核酸的生物合成

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,*,*,*,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,*,*,*,第十一章 核酸的生物合成,nucleic acid biosynthesis,本章主要内容,DNA,的生物合成,RNA,的生物合成,基 因,(gene),：,为蛋白质或,RNA,编码的,DNA,功能片段，是以碱基排列顺序的方式储存的遗传信息。,基 因 组,（,genome),：,某一物种拥有的全部遗传物质，从分子意义上说，是指全部,DNA,序列。,转录,：遗传信息从,DNA,传递给,mRNA,的过程。,基因表达：,是指将遗传信息由,DNA,转录,为,RNA、,再,翻译,成蛋白质。,翻译,：,mRNA,链上的遗传信息合成蛋白质的过程。,中心法则,（,central dogma,）,1958,年,Crick,将生物遗传信息的这种传递方式称为中心法则,。,主要内容,DNA,的生物合成,复制,RNA,的生物合成,转录,第一节 复制的基本规律,半保留复制,复制起始点,双向复制,半不连续复制,DNA,复制的基本原则,DNA,生物合成时，母链,DNA,解开为两股单链，各自作为模板,(template),按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的,DNA,，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全重新合成。两个子细胞的,DNA,都和亲代,DNA,碱基序列一致。这种复制方式称为,半保留复制,。,一 半保留复制的概念,半保留复制,semiconservative replication,AGAACTTAG,TCTTGAATC,AGAACTTAG,TCTTGAATC,AGAACTTAG,TCTTGAATC,亲代,子代,DNA,半保留复制实验,含,N,15,-DNA,的细菌,培养于普通培养液,第一代,继续培养于普通培养液,第二代,梯度离心结果,DNA,半保留复制的实验,按半保留复制方式，子代,DNA,与亲代,DNA,的,碱基序列一致,，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的,保守性。,半保留复制的意义,遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但,不是绝对的,。,二、复制的起始点和方向,复制起始点,：,染色体上固定的位置，由,100,200,个碱基对组成的一段,DNA,。,方向,：,单向或双向复制,复制时，,DNA,从起始点向两个方向解链，形成两个延伸相反的复制叉,复制时双链打开，分开成两股，各自作为模板，子链沿模板延长所形成的,Y,字形的结构称为,复制叉。,原核生物：,基因组是环状,DNA,：,只有一,个复制起始点,DNA,被描述为,眼睛,状。为说明方便而做的图为,形。,ori,复制中的放射自显影图象,oriC,真核生物：,染色体,DNA,有,多个复制起始点,。,两个起始点之间的,DNA,片段称为,复制子,。,复制子是独立完成复制的功能单位。,真核生物多个复制起始点、复制子与复制叉,真核生物的多复制子复制电镜图,三 半不连续复制（,semidiscontinous replication),冈崎片段,3,5,3,5,3,5,3,5,解链方向,领头链,(leading strand),随从链,(lagging strand),3,5,顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的这股链称为,前导链,。,另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为,后随链,。,领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的,半不连续性,。,冈崎片段：,1968,年日本生化学者冈崎用电镜及放射自显影技术，观察到,DNA,复制中出现一些,不连续的片段,，将这些不连续的片段称为,冈崎片段,。,原核生物,:,10002000,个核苷酸,真核生物,:,100200,个核苷酸,半不连续复制动画,DNA,复制的酶学,The Enzymology of DNA Replication,第二节,DNA,复制的体系,底物,:,dNTP(dATP,、,dGTP,、,dCTP,、,dTTP),聚合酶,:,依赖,DNA,的,DNA,聚合酶,(DNA-pol),模板,:,解开成单链的,DNA,母链,引物,:,提供,3-OH,末端的,RNA,短片断,其他酶和蛋白质因子,:,拓扑异构酶、解螺旋酶、单链,DNA,结合蛋白、引物酶、连接酶,一、复制的化学反应,(dNMP),n,+,dNTP (dNMP),n+1,+,PPi,聚合反应的特点,DNA,新链生成需,引物,和,模板,；,新链的延长只可沿,5,3,方向进行。,二,DNA,聚合酶,全称：,依赖,DNA,的,DNA,聚合酶,(DNA-dependent DNA polymerase),简称：,DNA-pol,活性：,1,.,5,3,的聚合活性,2.,核酸外切酶活性,1959,年获诺贝尔生理学或医学奖,奥乔亚 科恩伯格,Severo Ochoa Arthur Kornberg,聚合反应机理,3,5,3,5,聚合反应的特点,以单链,DNA,为模板,以,dNTP,为原料,引物提供,3-OH,聚合方向为,5 3,遵守碱基互补规律,5,A G C T T C A G G A T,A,3,|,3 T C G A A G T C C T A G C G A C 5,3,5,外切酶活性,5,3,外切酶活性,?,能切除引物和突变的,DNA,片段。,能辨认错配的碱基对，并将其水解。,核酸外切酶活性,（一）原核生物的,DNA,聚合酶,DNA-pol ,DNA-pol ,DNA-pol ,DNA-pol ,DNA-pol ,催化,DNA,聚合,参与,DNA,损伤的应急状态修复,校读、修复合成、切除引物填补空隙,功能,20,40,400,分子数,/,细胞,10,1,1,亚基数,+,5,外切酶活性,+,+,+,5,外切酶活性,+,+,+,5,聚合酶活性,pol III,pol II,pol I,E.Coli,中的,DNA,聚合酶,功能,：,校读，,去除,RNA,引物，填补空隙，参与,DNA,损伤修复,。,DNA-pol ,DNA,聚合酶,II(DNA-pol II),具有,5,3,的聚合酶活性。,只是在无,pol,及,pol,的情况下暂时,起作用。,对模板的特异性不高,参与,DNA,损伤,的应急状态修复。,DNA,聚合酶,III,(,DNA-pol III),是复制延长中真正起催化作用的酶。,由,10,种亚基组成不对称的聚合体。,，,，,亚基,组成,核心酶,，,亚基具有,5,3,的聚合活性,，,亚基具有,3,5,外切酶活性，,亚基可能起组装作用。,亚基,(DNA,夹子,),能夹稳模板链，负责酶沿,DNA,模板滑动的作用。,其余亚基统称为,-,复合物,是,DNA,夹子加载蛋白,。,DNA-pol ,（二）,真核,生物的,DNA,聚合酶,DNA-pol,起始引发，有引物酶活性。,复制的主要酶,，有解螺旋酶活性。,参与低保真度的复制。,在复制过程中起,校读、修复和填补缺口,的作用。,在,线粒体,DNA,复制中起催化作用。,DNA-pol,DNA-pol,DNA-pol,DNA-pol,三 复制保真性的酶学依据,复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能准确传代的基本原理。,复制保真性的酶学机制：,（一）,DNA-,pol,的核酸外切酶活性和即时校读,（二）复制的保真性和碱基选择,（一）,DNA-pol,的核酸外切酶活性和即时校读,1.,遵守严格的碱基配对规律；,2.,聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；,3.,复制出错时,DNA-pol,的即时校读功能。,DNA,复制的保真性至少要依赖三种机制,（二）复制的保真性和碱基选择,四 复制中的分子解链及,DNA,分子拓扑学变化,DNA,分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把,DNA,解成单链，它才能起模板作用。,（一）解螺旋酶、引物酶和单链,DNA,结合蛋白,理顺,DNA,链,拓扑异构酶,(,gyrA,B),稳定已解开的单链,单链,DNA,结合蛋白,SSB,催化,RNA,引物生成,引物酶,DnaG,(,dnaG,),运送和协同,DnaB,DnaC,(,dnaC,),解开,DNA,双链,解螺旋酶,DnaB,(,dnaB,),辨认起始点,DnaA,(,dnaA,),蛋白质（基因）,通用名,功能,原核生物复制起始的相关蛋白质,解螺旋酶,(,helicase,),又称解链酶或,rep,蛋白,利用,ATP,供能，作用于氢键，使,DNA,双链,解开成为两条,单链。,每解开一对碱基，需消耗,2,分子,ATP,。,Dna B,Dna C,解链方向,单链,DNA,结合蛋白,(,s,ingle,s,tranded DNA,b,inding protein,SSB,),在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整性。,解链过程中，,DNA,分子会过度拧紧、打结、缠绕、连环等现象。,（二）,DNA,拓扑异构酶,(DNA,旋转酶）,拓扑异构酶作用特点,既能水解、又能连接磷酸二酯键,克服解链过程中的打结、缠绕现象,拓扑异构酶,拓扑异构酶,分 类,拓扑异构酶,切断,DNA,双链中,一股,链，使,DNA,解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，,DNA,变为松弛状态,。,反应,不需,ATP,。,拓扑异构酶,切断,DNA,分子,两股,链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。,利用,ATP,供能，连接断端，,DNA,分子进入负超螺旋状态。（主要）,作用机制,解旋解链酶类的作用,解链酶,DNA,拓朴异构酶,单链,DNA,结合蛋白,SSB,解开,、,理顺,DNA,链、维持,DNA,单链,状,（三）引物酶,(primase),依赖,DNA,的,RNA,聚合酶。,可以催化游离,NTP,聚合。,催化,RNA,引物的生成。,五、,DNA,连接酶,连接,DNA,链,3,-OH,末端和相邻,DNA,链,5,-P,末端，使二者生成,磷酸二酯键,，从而把两段相邻的,DNA,链连接成一条完整的链。,HO,5,3,3,5,DNA,连接酶,ATP,（,NAD,+,）,AMP,5,3,5,3,在复制中起接合,双链中单链缺口,的作用。,在,DNA,修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。,是基因工程的重要工具酶之一。,DNA,连接酶的功能,DNA,生物合成过程,The Process of DNA Replication,第三节,（一）复制的起始,需要解决两个问题：,1,.,DNA,解开成单链，提供模板。,2.,合成引物，提供,3,-OH,末端。,一、原核生物的,DNA,生物合成,DNA,解成单链,由,拓扑异构酶,松弛超螺旋，,解螺旋酶,解开双链，,SSB,结合到单链上使其稳定。,3,5,3,5,引物是由引物酶催化合成的短链,RNA,分子。,引物,3,HO,5,引物酶,Dna A,Dna B,、,Dna C,DNA,拓扑异构酶,引物酶,SSB,3,5,3,5,引物体和引物,含有解螺旋酶、,DnaC,蛋白、引物酶和,DNA,复制起始区域的复合结构称为引物体。,DNA,复制示意图,拓扑异构酶,解链酶,5,/,3,/,3,/,5/3/5,/,DNA,聚合酶,单链结合蛋白,DNA,聚合酶,前导链 随后链,DNA,连接酶,冈崎片段,引物酶,（二）复制的延长,复制的延长指在,DNA-pol,催化下，,dNTP,以,dNMP,的方式逐个加入引物或延长中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。,5,3,5,dATP,dGTP,dTTP,dCTP,dTTP,dGTP,dATP,dCTP,OH 3,3,DNA-pol,领头链的合成,随从链的合成,复制过程简图,原核生物基因是环状,DNA,，,双向复制的复制片段在复制的终止点,(,ter,),处汇合。,E.coli,ori,ter,82,32,ori,ter,SV40,50,0,（三）复制的终止,5,5,5,DNA-pol,OH,P,5,DNA-pol,dNTP,5,5,P,ATP,AMP+PPi,5,5,DNA,连接酶,随从链上不连续性片段的