第9章 核酸的生物合成.ppt
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1、Chapter 9 Transmission of genetic information第九章 核酸的生物合成第一节 概述Section 1 OverviewDNA通通过过复复制制将将遗遗传传信信息息由由亲亲代代传传递递给给子子代代;通通过过转转录录和和翻翻译译,将将遗遗传传信信息息传传递递给给蛋蛋白白质质分分子子,从从而而决决定定生生物物的的表表现现型型。DNA的的复复制制、转转录和翻译过程就构成了录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则遗传学的中心法则。在在RNA病病毒毒中中,其其遗遗传传信信息息贮贮存存在在RNA分分子子中中。因因此此,在在这这些些生生物物体体中中,遗遗传传信信息息的的流流
2、向向是是RNA通通过过复复制制,将将遗遗传传信信息息由由亲亲代代传传递递给给子子代代,通通过过反反转转录录将将遗遗传传信信息息传传递递给给DNA,再再由由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质。通过转录和翻译传递给蛋白质。RNARNA蛋白质蛋白质DNADNA复制复制 转录转录翻译翻译 复制复制反转录反转录第二节 DNA的生物合成Section 1 Biosynthesis of DNADNADNA生物合成的方式主要包括生物合成的方式主要包括DNADNA复制复制、修复修复及及逆转录逆转录。DNADNA复制复制是指在生物体内以亲代是指在生物体内以亲代DNADNA分子的分子的两条链为模板,合成两个子代两条
3、链为模板,合成两个子代DNADNA分子的过程。分子的过程。逆转录逆转录是指利用是指利用RNARNA为模板。指导为模板。指导DNADNA合成的合成的过程,这是过程,这是RNARNA病毒特有的一种遗传信息传递病毒特有的一种遗传信息传递的特征。的特征。D DN NA A在在复复制制时时,亲亲代代D DN NA A双双螺螺旋旋解解开开成成为为两两条条单单链链,各各自自作作为为模模板板,按按碱碱基基配配对对规规律律,合合成成与与模模板板互互补补的的新新链链。形形成成两两个个子子代代D DN NA A分分子子,每每一一子子代代D DN NA A分分子子中中都都保保留留有有一一条条来来自自亲亲代代的的链链,
4、另另 一一 条条 单单 链链 则则 完完 全全 从从 新新 合合 成成。这这 种种DNADNA的复制方式称为的复制方式称为半保留复制半保留复制。一、半保留复制一、半保留复制复制复制亲代亲代DNA子代子代DNADNADNA半保留复制示意图半保留复制示意图AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母链母链DNA复制过程中形成复制过程中形成的复制叉的复制叉子代子代DNA
5、DNA在复制时,需在特定的位点起始,这是在复制时,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,即一些具有特定核苷酸排列顺序的片段,即复制复制起始点起始点(origin)。DNA 的复制是一个复杂的核苷酸聚合过程,的复制是一个复杂的核苷酸聚合过程,需要多种酶体系、蛋白因子及相关物质的参与。需要多种酶体系、蛋白因子及相关物质的参与。主要有:主要有:底物、模板、引物、底物、模板、引物、DNA聚合酶、引聚合酶、引物酶、物酶、DNA连接酶、拓扑异构酶、解旋酶及连接酶、拓扑异构酶、解旋酶及DNA单链结合蛋白(单链结合蛋白(SSB)。二、参与复制的酶及蛋白因子二、参与复制的酶及蛋白因子以四种三
6、磷酸酸脱氧核苷为底物,即以四种三磷酸酸脱氧核苷为底物,即dATP,dGTP,dCTP,dTTP(dNTP)。(一)底物(一)底物(dNMP)n+dNTP (dNMP)n+1+PPiDNA复制是模板依赖性的,必须要以亲代复制是模板依赖性的,必须要以亲代DNA链作为模板。亲代链作为模板。亲代DNA的两股链解开后,可分的两股链解开后,可分别作为模板进行复制。别作为模板进行复制。(二二)模板模板(template)(template)(三)(三)DNADNA聚合酶聚合酶全称:全称:依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶 活性:活性:1.53 的聚合酶活性的聚合酶活性 2.53 及及35 核酸外切酶活性核
7、酸外切酶活性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 5 3 5 外切酶活性外切酶活性 5 3 外切酶活性外切酶活性?DNADNA聚合酶的活性聚合酶的活性 5 53 3 的聚合酶活性的聚合酶活性在在原原核核生生物物中中,目目前前发发现现的的DNA聚聚合合酶酶有有三三种种,分分别别命命名名为为DNA聚聚合合酶酶(pol),DNA聚聚合合酶酶(pol),DNA聚聚合合酶酶(pol),这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。参与参与DNA复制的主要是复制的主要是pol。DNADN
8、A聚合酶催化反应的特点聚合酶催化反应的特点以单链以单链DNA为模板,为模板,dNTP作为底物;作为底物;严格遵循碱基配对规律;严格遵循碱基配对规律;催化催化dNMP以以3,5-磷酸二酯键相连;磷酸二酯键相连;需要引物来延伸需要引物来延伸DNA链。链。引物酶引物酶(primerase)本质上是一种本质上是一种依赖依赖DNA的的RNA聚合酶,聚合酶,该酶以该酶以DNA为模板,聚合一段为模板,聚合一段RNA短链引物,以提供自由的短链引物,以提供自由的3-OH,使子代使子代DNA链聚合延长。链聚合延长。(四)(四)引物引物酶酶(五)(五)DNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶能够松解能够松解DNA超螺旋结构
9、的酶。超螺旋结构的酶。1010 8 8 局部解链后局部解链后解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA双链中双链中一股一股链,使链,使DNA解链旋转不致打结;适当时候封解链旋转不致打结;适当时候封闭切口,闭切口,DNA变为松弛状态变为松弛状态。反应反应不需不需ATP。拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA分子分子两股两股链,断端通过链,断端通过切口旋转使超螺旋松弛。切口旋转使超螺旋松弛。利用利用ATP供能,连接断端,供能,连接断端,DNA分子进入负超螺旋状态。分子进入负超螺旋状态。DNA拓扑异构酶的作用机制拓扑异构酶的作用机制 解螺旋酶解螺旋酶(helica
10、se),又称解链酶或又称解链酶或rep蛋蛋白,是白,是用于解开用于解开DNA双链的酶蛋白双链的酶蛋白。(六六)解螺旋酶解螺旋酶单链单链DNA结合蛋白(结合蛋白(SSB),),又称螺旋反稳蛋又称螺旋反稳蛋白白(HDP),是一些能够与单链,是一些能够与单链DNA结合的蛋白结合的蛋白质因子。质因子。(七七)单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白SSB的生理作用的生理作用使解开双螺旋后的使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在,即单链能够稳定存在,即稳定单链稳定单链DNA,便于其作为模板复制子代,便于其作为模板复制子代DNA;保护单链保护单链DNA,避免核酸酶的降解。,避免核酸酶的降解。DNA连接酶连接酶
11、(DNA ligase)可催化可催化两段两段DNA片段片段之间之间磷酸二酯键磷酸二酯键的形成,从而的形成,从而把两段相邻的把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链链连接成一条完整的链。(八)(八)DNADNA连接酶连接酶DNA连接酶连接酶ATP(NAD+)ADP+Pi(NMN+AMP)HO53533553DNADNA连接酶的连接作用连接酶的连接作用P DNA复制是一个复杂的过程,可分为三个阶段:复制是一个复杂的过程,可分为三个阶段:起始起始延伸延伸终止终止 三、三、DNA生物合成过程生物合成过程DNA复制过程简图复制过程简图引物酶引物酶(SSB)拓扑异构酶拓扑异构酶复制叉复制叉 由于由于DNA分
12、子的两条链反向平行,而新链的分子的两条链反向平行,而新链的合成总是按合成总是按53方向进行,因此新合成的链中方向进行,因此新合成的链中有一条链延伸的方向与复制叉前进的方向一致,有一条链延伸的方向与复制叉前进的方向一致,能连续合成,称能连续合成,称领头链领头链;而另一条链延伸方向与;而另一条链延伸方向与复制叉前进方向相反,只能分段合成复制叉前进方向相反,只能分段合成DNA短片段短片段再连接,称再连接,称随从链随从链。DNA的合成是的合成是半不连续复制半不连续复制。冈崎片段冈崎片段:DNA复制过程中不连续的复制过程中不连续的DNA片段。片段。复制的终止复制的终止(一)(一)由由 RNARNA酶酶去
13、除引物,去除引物,DNADNA聚合酶聚合酶I I填补缺口填补缺口(二)(二)在在DNADNA连接酶的催化下连接酶的催化下连接冈崎片段连接冈崎片段5 5 5 RNA酶酶OH P5 DNA聚合酶聚合酶dNTP5 5 P5 ATP ADP+Pi5 DNA连接酶连接酶 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四、四、DNA突变与修复突变与修复 DNA突变或基因突变是指突变或基因突变是指由自发的或环由自发的或环境的因素,引起境的因素,引起DNA分子中碱基的改变,也分子中碱基的改变,也称称DNA损伤。损伤。(一)突变的意义(一)突变的意义(一)突变是进化、分化的分子基础(一)突变是进化、分化的
14、分子基础(二)突变导致死亡(二)突变导致死亡(三)突变是某些疾病的发病基础(三)突变是某些疾病的发病基础1.物理因素:物理因素:由紫外线、电离辐射、由紫外线、电离辐射、X射线等。射线等。紫外线引起紫外线引起DNA分子结构中出现分子结构中出现嘧嘧 啶二聚体啶二聚体。2.化学因素:化学因素:主要有烷化剂、苯类、亚硝酸盐和主要有烷化剂、苯类、亚硝酸盐和 抗生素及类似物。抗生素及类似物。3.生物因素:生物因素:病毒和噬菌体的感染,导致基因突病毒和噬菌体的感染,导致基因突 变。变。(二)(二)引起突变的因素引起突变的因素五、逆转录五、逆转录 DNA合合成成的的另另一一种种方方式式是是,在在RNA病病毒毒
15、体体内内,以以RNA为为模模板板合合成成DNA,由由于于遗遗传传信信息息的的流流向向与与转转录录相相反反,故故称称逆逆转转录录,由由逆逆转转录录酶酶催化。催化。第三节 RNA的生物合成(转录)Section 3 RNA Biosynthesis,Section 3 RNA Biosynthesis,TranscriptionTranscription在RNA聚合酶的催化下,以一段DNA链为模板合成RNA,从而将DNA所携带的遗传信息传递给RNA的过程称为转录(transcription)。转录转录RNADNA 原原料料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)。)。模板:模板:单链单链DNA。
16、酶:酶:RNA聚合酶(聚合酶(DDRP,RNA-pol)。)。其他蛋白质因子:其他蛋白质因子:如转录因子、终止因子等。如转录因子、终止因子等。一、参与转录合成的物质一、参与转录合成的物质5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 5编编码链(码链(反义链反义链)模板链(模板链(有意义链有意义链)mRNA5GCAGUACAUGUC 3转录转录NAla Val His Val C蛋白质蛋白质翻译翻译 结构基因的结构基因的单股单股DNADNA链链作为模板,能转录生产作为模板,能转录生产RNARNA的的DNADNA区段,称为结构基因。区段,称为结构基因。(一)转录
17、的模板(一)转录的模板又称为又称为依赖依赖DNA的的RNA聚合酶(聚合酶(DDRP)。该酶在单链该酶在单链DNA模板以及四种核糖核苷酸存在模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下,的条件下,不需要引物不需要引物,即可从,即可从53聚合聚合RNA。(二)(二)RNARNA聚合酶(聚合酶(DDRPDDRP)原核生物中的原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构成,聚合酶全酶由五个亚基构成,即即 2。亚基亚基与与转录起始点的识别转录起始点的识别有关,在转录合成开有关,在转录合成开始后被释放;余下的部分(始后被释放;余下的部分(2)被称为)被称为核核心酶心酶,与与RNA链的聚合链的聚合有关。有关。原核生物的原
18、核生物的RNARNA聚合酶聚合酶核心酶核心酶(core enzyme)全酶全酶(holoenzyme)原核生物原核生物RNARNA聚合酶的核心酶和全酶聚合酶的核心酶和全酶(一)转录起始(一)转录起始 RNA RNA 聚合酶的聚合酶的 因子识别启动子,并以全酶形因子识别启动子,并以全酶形式与启动子结合;式与启动子结合;RNA 聚合酶将聚合酶将DNA双链局部解开,使模板暴双链局部解开,使模板暴露;露;RNA 聚合酶全酶催化两个游离的三磷酸核苷聚合酶全酶催化两个游离的三磷酸核苷形成第一个磷酸二酯键;形成第一个磷酸二酯键;因子从全酶上脱落下来。因子从全酶上脱落下来。二、原核生物的转录过程二、原核生物的
19、转录过程RNARNA聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶在转录起始区的结合 因子从全酶上脱离,余下的核心酶继续沿因子从全酶上脱离,余下的核心酶继续沿DNA链移动,按照碱基互补原则,以链移动,按照碱基互补原则,以53方方向进行延伸,向进行延伸,不断聚合不断聚合RNA。延伸的过程中,延伸的过程中,DNA继续解链,以暴露继续解链,以暴露出模板。出模板。(二)转录延长(二)转录延长RNARNA转录的延长转录的延长RNA转录合成的终止机制有两种:1依赖依赖 因子的转录终止因子的转录终止 2不依赖不依赖 的转录终止的转录终止(三)转录终止(三)转录终止 真真核核生生物物转转录录生生成成的的RNA分分子子
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- 第9章 核酸的生物合成 核酸 生物 合成
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