第七章 DNA的生物合成(复制).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,*,第七章DNA的生物合成（复制）,许昌卫生学校,一、,DNA,生物合成概况,生物体内,DNA,的合成包括三个方面,:1.,以,DNA,作为模板指导的,DNA,合成称为,复制,，即将,DNA,携带的信息传至子代,DNA,。,2.DNA,合成也可以,RNA,为模扳指导合成，通常将其称作,反转录作用,见于,RNA,病毒。,3.,当各种因素引起,DNA,损伤时，损伤,DNA,可进行修复合成，校正错误，完成正确合成，以保持,DNA,结构的稳定性和遗传信息的准确性。,二、遗传的中心法则,DNA,通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分子，从而决定生物的表现型。,DNA,的复制、转录和翻译过程就构成了,遗传学的中心法则。,在,RNA,病毒中，其遗传信息贮存在,RNA,分子中。因此，在这些生物体中，遗传信息的流向是,RNA,通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代，通过反转录将遗传信息传递给,DNA,，再由,DNA,通过转录和翻译传递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为,反中心法则。,反映了从,DNA,RNA,蛋白质的遗传信息主流，揭示了生物体内遗传信息的贮存、传递和表达的规律,。,转录,RNA,翻译,蛋白质,DNA,RNA,（,病毒）,复制,复制,翻译,蛋白质,（病毒）,反转录,第一节,DNA,的复制,一、,DNA,复制的特征及其意义,（一）,DNA,复制的特征,1.,半保留复制,复制,：以亲代,DNA,为模板合成子代,DNA,，将 遗传信息准确地复制到子代,DNA,分子上，这一过程叫复制。,复制方式,：半保留复制,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,。,复制时，首先是,DNA,两条链间氢键断裂，双链彼此分开成两条单链，称为,亲链,。它们各自作为模板，以,三磷酸脱氧核苷,为原料，按,碱基互补,规律，合成一条与亲链完全互补的新链，称,子链,。子链与亲链重新形成双螺旋结构。,半保留复制的实验证据,:,1958,年,Meselson,和,Stahl,用同位素,15N,标记大肠杆菌,DNA,首先证明了,DNA,的半保留复制。,该实验首先将大肠杆菌在含,15,N,的培养基中培养数代后，使其,DNA,中的碱基氮均转变为,15,N,。然后将大肠杆菌移至只含,14,N,的培养基中同步培养一代、二代、三代。分别提取,DNA,，作,密度梯度离心,，将具有不同密度的,DNA,分离开。,DNA,半保留复制的证据,2.,半不连续复制,以,35,方向的亲代,DNA,链作模板的子代链在复制时基本上是连续进行的，其子代链的聚合方向为,53,，这一条链被称为,领头链,。,以,53,方向的亲代,DNA,链为模板的子代链在复制时则是不连续的，其链的聚合方向也是,53,，这条链被称为,随从链,。,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,。,3.,有固定的复制起始点,DNA,在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即,复制起始点。,4.,双向复制,DNA,复制时，以复制起始点为中心，向两个方向进行解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为,双向复制。,（二）半保留复制的意义,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,。,遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但,不是绝对的,。,二、催化,DNA,复制的重要酶类,复制是在酶催化下的核苷酸聚合过程，需要多种酶和因子的共同参与。,（一）,DNA,聚合酶,DNA,聚合酶又称,DNA,指导的,DNA,聚合酶（,DDDP,），其主要作用是,在,DNA,模板链的指导下，以三磷酸脱氧核苷,（,dNTP,即,dATP,、,dCTP,、,dGTP,、,dTTP,）为,底物，按碱基配对原则，将三磷酸脱氧核苷逐,个地加到寡聚核苷酸的,3-,末端上，并催化核,苷酸之间,3,，,5-,磷酸二酯键的形成，从而将,dNTP,沿着,53,方向聚合成为多核苷酸,.,1.,在原核生物中，目前发现的,DNA,聚合酶有三种，分别命名为,DNA,聚合酶,（,pol,），,DNA,聚合酶,（,pol,），,DNA,聚合酶,（,pol,），,这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。,参与,DNA,复制的主要是,pol,和,pol,。,DNA-,pol,有三种功能,：,.,聚合作用：即在模板指导下，以,dNTP,为原料，在,DNA,或引物,RNA,的,3-OH,末端逐个加上脱氧单核苷酸，形成,3,，,5,磷酸二酯键，使,DNA,链沿,53,方向延伸。,.35,外切酶活性：即能从,DNA,链,3,端开始沿,35,方向进行水解反应，产生,5,单核苷酸。在,DNA,复制时，当,3,末端出现错配的碱基时，可由,DNA-,pol,识别和切除错配的碱基，保证,DNA,复制的正确性，因而具有校对功能。,.53,外切酶活性，即能从,DNA,链,5,端开始沿,53,方向水解,DNA,链。因此，参与,RNA,引物的切除。另外，它还能跳过几个核苷酸，切除错配的核苷酸，起到修复作用。实际上，,DNA-,pol,在大肠杆菌中的主要功能不是催化,DNA,的复制，而是切除引物，填补冈崎片段间的空隙，以及修复,DNA,损伤。,DNA-,pol,催化的聚合反应具有高度连续性，可以沿模板链连续地移动，一般在加入,5000,个以上的核苷酸之后才脱离模板，因此，其催化的聚合反应速度快，是在原核生物细胞内真正起复制作用的酶。其,3,5,外切酶活性可停止进入或除去错误的核苷酸，然后连续加入正确的核苷酸，因而,具有编辑和校对功能,，,pol,和,pol,协同作用可使复制的错误率大大降低，从,10-4,降到,10-6,或更少。,2.,在真核细胞,至少有,5,种,DNA,聚合酶，分别称为,DNA,聚合酶,、,、,、,、,。,DNA,聚合酶,和,是,DNA,复制时起主要作用的酶，,DNA,聚合酶,主要参与,DNA,损伤的修复，,DNA,聚合酶,存在于线粒体内，参与线粒体,DNA,的复制。,（二）拓扑异构酶,：拓扑异构酶对,DNA,分子既能水解又能连接磷酸二酯键，其主要作用是解开,DNA,超螺旋结构。拓扑异构酶有两种，分别称为,拓扑异构酶,和拓扑异构酶,。,拓扑异构酶,在不需要,ATP,存在的条件下，切断,DNA,双链中的一股,使,DNA,链末端沿松解的方向转动，使,DNA,分子变为松弛状态，然后将切口连接起来。拓扑异构酶,能同时切开,DNA,链的两股，使其变为松弛状态，然后再封闭切口；在利用,ATP,的条件下，可使松弛状态的,DNA,分子变为负超螺旋，有利于,DNA,双链分开。,（三）解链酶,：解链酶又称,解螺旋酶,，其作用是解开,DNA,双链。解链酶能辨认复制的起始点并与之结合，先解开一小段,DNA,。这一小段单链,DNA,可作为模板引导,DNA,新链的合成。在,DNA,复制过程中，解链酶可沿着模板向着复制方向移动，逐渐解开双链。每解开,1,个碱基对，需消耗,2,分子,ATP,。,(,四）单链,DNA,结合蛋白（,SSB,）,：作为模板的,DNA,总要处于单链状态，因为符合碱基配对，解开的,DNA,单链又总会有形成双链的倾向，以使分子达到稳定状态和免受细胞内核酸酶的降解。,SSB,能与解开双螺旋的,DNA,单链结合，在复制过程中防止单链重新形成双螺旋，保持单链状态以便于进行复制，同时还可以防止单链,DNA,被核酸酶水解。,SSB,不象,DNA,聚合酶那样沿着复制方向向前移动，而是不断结合、脱离的。,（五）,引物酶,复制是在一小段,RNA,引物的基础上加进脱氧核苷酸的。催化引物合成的是一种,RNA,聚合酶，因它不同于催化转录过程的,RNA,聚合酶，遂称为引物酶。,在复制的起始点，在,DNA,模板链的指导下，以,NTP,为底物，按碱基配对原则，引物酶催化,RNA,引物的合成。,5,3,3,5,5,RNA,引物,5,RNA,引物,（六）,DNA,连接酶,：,DNA,连接酶能连接,DNA,链,3-OH,末端和相邻,DNA,链的,5-,磷酸末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的,DNA,链连接成完整的链，这一反应需消耗,ATP,。,作用,：在有模板指导的条件下，催化,2,个,DNA,片段,(,两片段间的距离为,1,个,3,5-,磷酸二酯键的键长,),的连接。,原理,：在一个,DNA,片段的,3-OH,末端和另一个,DNA,片段的,5-P,末端形成,3,5-,磷酸二酯键，从而实现连接。,特点,：原核细胞,:,需辅助因子,NAD,+,真核细胞,:,不需辅助因子,NAD,+,但需耗能,(ATP),参与,DNA,复制的酶与蛋白因子总览图,二、,DNA,的生物合成过程,（一）,复制的起始,DNA,复制的起始阶段，由下列两步构成。,1,解旋解链，形成复制叉：,（,1,）由拓扑异构酶和解链酶作用，使,DNA,的超螺旋及双螺旋结构解开，碱基间氢键断裂，形成两,条单链,DNA,。,（,2,）,单链,DNA,结合蛋白（,SSB,）四聚体结合在两条单链,DNA,上，形成复制叉。,2,引发体组装和引物合成：,（,1,）,由解螺旋酶,、引物酶和,DNA,复制起始区域形成引发体；,（,2,）,在引物酶的催化下，以,DNA,为模板，合成一段短的,RNA,片段，从而获得,3,端自由羟基（,3-OH,）。,（二）,复制的延长,RNA,引物合成以后，在两条,DNA,模板链的指导下，在,DNA,聚合酶,催化下，按照,A-T,、,G-C,的碱基配对原则，在引物的,3-OH,端逐个地聚合四种脱氧核苷酸，同时合成两条新的,DNA,链。在复制中，拓扑异构酶,和解链酶不断地向前推进，复制叉也就不停地向前移行，新合成的,DNA,链也就相应的延伸。由于,DNA,分子在形成双螺旋时，两条链的走向是相反的，一条链是,53,方向，其互补链是,35,方向，而复制时新链（包括引物）的合成只能按,53,方向延伸。,因此，顺着解链方向而生成的一股新链是连续合成的，此链称为,前导链,。而另一股新链合成的方向却与解链方向相反，这一股链的复制必须等待模板链解开至足够的长度，才能从,53,方向生成引物，然后复制。这股链在延长时，又要等到复制叉前行暴露出足够长的模板，再次生成引物而延长。这种不连续复制的链称为,随后链,，不连续复制的,DNA,片段称为,冈崎片段,。当冈崎片段延伸至一定长度，直到前一个,RNA,引物的,5-,末端为止，然后在具有核酸外切酶活性的,DNA,聚合酶,的作用下，水解除去,RNA,引物，并依据模板的碱基顺序，延长冈崎片段的,3-,末端，直至前一个冈崎片段的,5-,末端为止，以填补缺口。,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。,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,。,前导链,滞后链,冈崎片段,半不连续复制,冈崎模型,（三）、复制的终止,复制过程中，前导链可以向复制叉方向连续不断地延长，随后链则是靠向复制叉方向不断地增加冈崎片段的数量来延长的，在,DNA,聚合酶,的作用下，切除冈崎片段的引物，催化聚合反应填补空缺。此时第一个冈崎片段的,3-OH,和第二个冈崎片段的,5-P,都是游离的，其间仍有一个小缺口。,DNA,连接酶在这个复制的最后阶段起作用，把两片段之间的小缺口通过生成磷酸二酯键而接合起来，成为真正连续的子链。不但随后链的冈崎片段需要这样彼此连接，前导链同样也有引物被水解而遗留空隙，也需要,DNA,聚合酶,的催化填补空隙和连接酶的缝合缺口作用。,DNA,复制过程简图,第二节 反转录,概念,以,RNA,为模板，,dNTP,为原料，反转录酶催化，按碱基配对规律合成,DNA,的过程。,反转录酶,又称为依赖,RNA,的,DNA,聚合酶,(RDDP),DNA,转录,RNA,RNA(,病毒,),反转录,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,逆转录酶,引物,4,种,dNTP,逆转录酶,4,种,dNTP,逆转录酶,病毒,RNA,RNA-DNA,杂化分子,cDNA,前病毒,(,双链,DNA),逆转录示意图,反向转录酶存在于,所有致癌,RNA,病毒,中,其功能可能与病毒的恶,性转化作用有关,;,但它也存在于,某些正常细胞,中，在,细胞分化与胚胎发生,中可能起某些作用。,反转录病毒和反转录酶的发现,提出了一个重要的医学问题,病毒致癌及癌基因,反转录的医学意义,反转录的医学意义,癌基因,:,能在体外引起细胞恶性转化,在体内诱发肿瘤的基因,.,细胞癌基因或原癌基因,:,存在于生物正常细胞基因组中的癌基因,.,正常情况下,基因处于静止或低表达的状态,.,当受到致癌刺激,被活化并发生异常,时则可发生细胞癌变,.,病毒癌基因,:,存在于致瘤病毒中的能使靶细胞发生恶性转化的基因,.,抑癌基因,:,是一类抑制细胞过度生长,增殖从而遏制肿瘤形成的基因,.,如,Rb,P53,P16,等,癌基因与抑癌基因之间一般处于动态平衡状态,是一种,反转录病毒,可引起获得性免疫缺陷综合征,(AIDS,艾滋病,).,反转录酶在,基因工程,分子病的,基因治疗,方面也有重要作用,.,人类免疫缺陷病毒,(HIV,),反转录的医学意义,