DNA是生物遗传的主要物质基础

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,*,DNA,是生物遗传的主要物质基础，生物机体的遗传信息以密码的形式编码在,DNA,分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序，并通过,DNA,的复制由亲代传递给子代。在后代的生长发育过程中，遗传信息自,DNA,转录给,RNA,然后翻译成特异的蛋白质，以执行各种生命功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状。,中 心 法 则,1964-1970 劳氏肉瘤病毒的,遗传方式,致癌,RNA,病毒,病毒（复制）,复制,转录,DNA RNA,蛋白质,翻译,逆转录,1958年，遗传信息的单向,1,二、,DNA,的合成,（一）依赖于,DNA,的,DNA,合成（,DNA,的复制）,1,、,DNA,的半保留复制：在,1953,年，,Watson,和,Crick,在建立双螺旋,DNA,结构的基础上就提出了,DNA,复制的半保留复制假说。他们推测,DNA,复制时，两链先分开，然后用碱基配对的方式，按照单链,DNA,的核苷酸顺序合成新链，以组成新,DNA,分子。这样形成的两个,DNA,分子与原来的,DNA,分子的碱基顺序完全一样，每个子代分子的一条链来自亲代,DNA,、另一条链是新合成的，这种方式称为半保留复制 （如右图）。,2,DNA,的半保留复制,定义,：,由亲代,DNA,生成子代,DNA,时，每个新形成的子代,DNA,中，一条链来自亲代,DNA，,而另一条链则是新合成的，这种复制方式叫,半保留复制,半保留复制的实验证据:,1958,年,Meselson,和,Stahl,用同位素,15,N,标记大肠杆菌,DNA,首先证明了,DNA,的半保留复制。,3,4,15,N-DNA,的密度大于,14,N-DNA,的密度,5,DNA,的半保留复制的生物学意义：,DNA,的半保留复制表明,DNA,在代谢上的稳定性，,保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。,DNA,在代谢上的稳定性并非指,DNA,是一种惰性物质。,6,2,、,DNA,复制的起始点和方向：,DNA,复制开始于染色体上固定的起始点。起始点是含有,100-200,个碱基对的一段,DNA,。,DNA,的两条链在起始点分开形成叉子样的“复制叉”，随着复制叉的移动完成,DNA,的复制过程。细胞内存在能识别起始点的特种蛋白质。,DNA,复制可以朝一个方向进行，也可以朝两个相反的方向进行（如有图）。其证据来自放射自显影实验或电子显微镜观察。,大多数生物染色体,DNA,的复制是双向进行的。,7,8,大肠杆菌染色体,DNA,的复制经证明是双向进行的（如右图）。,在迅速生长的原核生物中，第一个染色体,DNA,复制尚未完成，第二个,DNA,分子就在同一个起始点上开始复制，其复制叉移动的速度约为,10,5,碱基对,/,分。,9,真核生物染色体的不同位置上有多个起试点，如在,30 000,个碱基对长的果蝇染色体,DNA,上有,2000-3000,个起试点，如下图：,真核生物的复制叉移动较慢（,5x10,2,-5x10,3,碱基对,/,分。但由于同时起作用的复制叉数目很大，所以复制的总速度比原核生物要快。,10,3.与,DNA,复制有关的酶和蛋白质,原料,：,四种脱氧核苷三磷酸（,dATP,、,dGTP,、,dCTP,、,dTTP,),模板,：以,DNA,的两条链为模板链，合成子代,DNA。,引物,：一小段,RNA(,或,DNA）,为引物，在大肠杆菌,中，,DNA,的合成需要一段,RNA,链作为,引物。,11,12,（,1,）,DNA,聚合酶：,DNA,复制过程中最基本的酶促反应始四种脱氧核苷酸的聚合反应。,1956,年,Kornberg,等首先从大肠杆菌中分离出催化此反应的,DNA,聚合酶。在大肠杆菌中现已发现三种,DNA,聚合酶，分别称为聚合酶,、聚合酶,和聚合酶,。三种酶的作用和活力大小见下表。,表,1.,大肠杆菌,DNA,聚合酶,13,在大肠杆菌中发现有三种,DNA,聚合酶（,用突变株研究其功能,）：,DNA,聚合酶:,单体酶,多肽链内含一个锌原子（其鳌合剂是,O-,二氮杂菲），多功能酶。,它具有5,3,聚合酶功能,（对脱氧核苷酸的选择）；,3,5外切酶活性,（对双链无作用，,校对功能。,但在正常聚合条件下，此活性不能作用于生长链）及,5,3外切酶活性,（双链有效，主要是对,DNA,损伤的修复，以及在,DNA,复制时,RNA,引物切除及其空隙的填补）；在,DNA,链的3,形成焦磷酸解（生理意义不大）；无机焦磷酸盐与,dNTP,之间的焦磷酸基交换。,DNA,聚合酶：,多亚基酶，,聚合作用，但聚合活力很低；具有3,5外切酶活性。其它生理功能尚不清楚，可能在修复紫外光引起的,DNA,损伤中起作用。,14,DNA,聚合酶：,是原核生物,DNA,复制的主要聚合酶,，该酶由,10,种亚基组成，其中,、形成全酶的核心酶,。具有5,3,DNA,聚合酶活性（,亚基，,速率高）； 具有3,5外切酶（,亚基）,的校对功能，提高,DNA,复制的保真性；还具有5,3外切酶活性（单链有效，其意义未知）。,另外,:,（4）,DNA,聚合酶,IV,和,V：,1999,年发现，当,DNA,严重损伤时，诱导产生。,15,许多研究证明：,DNA,聚合酶,是完整大肠杆菌细胞中主要负责,DNA,链延长的酶。它以一个相对分子量约为,450 000,，称为“,DNA,聚合酶,全酶”的大复合物的形式起作用，全酶有好几个亚基（如下左图）。用聚丙烯酰胺凝胶电泳分离纯化一万倍的,DNA,聚合酶,，得到的主要成分为相对分子量,140 000,的多肽（,亚基）。在复合物中的,亚基（也称为,DNA,聚合酶,辅酶）的功能是识别引物并使,DNA,母链与引物链结合。一旦全酶结合在正确的起始位置上，,DNA,聚合酶,辅酶就以游离的形式释放，随后,DNA,聚合酶,复合物催化子代,DNA,链的延长（右图）。,16,DNA,聚合酶催化的反应可以利用双链作为模板和引物，也可以利用单链作为模板和引物。如下图中，,A,为单链自身回折作为模板，形成发夹环结构。,B,、,C,为双链作为模板，其中,C,是由于酶离开原先的模板，开始复制互补链而形成分枝结构。,D,为环状,DNA,进行的反应。,A,、,C,只存在于体外酶促合成的,DNA,分子中，它使,DNA,的变性行为异常，并且失去遗传活性。,17,DNA,聚合酶具有”校对“作用：,DNA,聚合酶的,35,的外切酶活力是校对新生,DNA,链和改正聚合酶活性所造成”错配“的一种手段。当因聚合酶活性的作用插入一个错配的核苷酸时，酶能识别这种”失误“并立即从新,DNA,链的,3,端除掉所错配的核苷酸。所以当复制叉沿模板链移动时，所加入的每个脱氧核苷酸单位都将受到检查（如右图）。,DNA,聚合酶的校正功能十分有效，其准确率达到每聚合,10,4,个核苷酸单位至多出现一个错配的核苷酸。,复制的准确性高于转录和转译过程。这点非常重要，因为复制的错误可引起突变或致死。,18,由上可以归纳出,DNA,聚合酶的反应特点：,以四种脱氧核糖核苷三磷酸作为底物；,反应需要接受模板的指导；,反应需要引物,3,羟基存在；,DNA,链的延长方向为,53,；,产物,DNA,的性质于模板相同；,合成过程种有校正作用。,这就表明了,DNA,聚合酶合成的产物是模板的复制物。,真核生物,DNA,聚合酶：主要作用类似于大肠杆菌聚合酶，但有不同。现已发现四种，分别以,、,、,、,来命名（有资料介绍有,5,种，即多一种,，它在结构和性质上类似于,，其主要功能时参与,DNA,的修复），其各种酶的特性归纳为下表：,表,2.,真核生物,DNA,聚合酶,19,在真核细胞内有五种,DNA,聚合酶,（与细菌,DNA,聚合酶的性质基本相同：底物、模板、引物、方向）,定位 细胞核 细胞核 线粒体 细胞核 细胞核,3-5,外切 - - + + +,酶活性,功能,引物,合成,修复,作用,线粒体,DNA,的复制,核,DNA,的复制,修复,作用,20,在复制过程中，真核细胞有两个相互协作的酶，即,负责后随链，,负责前导链的合成，如下图：,21,3 .,DNA,连接酶（1967年发现）：,若双链,DNA,中一条链有切口，一端是3-,OH，,另一端是5-磷酸基，连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。,但是它不能将两条游离的,DNA,单链连接起来。,大肠杆菌和其它细菌的,DNA,连接酶要求,NAD,+,提供能量，在高等生物和噬菌体中，则要求,ATP,提供能量。,T4,噬菌体的,DNA,连接酶,不仅能在模板链上连接,DNA,和,DNA,链之间的切口，而且能连接无单链粘性末端的平头双链,DNA。,3,5,3,5,OH,P,22,23,24,连接酶的反应机制,：,酶 +,NAD,+,(ATP),酶-,AMP +,烟酰胺单核苷酸（,PPi,）,酶-,AMP + P-5-DNA,酶 +,AMP-P-5-DNA,DNA-3-OH + AMP-P-5-DNA DNA-3-O-P-5-DNA+AMP,DNA,连接酶,在,DNA,复制、损伤修复、重组等过程中起重要作用作用,25,4.,拓扑异构酶,:,催化,DNA,的拓扑连环数发生变化的酶，在,DNA,重组修复和其他转变方面起重要作用。,26,5、解螺旋酶 （解链酶）,：通过水解,ATP,将,DNA,两条链打开。,E.coli,中的,rep,蛋白就是解螺旋酶，还有解螺旋酶,I、II、III。,每解开一对碱基需要水解2个,ATP,分子,。,这类酶能通过水解,ATP,获得能量来解开双链，每解开一对碱基，需要水解,2,分子,ATP,成,ADP,和磷酸盐。分解,ATP,的活力要有单链,DNA,的存在。如双链,DNA,中有单链末端或缺口，解螺旋酶即可结合于单链部分，然后向双链方向移动。大肠杆菌解螺旋酶,、,和,可以沿模板链的,53,方向随着复制叉的前进而移动，而,rep,蛋白则在另一条模板链上沿,3 5,方向移动。这两种解螺旋酶的配合作用推动着,DNA,双链的解开。,27,6.其它蛋白因子：,单链结合蛋白(,SSB-single-strand binding protein),：,稳定已被解开的,DNA,单链，阻止复性和保护单链不被核酸酶降解。,防止单链的重新聚合和单链的降解。,引发前体:,它由多种蛋白质,dnaA、dnaB、dnaC、n、n、n,和,i,组成。,引发前体再与引发酶结合组装成引发体,。,引发体可以沿模板链5,3方向移动,具有识别合成起始,位点的功能，移动到一定位置上即可引发,RNA,引物的合成。,移动和引发均需要,ATP,提供能量，,n,蛋白具有,ATP,酶的活力。引发体的移动与,复制叉,移动的方向相同，与,冈崎片段,的合成方向相反。,7.RNA,引物,:DNA,的合成需要一小段,RNA,引物,.,28,29,