核酸的生物合成PPT课件.ppt

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1、1,第九章核酸的生物合成,生物化学,2,遗传的主要物质基础:DNA 遗传信息:DNA分子中碱基或核苷酸的排列顺序 所谓基因:是指携带有遗传信息的DNA或RNA序列 现已证明，体内蛋白质分子合成时其氨基酸的排列顺序最终由DNA分子中的核苷酸顺序所决定。,第一节 概述,3,遗传信息传递的中心法则（重点）,4,复制：遗传信息从亲代传递到子代DNA分子的过程 转录：以DNA分子为模板，在细胞核内合成与其结构相应的RNA分子，将DNA的遗传信息抄录到mRNA分子中。（碱基互补配对原则） 翻译：以mRNA为模板，以三个邻近碱基序列决定一种氨基酸的遗传密码子形式，决定蛋白质合成时氨基酸的序列。,遗传信息通过

2、复制、转录和翻译，最终传递给蛋白质的规律，即被称作中心法则。,5,逆（反向）转录,6,所谓逆转录：是指在逆转录酶的作用下以RNA为模板合成DNA的过程。,如人免疫缺损病毒（HIV）就是一种逆转录病毒，它感染人的T淋巴细胞，导致人体免疫缺陷，引起艾滋病（AIDS）。,7,第二节 DNA的生物合成,8,DNA究竟是如何复制的？换言之，遗传信息从上一代传递到下一代是如何开始的？,J. Watson 和 F. Crick在提出DNA分子双螺旋结构学说时推测过DNA的复制（即DNA复制假说）。,9,DNA复制假说：在DNA复制过程中，双螺旋DNA的两条链相分离，并以每条DNA链为模板，利用细胞中的脱氧核

3、糖核苷酸(dNTP)作为底物，按照碱基互补的原则，分别合成另一条DNA,从而形成结构相同的两个子代DNA双螺旋分子。,思考,我们已经知道的DNA复制现象,10,一、DNA的复制,1.DNA复制是半保留复制,含义：新合成的DNA分子链中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的。,（一）DNA复制的特征,11,为什么是半保留复制？,其它可能的复制方式：全保留式或散布式。,全保留式： 即恢复原来的DNA双螺旋，并产生一个新的子代DNA双螺旋。,散布式： 即复制模板链被分成许多小片段，散布于子代DNA中。,12,1958 Meselson and Stahl,密度梯度实验,实验结果支持半保留复制

4、方式,13,DNA半保留复制的意义,能充分保证DNA代谢稳定性与复制忠实性;经过许多代的复制，DNA分子上的遗传信息仍可准确地传递给后代。,14,2.DNA复制具有特定的起始点,DNA复制是从复制起始位点开始向两个方向进行的双向复制 。,复制叉,15,3.DNA的半不连续复制,DNA分子的两条链反向平行；即一条链是35，另一条链是5 3；而所有已知DNA聚合酶的合成方向都是5 3。,实际DNA复制中，如何实现齐头并进的合成？,16,3,5,3,5,前导链 (leading strand),后随链 (lagging strand),冈崎片段,DNA复制叉,17,前导链: 一条链（ 35）的合成方

5、向和复制叉前进方向相同，可以连续复制合成的新链。,后随链: 另一条链的合成方向与复制叉前进方向相反，不能连续复制，只能分成若干小片段分别合成，然后连接起来形成新链。后随链中的小片段称为冈崎片段。,18,3.DNA的半不连续复制,DNA分子的两条链反向平行；即一条链是35，另一条链是5 3；而所有已知DNA聚合酶的合成方向都是5 3。,实际DNA复制中，如何实现齐头并进的合成？,前导链连续复制而后随链不连续复制，即DNA半不连续复制。,19,（二）参与DNA复制的酶类和复制的条件,1. DNA复制的条件（或复制体系）,底物 dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP) 模板单链的DNA母链

6、 引物寡核苷酸引物（RNA) 其他酶和蛋白质因子 DNA聚合酶（DNA指导的DNA的聚合酶) 引物酶或RNA聚合酶（引发酶） 解螺旋酶 DNA旋转酶（拓扑异构酶） 单链DNA结合蛋白 DNA连接酶,20,2.参与DNA复制的酶类,DNA复制速度甚快，复制高效率和高度忠实性，都是由于许多酶参与了复制过程。,主要有：DNA聚合酶、 引物酶、参与DNA解旋、解链的酶、 单链结合酶、 DNA连接酶,21,1）DNA聚合反应与DNA聚合酶（DNA polymerase),定义：在聚合过程中，能够催化四种dNTP通过与模板链的碱基互补配对，合成新的对应DNA链。,22,以四种脱氧核糖核苷酸为底物,DNA聚

7、合酶的特点,分别是：dATP, dGTP, dCTP, dTTP,DNA聚合酶能够区分rNTP(核糖核苷酸）和dNTP， DNA聚合酶的活性中心对rNTP有空间排斥作用。,23,反应需要接受模板链的指导,反应不能自行从头合成DNA链(),必须有一条RNA链作为引物， 催化此引物3 -OH端与dNTP 5 -PPi作用， 形成3，5-磷酸二酯键，从而逐步延长DNA链。,24,即从5端开始向3端的方向进行,DNA链的合成具有方向性(),25,原核、真核细胞DNA聚合酶的类型和功能,26,2）引物酶,定义：催化RNA引物合成的酶称为引物酶,意义：DNA聚合酶不能自行从头以2个游离的单脱氧核苷酸为起点

8、合成DNA链；因此，首先需要合成一小段多核苷酸作为引物（primer)这段是RNA链片断，主要为DNA链合成提供自由3-OH末端。,27,3）参与DNA解旋、解链的酶及蛋白质因子,解螺旋酶,定义：解开DNA双链间的氢键，使其称为单链的酶，或称解链酶。,特点：需要水解ATP提供能量,28,拓扑异构酶,由于DNA复制前方形成超螺旋结构，阻碍了DNA的解旋、解链；因此，需要不断松弛DNA模板的超螺旋结构。,定义：松弛DNA超螺旋结构的酶，称为拓扑异构酶。分为型和型。,29,DNA拓扑异构酶型通过形成短暂的单链裂解-结合循环，催化DNA复制的拓扑异构状态的变化； 特点：剪切一条链，不需要ATP,30,

9、拓扑异构酶型 通过引起瞬间双链酶桥的断裂，然后打通和再封闭，以改变DNA的拓扑状态。 特点：剪切两条链，需要ATP,31,4）单链结合酶,定义：结合于因DNA双链打开而形成的单股DNA链上的酶，称为单链机结合酶（DNA结合蛋白）。,意义：维持模板链处于单链状态； 保护单股DNA链不被核酸酶水解。,32,5）DNA连接酶,DNA连接酶，即连接两个冈崎片段； 一片段DNA链上脱氧核苷酸的3羟基和相邻另一片段DNA链上脱氧核苷酸的5磷酸基团，形成磷酸二酯键，从而把两个片段的DNA链连接起来。,形成磷酸二酯键,33,34,根据目前的知识，可将DNA复制的过程大体分为三个阶段：起始、延伸和终止。,（三）

10、DNA的复制过程,35,辨认起点,DNA复制有固定的起点（origin, ori)，即复制起点的一段特殊DNA序列。,区别：原核细胞中只有一个复制起点，而真核细胞DNA双链有多个复制起点。,E.coli 复制起始点 oriC,36,E.coli 复制起始点 oriC,富含A、T,37,辨认起点,复制起点的一般特征: 由多个独特的短重复序列组成。 短重复序列能够被酶识别并结合。 一般富含A、T，利于双螺旋DNA解旋，以产生单链DNA复制模板。,38,模板DNA解除高级结构,需要的酶：解螺旋酶、拓扑异构酶和DNA结合蛋白,详细作用过程,39,经松弛DNA超螺旋结构后，解开一段双链，并由DNA结合蛋

11、白保护和稳定DNA单链，形成复制点，又称为复制叉。,40,引物RNA的合成,主要作用：提供了引物3-OH末端,41,为什么需要有RNA引物来引发DNA复制呢?,这可能为尽量减少DNA复制起始处的突变有关。 DNA复制开始处的几个核苷酸最容易出现差错，因此，用RNA引物即使出现差错最后也要被DNA聚合酶切除，提高了DNA复制的准确性。,42,2.复制的延伸,需要的酶：DNA聚合酶（真核细胞为DNA Pol ）,半不连续复制,如何保持前导链与随后链合成的协调一致？,突环,复制的延伸,43,3.复制的终止（完整DNA链的形成）,复制的延伸,复制的终止,1）水解引物及填补空隙 冈崎片段合成后，由DNA

12、 pol(真核细胞可能是DNA聚合酶)水解去除RNA引物，并填补留下的空隙(5 3)聚合。,44,3.复制的终止（完整DNA链的形成）,复制的延伸,复制的终止,2）完整双链DNA分子的形成 填补空隙后，DNA片段与片段之间还有一个缺口(一个3,5-磷酸二酯键的长度), 由DNA连接酶催化连接成完整的链，从而产生完整的双链DNA分子。,45,前导链产生完整的子染色单体。 后随链3端留下缩短的未复制的ssDNA区。,破坏了遗传信息的完整,如何保证染色体的稳定性？,46,小结,包括三个阶段 起始、延伸、终止,起始 复制起点； 解除模板DNA超螺旋及双螺旋； 引物合成；,延伸 冈崎片断、半不连续复制,

13、终止 引物水解，连接DNA片段,观看DNA复制动画,47,DNA复制的精确性（高保真复制）,DNA复制必须具有高度精确性，在大肠杆菌的细胞DNA复制中其错误率约为1/1091/1010，即每1091010个核苷酸才出现一个错误，也就是大肠杆菌染色体DNA复制100010000次才出现一个核苷酸的错误。,这么高的精确性的保证主要与下列因素有关：,48,1、碱基的配对规律：摸板链与新生链之间的碱基配对保证碱基配错几率约为1/1041/105。 2、DNA聚合酶的校对功能，使碱基的错配几率又降低1001000倍。 3、DNA的损伤修复系统。,主要因素：,49,（四）DNA的突变,它是指在各种因素作用

14、下，DNA分子中的碱基或片断发生改变，通过DNA的复制遗传给后代，表现出异常的遗传特征。,DNA的突变形式主要有： 一个或几个碱基对被置换； 插入一个或几个碱基对； 一个或多个碱基对缺失。,50,（五）DNA的损伤与修复,1.DNA的损伤,定义： 生物体受某些理化和生物等外源性因素或机体内环境改变的影响，引起DNA分子结构的任何异常改变称为DNA损伤，从而造成突变。,51,影响因素： 自发突变、化学因素、物理因素或病毒,例如：电离辐射、紫外线、化学诱变剂,常见DNA损伤：碱基丢失、碱基变化、错误的碱基、缺失或插入、嘧啶二聚体、链断裂、链交联,52,2. DNA的修复,光修复:,可见光（400n

15、m）能激活细胞内的光裂合酶，将DNA中因紫外线照射而形成的嘧啶二聚体分解。,T + T,这种修复方式虽然普遍，但主要是低等生物的DNA损伤修复的方式。,53,切除修复：,DNA聚合酶,DNA连接酶,识别损伤部位，并将该处损伤的DNA单链切断,以另一条DNA链为模板,54,第三节 RNA的生物合成,55,RNA的生物合成主要分为转录和自我复制两种形式,以DNA分子为模板合成出RNA分子的过程称为转录。,自我复制：一些RNA病毒以RNA模板合成RNA。,56,一、RNA的转录,首先，认识RNA转录体系,包括： DNA模板 四种核糖核苷酸（NTP） RNA聚合酶 某些蛋白质因子及必要的无机离子,57

16、,（一）RNA转录的特征,以DNA一条链的片断为模板,称为模板链,1.模板,另一条链称为编码链,5 CGCTATAGCGTTT 3 DNA编码链,3 GCGATATCGCAAA 5 DNA模板链,5 CGCUAUAGCGUUU 3 RNA转录物,模板链并非永远在同一条单链上,58,2.参与转录的酶,原核生物只有1种RNA聚合酶 真核生物具有3种不同的RNA聚合酶，RNA聚合酶 、RNA聚合酶 和RNA聚合酶,以大肠杆菌RNA聚合酶为例,59,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),RNA聚合酶是多亚基酶,大肠杆菌RNA聚合酶,亚基能特异性地识别DNA模板链上的起始部

17、位。,60,3.RNA转录的方向,RNA聚合酶通过在RNA的3-羟基端加入核苷酸延长RNA链，以5 到3方向合成RNA。,4.其它特征,RNA聚合酶不需要引物就能直接启动RNA链的延长。 在RNA合成中会形成RNA-DNA杂合双螺旋和转录泡的特殊结构。 RNA聚合酶向前移动时，DNA双螺旋伴有拓扑学的结构变化。,RNA聚合酶和DNA的特殊序列启动子结合后，就能启动RNA合成。,61,E. coli的RNA聚合酶催化的转录过程,62,DNA复制特征和RNA转录特征的比较,63,（二）转录的过程,RNA转录过程可分为起始、延伸、终止三个阶段,1.起始,64,亚基起着识别DNA分子上起始信号的作用,

18、识别启动子,RNA聚合酶结合模板DNA的部位，称为启动子(promoter)。,65,生成封闭型启动子复合物,得到开放型的启动子复合物,亚基被释放脱离核心酶,动画演示转录启动过程.,66, , ,形成闭合启动子复合体,形成开放启动子复合体,RNA聚合酶识别结合启动子,转录开始,启动子清除, ,转 录 延 伸,5,3,3,5,-35 -10 +1,67,另外： 在起始位点的全酶结合第一个三磷酸核苷常是 GTP或ATP。,形成的启动子、全酶和三磷酸核苷复合物称为 三元起始复合物。第一个核苷酸掺入的位置称 为转录起始点。,68,2.延伸,核心酶沿模板移动，并按模板序列选择下一个核苷酸，将核苷酸加到生

19、长的RNA链3-OH端，催化形成磷酸二酯键。,杂交区结合不太牢固，解链后，DNA又恢复双螺旋结构,69,3.终止,在DNA分子上有引起终止转录的特殊碱基序列称为终止子 。,分为依赖因子型和非依赖因子型,以非依赖因子型为例说明,70,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3,RNA,5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT.

20、 3,DNA,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3,茎环/发夹结构,71,（三）转录后的修饰、加工,转录中新合成的RNA往往是前体分子，需要经过进一步的加工修饰，才转变为具有生物学活性的、成熟的RNA分子，这一过程称为转录后修饰、加工。,主要包括剪接、剪切和化学修饰三种加工方式。,结合上方式，以加工mRNA为例进行说明,72,1mRNA的转录后加工,以真核细胞mRNA的加工为例，进行说明,真核细胞的mRNA由RNA前体核内分子量较大而不均一的RNA(称为核内不均一RNA，hnRNA)加工而成。,分为剪接、加“帽”、加多聚腺苷酸的“尾”、修饰,73,剪接,外显子1,内含子,外显子2,74,加“帽”,5末端连接上一个“帽子”结构的m7GpppmNP,75,加多聚腺苷酸的“尾”,3末端连接上一段约有20200个腺苷酸的多聚腺苷酸（poly A）的“尾巴”结构,76,修饰,核糖的2-羟基被甲基化,77,二、RNA的复制,某些病毒，噬菌体的遗传信息贮存在RNA分子中，当它们进入宿主细胞后，靠复制而传代； 它们在RNA指导的RNA聚合酶催化下合成RNA分子，当以RNA模板时，在RNA复制酶作用下，按53方向合成互补的RNA分子 。,RNA复制酶中缺乏校正功能，因此RNA复制时错误率很高,