七科联考生物化学第十四章DNA的生物合成1课件

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1、1 第一篇第一篇 生物分子结构与功能生物分子结构与功能1第二篇第二篇 物质代谢及其调节物质代谢及其调节2第三篇第三篇 遗传信息的传递遗传信息的传递3生生 物物 化化 学学？2 复制、复制、转录转录、翻译讲解方式：、翻译讲解方式：1 1、基本概念及特点，所需、基本概念及特点，所需酶酶及各种因子及各种因子2 2、合成过程、合成过程3 3、原核生物、真核生物、原核生物、真核生物起始起始 延长延长 终止终止3真核基因与基因组真核基因与基因组 Eukaryote Gene and Genome4基因（基因（genegene）：）：编码编码蛋白质或蛋白质或RNARNA等具有等具有特定功能产物的、负载遗传信

2、息的基本单特定功能产物的、负载遗传信息的基本单位。位。基因组（基因组（genomegenome）：）：一个生物体内所有一个生物体内所有遗传信息的总和。遗传信息的总和。5DNADNA的生物合成的生物合成 DNA Biosynthesis（Replication）第第 十十 四四 章章6DNA修复合成修复合成（DNA损伤修损伤修复）复）DNA指导的指导的DNA合成合成（DNA复制）复制）RNA指导的指导的DNA合成合成（逆转录）（逆转录）DNA的生物合成7亲代亲代DNADNA复制复制子代子代DNADNA复制复制(replication)(replication)是以是以DNADNA为模板的为模板的

3、DNADNA合成，合成，是基因组的复制过程。是基因组的复制过程。8u分子基础：碱基配对规分子基础：碱基配对规律和律和DNADNA双螺旋结构双螺旋结构u化学本质：酶促的脱氧化学本质：酶促的脱氧核苷酸聚合反应核苷酸聚合反应u复制的保证：各种酶和复制的保证：各种酶和蛋白质因子的参与蛋白质因子的参与9DNA复制的基本复制的基本特征特征Basic Rules of DNA Replication 第一节第一节10复制的基本特征：复制的基本特征：(3(3个个)1.1.半保留复制半保留复制 2.2.双向复制双向复制3.3.半不连续复制半不连续复制 11一、半保留复制一、半保留复制 DNADNA生生物物合合成

4、成时时，亲亲代代双双链链DNADNA解解开开为为两两股股单单链链，各各自自作作为为模模板板，依依据据碱碱基基配配对对规规律律，合合成成序序列列互互补补的的子子链链DNADNA。这这种种复复制制方式称为方式称为半保留复制。半保留复制。12半保留复制方式保证遗传信息的忠实传递半保留复制方式保证遗传信息的忠实传递13半保留复制的理论设想半保留复制的理论设想T TG GG GT TA AC CT TG GC CC CA AC CT TG GG GA AC CC CA AT TG GA AC CG GG GT TG GA AC CC CT TG GG GT TA AC CT TG GC CC CA AC

5、 CT TG GG GA AC CC CA AT TG GA AC CG GG GT TG GA AC CC CC CC CA AC CT TG GG GG GG GT TG GA AC CC CT TG GG GT TA AC CT TG GA AC CC CA AT TG GA AC CA AC CC CA AT TG GA AC CT TG GG GT TA AC CT TG GT TG GG GT TA AC CT TG GC CC CA AC CT TG GG GA AC CC CA AT TG GA AC CG GG GT TG GA AC CC C+母链母链DNADNA 复制过程

6、中打开复制过程中打开的的复制叉复制叉子代子代DNADNA 141 1、遗传的保守性：、遗传的保守性：子代子代DNADNA保留了亲代的全部遗传信息。保留了亲代的全部遗传信息。半保留复制的意义半保留复制的意义2 2、遗传的保守性是相对的，自然界存、遗传的保守性是相对的，自然界存 在着普遍的变异现象。在着普遍的变异现象。15 复制时，复制时，DNADNA从起始点从起始点(origin)(origin)向两个方向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为称为双向复制。双向复制。二、双向复制二、双向复制16复制起点（origin）：指DNA复制所必需的一段特殊

7、的DNA序列。复制叉（relication fork):正在进行复制的双链DNA分子形成的Y形或叉形区域。复制子（relicion):含有一个复制起点的独立完成复制的功能单位。双向复制（双向复制（bidirectional replication)从起点向从起点向2个方向延伸个方向延伸17(一）原核生物：一）原核生物：只有一个复制起始点，一个终止点只有一个复制起始点，一个终止点18复制中的模板复制中的模板复制中的模板复制中的模板DNADNA形成形成形成形成2 2个延伸方向相反的开链区，个延伸方向相反的开链区，个延伸方向相反的开链区，个延伸方向相反的开链区，称为复制叉。称为复制叉。称为复制叉。称

8、为复制叉。Fork movementFork movement复制叉复制叉19（二）真核生物（二）真核生物u真核生物多染色体，多起始点，多复制子的复制。真核生物多染色体，多起始点，多复制子的复制。u复制子复制子(replicon):(replicon):是含有一个复制起点的独立完是含有一个复制起点的独立完成复制的功能单位，是从一个成复制的功能单位，是从一个DNADNA复制起始点起始复制起始点起始的的DNADNA复制区域。复制区域。u高等生物有数以万计的复制子，长度差异很大。高等生物有数以万计的复制子，长度差异很大。原核生物是单复制子复制，称为复制体（原核生物是单复制子复制，称为复制体（repl

9、isomereplisome）20真核生物的多复制子复制真核生物的多复制子复制5 53 3oriorioriorioriorioriori5 53 35 55 53 33 3复复制制进进程程5 55 53 33 321 E.coli 人染色体基因组人染色体基因组 4.4106bp 3109bp 1 1个复制起点和两个复制叉个复制起点和两个复制叉 多个复制起点和多个复制叉多个复制起点和多个复制叉 单复制子单复制子 多复制子（多复制子（104105）42分钟分钟 8小时小时 1000bp/秒秒 100bp/秒秒 22半不连续复制前导链（前导链（leading strand）:DNA复制时，复制时，

10、一条链的合成方向和复制叉前进方向相同，一条链的合成方向和复制叉前进方向相同，可以连续复制合成的新链。可以连续复制合成的新链。后随链（后随链（lagging strand）:另一条链的另一条链的合成方向与复制叉前进方向相反，不能连合成方向与复制叉前进方向相反，不能连续复制，只能分成若干小片段分别合成，续复制，只能分成若干小片段分别合成，然后连接起来形成新链。后随链中的小片然后连接起来形成新链。后随链中的小片段称为段称为冈崎片段冈崎片段（Okazaki fragments)。前导链连续复制而后随链不连续复制，即前导链连续复制而后随链不连续复制，即半不连半不连续续复制。复制。235 5 3 3 解链

11、方向解链方向3 3 5 5 前导链前导链(leading strand)(leading strand)后随链后随链(lagging strand)(lagging strand)3 3 5 5 3 3 3 3 5 5 5 5 前导链前导链 连续复制连续复制后随链后随链 不连续复制不连续复制DNADNA复制方向：复制方向：5 5 3 3 三、半不连续性复制三、半不连续性复制冈崎片段冈崎片段24 第二节第二节 DNADNA复制的酶学和拓扑学变化复制的酶学和拓扑学变化25复制的基本化学反应复制的基本化学反应单链延长的方向单链延长的方向 (dNMP)(dNMP)n n+dNTP +dNTP (dNM

12、P)(dNMP)n+1n+1+PPi+PPi 26复制过程复制过程参加物质参加物质原料原料：dNTP(dATP dGTP dCTP dTTP)dNTP(dATP dGTP dCTP dTTP)条件：供能条件：供能 ATP ATP、MgMg2+2+模板：模板：DNADNA酶酶引物引物:RNA:RNA蛋白质因子蛋白质因子DNADNA聚合酶聚合酶引物酶（引物酶（DnaGDnaG）解旋酶（解旋酶（DnaBDnaB）连接酶连接酶拓扑异构酶拓扑异构酶DnaADnaADnaBDnaB（解旋酶）（解旋酶）DnaCDnaCDnaGDnaG（引物酶）（引物酶）SSBSSB27一、一、DNA聚合酶（聚合酶（DNA

13、polymerase）简称：简称：DNA-polDNA-pol全称：依赖全称：依赖DNADNA的的DNADNA聚合酶聚合酶(DNA-dependent DNA polymerase(DNA-dependent DNA polymerase)种类种类：原核原核 真核真核28 DNA聚合酶聚合酶活性（作用）（活性（作用）（2 2方面）方面）1 1、聚合活性：、聚合活性：5 5 3 3 方向，方向，催化四种催化四种dNTPdNTP一个一个地连接到一个一个地连接到DNADNA子链上去。子链上去。2 2、核酸外切酶活性（两种情况）、核酸外切酶活性（两种情况）3 3 5 5 外切酶活性，能辨认错配的碱基对

14、，并将其水解。外切酶活性，能辨认错配的碱基对，并将其水解。5 5 3 3 外切酶活性，能切除引物和突变的外切酶活性，能切除引物和突变的 DNADNA片段。片段。29（一）原核生物有（一）原核生物有3 3种种DNA聚合酶聚合酶分三型：分三型：DNA pol DNA pol DNA pol 相同点：相同点：1 1、5 53 3 的聚合活性的聚合活性 2 2、3 3 5 5 核酸外切酶活核酸外切酶活性性30原核生物的原核生物的DNA聚合酶不同点聚合酶不同点 DNA pol 的比活性远高于的比活性远高于DNA pol，是原，是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。核生物复制延长中真正起催化作用的酶。3

15、1小片段小片段（323aa)大片段（大片段（604aa)（Klenow fragment）5 533聚合酶活性聚合酶活性3 355外切酶活性外切酶活性5 533外切酶活性外切酶活性EJPNMLHIORQGCDBFAKDNA pol（20bp)木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶32DNA pol 的作用的作用 1.1.对复制中的错误进行校对；对复制中的错误进行校对；2.2.填补复制和修复过程中出现的空隙；填补复制和修复过程中出现的空隙；3.3.Klenow fragment是实验室是实验室合成合成DNA 和进行分子生物学研究和进行分子生物学研究常用的常用的 工具酶工具酶。33 DNA-pol（120kD）n

16、DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活基因发生突变，细菌依然能存活n 它对模板的特异性不高，参与它对模板的特异性不高，参与DNA损伤的应损伤的应 急状态修复（急状态修复（SOS修复）修复）34全酶组装至模板，全酶组装至模板，增强核心酶活性增强核心酶活性功能：原核生物复制延长中合成前导链和后随链。功能：原核生物复制延长中合成前导链和后随链。DNA-pol 夹稳模板，滑动夹稳模板，滑动核心酶核心酶核心酶核心酶 亚基亚基:合成合成DNADNA 亚基亚基:具有具有3 35 5 外切酶活外切酶活性（校正功能）性（校正功能）亚基亚基:组装作用组装作用（、6种种亚基）亚基）（含（含1对对-亚基）亚

17、基）35（二）常见的真核细胞（二）常见的真核细胞DNADNA聚合酶有聚合酶有5 5种种DNA-pol DNA-pol ：在在线粒体线粒体DNADNA复制中起催化作用。复制中起催化作用。DNA-pol DNA-pol （）：）：延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。DNA-pol DNA-pol （）：）：校读、修复和填补缺口校读、修复和填补缺口DNA-pol DNA-pol ：起始引发，有引物酶活性。起始引发，有引物酶活性。DNA-pol DNA-pol （）：）：参与低保真度的复制，应急修复。参与低保真度的复制，应急修复。3 355外切酶活性（外切酶活性（、）3

18、6二、复制的保真性二、复制的保真性（一）复制遵守严格的（一）复制遵守严格的碱基配对规律碱基配对规律进行进行（二）复制的保真性依赖（二）复制的保真性依赖正确的碱基选择正确的碱基选择（三）聚合酶中核酸外切酶活性在复制中（三）聚合酶中核酸外切酶活性在复制中辨认辨认 切除错配碱基并加以校正切除错配碱基并加以校正 37（一）复制的保真性依赖正确的碱基选择（一）复制的保真性依赖正确的碱基选择 DN DNA pol 对嘌呤的不同构型表现不同亲和力，对嘌呤的不同构型表现不同亲和力，因此实现其选择功能。因此实现其选择功能。DNADNA复制的精确度极高复制的精确度极高,在细菌中其误差率只有在细菌中其误差率只有10

19、10-8-81010-10-1038（二）（二）核酸外切酶活性在复制中辨认切除错配碱基并加核酸外切酶活性在复制中辨认切除错配碱基并加以校正以校正 B：如果碱基配对正确，：如果碱基配对正确，DNA-pol I 则不表现外切酶活性；只则不表现外切酶活性；只表现聚合酶活性。表现聚合酶活性。DNA-pol I外切活性外切活性聚合活性聚合活性dCTPA A：碱基配对错误，：碱基配对错误，DNA-pol DNA-pol I I表现外切酶活性，切除错配表现外切酶活性，切除错配碱基；并用其聚合活性掺入碱基；并用其聚合活性掺入正确配对的底物正确配对的底物模板链模板链新合成链新合成链模板链模板链 新合成链新合成链

20、39u 染染色色体体是是由由DNADNA和和组组蛋蛋白白经经高高度度压压缩缩形形成成的的复复杂杂结结构构。DNADNA复复制制时时，首首先先需需要要把把DNADNA的的超超螺螺旋解开。旋解开。u DNADNA分分子子的的碱碱基基埋埋在在双双螺螺旋旋内内部部，只只有有把把DNADNA解解成成单单链链，它它才才能能起起模模板板作用。作用。三、复制中的解链伴有三、复制中的解链伴有DNADNA分子拓扑学变化分子拓扑学变化40（一）多种酶参与（一）多种酶参与DNA解链和稳定单链状态解链和稳定单链状态原核生物复制原核生物复制中参与中参与DNA解解链的相关蛋白链的相关蛋白DnaA(dnaA)辨认复制起始点辨

21、认复制起始点DnaC(dnaC)运送并协同运送并协同DnaB拓扑异构酶拓扑异构酶（gyr,）理顺理顺DNA链链单链结合蛋白单链结合蛋白SSB稳定已解开的单链稳定已解开的单链解旋酶解旋酶DnaB(dnaB)解开解开DNA双链双链引物酶引物酶DnaG(dnaG)催化催化RNA引物生成引物生成411.1.解旋酶解旋酶 (helicase)：DnaB解旋酶解旋酶DnaDnaB BDnaDnaA A、B B、C CATPATP作用：作用：利用利用ATPATP供能，作用于氢键，使供能，作用于氢键，使DNADNA双链解开双链解开 成为两条单链。成为两条单链。C C B B A A422.2.单链结合蛋白单链

22、结合蛋白（SSB）作用作用:1 1、防止单链、防止单链DNADNA重新形成双链重新形成双链 2 2、防止单链、防止单链DNADNA被核酸酶水解被核酸酶水解特点：特点：由由177177个个aaaa组成的同源四聚体，结合单链组成的同源四聚体，结合单链 DNADNA跨度约跨度约32bp,32bp,不断地结合和解离。不断地结合和解离。DnaB单链结合蛋白单链结合蛋白43 作用：作用：该酶以该酶以DNADNA为模板，合成一段为模板，合成一段RNARNA引物。引物。DNADNA复制是在该引物复制是在该引物3 3-OH-OH末端加入末端加入dNTPdNTP。因为因为DNADNA聚合酶不能催化两个游离的聚合酶

23、不能催化两个游离的dNTPdNTP聚聚合，而引物酶可以催化两个游离的合，而引物酶可以催化两个游离的NTPNTP聚合聚合.3.3.引物酶引物酶 (primase)为什么要合成引物为什么要合成引物?44引物酶和引物酶和RNARNA聚合酶的异同聚合酶的异同1 1、相同点：催化游离、相同点：催化游离NTPNTP聚合聚合2 2、不同点：、不同点：引物酶引物酶RNARNA聚合酶聚合酶 利福平利福平45 拓扑异构酶对拓扑异构酶对DNADNA分子的作用是既能切开又能连接分子的作用是既能切开又能连接磷酸二酯键，使磷酸二酯键，使DNADNA不至于打结，适当时候又把切口不至于打结，适当时候又把切口封闭，使封闭，使D

24、NADNA的拓扑异构体发生改变。的拓扑异构体发生改变。拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶原原核核原原核核真真核核真真核核转轴酶转轴酶解缠酶解缠酶切口切口-封闭酶封闭酶松弛酶松弛酶蛋白蛋白促旋酶促旋酶又分为又分为几种亚型几种亚型最近发现最近发现（二）（二）DNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶(DNA topoisomerase)46uDNA分分子子是是反反向向平平行行、右右手手螺螺旋旋的的双双链链结结构构。每每一一个个螺螺旋旋有有10个个碱基碱基对，螺距为对，螺距为3.4nm。u碱碱基基垂垂直直螺螺旋旋轴轴居居双双螺螺旋旋内内側側，与与对对側側碱碱基基形

25、形成成氢氢键键配配对对（互互补补配对形式：配对形式：A=T;G C）。u疏疏水水作作用用力力和和氢氢键键共共同同维维持持着着DNA双螺旋结构的稳定。双螺旋结构的稳定。DNADNA双螺旋结构具有特征性双螺旋结构具有特征性 （Watson,Crick,1953）47DNADNA的超螺旋结构的超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。超螺旋结构。正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同双螺旋方同相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoi

26、l)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反 481111个个螺旋螺旋 9 9个螺旋个螺旋被压缩被压缩 超螺旋局部解开后超螺旋局部解开后DNADNA复制过程中正超螺旋的形成复制过程中正超螺旋的形成2 2 复制过程中正超螺旋的形成复制过程中正超螺旋的形成 超螺旋解开前超螺旋解开前2 29 94950拓扑拓扑异构异构酶酶切切断断DNADNA双双链链中中一一股股链链，适适当当时时候候封封闭切口闭切口,使使DNADNA变为松弛状态。变为松弛状态。反应反应不需不需ATPATP。拓扑拓扑异构异构酶酶无无ATPATP时时，切断处于正超螺旋的切断处于正超螺旋的DNADNA分子分子两股两股链，断端

27、通过切口旋转使链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。超螺旋松弛。再利用再利用ATPATP供能，连接断端。供能，连接断端。拓扑异构酶的作用拓扑异构酶的作用 51 连接连接DNADNA链链3-OH末端和相邻末端和相邻DNADNA链链5-P末端，使二者生成磷酸二酯键，把两段相邻末端，使二者生成磷酸二酯键，把两段相邻的的DNA链连接成一条完整的链。链连接成一条完整的链。四、四、DNA连接酶连接酶 (DNA ligase)DNA连接酶的特点连接酶的特点:1 1、消耗、消耗ATP;2 2、只能连接碱基互补基础上的双链中的单链缺口、只能连接碱基互补基础上的双链中的单链缺口 （不能连接单独存在的不能连接单独存在的DNA或或RNA单链）。单链）。52DNADNA连接酶的功能连接酶的功能1 1、在复制中起最后接合缺口的作用；、在复制中起最后接合缺口的作用；2 2、在、在DNADNA修复、重组中起接合缺口作用；修复、重组中起接合缺口作用；3 3、基因工程的重要工具酶。、基因工程的重要工具酶。53复制叉的结构及参与复制的酶与因子复制叉的结构及参与复制的酶与因子