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1、第四章 细胞核 nucleus,第一节 核被膜第二节 染色质和染色体第三节 核仁第四节 遗传物质的复制第五节 遗传信息的表达,细胞、个体乃至物种的遗传特性要在代代相传中得到维持，有赖于遗传物质完整、准确的复制并分配至子代细胞。,DNA复制 replication：由一个亲代双螺旋产生两个子代双螺旋的过程（3.2 109 核苷酸对）艰巨任务：在子代细胞诞生前迅速而精确 地完成这一过程（约8小时）8小时内写满1000册书！奇迹是怎样创造的？,第四节 遗传物质的复制replication of the genomic materials 一、DNA 复制过程及其特征二、DNA 复制的有关酶类和蛋白质
2、,一、DNA 复制过程及其特征半保留复制复制从复制起始点开始复制叉、双向复制和复制泡复制叉的不对称性：前导链、后随链和冈崎片段校读纠错机制整个染色体的复制,复制过程 DNA复制从复制起始点开始,在起始蛋白为首的一个多酶复合体的作用下，双链解开，形成两个方向相反的复制叉。在复制叉上，DNA聚合酶分别以DNA双链中的一条为模板，4种三磷酸脱氧核苷酸为原料，合成两条新的DNA链。随着复制叉向相反两个方向推进，就形成复制泡。复制泡在各个复制起始点发生并增大，使DNA分子得到完整复制。,DNA复制:由一个亲代DNA双螺旋产生两个子代双螺旋的程。,1.半保留复制（semi-conservative rep
3、lication）,C,G,T,A,G,C,A,T,C,G,G,C,以一条DNA链作为模板（旧链）复制新链，复制后的双螺旋含一条旧链和一条新链。,1.半保留复制,母链,复制,复制,复制后的DNA分子，各含有1条原来的旧链和1条新链，两个新合成的双螺旋都是原来双螺旋的精确复制品，这称为半保留复制。,复制,2.复制从复制起始点 replication origins 开始,复制起始点：特殊的DNA序列能被起始蛋白识别并结合通常为富含A、T的重复序列在细菌只有一个，在真核细胞有多个,复制的起始与双链解旋：大量特异蛋白和酶参与,复制从复制起始点开始向两个方向推进。（细菌环状DNA分子）,在真核细胞的染
4、色体上，复制叉由多处复制起始位点向两个方向移动,3.复制叉、双向复制和复制泡(replication forks,two-direction replication&replication bubbles),复制叉:已经打开的2条单链与未解开的双链间形成Y形。,复制从复制起始点开始向两个方向推进，形成两个反向的复制叉。,在真核细胞的染色体上，复制叉由多处复制起始位点向两个方向移动,复制叉 replication fork,DNA的合成,4.复制叉的不对称性 asymmetry of replication folk：前导链、后随链和冈崎片段,问题：一条新链:53方向合成另一条新链如何合成？,提
5、示：1.DNA聚合酶只能催化单核苷酸53方向加入2.53连续合成将使链延长与复制叉推进相反,?,间断合成的新链后随链,RNA引物,冈崎片段,连接,切除RNA引物,新DNA延伸,RNA引物的生成,旧链,新链,在后随链合成中，由DNA聚合酶在RNA引物的3-OH上合成一段多核苷酸链，此DNA片段加上RNA引物构成冈崎片段。,冈崎片段（Okazaki fragments）,DNA 聚合酶I,53切除RNA引物53填充脱氧核苷酸,DNA连接酶：连接两个DNA片段,冈崎片段连接:,卡通,3,3,5,5,复制叉推进方向,复制起始点,模板链,复制起始点,DNA的双向复制示意图,复制叉推进方向,复制叉内部结构
6、是不对称的：一条链不间断地合成，并率先发生，因而叫 作前导链另一条链间断合成，由冈崎片段连接而成，并滞后发生，因而叫作后随链。(后随链合成滞后的原因）后随链中核苷酸聚合的方向与链延伸的方向 是相反的，而链延伸的方向与复制叉推进的 方向是一致的。图示,复制的主要步骤在复制起始点打开双链合成一段RNA引物前导链合成（DNA链在RNA引物后开始合成）后随链合成(冈崎片段在引物后开始合成）,卡通 2,复制过程中DNA多聚酶的校读纠错作用一、在新的核苷酸中碱基刚刚与对应碱基结合、尚未与新链末端共价联结的时候，多聚酶就对配对进行校对。碱基配对错误则使DNA合成暂停。二、“核酸外切校读”。如果联结在RNA引
7、物3OH末端的是错配核苷酸，该酶切除错配者，直至正确配对的核苷酸作为引物的3末端才开始DNA合成。,6整个染色体的复制,多个复制泡不断发生，各个区段复制顺序先后固定.端粒酶保证真核染色体末端的完整复制.DNA新链合成完毕后立即就有组蛋白与之装配，新的核小体形成.,快速分裂的核中提取的 DNA 电镜照片,复制泡,return,多个复制泡不断发生，各个区段复制顺序先后固定,端粒酶保证真核染色体（后随链）末端的完整复制,卡通,组蛋白加入，形成新的核小体,二、DNA 复制的有关酶类和蛋白质 一系列酶和其他蛋白质组成复合体，作为一个整体沿DNA分子移动，协调两条链上的合成过程。奇迹的创造者,参加大肠杆菌
8、DNA复制的蛋白质及其功能 蛋 白 质 功 能DnaA蛋白(起始因子)识别起始顺序在复制起始点打开双链 DnaB蛋白(解旋酶)松解DNA双螺旋DnaC蛋白 辅助解旋酶结合到起始点DNA 拓扑异构酶I和II 解除DNA超螺旋并防止链缠绕DnaG 蛋白(引物酶)合成RNA引物(前导链上一个,后随链上多 个引物)SSB蛋白(单链结合蛋白)结合至单链DNA维持其单链状态滑动钳夹 帮助DNA聚合酶稳定结合于模板链上DNA聚合酶III 1.延长新链(5 3聚合酶活性:以DNA为模板,在RNA引物3-OH加上dNTP)2.错配校读(3 5外切酶活性:切除错配dNTP)DNA聚合酶I 在岗崎片段之间除去引物并
9、填补空隙,错 配校读DNA连接酶 连接岗崎片段3-OH与5-P,第四章 细胞核nucleus,第一节 核被膜第二节 染色质和染色体第三节 核仁第四节 遗传物质的复制第五节 遗传信息的表达,一个人的两种细胞：源于同一个细胞(同一个受精卵)，携带完全相同的遗传信息却有着截然不同的形态和功能。怎么会这样呢？,第五节 遗传信息的表达Expression of the genomic information 一、基因的转录 transcription 从DNA到RNA 二、基因的翻译 translation 从RNA到蛋白质,中心法则The central principle 细胞内的基因先将它的遗传信
10、息转录在mRNA上，再经过翻译，将特定的遗传信息翻译为特定的蛋白质。,一、基因的转录从DNA到RNA(同样的语言)（一）转录过程（二）有意义链和反意义链（三）真核RNA的转录后加工,Comparison of DNA and RNAFeature DNA RNASugar deoxyribose ribose Base pairing A-T/G-C A-U/G-CStructure double helix single single stranded structures,rRNA和tRNA能发生分子内的碱基配对，易于折叠成三维结构，从而发挥结构分子的作用,DNA双螺旋结构,在RNA合成酶
11、系作用下，以DNA的一条链上的一段序列为模板，按照碱基配对原则，以4种三磷酸核苷酸为原料，合成一个与模板序列互补的RNA分子。转录产物主要有mRNA、rRNA和tRNA。,（一）转录过程,转录产生与一条DNA链互补的RNA链,（一）转录过程,启动子和终止子：特殊的DNA序列，对RNA聚合酶发出的信号。,由RNA聚合酶转录,RNA聚合酶：催化这一合成反应，所以又叫转录酶。作用是解开DNA双链，以其中的反基因链为模板，将4种三磷酸核苷酸聚合成与模板互补的RNA链。,RNA聚合酶催化的细菌基因的转录:聚合酶遇到启动子序列就与之结合,打开双链开始转录,直至遇到终止子.卡通,三种转录物：,信使RNA(m
12、RNA)传递遗传信息核糖体RNA(rRNA)作为结构分子和酶组分转运RNA(tRNA)作为结构分子,基因链（gene strand）:基因遗传信息所在的DNA单链。反基因链（antigene strand）:与基因链互补的那条DNA 单链。mRNA 链：序列与基因链相同（T=U）,(二)有意义链和反意义链 sense/antisense strands,基因链或有意义链,反基因链或反意义链,细菌基因与真核生物基因的比较,(三)、真核细胞RNA的转录和加工Transcription and processing,细胞内产生的RNA的种类RNA种类 功 能mRNA 编码蛋白质rRNA 形成核糖体的
13、一部分并参与蛋白质的合成tRNA 蛋白质合成中作为mRNA与氨基酸之间的连接物小RNA 用于未成熟mRNA的拼接、蛋白质向内质网的转运 以及其他细胞过程,mRNA(真核加工)rRNA(真核、原核均加工)tRNA(真核、原核均加工),(三)、真核细胞RNA的转录和加工,真核生物,原核生物,原核生物和真核生物的转录、翻译过程,细胞核,转录,转录,翻译,翻译,mRNA的加工 作用1.加帽(capping)增加稳定性5-三磷酸-7-甲基鸟苷2.加尾(tailing)稳定性和转运有关3-Poly A 序列3.拼接（splicing）切除内含子并联结外显子4.RNA 编辑（editing）扩充遗传信息？,
14、原初转录产物,成熟mRNA,帽子,附加位点,多聚A尾,加尾信号,tRNA加工,剪接碱基修饰,二、基因的翻译从RNA到蛋白质(不同的语言)(发生在细胞核内吗?)（一）密码（二）翻译过程（三）翻译的场所-核糖体 3种RNA在此紧密合作,遗传信息的翻译是指以新生的mRNA为模板，把核苷酸三联子遗传密码翻译成氨基酸序列，合成多肽的过程，是基因表达的最终目的。蛋白质的生物合成发生在核糖体上，三种成熟的RNA分子从核进入胞质后在此各自发挥重要作用。mRNA 编码蛋白质rRNA 形成核糖体的骨架并参与蛋白质的合成(核酶)tRNA 蛋白质合成中作为mRNA与氨基酸之间的连接物,从基因到蛋白质的步骤,比较DNA
15、复制和转录的特点 复制 转录目的 复制遗传物质 转录遗传信息模板 完整的染色体分子 染色体分子上一段DNA(基因)催化合成的酶 DNA聚合酶 RNA聚合酶原料 4种脱氧核糖核苷酸 4种核糖核苷酸 dATP,dTTP,dCTP,dGTP ATP,UTP,CTP,GTP产物 完整的染色体分子 一个特异的RNA分子(子代DNA)(mRNA,rRNA,tRNA或sRNA)首发事件 起始蛋白识别 聚合酶识别并结合至 复制起始点 基因启动子,本章第三、四节重点,本章重点9,DNA 复制过程及其特征,复制过程 DNA复制从复制起始点开始,在起始蛋白为首的一个多酶复合体的作用下，双链解开，形成两个方向相反的复
16、制叉。在复制叉上，DNA聚合酶分别以DNA双链中的一条为模板，4种三磷酸脱氧核苷酸为原料，合成两条新的DNA链。随着复制叉向相反两个方向推进，就形成复制泡。复制泡在各个复制起始点发生并增大，使DNA分子得到完整复制。复制叉内部是不对称的：前导链连续合成，后随链间断合成。,本章重点9,DNA 复制过程特征半保留复制复制从复制起始点开始复制叉、双向复制和复制泡复制叉的不对称性：前导链、后随链和冈崎片段校读纠错机制整个染色体的复制,本章重点 10,分子生物学中心法则 细胞内的基因先将它的遗传信息转录在mRNA上，再经过翻译，将特定的遗传信息翻译为特定的蛋白质。,本章重点 11,转录过程在RNA合成酶
17、系作用下，以DNA的一条链上的一段序列为模板，按照碱基配对原则，以4种三磷酸核苷酸为原料，合成一个与模板序列互补的RNA分子。转录产物主要有mRNA、rRNA和tRNA。,思考题 第一部分1.解释下列名词:半保留复制 复制叉 复制泡 前导链 后随链 冈崎片段 基因表达 转录 转录产物加工 翻译 DNA复制 中心法则 有意义链（基因链）反意义链（反基因链）2.简述DNA复制过程及其特性.3.简述基因转录的过程.,由于DNA复制仅在5-3方向合成新链，而双螺旋的两条链是反向平行的，因此似乎只能在从3-5方向的模板上进行复 制，那么在5-3 方向的模板上复制是怎样进行的？答：复制叉在该模板上前进的方
18、向为5-3，聚合酶只能在5-3方向延长DNA链，因此通常在模板上是以3-5的方向移动，在5-3方向的模板上复制DNA的方向与复制叉运动的方向相反。由于聚合酶要等复制叉复制叉向前移动解开双螺旋，再以相反的方向合成链，因此这条链的复制是不连续的（后随链)，复制不能在后随链上延伸，这是因为多聚酶必须等待通过解螺旋并从复制叉延伸而暴露出的新序列为模板支架。结果形成了一个个分离的片段（冈崎片段），然后这些片段连接成完整的链。,思考题 第二部分,2.真核生物的复制（40-50碱基/秒）较原核生物（500碱基/秒）的速度慢很多，而真核的基因有更为复杂，那么真核 生物是以何种机制补偿其较慢的复制速度的？答：原核生物的复制趋向起始于一个位点，而真核生物有多个 起始位点，虽然每个复制子的复制速度较慢，但由于其较 短，于是缩短了复制的总体时间。,3.建立一个DNA复制的流程图，说明其主要步骤及有关的酶和蛋白。双螺旋 单链缺口 解螺旋 去稳定作用和解除螺旋力 起始 延伸 封闭缺口,螺旋酶,SSB蛋白,拓扑异构酶,引发酶,DNA聚合酶,DNA连接酶,拓扑异构酶,
