第10章DNA的生物合成ppt.ppt
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1、C,G,A,交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架 (backbone)。,DNA链的方向是5 3,核苷酸的排列顺序是核酸的一级结构,5端,3端,书写方法:,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,3,1,5,DNA的二级结构是双螺旋结构,DNA双螺旋结构模型的要点:,1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构,脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧,疏水的碱基位于内侧。,5,3,2.DNA双链之间形成了互补碱基对,(AT,GC),3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。,横向:氢键维持稳定,纵向:碱基堆积力维持稳定,DNA复制时:,
2、双链打开,以亲代DNA为模板,按碱基互补原则,合成子代DNA.,DNA的生物合成 DNA Biosynthesis,Replication,第十四章,复制(replication) 是以DNA为模板的DNA合成,是基因组的复制过程。在这个过程中,亲代DNA作为模板,按照碱基配对原则合成子代分子,其化学本质是酶促脱氧核苷酸聚合反应。,本章主要内容:,DNA复制的基本特征 DNA复制的酶学和拓扑学变化 原核生物DNA复制过程 真核生物DNA生物合成过程 逆转录和其他复制方式,DNA复制的基本特征 Basic Rules of DNA Replication,第一节,半保留复制(semi-conse
3、rvative replication) 双向复制(bidirectional replication) 半不连续复制(semi-discontinuous replication),DNA复制的主要特征,半保留复制(概念) 双向复制 (复制子) 半不连续复制,(前导链链、后随链、岡崎片段), 知识要点:,子链继承母链遗传信息理论上几种可能的方式:,实验结果支持半保留复制的设想。,含重氮-DNA的细菌,第一代,第二代,梯度离心结果,重-DNA,重氮-DNA,杂合-DNA,杂合-DNA,普通-DNA,重-DNA,一、 DNA以半保留方式进行复制,密度梯度实验,DNA复制时,亲代DNA解开为两股单
4、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,另一股单链则完全从新合成。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。,半保留复制的概念:,A G G T A C T G C C A C T G G,T C C A T G A C G G T G A C C,C C A C T G G,G G T G A C C,A G G T A C T G,T C C A T G A C,T C C A T G A C,A G G T A C T G,A G G T A C T G C C A C T
5、G G,T C C A T G A C G G T G A C C,A G G T A C T G C C A C T G G,T C C A T G A C G G T G A C C,+,母链DNA,复制过程中形成的复制叉,子代DNA,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。,半保留复制的阐明,对了解DNA的功能和物种的延续性有重大的意义。,复制眼,二、DNA复制从起点向两个方向延伸,两个复制叉,复制起始点,原核生物基因组是环状DNA,只有一个复制起点
6、(origin)。复制从起点开始,向两个方向进行解链,进行的是单点起始双向复制。,A. 环状双链DNA及复制起始点 B. 复制中的两个复制叉 C. 复制接近终止点(termination, ter),A B C,5,5,3,3,真核生物每个染色体多个起始点,是多复制子的复制。(多点双向复制),(replicon),复制子,复制子:是含有一个复制起点的独立完成复制的功能单位。,*,后随链 (岡崎片段) (lagging strand),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。复制中的不连续片段称为岡崎片段。,前导链连续复制而后随链不连续复制,
7、就是复制的半不连续性。,*,*,三、DNA复制反应呈半不连续特征,DNA复制的酶学和 拓扑学变化 The Enzymology of DNA Replication,第二节,参与DNA复制的物质:,解开成单链的DNA母链,dATP, dGTP, dCTP, dTTP(dNTP),依赖DNA的DNA聚合酶 简写为 DNA-pol,*,*,(dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 + PPi,RNA引物,RNA引物,子代DNA,复制的化学反应:,DNA链的方向只能 是5 3,必须要有引物,特点:,原料: dNTP,3,5磷酸二酯键,一、DNA聚合酶催化脱氧核苷酸间的聚合,引物: 是互补于模
8、板链的一个寡聚核苷酸片断。 特点: 1、带有一个游离的3-OH末端。 2、模板必须转变成单链。,*,3 5外切酶活性:,5 3外切酶活性:,?,能切除突变的 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)原核生物的有3种DNA聚合酶,(1) DNA-pol (2) DNA-pol (3) DNA-pol ,个核心酶 1个-复合物(、 6种亚基) 1对-亚基(可滑动的DNA夹子),(1) DNA聚合酶全酶结构:,全酶结构包括:,(真正起催化作用的酶),(2) DNA-pol (109kD),(不是主要复制酶),小片段(33kD),5 核酸外切酶活性,大片段/Klenow
9、 片段(76kD), 5 核酸外切酶活性,N 端,C 端,功能:1、对复制中的错误进行校读,,DNA-pol(单链多肽109KD),2、对复制和修复中出现的空隙进行填补。,*,(工具酶), DNA聚合酶活性和校对活性,3 、除去DNA合成所需的引物。,*,(3) DNA-pol (120kD),DNA-pol II基因发生突变,细菌依然能存活。 DNA-pol 对模板的特异性不高,即使在已发生损伤的DNA模板上,它也能催化核苷酸聚合。因此认为,它参与DNA损伤的应急状态修复。,原核生物DNA聚合酶,聚合速度(核苷数/酶分子 . 分钟) 600 30 约30 000 功 能 切除引物修复填补空缺
10、 修复? 复 制,单体,单体,多亚基复合物,*,*,DNA-pol ,起始引发,有引物酶活性。,延长子链的主要酶,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 ,(二)常见的真核细胞DNA聚合酶有5种,*,*,二、DNA聚合酶的碱基选择和校对功能实现复制的保真性,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。,此外还需酶学的机制来保证复制的保真性。,遵守严格的碱基配对规律; 聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能; 复制出错时有即时校对功能。,
11、DNA复制的保真性至少要依赖三种机制:,(一)复制的保真性依赖正确的碱基选择,利用“错配”实验发现,DNA pol 对核苷酸的参入(incorporation)具有选择功能。 DNA pol 对嘌呤的不同构型表现不同亲和力,因此实现其选择功能。,A:DNA-pol的外切酶活性切除错配碱基;并用其聚合活性掺入正确配对的底物。 B:碱基配对正确, DNA-pol不表现外切活性。,*,(二)聚合酶中的核酸外切酶活性在复制中辨认切除错配碱基并加以校正,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。,*,三、复制中的解链伴有DNA 分子拓扑学变化,(一)多种酶参与DNA解链和稳
12、定单链状态,*,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。,引物酶(primase) 依赖DNA的RNA聚合酶 复制起始时催化生成RNA引物的酶 催化游离的NTP聚合,生成短链RNA, 引物的作用为:提供3 OH末端,单链DNA结合蛋白 (single stranded DNA binding 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。,(二)DNA拓扑异构酶改变DNA超螺旋状态,复制过程正超螺旋的形成:,拓扑异构酶作用特点: 既能水解 、又能连接磷酸二酯键,拓扑异构酶 拓扑异构酶,分 类:,
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