《幻灯片1顺德第一人民医院科教科课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《幻灯片1顺德第一人民医院科教科课件.ppt（94页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、1,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,基因信息的传递,生物化学教研室,方振伟 副教授,2,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,这就是1958年Crick 提出的中心法则。,DNA,DNA,RNA,蛋白质,复制,转录,翻译,酶,mRNA tRNA rRNA,亲代,子代,RNA,复制,逆转录,?,3,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,问:,1. 亲代是如何把遗传信息传递给子代的？,2. DNA上的遗传信息是如何转录到RNA上的？,3. mRNA上所带信息是如何翻译成蛋白质的？,4,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,第 十 章 DNA的生物合成第十一章 RNA的生物合成第十二章 蛋白质的生物合成第十三章 基因
2、表达调控第十四章 基因重组与基因工程,讲 解 内 容,5,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,DNA的生物合成,1. 复制的基本规律,3. DNA 生物合成的过程,2. DNA复制的酶学和拓扑学变化,4. 逆转录和其他复制方式,5. DNA 损伤和修复,6,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,1. 复制的基本规律,复制？,以亲代DNA为模板合成两个结构完全相同的子代DNA分子的过程。,时间：分裂前期（细胞增殖期）,特点：,1. 半保留性 2. 双向性3. 半不连续性 4. 高保真性,7,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,DNA合成期,8,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,方式：半保留复制(semi-con
3、servative replication)方向：双向复制(bidirectional replication)特点：半不连续复制(semi-discontinuous replication) 高保真性(high fidelity),即：复制的基本规律,9,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,一、半保留复制的实验依据和意义,DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，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。,什么叫半保留
4、复制？,10,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,AGGTACTGCCACTGG,TCCATGACGGTGACC,CCACTGG,GGTGACC,AGGTACTG,TCCATGAC,TCCATGAC,AGGTACTG,AGGTACTGCCACTGG,TCCATGACGGTGACC,AGGTACTGCCACTGG,TCCATGACGGTGACC,+,亲代DNA,复制叉,子代DNA,DNA的半保留复制,11,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,The Replication of DNA in Eschrichia coli . Matthew Meselson Franklin Stahl Procee
5、dings of the National Academy of Sciences of the USA. 1958 , 44: 671-682,有何证据？,美国自然科学研究院学报 1958，44：671682,12,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,1958，Meselson和Stahl 大肠杆菌 15NH4CI为唯一氮源的培养液中生长若干代被15N标记的大肠杆菌转入14NH4CI为唯一氮源的培养液中完成第一代和第二代繁殖时，分离DNA，密度梯度超速离心被15N标记的亲代双链DNA（记作15N/15N）密度大，在下部；14N/14N密度小，在上部；15N/14N在15N/15N和14N/14N
6、之间,DNA的半保留复制实验依据 同位素示踪实验,13,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,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。,半保留复制有何意义？,遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。,14,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,原核生物复制时，DNA从起始点(origin)向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制。,二、双向性,15,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,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),16,幻灯片1顺
7、德第一人民医院科教科,3,原核生物：单复制子复制（复制体 replisome）真核生物：多复制子复制,17,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,在一条双链上可形成许多“复制泡”，解链的叉口处称为复制叉。,DNA的半保留复制,18,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,三、复制的半不连续性,领头链(leading strand),随从链(lagging strand),冈奇片段,（Okazaki fragment）,19,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,2. DNA复制的酶学和拓扑学变化,过程：DNA复制是多种蛋白质和酶参与的复杂过程。,DNA聚合酶引物酶解螺旋酶连接酶拓扑异构酶,20,幻灯片1顺德第一人
8、民医院科教科,两个特点：,DNA 新链生成需引物和模板； 新链的延长只可沿5 3方向进行 。,21,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,二、DNA聚合酶（DNA polymerase）,简称：DNA-pol,又叫,（见下表）,22,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,DNA聚合酶(DNA-pol),这类酶的共同性质:1.以脱氧核苷三磷酸(dNTP)为前体催化合成DNA;2.需要模板，按碱基互补原则合成子链;3.需要引物，不能起始合成新的DNA链;催化dNTP加到生长中的DNA链的3-OH末端;4.催化DNA合成的方向是53,23,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,dNTP,+,DNA pol,复制的化学
9、反应,24,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,指出：DDDP还具有 核酸外切酶活性,作用：催化两个dNTP 生成磷酸二酯键反应：53 的聚合活性,25,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,原核生物的三种DNA聚合酶性质比较表,种 类 Pol ,作 用 修复 （10/秒） 修复（0.5/秒） 复制 （150/秒, 10万 /分）,活 性 2 3,功 能 催化两个dNTP 聚合生成3,5-磷酸二酯键,Mw（ 万） 10.9 12 14 (七种亚基),外 切 35 ,外 切 53 ,分子数/细胞 400 40 20（活性比大20倍）,26,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,DNA pol ：,作用：1. 对
10、复制中的错误进行校读和切除； 2. 填补复制和修复过程中出现的空隙； 3. 试管内合成DNA的常用DDDP。,DNA,大片段：核苷酸聚合,Pol,27,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,DNA-pol (250kD),DNA-pol （109kD）,AP为18个 螺旋区，H和I之间由较大的非螺旋区连接。,28,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,小片段,大片段（Klenow fragment）,53聚合功能，35外切酶活性,53外切酶活性,DNA pol I,29,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,当Pol,核苷酸聚合,53外切活性,协同作用时,称为：“切口平移”（Nicktrandation）修复损
11、伤的DNA。,用于：引物和突变片段的切除,30,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,DNA-pol （120kD）,DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活 它参与DNA损伤的应急状态修复。,31,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,（二）真核生物的DNA聚合酶,DNA-pol ：在线粒体DNA复制中起催化作用。,DNA-pol ：延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。,DNA-pol ：在复制中起校读、修复和填补缺口作用,32,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,三、复制保真性的酶学依据,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。此外还需要酶学机制来保证复制的保真性：,（一）DNA-
12、pol的核酸外切酶活性和及时校读 （二）复制的保真性和碱基选择,具体途径：,33,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,（一）DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读,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不表现活性。,34,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,（二）复制的保真性和碱基选择,DNA聚合酶靠其大分子结构协调非共价（氢键）与共价（磷酸二酯键）键的有序形成。嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型，与相应的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于反式构型。,35,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,1. 遵守严格的碱基配对规律；2. 聚合酶在
13、复制延长时对碱基的选择功能；3. 复制出错时DNA-pol的及时校读功能。,可见： DNA复制的保真性至少要依赖三种机制,36,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,四、复制中的分子解链及DNA 分子拓扑学变化,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。,已知：染色体是由DNA和组蛋白经高度压缩形成的复杂结构。DNA复制时，首先需要把DNA的超螺旋解开。,37,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,（一）解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白,38,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,1.解螺旋酶 (helicase),dnaA、B、C,DnaA、B、C,ATP,作用：利用ATP供
14、能，作用于氢键，使DNA双链解开 成为两条单链.,39,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,2. 引物酶(primase)复制起始时催化生成RNA引物的酶,合成后不与模板分离继续以氢键与模板结合,是一种特殊的RNA聚合酶,该酶以DNA为模板，合成一段RNA引物。复制在该引物上加入dNTP。,40,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,RNA聚合酶,DNA模板,RNA引物,细菌：50100NMP,哺乳类：10个NMP,NTP,Primase（引物酶）,答：因为DDDP不能催化两个游离的dNTP聚合，而DDRP则可。,问：为什么引物不可以是DNA？,41,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,3. 单链DNA结合
15、蛋白（single stranded binding protein，SSB）,作用：防止单链DNA重新形成双链，防止单链DNA被核酸酶水解。,特点：四聚体，DNA跨度32bp,呈协同效应，不 断的结合和解离。,42,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,（二）DNA拓扑异构酶 (DNA topoisomerase),已知：在生物体内，DNA以超螺旋的形式存在。,问：复制时，超螺旋时如何打开的？,拓扑异构酶起着重要的作用,43,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,拓扑：物体或图像作弹性移位而又保持物体不变的性质。 复制时，DNA解链沿中心轴反向旋转，因为复制速度快，旋转也快（100次/秒），易导致DNA
16、出现：打结、缠绕和连环。,拓扑异构酶,DNA松弛酶转环酶解盘绕酶切口闭合酶,已知：有两种拓扑异构酶, ,44,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,拓扑异构酶,不需ATP，切割双链DNA中的一条链，使DNA松弛后, 连接切口。,拓扑异构酶,切割DNA双链，此时不需ATP；由ATP供能后，使DNA分子成负超螺旋再连接切口。,作用机制,超螺旋：DNA双螺旋链再盘绕形成超螺旋。正超螺旋：盘绕方向与DNA双螺旋方向相同为正超螺旋。负超螺旋：.相反者.自然界完整细胞中的DNA都呈负超螺旋。,45,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,46,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,五、DNA连接酶,(DNA ligase),
17、DNA长度（人）：3.210 bp/一个细胞（46条染色体）,9,推算：先以一条DNA为模板，再一条条复制共需5925小时（269 天），但体内DNA合成在细胞分裂周期中只需8小时，原 因在于：1. 多复制子（replicon): 起始点复制叉 人约1万10万个2.连接酶连接DNA片段。,47,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。,作用方式：,48,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用；在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用；也是基因工程的重要
18、工具酶之一。,功能,DDDP 引物或延长中的新链 游离dNTP去PPi (dNMP)n+1,表104 催化生成磷酸二酯键的三种酶的比较,49,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,第三节,DNA生物合成过程,一、原核生物的DNA生物合成,（一）复制的起始,（二）复制的延长,（三）复制的终止,50,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,（一）复制的起始,一、原核生物的DNA生物合成,51,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,参与DNA复制的其他成员,52,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,（一）复制的起始,(一)DNA解成单链,由特定蛋白质识别复制起始位点（ori），在解螺旋酶、TOPO异构酶及单链DNA结合蛋白
19、的共同作用下，DNA解链，解旋，形成复制叉。,倒Y,53,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,E. Coli 基因图,oriC,32,ter,82,54,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,Dna A,Dna B,DNA拓扑异构酶,引物酶,SSB,3,5,3,5,2. 引发体和引物的生成,含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。,解螺旋酶解开双链后引物酶进入形成引发体。,解螺旋酶,Dna C,55,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,3,5,3,5,引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。,引物,引物酶,56,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,引物合成后，由DNA pol
20、（在真核细胞为DNA pol和)催化，按碱基配对原则，将dNTP逐一添加到引物3 末端，形成磷酸二酯键，使新合成的链不断延长。,（二）复制的延长,3AAGACCTATT5,5TTCTGGATAA3,35/62,57,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,OH 3,3,58,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,复 制 过 程 动 画,59,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,大肠杆菌复制起始模型,问：E.Coli的复制速度？,60,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,61,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,3、冈崎片段引物的消除和连接。,62,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制
21、片段在复制的终止点(ter)处汇合。,（三）复制的终止,63,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,复制过程小结,7. RNA酶切除引物；DDDP I填补空隙；8.连接酶连接。,1. DnaA识别复制起始点（82位点）并结合于串连重复顺序区，促使局部解链。,2.DnaB在DnaC协助下结合并沿链方向移动置换出DnaA，形成复制叉。,3. SSB结合于解开的DNA单链。4.形成引发体（DnaB，DnaC，引物酶和局部DNA）。 ATP供能下合成RNA引物。,5. Topo酶解除打结及缠绕，形成利于复制的负超螺旋。6. 延长方向：53。领头链；随从链形成冈奇片段。 直至Termination（32位点）
22、而终止。,64,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,二、真核生物的DNA生物合成,（一）复制的起始,（二）复制的延长,（三）复制的终止,染色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物，去除后留下空隙该如何填补？,自学内容,注意：原核生物 E.Coli 的DNA是环状双链 真核,已知：DDDP 不能催化两个游离的dNTP 聚合）而且DNA单链的母链还易被DNase水解。,生物为线状双链DNA。,65,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,问：线性DNA分子如何避免每复制一 次末端就缩短一次？,5,3,3,66,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,真核生物的端粒和端粒酶,真核生物DNA末端结构是端粒，在端粒酶的作用
23、下形成 。,（TTAGGG）n,(telomere and telomerase),67,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,68,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,端粒酶(telomerase):,a. human telomerase RNA, hTR) b. human telomerase associated protein 1, hTP1 c. human telomerase reverse transcriptase, hTRT,由RNA与蛋白质组成，具逆转录酶活性，以自身RNA为模板合成DNA。,69,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,端粒酶的催化延长作 用,爬行模型,70,幻灯片1
24、顺德第一人民医院科教科,母链延长至一定长度后，端粒酶脱离母链，母链以其3-OH反折，同时起引物和模板的作用,DNA聚合酶完成末端双链的复制,71,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,逆转录和其他复制方式,第四节,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,72,又称为反转录酶，为依赖RNA的DNA聚合酶,以RNA为模板，dNTP为原料，按碱基配对规律合成DNA的过程称之。由逆转录酶催化。,逆转录:,逆转录酶（reverse transcriptase）：,(RNA-dependent DNA polymerase, RDDP),1970年由H.Timin和D.Baltimore分别从RNA病毒中发现。,1.逆
25、转录和逆转录酶,73,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,是多功能酶，有三种酶活性：,功能：,74,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,（HHybrid）,75,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,分子生物学研究可应用逆转录酶，作为获取基因工程目的基因的重要方法之一，此法称为cDNA法。,以mRNA为模板，经逆转录合成的与mRNA碱基序列互补的DNA链。,试管内合成cDNA,cDNA complementary DNA,76,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,二、逆转录研究的意义,逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中的重大发现。 逆转录现象说明：至少在某些生物，RNA同样兼有遗传信息传代与表达功能。对逆
26、转录病毒的研究，拓宽了20世纪初已注意到的病毒致癌理论。,77,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,滚环复制(rolling circle replication),三、滚环复制和D环复制,是某些低等生物的复制形式，如X174和M13噬菌体等。,78,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,滚环复制,79,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,D环复制(D-loop replication),是线粒体DNA (mitochondrial DNA，mtDNA)的复制形式。,80,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,第四章 DNA损伤修复与基因突变,DNA分子一级结构的改变称为DNA损伤(DNA damage)或突变（
27、mutation）。,大多数突变属此类，原因不明,由理化及生物因素诱发,自发突变：,诱发突变：,注意：遗传重组不属突变的范畴。,定义：,类型,81,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,一、基因突变的意义,（一）突变是进化、分化的分子基础,（二）只有基因型改变的突变,（三）致死性的突变,（四）突变是某些疾病的发病基础,同义突变,某些非编码区的突变,DNA多态性：个体间DNA序列的差异,如遗传性疾病，高血压，肿瘤，糖尿病等等。,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,82,UV,二、引发突变的因素,物理因素,紫外线(产生胸腺嘧啶二聚体， ）,83,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,化学因素,烷化剂：(如氮芥类)
28、，使鸟嘌呤的 N7烷基化后 脱落，成为无鸟嘌呤的位点,亚硝酸盐：使碱基氧化脱氨基,CU,AI,GX,碱基类似物,如5-溴尿嘧啶(5-BU)与T类似，但5-BU可与G配对,羟胺类：C被羟胺化后与A配对, A5-BU, G5-BU,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,84,三、突变的类型,1.错配 mismatch（点突变）,DNA链上碱基的置换,HbA 肽链,HbA 基因,HbS 基因,HbS 肽链,85,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,2. 缺失、插入和框移（frame shift）,5. UCACGACAUAUG.3,5.UCAGCGACAUAUG.3,丝,精,组,蛋,丝,丙,苏,酪,5. UC
29、AGACAUAUG.3,丝,天,异亮,插入,缺失,正常,框移突变是最严重的突变！,86,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,3. 重排(rearrangement)与重组(recombination),DNA分子发生较大片段的交换,Hb 基因家族,ABCD,ABCD,ABCD,EFGH,ABGH,EFCD,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,87,四、DNA损伤的修复,1. 光修复,88,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,89,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,UvrA,UvrB,UvrC,是细胞内最重要和有效的修复机制，主要由DNA-pol和连接酶完成。,E.coli的切除修复机制,2.切除修复：3种酶
30、参与完成,90,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,（三）重组修复,91,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,细胞能继续生存，但引起DNA较长期的广泛的突变。,后果：,SOS修复系统：Uvr类，Rec类，DNA pol，LexA等组成调节子（regulon）网络系统。,特点：抑制细胞分裂，允许大量快速的切除修复和重组修复， 允许损伤的DNA作为模板进行复制，对碱基选择性低等。,4. SOS修复：,DNA分子多处受到较大范围的损伤，细胞所作出的一系列反应。,92,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,复习思考题,一、名词解释： 1. 中心法则 2.半保留复制 3.引发体 4.冈奇片段 5.拓扑异构酶 6.逆转录酶,二、问答题,原核生物与真核生物中的DNA聚合酶有哪些种类，它们各自的功能是什么? ,93,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,2.DNA复制的精确性是通过怎样的机制实现的?3. DNA复制时前导链与随从链的合成有哪些不 同？4. DNA拓扑异构酶的作用如何?5. 哪些因素能引起DNA损伤，损伤的哪些类型，生物体是如何修复的?,94,幻灯片1顺德第一人民医院科教科,谢谢！,