本章主要讨论DNA的生物合成即DNA的半保留复制RNA学习教案.pptx

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1、会计学 1本章主要讨论DNA的生物合成即DNA的半保留复制RNA第一页,编辑于星期日:十五点 三十八分。第一节DNA的复制与修复研究DNA复制的目的就是要了解三个问题。第一、子代DNA为什么能够直接地获得新DNA的遗传信息?第二、复制是怎样进行的第三、生物体是怎样对DNA复制进行调控的?一、DNA的半保留复制(P321图19-1P321图19-1)在DNA复制过程中,每个子代分子的一条链来自亲代DNA,另一条则是新合成的,这种复制方式称为半保留复制。实验证明见课本。生物意义:DNA的半保留复制机制可以说明DNA在代谢上的稳定性。第1页/共34页第二页,编辑于星期日:十五点 三十八分。第2页/共

2、34页第三页,编辑于星期日:十五点 三十八分。(一)、反应所需的条件及反应的特点:(1)原料(或底物):四种5三磷酸脱氧核苷(dNTP),缺一不可。(2)模板及辅助因子:DNA模板、Mg2+(或Mn2+)或DNA二条链(一条链为模板,一条链为引物)(3)引物链:具有自由3-OH的RNA或DNA片段(约10个核苷酸)(4)反应:由引物末端3-OH与进入的5三磷酸脱氧核苷的磷酸残基化合,生成酯键(35磷酸二酯键,并脱下焦磷酸)(5)方向:DNA链由53 方向延长(6)能量:来自与之间的高能磷酸键裂解(7)四种dNTP参加反应的先后顺序,由DNA模板决定,受碱基配对支配;而不受四种dNTP相对浓度的

3、影响。(8)产物DNA的性质与模板相同。这说明DNA聚合酶是一种模板指导的酶。第3页/共34页第四页,编辑于星期日:十五点 三十八分。二、参加复制过程的主要酶及作用DNA是由脱氧核糖核苷酸聚合而成,参加聚合反应的酶包括多种DNA聚合酶以及DNA连接酶。(一)大肠杆菌中DNA聚合酶:(含Zn2+)(DDDP)(1)DNA聚合物(又称Kornberg酶)的特殊作用:(是一个多功能酶)去除引物及填补间隙作用:在DNA复制过程中,可将引物 RNA水解下来,并催化合成 DNA片段以填补间隙。DNA聚合酶作用:催化DNA链由53方向延长。校正错误作用:它可将 DNA链的末端接上的错误核苷酸水解下来,然后再

4、催化接上一个正确的核苷酸。即由 3端水解 DNA链,具有 35核酸外切酶的作用。修复损坏及变异作用:即由 5端水解 DNA链,具有 53核酸外切酶作用。(详见后面介绍)由3端使DNA链发生焦磷酸解。催化无机焦磷酸盐与脱氧核糖核苷三磷酸之间的焦磷酸基交换。第4页/共34页第五页,编辑于星期日:十五点 三十八分。(2)DNA聚合酶 特殊作用:目前尚不大清楚,可能在DNA修复中起作用。(3)DNA聚合酶 的特殊作用:主要参与绝大多数新的DNA的合成。DNA聚合酶 M.W.109Kdal单一多肽链,聚合1000个核苷酸/分/分子DNA聚合酶 M.W.120Kdal单一多肽链,聚合2000个核苷酸/分/

5、分子 DNA聚合酶 M.W.180Kdal单一多肽链,聚合50000个核苷酸/分/分子第5页/共34页第六页,编辑于星期日:十五点 三十八分。(二)DNA连接酶及作用:DNA聚合酶能催化DNA片段及链的延长合成,但不能将DNA断片连接起来,这种连接反应是由DNA连接酶来催化的。DNA连接酶不单是DNA复制所必需的,而且也是在DNA损伤修复及基因重组中不可缺少的酶。连接双股DNA中的一股存在的缺口,不能连接单股DNA。第6页/共34页第七页,编辑于星期日:十五点 三十八分。(三)拓扑异构酶:生物体内DNA分子通常处于负超螺旋状态.第7页/共34页第八页,编辑于星期日:十五点 三十八分。拓扑异构酶

6、 的作用第8页/共34页第九页,编辑于星期日:十五点 三十八分。拓扑异构酶 的作用 拓扑异构酶的作用是使DNA的超螺旋的圈数增加或者减少。此作用需要ATP分解提供能量。第9页/共34页第十页,编辑于星期日:十五点 三十八分。(四)DNA解螺旋酶及单链结合蛋白(SSB):第10页/共34页第十一页,编辑于星期日:十五点 三十八分。(五)引发酶(引物合成酶)又称特定的RNA聚合酶根据DNA的顺序合成RNA引物,本质上是RNA聚合酶 RNA 引物(约10个核苷酸的RAN片段)是由引 发酶(引发体)来合成的,合成时不需要引物,其碱基与一般模板DNA配对,合成的方向是53。第11页/共34页第十二页,编

7、辑于星期日:十五点 三十八分。三、DNA的半不连续复制第12页/共34页第十三页,编辑于星期日:十五点 三十八分。DNA解链后,DNA聚合酶即以分开了的两条多核苷酸链为模板进行复制。DNA两条链都能作为模板。以复制叉向前移动的方向为标准,走向为35的模板链上的DNA能以53方向连续合成,直到所需的长度,这条链能连续合成称为前导链,而另一条走向为53的模板链却不能连续合成,称为滞后链。1968年日本学者冈崎等提出了DNA的不连续复制模型,认为需先合成一些约为10002000个核苷酸(真核生物为100200个)DNA片段(称为冈崎片段),其合成方向也是53,但与复制叉移动的方向相反,这些片段合成后

8、可在DNA连接酶作用下拼接起来,直到其长度与前导链相等。DNA这一复制过程称为半不连续合成(Semidis-continous)。第13页/共34页第十四页,编辑于星期日:十五点 三十八分。四、DNA复制的主要过程:(见P342图19-17)1、拓扑异构酶 可引入负超螺旋而造成DNA双链断裂,以便于解螺旋酶的作用。2、解螺旋酶将双股螺旋解开,形成复制岔口(复制叉)。3、单链结合蛋白质(SSB)结合于每股链上,以维持两链处于分开状态。4、引物合成酶催化合成RNA引物。5、DNA聚合酶 催化合成新的DNA的前导链及冈崎片断。6、DNA聚合酶 切除引物,并合成DNA片段以填补空隙。7、DNA连接酶将

9、冈崎片断拼接起来,以完成滞后链的合成。第14页/共34页第十五页,编辑于星期日:十五点 三十八分。五、真核生物DNA的复制:复制条件、酶及因子 等均与原核生物相似。特点1、真核生物 DNA复制的冈崎片断约为 200bp,相当于一个核小体 DNA的长度。(小于原核生物:10002000bp)2、复制速度比原核生物慢,基因组较大,但真核生物染色体 DNA上有许多复制起点,它们可以分段进行复制。细菌的 DNA复制叉移动速度为 5万bp/分;哺乳动物则为 1千3千bp/分。3、真核生物一个复制起点一般发动一次复制过程,快速生长往往采用更多的复制起点。原核生物:一个起点可连续发动复制。4、真核生物在复制

10、子上,由于其染色体是以核小体为结构单位组成,因此在其复制时涉及到亲代 DNA链与组蛋白八聚体的解开和子代 DNA与组蛋白的重新组装。第15页/共34页第十六页,编辑于星期日:十五点 三十八分。六、DNA复制调控(了解):1963年 Jacob等提出复制子模型(即一个复制单位):(P 344)它的一个结构基因能产生一种蛋白质 起始因子(initiator),具有 感受细胞内信号、识别复制基因、促使复制开始等作用。复制子中存在正、负调节系统,调控机制很复杂。第16页/共34页第十七页,编辑于星期日:十五点 三十八分。七、DNA损伤及修复:(一)DNA损伤:指DNA分子的一级结构的任何异常改变,包括

11、异常修饰和顺序改变。可分为自发的损伤和环境因子引起的损伤。1、物理损伤:V辐射、电离辐射。(放射性同位素 粒子、x射线)可使DNA分子中出现:TT(二聚体)防碍复制、转录等。2、化学损伤:主要有亚硝酸、亚硝基胺、甲基化试剂、碱基类似物等改变碱基配对顺序,影响 DNA正常复制。如:亚硝酸(HNO 2)可使A变成I(脱NH 3)C变成U(脱NH 3)第17页/共34页第十八页,编辑于星期日:十五点 三十八分。(二)DNA修复:目前已知细胞内有四种修复系统:光复活;切除修复(复制前修复);重组修复(复制后修复);诱导修复和应急反应(SOS),后三种又称为暗修复。修复工作相继由四种酶催化,分为四步进行

12、:(参见P348,图19-24右半部)切开(特异的核酸内切酶催化):切开二聚体的 5端一侧,切除(核酸外切酶催化):切除含二聚体的片断。修复(DNA聚合酶催化):在敞开的 3-OH上逐个接上正确的脱氧核苷,形成与另一链有互补关系的短链。连接(DNA连接酶):将新合成的正确片段 3-OH与切去缺陷片断后而敞开的 5-P,拼接起来。生物学意义:能使正常机体在内外环境因子高速度变化的条件下,保持遗传信息稳定和复制的准确性。第18页/共34页第十九页,编辑于星期日:十五点 三十八分。第二节RNA的生物合成与加工现已肯定:细胞内所有RNA都是以DNA为模板在胞核中合成,其绝大部分进入胞液中,发挥其指导蛋

13、白质合成的功能,只有小部分留在胞核中起结构及调节作用。RNA:分为三种:mRNA(信使RNA)、tRNA(转运RNA)、rRNA(核糖体RNA)。mRNA:将从DNA转录来的遗传信息传递给蛋白质,作为蛋白质合成的直接模板。一分子mRNA,可表达一个或一组基因。tRNA:将活化了的AA运送到核蛋白体供给合成蛋白质之用。rRNA:组成核蛋白体(核糖体),作为细胞内蛋白质合成场所,细胞内RNA的合成可由DNA指导的RNA聚合酶、RNA指导的RNA聚合酶、多核苷酸磷酸化酶等催化。但转录作用只有在DNA指导的RNA聚合酶的作用下才发生。第19页/共34页第二十页,编辑于星期日:十五点 三十八分。一、DN

14、A指导的RNA聚合酶的作用:(DDRP)第20页/共34页第二十一页,编辑于星期日:十五点 三十八分。(一)反应所需条件及反应特点:1、原料(或底物):四种 5-三磷酸核苷(NTP)缺一不可。2、模板及因子:DNA模板、Mg 2+或Mn 2+,一般双链中只有一条链作为转录的模板链。3、反应进入的核苷酸的5-P与另一核苷酸的3-OH形成磷酸二酯键。4、反应方向:53。5、四种NTP参加的先后顺序:由DNA模板决定,受碱基配对支配,而不受四种 NTP相对浓度影响。第21页/共34页第二十二页,编辑于星期日:十五点 三十八分。(二)与DNA聚合酶的不同之处1、不需要引物;2、作用方式不同;DNA碱基

15、顺序的转录是通过全保留方进行的。3、不具有核酸酶的活性(RNase或DNase的活性)第22页/共34页第二十三页,编辑于星期日:十五点 三十八分。(三)RNA聚合酶的种类和组成:1、大肠杆菌的RNA聚合酶组成:全酶分子量约为 46万;它包括两条 链(2)、一条链()、一条链()、一分子因子(),其中因子的功能是识别模板上特殊起始点,使DDRP结合到 DNA启动子上,故在转录开始后即被释放,剩余 2 部分称为核心酶,催化转录继续进行。2、现真核细胞中有酶(A)、酶(B)、酶(C)都是金属酶。(含Zn 2+、Mg 2+、或.Mn 2+)它们的结构分布部位及功能都不完全相同 酶 分布于核仁中,催化

16、合成核仁的 rRNA(18s、28s、5.8s)酶 在核质中催化合成 mRNA的前体及病毒 RNA酶 在核质中催化合成 5sRNA及tRNA。除了上述细胞核 RNA聚合酶外,还分离到线粒体 RNA聚合酶和叶绿 RNA体聚合酶。其功能详见 P362。第23页/共34页第二十四页,编辑于星期日:十五点 三十八分。二、转录的基本步骤:有四个步骤(有的称三个步骤):见P361图20-2识别:对双链 DNA特定部位的识别。起始:聚合作用即转录的开始。延长:RNA链的延长。终止:聚合作用停止。(一)识别起始:1:识别:原核细胞 RNA聚合酶的因子能辨认 DNA模板链上的起始位点。(该位点被叫作启动基因或启

17、动子)。起始点约由 611个核苷酸构成,且具有一定的排列顺序,RNA聚合酶与起始点结合子前,DNA的两条链必须解开,具体是由于什么因子的作用尚不清楚。总之,识别可能是 RNA聚合酶在一些辅助因素的协作下与 DNAA链上起始点结合的步骤。2:起始:头两个与 DNA链上碱基配对的 NTP依次进行聚合作用形成第一个磷酸二酯键。其中第一个核苷酸 80%以上都是嘌呤,大多是 GTP、(或ATP)。:DNA模板链走向:35RNA的合成方向:53第24页/共34页第二十五页,编辑于星期日:十五点 三十八分。(二)延长:当RNA链合成开始后,因子就脱落下来,可与另一核心酶结合而被重新使用。为了能沿模板移动,全

18、酶必须放松对DNA的结合,这些变化使得:此时RNA聚合酶构象改变:全酶核心酶+因子。参见P361。核心酶可沿DNA链滑行向前,利用NTP为原料,连续合成RNA,不断延长RNA链,延伸时所合成的多核苷酸链并不全保留在模板上,对一条RNA合成链而言,在任何时候只有一个连接点,该点沿DNA链移动,连续转录出相同的RNA产物。当核心酶滑向前时,已被转录的DNA前段分开的部分链又重新并合,形成双螺旋,这一开一合逐步不断进行,直到转录过程结束。第25页/共34页第二十六页,编辑于星期日:十五点 三十八分。(三)终止 在DNA分子上有终止转录的特殊信号(终止子),这些信号一些可被 RNA聚合酶自身识别,另一

19、些则需 因子帮助(终止辅助因子,又称 终止因子)。不依赖于的终止子(简单终止子):现已弄清许多 DNA分子的终止区域,发现在终止点之前有一双重对称的 G与C丰富区,紧接着还有一 A和T多的排列顺序。因此在些区域内转录的 RNA能自身互补(GC)而形成发夹形结构,AT丰富区有一连串的 AAAA,故新生 RNA链终止末端带有多个 U残基(UUUU),很可能在这些结构中一个或多个即是终止信号。依赖于的终止子:在某些终止点有种特殊蛋白质 蛋白(rhoprotein),其分子量为 5.5万,能辩认终止信号,并与酶结合,以阻止核心酶再向前滑动,于是转录作用停止,并释放出产物 RNA、因子、RNA聚合酶。在

20、依赖 因子的终止点处,RNA聚合酶只是在此暂停,但不终止,需 的帮助,才能停止转录。(1)E.Coli中存在两类终止子:不依赖于 的终止子(简单终止子)。依赖于 的终止子。第26页/共34页第二十七页,编辑于星期日:十五点 三十八分。(2)因子具有两种活性:a、终止转录;b、依赖于RNA的核苷三磷酸酶(NTPase)。因此提出了一个终止转录模型。第27页/共34页第二十八页,编辑于星期日:十五点 三十八分。第28页/共34页第二十九页,编辑于星期日:十五点 三十八分。三、转录的不对称性:在转录过程中作为模板的 DNA大多为双链的,实验证明,不管任何一个基因(DNA片断),其DNA双股链中都只有

21、一股被转录,即所谓的不对称转录。究竟 DNA双链的哪一条上带有被转录的信息呢?目前认为没有一定的约束和规定 四、一些名词:(一)启动子(promoter)和转录因子;(二)终止子(terminator)和终止因子;(三)操纵子(operon)详见P367转录过程的调节控制第29页/共34页第三十页,编辑于星期日:十五点 三十八分。五、RNA的转录后加工(RNA的成熟):P369(一)RNA前体的加工处理(修饰作用)主要包括:1、剪切:5或3端的切除2、链的裂解:3、特殊结构的形成:如 mRNA5帽子的形成。4、碱基或糖的修饰:如甲基化。5、拼接:切除内含子,拼接外显子。(二)tTNA前体的加工

22、:1、切除:用核酸内切酶、核酸外切酶切除 5端和3端的附加序列。2、碱基修饰:特异的修饰酶催化。第30页/共34页第三十一页,编辑于星期日:十五点 三十八分。3、加上3-CCA OH 结构,它对于接受氨酰基的活性是必要的,该反应是由 tRNA核苷酰转移酶催化进行,由 CTP和ATP供给胞苷酸和腺苷酸。成熟 tRNA分子较小(MW万万),沉降系数 4s,具有二个功能部位(3-CCA OH 即AA臂;反密码环)。tRNA种类多(50多种),而体内 AA只有20种,故可有几种 tRNA转运同一种 AA称为同功受体 tRNA,如转运苯丙氨酸的二种 tRNA可用tRNA phe 表示。(三)rRNA的前

23、体加工:占细胞内 RNA总量的 80%,由于 rRNA和prot结合存在,核蛋白体在功能上须反复使用,所以代谢比较稳定。,rRNA包括28s、18s、5.8srRNA,在核仁中合成;5srRNA在核质中合成。转录后 rRNA前体的加工过程主要包括:拼接、断裂、甲基化等反应rRNA的功能主要是:组成核蛋白体,为 prot合成的“装配机”。第31页/共34页第三十二页,编辑于星期日:十五点 三十八分。(四)mRNA占细胞总量最少,真核生物的mRNA前体是核不均一RNA(HnRNA),须经复杂的加工过程才能变成成熟mRNA,进入细胞质胞液中作为蛋白质合成模板。第32页/共34页第三十三页,编辑于星期日:十五点 三十八分。hnRNA其加工过程包括:1.5端“帽子”结构的形成;5“-帽子”非翻译顺序 起始顺序(多AUG)密码区”尾巴”。2多聚A尾巴”的形成;3.链内核苷甲基化;4.除去内含子,拼接外显子。第33页/共34页第三十四页,编辑于星期日:十五点 三十八分。

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