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第十一章 DNA 的生物合成 Chapter 11 Biosynthesis of DNA. DNA 是由四种脱氧核糖核酸所组成的长链大分子,是遗传信息的携带者。 生物体的遗传信息就贮存在 DNA 的四种脱氧核糖核酸的排列顺序中。. DNA 通过复制将遗传信息由亲代传递给子代;通过转录和翻译,将遗传信息传递给蛋白质分子,从而决定生物的表现型。 DNA 的复制、转录和翻译过程就构成了 遗传学的中心法则 (DNA 处于生命活动的中心)。 - PowerPoint PPT Presentation
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第十一章 第十一章 DNADNA 的生物合成 的生物合成Chapter 11Chapter 11 Biosynthesis of DNABiosynthesis of DNA
DNA是由四种脱氧核糖核酸所组成的长链大分子,是遗传信息的携带者。生物体的遗传信息就贮存在 DNA的
四种脱氧核糖核酸的排列顺序中。
DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代;通过转录和翻译,将遗传信息传递给蛋白质分子,从而决定生物的表现型。DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则(DNA处于生命活动的中心)。
在RNA病毒中,其遗传信息贮存在RNA分子中。因此,在这些生物体中,遗传信息的流向是RNA通过复制,将遗传信息由亲代传递给子代,通过反转录将遗传信息传递给DNA,再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质,这种遗传信息的流向就称为反中心法则。
DNA dependent DNA polymerase—DDDPDNA dependent RNA polymerase—DDRPRNA dependent RNA polymerase—RDRPRNA dependent DNA polymerase—RDDP
复制(DDDP) 转录(DDRP) 翻译 DNA RNA 蛋白质 反转录(RDDP) RNA 复制(RDRP)
第一节 第一节 DNADNA复制的特点复制的特点
一、半保留复制 DNA在复制时,以亲代DNA的每一股作模板,合成完全相同的两个双链子代DNA,每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链,这种现象称为DNA的半保留复制(semi-conservative replication)。
半保留复制的证据( 1958,M. Meselson 和 F. Stahl )
① 将大肠杆菌在含 15N →的培养基中培养约十五代
使其DNA中的碱基氮均转变为 15N 。
② 将大肠杆菌( 15N)移至只含 14N的培养基中同步培→养一代、二代、三代 分别提取DNA→作密度梯度离
心。结果:
二、有一定的复制起始点DNA在复制时,需在特定的位点起始,这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段,即复制起始点( origin of replication)。原核生物中,复制起始点通常为一个 .真核生物中 , 复制起始点则为多个。
三、需要引物
RNA引物的大小:•原核生物: 50~ 100个核苷酸。
•真核生物:约为 10个核苷酸。 RNA引物的碱基顺序:•与其模板DNA的碱基顺序相配对。
引物 (primer):•参与DNA复制的DNA聚合酶,必须以一段具有 3’端自由羟基( 3’-OH)的 RNA作为引物,才能开始聚合子代DNA 链。
DNA复制时,以复制起始点为中心,向两个方向进行复制。但在低等生物中,也可进行单向复制(如滚环复制)。
四、双向复制
单向模型
起始点
双向模型
复制中的大肠杆菌环形染色体
五、半不连续复制
由于DNA聚合酶只能以 5‘→3’方 向聚 合 子代DNA链,即模板
DNA链的方向必须为 3'→5'。因此,分别以两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时的方式是不同的。
•模板链方向:3‘→5’
前导链 (leading strand)
滞后链 (lagging strand)
•复制方向: 5‘→3’
•复制方式:连续复制
•模板链方向: 5‘→3’
•复制方向: 5‘→3’
•复制方式:不连续复制
•
解链方向
冈崎片段的大小:•原核生物中约为 1000~ 2000个核苷酸,真核生物中约为 100个核苷酸 .
冈崎片段 (Okazaki fragment) :•由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的,因此,滞后链的合成也是一段一段的。DNA在复制时,由滞后链所形成的一些子代DNA短链称为冈崎片段。
第二节 第二节 DNADNA复制的条件复制的条件
一、底物
即 dATP, dGTP, dCTP, dTTP。 (dNMP)n+dNTP
(dNMP)n+1+PPi
DNA 复制是模板依赖性的,必须要以亲代 DNA链作为模板。亲代 DNA的两股链解开后,可分别作为模板进行复制。
二、模板 (template)
引物体
引物前体
引物合成酶 :
(DDRP)
(蛋白因子聚合体 )
蛋白 i、蛋白 n、蛋白 n”、蛋白 dnaC
(与引物预合成有关 )
蛋白 n’与蛋白 dnaB
(与识别复制起始点有关,并具有 ATPase活性 )
以DNA为模板,聚合一段 RNA短链引物 (primer).
三、引物体和 RNA引物
四、四、 DNADNA聚合酶聚合酶 (DDDP)(DDDP)
(一)种类和生理功能
原核生物
DNA Ⅰ聚合酶 ( pol Ⅰ)
DNA Ⅱ聚合酶 ( pol Ⅱ)
DNA Ⅲ聚合酶 ( pol Ⅲ)
这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能 酶。参与DNA复制的主要是 pol Ⅲ和pol Ⅰ。
pol Ⅰ为单一肽链的大分子蛋白质 ,可被特异的蛋白酶水解为两个片段,其中的大片段称为Klenow fragment,具有 5'→3'聚合酶活性和 3'→5'外切酶的活性。
pol Ⅲ 由十种亚基组成,其中 α 亚基具有5'→3' 聚合 DNA 的酶活性,因而具有复制DNA的功能;而 ε亚基具有 3'→5'外切酶的活性,因而与DNA复制的校正功能有关。
DNA Ⅲ聚合酶 的两个 B-亚基形成一个环形钳子围绕着DNA
真核生物
DNA聚合酶 α( pol α):延长滞后链
DNA聚合酶 γ( pol γ):参与线粒体DNA复制
DNA聚合酶 β( pol β):在其他聚合酶无活性 时才发挥作用。
DNA聚合酶 δ( pol δ):与DNA损伤修复、校读 和填补缺口有关。
DNA聚合酶 ε( pol ε):延长前导链
五、DNA 连接酶DNA连接酶 (DNA ligase)可催化两段DNA片段之间磷酸二酯键的形成,而使两段DNA连接起来。
DNA连接酶催化条件① 是: 需一段DNA片
段具有 3‘-OH,而另一段DNA片段具有5’-Pi ② 基; 未封闭的缺口位于双链DNA中,即其中有一条链是
③ 完整的; 需要消耗能量,在原核生物中由NAD+供能,在真核生物中由ATP供能。
六、单链DNA结合蛋白其作用是:稳定单链 DNA,保护单链 DNA
七、解 螺旋酶
又称解链酶或 rep蛋白,是用于解开DNA双链的酶蛋白,每解开一对碱基,需消耗两分子ATP。目前发现至少存在两种解 螺旋酶。
Ⅰ大肠杆菌拓朴异构酶 的结构
八、拓扑异构酶 Ⅰ拓扑异构酶 可使DNA双链中的一条链切断,松开双螺旋后再将DNA链连接起来,从而避免出现链的缠绕。反应无需供给能量。 Ⅱ拓扑异构酶 可切断DNA双链,使DNA的超螺旋松解后,再将其连接起来。消除复制叉前进时带来的扭曲张力。需 ATP水解 供能。
第三节 第三节 DNADNA生物合成过程生物合成过程
(一)预引发:1.解 旋解链,形成复制 叉:由拓扑异构酶和解链酶作用,使 DNA的超螺旋及双螺旋结构解开,碱基 间氢键断裂,形成两条单链DNA。单链DNA结合蛋白( SSB)结合在两条单链DNA上,形成叉状结构,称为复制叉。
一、复制的起始DNA复制的起始阶段,由下列两步构成。
2.引物体组装:由蛋白因子(如 dnaB等)识别复制起始点,并与其他蛋白因子以及引物酶一起组装形成引物体。
(二)引发:
在引物酶的催化下,以DNA为模板,合成一段短的 RNA片段,从而获得 3'端自由羟基( 3'-OH)。
二、复制的延长二、复制的延长
(一)聚合子代DNA:由DNA聚合酶催化,以 3'→5'方向的亲代
DNA链为模板,从 5'→3'方向聚合子代DNA链。在原核生物中,参与DNA复制延长的是DNA Ⅲ聚合酶 ;而在真核生物中,是DNA聚合酶 α(延长随从链 )和 δ(延长领头链)。
(二)引发体移动:
引发体向前移动,解开 新的局部双螺旋,形成新的复制叉,随从链重新合成 RNA引物,继续进行链的延长。
三、复制的终止三、复制的终止 (一)去除引物,填补缺口:原核生物 :由DNA Ⅰ聚合酶 来水解 去除RNA引物,并由该酶催化延长引物缺口处的DNA,直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。真核生物中 :由一种特殊的核酸酶来水解去除 RNA引物,而冈崎片段仍由DNA聚合酶来延长。
(二)连接冈崎片段:
在DNA连接酶的催化下,形成最后一个磷酸酯键,将冈崎片段连接起来,形成完整的DNA长链。
(三)DNA复制的保真性:为了保证遗传的稳定,DNA的复制必须具有高
保真性。DNA复制时的保真性主要与下列因素有
关:
1.遵守严格的碱基配对规律;
2.DNA 聚合酶在复制时对碱基的正确选择;
3.对复制过程中出现的错误及时进行校正。
(四)真核生物端粒的形成:端粒( telomere)是指真核生物染色体线性 DNA 分子末端的结构部分,通常膨大成粒状。其共同的结构特征是由一些富含 G、 C的短重复序列构成,可重复数十次至数百次。
线性DNA在复制完成后,其末端由于引物RNA的水解而可能 出现缩短。故需要在端粒酶( telomerase )的催化下,进行延长反应。
端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体,它可以其RNA为模板,通过逆转录过程对末端DNA链进行延长。
端粒酶端粒酶 (telomerase)(telomerase)的作用机制的作用机制
第四节 第四节 DNADNA的损伤与修复的损伤与修复
一、DNA的损伤(突变)由自发的或环境的因素引起DNA一级结构的任何异常的改变称为DNA的损伤,也称为突变(mutation )。常见的DNA的损伤包括碱基脱落、碱基修饰、交联,链的断裂,重组等。
(一)引起突变的因素
1.自发因素自发脱碱基:由于N-糖苷键的自发断裂,引起嘌呤或嘧啶碱基的脱落。每日可达近万个核苷酸残基。自发脱氨基:胞嘧啶自发脱氨基可生成尿嘧啶,腺嘌呤自发脱氨基可生成次黄嘌呤。每日可达几十到几百个核苷酸残基。复制错配:由于复制时碱基配对错误引起的损伤,发生频率较低。
2.物理因素:由紫外线、电离辐射、 X射线等引起的DNA损伤。其中, X射线和电离辐射常常引起DNA链的断裂,而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成,如 TT, TC, CC等二聚体。这些嘧啶二聚体由于形成了共价键连接的环丁烷结构,因而会引起复制障碍。
3.化学因素:(1)脱氨剂:如亚硝酸与亚硝酸盐,可加速 C脱氨基生成U, A脱氨基生成 I。
(2)烷基化剂:这是一类带有活性烷基的化合物,可提供甲基或其他烷基,引起碱基或磷酸基的烷基化,甚至可引起邻近碱基的交联。 (3)DNA加合剂:如苯并芘,在体内代谢后生成四羟苯并芘,与嘌呤共价结合引起损伤。 (4)碱基类似物:如 5-FU, 6-MP等,可掺入到DNA分子中引起损伤或突变。(5)断链剂:如过氧化物,含巯基化合物等,可引起DNA链的断裂。
(二)(二) DNADNA突变的类突变的类
型:型: 转换– – – 相同类型碱基的取代。 颠换– – – 不同类型碱基的取代。 点突变 插入– – – 增加一个碱基。 缺失– – – 减少一个碱基。 插入– – – 增加一段顺序。 缺失– – – 减少一段顺序。 复突变 倒位– – – 一段碱基顺序发生颠倒。 移位– – – 一段碱基顺序的位置发生改变。 重排– – – 一段碱基顺序与另一段碱基顺序发生交换。
碱基的转换碱基的转换
(三)DNA突变的效应:
1.同义突变:基因突变导致mRNA密码子第三位碱基的改变但不引起密码子意义的改变,其翻译产物中的氨基酸残基顺序不变,但有时可引起翻译效率降低。
2.误义突变:基因突变导致mRNA密码子碱基被置换,其意义发生改变,翻译产物中的氨基酸残基顺序发生改变。
4.移码突变:基因突变导致mRNA密码子碱基被置换,引起突变点之后的氨基酸残基顺序全部发生改变。
3.无义突变:基因突变导致mRNA密码子碱基被置换而改变成终止密码子,引起多肽链合成的终止。
二、二、 DNADNA损伤的修复损伤的修复 DNA损伤的修复方式可分为直接修复和取代修复两大类。
光复活 直接修复 转甲基作用 直接连接 无差错修复 切除修复 取代修复 重组修复 有差错倾向修复 SOS修复
1.转甲基作用:
在转甲基酶的催化下,将DNA上的被修饰的甲基去除。此时,转甲基酶自身被甲基化而失活。
2.直接连接:DNA断裂形成的缺口,可以在DNA连接酶的催化下,直接进行连接而封闭缺口。
(一)直接修复:1.光复活 这是一种广泛存在的修复作用。光复活能够修复任何嘧啶二聚体的损伤。其修复过程为:光复活酶( photo-lyase) 识别嘧啶二聚体并与之结合形成
→复 合 物 在 300 ~600nm 可见光照射下,酶获得能量,将嘧啶二聚体的丁酰环打开,使之完
→全修复 光复活酶从DNA上解离。
特异性的核酸内切酶识别 DNA DNA糖苷酶识别受损伤的 的损伤部位,并在该部位的 5' 碱基,并将该碱基切除 端作一切口 由核酸外切酶(或 DNA聚合 在插入酶的催化下,以正确 Ⅰ酶 )从 5' → 3'端逐一切除损 的碱基插入空位,修复 DNA 伤的单链片段 在 DNA聚合酶的催化下,以 互补链为模板,合成新的单链 片段以填补缺口 由 DNA连接酶催化连接片段, 封闭缺口
(二)取代修复 1.切除修复 这也是一种广泛存在的修复机制,可适用于多种 DNA损伤的修复。该修复机制可以分别由两种不同的酶来发动,一种是核酸内切酶,另一种是DNA糖苷酶。
2.重组修复 这是 DNA的复制过程中所采用的一种有差
错的修复方式。
3. SOS修复 这是一种在DNA分子受到较大范围损伤并且使复制受到抑制时出现的修复机制,以SOS借喻细胞处于危急状态。
DNA分子受到长片段高密度损伤,使DNA复制过程在损伤部位受到抑制。
损伤诱导一种特异性较低的新的DNA聚合酶,以及重组酶等的产生。
由这些特异性较低的酶继续催化损伤部位DNA的复制,复制完成后,保留许多错误的碱基,从而造成突变。