酸內(nèi)切酶切除切除核酸外切酶核酸外切酶聚合聚合聚合酶聚合酶,連接連接DNA連接酶連接酶2. 切除修復(fù)切除修復(fù)v此修復(fù)利用的是此修復(fù)利用的是化學(xué)能化學(xué)能ATP，所以也叫，所以也叫暗修復(fù)暗修復(fù)。v包括包括 核苷酸核苷酸切除修復(fù)切除修復(fù) 堿基堿基切除修復(fù)切除修復(fù)將受損傷的單鏈部分切除，并以另一條完整將受損傷的單鏈部分切除，并以另一條完整的的DNADNA鏈為模板，合成出新的被切去的部分。鏈為模板，合成出新的被切去的部分。3. 錯配修復(fù)錯配修復(fù)v 修復(fù)修復(fù)DNA復(fù)制中新合成復(fù)制中新合成DNA鏈上的錯配堿基鏈上的錯配堿基v 利用是否甲基化區(qū)分新合成的利用是否甲基化區(qū)分新合成的

22、DNA鏈和模板鏈鏈和模板鏈 甲基化：模板鏈（舊鏈）甲基化：模板鏈（舊鏈） 未甲基化：新鏈未甲基化：新鏈v 切除未甲基化的鏈切除未甲基化的鏈 以甲基化的鏈為模板進行修復(fù)合成以甲基化的鏈為模板進行修復(fù)合成在緊急情況下，應(yīng)急產(chǎn)生在緊急情況下，應(yīng)急產(chǎn)生校對功能低的修復(fù)酶校對功能低的修復(fù)酶，采，采用填補任何堿基的修復(fù)方式。用填補任何堿基的修復(fù)方式。4. SOS反應(yīng)與修復(fù)反應(yīng)與修復(fù)這是具有差錯的修復(fù)，變異率高這是具有差錯的修復(fù)，變異率高南京南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)大學(xué)5. 重組修復(fù)重組修復(fù)損傷的損傷的DNA先進行復(fù)制，先進行復(fù)制，在子代在子代DNA損傷互補的部損傷互補的部位出現(xiàn)缺口。位出現(xiàn)缺口。通過分子間重組，將同源通過分子間重組，將同源DNA的母鏈上相應(yīng)完好的的母鏈上相應(yīng)完好的片斷移至缺口處，再填補重片斷移至缺口處，再填補重組產(chǎn)生的缺口。組產(chǎn)生的缺口。v子代子代DNAv 損傷并未消損傷并未消除 ， 但 被除 ， 但 被 “稀釋稀釋”了。了。 被修復(fù)的對象是什么？被修復(fù)的對象是什么？損傷被完全修復(fù)了嗎？損傷被完全修復(fù)了嗎？20022002年年華東理工大學(xué)華東理工大學(xué)哪些因素能引起哪些因素能引起DNADNA損傷？生物體是如何進行修復(fù)損傷？生物體是如何進行修復(fù)的？這些機制對生物體有何意義？的？這些機制對生物體有何意義？ DNA DNA損傷的修復(fù)機制保證了生物