生物化学核酸的生物合成课件.ppt

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,*,生物化学核酸的生物合成,*,生物化学核酸的生物合成,教学目标,1.,掌握原核生物,DNA,的“复制”及,RNA,的“转录”过程；,2.,熟悉参与复制与转录的各个要素；,3.,了解“,PCR”,技术。,教学难点,原核生物,DNA,及,RNA,的分子机,制。,原核生物,DNA,及,RNA,的合成过程。,教学重点,2,生物化学核酸的生物合成,13.1,DNA,的生物合成,13.2,RNA,的生物合成,思考与练习,教学纲要,3,生物化学核酸的生物合成,DNA,复制,依赖于,DNA,的,DNA,合成，,是主要的合成方式。,逆转录,依赖于,RNA,的,DNA,合成，,主要在病毒中，,是转录的逆过程。,DNA,的损伤与修复,DNA,损伤后，,DNA,片段的填补。,合成方式,13.1,DNA,的生物合成,4,生物化学核酸的生物合成,13.1.1,DNA,复制,由亲代,DNA,合成两个相同的子代,DNA,的过程,1.,慨念：,当细胞分裂时，,DNA,的双链拆开并分为,两股单链，各自作为模板，用以合成新的互补链。在,两子细胞中新合成的,DNA,双链，都和母细胞的,DNA,双,链的碱基序列完成一样，其中一条链来自亲代，另一,条链为新合成的。遗传信息就这样高度准确地从亲代,传给子代。这种复制方式称为,半保留复制。,2.,意义（反映出的实质）：,生物遗传的保守性。俗话说：龙生龙，凤生凤，老鼠生来会打洞。遗传的保守性是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。,13.1,DNA,的生物合成,DNA,复制的方式,半保留复制,13.1.1,DNA,复制,由亲代,DNA,合成两个相同的子代,DNA,的过程,13.1,DNA,的生物合成,5,生物化学核酸的生物合成,3.,证据,：,嘧度梯度离心实验。,非常有名的实验是用原核生物（大肠杆菌）做的。,15N,（重,N,）培养基，培养若干代，大量繁殖使所有的,N,都被标上,15,15N,，称为原代，将原代接种到,14N,（普通,N,）培养基，第一代取,DNA,，继续培养后取第二代、第三代,DNA,进行绿化铯（,CsCl,）密度梯度离心，用溴化乙啶（,EB,）染料染色，在紫外光下，有,DNA,的发出桔黄色荧光。结果如下图：,13.1.1,DNA,复制,由亲代,DNA,合成两个相同的子代,DNA,的过程,13.1,DNA,的生物合成,DNA,复制的方式,半保留复制,6,生物化学核酸的生物合成,密度梯度实验,梯度离心结果,实验结果证实了,DNA,是按半保留复制方式进行的,7,生物化学核酸的生物合成,4.,参与,DNA,复制的有关物质,（,1,）,DNA,聚合酶（,DNA pol,）：,是复制中最主要的物质，全称为依赖于,DNA,的,DNA,聚合酶,（即以,DNA,为模板的酶），简称为复制酶（,DDDP,，,DDNA,；,D,指导，,DDNA,，,P,聚合酶）,特点：模板,DNA,引物,RNA,底物,dNTP,合成方向,5,/,端到,3,/,端,真核与原核的不一样,13.1.1,DNA,复制,由亲代,DNA,合成两个相同的子代,DNA,的过程,13.1,DNA,的生物合成,DNA,复制的方式,半保留复制,8,生物化学核酸的生物合成,E.Coli,中的,DNA,聚合酶,9,生物化学核酸的生物合成,真核生物,DNA,聚合酶,10,生物化学核酸的生物合成,（,2,）,DNA,连接酶：,13.1.1,DNA,复制,由亲代,DNA,合成两个相同的子代,DNA,的过程,13.1,DNA,的生物合成,DNA,复制的方式,半保留复制,4.,参与,DNA,复制的有关物质,用于补,“,缺口,”,，将,nick,（缺口,只缺一个,3,，,5,磷酸二酯键）连接起来。,5,3,3,HO,P,5,5,3,3,ATP,NAD,AMP+PPi,NAD+AMP,Ligase,11,生物化学核酸的生物合成,（,4,）,拓扑异构酶,拓扑是物理学上的一个名称，空间异构的意思。,用于解开,DNA,超螺旋结构，,TOP,打开一条链；,TOP,从中间剪开。,（,5,）,单链结合蛋白,（,SSB,）,防止两条链再结合（复性）,（,6,）,引发酶和引发体：,催化引物的合成，多数是,RNA,聚合酶催化合成,RNA,引 物、也有,DNA,聚合酶催化,DNA,引物的合成。引发体中含引物酶等多种蛋白质,（,3,）,解旋酶（解螺旋酶、解链酶）,解开,DNA,双螺旋结构,4.,参与,DNA,复制的有关物质,12,生物化学核酸的生物合成,13.1.1,DNA,复制,由亲代,DNA,合成两个相同的子代,DNA,的过程,13.1,DNA,的生物合成,DNA,复制的方式,半保留复制,5.DNA,复制的机制,半不连续复制,13.1.1,DNA,复制,由亲代,DNA,合成两个相同的子代,DNA,的过程,13.1,DNA,的生物合成,DNA,复制的方式,半保留复制,13.1.1,DNA,复制,由亲代,DNA,合成两个相同的子代,DNA,的过程,13.1,DNA,的生物合成,DNA,复制的方式,半保留复制,子代,DNA,中的一条链的合成是连续的，另一条链的合成是不连续的，,DNA,的这种复制方式称为,半不连续复制。,1968,年冈崎提出的，,DNA,复制过程中，有一些不连续片段，称为,冈崎片段,。原核生物中冈崎片段约含,1000,2000,个核苷酸,，真核生物约为,400,个核苷酸,。,5,5,3,5,解链方向,5,3,5,5,3,5,解链方向,5,3,5,3,5,解链方向,5,3,13,生物化学核酸的生物合成,随从链（后随链）：,复制方向与解链方向相反，须等待,解开足够长度的链才能继续复制，所得,到一条由不连续片段组成的子链。,领头链（前导链）：,顺着解链方向生成的子链，其复制,是连续进行的，得到一条连续的子链。,14,生物化学核酸的生物合成,领头链的合成,15,生物化学核酸的生物合成,随从链的合成,16,生物化学核酸的生物合成,13.1.1,DNA,复制,由亲代,DNA,合成两个相同的子代,DNA,的过程,13.1,DNA,的生物合成,DNA,复制的方式,半保留复制,6.DNA,复制的过程,起始、延长和中止,13.1.1,DNA,复制,由亲代,DNA,合成两个相同的子代,DNA,的过程,13.1,DNA,的生物合成,DNA,复制的方式,半保留复制,13.1.1,DNA,复制,由亲代,DNA,合成两个相同的子代,DNA,的过程,13.1,DNA,的生物合成,DNA,复制的方式,半保留复制,复制的起始：,复制的起始点的辨认：,指,DNA,复制是在某一特定的位点上开始的。复制起始点的辨认（不是某一端，找不到端），是,DNA,分子的某一个特殊位置（,ori,），特殊就在于此处的碱基组成易被解链。由谁来辩认？,因子,模板,DNA,高级结构的解除：,拓扑异构酶,（旋转酶）打开拓扑结构，解旋酶打开双螺旋，,DNA,单链结合蛋白结合于已解开的链上，提供模板,RNA,引物的生成：,分别以两条,DNA,链为模板，由,RNA,聚合酶催化并有引发体参与，合成,RNA,引物，提供,3,/,OH,末端。,17,生物化学核酸的生物合成,13.1.1,DNA,复制,由亲代,DNA,合成两个相同的子代,DNA,的过程,13.1,DNA,的生物合成,DNA,复制的方式,半保留复制,6.DNA,复制的过程,起始、延长和中止,13.1.1,DNA,复制,由亲代,DNA,合成两个相同的子代,DNA,的过程,13.1,DNA,的生物合成,DNA,复制的方式,半保留复制,13.1.1,DNA,复制,由亲代,DNA,合成两个相同的子代,DNA,的过程,13.1,DNA,的生物合成,DNA,复制的方式,半保留复制,复制的延伸：,是一个重复的过程,。在,RNA,引物上，由,DNA,聚合酶,（真核为,）催化，以,dNTP,为底物，沿着,5,/,3,/,滑动，按碱基配对原则在引物,3,/,OH,上接上相应的核苷酸，以添加,dNMP,顺序。不断滑动，不断添加，链就不断延长。,复制的中止：,引物,RNA,的切除，,空缺部分的填补（,DNA,聚合酶补裂口）,补缺口（连接酶连接完成,),（见,P252,图示）,18,生物化学核酸的生物合成,19,生物化学核酸的生物合成,5,5,3,3,5,P-P,-,PPi,3,20,生物化学核酸的生物合成,DNA,的复制过程归纳,1.,合成的起始阶段,2.,合成的延伸阶段,3.,合成的终止阶段,辨识起始点,RNA,引物的合成,高级结构的解除,Topo,酶解螺旋,解螺旋酶解双螺旋,SSB,结合单链,DNA,复制叉的移动,DNAPol,延模板滑动,催化,3,5,-P,二酯键形成,RNA,引物的切除,RNA,引物的切除后填补,缺口连接,RNA,引物的切除,RNA,引物的切除后填补,缺口连接,RNA,引物的切除,RNA,引物的切除后填补,缺口连接,RNA,引物的切除后填补,21,生物化学核酸的生物合成,13.1.1,DNA,复制,由亲代,DNA,合成两个相同的子代,DNA,的过程,13.1,DNA,的生物合成,DNA,复制的方式,半保留复制,7.,真,/,原核细胞,DNA,复制的特点,13.1.1,DNA,复制,由亲代,DNA,合成两个相同的子代,DNA,的过程,13.1,DNA,的生物合成,DNA,复制的方式,半保留复制,13.1.1,DNA,复制,由亲代,DNA,合成两个相同的子代,DNA,的过程,13.1,DNA,的生物合成,DNA,复制的方式,半保留复制,比较的内容,原核,真核,复制起始点,单个或双个,多个,DNA,复制的方向,单,/,双向（少数）,双向,复制的形状,型、滚环、,D,环,复制眼（泡）,复制子,单个,多个,引物大小,50,100,个碱基,10,多个碱基,冈崎片段,大（,10002000,碱基）,小（,200,碱基）,复制速度,慢,快,端粒的复制,无,端粒酶完成,22,生物化学核酸的生物合成,（富含,AT,区）,真核细胞,DNA,的多起始点，双向复制,23,生物化学核酸的生物合成,逆转录酶：,以,RNA,为模板，,dNTP,为底物，催化,5,端到,3,端,方向合成,DNA,的酶（,RDDP,）或反转录酶，是,1970,年在劳氏肉瘤、鼠白血病病毒中发现的引,起生物致癌的酶。,逆转录,特点：,（,1,）模板为单链,RNA,；,（,2,）逆转录酶（,RnaseH,）具有专一切除,RNA,DNA,杂交分子中的,RNA,的功能。,（,3,）引物为,tRNA,（,4,）底物为,dNTP,13.1.2,逆转录,由,RNA,指导合成,DNA,的过程,13.1,DNA,的生物合成,24,生物化学核酸的生物合成,病毒,RNA,DNA-,RNA,杂化双链,单链,DNA,逆转录酶,RNA,酶,H,（或,RDDP,）,依赖,DNA,的,DNA,聚合酶,双链,DNA,（原病毒整合到宿主细胞）,逆转录现象说明：在某些生物，,RNA,同样兼有遗传物质的传代与表达功能,逆转录过程：,13.1,DNA,的生物合成,13.1.2,逆转录,由,RNA,指导合成,DNA,的过程,25,生物化学核酸的生物合成,如果病毒中,逆转录生成的,DNA,复制,就可以得到致癌的,DNA,复制品，侵染宿主后，整合到宿主,DNA,中，宿主,DNA,就会有致癌的,DNA,片段，结果引起宿主细胞发生癌变。,如果能找到这类酶（逆转录酶等）的抑制剂，就可以在不损害健康细胞的基础上达到治疗肿瘤的目的，然而，至今为止尚未找到这种专一性的抑制剂，需要继续努力。,13.1.2,逆转录,由,RNA,指导合成,DNA,的过程,13.1,DNA,的生物合成,逆转录酶研究的意义：,26,生物化学核酸的生物合成,DNA,损伤,是指某些物理、化学因素的影响致使,DNA,局部结构发生改变的现象。,DNA,的损伤可造成突变或致死。,损伤的原因,物理（紫外（见下页）、高能射线、电离辐射）,化学（烷基化试剂、亚硝酸盐、碱基类似物）,生物因素（碱基对置换、碱基的插入,/,缺失造成移码）,13.1.1,DNA,的损伤与修复,13.1,DNA,的生物合成,27,生物化学核酸的生物合成,二聚体形成后，不能配对，复制有问题。生物体要想办法修复。,紫外线损伤,：,使,DNA,形成嘧啶碱基二聚体。是同一条,DNA,链上两个相邻的嘧啶碱基加成后相连形成的。其中,TT,二聚体占,50%,；,TC,二聚体,40%,；,CC,二聚体,10%,。,UV,28,生物化学核酸的生物合成,13.1,DNA,的生物合成,13.1.1,DNA,的损伤与修复,DNA,的修复,是指在一定条件下，生物体使损伤的,DNA,恢复回正常状态的过程。,光复活：,光复活酶,，在,可见光,下激活直接解开二聚体。此酶分布广，原核和真核生物都有，但,人和哺乳动物没有,；专一性强，,只能对紫外线引起的损伤进行修复。,29,生物化学核酸的生物合成,UV,光修复酶,30,生物化学核酸的生物合成,13.1,DNA,的生物合成,13.1.3,DNA,的损伤与修复,1.DNA,的修复,是指在一定条件下，生物体使损伤的,DNA,恢复回正常状态的过程。,暗复活（切除修复）：,有光、无光,都可进行。由,一系列酶催化,，包括,切开、合成、切除和连接（或先切除后合成）,四步。这种修复更具,普遍性,：所有的生物，特别是哺乳动物用此途径进行修复；不但是对紫外线引起的损伤能修复，对其他因素引起的损伤也能修复。,31,生物化学核酸的生物合成,13.1,DNA,的生物合成,13.1.3,DNA,的损伤与修复,1.DNA,的修复,是指在一定条件下，生物体使损伤的,DNA,恢复回正常状态的过程。,重组修复：,又称复制后修复：,当,DNA,的双链中的一条链出现大段的损伤时，可以置换一段相当完整的多核苷酸片段上去。,（受损伤的,DNA,在进行复制时，跳过损伤部位，在子代,DNA,链与损伤相对应部位出现缺口。通过分子间重组，从完整的母链上将相应的碱基顺序片段移至子链的缺口处，然后再用合成的多核苷酸来补上母链的空缺，此过程即重复修复。,并非完全校正。）,复制 重组 补缺,32,生物化学核酸的生物合成,13.1,DNA,的生物合成,13.1.3,DNA,的损伤与修复,1.DNA,的修复,是指在一定条件下，生物体使损伤的,DNA,恢复回正常状态的过程。,修复的意义：,通过修复可以使受损的,DNA,恢复到原来正常状态。否则的话，就会生病甚至危及生命。,有一种人，缺乏限制性内切酶，如果长期受紫外光照射，易患着色性干皮病（一种皮肤癌,皮肤粗裂、干燥、肉露出来）。,33,生物化学核酸的生物合成,13.1,DNA,的生物合成,13.1.4,聚合酶链式反应技术与,DNA,扩增,聚合酶链式反应（,polymerase chain reaction,PCR,）是一种体外模拟自然,DNA,复制过程的核酸扩增技术，即无细胞分子克隆技术。,PCR,技术由,Mullis,于,1985,年发明，它以待扩增的两条,DNA,链为模板，,4,种脱氧核苷酸为底物，由两个可与模板双链上相对链侧翼序列杂交的引物介导，通过,DNA,聚合酶（常用的是,Tap,聚合酶,),的酶促反应，快速体外扩增特异的,DNA,序列。,PCR,技术中的每轮循环,包括变性、复性和延伸,3,个阶段,。,34,生物化学核酸的生物合成,变性：,反应混合物被短期（,15,30,秒）加热至,950C,使得模板双链,DNA,变性形成可作为,DNA,合成的单链。,复性：,混合物被迅速冷却到某一温度，该温度允许引特结合到模板,DNA,的侧翼序列上。,延伸：,混合物的温度被升到,700C,（通常），并在预先设定的时间内保持该温度，使得,DNA,聚合酶通过拷贝单链模板延伸个引物。因此在反应结束时，两个单链模板都形成双链，双链的新生链下延伸的长度是可变的。,聚合酶链式反应技术与,DNA,扩增,35,生物化学核酸的生物合成,36,生物化学核酸的生物合成,合成方式,13.2,RNA,的生物合成,转录,以,DNA,为模板合成,RNA,，,是生物体内合成的主要方式。,复制,以,RNA,为模板合成,RNA,，,此方式常见于病毒中。,37,生物化学核酸的生物合成,转录特点：,不对称转录：,转录时，双链,DNA,中只有一条链作为转录的模板，这种转录方式称作不对称转录。,模板链及反义链：,指导,RNA,合成的,DNA,链为模板链，又称反义链。,编码链及有义链：,不作为转录的另一条,DNA,链为编码链，又称有义链。,由于基因分布于不同的,DNA,单链中，即某条,DNA,单链对某个基因是模板链，而对另一个基因则是编码链。,部分转录,：,RNA,在转录时每次只转录,DNA,上的一部分信息,这种转录方式称做部分转录。,13.2 R,NA,的生物合成,13.2.1,转录,38,生物化学核酸的生物合成,转录酶,RNA,聚合酶（,DDRP,）,模板,:,单链,DNA,模板,底物：,四种,NTP,辅因子：,Mg,2+,/Mn,2+,合成方向：,RNA 53,作用,：,连接方式,-3,，,5,磷酸二酯键,RNA,起始核苷酸,：,5,末端的常为,GTP,或,ATP,（,DNA,分子中第一个被转录的碱基为,C,或,T,）,13.2 R,NA,的生物合成,13.2.1,转录,40,生物化学核酸的生物合成,原核生物（大肠杆菌）的,RNA,聚合酶,组成,分子量,功能,全 酶,核 心 酶,数目,2,1,1,1,1,36.5KD,150KD,160KD,70KD,11KD,识别起始位点,功能不清楚,与,DNA,模板结合,起催化作用,与启动子结合,6,46KD,终止因子,全酶（,2,）,=,核心酶（,2,）,+,起始因子（,）,41,生物化学核酸的生物合成,42,生物化学核酸的生物合成,真核生物的,RNA,聚合酶,分子量,(KDa),转录产物（前体）,种类,分布,A(I),B(II),C(III),核仁,核质,核质,不敏感,(10,-3,mol/l),高度敏感,(10,-9,-10,mol/l),中度敏感,(10,-4-5,mol/l),rRNA(18s,28s,5.8s),hnRNA,tRNA,5srRNA,性质,活性,50,70,20,40,10,500,700,700,反应条件,低离子强度要求,Mg,2+,或,Mn,2+,高离子强度,高,Mn,2+,浓度,鹅膏蕈碱效应,43,生物化学核酸的生物合成,13.2 R,NA,的生物合成,13.2.1,转录,13.2 R,NA,的生物合成,转录过程,RNA,转录的起始：,（,1,）核心酶在,亚基参与下，辩别启动子的识别部位,（,2,）全酶与识别部位结合，滑向结合部位与模板紧密结合,解链,（,3,）滑向起始点,转录从起始点开始，合成第一个三磷酸核苷,.,RNA,转录的延伸：,（,1,）,亚基从全酶中解离,（,2,）核心酶的构象发生变化，与模板,DNA,的结合变得较为松弛，以一定,速度沿,3,，,5,，方向滑动,（,3,）,NTP,为底物，在,RNA,链,3,，,OH,末端上生成磷酸二酯键,RNA,转录的终止：,（,1,）,RNA,聚合酶滑动到模板的终止部位时，酶的作用受阻,（,2,）,RNA,聚合酶核心酶模板上脱落,（,3,）,RNA,链释放,44,生物化学核酸的生物合成,-35,-10,pppG,或,pppA,5,5,3,3,模板链,E,起始,延伸,终止,45,生物化学核酸的生物合成,识别,解链,起始,延伸,终止,46,生物化学核酸的生物合成,转录复合物：,RNA-pol(,核心酶,)DNARNA,47,生物化学核酸的生物合成,转录与复制的比较,相似,相同点：都以,DNA,为模板；,都需要,DNA,指导下的,RNA,聚合酶；,都有,RNA,的合成。,相异点：,1.,模板链的数量不同：,复制时，是两条单链，且是整条链；,转录时，仅一条单链，且是一个片段。,2.,主要的合成酶不同：,复制时,DNA,指导,RNA,聚合酶和,DNA,指导,DNA,聚合酶两种；,转录时是,DNA,指导,RNA,聚合酶一种。,3.,对引物的要求不同：,复制需要；转录不需要。,4.,生成的产物不同：,复制为,DNA,；转录为,RNA,。,48,生物化学核酸的生物合成,13.2 R,NA,的生物合成,13.2.1,转录,转录的加工修饰：,hnRNA,的加工修饰,真核,mRNA,：,5,末端：,5,端加帽（,m7Gppp,）,3,末端：,3,端加尾（,polyA,）,真核生物加上,150,200A,；,原核生物加上,50,100A,。,切除内含子,此,3,步防止核酸酶对,RNA,的水,解,mRNA,通过核膜转移到胞质内，,作为蛋白质的模板，与蛋白质结合,成信息体。,49,生物化学核酸的生物合成,13.2 R,NA,的生物合成,13.2.1,转录,转录的加工修饰：,tRNA,的加工修饰,剪切：,剪接：,添加,碱基修饰,tRNA,生成后游离在胞质中，在蛋白质生物合成中与,AA,结合进入核糖体，起运输,AA,的作用。,50,生物化学核酸的生物合成,剪切,51,生物化学核酸的生物合成,剪接,添加,碱基修饰,52,生物化学核酸的生物合成,碱基修饰的方式：,（,1,）甲基化,如：,A,A,n,（,2,）还原反应,如：,U DHU,(3),核苷内的转位反应,如：,U ,(4),脱氨反应,如：,A I,53,生物化学核酸的生物合成,13.2 R,NA,的生物合成,13.2.1,转录,转录的加工修饰：,rRNA,的生理合成,原核生物,rRNA,：,16S,、,23S,和,5S,三种,rRNA,真核生物,rRNA,：,18S,、,28S,、,5.8S,和,5S,四种,rRNA,。,rRNA,进入胞质与多种蛋白质结合成核糖体的大小亚基。,54,生物化学核酸的生物合成,定义：,RNA,指导下的,RNA,的合成。在没有,DNA,，只有,RNA,的病毒中，如,RNA,噬菌体，烟草花叶病毒等，仅存在,RNA,指导下的,RNA,聚合酶，此酶催化以,RNA,为模板，四种,NTP,为原料，聚合成,RNA,。,复制过程：,先合成新的负链,（与模板链互补的链）,初期产物；,再合成新的正链,（与模板链相同的链）,最终产物。,13.2 R,NA,的生物合成,13.2.2,复制,55,生物化学核酸的生物合成,思考与练习,1.,解释如下名词：,复制、转录、逆转录、岗崎片断,2.,什么叫半保留复制？半保留复制的机制如何？,它可以解释哪些重要的生命现象？,3.,有一,DNA,片断，其碱基顺序为：,5,/,TTAACAACGGGCTTC3,/,（,1,）请写出此片段复制时的碱基顺序；,（,2,）请写出此片段转录后的碱基顺序。,56,生物化学核酸的生物合成,