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1、1,第一篇 生物分子结构与功能,1,第二篇 物质代谢及其调节,2,第三篇 遗传信息的传递,3,生 物 化 学,？,2,复制、转录、翻译讲解方式：,1、基本概念及特点，所需酶及各种因子2、合成过程3、原核生物、真核生物,起始 延长 终止,3,真核基因与基因组,Eukaryote Gene and Genome,4,基因（gene）：编码蛋白质或RNA等具有特定功能产物的、负载遗传信息的基本单位。,基因组（genome）：一个生物体内所有遗传信息的总和。,5,DNA的生物合成 DNA Biosynthesis（Replication）,第 十 四 章,6,DNA修复合成（DNA损伤修复）,DNA指
2、导的DNA合成（DNA复制）,RNA指导的DNA合成（逆转录）,DNA的生物合成,7,亲代DNA,复制,子代DNA,复制(replication)是以DNA为模板的DNA合成，是基因组的复制过程。,8,分子基础：碱基配对规律和DNA双螺旋结构化学本质：酶促的脱氧核苷酸聚合反应复制的保证：各种酶和蛋白质因子的参与,9,DNA复制的基本特征Basic Rules of DNA Replication,第一节,10,复制的基本特征：(3个),半保留复制 双向复制半不连续复制,11,一、半保留复制,DNA生物合成时，亲代双链DNA解开为两股单链，各自作为模板，依据碱基配对规律，合成序列互补的子链DNA
3、。这种复制方式称为半保留复制。,12,半保留复制方式保证遗传信息的忠实传递,13,半保留复制的理论设想,TGGTACTGCCACTGG,ACCATGACGGTGACC,TGGTACTGCCACTGG,ACCATGACGGTGACC,CCACTGG,GGTGACC,TGGTACTG,ACCATGAC,ACCATGAC,TGGTACTG,TGGTACTGCCACTGG,ACCATGACGGTGACC,+,母链DNA,复制过程中打开的复制叉,子代DNA,14,1、遗传的保守性：子代DNA保留了亲代的全部遗传信息。,半保留复制的意义,2、遗传的保守性是相对的，自然界存 在着普遍的变异现象。,15,复制
4、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、双向复制,16,复制起点（origin）：指DNA复制所必需的一段特殊的DNA序列。复制叉（relication fork):正在进行复制的双链DNA分子形成的Y形或叉形区域。复制子（relicion):含有一个复制起点的独立完成复制的功能单位。,双向复制（bidirectional replication),从起点向2个方向延伸,17,(一）原核生物：只有一个复制起始点，一个终止点,18,复制中的模板DNA形成2个延伸方向相反的开链区，称为复制叉。,Fork movement,复制叉,19,（
5、二）真核生物,真核生物多染色体，多起始点，多复制子的复制。复制子(replicon):是含有一个复制起点的独立完成复制的功能单位，是从一个DNA复制起始点起始的DNA复制区域。高等生物有数以万计的复制子，长度差异很大。,原核生物是单复制子复制，称为复制体（replisome）,20,真核生物的多复制子复制,复制进程,21,E.coli 人染色体基因组,4.4106bp 3109bp,1个复制起点和两个复制叉 多个复制起点和多个复制叉,单复制子 多复制子（104105）,42分钟 8小时,1000bp/秒 100bp/秒,22,半不连续复制,前导链（leading strand）:DNA复制时，
6、一条链的合成方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（lagging strand）: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（Okazaki fragments)。,前导链连续复制而后随链不连续复制，即半不连续复制。,23,5,3,解链方向,前导链(leading strand),后随链(lagging strand),前导链 连续复制后随链 不连续复制,DNA复制方向：5 3,三、半不连续性复制,冈崎片段,24,第二节 DNA复制的酶学和拓扑学变化,25,复制的基本化学反应,单链延长
7、的方向,(dNMP)n+dNTP(dNMP)n+1+PPi,26,复制过程参加物质,原料：dNTP(dATP dGTP dCTP dTTP),条件：供能 ATP、Mg2+,模板：DNA,酶,引物:RNA,蛋白质因子,DNA聚合酶引物酶（DnaG）解旋酶（DnaB）连接酶拓扑异构酶,DnaADnaB（解旋酶）DnaCDnaG（引物酶）SSB,27,一、DNA聚合酶（DNA polymerase）,简称：DNA-pol,全称：依赖DNA的DNA聚合酶,(DNA-dependent DNA polymerase),种类：,原核,28,DNA聚合酶活性（作用）（2方面）1、聚合活性：5 3方向，催化四
8、种dNTP一个一个地连接到DNA子链上去。2、核酸外切酶活性（两种情况）3 5外切酶活性，能辨认错配的碱基对，并将其水解。5 3外切酶活性，能切除引物和突变的 DNA片段。,29,（一）原核生物有3种DNA聚合酶,分三型：DNA pol DNA pol DNA pol,相同点：1、53 的聚合活性 2、3 5 核酸外切酶活性,30,原核生物的DNA聚合酶不同点,DNA pol 的比活性远高于DNA pol，是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。,31,小片段（323aa),大片段（604aa)（Klenow fragment）,53聚合酶活性35外切酶活性,53外切酶活性,DNA pol（2
9、0bp),木瓜蛋白酶,32,DNA pol 的作用,1.对复制中的错误进行校对；2.填补复制和修复过程中出现的空隙；3.Klenow fragment是实验室合成DNA 和进行分子生物学研究常用的 工具酶。,33,DNA-pol（120kD）,DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活 它对模板的特异性不高，参与DNA损伤的应 急状态修复（SOS修复）,34,全酶组装至模板，增强核心酶活性,功能：原核生物复制延长中合成前导链和后随链。,DNA-pol,夹稳模板，滑动,核心酶,核心酶,亚基:合成DNA亚基:具有35外切酶活性（校正功能）亚基:组装作用,（、6种亚基）,（含1对-亚基）,35
10、,（二）常见的真核细胞DNA聚合酶有5种,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（）：校读、修复和填补缺口,DNA-pol：起始引发，有引物酶活性。,DNA-pol（）：参与低保真度的复制，应急修复。,35外切酶活性（、）,36,二、复制的保真性,（一）复制遵守严格的碱基配对规律进行（二）复制的保真性依赖正确的碱基选择（三）聚合酶中核酸外切酶活性在复制中辨认 切除错配碱基并加以校正,37,（一）复制的保真性依赖正确的碱基选择,DNA pol 对嘌呤的不同构型表现不同亲和力，因此实现其选择功能。,DNA复制的精确度
11、极高,在细菌中其误差率只有10-810-10,38,（二）核酸外切酶活性在复制中辨认切除错配碱基并加以校正,B：如果碱基配对正确，DNA-pol I 则不表现外切酶活性；只表现聚合酶活性。,DNA-pol I,外切活性,聚合活性,dCTP,A：碱基配对错误，DNA-pol I表现外切酶活性，切除错配碱基；并用其聚合活性掺入正确配对的底物,模板链,新合成链,模板链,新合成链,39,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。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。,三、复制中的解链伴有DNA分子拓扑学变化,40,（
12、一）多种酶参与DNA解链和稳定单链状态,原核生物复制中参与DNA解链的相关蛋白,DnaA(dnaA)辨认复制起始点,DnaC(dnaC)运送并协同DnaB,拓扑异构酶（gyr,）理顺DNA链,单链结合蛋白SSB稳定已解开的单链,解旋酶DnaB(dnaB)解开DNA双链,引物酶DnaG(dnaG)催化RNA引物生成,41,1.解旋酶(helicase)：DnaB,DnaB,DnaA、B、C,ATP,作用：利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开 成为两条单链。,C,B,A,42,2.单链结合蛋白（SSB）,作用:1、防止单链DNA重新形成双链 2、防止单链DNA被核酸酶水解,特点：由177个
13、aa组成的同源四聚体，结合单链 DNA跨度约32bp,不断地结合和解离。,DnaB,单链结合蛋白,43,作用：该酶以DNA为模板，合成一段RNA引物。DNA复制是在该引物3-OH末端加入dNTP。,因为DNA聚合酶不能催化两个游离的dNTP聚合，而引物酶可以催化两个游离的NTP聚合.,3.引物酶(primase),为什么要合成引物?,44,引物酶和RNA聚合酶的异同,1、相同点：催化游离NTP聚合2、不同点：,引物酶,RNA聚合酶,利福平,45,拓扑异构酶对DNA分子的作用是既能切开又能连接磷酸二酯键，使DNA不至于打结，适当时候又把切口封闭，使DNA的拓扑异构体发生改变。,（二）DNA拓扑异
14、构酶(DNA topoisomerase),46,DNA分子是反向平行、右手螺旋的双链结构。每一个螺旋有10个碱基对，螺距为3.4nm。碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T;GC）。疏水作用力和氢键共同维持着DNA双螺旋结构的稳定。,DNA双螺旋结构具有特征性（Watson,Crick,1953）,47,DNA的超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix 或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。,正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同,负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与DN
15、A双螺旋方向相反,48,11个螺旋,超螺旋局部解开后,DNA复制过程中正超螺旋的形成,复制过程中正超螺旋的形成,超螺旋解开前,2,9,49,50,拓扑异构酶,切断DNA双链中一股链，适当时候封闭切口,使DNA变为松弛状态。反应不需ATP。,拓扑异构酶,无ATP时，切断处于正超螺旋的DNA分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。再利用ATP供能，连接断端。,拓扑异构酶的作用,51,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，把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。,四、DNA连接酶(DNA ligase),DNA连接酶的特点:,1、消耗ATP;2、只能连接碱基互补基础上的双链中的单链缺口（不能连接单独存在的DNA或RNA单链）。,52,DNA连接酶的功能,1、在复制中起最后接合缺口的作用；2、在DNA修复、重组中起接合缺口作用；3、基因工程的重要工具酶。,53,复制叉的结构及参与复制的酶与因子,
