《生物化學(xué)與分子生物學(xué)教學(xué)》dna的生物合成課件

遺傳信息的傳遞第三篇遺傳信息的傳遞第三篇1中心法則(TheCentralDogma)轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制DNARNA蛋白質(zhì)中心法則(TheCentralDogma)轉(zhuǎn)錄2除了某些以RNA為基因組的RNA病毒外，基因通常是指染色體或基因組的一段DNA序列?；虬ň幋a序列（外顯子）、調(diào)控序列和間隔序列（內(nèi)含子）。基因（gene）：編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特定功能產(chǎn)物的、負(fù)載遺傳信息的基本單位。除了某些以RNA為基因組的RNA病毒外，基因通常是指染色體或3基因組（genome）：一個生物體內(nèi)所有遺傳信息的總和。人類基因組包含了細(xì)胞核染色體DNA（常染色體和性染色體）及線粒體DNA所攜帶的所有遺傳物質(zhì)?；蚪M（genome）：一個生物體內(nèi)所有遺傳信息的總和。人類4第十四章DNA的生物合成DNABiosynthesis(Replication)第十四章DNA的生物合成復(fù)制(replication)是以DNA為模板的DNA合成，是基因組的復(fù)制過程。在這個過程中，親代DNA作為合成模板，按照堿基配對原則合成子代分子，其化學(xué)本質(zhì)是酶促脫氧核苷酸聚合反應(yīng)。復(fù)制親代DNA子代DNA復(fù)制(replication)是以DNA為模板的DNA合成DNA復(fù)制的基本特征BasicRulesofDNAReplication第一節(jié)DNA復(fù)制的基本特征第一節(jié)半保留復(fù)制(semi-conservativereplication)雙向復(fù)制(bidirectionalreplication)半不連續(xù)復(fù)制(semi-discontinuousreplication)DNA復(fù)制的主要特征半保留復(fù)制(semi-conservativereplic一、DNA以半保留方式進(jìn)行復(fù)制DNA生物合成時，母鏈DNA解開為兩股單鏈，各自作為模板(template)按堿基配對規(guī)律，合成與模板互補(bǔ)的子鏈。子代細(xì)胞的DNA，一股單鏈從親代完整地接受過來，另一股單鏈則完全從新合成。兩個子細(xì)胞的DNA都和親代DNA堿基序列一致。這種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。半保留復(fù)制的概念:一、DNA以半保留方式進(jìn)行復(fù)制DNA生物合成時，母鏈DN子鏈繼承母鏈遺傳信息的幾種可能方式:

全保留半保留式混合式子鏈繼承母鏈遺傳信息的幾種可能方式:全保留密度梯度實(shí)驗(yàn):——實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持半保留復(fù)制的設(shè)想。含15N-DNA的細(xì)菌培養(yǎng)于普通培養(yǎng)液

第一代繼續(xù)培養(yǎng)于普通培養(yǎng)液

第二代梯度離心結(jié)果密度梯度實(shí)驗(yàn):——實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持半保留復(fù)制的設(shè)想。含15N-按半保留復(fù)制方式，子代DNA與親代DNA的堿基序列一致，即子代保留了親代的全部遺傳信息，體現(xiàn)了遺傳的保守性。半保留復(fù)制的意義:遺傳的保守性，是物種穩(wěn)定性的分子基礎(chǔ)，但不是絕對的。按半保留復(fù)制方式，子代DNA與親代DNA的堿基序列一致，即子AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母鏈DNA復(fù)制過程中形成的復(fù)制叉子代DNAATCGATTAATAT+母鏈DNA復(fù)制過程中形成的復(fù)制叉子原核生物基因組是環(huán)狀DNA，只有一個復(fù)制起點(diǎn)（origin）。復(fù)制從起點(diǎn)開始，向兩個方向進(jìn)行解鏈，進(jìn)行的是單點(diǎn)起始雙向復(fù)制。二、DNA復(fù)制從起點(diǎn)向兩個方向延伸復(fù)制中的放射自顯影圖象原核生物基因組是環(huán)狀DNA，只有一個復(fù)制起點(diǎn)（origin）A.環(huán)狀雙鏈DNA及復(fù)制起始點(diǎn)B.復(fù)制中的兩個復(fù)制叉C.復(fù)制接近終止點(diǎn)(termination,ter)oriterABCA.環(huán)狀雙鏈DNA及復(fù)制起始點(diǎn)oriterA真核生物每個染色體有多個起始點(diǎn)，是多復(fù)制子的復(fù)制。習(xí)慣上把兩個相鄰起始點(diǎn)之間的距離定為一個復(fù)制子(replicon)

。復(fù)制子是獨(dú)立完成復(fù)制的功能單位。5’3’oriorioriori5’3’真核生物每個染色體有多個起始點(diǎn)，是多復(fù)制子的復(fù)制。習(xí)慣上把兩5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’復(fù)制3’5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’三、DNA復(fù)制反應(yīng)呈半不連續(xù)特征3

5

3

5

解鏈方向3′5′3′3′5′領(lǐng)頭鏈(leadingstrand)后隨鏈(laggingstrand)三、DNA復(fù)制反應(yīng)呈半不連續(xù)特征3535解鏈方向3′順著解鏈方向生成的子鏈，復(fù)制是連續(xù)進(jìn)行的，這股鏈稱為領(lǐng)頭鏈(leadingstrand)

。另一股鏈因?yàn)閺?fù)制的方向與解鏈方向相反，不能順著解鏈方向連續(xù)延長，這股不連續(xù)復(fù)制的鏈稱為后隨鏈(laggingstrand)

。復(fù)制中的不連續(xù)片段稱為岡崎片段(okazakifragment)。領(lǐng)頭鏈連續(xù)復(fù)制而隨從鏈不連續(xù)復(fù)制，就是復(fù)制的半不連續(xù)性。順著解鏈方向生成的子鏈，復(fù)制是連續(xù)進(jìn)行的，這股鏈稱為領(lǐng)頭鏈(DNA復(fù)制的酶學(xué)和拓?fù)鋵W(xué)變化第二節(jié)TheEnzymologyandTopologyofDNAReplicationDNA復(fù)制的酶學(xué)和拓?fù)鋵W(xué)變化第二節(jié)TheEnzymol參與DNA復(fù)制的物質(zhì):底物(substrate):

dATP,dGTP,dCTP,dTTP；聚合酶(polymerase):

依賴DNA的DNA聚合酶，簡寫為DNA-pol；模板(template):

解開成單鏈的DNA母鏈；引物(primer):

提供3

-OH末端使dNTP可以依次聚合；其他的酶和蛋白質(zhì)因子。參與DNA復(fù)制的物質(zhì):底物(substrate):dAT(dNMP)n

+dNTP→(dNMP)n+1

+PPiRNA引物RNA引物子代DNA(dNMP)n+dNTP→(dNMP)n+1+P聚合反應(yīng)的特點(diǎn):DNA新鏈生成需RNA引物和模板；新鏈的延長只可沿5→3

方向進(jìn)行。聚合反應(yīng)的特點(diǎn):DNA新鏈生成需RNA引物和模板；一、DNA聚合酶催化脫氧核苷酸間的聚合全稱：依賴DNA的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase)簡稱：DNA-pol活性：1.5

3

的聚合活性2.核酸外切酶活性一、DNA聚合酶催化脫氧核苷酸間的聚合全稱：依賴DNA的DN5′AGCTTCAGGATA

3′

|||||||||||3′TCGAAGTCCTAGCGAC5′3

5

外切酶活性:5

3

外切酶活性:?能切除突變的DNA片段;切除引物能辨認(rèn)錯配的堿基對，并將其水解。核酸外切酶活性:5′AGCTTCAG（一）原核生物有3種DNA聚合酶pol-Ipol-IIpol-III5′→3′聚合酶活性+++3′→5′外切酶活性+++5′→3′外切酶活性+––功能校讀填補(bǔ)空隙修復(fù)合成SOS修復(fù)復(fù)制的主要酶（一）原核生物有3種DNA聚合酶pol-Ipol-IIpol２個核心酶1個

-復(fù)合物（

、

、

、

、

、

6種亞基）1對

-亞基（可滑動的DNA夾子）DNA聚合酶Ⅲ全酶結(jié)構(gòu)全酶結(jié)構(gòu)包括：２個核心酶DNA聚合酶Ⅲ全酶結(jié)構(gòu)全酶結(jié)構(gòu)包括：

亞基（130000）主要功能是合成DNA

亞基具有3

5

外切酶活性（復(fù)制保真性所必需）

亞基可增強(qiáng)其活性

亞基可能起組裝作用核心酶由

、

和

亞基組成：兩側(cè)的β亞基發(fā)揮夾穩(wěn)DNA模板鏈，并使酶沿模板滑動的作用亞基（130000）主要功能是合成DNA核心酶由、和2個

-亞基分別和1個核心酶相互作用，其柔性連接區(qū)可以確保在復(fù)制叉1個全酶分子的2個核心酶能夠相對獨(dú)立運(yùn)動，分別負(fù)責(zé)合成前導(dǎo)鏈和后隨鏈。功能：有促進(jìn)全酶組裝至模板上及增強(qiáng)核心酶活性的作用

-復(fù)合物由6種亞基組成：

、

、

、

、

、

2個-亞基分別和1個核心酶相互作用，其柔性連接區(qū)可以確保在功能：DNA-polⅠ（109kD）對復(fù)制中的錯誤進(jìn)行校讀，對復(fù)制和修復(fù)中出現(xiàn)的空隙進(jìn)行填補(bǔ)。功能：DNA-polⅠ（109kD）對復(fù)制中的錯誤進(jìn)行校323個氨基酸小片段5

核酸外切酶活性大片段/Klenow片段

604個氨基酸DNA聚合酶活性

5

核酸外切酶活性N端C端木瓜蛋白酶DNA-polⅠKlenow片段是實(shí)驗(yàn)室合成DNA，進(jìn)行分子生物學(xué)研究中常用的工具酶。

323個氨基酸小片段5核酸外切酶活性大片段/KlDNA-polⅡ（120kD）DNA-polII基因發(fā)生突變，細(xì)菌依然能存活。DNA-polⅡ?qū)δ０宓奶禺愋圆桓撸词乖谝寻l(fā)生損傷的DNA模板上，它也能催化核苷酸聚合。因此認(rèn)為，它參與DNA損傷的應(yīng)急狀態(tài)修復(fù)。DNA-polⅡ（120kD）DNA-polII基因發(fā)生（二）常見的真核細(xì)胞DNA聚合酶有5種DNA-pol

起始引發(fā)，有引物酶活性。延長子鏈的主要酶，有解螺旋酶活性。參與低保真度的復(fù)制(應(yīng)急修復(fù))。在復(fù)制過程中起校讀、修復(fù)和填補(bǔ)缺口的作用。在線粒體DNA復(fù)制中起催化作用。DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

（二）常見的真核細(xì)胞DNA聚合酶有5種DNA-pol起始真核生物的DNA聚合酶真核生物的DNA聚合酶二、DNA聚合酶的堿基選擇和校對功能實(shí)現(xiàn)復(fù)制的保真性復(fù)制按照堿基配對規(guī)律進(jìn)行，是遺傳信息能準(zhǔn)確傳代的基本原理。此外還需酶學(xué)的機(jī)制來保證復(fù)制的保真性。二、DNA聚合酶的堿基選擇和校對功能實(shí)現(xiàn)復(fù)制的保真性復(fù)制按照遵守嚴(yán)格的堿基配對規(guī)律；聚合酶在復(fù)制延長時對堿基的選擇功能；復(fù)制出錯時有即時校對功能。DNA復(fù)制的保真性至少要依賴三種機(jī)制：遵守嚴(yán)格的堿基配對規(guī)律；DNA復(fù)制的保真性至少要依賴三種機(jī)制（一）復(fù)制的保真性依賴正確的堿基選擇利用“錯配”實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，DNApolⅢ對核苷酸的參入（incorporation）具有選擇功能。

DNApolⅢ對嘌呤的不同構(gòu)型表現(xiàn)不同親和力，因此實(shí)現(xiàn)其選擇功能。

（一）復(fù)制的保真性依賴正確的堿基選擇利用“錯配”實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，D（二）聚合酶中的核酸外切酶活性在復(fù)制中辨認(rèn)切除錯配堿基并加以校正核酸外切酶(exonuclease)是指能從核酸鏈的末端把核苷酸依次水解出來的酶，外切酶是有方向性的。（二）聚合酶中的核酸外切酶活性在復(fù)制中辨認(rèn)切除錯配堿基并加以A：DNA-pol的外切酶活性切除錯配堿基；并用其聚合活性摻入正確配對的底物。B：堿基配對正確，DNA-pol不表現(xiàn)活性。DNApolⅠ的校讀功能A：DNA-pol的外切酶活性切除錯配堿基；并用其聚合活性摻三、復(fù)制中的解鏈伴有DNA分子拓?fù)鋵W(xué)變化DNA分子的堿基埋在雙螺旋內(nèi)部，只有把DNA解成單鏈，它才能起模板作用。

三、復(fù)制中的解鏈伴有DNA分子拓?fù)鋵W(xué)變化DNA分子的堿基埋（一）多種酶參與DNA解鏈和穩(wěn)定單鏈狀態(tài)（一）多種酶參與DNA解鏈和穩(wěn)定單鏈狀態(tài)E.Coli基因圖E.Coli基因圖解螺旋酶(helicase)

——利用ATP供能，作用于氫鍵，使DNA雙鏈解開成為兩條單鏈。引物酶(primase)——復(fù)制起始時催化生成RNA引物的酶。單鏈DNA結(jié)合蛋白(singlestrandedDNAbindingprotein,SSB)——在復(fù)制中維持模板處于單鏈狀態(tài)并保護(hù)單鏈的完整。解螺旋酶(helicase)——利用ATP供能，作用于氫鍵108局部解鏈后（二）DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶改變DNA超螺旋狀態(tài)復(fù)制過程正超螺旋的形成：108局部解鏈后（二）DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶改變DNA超螺旋狀態(tài)復(fù)解鏈過程中正超螺旋的形成解鏈過程中正超螺旋的形成既能水解、又能連接磷酸二酯鍵。

拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ

拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ拓?fù)洚悩?gòu)酶分類：拓?fù)洚悩?gòu)酶作用特點(diǎn)：既能水解、又能連接磷酸二酯鍵。拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ拓?fù)洚悩?gòu)酶分類拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ切斷DNA雙鏈中一股鏈，使DNA解鏈旋轉(zhuǎn)不致打結(jié)；適當(dāng)時候封閉切口，DNA變?yōu)樗沙跔顟B(tài)。反應(yīng)不需ATP。拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ切斷DNA分子兩股鏈，斷端通過切口旋轉(zhuǎn)使超螺旋松弛。利用ATP供能，連接斷端，DNA分子進(jìn)入負(fù)超螺旋狀態(tài)。作用機(jī)制：拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ切斷DNA雙鏈中一股鏈，使DNA解鏈旋轉(zhuǎn)不致打結(jié)拓?fù)涿傅淖饔梅绞剑和負(fù)涿傅淖饔梅绞剑核摹NA連接酶連接復(fù)制中產(chǎn)生的單鏈缺口連接DNA鏈3

-OH末端和相鄰DNA鏈5

-P末端，使二者生成磷酸二酯鍵，從而把兩段相鄰的DNA鏈連接成一條完整的鏈。DNA連接酶(DNAligase)作用方式：四、DNA連接酶連接復(fù)制中產(chǎn)生的單鏈缺口連接DNA鏈3-OHO5’3’3’5’DNA連接酶ATPADP5’3’5’3’DNA連接酶的作用：HO5’3’3’5’DNA連接酶ATPADP5’3’5’3’DNA連接酶在復(fù)制中起最后接合缺口的作用。在DNA修復(fù)、重組及剪接中也起縫合缺口作用。也是基因工程的重要工具酶之一。功能：DNA連接酶在復(fù)制中起最后接合缺口的作用。功能：提供核糖3

-OH提供5

-P結(jié)果DNA聚合酶引物或延長中的新鏈游離dNTP去PPi(dNTP)n+1連接酶復(fù)制中不連續(xù)的兩條單鏈不連續(xù)→連續(xù)鏈拓?fù)涿盖袛?、整理后的兩鏈改變拓?fù)錉顟B(tài)DNA聚合酶、拓?fù)涿负瓦B接酶催化3

,5

-磷酸二酯鍵生成的比較

提供核糖3-OH提供5-P結(jié)果DNA聚合酶引物或延長中的原核生物DNA復(fù)制過程TheProcessofDNAReplicationinProkaryotes第三節(jié)原核生物DNA復(fù)制過程第三節(jié)起始是復(fù)制中較為復(fù)雜的環(huán)節(jié)，在此過程中，各種酶和蛋白因子在復(fù)制起始點(diǎn)處裝配引發(fā)體，形成復(fù)制叉并合成RNA引物。

需要解決兩個問題：1.DNA解開成單鏈，提供模板。2.形成引發(fā)體，合成引物，提供3-OH末端。一、復(fù)制的起始起始是復(fù)制中較為復(fù)雜的環(huán)節(jié)，在此過程中，各種酶和蛋白因子在復(fù)E.coli復(fù)制起始點(diǎn)oriCGATTNTTTATTT···GATCTNTTNTATT···GATCTCTTATTAG···11317293244···TGTGGATTA-‖-TTATACACA-‖-TTTGGATAA-‖-TTATCCACA5866166174201209237245

串聯(lián)重復(fù)序列

反向重復(fù)序列5

3

5

3

（一）

DNA的解鏈E.coli復(fù)制起始點(diǎn)oriCGATTNTTTATTT原核生物的復(fù)制起始部位及解鏈

原核生物的復(fù)制起始部位及解鏈DnaADnaB、DnaCDNA拓?fù)洚悩?gòu)酶引物酶SSB3

5

3

5

（二）引物合成和引發(fā)體形成含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA復(fù)制起始區(qū)域的復(fù)合結(jié)構(gòu)稱為引發(fā)體。DnaADnaB、DnaCDNA3

5

3

5

引物是由引物酶催化合成的短鏈RNA分子。引物3'HO5'引物酶3535引物是由引物酶催化合成的短鏈RNA分子。引物引發(fā)體和復(fù)制叉的生成

引發(fā)體和復(fù)制叉的生成二、DNA鏈的延長復(fù)制的延長指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式逐個加入引物或延長中的子鏈上，其化學(xué)本質(zhì)是磷酸二酯鍵的不斷生成。

二、DNA鏈的延長復(fù)制的延長指在DNA-pol催化下，dNT5'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA-pol5'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTP領(lǐng)頭鏈的合成：領(lǐng)頭鏈的子鏈沿著5

→3

方向可以連續(xù)地延長。領(lǐng)頭鏈的合成：領(lǐng)頭鏈的子鏈沿著5→3方向可以連續(xù)地延長。后隨鏈的合成后隨鏈的合成

在復(fù)制叉同時合成前導(dǎo)鏈和后隨鏈在復(fù)制叉同時合成前導(dǎo)鏈和后隨鏈復(fù)制過程簡圖復(fù)制過程簡圖原核生物基因是環(huán)狀DNA，雙向復(fù)制的復(fù)制片段在復(fù)制的終止點(diǎn)(ter)處匯合。oriter

E.coli8232oriterSV40500三、復(fù)制的終止原核生物基因是環(huán)狀DNA，雙向復(fù)制的復(fù)制片段在復(fù)制的終止點(diǎn)(5

5

5

RNA酶OHP5

DNA-polⅠdNTP5

5

PATPADP+Pi5

5

DNA連接酶

子鏈中的RNA引物被取代555RNA酶OHP5DNA-polⅠdNTP5《生物化學(xué)與分子生物學(xué)精品教學(xué)》dna的生物合成課件真核生物DNA生物合成過程TheProcessofDNABiosynthesisineukaryotes第四節(jié)真核生物DNA生物合成過程第四節(jié)真核生物復(fù)制子多、岡崎片段短、復(fù)制叉前進(jìn)速度慢等；DNA復(fù)制從引發(fā)進(jìn)入延伸階段發(fā)生DNA聚合酶

/

轉(zhuǎn)換；切除岡崎片段RNA引物的是核酸酶RNAseHⅠ和FEN1等。真核生物與原核生物DNA復(fù)制的差異：真核生物復(fù)制子多、岡崎片段短、復(fù)制叉前進(jìn)速度慢等；真核生物與逆轉(zhuǎn)錄和其他復(fù)制方式ReverseTranscription&OtherDNAReplicationWays第五節(jié)逆轉(zhuǎn)錄和其他復(fù)制方式第五節(jié)雙鏈DNA是大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)。某些病毒的遺傳物質(zhì)是RNA。原核生物的質(zhì)粒，真核生物的線粒體DNA，都是染色體外存在的DNA。這些非染色體基因組，采用特殊的方式進(jìn)行復(fù)制。雙鏈DNA是大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)。逆轉(zhuǎn)錄酶(reversetranscriptase)逆轉(zhuǎn)錄(reversetranscription)

逆轉(zhuǎn)錄酶一、逆轉(zhuǎn)錄病毒的基因組RNA以逆轉(zhuǎn)錄機(jī)制復(fù)制RNADNA逆轉(zhuǎn)錄酶(reversetranscriptase)逆轉(zhuǎn)錄病毒細(xì)胞內(nèi)的逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象:RNA模板逆轉(zhuǎn)錄酶DNA-RNA雜化雙鏈R