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1、第十一章 DNA的生物合成,基因信息的傳遞,基因:為生物活性產(chǎn)物編碼的DNA功能片段,中心法則(The central dogma):,一、DNA復(fù)制(replication) 是指遺傳物質(zhì)的傳代,以母鏈DNA為模板合成子鏈DNA的過程。,DNA生物合成方式 復(fù)制、修飾、逆轉(zhuǎn)錄,(要求掌握),復(fù)制的方式 半保留復(fù)制(semi-conservative replication) 復(fù)制的高保真性(high fidelity) 半不連續(xù)復(fù)制(semi-discontinuous replication) 有特定的起點(diǎn) 雙向復(fù)制(bidirectional replication
2、),(一)DNA復(fù)制的基本規(guī)律(特征)(要求掌握) Basic Rules of DNA Replication,DNA生物合成時(shí),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(gè)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。,1.半保留復(fù)制的概念,,(要求掌握),,,A G G T A C T G C C A C T G G,T C C A T G A C G G T G A C C,,,,,,,C C A C T G G,G G T G A
3、 C C,A G G T A C T G,T C C A T G A C,T C C A T G A C,A G G T A C T G,,,,,A G G T A C T G C C A C T G G,T C C A T G A C G G T G A C C,,,A G G T A C T G C C A C T G G,T C C A T G A C G G T G A C C,,+,母鏈DNA,復(fù)制過程中形成的復(fù)制叉,子代DNA,,,,,目 錄,子鏈繼承母鏈遺傳信息的幾種可能方式,全保留式 半保留式 混合式,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,設(shè)想,
4、(一般了解),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。,含重氮-DNA的細(xì)菌,第一代,第二代,梯度離心結(jié)果,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。,2.半不連續(xù)性復(fù)制,領(lǐng)頭鏈 (leading strand),隨從鏈 (lagging strand),(要求掌握),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。 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)制的鏈稱為隨從鏈。復(fù)制中的不連續(xù)片段稱為岡崎片段(
5、okazaki fragment)。 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。,(要求掌握),A. 環(huán)狀雙鏈DNA及復(fù)制起始點(diǎn) B. 復(fù)制中的兩個(gè)復(fù)制叉 C. 復(fù)制接近終止點(diǎn)(termination, ter),3.有特定的起始點(diǎn),(一般了解),真核生物每個(gè)染色體有多個(gè)復(fù)制起始點(diǎn),是多復(fù)制子的復(fù)制。 習(xí)慣上把兩個(gè)相鄰起始點(diǎn)之間的距離定為一個(gè)復(fù)制子(replicon) 。復(fù)制子是獨(dú)立完成復(fù)制的功能單位。而原核核生物只有一個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)。,(一般了解),原核生物復(fù)制時(shí),DNA從起始點(diǎn)(origin)向 兩個(gè)方向解鏈,形成兩個(gè)延伸方向相反的 復(fù)制叉,稱為雙向復(fù)制。,4.雙向復(fù)制,(二)
6、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,聚合反應(yīng)的特點(diǎn),DNA 新鏈生成需引物和模板(模板鏈的方向 ( 是3 5 ); 新鏈的延長只可沿5 3方向進(jìn)行 。,(要求掌握),復(fù)制的化學(xué)反應(yīng),(dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 + PPi,,,,,目 錄,DNA聚合酶,全稱:依賴DNA的
7、DNA聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase) 簡稱:DNA-pol,活性:1. 53 的聚合活性 2. 核酸外切酶活性,,,,,3 5外切酶活性,,,5 3外切酶活性,?,能切除突變的 DNA片段。,能辨認(rèn)錯(cuò)配的堿基對,并將其水解。,核酸外切酶活性,,,,,目 錄,原核生物的DNA聚合酶,DNA-pol DNA-pol DNA-pol ,原核生物的DNA聚合酶,E. Coli中的DNA聚合酶,功能:對復(fù)制中的錯(cuò)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)。,DNA-pol (109kD),DNA-pol (120kD),DNA-pol II基因發(fā)生突變,細(xì)菌依然能
8、存活。 它參與DNA損傷的應(yīng)急狀態(tài)修復(fù)。,功能 是原核生物復(fù)制延長中真正起催化 作用的酶。,DNA-pol (250kD),真核生物的DNA聚合酶 (一般了解),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 。,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 ,真核生物的DNA聚合酶,(一般了解),1. 遵守嚴(yán)格的堿基配對規(guī)律; 2. 聚合酶在復(fù)制延長時(shí)對堿基的選擇功能; 3. 復(fù)制出錯(cuò)時(shí)DNA-pol 的及時(shí)校讀功能。,DNA復(fù)制的保真性
9、至少要依賴三種機(jī)制,復(fù)制中的DNA分子解鏈,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。,,,,,,,,,,,,,,,解螺旋酶、引物酶和單鏈DNA結(jié)合蛋白,解螺旋酶(helicase) ( 要求掌握) 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(shí)催化生成RNA引物的酶 單鏈DNA結(jié)合蛋白(single stranded DNA binding protein, 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,DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶(DNA topoisomerase),拓?fù)湟辉~是指物體或圖像作彈性移位而又
10、保持物體不變的性質(zhì),(一般了解),解鏈過程中正超螺旋的形成,,,,,目 錄,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 拓?fù)洚悩?gòu)酶,分 類,拓?fù)洚悩?gòu)酶,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(shí)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,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,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。,DNA連接酶(DNA ligase)作用方式,,HO,
11、5,,3,,3,5,,DNA連接酶,,ATP,ADP,,5,3,,5,3,,,,,,目 錄,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的 作用。也是基因工程的重要工具酶之一。,功能,1.復(fù)制的起始,需要解決兩個(gè)問題:,(1) DNA解開成單鏈,提供模板。,(2)合成引物,提供3-OH末端。,原核生物的DNA生物合成,(三)DNA復(fù)制過程,,,,Dna A,Dna B、 Dna C,DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶,,,,引物酶,SSB,3,5,3,5,引發(fā)體和引物 (一般了解),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。,
12、,,,3,5,3,5,引物是由引物酶催化合成的短鏈RNA分子。,引物,引物酶,(一般了解),2.復(fù)制的延長,復(fù)制的延長指在DNA-pol催化下,dNTP以dNMP 的方式逐個(gè)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。,,OH 3,3,,,,,目 錄,(一般了解),示意圖,領(lǐng)頭鏈的合成,,,,,目 錄,,隨從鏈的合成,,,,,目 錄,,,,,目 錄,復(fù)制過程簡圖,,,,,目 錄,復(fù) 制 過 程 動 畫,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。,3.復(fù)制的終止,隨從鏈上不連續(xù)性片段的連接,,,,,目 錄,哺乳動物的細(xì)胞周期,DNA合成期,,,
13、,,,,G1,G2,S,M,,,,,真核生物的DNA生物合成, 細(xì)胞能否分裂,決定于進(jìn)入S期及M期這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。G1S及G2M的調(diào)節(jié),與蛋白激酶活性有關(guān)。 蛋白激酶通過磷酸化激活或抑制各種復(fù)制因子而實(shí)施調(diào)控作用。,(一般了解), 真核生物每個(gè)染色體有多個(gè)起始點(diǎn),是多復(fù)制子復(fù)制。復(fù)制有時(shí)序性,即復(fù)制子以分組方式激活而不是同步起動。 復(fù)制的起始需要DNA-pol(引物酶活性)和pol(解螺旋酶活性)參與。還需拓?fù)涿负蛷?fù)制因子(replication factor, RF)。 增殖細(xì)胞核抗原(proliferation cell nuclear antigen, PCNA)在復(fù)制起始和延長中起關(guān)鍵
14、作用。,1.復(fù)制的起始,(一般了解),,,3,5,5,3,領(lǐng)頭鏈,3,,,,,5,3,5,親代DNA,,,,,,,,,,,,,,隨從鏈,引物,核小體,2.復(fù)制的延長,染色體DNA呈線狀,復(fù)制在末端停止。 復(fù)制中岡崎片段的連接,復(fù)制子之間的連接。 染色體兩端DNA子鏈上最后復(fù)制的RNA引物,去 除后留下空隙。,,3.復(fù)制的終止,(一般了解),,,,,,,,,,5,3,3,5,,,,,,,,,,,5,3,3,5,,,,,,,,,+,5,3,3,3,3,5,5,,,,,目 錄,(一般了解),逆轉(zhuǎn)錄酶(reverse transcriptase),逆轉(zhuǎn)錄(reverse transcription),
15、三、逆轉(zhuǎn)錄病毒和逆轉(zhuǎn)錄酶,,RNA DNA,,逆轉(zhuǎn)錄酶,遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)改變而引起的遺傳信息改變,均可稱為突變。,在復(fù)制過程中發(fā)生的DNA突變稱為DNA損傷(DNA damage)。,從分子水平來看,突變就是DNA分子上堿基的改變。,四、DNA損傷(突變)與修復(fù) DNA Damage (Mutation) and Repair,突變的意義,突變是生物進(jìn)化、分化的分子基礎(chǔ) 突變導(dǎo)致基因型改變 突變導(dǎo)致死亡 突變是某些疾病的發(fā)病基礎(chǔ),,,(一)引發(fā)突變的因素,物理因素 紫外線(ultra violet, UV)、各種輻射,化學(xué)因素,,,,,目 錄,(二)突變的分子改變類型,錯(cuò)配 (misma
16、tch) 缺失 (deletion) 插入 (insertion) 重排 (rearrangement),DNA分子上的堿基錯(cuò)配稱點(diǎn)突變(point mutation)。,1.錯(cuò)配,鐮形紅細(xì)胞貧血病人Hb (HbS) 亞基,正常成人Hb (HbA)亞基,2.缺失、插入和框移,缺失:一個(gè)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(gè)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(zhì)氨基酸排列順序發(fā)生改變。,缺失或插入都可導(dǎo)致框移突變 。,缺失引起框移突變,3.重排,DNA分子內(nèi)較大片段的交換,稱為重組或重排。,由基因重排引起的兩種地中海貧
17、血基因型,,,,,目 錄,(三)DNA損傷的修復(fù),修復(fù)(repairing) 是對已發(fā)生分子改變的補(bǔ)償措施,使其回復(fù)為原有的天然狀態(tài)。,光修復(fù)(light repairing) 切除修復(fù)(excision repairing) 重組修復(fù)(recombination repairing) SOS修復(fù),修復(fù)的主要類型,( 要求掌握),1.光修復(fù),,光修復(fù)酶(photolyase),,UV,2.切除修復(fù),是細(xì)胞內(nèi)最重要和有效的修復(fù)機(jī)制,主要由DNA-pol和連接酶完成。,E.coli的切除修復(fù)機(jī)制,,,,,目 錄,切 除 修 復(fù) 動 畫,3.重組修復(fù),,,,,,,,,,,,4.SOS修復(fù),當(dāng)DNA損
18、傷廣泛難以繼續(xù)復(fù)制時(shí),由此而誘發(fā)出一系列復(fù)雜的反應(yīng)。 在E. coli,各種與修復(fù)有關(guān)的基因,組成一個(gè)稱為調(diào)節(jié)子(regulon)的網(wǎng)絡(luò)式調(diào)控系統(tǒng)。 這種修復(fù)特異性低,對堿基的識別、選擇能力差。通過SOS修復(fù),復(fù)制如能繼續(xù),細(xì)胞是可存活的。然而DNA保留的錯(cuò)誤較多,導(dǎo)致較廣泛、長期的突變。,逆轉(zhuǎn)錄病毒細(xì)胞內(nèi)的逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象,逆轉(zhuǎn)錄研究的意義,逆轉(zhuǎn)錄酶和逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象,是分子生物學(xué)研究中的重大發(fā)現(xiàn)。 逆轉(zhuǎn)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(dá)功能。 對逆轉(zhuǎn)錄病毒的研究,拓寬了20世紀(jì)初已注意到的病毒致癌理論。,三、端粒與端粒酶 ( 一般了解),端粒酶(telomerase),端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR) 端粒酶協(xié)同蛋白(human telomerase associated protein 1, hTP1) 端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(human telomerase reverse transcriptase, hTRT),組成,思考題: 1.寫出DNA復(fù)制過程中的原料及主要的酶和蛋白 因子。 2.何謂半保留復(fù)制? 3.DNA復(fù)制的基本規(guī)律是什么? 4.引發(fā)DNA損傷的因素有哪些? 5.DNA損傷的修復(fù)有哪幾種?,