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1、遗传信息的复制现在学习的是第1页，共67页生命的特征是什么？生命的特征就是“活的”。生命现象最本质的内容就是自复制（自我繁殖和自我组织。一个受精卵为什么变成一朵鲜花或一头大象？生物的性状是由什么决定的？又是怎样代代相传的呢？人也是从受精卵逐渐发育成完整的个体的，而决定一个人将来长成什么样子的生命蓝图就储存在受精卵的DNA中。DNA（或RNA）携带着决定蛋白质结构的遗传信息而且代代相传，这就我们遗传信息的传递（即复制、转录和翻译）要讨论的内容。为什么要讲复制？就是要了解：子代DNA为什么能真实获得亲代DNA的遗传信息；2、复制是怎样进行的？3、生物体是怎样对复制进行调控的？对于前两个问题，wat
2、son-crick当年发表DNA双螺旋结构就进行了探讨。克立克晚年回忆说，当年的设想太简单化了，DNA的两条链不可能象拉链一样拉开，各配上一半就行了。事实上现已知道的复制过程十分复杂，涉及到底物，30多种酶和蛋白质的协同作用。这些内容生化都讲过了，为了适应新的游戏规则，在这里我们将有关内容作一个快速复习。现在学习的是第2页，共67页 储存和传递遗传信息储存和传递遗传信息蛋白质蛋白质核核 酸酸 构成生物体的基本组分，构成生物体的基本组分，执行各种生理功能执行各种生理功能现在学习的是第3页，共67页中心法则中心法则 (The Central Dogma)转转 录录翻翻 译译逆转录逆转录复复 制制现
3、在学习的是第4页，共67页 *DNADNA通过基因表达，决定了蛋白质的结通过基因表达，决定了蛋白质的结 构、功能构、功能*DNADNA通过复制，将基因信息代代相传通过复制，将基因信息代代相传 *RNARNA参与参与DNADNA遗传信息的表达遗传信息的表达 *RNARNA也可作为某些病毒遗传信息的载体也可作为某些病毒遗传信息的载体现在学习的是第5页，共67页 复制复制 (replicationreplication)由由亲代亲代DNADNA合成两个相同合成两个相同 的子代的子代 DNADNA的过程。的过程。复制复制亲代亲代DNA子代子代DNA现在学习的是第6页，共67页本章主要内容：本章主要内容
4、：1 1、复制的特征、复制的特征2 2、参与复制的物质、参与复制的物质3 3、复制的过程、复制的过程4 4、DNADNA损伤与修复损伤与修复5 5、逆转录生成、逆转录生成DNADNA现在学习的是第7页，共67页DNADNA复制的方式复制的方式现在学习的是第8页，共67页一一、复制可能的几种方式复制可能的几种方式 全保留式全保留式 半保留式半保留式 混合式混合式 现在学习的是第9页，共67页二、密度梯度实验二、密度梯度实验 实验结果支持实验结果支持半保留复制半保留复制的设想的设想含重氮含重氮-DN A的细菌的细菌培养于普培养于普通培养液通培养液 第一第一 代代继续培养于继续培养于普通培养液普通培
5、养液第二代第二代梯度离心结果梯度离心结果现在学习的是第10页，共67页(semiconservative replication)当当DNADNA进进行行复复制制时时，双双螺螺旋旋结结构构解解开开成成两两条条单单链链，各各自自作作为为模模板板合合成成与与之之互互补补的的新新链链。在在子子代代DNADNA双双链链中中，一一条条是是来来自自于于亲代，另一条完全重新合成亲代，另一条完全重新合成 。这种复制方式称为这种复制方式称为半保留复制半保留复制 三、半保留复制三、半保留复制现在学习的是第11页，共67页A AG GA AA AC CT TT TT TC CT TT TG GA AA AA AG
6、GA AA AC CT TT TT TC CT TT TG GA AA AT TC CT TT TG GA AA AA AG GA AA AC CT TT T母代母代DNADNA子代子代DNADNA现在学习的是第12页，共67页 按按半半保保留留复复制制方方式式，子子代代DNADNA与与亲亲代代DNA DNA 的的碱碱基基序序列列一一致致，即即子子代代保保留留了了亲亲代的全部遗传信息代的全部遗传信息 ，体现了遗传的，体现了遗传的保守性保守性。四、半保留复制的意义四、半保留复制的意义 遗传的保守性，是物种稳定性的分子基遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但础，但不是绝对的不是绝对的。现在学习的
7、是第13页，共67页DNA复制的酶学现在学习的是第14页，共67页 参与参与 DNA DNA 复制的物质复制的物质 ：底物底物（substratesubstrate):dATP，dGTP，dCTP，dTTP；聚合酶聚合酶 (polymerasepolymerase):依赖依赖DNADNA的的DNADNA聚合酶，聚合酶，简写为简写为 DNA-pol DNA-pol；模板模板 (templatetemplate):解开成单链的解开成单链的DNADNA母链；母链；引物引物 (primerprimer):一小段一小段RNARNA；其他的酶和蛋白质因子其他的酶和蛋白质因子现在学习的是第15页，共67页
8、在研究复制时，将与复制有关的蛋白质在研究复制时，将与复制有关的蛋白质命名为：命名为：Dna A,Dna B,Dna C,Dna XDna A,Dna B,Dna C,Dna X 将相关的基因命名为：将相关的基因命名为：dna A,dna B,dna C,dna Xdna A,dna B,dna C,dna X现在学习的是第16页，共67页一、一、DNA DNA 聚合酶聚合酶（一一）DNADNA聚合酶催化的反应聚合酶催化的反应 1 1、5 5 至至 3 3 的聚合活性的聚合活性 dTTP3(dNMP)n +dNTP (dNMP)n+1+ppi3 A T G C A A T T G C 5|5 T
9、 A C G ppi T 全称：依赖全称：依赖DNADNA的的DNADNA聚合酶聚合酶 （DNA-dependent DNA polymerase,DDDPDNA-dependent DNA polymerase,DDDP）现在学习的是第17页，共67页聚合反应的特点：聚合反应的特点：1 1、聚合反应具有方向性、聚合反应具有方向性:5 5 3 3 2 2、DNA DNA 聚合酶不能催化两个游离聚合酶不能催化两个游离的脱氧核苷酸聚合，只能在一段寡核苷的脱氧核苷酸聚合，只能在一段寡核苷酸的酸的 3 3 -OH OH 逐个添加脱氧核苷酸，使核逐个添加脱氧核苷酸，使核苷酸链不断延长。苷酸链不断延长。现
10、在学习的是第18页，共67页5 A G C T T C A G G A T A 3|3 T C G A A G T C C T A G C G A C 53 3 5 5 外切酶活性外切酶活性 5 5 3 3 外切酶活性外切酶活性?能切除突变的能切除突变的 DNADNA片段片段能辨认错配的碱基对，并将其水解能辨认错配的碱基对，并将其水解2 2、核酸外切酶活性、核酸外切酶活性 现在学习的是第19页，共67页（二二）DNADNA聚合酶的分类聚合酶的分类1 1、原核生物的、原核生物的DNADNA聚合酶：聚合酶：DNA-pol DNA-pol DNA-pol 现在学习的是第20页，共67页 对复制中的错
11、误进行校读，对复制和修对复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空隙进行填补。复中出现的空隙进行填补。DNA-pol 现在学习的是第21页，共67页323323个氨基酸个氨基酸小片段小片段5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性大片段大片段 /Klenow 片段片段 604604个氨基酸个氨基酸 DNA聚合酶活性聚合酶活性 5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性N 端端C 端端木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶现在学习的是第22页，共67页在复制延长过程中在复制延长过程中 真正催化新真正催化新链核苷酸聚合的酶链核苷酸聚合的酶DNA-pol 现在学习的是第23页，共67页2 2、真核生物的、真核生物的DNADNA聚合酶聚
12、合酶DNA -pol 在复制延长中起催化作用在复制延长中起催化作用在没有其他DNA-pol时才发挥催化作用在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用在线粒体线粒体 DNA复制中起催化作用DNA -pol DNA -pol DNA -pol DNA -pol 现在学习的是第24页，共67页（三三）复制的保真性复制的保真性 (fidelity fidelity)DNADNA聚合酶对模板的依赖性，是子链与母链聚合酶对模板的依赖性，是子链与母链能准确配对的保证。能准确配对的保证。复制过程中，复制过程中，DNADNA复制的保真性至少依赖三复制的保真性至少依赖三种机制：种机制：1 1、遵守严格的碱基配对规律
13、、遵守严格的碱基配对规律2 2、聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能、聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能3 3、复制出错时、复制出错时DNA-polDNA-pol的及时校读功能的及时校读功能现在学习的是第25页，共67页二、解二、解 链、链、解解 旋旋 酶酶 类类(一一）解螺旋酶解螺旋酶 （helicase )利用利用 ATP ATP 供能，作用于氢键，供能，作用于氢键，使使DNADNA双链解开成为两条单链。双链解开成为两条单链。(二二)单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白（SSB）SSBSSBDna BDna C解链方向现在学习的是第26页，共67页(三三）DNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶（D
14、NA topoiSOmerase）1010 8 8局部解链后局部解链后现在学习的是第27页，共67页拓扑异构酶作用特点：拓扑异构酶作用特点：既能水解既能水解 、又能连接磷酸二酯键、又能连接磷酸二酯键 解解链链过过程程中中，DNADNA分分子子会会过过度度拧拧紧紧、打打结结、缠缠绕绕、连连环环等等现现象象，均均需需DNADNA拓拓扑扑异异构构酶酶，改改变变DNADNA分分子子构构象象，理理顺顺DNADNA链链，使使复复制制能顺利进行。能顺利进行。分类：分类：拓扑异构酶拓扑异构酶 拓扑异构酶拓扑异构酶现在学习的是第28页，共67页拓扑异拓扑异构酶构酶 切断切断DNADNA双链中双链中一股一股链，链
15、，使使DNADNA解链旋转不致打结；解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，适当时候封闭切口，DNADNA变变为松弛状态为松弛状态（负超螺旋负超螺旋）拓扑异拓扑异构酶构酶 切断切断DNADNA分子分子两股两股链，断端链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛；通过切口旋转使超螺旋松弛；利用利用ATPATP供能，连接断端，供能，连接断端，DNADNA分子进入负超螺旋状态。分子进入负超螺旋状态。*作用机制：作用机制：现在学习的是第29页，共67页三、引物酶和引发体三、引物酶和引发体引物酶引物酶 (primaseprimase )在模板的复制起始部位催化在模板的复制起始部位催化NTP的聚合的聚合,形成短片段的形成
16、短片段的RNARNA。这一小段这一小段RNA作为复制的作为复制的引物引物（primerprimer），提供提供 3 3-OHOH末端，使末端，使DNA-polDNA-pol能够催化能够催化dNTPdNTP聚合。聚合。依赖依赖DNADNA的的RNARNA聚合酶聚合酶 引物酶与其他和复制有关的蛋白质形成的引物酶与其他和复制有关的蛋白质形成的复合物。复合物。引发体引发体（primosomeprimosome）现在学习的是第30页，共67页四、四、DNADNA连接酶连接酶 (DNA ligaseDNA ligase )连连接接DNADNA链链 3 3-OHOH末末端端和和相相邻邻DNADNA链链5 5
17、-P P末末端端，使使二二者者生生成成磷磷酸酸酯酯键键 ，从从而而把把两两段段相相邻邻的的DNADNA链连接成完整的链。链连接成完整的链。ATP DNA DNA连接酶在连接酶在DNADNA修复、重组、剪接中也起连修复、重组、剪接中也起连接缺口的作用。接缺口的作用。OH POH P现在学习的是第31页，共67页 DNA生物合成过程现在学习的是第32页，共67页G1G2SM 哺乳动物的细胞周期哺乳动物的细胞周期DNA合成合成(synthesis)期期人人为为分分成：成：起始、延长、终止三个阶段起始、延长、终止三个阶段现在学习的是第33页，共67页一、复制的起始一、复制的起始需要解决两个问题：需要解
18、决两个问题：1 1、DNADNA解开成单链，提供模板解开成单链，提供模板2 2、生成引物，提供、生成引物，提供 3 3-OH 末端末端现在学习的是第34页，共67页 相关的几个概念：相关的几个概念：1 1、复制起始点、复制起始点（E E.coli-oriC.coli-oriC）GATTNTTTATTT GATCTNTTNTATT GATCCTTATTAG 1 13 17 29 32 44 1 13 17 29 32 44 TGTGGATTA-TTATTACACA-TTTGGATAA-TTATCCACA58 66 166 174 201 209 237 24558 66 166 174 201
19、209 237 245串联重复序列串联重复序列反向重复序列反向重复序列5 3 5 3 现在学习的是第35页，共67页 复复制制时时DNADNA双双链链解解开开分分成成二二股股单单链链新新链链沿沿着着张张开开的的二二股股单单链链生生成成，复复制制中中形形成成的的这这种种 Y Y 字字形形的结构称为的结构称为复制叉复制叉2 2、复制叉、复制叉（replication forkreplication fork）3 5 5 3 新链新链3 5 3 5 亲代亲代DNADNA复制方向复制方向现在学习的是第36页，共67页 原原核核生生物物例例如如E.coliE.coli，是是从从固固定定的的复复制制起起始
20、始点点开开始始 ，同同时时向向两两个个方方向向进进行行复复制制 称为称为双向复制双向复制（bidirectional replication）3 3、双向复制双向复制现在学习的是第37页，共67页DnaADnaA蛋白辨认起始点蛋白辨认起始点,形形成起始复合物成起始复合物DnaBDnaB蛋白解螺旋蛋白解螺旋DnaCDnaC蛋白协助蛋白协助DnaBDnaB 在多种蛋白质参与在多种蛋白质参与下，下，DNADNA解开成单链解开成单链HUHU蛋白促进起始蛋白促进起始SSBSSB维持单链稳定维持单链稳定现在学习的是第38页，共67页引物合成引物合成Dna ADna B、Dna CDNA拓扑异构酶拓扑异构酶
21、引物酶引物酶OHSSB3 5 3 5 现在学习的是第39页，共67页 真真核核生生物物的的染染色色体体庞庞大大、复复杂杂，有有多多个个复复制起始点制起始点，同时进行多个，同时进行多个DNADNA片段的复制。片段的复制。两个起始点之间的两个起始点之间的DNADNA片段，称为一个片段，称为一个复复制子制子（repliconreplicon）。真核生物也是双向复制。真核生物也是双向复制。现在学习的是第40页，共67页二二 、复制的延长、复制的延长现在学习的是第41页，共67页 DNA DNA聚合酶催化游离的脱氧核苷酸结合到聚合酶催化游离的脱氧核苷酸结合到新链新链3 3 末端，使其不断延长。末端，使其
22、不断延长。5 5 3 35 5DNA-polDNA-pol DNA-polDNA-pol（一一）复制延长的过程复制延长的过程dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTP现在学习的是第42页，共67页领头链领头链 (leading strandleading strand)顺着解链方向生成的子链，其复制是连续顺着解链方向生成的子链，其复制是连续进行的，所得到一条连续片段的子链。进行的，所得到一条连续片段的子链。5 53 33 3 5 5 3 3 5 5 解链方向解链方向 （二二）复制的复制的 半不连续性半不连续性现在学习的是第43页，共67页3 3 5 5 3 3 5 5 解
23、链方向解链方向 复制方向与解链方向相反，须等待解开足复制方向与解链方向相反，须等待解开足够长度的模板链才能继续复制够长度的模板链才能继续复制 ，所得到一条由，所得到一条由不连续片段组成的子链不连续片段组成的子链 。随从链随从链(lagging strandlagging strand)冈崎片段冈崎片段（Okazaki fragment Okazaki fragment）3 35 53 33 35 5现在学习的是第44页，共67页三三 、复制的终止、复制的终止现在学习的是第45页，共67页原核生物的复制终止原核生物的复制终止 1 1，多为环状多为环状DNADNA分子，双向复制的复制片分子，双向复
24、制的复制片段在复制的终止点段在复制的终止点（ter）处汇合。处汇合。现在学习的是第46页，共67页555RNARNA酶酶OHP5DNADNA聚合酶聚合酶dNTP55PATPADP+Pi55DNADNA连接酶连接酶2 2，随从链上不连续性片段的连接随从链上不连续性片段的连接现在学习的是第47页，共67页真核生物的复制终止真核生物的复制终止1 1，染色体，染色体DNADNA呈线状，复制在末端停止呈线状，复制在末端停止5555水解、聚合、连接水解、聚合、连接55552 2，连接不连续片段，连接不连续片段现在学习的是第48页，共67页端粒端粒（telomere）真核生物染色体线性真核生物染色体线性DN
25、ADNA分子末端的结构分子末端的结构1 1、结构特点：、结构特点：1 1）由末端单链由末端单链DNADNA序列和蛋白质构成序列和蛋白质构成 2 2）末端末端DNADNA序列是多次重复的富含序列是多次重复的富含G G、C C碱基的短序列。碱基的短序列。2 2、功能、功能 1 1）维持染色体的稳定性维持染色体的稳定性2 2）维持维持DNADNA复制的完整性复制的完整性TTTTGGGGTTTTGGGG现在学习的是第49页，共67页端粒酶端粒酶（telomerase）1 1 一种一种RNA-RNA-蛋白质的复合物蛋白质的复合物 2 2 一种特殊的逆转录酶一种特殊的逆转录酶,能依赖自身能依赖自身的的RN
26、ARNA为模板逆转录合成端粒为模板逆转录合成端粒DNADNA 特点：特点：功能：功能：复制终止时，染色体线性复制终止时，染色体线性DNADNA末端确末端确有可能缩短，但通过端粒酶的作用，可以有可能缩短，但通过端粒酶的作用，可以补偿这种由除去引物引起的末端缩短。补偿这种由除去引物引起的末端缩短。现在学习的是第50页，共67页 四、其他复制方式四、其他复制方式 现在学习的是第51页，共67页滚环复制滚环复制rolling circle replication现在学习的是第52页，共67页DNA损伤与修复现在学习的是第53页，共67页 遗传物质的结构改变而引起的遗传遗传物质的结构改变而引起的遗传 信
27、息改变，均可称为信息改变，均可称为突变突变 mutationmutation）在复制过程中发生的在复制过程中发生的DNADNA突变称为突变称为DNADNA损伤损伤（DNA damageDNA damage）从分子水平来看，突变就是从分子水平来看，突变就是DNADNA分分子上碱基的改变。子上碱基的改变。现在学习的是第54页，共67页一一 、突变的意义、突变的意义（一一）突变是进化、分化的分子基础突变是进化、分化的分子基础 自发突变/自然突变 （二二）突变导致基因型改变突变导致基因型改变 没有可察觉的表型改变 个体之间基因型的差别称为多态性多态性（polymophismpolymophism）（三
28、三）突变导致死亡突变导致死亡（四四）突变是某些疾病的发病基础突变是某些疾病的发病基础现在学习的是第55页，共67页二二 、引发突变的因素、引发突变的因素物理因素：物理因素：紫外线、各种辐射紫外线、各种辐射现在学习的是第56页，共67页化学因素：化学因素：常见的化学诱变剂常见的化学诱变剂化合物类别化合物类别 作作 用用 点点分子改变分子改变碱基类似物碱基类似物如：如：5-5-BUBUA A 5-5-BU BU G G-A-A-T-T-G-G-C-C-羟胺类羟胺类（NH2OH）T T C C-T-T-A-A-C-C-G-G-亚硝酸盐亚硝酸盐（NO2 2）C C U U-G-G-C-C-A-A-T-
29、T-烷化剂烷化剂 如：如：氮芥类，氮芥类，NitrominsNitrominsG G m mG GDNADNA缺失缺失G G现在学习的是第57页，共67页三、突变的类型三、突变的类型（一一）点突变点突变（point mutationpoint mutation）指指DNADNA分子上一个碱基的变异分子上一个碱基的变异 发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。呤，或嘧啶代替另一嘧啶。1、转换、转换发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。嘧啶变嘌呤。2、颠换、颠换现在学习的是第58页，共67页正常成人正
30、常成人Hb(HbA)Hb(HbA)N N pro pro gluglu glu glu C C镰形红细贫血病人镰形红细贫血病人Hb(HbS)Hb(HbS)N N pro pro valval glu glu C CC T CGAGCA ACGTG现在学习的是第59页，共67页（二二）缺失缺失（deletiondeletion）、插入插入 (insertion insertion)缺失缺失：一个碱基或一段核苷酸链从一个碱基或一段核苷酸链从 DNADNA大分子上消失。大分子上消失。插入插入：原来没有的一个碱基或一段核原来没有的一个碱基或一段核 苷酸链插入到苷酸链插入到DNADNA大分子中间。大分子
31、中间。现在学习的是第60页，共67页谷谷 酪酪 蛋蛋 丝丝5 5 G G C C A A G U AG U A C A UC A U G U CG U C 丙丙 缬缬 组组 缬缬正常正常5 5 G A GG A G U A GU A G A U CA U C U C U C 缺失缺失C C插入和缺失引起的突变称为插入和缺失引起的突变称为框移突变框移突变 (frame-shift mutation frame-shift mutation)现在学习的是第61页，共67页（三三）重排重排（rearrangementrearrangement）DNADNA分子内发生较大片断的交分子内发生较大片断的交
32、 换，也称为重组。换，也称为重组。现在学习的是第62页，共67页四、四、DNA DNA 损伤的修复损伤的修复修复修复（DNA DNA repairingrepairing 是针对已发生了的缺陷而进行的补是针对已发生了的缺陷而进行的补救机制救机制 主要有光修复主要有光修复、切除修复切除修复、重组重组修复和修复和SOSSOS修复等。修复等。现在学习的是第63页，共67页（一一）光修复（光修复（light repairing light repairing）现在学习的是第64页，共67页UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶OHP （二二）切除修复切除修复 是细胞内最重要是细胞内最重要的修复机制
33、的修复机制 ，主要由，主要由DNADNA聚合酶聚合酶和和 连接连接酶完成。酶完成。（excission repairing excission repairing）DNA连接酶ATPATP E.coli的切除修复机制现在学习的是第65页，共67页（四四）SOSSOS修复修复 当当DNADNA损伤广泛难以继续复制时，由此而损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出一系列复杂的反应。诱发出一系列复杂的反应。各种与修复有关的基因，组成一个称为各种与修复有关的基因，组成一个称为调调节子节子（regulon regulon）的网络式调控系统。的网络式调控系统。这种修复特异性低这种修复特异性低 ，对碱基的识别、选择能，对碱基的识别、选择能力差。即使修复后复制能继续，力差。即使修复后复制能继续，DNADNA 保留的保留的错误错误较多较多,会引起较广泛、长期的突变。会引起较广泛、长期的突变。现在学习的是第66页，共67页现在学习的是第67页，共67页