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第九章 核酸的生物合成

第九章 核酸的生物合成. 中心法则 第一节 DNA 的生物合成 第二节 RNA 的生物合成 第三节 生物工程. 复制. DNA. ?. 转录. 反转录. RNA. 蛋白质. 复制. 翻译. 遗传信息传递的中心法则（ central dogma). 复制（ replication) ：以亲代双链 DNA 为模板，按照碱基互补配对的原则，合成出与亲代 DNA 相同的双链 DNA 分子的过程。

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第九章 核酸的生物合成

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Presentation Transcript

  1. 第九章 核酸的生物合成 中心法则 第一节 DNA的生物合成 第二节 RNA的生物合成 第三节 生物工程

  2. 复制 DNA ? 转录 反转录 RNA 蛋白质 复制 翻译 遗传信息传递的中心法则（central dogma)

  3. 复制（replication)：以亲代双链DNA为模板，按照碱基互补配对的原则，合成出与亲代DNA相同的双链DNA分子的过程。复制（replication)：以亲代双链DNA为模板，按照碱基互补配对的原则，合成出与亲代DNA相同的双链DNA分子的过程。 • 转录(transcription)：双链DNA中的一条链为模板，按照碱基互补配对的原则，合成出与模板DNA互补的RNA分子的过程。 • 翻译（translation):在mRNA指令下，按照三个核苷酸（碱基三联体密码子）决定一个氨基酸的原则，把mRNA上的遗传信息转换成蛋白质中特定的氨基酸序列的过程。 • 反转录（reverse transcription)：逆病毒以RNA为模扳指导合成DNA的过程。

  4. 第一节 DNA的生物合成 1、复制：以DNA为模板指导DNA的合成，即将DNA携带的信息传至子代DNA。 2、反转录：以RNA为模扳指导合成DNA，如RNA病毒。 3、修复合成：当各种因素引起DNA损伤时，损伤DNA可修复合成，校正错误，完成正确合成，以保持DNA结构 的稳定性和遗传信息的准确性。

  5. DNA from a lysed E. coli cell

  6. A single human chromosomes.

  7. 一、 DNA 的复制 （一）DNA半保留复制（ semiconservative replication ） • 模板 • 原则 • 特点 • 意义:保持了物种的遗传稳定性

  8. 亲代 第一代 第二代 CsCl 梯度离心 [实验证据]：1958年 M.Meselson 和F.W.Stahl用大 肠杆菌为材料，在含15N和14N的NH4Cl中培养，CsCl密度梯度离心结果证实了半保留复制方式。

  9. 二、参与DNA复制的酶类及相关因子 DNA链合成的条件 • DNA模板 • 4种dNTP底物 • Mg2+ • 3’-OH引物 • 酶和蛋白质因子

  10. （一）、酶和蛋白质因子 • DNA聚合酶Ⅰ、II、Ⅲ • DNA解链酶 • 单链DNA结合蛋白(SSB） • 拓扑异构酶Ⅰ/Ⅱ • 引发体、引物酶 • DNA连接酶

  11. 1、DNA聚合酶 3,’5’-磷酸二酯键 3’ 5’

  12. DNA聚合酶的3’-5’外切酶活性 5´ 5´ 5´ 切除错配核苷酸 错配硷基 正 确核苷酸 聚合酶 复制方向 3´ 5´ 3´ 5´ 3´ 5´ 复制的高保真性

  13. DNA聚合酶Ⅰ 多功能酶 5’ 3’聚合酶 3’ 5’外切酶 5’ 3’外切酶 单链多肽 枯草杆菌蛋白酶处理，大（Klenow)小二个片段 切除RNA引物， 填补缺口（gap） 损伤后修复 DNA聚合酶Ⅲ 多功能酶 5’ 3’聚合酶 3’ 5’外切酶 不对称二聚体，10种亚基 单体1-前导链/单体2-随从链 DNA 复制的主要酶 高续进性,高聚合酶活性 高产物真实性 原核生物的DNA聚合酶I、II、III

  14. DNA聚合酶Ⅰ（DNA PolymeraseⅠ） Kornberg酶 DNA指导的DNA聚合酶 （DNA-Directed DNA Polymerase, DDDP） 切除RNA引物 损伤修复 校读功能 聚合功能 3’ 5’ 5’ 3’ 外切酶 聚合酶 5’ 3’ 外切酶 N C 小片段 大片段（ klenow片段） （常用的工具酶）

  15. DNA聚合酶Ⅰ 多功能酶 5’ 3’聚合酶 3’ 5’外切酶 5’ 3’外切酶 单链多肽 枯草杆菌蛋白酶处理，大（Klenow)小二个片段 切除RNA引物， 填补缺口（gap） 损伤后修复 DNA聚合酶Ⅲ（复制的重要酶） 多功能酶 5’ 3’聚合酶 3’ 5’外切酶 不对称二聚体，10种亚基 单体1-前导链/单体2-随从链 DNA 复制的主要酶 高续进性,高聚合酶活性 高产物真实性 原核生物的DNA聚合酶I、II、III

  16. DNA聚合酶Ⅲ全酶（DNA Polymerase Ⅲ holoenzyme） • 10种不同亚基组成 • θαε • τ • γ2 δ δ’ χψ • DNA聚合酶Ⅲ※ • β(4个) • DNA聚合酶Ⅲ全酶 • 核心聚合酶 • 二聚体形式连接两个核心聚合酶 • 单个运载夹钳 • 星环状,容纳DNA双链

  17. 运载夹钳 催化亚基 催化亚基 3’ 5’ 核酸外切酶 滑行夹钳亚基 • θ2，α2，ε2: 核心酶 • τ2：二聚体形式连接两个核心聚合酶 • γ2 δ δ’ χψ：单个运载夹钳 • β(4个)：星环状,容纳DNA双链

  18. 五种 DNA 聚合酶α DNA聚合酶δ和PCNA DNA聚合酶γ DNA聚合酶β、ε 参与随从链的合成 参与前导链的合成 参与线粒体DNA的合成 参与DNA的修复 真核细胞的DNA聚合酶（P320）

  19. 引物酶（DnaG） DnaB DnaC DnaT 蛋白质A、B、C 合成RNA引物（1－10 nt) 解链酶的作用 结合到DNA双链复制起始部位(需ATP) 2、引物酶（primase)和引发体（primosome） RNA引物的合成和复制的起始必需的

  20. 催化二段双链DNA或双链DNA中一条链上的缺口共价连接（3’,5’磷酸二酯键）催化二段双链DNA或双链DNA中一条链上的缺口共价连接（3’,5’磷酸二酯键） 3、DNA连接酶 切口连接: • 连接双股DNA分子中一链的切口 • 双链DNA分子中双链的切口 • 不能连接二分子单链DNA

  21. 解开DNA双链每个bp消耗2个ATP 与单链DNA结合,维持单链状态 使其不受核酸酶水解 避免单链DNA自身发夹螺旋形成 使前端螺旋易解开 4、解链、解旋酶类 5、单链DNA结合蛋白(SSB）

  22. 拓扑异构酶Ⅰ（topoisomerasⅠ） 转轴酶 拓扑异构酶Ⅱ 旋转酶 （gyrase） 切断DNA双螺旋中的一股，张力下降后封闭。 切断DNA双链，使另一双链经过此缺口，再封闭。 6、拓扑异构酶

  23. 三、原核细胞的DNA复制过程(复制的起始、延伸、终止）三、原核细胞的DNA复制过程(复制的起始、延伸、终止） • 确定复制的起始点 • 解开双链DNA,提供单链DNA模板 • 形成复制叉 • DNA合成的起始和延长 • 形成带有新合成的DNA片段的复制泡 • 复制的终止

  24. 原核生物 双向复制 （θ型复制） 特定起始点:oriC 真核生物 多个复制单位（复制泡）（复制起始点+复制叉） 多个起始点 （一）复制的起始 复制起始点： DNA复制要从DNA分子的特定部位开始，此部位称复制起始点。 亲代DNA开链，复制起始点呈叉型移动。

  25. 大肠杆菌复制起始点oriC的结构

  26. 起点 复制叉 复制叉推进 原核生物双向复制（θ型复制）

  27. 真核生物复制泡（复制起始点+复制叉）

  28. DNA双链复制起始点OriC PriA/DnaG 5’ 3’ DnaA DnaB/DnaC DNA双链解开成单链DNA 解旋酶 SSB SSB SSB 解链酶 引发体 引物酶 5’ 3’ RNA引物/3’-OH DNA聚合酶Ⅲ 拓扑异构酶 dNTP 和3’-OH形成3’5’磷酸二酯键

  29. (二) 复制的延伸 1.在DNA聚合酶Ⅲ的作用下 • 2.DNA 合成时，一股以3’ 5’方向的母链作为模板，指导新合成的链以5’ 3’方向连续合成，称为前导链（leading strand))。（复制方向与解链方向一致） • 3.前导链合成1000-2000个核苷酸后， 一股以5’ 3’方向的母链作为模板，指导新合成的链沿5’ 3’合成1000—2000个核苷酸不连续的小片段的链称为随从链(lagging strand)。（复制方向与解链方向相反). 新合成的链沿5’ 3’合成1000—2000个核苷酸不连续的小片段称为冈崎片段（Okazakifragment）

  30. 5’ 3’ 3’ 5’ 图12-13

  31. 半不连续复制： 在DNA复制过程中，亲代DNA分子中以3’ 5’方向的母链作为模板指导新的链以5’ 3’方向连续合成， 另一股以5’ 3’为方向的母链则指导新合成的链以 5’ 3’方向合成1000—2000个核苷酸长度的许多不连续的片段（冈崎片段）， 这种复制方式称之为半不连续复制。

  32. 去除RNA引物 补充缺口 连接切口 DNA聚合酶Ⅰ的小片段 5’ 3’外切酶 DNA聚合酶Ⅰ的大片段 3’ 5’外切酶 5’ 3’聚合酶 DNA连接酶 (三) 复制的终止（ter位点)

  33. 图12-14

  34. 5´-核酸外切酶 聚合中心 3´-核酸外切酶 裂缝内部 裂缝 DNA聚合酶的校对功能

  35. DNA聚合酶的校对功能 切除错配核苷酸 错配硷基 正 确核苷酸 聚合酶 复制方向 3´ 5´ 3´ 5´ 3´ 5´

  36. 原核生物复制的特点 • 定点起始，一个起始点OriC • 两个复制叉双向等速进行， • 半保留、半不连续复制

  37. 起点 起点 起点 起点 起点 起点 （四）、真核细胞DNA复制的特点  多个起点复制，半保留、半不连续复制，冈崎片段长度100－200 nt

  38. (五）、端粒DNA的复制 1.端粒(telomere) • 真核生物染色体为线性分子，复制时滞后链5’端不能被复制，在染色体端部留下缺口，使新合成的链缩短，从而使染色体端部随复制次数的增加而不断缩短。 • 3’端有特殊的序列，是线性DNA末端的复制必须的 ---端粒 • 端粒：染色体3’端由富含G的6个核苷酸组成的数百个串联重复序列（AGGGTT）n • 人:5’-AGGGTTAGGGTT-------3’ • 端粒能稳定染色体

  39. 2.端粒酶（telomerase) ----防止端粒缩短的酶 组成 端粒酶是一种含RNA的蛋白复合物，实质上是一种逆转录酶，它能催化互补于RNA模板的DNA片段的合成，使复制以后的线形DNA分子的末端保持不变。 唯一携带RNA模板的逆转录酶 人端粒酶:模板(RNA-端粒酶):3’-CAAUCCCAAUC-5’ 合成(DNA): 5’---AGGGTT---3’ 端粒酶和衰老、肿瘤有关

  40. 1.RNA和DNA单链 互补序列识别结合 2.以RNA为模板 的逆转录过程 3.再发动新一轮的合成延长, 合成较长的重复序列 3.端粒酶的作用机制

  41. 以RNA为模板合成DNA，这与通常转录过程中遗传信息从DNA到RNA的方向相反，故称为逆转录作用。以RNA为模板合成DNA，这与通常转录过程中遗传信息从DNA到RNA的方向相反，故称为逆转录作用。 依赖RNA的DNA聚合酶活力 RNaseH活力 依赖DNA指导下的DNA聚合酶活力 二、逆 转 录 作 用 1、概念 2、逆转录酶 三种功能 是DNA聚合酶，5’- 3’方向，需要引物

  42. 依赖RNA的DNA聚合酶 核糖核酸酶H 依赖DNA的DNA聚合酶 逆转录过程中cDNA的合成

  43. 逆转录病毒的生活周期 整合入宿主细胞染色体DNA cDNA 转录 逆转录 RNA 转译 RNA RNA 衣壳蛋白 丢失衣壳 被膜 进入细胞 被膜蛋白 丢失被膜 逆转录酶 衣壳 逆转录酶

  44. DNA修复的基础： 一条链有损伤 修复酶切除 以未损伤的链为模板 合成原来相同的序列

  45. 自发因素 物理因素 化学因素 随机热碰撞 紫外线损伤（共轭双键） 电离辐射损伤（X线/线） 亚硝酸盐 C U 5-溴尿嘧啶 5-BU A 氮芥类 烷化剂 羟胺 C- A 三、DNA的损伤、修复与突变 (一.)造成损伤的原因 G G 羟胺

  46. 点突变 类型 结果 转换----同型碱基 颠换----异型碱基 启动子/剪接信号 影响整个基因功能 编码序列 蛋白质功能改变 中性变化 AA变化，功能不变 静止突变 碱基变，AA不变 (二).DNA损伤类型

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