生物化学第十章 核酸的生物合成.pptx

NucleicacidBiosynthesis 第十章核酸的生物合成 基因 gene 为蛋白质或RNA编码的DNA功能片段 是以碱基排列顺序的方式储存的遗传信息 基因组 genome 某一物种拥有的全部遗传物质 从分子意义上说 是指全部DNA序列 中心法则 thecentraldogma DNABiosynthesis 第一节DNA的生物合成 DNA的生物合成 复制 DNA指导下的DNA合成 逆转录 RNA指导下的DNA的合成 复制 replication 以母链DNA为模板合成子链DNA的过程 一 复制的基本规律 半保留复制 双向复制 半不连续复制 方向性和高保真性 一 半保留复制 semi conservativereplication 全保留式半保留式混合式 DNA复制的三种可能方式 DNA半保留复制实验 按半保留复制方式 子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致 即子代保留了亲代的全部遗传信息 体现了遗传的保守性 遗传的保守性 是物种稳定性的分子基础 但不是绝对的 半保留复制的意义 二 双向复制 bidirectionalreplication 原核生物 基因组是环状DNA 只有一个复制起始点 origin 真核生物 基因组是线性的 染色体DNA有多个复制起始点 两个起始点之间的DNA片段称为复制子 replicon 在原核生物双向复制中 DNA被描述为眼睛状 为说明方便而做的图为 形 ori oriC 多个起点复制 领头链 leadingstrand 随从链 laggingstrand 三 半不连续复制 semi discontinuousreplication 冈崎片段 Okazakifragment 1968年日本生化学者冈崎用电镜及放射自显影技术 观察到DNA复制中出现一些不连续的片段 将这些不连续的片段称为冈崎片段 原核生物 1000 2000个核苷酸 真核生物 100 200个核苷酸 四 高保真性 高度忠实性 差错率仅为10 9 10 101 新合成的子链与母链之间碱基配对严格性2 使用引物RNA3 DNA聚合酶对底物专一性4 DNA聚合酶的校对作用5 DNA修复机制 二 参与DNA复制的主要酶类和蛋白质 DNA复制需要什么 底物 模板 引物 酶 一 DNA聚合酶 二 DNA解旋酶 三 引物酶 四 DNA连接酶 五 单链结合蛋白 SSBP 六 拓扑异构酶 主要酶类和蛋白质 解链过程中 DNA分子会过度拧紧 打结 缠绕 连环等现象 一 DNA拓扑异构酶 DNAtopoisomerase 作用 改变DNA分子构象 理顺DNA链 使复制能顺利进行 分类 拓扑酶 切断DNA双链中一股链 拓扑酶 切断DNA分子两股链 拓扑异构酶 的作用 拓扑异构酶 的作用 二 DNA解旋酶 helicase 又称解链酶或rep蛋白 利用ATP供能 作用于氢键 使DNA双链解开成为两条单链 每解开一对碱基 需消耗2分子ATP 三 单链结合蛋白 SSBP 在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整性 四 引物酶 primase 作用 它以单链DNA为模板 以ATP GTP CTP UTP为原料 从5 3 方向合成出RNA片段 即引物 引物 primer 由引物酶催化生成的短链RNA 它可为DNA聚合提供3 OH末端 合成RNA引物 五 DNA聚合酶 DNApolymerase 聚合反应的特点 DNA新链生成需引物和模板 新链的延长只可沿5 3 方向进行 聚合反应机理 DNA聚合酶 全称 依赖DNA的DNA聚合酶 DNA dependentDNApolymerase 简称 DNA pol 原核生物的DNA聚合酶 DNA pol DNA pol DNA pol 323个氨基酸604个氨基酸 小片段大片段 Klenow片段 5 核酸外切酶活性 DNA聚合酶活性 5 核酸外切酶活性 N端 C端 DNA pol 1959年获诺贝尔生理学或医学奖 奥乔亚科恩伯格SeveroOchoaArthurKornberg 3 5 外切酶活性 5 3 外切酶活性 3 5 外切酶活性 5 3 外切酶活性 5 3 核酸外切酶水解位点 单链缺口 5 polII 分子量每个细胞的分子统计数5 3 聚合酶作用3 5 核酸外切酶5 3 核酸外切酶转化率 polI 109 000400 1 120 000100 0 05 400 00010 20 50 比较项目 polIII 切除引物修复 修复 复制 功能 DNA pol DNA pol 前导链和随后链的合成方向相反 DNA pol 是怎样同时将两条链复制出来 前导链和随后链同时合成的工作模型 六 DNA连接酶 DNAligase 在复制中起接合双链中单链缺口的作用 HO 5 3 3 5 DNA连接酶 ATP NAD AMP 5 3 5 3 小结 三 真核生物端粒的复制 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 端粒酶 telomerase 一种RNA 蛋白质复合体 端粒酶的爬行模型 DNA聚合酶复制子链 进一步加工 抗肿瘤靶点 端粒和端粒酶的生物学意义 端粒特别是端粒酶的活性与细胞的生长 繁殖 衰老凋亡以及肿瘤的发生密切相关 体细胞几乎没有端粒酶活性 而端粒酶活性较高的胚原细胞 端粒长度未缩短 肿瘤细胞端粒酶重新获得活性 以维持端粒结构致使染色体稳定而成为永生细胞 正常细胞 细胞分裂 细胞分裂 衰老死亡 细胞年轻化 抗衰老 四 逆转录 reversetranscription RNA DNA 逆转录酶 reversetranscriptase 有三种活性 RNA指导的DNA聚合活性 RNaseH活性 DNA指导的DNA聚合活性 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 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 逆转录研究的意义 逆转录酶和逆转录现象 是分子生物学研究中的重大发现 逆转录现象说明 至少在某些生物 RNA同样兼有遗传信息传代与表达功能 对逆转录病毒的研究 拓宽了20世纪初已注意到的病毒致癌理论 五 DNA损伤 突变 与修复 突变 mutation DNA损伤 DNAdamage 一 突变的意义 突变是进化 分化的分子基础 突变导致基因型改变 突变导致死亡 突变是某些疾病的发病基础 二 引发突变的因素 自发性 自然错配率约为10 9 10 10左右 物理因素 如UV ultraviolet 各种辐射 化学因素 烷化剂 碱基类似物 以及其他一些人工合成或环境中存在的化学物质 这些诱发突变的化学物质 称为致癌剂 生物因素 抗菌素类 黄曲霉素和病毒等 物理因素 三 突变的分子改变类型 错配 mismatch 缺失 deletion 插入 insertion 重排 rearrangement 镰形红细胞贫血病人Hb HbS 亚基 正常成人Hb HbA 亚基 1949年 波林发现镰刀型细胞贫血症与血红蛋白结构异常相关 缺失引起框移突变 例 四 DNA损伤的修复 repairing 光修复 lightrepairing 切除修复 excisionrepairing 重组修复 recombinationrepairing SOS修复 修复的主要类型 光修复酶 1 光修复 2 切除修复 是细胞内最重要和有效的修复机制 主要由DNA pol 和连接酶完成 UvrA UvrB UvrC OH P DNA聚合酶 OH P DNA连接酶 NAD E coli的切除修复机制 例 着色性干皮病 xerodermapigmentosis XP 是切除修复缺陷性的遗传病 XP病人细胞对嘧啶二聚体和烷基化的清除能力降低 不能修复紫外线照射引起的DNA损伤 因此易发生皮肤癌 3 重组修复 这是DNA的复制过程中所采用的一种有差错的修复方式 RNABiosynthesis 第二节RNA的生物合成 转录 transcription 生物体以DNA为模板合成RNA的过程 DNA的遗传信息传递给RNA的过程 转录 5 GCAGTACATGTC 3 3 cgtgatgtacag 5 5 GCAGUACAUGUC 3 N Ala Val His Val C 编码链 模板链 mRNA 蛋白质 转录 翻译 转录模板 有义链 反义链 链 链 对于整个DNA双链 每条链上有的区段用作有义链 有的区段用作反义链 所以 具有相对意义 一 RNA转录合成的特点 一 转录的不对称性 二 转录的连续性 三 转录的单向性 四 有特定的起始和终止位点 二 RNA转录合成的条件 底物 模板 RNA聚合酶 亚RNA聚合酶组成 a2bb ws a2bb w s全酶核心酶 核心酶 解开前方的DNA双螺旋 RNA链的延伸 恢复后面的DNA双螺旋 s亚基 识别DNA上转录的起始部位 从而引导全酶结合上去 大肠杆菌RNA聚合酶全酶 启动子 promoter 三 转录合成的过程 ThenucleotidesequencesofrepresentativeE colipromoters 三 转录合成的过程 启动 三 转录合成的过程 延伸 RNA DNA杂交区 三 转录合成的过程 终止 机制 依赖Rho 因子的转录终止 非依赖Rho因子的转录终止 ATP 1 依赖Rho因子的转录终止 Rho因子与RNA3 OH的polyC结合 抑制聚合酶活性 激活解螺旋活性 2 非依赖Rho因子的转录终止 DNA模板近终止处 有特殊的碱基序列 转录出RNA产物形成特殊的结构终止转录 发夹结构 反向碱基互补序列末端PolyU U A不稳定 5 UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUU3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT 3 DNA 茎环 stem loop 发夹 hairpin 结构 茎环结构终止转录的机理 使RNA聚合酶变构 转录停顿 末端polyU使转录复合物趋于解离 RNA产物释放 例 复制和转录的共同点 DNA模板 碱基配对规律 生成磷酸二酯键 链延长方向5 3 10 4 10 5 10 9 10 10 差错率 无 有 校正功能 全酶 9种酶和蛋白因子 酶与蛋白因子 不需要 RNA为引物 引物 DNA区段一条链不对称转录 完整两条链双向复制 模板 NTP dDNA 原料 DNA转录 DNA复制 区别 三 真核生物的转录后修饰 Post transcriptionalModification 一 真核生物mRNA的转录后加工 5 端形成帽子结构 m7GpppGp 3 端加上多聚腺苷酸尾巴 polyAtail 内含子的剪接 帽子结构 尾巴结构 鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图 DNA mRNA mRNA的剪接 外显子 exon 和内含子 intron 外显子 基因上的编码序列 内含子 基因上的非编码序列 snRNP与hnRNA结合成为并接体 真核生物mRNA的转录后加工修饰 二 tRNA的转录后加工 tRNA前体 tRNA核苷酸转移酶 连接酶 ATP ADP 三 真核生物rRNA的转录后加工