第十二章 核酸的生物合成課件

第十二章核酸的生物合成第十二章核酸的生物合成第一節(jié)DNA的生物合成(復制)DNABiosynthesis(Replication)

第十二章核酸的生物合成

本章主要內容：

?復制的基本規(guī)律

?DNA復制的酶學和拓撲學變化

?復制的過程

?逆轉錄和其他復制方式

?DNA損傷(突變)與修復第十二章核酸的生物合成復制的基本規(guī)律BasicRulesofDNAReplication

第十二章核酸的生物合成半保留復制(semi-conservativereplication)雙向復制(bidirectionalreplication)半不連續(xù)復制(semi-discontinuousreplication)DNA復制的特征第十二章核酸的生物合成一、半保留復制的實驗依據和意義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，合成與模板互補的子鏈。子代細胞的DNA，一股單鏈從親代完整地接受過來，另一股單鏈則完全重新合成。兩個子細胞的DNA都和親代DNA堿基序列一致。這種復制方式稱為半保留復制。半保留復制的概念第十二章核酸的生物合成第十二章核酸的生物合成

全保留式半保留式混合式DNA復制的三種可能方式第十二章核酸的生物合成DNA半保留復制實驗含N15-DNA的細菌培養(yǎng)于普通培養(yǎng)液

第一代繼續(xù)培養(yǎng)于普通培養(yǎng)液

第二代梯度離心結果第十二章核酸的生物合成按半保留復制方式，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。半保留復制的意義遺傳的保守性，是物種穩(wěn)定性的分子基礎，但不是絕對的。第十二章核酸的生物合成原核生物：?

基因組是環(huán)狀DNA

?

只有一個復制起始點復制時，DNA從起始點(origin)向兩個方向解鏈，形成兩個延伸相反的復制叉，稱為雙向復制。二、雙向復制第十二章核酸的生物合成

oriC第十二章核酸的生物合成真核生物：

?染色體DNA有多個復制起始點。

?兩個起始點之間的DNA片段稱為復制子(replicon)。

?復制子是獨立完成復制的功能單位。第十二章核酸的生物合成真核生物多個復制起始點、復制子與復制叉第十二章核酸的生物合成真核生物的多復制子復制電鏡圖第十二章核酸的生物合成3

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3′5′3′5′解鏈方向領頭鏈(leadingstrand)隨從鏈(laggingstrand)三、復制的半不連續(xù)性3′5′第十二章核酸的生物合成岡崎片段：

?

1968年日本生化學者岡崎用電鏡及放射自顯影技術，觀察到DNA復制中出現(xiàn)一些不連續(xù)的片段，將這些不連續(xù)的片段稱為岡崎片段。

?

原核生物:1000~2000個核苷酸

?

真核生物:100~200個核苷酸第十二章核酸的生物合成

DNA復制的酶學TheEnzymologyofDNAReplication第十二章核酸的生物合成DNA復制的體系底物:dNTP(dATP、dGTP、dCTP、dTTP)

聚合酶:

依賴DNA的DNA聚合酶(DNA-pol)

模板:解開成單鏈的DNA母鏈

引物:提供3'-OH末端的寡核苷酸

其他酶和蛋白質因子:拓撲異構酶、解螺旋酶、單鏈DNA結合蛋白、引物酶、連接酶第十二章核酸的生物合成聚合反應機理3

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第十二章核酸的生物合成理順DNA鏈拓撲異構酶(gyrA,B)穩(wěn)定已解開的單鏈單鏈DNA結合蛋白SSB催化RNA引物生成引物酶DnaG(dnaG)運送和協(xié)同DnaBDnaC(dnaC)解開DNA雙鏈解螺旋酶DnaB(dnaB)辨認起始點DnaA(dnaA)蛋白質（基因）通用名功能一、原核生物復制起始的相關蛋白質第十二章核酸的生物合成1解螺旋酶(helicase)又稱解鏈酶或rep蛋白利用ATP供能，作用于氫鍵，使DNA雙鏈解開成為兩條單鏈。每解開一對堿基，需消耗2分子ATP。DnaBDnaC解鏈方向第十二章核酸的生物合成2單鏈DNA結合蛋白

(singlestrandedDNAbindingprotein,SSB)在復制中維持模板處于單鏈狀態(tài)并保護單鏈的完整性。第十二章核酸的生物合成3DNA拓撲異構酶(DNAtopoisomerase)

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局部解鏈后拓撲是指物體或圖像作彈性位移而又保持不變的性質。第十二章核酸的生物合成解鏈過程中，DNA分子會過度擰緊、打結、纏繞、連環(huán)等現(xiàn)象。第十二章核酸的生物合成拓撲異構酶Ⅰ切斷DNA雙鏈中一股鏈，使DNA解鏈旋轉不致打結；適當時候封閉切口，DNA變?yōu)樗沙跔顟B(tài)。反應不需ATP。拓撲異構酶Ⅱ切斷DNA分子兩股鏈，斷端通過切口旋轉使超螺旋松弛。利用ATP供能，連接斷端，DNA分子進入負超螺旋狀態(tài)。（主要）作用機制

第十二章核酸的生物合成催化DNA聚合參與DNA損傷的應急狀態(tài)修復校讀、修復合成、切除引物填補空隙功能2040400分子數(shù)/細胞1011亞基數(shù)－－+5

外切酶活性+++

5

外切酶活性+++5

聚合酶活性polIIIpolIIpolI二、E.Coli中的DNA聚合酶第十二章核酸的生物合成1.遵守嚴格的堿基配對規(guī)律；2.DNA-pol在復制延長時對堿基的選擇功能；3.復制出錯時DNA-pol的即時校讀功能。DNA復制的保真性至少要依賴三種機制

第十二章核酸的生物合成三、引物酶(primase)

依賴DNA的RNA聚合酶。對利福平不敏感?？梢源呋坞xNTP聚合。在大腸桿菌，是dna

G基因的表達產物。催化RNA引物的生成。引物（primer）：是由引物酶催化生成的短鏈RNA，它可為DNA聚合提供3'-OH末端。第十二章核酸的生物合成四、DNA連接酶連接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。第十二章核酸的生物合成HO5’3’3’5’DNA連接酶ATP（NAD+）AMP5’3’5’3’第十二章核酸的生物合成第十二章核酸的生物合成DNA生物合成過程TheProcessofDNAReplication第十二章核酸的生物合成（一）復制的起始需要解決兩個問題：1.DNA解開成單鏈，提供模板。2.合成引物，提供3-OH末端;形成引發(fā)體。一、原核生物的DNA生物合成

第十二章核酸的生物合成

GATTNTTTATTT···GATCTNTTNTATT···GATCTCTTATTAG···5

3

1.DNA解鏈E.coli復制起始點

oriC11317293244

···TGTGGATTA-‖-TTATACACA-‖-TTTGGATAA-‖-TTATCCACA5866166174201209237245

串聯(lián)重復序列

反向重復序列5

3

第十二章核酸的生物合成第十二章核酸的生物合成DnaADnaB、DnaCDNA拓撲異構酶引物酶SSB3

5

3

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2.引發(fā)體和引物含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA復制起始區(qū)域的復合結構稱為引發(fā)體。

第十二章核酸的生物合成（二）復制的延長復制的延長指在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，其化學本質是磷酸二酯鍵的不斷生成。

第十二章核酸的生物合成5'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'

3'DNA-pol第十二章核酸的生物合成領頭鏈的合成第十二章核酸的生物合成隨從鏈的合成第十二章核酸的生物合成第十二章核酸的生物合成復制過程簡圖第十二章核酸的生物合成原核生物基因是環(huán)狀DNA，雙向復制的復制片段在復制的終止點(ter)處匯合。

E.colioriter8232oriterSV40500（三）復制的終止第十二章核酸的生物合成5

5

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RNA酶OHP5

DNA-polⅠdNTP5

5

PATP

AMP+PPi5

5

DNA連接酶

隨從鏈上不連續(xù)性片段的連接第十二章核酸的生物合成逆轉錄和其他復制方式ReverseTranscriptionandOtherDNAReplicationWays第十二章核酸的生物合成逆轉錄

(reversetranscription)在逆轉錄酶的催化下，以RNA為模板合成DNA的過程，又稱反轉錄。RNADNA

逆轉錄酶一、逆轉錄病毒和逆轉錄酶

第十二章核酸的生物合成逆轉錄酶(reversetranscriptase)從RNA病毒中發(fā)現(xiàn)，能催化以RNA為模板合成雙鏈DNA的酶，全稱為依賴RNA的DNA聚合酶。有三種活性：RNA指導的DNA聚合活性

RNaseH活性

DNA指導的DNA聚合活性第十二章核酸的生物合成逆轉錄病毒細胞內的逆轉錄現(xiàn)象RNA模板逆轉錄酶DNA-RNA

雜化雙鏈RNA酶單鏈DNA逆轉錄酶雙鏈DNA第十二章核酸的生物合成分子生物學研究可應用逆轉錄酶，作為獲取基因工程目的基因的重要方法之一，此法稱為cDNA法。

以mRNA為模板，經逆轉錄合成的與mRNA堿基序列互補的DNA鏈。試管內合成cDNAcDNAcomplementaryDNA逆轉錄酶

AAAA

TTTTAAAASI核酸酶

DNA聚合酶Ⅰ堿水解

TTTT第十二章核酸的生物合成二、逆轉錄研究的意義

逆轉錄酶和逆轉錄現(xiàn)象，是分子生物學研究中的重大發(fā)現(xiàn)。

逆轉錄現(xiàn)象說明：至少在某些生物，RNA同樣兼有遺傳信息傳代與表達功能。對逆轉錄病毒的研究，拓寬了20世紀初已注意到的病毒致癌理論。

第十二章核酸的生物合成DNA損傷（突變）與修復DNADamage(Mutation)andRepair第十二章核酸的生物合成突變(mutation)：

是由遺傳物質結構改變而引起的遺傳信息的改變。從分子水平來看，突變就是DNA分子上堿基的改變。

DNA損傷(DNAdamage)：

泛指一切DNA結構和功能的變化。包括各種突變類型、堿基的損傷和DNA鏈的斷裂。第十二章核酸的生物合成一、突變的意義（一）突變是進化、分化的分子基礎（二）突變導致基因型改變（三）突變導致死亡（四）突變是某些疾病的發(fā)病基礎第十二章核酸的生物合成二、引發(fā)突變的因素自發(fā)性:自然錯配率約為10-9～10-10

左右。物理因素:如UV(ultraviolet)、各種輻射?；瘜W因素:烷化劑、堿基類似物、以及其他一些人工合成或環(huán)境中存在的化學物質，這些誘發(fā)突變的化學物質,稱為致癌劑。生物因素:抗菌素類、黃曲霉素和病毒等。第十二章核酸的生物合成物理因素第十二章核酸的生物合成化學因素常見的化學誘變劑化合物類別作用點分子改變堿基類似物如：5-BUA?5-BU?G-A--T--G--C-羥胺類（NH2OH）T?C-T--A--C--G-亞硝酸鹽（NO2）C?U-G--C--A--T-烷化劑如：氮芥類，NitrominsG?mGG?mGDNA缺失G第十二章核酸的生物合成三、突變的分子改變類型錯配(mismatch)缺失(deletion)插入(insertion)重排(rearrangement)框移(frame-shift)

第十二章核酸的生物合成DNA分子上的堿基錯配稱點突變(pointmutation)發(fā)生在同型堿基之間，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。

1.轉換發(fā)生在異型堿基之間，即嘌呤變嘧啶或嘧啶變嘌呤。

2.顛換（一）錯配第十二章核酸的生物合成鐮形紅細胞貧血病人Hb(HbS)β亞基N-val

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pro·

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C肽鏈CACGTG基因正常成人Hb(HbA)β亞基N-val

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glu

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C肽鏈CTCGAG基因第十二章核酸的生物合成1949年波林發(fā)現(xiàn)鐮刀型細胞貧血癥（病人的紅血細胞為鐮刀形）與血紅蛋白結構異常相關。第十二章核酸的生物合成（二）缺失、插入和框移缺失：一個堿基或一段核苷酸鏈從DNA大分子上消失。插入：原來沒有的一個堿基或一段核苷酸鏈插入到DNA大分子中間。框移突變是指三聯(lián)體密碼的閱讀方式改變，造成蛋白質氨基酸排列順序發(fā)生改變。

缺失或插入都可導致框移突變

。第十二章核酸的生物合成谷酪蛋絲5’……GCA

GUA

CAU

GUC……丙纈組纈正常5’……GAG

UAC

AUG

UC……缺失C缺失引起框移突變第十二章核酸的生物合成（三）重排DNA分子內較大片段的交換，稱為重組或重排。

第十二章核酸的生物合成由基因重排引起的兩種地中海貧血基因型第十二章核酸的生物合成四、DNA損傷的修復修復(repairing)

是對已發(fā)生分子改變的補償措施，使其回復為原有的天然狀態(tài)。光修復(lightrepairing)切除修復(excisionrepairing)