《遗传信息的传递.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《遗传信息的传递.ppt（107页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第二章 遗传信息的传递,第一节 中心法则,克里克(F.Crick)于1958年提出的阐明遗传信息传递方向的法则，是指遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译的过程。也可以从DNA传递给DNA，即完成DNA的复制过程。这是所有具有细胞结构的生物所遵循的法则。在某些病毒中的RNA自我复制（如烟草花叶病毒等）和在某些病毒中能以RNA为模板逆转录成DNA的过程（某些致癌病毒）是对中心法则的补充。,即遗传信息从DNA传递至RNA，再传递至多肽。DNA同RNA之间遗传信息的传递是双向的，而遗传信息只是单向地从核酸流向蛋白质。,第二节 DNA生物合成,包括：DNA指导
2、下的DNA复制和RNA指导下的反转录两种方式。,一、DNA复制的方式,1.DNA的半保留复制,2.DNA复制属性,原核生物只有一个复制原点；真核生物染色体DNA有多个复制原点；,复制原点（origin ori或 o 复制起点）：指复制开始处DNA分子的特定位置，富含A-T碱基对。,复制子(replicon)：指能进行独立复制的单位。,一个复制子只含一个ori，故原核生物只形成一个复制子；真核生物染色体DNA可形成多个复制子。,真核生物染色体DNA有多个复制起始点，两个起始点之间的DNA片段就是一个复制子。,大肠杆菌的复制起点为oriC，是由245个碱基对组成，这些序列在大多数细菌中是高度保守的
3、，关键序列是三个13bp和四个9bp的重复序列。,四个9bp的重复序列 dnaA结合位点,三个13bp的重复序列,复制子,复制叉(replication fork)复制时双链打开，分开成两股，新链沿着张开的模板生成，复制中形成的这种Y字形的结构称为复制叉或生长点。,单向复制,双向复制,DNA复制起始点和复制叉,双向复制形成两个复制叉或生长点；单向复制只形成一个复制叉或生长点。,复制眼（replication eye）：电子显微镜下观察正在复制的DNA，复制的区域形如一只眼睛。,真核生物的多复制子 多个复制眼,复制的多模式：,单起点、单方向（原核）,多起点、单方向（真核）,多起点、双方向（真核）
4、,DNA复制的体系：1.底物：dNTP(dATP、dGTP、dCTP、dTTP)；2.模板(template)：解开成单链的DNA母链；3.引物(primer)：提供3-OH末端的寡核苷酸；4.聚合酶(polymerase)：依赖DNA的DNA聚合酶，简写为DNA-pol；5.其它的酶和蛋白质因子,二、DNA复制的酶学基础,（1）DNA聚合酶(DNA polymetases)（2）引物酶(peimase)和引发体(primosome)：启动RNA引物链的合成。(3）DNA连接酶（DNA ligase）（4）DNA解螺旋酶(DNA helicase)(5）单链结合蛋白(single-strand
5、 binding protein,SSB)：结合在解开的DNA单链上，防止重新形成双螺旋。(6）拓扑异构酶(topoisomerase):兼具内切酶和连接酶活力，能迅速将DNA超螺旋或双螺旋紧张状态变成松驰状态，便于解链。,DNA聚合酶 催化dNTP聚合到核酸链上的酶。是DNA复制的主要酶。全称叫依赖DNA的DNA聚合酶（DNA dependent DNA polymerase）或DNA指导的DNA聚合酶（DNA-directed DNA polymerase），均缩写为DDDP。,DNA聚合酶催化的反应1.5至3的聚合活性催化四种脱氧核苷三磷酸（dNTP）一个一个地接到DNA链末端3-羟基上
6、，形成3，5-磷酸二酯键，同时脱氧核苷三磷酸脱下焦磷酸。焦磷酸水解放出能量，促进DNA复制反应的进行。(dNMP)n+dNTP(dNMP)n+1+PPi,聚合反应机理：,聚合反应的特点：(1)以单链DNA为模板(2)以dNTP为原料(3)引物提供3-OH(4)聚合方向为53,2.核酸外切酶活性,35外切酶活性：切除错配的核苷酸,53外切酶活性：切除引物 切除突变的片段,？,DNA聚合酶的种类1.原核生物的DNA聚合酶,DNA-pol I:单一肽链的大分子含量最多可被水解成两个片段小片段(N端)：具有53外切酶活性；大片段(C端)：具有聚合活性和35 外切酶活性，也称为Klenow片段，是常用的
7、工具酶。,DNA-pol III:由10种亚基组成的不对称聚合体催化效率最高,大肠杆菌DNA聚合酶中的亚基,亚基 全酶中的亚基数 分子量 2 13200 2 27000 2 10000 2 71000 2 52000 1 35000 1 33000 1 15000 1 12000 4 37000,（连接蛋白）,（滑动钳）,复合物,DNApol和 DNApol 的主要特性和功能比较,1、DNA聚合酶活性：两者都有。条件模板、引物 DNApol主要用于DNA 的修复和RNA引物的替换 DNApol DNA链的延长 聚合方向：53,2、子链DNA延伸方向只能是53：两者都有。,已知的DNA聚合酶只能
8、使链按53方向生长,+,+ppi,3、35 外切核酸酶活性：两者都有。校对功能(proofreading),4、53外切核酸酶活性：只有DNApol具有。DNApol的53外切活性有以下三个特点：必须有5磷酸末端 被除去的核苷酸必须是已经配对的 被除去的可以是脱氧核糖核苷酸，也可以是核糖 核苷酸,2.真核生物的DNA聚合酶DNA-pol 复制中合成引物及其后4-5个寡 聚脱氧核糖核苷酸的合成DNA-pol 没有其他pol时才起作用DNA-pol 催化线粒体DNA的复制DNA-pol 复制中延长前导链（依赖PCNA）DNA-pol 校对、修复和填补缺口,主要功能酶是和。,增殖细胞核抗原（PCNA
9、）,解旋解链酶类解开并理顺DNA双链，维持DNA 处于单链状态。主要有解螺旋酶、DNA拓扑异构酶和单链DNA结合蛋白。,解螺旋酶(helicase):模板对复制的指导作用在于碱基的准确配对，而碱基却埋在双螺旋的内部。只有把DNA解开成单链，它才能起模板作用。解螺旋酶是最早发现的与复制有关的蛋 白质，当时称为rep蛋白。作用是利用ATP供 能，解开DNA双链。,单链DNA结合蛋白(SSB):在大肠杆菌，它是由177个氨基酸残基组成的同四聚体，结合单链DNA的跨度约32个核苷 酸单位。SSB与解开的DNA单链紧密结合，防止 重新形成双链，并免受核酸酶降解。在复制 中维持模板处于单链状态。,DNA拓
10、扑异构酶(topoisomerase):拓扑：是指物体或图像作弹性移位而又保持物体不变的性质。拓扑异构酶：是一类可改变DNA拓扑性质的酶。对DNA分子的作用是既能水解、又能连接磷酸二酯键。松弛DNA超螺旋，有利于DNA解链。,DNA双螺旋本身进一步盘绕称超螺旋。超螺旋有正超螺旋和负超螺旋两种。负超螺旋的存在对于转录和复制都是必要的。正超螺旋：两股以右旋方向缠绕的螺旋，在外力往紧缠的方向捻转时，会产生一个左旋的超螺旋，以解除外力捻转造成的胁变。这样形成的螺旋为正超螺旋。负超螺旋：两股以右旋方向缠绕的螺旋在外力向松缠的方向捻转时，产生一个右旋的超螺旋以解除外力捻转造成的胁迫。这样形成的超螺旋为负超
11、螺旋。,正超螺旋,正超螺旋为双螺旋旋转过度，通过分子整体的左旋来解去过度的螺旋。,正超螺旋（左旋）,分子整体右旋一圈来补双螺旋上的一圈不足。,负超螺旋（右旋）,拓扑异构酶I（topo I）:主要作用是切开DNA双链中的一股，使 DNA解链旋转中不打结，DNA变为松弛 状态再封闭切口。,原核拓扑异构酶作用机制：酶与DNA结合使双链解旋；使一条链切开，但酶与切口的两端结合阻止了螺旋的旋转；酶使另一条链经过缺口，然后再将两断端连接起来；酶从DNA上脱落，两条链复原。,拓扑异构酶II（topo II）:在原核生物又叫旋转酶(gyrase)。能切断DNA双链，使螺旋松弛。在ATP参 与下，松弛的DNA进
12、入负超螺旋，再连接 断端。,引物酶和引发体引物酶(primase):依赖DNA的RNA聚合酶。催化RNA引物的合成。RNA引物：在DNA模板的复制起始部位由引物酶催 化NTP的聚合，形成短片段的RNA，为DNA 聚合提供3-OH末端。,引发体(primosome):是由Dna B、Dna A、Dna C以及其他复制 因子一起形成复合体，再结合引物酶形成 较大的聚合体，结合到模板DNA上。复制开始时，在引发体的下游解开双链，再由引物酶催化引物的合成。,复制相关蛋白质：Dna A、Dna B、Dna C Dna X Dna A：辨认复制起始位点 Dna B：解螺旋酶 Dna C：辅助解螺旋酶使其在
13、起始点上结 合并打开双链。,DNA连接酶（DNA ligase）连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P末端，形成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成完整的链。反应需要ATP。,ATP,所需条件：a、切刻的 3OH 和 5P 相邻 b、切刻各自碱基处于配对状态 c、需要能量：原核（ATP、NAD）真核（ATP）,在复制中的用途：DNA链合成后引物被切除，并被DNA替代。此时DNA链上仍存在缺口，DNA连接酶会催化形成磷酸二酯键，将断裂的缺口连上，形成完整的DNA链。,连接酶连接切口,Mg2+,连接酶,A,T,C,G,P,T,T,P,P,P,A,A,C,C,T,G,A,P,A,C,P,
14、P,P,P,OH,T,G,G,A,T,C,G,P,T,T,P,P,P,A,A,C,C,T,G,A,P,A,C,P,P,P,T,G,G,P,缺口,3,3,5,5,5,5,3,3,模板链,模板链,DNA连接酶在复制、DNA修复、重组、剪接中均起缝合缺口作用。是重要的工具酶之一。,1.DNA复制的起始：就是要解开双链和生成引物。DNA解成单链 由拓扑异构酶松弛超螺旋，解螺旋酶 解开双链，SSB结合到单链上使其稳定。,三、DNA复制过程,引发体（引物酶的作用下）在原点处合成一小段RNA引物（10-60个碱基不等）。引物的合成方向也是53方向，然后由DNA聚合酶合成DNA链。前导链合成一个引物，滞后链断
15、续合成多个引物。,引物合成,2.复制的延长 在DNA聚合酶催化下，以解开的 单链为模板，以四种dNTP为原料，进 行聚合作用。即新进入的 dNTP 与引物 3OH形成磷酸二酯键，由53方向延长子链。,在DNA复制中，DNA新链的合成是沿53的方向进行的。由于DNA分子的两条链是反向平行的，所以分别以两条链为模板的DNA链的复制方式是不同的。一条连续合成，另一条不连续合成。,半不连续复制：,DNA的一条链复制以35DNA母链为模板，DNA链的复制是沿53的方向连续进行的，称为前导链。另一条以53DNA母链为模板，DNA链的复制不能连续进行，称为后随链，后随链的合成方向与前导链相反。,前导链(le
16、ading strand)顺着解链方向生成的子链，其复制是连续进行的，得到一条连续的子链。,后随链(lagging strand)复制方向与解链方向相反，须等解开足够长度的模板链才能继续复制，得到的子链由不连续的片段所组成。,冈崎片段(Okazaki fragment),:k:z:ki:,.ukz:ki:,当双链DNA解链后，前导链与后随链分别被同一个DNA聚合酶的不对称二聚体所合成，为保证二者聚合的方向相同，后随链必须绕成一个突环。,一分子的 DNA pol III.协同合成前导链和后随链,DNA复制的半不连续模型图,3.复制的终止,在细菌环状DNA复制的最后，会遇到起终止作用的特殊的核苷酸
17、序列，这时DNA的复制就终止。如果复制是双向复制，哪个方向的复制叉先遇到终止序列，哪个复制叉就停止复制。,不连续片段的连接,DNA聚合酶,DNA聚合酶,原核细胞DNA的半不连续复制过程,复制叉的移动方向,拓扑异构酶,解螺旋酶,3,5,3,5,复制忠实性的保证,1、复制中的即时校读功能:DNApol的35外切酶活性；2、引物RNA的作用:DNApol只能从引物的3 端延伸DNA；碱基配对协同性导致最初几个碱基错配率高，且不易校正；RNA引物最终被降解而避免错误；3、后随链的不连续合成：因其有利于错配碱基的校正；4、遵守严格的碱基配对规律；,在大肠杆菌DNA的复制中，每聚合10 9到1010个碱基
18、才出现一个错误，至少依赖四种机制：,四、原核生物DNA的复制与调控,控制复制起始的两个基本元件：复制原点和起始子复制原点：能够指导DNA复制起始的整套顺式作用序列。复制起始子：是特异性识别复制原点中一个DNA元件并激活复制起始的一些蛋白质。,为保证一个细胞周期内只发生一次DNA复制，细胞内存在严格的复制调控机制来协调染色体复制和细胞分裂的关系。DNA复制唯一可以受调节的阶段是：起始阶段,1.通过调控复制叉数量来保证细胞分裂与染色体复制之间保持同步。2.通过复制原点与复制调节蛋白相互作用启动复制。3.DNA甲基化及与质膜之间的相互作用影响复制启动。只有经Dam甲基化酶在回文序列GATC中A的N6
19、位上发生甲基化反应后才能启动复制。而半甲基化的oriC（大肠杆菌复制原点）与细胞膜的结合抑制了它与DnaA蛋白的结合。,四个9bp的重复序列 DnaA结合位点,三个13bp的重复序列,若干GATC位点,11 copies in oriC,4.质粒ColE1的复制与复制引物RNA量的调控有关。ColE1质粒DNA的复制，是从一个特定的复制起点（ori）开始，并沿着环DNA分子单向性地进行。控制此种质粒DNA复制启动的两种关键因素RNA1和RNA2两种RNA分子，都是由ColE1 DNA转录产生的。其中RNA2是复制引物前体。RNA2分子在转录起点附近同互补的模板DNA形成一种杂交分子，被RNas
20、e H酶所切割，从而释放出3-OH末端，作为供DNA聚合酶合成DNA的引物。RNA1可以通过同RNA2结合，以阻止其与模板DNA发生杂交作用。,五、真核生物DNA的复制与调控1.真核生物DNA复制特点,存在多复制子复制叉移动速度慢 仅为原核生物的1/20（约50nt/秒）。可能原因是真核生物的DNA与组蛋白构成核小体，对复制叉的前进造成阻碍。人类的复制叉每秒约前进100bp，复制整个基因组需8h.,核小体,真核生物的复制原点在全部染色体完成复制之前，不能开始新的复制。复制终止是通过复制叉的相遇而终止。存在端粒的复制 线形DNA的末端为端粒，是在端粒酶的作用下完成的。端粒酶是一种逆转录酶。,复制
21、子,1）DNA聚合酶DNA聚合酶：缺乏3-5的外切酶活性，其功能是参与RNA引物及其后45个寡聚脱氧核糖核苷酸（initiator DNA,iDNA,起始DNA）的合成。DNA聚合酶：负责DNA链(前导链和冈崎片段)的延伸，该酶需要增殖细胞核抗原（PCNA）来协助。PCNA主要功能类似于原核生物DNA聚合酶的亚基，形成一个环行的钳子，增加DNA聚合酶复制的连续性。,2.真核生物DNA复制蛋白,DNA聚合酶主要负责核DNA的修复。DNA聚合酶相当于DNA聚合酶，负责 RNA引物除去后的缺口填补。DNA聚合酶负责线粒体DNA的复制。2)复制蛋白因子RP-A 是真核生物的DNA单链结合蛋白RP-C
22、滑动钳装配器，相当于原核生物的复合物。此外，在SV40复制中，T抗原是重要的解链酶。,真核生物的DNA聚合酶,（、五种）,位置 核内 核内 核内 核内 线粒体,合成 与引发 修复 合成 合成,修复 复制功能 酶结合 前导链、后随链,35校 NO NO Yes Yes Yes正活性,RNA引物被RNaseH和MF-1核酸酶（5-3外切酶）除去后，DNA聚合酶（相当于原核生物的DNA聚合酶）负责填补缺口，然后由DNA连接酶连接各个冈崎片段。,3）核酸外切酶和连接酶,3.端粒酶,真核生物线性DNA分子中的前导链RNA引物空隙和后随链的最后一个RNA引物空隙无法由DNA聚合酶进行填补，致使线性DNA分
23、子每复制一次，DNA分子将截短一些，所以大多数真核细胞不能无限地分裂下去。在无限增殖的细胞（如生殖细胞、干细胞、癌细胞）中存在DNA末端补齐模式。,原核细胞DNA的半不连续复制过程,复制叉的移动方向,拓扑异构酶,解螺旋酶,3,5,3,5,不连续片段的连接,真核生物染色体 DNA末端补齐模式,(1)端粒DNA(Telomer),TTGGGG(T2G4)序列高度重复的末端,由于真核生物染色体是线性DNA，它的两端叫做端区。端区是由重复的寡核苷酸序列构成的。,不同的生物重复次数不同，如人：重复2000次,（2）端粒酶（Telomerase）,端粒酶逆转录酶a、核蛋白（ribonucleo prote
24、in，RNP）b、含约长150NT的RNA，其中含 15 拷贝的CxAy重复序列，是合成端粒T2G4的模板c、延长的3-T2G4端（一段cDNA）作为5-端DNA合成的模板,不连续片段的连接,染色体末端复制-端粒与端粒酶,1.半保留复制（Semi-conservative replication）2.半不连续复制（Semi-discontinuous repliction）3.DNA解螺旋酶（DNA helicase）及单链结合蛋白（SSB）的存在 4.RNA 引物（RNA priming）5.校正阅读（Proofreading）,相同点：,原核生物和真核生物DNA复制的比较,不同点：,1.复
25、制起点个数不同：原核（单）；真核（多）2.复制子大小不同：酵母和果蝇(平均 40 kb);哺乳动物（平均 100 kb）；原核（1000 kb）3.复制速度不同(原核：900nt/sec；真核：50 nt/sec)4.冈崎片段的大小不同（原核：1000-2000 nt；真核：100-200 nt）5.端粒和端粒酶的存在与否6.DNA聚合酶不同,六、DNA反转录合成,逆转录：以RNA为模板合成DNA（互补DNA,cDNA），这与通常转录过程中遗传信息从DNA到RNA的方向相反，故称为逆转录作用。,逆转录酶：,逆转录过程中cDNA的合成,逆转录病毒的生活周期,RNA,衣壳,被膜,逆转录酶,转录,转译,整合入宿主细胞染色体DNA,进入细胞,丢失被膜,丢失衣壳,逆转录,RNA,RNA,cDNA,衣壳蛋白,被膜蛋白,逆转录酶,逆转录的生物学意义:,扩充了中心法则有助于对病毒致癌机制的了解与真核细胞分裂和胚胎发育有关逆转录酶是分子生物学重要工具酶,
