遺傳信息的傳遞-ppt課件

1、第二章第二章 遺傳信息的傳送遺傳信息的傳送第二節(jié)第二節(jié) DNA生物合成生物合成 大腸桿菌的復(fù)制起點(diǎn)為大腸桿菌的復(fù)制起點(diǎn)為oriC，是由，是由245個堿基對組成，這些序列在大多數(shù)細(xì)菌個堿基對組成，這些序列在大多數(shù)細(xì)菌中是高度保守的，關(guān)鍵序列是三個中是高度保守的，關(guān)鍵序列是三個13bp和四個和四個9bp的反復(fù)序列。的反復(fù)序列。 四個四個9bp的反復(fù)序列的反復(fù)序列 dnaA結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn) 三個三個13bp的反復(fù)序列的反復(fù)序列 復(fù)制叉 (replication fork) 復(fù)制時雙鏈翻開，分開成兩股，新鏈沿著張開的模板生成，復(fù)制中構(gòu)成的這種Y字形的構(gòu)造稱為復(fù)制叉或生長點(diǎn)。35535353復(fù)制方向 單

2、向復(fù)制單向復(fù)制 雙向復(fù)制雙向復(fù)制 復(fù)制眼復(fù)制眼replication eye：電子顯微鏡下察看正在復(fù)制的：電子顯微鏡下察看正在復(fù)制的DNA，復(fù)制的區(qū)域形如一只眼睛。，復(fù)制的區(qū)域形如一只眼睛。復(fù)制的多方式復(fù)制的多方式 ：單起點(diǎn)、一方向單起點(diǎn)、一方向原核原核多起點(diǎn)、一方向多起點(diǎn)、一方向真核真核單起點(diǎn)、雙方向原核單起點(diǎn)、雙方向原核多起點(diǎn)、雙方向真核多起點(diǎn)、雙方向真核 DNA復(fù)制的體系：復(fù)制的體系： 1.底物：底物：dNTP (dATP、dGTP 、 dCTP 、dTTP) ； 2.模板模板(template)：解開成單鏈的：解開成單鏈的DNA母鏈；母鏈； 3.引物引物(primer)：提供：提供3-

3、OH末端的寡核末端的寡核苷酸；苷酸； 4.聚合酶聚合酶(polymerase)：依賴：依賴DNA的的DNA聚合酶，聚合酶， 簡寫為簡寫為DNA-pol； 5.其它的酶和蛋白質(zhì)因子其它的酶和蛋白質(zhì)因子1DNA聚合酶聚合酶(DNA polymetases)2引物酶引物酶(peimase)和引發(fā)體和引發(fā)體(primosome) ：啟動：啟動RNA引物鏈的合成。引物鏈的合成。 (3DNA銜接酶銜接酶DNA ligase4DNA解螺旋酶解螺旋酶(DNA helicase) (5單鏈結(jié)合蛋白單鏈結(jié)合蛋白(single-strand binding protein,SSB)：結(jié)合在解開的：結(jié)合在解開的DNA

4、單鏈單鏈上，防止重新構(gòu)成雙螺旋。上，防止重新構(gòu)成雙螺旋。 (6拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomerase):兼具內(nèi)兼具內(nèi)切酶和銜接酶活力，能迅速將切酶和銜接酶活力，能迅速將DNA超螺超螺旋或雙螺旋緊張形狀變成松馳形狀，便旋或雙螺旋緊張形狀變成松馳形狀，便于解鏈。于解鏈。解旋酶解旋酶DNA聚聚合酶合酶III解鏈酶解鏈酶RNA引物引物引物酶和引物酶和引發(fā)體引發(fā)體DNA聚聚合酶合酶ISSB335355RNA引物引物 DNA聚合酶聚合酶 催化催化dNTP聚合到核酸鏈上的酶。是聚合到核酸鏈上的酶。是DNA復(fù)制的主復(fù)制的主要酶。要酶。全稱叫依賴全稱叫依賴DNA的的DNA聚合酶聚合酶DNA depen

5、dent DNA polymerase或或DNA指指導(dǎo)的導(dǎo)的DNA聚合酶聚合酶DNA-directed DNA polymerase，均縮寫為，均縮寫為DDDP。 聚合反響機(jī)理：53OPGOPA模板鏈CTA35引物3355OHOPGOPAOOHTP模板鏈CTA35引物333555POOHTPP35 聚合反響的特點(diǎn)：聚合反響的特點(diǎn)：(1) 以單鏈以單鏈DNA為模板為模板(2) 以以dNTP為原料為原料(3) 引物提供引物提供3-OH(4) 聚合方向?yàn)榫酆戏较驗(yàn)?3 2.核酸外切酶活性3 3 55 外切酶活性：外切酶活性：切除錯配的核苷酸切除錯配的核苷酸5 5 33 外切酶活性：外切酶活性：切除引

6、物切除引物 切除突變的片段切除突變的片段C T T C A G G AG A A G T C C G G C G5335 DNADNA聚合酶的種類聚合酶的種類1. 1. 原核生物的原核生物的DNADNA聚合酶聚合酶pol-Ipol-Ipol-IIpol-IIpol-IIIpol-III5 5 33 聚合酶活性聚合酶活性+ + + +3 3 55 外切酶活性外切酶活性+ + + +5 5 33 外切酶活性外切酶活性+ +功功 能能切除引物切除引物填補(bǔ)空隙填補(bǔ)空隙修復(fù)合成修復(fù)合成修復(fù)修復(fù)復(fù)制的復(fù)制的主要酶主要酶 DNA-pol I:單一肽鏈的大分子含量最多可被水解成兩個片段小片段(N端)：具有53

7、外切酶活性；大片段(C端)：具有聚合活性和35 外切酶活性，也稱為Klenow片段，是常用的工具酶。 DNA-pol III:由10種亞基組成的不對稱聚合體催化效率最高 大腸桿菌大腸桿菌DNA聚合酶聚合酶中的亞基中的亞基 亞基亞基 全酶中的亞基數(shù)全酶中的亞基數(shù) 分子量分子量 2 13200 2 27000 2 10000 2 71000 2 52000 1 35000 1 33000 1 15000 1 12000 4 37000中中心心酶酶銜接蛋白銜接蛋白滑動鉗滑動鉗復(fù)合物復(fù)合物 DNApol和和 DNApol 的主要特性和功能比較的主要特性和功能比較 1、 DNA聚合酶活性：兩者都有。聚合

8、酶活性：兩者都有。 條件模板、引物條件模板、引物 DNApol主要用于主要用于DNA 的修復(fù)和的修復(fù)和RNA引物的交換引物的交換 DNApol DNA鏈的延伸鏈的延伸 聚合方向：聚合方向： 535 OHT C AT C A C 5 OH 3ppp OH C+ ppi 3、 35 外切核酸酶活性：兩者都有。外切核酸酶活性：兩者都有。 校正功能校正功能(proofreading) 4、 53外切核酸酶活性：外切核酸酶活性： 只需只需DNApol具有。具有。 DNApol的的53外切活性有以下三個特點(diǎn)：外切活性有以下三個特點(diǎn)： 必需有必需有5磷酸末端磷酸末端 被除去的核苷酸必需是曾經(jīng)配對的被除去的核

9、苷酸必需是曾經(jīng)配對的 被除去的可以是脫氧核糖核苷酸，也可以是核糖被除去的可以是脫氧核糖核苷酸，也可以是核糖 核苷酸核苷酸 口口增殖細(xì)增殖細(xì)胞核抗胞核抗原原PCNA 解旋解鏈酶類解開并理順DNA雙鏈，維持DNA 處于單鏈形狀。主要有解螺旋酶、 DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶和單鏈DNA結(jié)合蛋白。 解螺旋酶解螺旋酶 (helicase) : 模板對復(fù)制的指點(diǎn)作用在于堿基模板對復(fù)制的指點(diǎn)作用在于堿基的準(zhǔn)確的準(zhǔn)確配對，而堿基卻埋在雙螺旋的內(nèi)部。配對，而堿基卻埋在雙螺旋的內(nèi)部。只需把只需把DNA解開成單鏈，它才干起模解開成單鏈，它才干起模板作用。板作用。 解螺旋酶是最早發(fā)現(xiàn)的與復(fù)制有解螺旋酶是最早發(fā)現(xiàn)的與復(fù)制有關(guān)的蛋

10、關(guān)的蛋 白質(zhì)，當(dāng)時稱為白質(zhì)，當(dāng)時稱為rep蛋白。作用是利蛋白。作用是利用用ATP供供 能，解開能，解開DNA雙鏈。雙鏈。 單鏈單鏈DNA結(jié)合蛋白結(jié)合蛋白 (SSB) :在大腸桿菌，它是由在大腸桿菌，它是由177個氨個氨基酸殘基組成的同四聚體，結(jié)合基酸殘基組成的同四聚體，結(jié)合單鏈單鏈DNA的跨度約的跨度約32個核苷個核苷 酸單酸單位。位。SSB與解開的與解開的DNA單鏈嚴(yán)密單鏈嚴(yán)密結(jié)合，防止結(jié)合，防止 重新構(gòu)成雙鏈，并免受核酸酶降重新構(gòu)成雙鏈，并免受核酸酶降解。在復(fù)制解。在復(fù)制 中維持模板處于單鏈形狀。中維持模板處于單鏈形狀。 DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶 (topoisomerase) : 拓?fù)洌菏侵肝矬w

11、或圖像作彈性移位而又保持物體不變的性質(zhì)。拓?fù)洚悩?gòu)酶：是一類可改動DNA拓?fù)湫再|(zhì)的酶。對DNA分子的作用是既能水解、又能銜接磷酸二酯鍵。松弛DNA超螺旋，有利于DNA解鏈。正超螺旋正超螺旋 正超螺旋為雙螺旋旋正超螺旋為雙螺旋旋轉(zhuǎn)過度，經(jīng)過分子整轉(zhuǎn)過度，經(jīng)過分子整體的左旋來解去過度體的左旋來解去過度的螺旋。的螺旋。分子整體右旋一圈來分子整體右旋一圈來補(bǔ)雙螺旋上的一圈補(bǔ)雙螺旋上的一圈缺乏。缺乏。 拓?fù)洚悩?gòu)酶Itopo I: 主要作用是切開DNA雙鏈中的一股，使 DNA解鏈旋轉(zhuǎn)中不打結(jié)，DNA變?yōu)樗沙?形狀再封鎖切口。 拓?fù)洚悩?gòu)酶II topo II: 在原核生物又叫旋轉(zhuǎn)酶(gyrase)。能切斷DN

12、A雙鏈，使螺旋松弛。在ATP參 與下，松弛的DNA進(jìn)入負(fù)超螺旋，再銜接 斷端。 正超螺旋正超螺旋負(fù)超螺旋負(fù)超螺旋Replication machineryreplicationPositive supercoilBreak DNATopoisomerase IIpass DNA through the breaknegative supercoil 引物酶和引發(fā)體引物酶 (primase):依賴DNA的RNA聚合酶。 催化RNA引物的合成。RNA引物：在DNA模板的復(fù)制起始部位由引物酶催 化NTP的聚合，構(gòu)成短片段的RNA，為DNA 聚合提供3-OH末端。 引發(fā)體 (primosome): 是

13、由Dna B、Dna A、Dna C以及其他復(fù)制 因子一同構(gòu)成復(fù)合體，再結(jié)合引物酶構(gòu)成 較大的聚合體，結(jié)合到模板DNA上。 復(fù)制開場時，在引發(fā)體的下游解開雙鏈， 再由引物酶催化引物的合成。 復(fù)制相關(guān)蛋白質(zhì)：復(fù)制相關(guān)蛋白質(zhì)：Dna A、Dna B、Dna C Dna X Dna A：識別復(fù)制起始位點(diǎn)：識別復(fù)制起始位點(diǎn) Dna B：解螺旋酶：解螺旋酶 Dna C：輔助解螺旋酶使其在起始點(diǎn)：輔助解螺旋酶使其在起始點(diǎn)上上結(jié)結(jié) 合并翻開雙鏈。合并翻開雙鏈。 DNA銜接酶DNA ligase 銜接DNA鏈3-OH末端和相鄰DNA鏈5-P末端，構(gòu)成磷酸二酯鍵，從而把兩段相鄰的DNA鏈銜接成完好的鏈。反響需求

14、ATP。 所需條件：所需條件： a、 切刻的切刻的 3OH 和和 5P 相鄰相鄰 b、 切刻各自堿基處于配對形狀切刻各自堿基處于配對形狀 c、 需求能量：需求能量： 原核原核ATP、NAD 真核真核ATP在復(fù)制中的用途：在復(fù)制中的用途：DNADNA鏈合成后引鏈合成后引物被切除，并被物被切除，并被DNADNA替代。此時替代。此時DNADNA鏈上仍存在缺口，鏈上仍存在缺口，DNADNA銜接酶銜接酶會催化構(gòu)成磷酸二酯鍵，將斷裂會催化構(gòu)成磷酸二酯鍵，將斷裂的缺口連上，構(gòu)成完好的的缺口連上，構(gòu)成完好的DNADNA鏈。鏈。銜銜接接酶酶銜銜接接切切口口Mg2+銜接酶銜接酶ATP或或NADPPi或或NMNAT

15、CGPTTPPPAACCTGAPACPPPPOHTGGATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPTGGP缺口33555533模板鏈模板鏈模板鏈模板鏈 DNA銜接酶在復(fù)制、DNA修復(fù)、 重組、剪接中均起縫合缺口作用。 是重要的工具酶之一。 1.DNA復(fù)制的起始：就是要解開雙鏈和生成引物。DNA解成單鏈 由拓?fù)洚悩?gòu)酶松弛超螺旋，解螺旋酶 解開雙鏈，SSB結(jié)合到單鏈上使其穩(wěn)定。 引發(fā)體引物酶的作用下在原點(diǎn)處合成一小段引發(fā)體引物酶的作用下在原點(diǎn)處合成一小段RNA引物引物10-60個堿基不等個堿基不等 。引物的合成方向。引物的合成方向也是也是53方向方向 ，然后由，然后由DNA聚合酶合成聚合酶合成D

16、NA鏈。鏈。前導(dǎo)鏈合成一個引物，滯后鏈斷續(xù)合成多個引物。前導(dǎo)鏈合成一個引物，滯后鏈斷續(xù)合成多個引物。 Dna ADna BDna CDNA拓異構(gòu)酶5335 2.復(fù)制的延伸 在DNA聚合酶催化下，以解開的 單鏈為模板，以四種dNTP為原料，進(jìn) 行聚協(xié)作用。即新進(jìn)入的 dNTP 與引物 3OH構(gòu)成磷酸二酯鍵，由53方向延伸子鏈。 535DNA-pol IIIdCTPdTTPdGTPdATPdTTPdCTPdATPdGTP 在在DNA復(fù)制中，復(fù)制中，DNA新鏈的合成是沿新鏈的合成是沿53的的方向進(jìn)展的。由于方向進(jìn)展的。由于DNA分子的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫蟹肿拥膬蓷l鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?，所以分別以兩條鏈為模板的

17、的，所以分別以兩條鏈為模板的DNA鏈的復(fù)制方鏈的復(fù)制方式是不同的。一條延續(xù)合成，另一條不延續(xù)合成。式是不同的。一條延續(xù)合成，另一條不延續(xù)合成。半不延續(xù)復(fù)制：半不延續(xù)復(fù)制：DNA的一條鏈復(fù)制以的一條鏈復(fù)制以35DNA母鏈為模板，母鏈為模板，DNA鏈的復(fù)制是沿鏈的復(fù)制是沿53的方向延續(xù)進(jìn)展的，的方向延續(xù)進(jìn)展的，稱為前導(dǎo)鏈。稱為前導(dǎo)鏈。另一條以另一條以53DNA母鏈為模板，母鏈為模板，DNA鏈的鏈的復(fù)制不能延續(xù)進(jìn)展，稱為后隨鏈，后隨鏈的復(fù)制不能延續(xù)進(jìn)展，稱為后隨鏈，后隨鏈的合成方向與前導(dǎo)鏈相反。合成方向與前導(dǎo)鏈相反。 前導(dǎo)鏈 (leading strand)順著解鏈方向生成的子鏈，其復(fù)制是延續(xù)進(jìn)展的

18、，得到一條延續(xù)的子鏈。53355解鏈方向3 后隨鏈 (lagging strand) 復(fù)制方向與解鏈方向相反，須等解開足夠長度的模板鏈才干繼續(xù)復(fù)制，得到的子鏈由不延續(xù)的片段所組成。53355解鏈方向33553:k:z:ki:, .ukz:ki: 當(dāng)雙鏈當(dāng)雙鏈DNA解鏈后，前導(dǎo)鏈與后隨鏈分別解鏈后，前導(dǎo)鏈與后隨鏈分別被同一個被同一個DNA聚合酶聚合酶的不對稱二聚體所合成，的不對稱二聚體所合成，為保證二者聚合的方向一樣，后隨鏈必需繞成一為保證二者聚合的方向一樣，后隨鏈必需繞成一個突環(huán)。個突環(huán)。 一分子的一分子的 DNA pol III. 協(xié)同合成前導(dǎo)鏈和后隨鏈協(xié)同合成前導(dǎo)鏈和后隨鏈 DNA復(fù)制的半

19、不延續(xù)模型圖復(fù)制的半不延續(xù)模型圖3.3.復(fù)制的終止復(fù)制的終止 不延續(xù)片段的銜接3553RNA酶POH3553DNA聚合酶P3553dNTPDNA連接酶3553ATP原核細(xì)胞原核細(xì)胞DNADNA的半不延續(xù)復(fù)的半不延續(xù)復(fù)制過程制過程復(fù)制叉的復(fù)制叉的挪動方向挪動方向拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶DNA聚合聚合酶酶III解螺旋酶解螺旋酶RNA引物引物DNA聚聚合酶合酶ISSB335前導(dǎo)鏈前導(dǎo)鏈后隨鏈后隨鏈35復(fù)制的起始復(fù)制的起始DNADNA鏈的合鏈的合成與延伸成與延伸DNADNA鏈合成鏈合成的終止的終止5RNA引物引物33DNA銜銜接酶接酶復(fù)制忠實(shí)性的保證復(fù)制忠實(shí)性的保證 在大腸桿菌在大腸桿菌DNA的復(fù)制中，每

20、聚合的復(fù)制中，每聚合10 9到到1010個堿基才出現(xiàn)個堿基才出現(xiàn)一個錯誤，至少依賴四種機(jī)制：一個錯誤，至少依賴四種機(jī)制：控制復(fù)制起始的兩個根本元件：復(fù)制原點(diǎn)和起始子控制復(fù)制起始的兩個根本元件：復(fù)制原點(diǎn)和起始子復(fù)制原點(diǎn)：可以指點(diǎn)復(fù)制原點(diǎn)：可以指點(diǎn)DNA復(fù)制起始的整套順式作用復(fù)制起始的整套順式作用序列。序列。復(fù)制起始子：是特異性識別復(fù)制原點(diǎn)中一個復(fù)制起始子：是特異性識別復(fù)制原點(diǎn)中一個DNA元元件并激活復(fù)制起始的一些蛋白質(zhì)。件并激活復(fù)制起始的一些蛋白質(zhì)。 為保證一個細(xì)胞周期內(nèi)只發(fā)生一次為保證一個細(xì)胞周期內(nèi)只發(fā)生一次DNA復(fù)制，細(xì)胞內(nèi)存復(fù)制，細(xì)胞內(nèi)存在嚴(yán)厲的復(fù)制調(diào)控機(jī)制來協(xié)調(diào)染色體復(fù)制和細(xì)胞分裂的關(guān)系

21、。在嚴(yán)厲的復(fù)制調(diào)控機(jī)制來協(xié)調(diào)染色體復(fù)制和細(xì)胞分裂的關(guān)系。DNA復(fù)制獨(dú)一可以受調(diào)理的階段是：起始階段復(fù)制獨(dú)一可以受調(diào)理的階段是：起始階段 四個四個9bp的反復(fù)序列的反復(fù)序列 DnaA結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn) 三個三個13bp的反復(fù)序列的反復(fù)序列假設(shè)干假設(shè)干GATC位點(diǎn)位點(diǎn)NNNHNNH2l腺嘌呤腺嘌呤Adenine11 copies in oriC 復(fù)制復(fù)制Dam甲基化酶甲基化酶甲基化的甲基化的DNA半甲基化的半甲基化的DNA細(xì)胞膜抑制物與半甲細(xì)胞膜抑制物與半甲基化基化DNADNA的結(jié)合的結(jié)合DNADNA的再甲基化，并釋的再甲基化，并釋放細(xì)胞膜抑制物放細(xì)胞膜抑制物DnaA蛋白結(jié)合到蛋白結(jié)合到oriC核小

22、體核小體 真核生物的真核生物的DNA聚合酶聚合酶 、五種五種 位置位置 核內(nèi)核內(nèi) 核內(nèi)核內(nèi) 核內(nèi)核內(nèi) 核內(nèi)核內(nèi) 線粒體線粒體 RNA引物被引物被RNaseH和和MF-1核酸酶核酸酶5-3外外切酶除去后，切酶除去后，DNA聚合酶聚合酶相當(dāng)于原核生物的相當(dāng)于原核生物的DNA聚合酶聚合酶擔(dān)任填補(bǔ)缺口，然后由擔(dān)任填補(bǔ)缺口，然后由DNA銜接銜接酶銜接各個岡崎片段。酶銜接各個岡崎片段。 真核生物線性真核生物線性DNA分子中的前導(dǎo)鏈分子中的前導(dǎo)鏈RNA引物空引物空隙和后隨鏈的最后一個隙和后隨鏈的最后一個RNA引物空隙無法由引物空隙無法由DNA聚聚合酶進(jìn)展填補(bǔ)，致使線性合酶進(jìn)展填補(bǔ)，致使線性DNA分子每復(fù)制一

23、次，分子每復(fù)制一次，DNA分子將截短一些，所以大多數(shù)真核細(xì)胞不能無分子將截短一些，所以大多數(shù)真核細(xì)胞不能無限地分裂下去。限地分裂下去。 在無限增殖的細(xì)胞如生殖細(xì)胞、干細(xì)胞、癌在無限增殖的細(xì)胞如生殖細(xì)胞、干細(xì)胞、癌細(xì)胞中存在細(xì)胞中存在DNA末端補(bǔ)齊方式末端補(bǔ)齊方式 。原核細(xì)胞原核細(xì)胞DNADNA的半不延續(xù)復(fù)的半不延續(xù)復(fù)制過程制過程復(fù)制叉的復(fù)制叉的挪動方向挪動方向拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶DNA聚合聚合酶酶III解螺旋酶解螺旋酶RNA引物引物DNA聚聚合酶合酶ISSB335前導(dǎo)鏈前導(dǎo)鏈后隨鏈后隨鏈35復(fù)制的起始復(fù)制的起始DNADNA鏈的合鏈的合成與延伸成與延伸DNADNA鏈合成鏈合成的終止的終止5RNA引物引物33DNA銜銜接酶接酶 不延續(xù)片段的銜接3553RNA酶POH3553DNA聚合酶P3553dNTPDNA連接酶3553ATP (1) 端粒DNA (Telomer) TTGGGG(T2G4)序列高度反復(fù)的末端序列高度反復(fù)的末端 由于真核生物染色體是線性由于真核生物染色體是線性DNA，它的兩端，它的兩端叫做端區(qū)。端區(qū)是由反復(fù)的寡核苷酸序列構(gòu)成的。叫做端區(qū)。端區(qū)是由反復(fù)的寡核苷酸序列構(gòu)成的。 不延續(xù)片段的銜接3553RNA酶POH3553DNA聚合酶P3553dNTPDNA連接酶3553ATPG鏈鏈 T2G4-TTGGGG TTGGGGTTGGGGTTGGGGT