QDNA生物合成之一.ppt

第十二章DNA生物合成 一 主讲教师 张丽霞 大庆师范学院生命科学学院 目录 第一节DNA的复制 DNA指导下的DNA合成 第二节DNA的损伤与修复 目的要求 1 掌握遗传信息传递的中心法则 2 掌握DNA复制的一般规律 DNA的半保留复制 DNA的半不连续复制的概念 3 了解三种大肠杆菌DNA聚合酶的催化特性及其功用 了解原核生物DNA的复制过程 4 了解使DNA损伤的因素 DNA损伤的修复机制 碱基切除修复 直接修复 重组修复及光修复的过程及所需要的酶类 了解DNA损伤修复的意义 中心法则 1964 1970发现劳氏肉瘤病毒的遗传信息传递方式 逆转录 1958年 Crick提出中心法则 遗传信息的单向流动 复制 DNA 复制 以亲代DNA或RNA为模板 根据碱基配对的原则 在一系列酶的作用下 生成与亲代相同的子代DNA或RNA的过程 几个基本概念 逆转录 以RNA为模板 在逆转录酶的作用下 生成DNA的过程 翻译 亦叫转译 以mRNA为模板 将mRNA的密码解读成蛋白质的氨基酸顺序的过程 转录 以DNA为模板 按照碱基配对原则合成RNA 即将DNA所含的遗传信息传给RNA 形成一条与DNA链互补的RNA的过程 中心法则图示 中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律 揭示遗传的分子基础 本章主要内容 一 DNA半保留复制的机理二 DNA的复制规律三 原核细胞DNA的复制过程四 DNA复制的忠实性五 真核细胞DNA的复制 一 DNA半保留复制的机理 n1dATPn2dGTPn3dCTPn4dTTP RNA引物 DNA模板 Mg2 Mn2 DNA聚合酶 DNA n1 n2 n3 n4 PPi 二 DNA的复制规律 以亲代DNA双链为模板 以碱基互补方式合成子代DNA 这样新形成的子代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 一 半保留复制 1 概念 1958年 Meselson stahl用同位素N15标记大肠杆菌DNA 证明了半保留复制 2 DNA的半保留复制实验依据 3 DNA的半保留复制的生物学意义 DNA在代谢上的稳定性并非指DNA是一种惰性物质 DNA的半保留复制表明 DNA在代谢上的稳定性 是保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代必要措施 二 DNA复制的主要方式 原核生物 细菌 病毒 一个复制起点 双向复制为主 也有单向 某些质粒等 在特定的部位开始 单向或双向进行 真核生物 多个复制起点 双向复制为主 也有单向 细胞器DNA 双向复制 单向复制 三 复制需要RNA引物 四 子链DNA延伸方向 5 3 方向引物上核糖的3 OH能与其它的核苷酸的磷酸以3 5 磷酸二酯键相连 前导链 滞后链 冈崎片段 前导链 以3 5 方向的亲代链为模板连续合成的子代链 滞后链 以5 3 方向的亲代链为模板的子代链先逆复制叉移动方向合成冈崎片段 再连接成滞后链 五 DNA复制的半不连续性 六 原核生物DNA聚合反应有关的酶类 1 DNA聚合酶 DNApolymetases 2 拓扑异构酶 topoisomerase 3 引物酶 peimase 和引发体 primosome 4 DNA解链酶 DNAhelicase 5 单链结合蛋白 single strandbindingprotein SSB 6 DNA连接酶 DNAligase DNA聚合酶 大肠杆菌三种DNA聚合酶比较 分子量每个细胞的分子统计数5 3 聚合酶作用3 5 核酸外切酶作用5 3 核酸外切酶作用转化率 109 000400 1 400 00010 20 50 比较项目 切除引物修复 修复 复制 功能 1999年发现聚合酶 和 它们涉及DNA的错误倾向修复 erroounerepair DNA聚合酶 分子量每个细胞的分子统计数5 3 聚合酶作用3 5 核酸外切酶作用5 3 核酸外切酶作用转化率 DNA聚合酶 120 000100 0 05 DNA聚合酶 功能 3 错配碱基 DNA聚合酶3 5 外切酶活力 DNA聚合酶 5 3 外切酶活力 DNA聚合酶 异二聚体 大肠杆菌DNA聚合酶 全酶的结构和功能 ArthurKornberg1918 StanfordUniversityStanford CA USA TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1959 fortheirdiscoveryofthemechanismsinthebiologicalsynthesisofribonucleicacidanddeoxyribonucleicacid 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 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 引物合成酶与引发前体 引物合成酶 催化引物RNA的生成 引发前体 它由多种蛋白质组成 可与引发酶结合组装成引发体 DNA连接酶 连接DNA双链中的单链切口 特点 作用 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 DNA连接酶在DNA复制 损伤修复 重组等过程中起重要作用 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 稳定DNA解开的单链 防止复性和保护单链部分不被核酸酶水解 单链结合蛋白 SSB 拓扑异构酶 拓扑异构酶 催化DNA的拓扑连环数发生变化的酶 在DNA重组修复和其它转变方面起重要作用 除连环数不同外其它性质均相同的DNA分子称为拓扑异构体 引起拓扑异构体反应的酶称为拓扑异构酶 七 参与DNA复制的酶与蛋白因子总览图 三 原核生物DNA的复制过程 以大肠杆菌为例 复制的终止 复制的起始识别起始位点 DNA解链 RNA引物的合成 链的延伸 一 复制起始 1 拓扑异构酶解开超螺旋 2 DnaA蛋白识别并在ATP存在下结合于四个9bp的重复序列 3 在类组蛋白 HU ATP参与下 DnaA蛋白与13个bp的重复序列 形成开链复合物 4 DnaB借助于水解ATP产生的能量在DnaC的帮助下沿5 3 方向移动 解开DNA双链 形成前引发复合物 5 单链结合蛋白结合于单链 6 引物合成酶 DnaG蛋白 开始合成RNA引物 二 链的延长 冈崎片段的合成 真核生物的冈崎片段为 100 200bp原核生物的冈崎片段为 1000 2000bp DNA链的延伸 在DNA聚合酶 的催化下 以四种5 脱氧核苷三磷酸为底物 在RNA引物的3 端以磷酸二酯键连接上脱氧核糖核苷酸并释放出焦磷酸 DNA链的延伸同时进行前导链和滞后链的合成 两条链方向相反 冈崎片段引物的切除 缺口的填补和切口的连接 三 复制的终止 新链与各自的模板链组成双螺旋 顺时针终止陷阱 逆时针终止陷阱 Ter 终止陷阱 引起复制终止的特定区域 20bp的序列 终止利用物质Tus可识别并结合 从而导致DNA复制的终止 三 DNA复制的精确性 高保真复制 1 碱基的配对规律 模板链与新生链之间的碱基配对保证碱基配错几率约为1 104 1 105 2 DNA聚合酶的3 5 外切酶活性的校对功能 使碱基的错配几率又降低100 1000倍 3 DNA的损伤修复系统 DNA复制必须具有高度精确性 在大肠杆菌的细胞DNA复制中其错误率约为1 109 1 1010 即每109 1010个核苷酸才出现一个错误 也就是大肠杆菌染色体DNA复制1000 10000次才出现一个核苷酸的错误 这么高的精确性的保证主要与下列因素有关 四 真核生物DNA复制的特点 自学 4 真核生物染色体在全部复制完之前起点不再重新开始复制 1 真核生物染色体有多个复制起点 称为自主复制序列 ARS 或复制基因 replicator 多复制眼 呈双向复制 多复制子 2 冈崎片段长约200bp 3 真核生物DNA复制速度比原核慢 速度为1000 3000bp min 仅为原核生物的1 20 1 50 7 RPA 真核生物的单链结合蛋白 RNaseH1和MF 1切除RNA引物 DNA聚合酶 填补缺口 5 真核生物有多种DNA聚合酶 6 真核生物线性染色体两端有端粒结构 端粒功能是稳定染色体末段结构 防止染色体间的末端连接 并可补偿滞后链5 末段在消除RNA引物后造成的空缺 使染色体保持一定长度 端粒酶是含一段RNA的逆转录酶 2 DNA突变 DNA的核苷酸顺序永久性的改变称为DNA的突变 其主要形式有 点突变 DNA分子中一个碱基对替代另一个碱基对称为点的突变 插入作用 DNA分子中插入一个或几个碱基称为插入作用 缺失作用 DNA分子中缺失一个或多个碱基对称为缺失作用 1 DNA的损伤 某些物理化学因素 如紫外线 电离辐射和化学诱变剂等 都有引起生物突变和致死的作用 其机理是作用于DNA 造成DNA结构和功能的破坏 第二节DNA损伤的修复 一 DNA的损伤与DNA突变 二 DNA突变可能导致肿瘤的发生 着色性干皮病 对嘧啶二聚体和大的DNA损伤修复酶的缺失而产生的一种皮肤癌 沉默突变 突变影响非必需的DNA或突变对一个基因的功能的影响可忽略 称为沉默突变 回复突变 一些突变可以克服第一次突变造成的影响 这类突变称为回复突变 动物细胞的突变与癌的发生有强烈的相关性 DNA损伤的修复种类 一 光裂合酶修复 二 切除修复 三 重组修复 四 易错修复 一 光裂合酶修复 二 切除修复 1 DNA糖基化酶切除损伤的碱基产生无碱基酸 2 无碱基核酸内切酶在无碱基酸处切开产生切口 3 DNA聚合酶 将无碱基酸切除并填补缺口 4 DNA连接酶连接切口 三 DNA的重组修复 发生在复制后 复制时 跳过损伤部位 新链产生缺口由母链弥补 原损伤部位并没有切除 但在后代逐渐稀释 四 SOS反应和诱导修复 易错修复 SOS反应 细胞DNA受到严重损伤或DNA复制系统受到抑制的紧急状态下 为求生存而出现的应急反应 SOS反应包括 避免差错的修复能力增强 诱导产生无校正功能的DNA聚合酶合成 抑制细胞分裂 SOS反应是生物在不利环境中求得生存的一种基本功能 对原核生物它产生高变异 对高等动物则是致癌的