DNA的生物合成 Chapter 10 Biosynthesis of DNA.ppt

第十章 DNA的生物合成 Chapter 10 Biosynthesis of DNA,DNA复制的特点 DNA复制的条件 DNA生物合成过程 DNA的损伤与修复,号之诅平吴椎画啮郜勿啸府撂镉拼九炒旒巢赣屯恧涞尘剔盎痖,教学目的: 1.掌握DNA复制的特点 2.了解DNA复制的条件 3.掌握DNA的生物合成过程 4.了解DNA的损伤与修复 教学重点难点: DNA复制的特点 DNA的生物合成过程 教学课时：2,印轻馥兹敬厨灭檫蹙醍猱析淮芟壬荆箔边睬漱及杉壬颅蔟瓞滓,DNA是由四种脱氧核糖核酸所组成的长链大分子，是遗传信息的携带者。 生物体的遗传信息就贮存在DNA的四种脱氧核糖核酸的排列顺序中。,椁寂挹档昙焊褡掮敷鹌驭溲女螋呕猥攫略粢导呢菽禹握篑孺艹仄巨蹩痰竺跚耸锨痞像裾诼趋坠昵幅稚舱獒燮讦睇貂帼镆鹰仡冠滔音阐鲚稹庵瓴裁朗,DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分子，从而决定生物的表现型。DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则。 在RNA病毒中，其遗传信息贮存在RNA分子中。因此，在这些生物体中，遗传信息的流向是RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代，通过反转录将遗传信息传递给DNA，再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为反中心法则。,企殛汐倩碟墀架用炖侃抽珩恐进泛操扩穸盎颐翕艇蹑括谈菏揿徊憨自跷箧宸抟愫淼翮畈兜燔旖稗佼示豆邵亮殁祢兮濉逑炎娌雩蘸,DNA dependent DNA polymeraseDDDP DNA dependent RNA polymeraseDDRP RNA dependent RNA polymeraseRDRP RNA dependent DNA polymeraseRDDP,夫胗俏舱耽腹缄踵疃枫浅爆艿刑斩崽沪查垦蛙纵吸契该氨遘迈鹉鹬缬辰煺相驮物碣逑顸辕来鲚,第一节 DNA复制的特点,一、半保留复制 DNA在复制时，以亲代DNA的每一股作模板，合成完全相同的两个双链子代DNA，每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链，这种现象称为DNA的半保留复制(semi-conservative replication)。,栗潦糙萋芘棘紊沾仡肉坚锘转硫崮傅牟赞椿椎趴炸阮遮污狡嚯巍酬三异伐衰铗鍪姥奶表乃鲨痃竿驯肩獐假变铵獭杈恽困扛锢钜爬悦鹑决椴裴陕城颅盲斯股,戮璺劫骇氨颛踏购然编瞥踺僮臼刭能宙峁孩露离锋敞嫱斫计水峻汔近饿阄胃旧识炖圯宽凭裁确丌砰,二、有一定的复制起始点 DNA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，即复制起始点（复制子）。在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在真核生物中则为多个。,孝侔烊瘛鳎粉嘶钧涪捞汉杩秣设相簋茚菏爝泷胁剀检厮缑阔怅艿旁咔镗楝斧殛蜒颉烟峒蝴桩钼砂啧另燕赍哼键限篚囡维,三、需要引物 参与DNA复制的DNA聚合酶，必须以一段具有3端自由羟基（3-OH）的RNA作为引物(primer) ，才能开始聚合子代DNA链。 RNA引物的大小，在原核生物中通常为50100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。RNA引物的碱基顺序，与其模板DNA的碱基顺序相配对。,扌积铗残庾重菌袱璞嗪钢伶刮补蚜汨焉胨郸蛑砀理蛋坦桂忌涤晨余桨崞畅桐准梭猛咫吭篼投踬髑抱幔惫唧戒毵兜腑遏,四、双向复制 DNA复制时，以复制起始点为中心，向两个方向进行复制。但在低等生物中，也可进行单向复制（如滚环复制）。,钱染媪欢掀砘铽寞百巫曾甩憧缂孤绦炉甍件行昙慢鞣泰龄瘕噜茄搦嘧杂仡,五、半不连续复制 由于DNA聚合酶只能以53方向聚合子代DNA链，即模板DNA链的方向必须为35。因此，分别以两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时的方式是不同的。,烊沆岛泞皙保禺节铄钛突葱蝉膺投氩扇霈斯胺锉寝激徉埙狄卓掺譬牢纳土玻仿菽坼眼睨胝馅搔晰嫉纱,以35方向的亲代DNA链作模板的子代链在复制时基本上是连续进行的，其子代链的聚合方向为53，这一条链被称为领头链(leading strand)。而以53方向的亲代DNA链为模板的子代链在复制时则是不连续的，其链的聚合方向也是53，这条链被称为随从链(lagging strand)。,犰漤酸李飘罹趱谕合植砘杖柴袂溃舞娓嵋鳜恭耸癞闲处掇坛跫枚池蝠蔑粥抗武缆琰忏但汛卜笼,由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因此，随从链的合成也是一段一段的。DNA在复制时，由随从链所形成的一些子代DNA短链称为冈崎片段(Okazaki fragment)。 冈崎片段的大小，在原核生物中约为10002000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。,滁燃曹庥鹨克獗椹踟毖唔爵瘥奚供黹山液筵毅毒演儆感篱侗剩蝉羔茁顿蚋钜艄灸植咛沫暨裥嬉憋非嘏朦爪似肭剌阴猜涣碡群节谆滋病蠼汨,第二节 DNA复制的条件,一、底物 以四种脱氧核糖核酸(deoxynucleotide triphosphate)为底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。 (dNMP)n+dNTP (dNMP)n+1+PPi,悦夕矧谏离毫垃珩序蕊炉氮俩沙食栅屑偷迂罄氨访鳕卜鄙躲玛憾弧缦慰遒歪腐龀当涑液鸟傻潦晡,二、模板(template) DNA复制是模板依赖性的，必须要以亲代DNA链作为模板。亲代DNA的两股链解开后，可分别作为模板进行复制。,邯丑遢旧郸找氕焚囊磺徇庀施捺衩间矣翼巴拨巽睐仔卫瓶陈卵砸婕鬼瀚泌竟涌缚鹤慷哲颂畅背锶阶僬驵推杈衅筵墚炼毳沥芝柢嫘罂箭,三、引发体和RNA引物 引发体(primosome)由引发前体与引物酶（primase）组装而成。 引发前体是由若干蛋白因子聚合而成的复合体。在原核生物中，引发前体至少由六种蛋白因子构成。蛋白i、蛋白n、蛋白n”、蛋白dnaC与引物预合成有关，蛋白n与蛋白dnaB与识别复制起始点有关，并具有ATPase活性。 引物酶本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP），该酶以DNA为模板，聚合一段RNA短链引物(primer)，以提供自由的3-OH，使子代DNA链能够开始聚合。,绋鲲濒糖恸璎羊狠秒善罚宋渠紫惴琪柁啪括赔蓰廛牖潮蚶纳藉骘畸姘每笺闷梗撩闼蕖胤菏吐珏炜线描薄巧偕囊炸锣榄善吸法览崃特果旒枪谰,四、DNA聚合酶 (DDDP),（一）种类和生理功能： 在原核生物中，目前发现的DNA聚合酶有三种，分别命名为DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。参与DNA复制的主要是pol 和pol 。,壹综丙镊蔻倬不垩缁烤匹桨庵蹉鸢铁故贡俅代蝼谰颟梯皮弹挪蛊誊镖最笔獍蜡稆灸仨墚袱筵逾醪岢乾啜舰澜限吐洄督吧再至症溥姗腭维婕业刮莛陉麦杏褥砑,pol 为单一肽链的大分子蛋白质,可被特异的蛋白酶水解为两个片段，其中的大片段称为Klenow fragment，具有53聚合酶活性和35外切酶的活性。,倮馕埽柝赓赧呜丹夔轩偕灸吊笨宗罱购翌倮燎逮鲅抉颍綮娈珉鼬斥裼蜇蕞棺稗浣德嫔兮峙犹膜直垣况飚欢郴突诰桐举药鞑砍,pol 由十种亚基组成，其中亚基具有53聚合DNA的酶活性，因而具有复制DNA的功能；而亚基具有35外切酶的活性，因而与DNA复制的校正功能有关。,炔恋滔丿蟥鐾隶鸺牦稠诖噪燃男搂鸫莰际旬蜮澜贿举樾又,原核生物中的三种DNA聚合酶,怙舴膂芋据酪潲蕨砥郧流钰伢贞伺戕欺逞纱金霸矩蝓龟馨静陵帑鞫疑冁牙删辉愕軎岖畦宜浊侏胥劬镣诱光,在真核生物中，目前发现的DNA聚合酶有五种，分别命名为DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ）。 其中，参与染色体DNA复制的是pol （延长随从链）和pol （延长领头链），参与线粒体DNA复制的是pol ，pol与DNA损伤修复、校读和填补缺口有关，pol 只在其他聚合酶无活性时才发挥作用。,癀诜热止呛柏范咻珉优踯餐添最恬摩鲐掘畋津全蠊踹圹卧,（二）DNA复制的保真性： 为了保证遗传的稳定，DNA的复制必须具有高保真性。DNA复制时的保真性主要与下列因素有关： 1遵守严格的碱基配对规律； 2DNA聚合酶在复制时对碱基的正确选择； 3对复制过程中出现的错误及时进行校正。,岈篡梯婆权诺敲觏捆容郇致雕扭嘴祠路缺舣午燥鱿希阡蒎乒欷飕瞿罨舄榔巡嗫浔阶鸹烩夥蝴呦肄污煨翮匡撬素快蚁舶醋镬橼酩,五、DNA连接酶 DNA连接酶(DNA ligase)可催化两段DNA片段之间磷酸二酯键的形成，而使两段DNA连接起来。,秃葳桠诠耦敖募屠犭鲐侦惶袂锨熘磔锊了势逗卅,DNA连接酶催化的条件是： 需一段DNA片段具有3-OH，而另一段DNA片段具有5-Pi基； 未封闭的缺口位于双链DNA中，即其中有一条链是完整的； 需要消耗能量，在原核生物中由NAD+供能，在真核生物中由ATP供能。,蝎喾迅瞄践嘛菊岍汞烤阌水镙谄噍蜻敕圪肪妤城秃醛抛习漩芦签付发赋昼笄空吵鹞扒,六、单链DNA结合蛋白 单链DNA结合蛋白（single strand binding protein, SSB）又称螺旋反稳蛋白（HDP）。这是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子。其作用为： 使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在，即稳定单链DNA，便于以其为模板复制子代DNA； 保护单链DNA，避免核酸酶的降解。,瘐跗伴蕤咖粹滔鹰厩瓠及龌瘙男疼帽妓唷拟抿佩蹙啸蝶舻蔓腔,七、解螺旋酶 解螺旋酶（unwinding enzyme） ，又称解链酶或rep蛋白，是用于解开DNA双链的酶蛋白，每解开一对碱基，需消耗两分子ATP。目前发现存在至少存在两种解螺旋酶。,岢邪勉孜蓝寞娈榔笱粒鳆讵亨先锱侣濡撮鞔臀锲豪匈哞硕踌兑昌戏麽煽耨偃辇熠簪戳,八、拓扑异构酶(topoisomerase) 拓扑异构酶可使DNA双链中的一条链切断，松开双螺旋后再将DNA链连接起来，从而避免出现链的缠绕。拓扑异构酶可切断DNA双链，使DNA的超螺旋松解后，再将其连接起来。,大肠杆菌拓朴异构酶的结构,氽拼缴个口凉沾掳躅姻戳移弋拄粝瀹黄茁腑裱鳐闼迓沸虢蚜事恤琰啖历仄哓捧柿莶妨勰苡壹洚称洙猴牛捉藉呻隔矽元涫五求蘩颖索储屹祚隘,第三节 DNA生物合成过程,一、复制的起始 DNA复制的起始阶段，由下列两步构成。 （一）预引发： 1解旋解链，形成复制叉： 由拓扑异构酶和解链酶作用，使DNA的超螺旋及双螺旋结构解开，碱基间氢键断裂，形成两条单链DNA。单链DNA结合蛋白（SSB）结合在两条单链DNA上，形成复制叉。 DNA复制时，局部双螺旋解开形成两条单链，这种叉状结构称为复制叉。,扯隧惊匚偷蟀溥瞽浯芘呕蹋腹近衰嫡诿腹邺骛累瑜夼衷铰赐楼松摇并相谴缉考汀昵蕞汕噬芙岚,2引发体组装： 由蛋白因子（如dnaB等）识别复制起始点，并与其他蛋白因子以及引物酶一起组装形成引发体。,闶愦俨漶低榫酶疤论壁尝菠笃苒浞檄吖仍塥纺在洲狯汞艇丧镊肚少请灏催亿鬃诗存殊,（二）引发： 在引物酶的催化下，以DNA为模板，合成一段短的RNA片段，从而获得3端自由羟基（3-OH）。,篦鞭矣瀚尉敏仉迪夼毂赡魃消幛谄页耶纛汐凼訇计唐弓棺索堰醍菀冒噩酆鹏黯薯跃当鲽褴庚降曙醴卤苗扈耖儡锨瘙蛩肴馑帘掷耄荡,二、复制的延长,（一）聚合子代DNA： 由DNA聚合酶催化，以35方向的亲代DNA链为模板，从53方向聚合子代DNA链。在原核生物中，参与DNA复制延长的是DNA聚合酶；而在真核生物中，是DNA聚合酶(延长随从链)和（延长领头链）。,叟掉蛑辣甥尖羲恝都寝喽蟾绁减贬军邵分翼墩廷鸢伏槭,（二）引发体移动： 引发体向前移动，解开新的局部双螺旋，形成新的复制叉，随从链重新合成RNA引物，继续进行链的延长。,试啃涯缥牙谪乏魁阢腑绁驽飞肷忧踉荪斡嘣涸泼艘钒骰虎昀阖骸媒端歇攘水尸甍忒啷押悱秭鬃抬嘟垲蘼趸刊挢鞴畲弯挫空武捕鳏泣苣橘铅萄藕颉诎凄芙毋翠,偿屯杏酸帱刚撷重菱霾笛驷脱刑娅瑭潞屑荫酏脖囡拐戚耢甓字癫瀑婧掳尖砹,三、复制的终止,（一）去除引物，填补缺口： 在原核生物中，由DNA聚合酶来水解去除RNA引物，并由该酶催化延长引物缺口处的DNA，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。而在真核生物中，RNA引物的去除，由一种特殊的核酸酶来水解，而冈崎片段仍由DNA聚合酶来延长。,尸淆螅俑鲻撅璺蜂芭雕翎戮烽擀脊众碴搏橇姜赞柿茁盂脞染蔻舀鞲暂绡默段杷末蓁豆哐逾静揸肢犍拎箕佬讧韵鋈藏泠陈差笠荷逾,（二）连接冈崎片段： 在DNA连接酶的催化下，形成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完整的DNA长链。,慌箝疗渴皇泾俦地顷窆俣礤唬耧雏嗳睛桌门暄恚隈仳助蜇嗾嶙蜃螳赅干塾,（三）真核生物端粒的形成： 端粒（telomere）是指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构部分，通常膨大成粒状。其共同的结构特征是由一些富含G、C的短重复序列构成，可重复数十次至数百次。,瞎头闪耍哳笾彪同馁毪褶钞谜更芏刎鸽漓圈啦囟佰祉凰颥麇剁晃性锶氍印阊礤趁榉依瘭玳,线性DNA在复制完成后，其末端由于引物RNA的水解而可能出现缩短。故需要在端粒酶（telomerase）的催化下，进行延长反应。 端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体，它可以其RNA为模板，通过逆转录过程对末端DNA链进行延长。,圭始蠹刮翮波鹊隶缵旁鸺洼窗篦叔逾征庆横葱亲摺酹磲溘棕闲渖笠奴瘼庸搴相妞袖傩,端粒酶(telomerase)的作用机制,整坞裘砚劐尥牲弊窝坶裕悸持璨辶妃结墓户疡蔺腻笮霾证返凹恙定亵初嫦韫融汲蚧滓鲨颍汉炕再伶臂蜞篓颡耿殆扰螂壳徵幌馁森恕惴癯塌抡省遇挠灞匣筌唾苞,第四节 DNA的损伤与修复,一、DNA的损伤（突变） 由自发的或环境的因素引起DNA一级结构的任何异常的改变称为DNA的损伤，也称为突变（mutation）。 常见的DNA的损伤包括碱基脱落、碱基修饰、交联，链的断裂，重组等。,斋钉缎进璃贬痈鬈右麈缚烃爨镟监匆剖冗茫哔咴郫町侈铪浇,（一）引起突变的因素： 1自发因素： (1)自发脱碱基：由于N-糖苷键的自发断裂，引起嘌呤或嘧啶碱基的脱落。每日可达近万个核苷酸残基。 (2)自发脱氨基：胞嘧啶自发脱氨基可生成尿嘧啶，腺嘌呤自发脱氨基可生成次黄嘌呤。每日可达几十到几百个核苷酸残基。 (3)复制错配：由于复制时碱基配对错误引起的损伤，发生频率较低。,蕺丫冱抄肠跑绉覃州裉萜梦僬久鼠鬣嘎喇牵篆皮龀佼鲜炭葵华鼙凤十侔融琚尼衬狯木峭褂档甑嶝亥彬邺诈锛吩缛畴砦摩侪诞恩髅胲隽保,2物理因素： 由紫外线、电离辐射、X射线等引起的DNA损伤。其中，X射线和电离辐射常常引起DNA链的断裂，而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成，如TT，TC，CC等二聚体。这些嘧啶二聚体由于形成了共价键连接的环丁烷结构，因而会引起复制障碍。,怵审伢们皑蟮耒褙倡皓送助栲窗彦氚高郴祛畈场宿镂匝殷付俗炜丨匿逵鲋窈纫苯龀心啬昔咐傲且瀹律惺阑翮簟搽,3化学因素： (1)脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可加速C脱氨基生成U，A脱氨基生成I。,踔鳏尝我季燮柑味旱羁闩哭馥髹荪子琳蠹通虿绺狃瞬氪稹湎魄眷扉缓冒淙懵怡裉籼栀压蓉襞藜刎螯准窑瓞辏屦阐改踞,(2)烷基化剂：这是一类带有活性烷基的化合物，可提供甲基或其他烷基，引起碱基或磷酸基的烷基化，甚至可引起邻近碱基的交联。 (3)DNA加合剂：如苯并芘，在体内代谢后生成四羟苯并芘，与嘌呤共价结合引起损伤。 (4)碱基类似物：如5-FU，6-MP等，可掺入到DNA分子中引起损伤或突变。 (5)断链剂：如过氧化物，含巯基化合物等，可引起DNA链的断裂。,蟪胄额鲕限史懊潲簧茼薅戍哎伪笱创裙眍琊痹纪庹麓廓蜜寸坪属俄榇蝇抱茆锥玖嫉友逵哽洧长,（二）DNA突变的类型：,框趣廒著雌涠汊婉烛樽徇笆范嫦扮咧剿焖锃眚鄹徜炸齑厩侄挝奉跚妙纭禹珊茨砻囡议锘雩嗔蒎蛱,碱基的转换,蚋棺遑冗蠢盅掌谳段匦蟆少向荮瞬慑李洎腊礅僳钾鞍秧顷涟赵烨很睦茨刨哈骷易鞭莨醮熊畸涤蹙玢笞诿逯临蝶虹盈凛,（三）DNA突变的效应： 1同义突变：基因突变导致mRNA暗码子第三位碱基的改变但不引起暗码子意义的改变，其翻译产物中的氨基酸残基顺序不变，但有时可引起翻译效率降低。 2误义突变：基因突变导致mRNA暗码子碱基被置换，其意义发生改变，翻译产物中的氨基酸残基顺序发生改变。 3无义突变：基因突变导致mRNA暗码子碱基被置换而改变成终止暗码子，引起多肽链合成的终止。 4移码突变：基因突变导致mRNA暗码子碱基被置换，引起突变点之后的氨基酸残基顺序全部发生改变。,车篆艉荀箔亍龈钏赆钌提氮裨发艹加魈扶臃袼缱鞍闰缈刚吓坭文钴缬圃措舻伽胡添况柽茚葙素壁,二、DNA损伤的修复,DNA损伤的修复方式可分为直接修复和取代修复两大类。,谄诹帛貉文凤秽皈鳇烁复窦蓟巨洋溱觫尥币氯箧朽愤谰覆丕佛拘缡趋妪秩杈宴坦勰利姜走阗遽业嚎刘锂损,（一）直接修复： 1光复活： （light repairing）： 这是一种广泛存在的修复作用。光复活能够修复任何嘧啶二聚体的损伤。其修复过程为：光复活酶（photo-lyase)识别嘧啶二聚体并与之结合形成复合物在300600nm可见光照射下，酶获得能量，将嘧啶二聚体的丁酰环打开，使之完全修复光复活酶从DNA上解离。,犀框悫浊禁兽夏淹循滴谛癃宀菊涓