DNA的生物合成

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第十章,DNA,的生物合成,Chapter 10,Biosynthesis of DNA,DNA复制的特点,DNA复制的条件,DNA生物合成过程,DNA的损伤与修复,1,教学目的,:,1.掌握DNA复制的特点,2.了解DNA复制的条件,3.掌握DNA的生物合成过程,4.了解DNA的损伤与修复,教学重点难点,:,DNA复制的特点,DNA的生物合成过程,教学课时：2,2,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。,3,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,。,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,。,4,DNA dependent DNA polymeraseDDDP,DNA dependent RNA polymeraseDDRP,RNA dependent RNA polymeraseRDRP,RNA dependent DNA polymeraseRDDP,5,第一节 DNA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)。,6,DNA以半保留方式进行复制，是在1958年由M. Meselson 和 F. Stahl 所完成的实验所证明。该实验首先将大肠杆菌在含,15,N的培养基中培养约十五代，使其DNA中的碱基氮均转变为,15,N。将大肠杆菌移至只含,14,N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，可得到下列结果：,7,二、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（复制子）。在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在真核生物中则为多个。,8,三、需要引物,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(primer) ，才能开始聚合子代DNA链。,RNA引物的大小，在原核生物中通常为50100个核苷酸，而在真核生物中约为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。,9,四、双向复制,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）。,10,五、半不连续复制,由于DNA聚合酶只能以,53,方向聚合,子代DNA链,，即,模板DNA链,的方向必须为,35,。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。,11,以,35,方向的亲代DNA链作模板的子代链在复制时基本上是连续进行的，其子代链的聚合方向为,53,，这一条链被称为,领头链,(leading strand)。而以53方向的亲代DNA链为模板的子代链在复制时则是不连续的，其链的聚合方向也是,53,，这条链被称为,随从链,(lagging strand)。,12,由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因此，随从链的合成也是一段一段的。DNA在复制时，由随从链所形成的一些子代DNA短链称为,冈崎片段,(Okazaki fragment)。,冈崎片段的大小，在原核生物中约为10002000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。,13,第二节 DNA复制的条件,一、底物,以四种脱氧核糖核酸(deoxynucleotide triphosphate)为底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。,(dNMP),n,+dNTP (dNMP),n+1,+PPi,14,二、模板(template),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。,15,三、引发体和RNA引物,引发体(primosome)由引发前体与引物酶（primase）组装而成。,引发前体是由若干蛋白因子聚合而成的复合体。在原核生物中，引发前体至少由六种蛋白因子构成。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。,引物酶本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP），该酶以DNA为模板，聚合一段RNA短链引物(primer)，以提供自由的3-OH，使子代DNA链能够开始聚合。,16,四、DNA,聚合酶,(DDDP),（一）种类和生理功能：,在原核生物中，目前发现的DNA聚合酶有三种，分别命名为DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），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 和pol 。,17,pol 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,53聚合酶,活性和,35外切酶,的活性。,18,pol 由十种亚基组成，其中亚基具有53聚合DNA的酶活性，因而具有复制DNA的功能；而亚基具有35外切酶的活性，因而与DNA复制的校正功能有关。,19,原核生物中的三种DNA聚合酶,20,在真核生物中，目前发现的DNA聚合酶有五种，分别命名为DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ）。,其中，参与染色体DNA复制的是pol （延长随从链）和pol （延长领头链），参与线粒体DNA复制的是pol ，pol与DNA损伤修复、校读和填补缺口有关，pol 只在其他聚合酶无活性时才发挥作用。,21,（二）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；,2DNA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。,22,五、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。,23,DNA连接酶催化的条件是： 需一段DNA片段具有3-OH，而另一段DNA片段具有5-Pi基；,未封闭的缺口位于双链DNA中,，即其中有一条链是完整的； 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,。,24,六、单链DNA结合蛋白,单链DNA结合蛋白（single strand binding protein, SSB）又称螺旋反稳蛋白（HDP）。这是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子。其作用为： 使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在，即稳定单链DNA，便于以其为模板复制子代DNA； 保护单链DNA，避免核酸酶的降解。,25,七、解螺旋酶,解螺旋酶（unwinding enzyme） ，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。目前发现存在至少存在两种解螺旋酶。,26,八、拓扑异构酶(topoisomerase),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。,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。,大肠杆菌拓朴异构酶的结构,27,第三节 DNA生物合成过程,一、复制的起始,DNA复制的起始阶段，由下列两步构成。,（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，形成复制叉。,DNA复制时，局部双螺旋解开形成两条单链，这种叉状结构称为,复制叉,。,28,2引发体组装：,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发体。,29,（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）。,30,二、复制的延长,（一）聚合子代DNA：,由DNA聚合酶催化，以35方向的亲代DNA链为模板，从53方向聚合子代DNA链。在原核生物中，参与DNA复制延长的是,DNA聚合酶,；而在真核生物中，是,DNA聚合酶(延长随从链)和（延长领头链）,。,31,（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。,32,33,三、复制的终止,（一）去除引物，填补缺口：,在原核生物中，由,DNA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。而在真核生物中，RNA引物的去除，由一种特殊的核酸酶来水解，而冈崎片段仍由DNA聚合酶来延长。,34,（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。,35,（三）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。,36,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。,37,端粒酶(telomerase)的作用机制,38,第四节 DNA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。,39,（一）引起突变的因素：,1自发因素：,(1),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。,(2),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。,(3),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。,40,2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。,41,3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。,42,(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。,43,（二）DNA突变的类型：,44,碱基的转换,45,（三）DNA突变的效应：,1同义突变,：基因突变导致mRNA暗码子第三位碱基的改变但不引起暗码子意义的改变，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暗码子碱基被置换，其意义发生改变，翻译产物中的氨基酸残基顺序发生改变。,3无义突变,：基因突变导致mRNA暗码子碱基被置换而改变成终止暗码子，引起多肽链合成的终止。,4移码突变,：基因突变导致mRNA暗码子碱基被置换，引起突变点之后的氨基酸残基顺序全部发生改变。,46,二、DNA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。,47,（一）直接修复：,1光复活：,（light repairing）：,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300600nm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。,48,2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。,3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。,49,（二）取代修复：,1切除修复(excision repairing)：,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,。,50,2重组修复(recombination repairing)：,这是DNA的复制过程中所采用的一种有差错的修复方式。,51,3SOS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。,52,