第九章遗传的分子基础ppt课件.ppt

第九章遗传的分子基础 教学目的和要求 1 了解DNA作为遗传物质的3个证据2 掌握核酸的化学结构 DNA RNA 3 掌握原核生物和真核生物染色体的分子结构4 掌握DNA的半保留复制特点5 掌握三种RNA分子的合成特点 转录及加工 导入 基因是由什么物质组成的 它又是如何控制性状的发育呢 染色体由蛋白质和核酸等构成 二者都是长链状分子的多聚体 由相似而非等同的亚单位通过化学链结合在一起 蛋白质最基本的单位是氨基酸 最常见的有20种不同的氨基酸 一个蛋白质分子可由几百 几千个氨基酸构成 它们的排列组合是一个天文数字 核酸的最基本单位是核苷酸 只有四种 排列组合数要小得多 那么 遗传物质究竟是蛋白质还是核苷酸呢 实验一 肺炎球菌的转化实验 1928年 FredGriffith肺炎球菌 Pneumococcus a Sstrainkillsmouse Livemouse Deadmouse b Rstraindoesnotkillmouse livemouse livemouse c Head killedSstraindoesnotkillmouse livemouse Livemouse d Rstrainplusheat killedSstrain bothofwhichareseparatelynonlethal killmouse livemouse Deadmouse Griffith的实验证明 细胞液中含有一种性质不明的转化因子 Lysis precipitationcell freeextractSStrainTransformingprinciplefromSstrain 粗糙型GrouthbothSandRcells1944年 Avery MacleadandMcCarty从细胞抽提液中部分纯化了转化因子 证明是DNA 实验二 噬菌体的侵染和繁殖 捣碎器实验 由AlfredHersheyandMarthaChase完成DNA canbelabeledwith32P protein canbelabeledwith35S injectionAfterblendinglncubation 实验三 病毒的拆开和重建实验 1956年 Fraenkei Courat用烟草花叶病毒 TMV RNA 型TMV 型TMVRNA 感染烟叶 结论 RNA有时也是遗传物质 DNA和RNA的分子结构和复制 一 DNA的分子结构DNA分子是去氧核糖核苷酸的聚合物 每个核苷酸均由一个五碳糖分子 一个磷酸分子和一个含N的有机碱基组成 腺嘌呤A胸腺嘧啶T胞嘧啶C鸟嘌呤G稀有碱基 5 甲基胞嘧啶 6 甲基氨基嘌呤碱基结构见刘祖洞P87DNA的一级结构见P88 骨架由相间的磷酸和脱氧核糖基团通过3 5 磷酸二酯键连接起来 四种核苷酸碱基之一搭到每个脱氧核糖的1 碳原子上 Watson Crick模型 P90 1 早期的DNA物理学研究表明 DNA分子是具有高度有序结构的一条伸展的链 同时也获得了关于分子部分的排列和大小方面的信息 很重要的是 DNA分子是双螺旋结构 2 从许多生物中分离出DNA分子 对其A T G C的摩尔含量进行了化学分析 也称碱基组成 A T G C 为摩尔浓度 A G T C 3 Watson和Crick将X射线衍射图与DNA的化学与物理数据结合起来 得出常见的B型DNA双螺旋结构模型 双螺旋模型要点 二级结构 1 两条主链彼此盘绕形成双股螺旋 糖 磷酸作为骨架位于外侧 2 两条链反向平行 一条为3 5 另一条为5 3 3 碱基在中央成螺旋排列 A T C G 4 每一碱基对的两个碱基位于同一平面 垂直于螺旋轴 5 每个相邻的碱基对旋转36 故每匝螺旋有10对碱基 每个碱基对之间的距离为0 34nm6 双螺旋直径为20 7 单位长度的螺旋分子量约2 106 m 8 大沟与小沟是蛋白质分子与碱基相接触的地方 表不同空间结构类型的DNA DNA分子的结构特性 1 碱基配对的偶联性2 碱基序列的重复性1 单拷贝DNA碱基序列2 中度重复的DNA碱基序列短分散片段 长300 500bp 被平均长1000bp的单拷贝序列隔开 如人 300bp1000bp长分散片段 长 1000bp 平均长度3500 5000bp 常被13000bp 有的更长 的单拷贝序列隔开 如果蝇 5600bp13000bp 3 高度重复序列 反向重复序列 CBAABC回文结构 无间隔发夹结构 有间隔卫星DNA一般只有几个碱基如果蝇 ACAACT ATAAACT ACAAATT更复杂的DNA序列 具个体特异性 可能有以下功能 a 与复制 转录调控有关b 与转位 转座有关c 可能与进化有关d 存在个体差异 可用于指纹分析 正常DNA 变性逐渐冷却复性 3 碱基上基团的可变性普通型稀有型T酮式醇式C氨基式亚氨基式A氨基式亚氨基式G酮式醇式4 双链DNA的变性和复性5 双链DNA的变构性6 双链DNA分子中极性整体无极性 但每一条单链及核苷酸有极性 5 为P 3 为 OH 这种极性与复制 转录 重组 特异酶的识别等有关 DNA分子的复制 1 DNA复制的基本特点1 复制需要模板2 半保留复制 见P98 3 半不连续性复制 在双链DNA分子的复制中 一般认为以3 5 模板链所复制的先导链是连续合成的 以5 3 模板链所合成的后随链是不连续合成的 所以称整个双链DNA分子是半不连续性复制 岗崎片段 Okazakifragment 在DNA复制中 以5 3 模板不连续合成的DNA片段 在原核生物每个冈崎片段一般含1000 2000个核苷酸 真核生物的冈崎片段长约100 200个核苷酸 复制叉的延伸 复制叉的单向延伸 复制叉 复制叉双向延伸 起点 4 DNA合成方向为5 3 5 需要引物 大多数情况下是RNA 为什么 6 有特殊的起点7 复制过程中可进行校正 保证其真实性 8 复制过程同样受到调控 2 参与DNA复制过程的酶和蛋白 质 螺旋酶 Helicase 促使DNA 在复制叉处打开双链 需要ATP Rep蛋白与前导链结合 或 与滞后链结合 5 3 单链结合蛋白 SSBP 又称双螺旋反稳定蛋白 其作用是与解链后的DNA单链结合 使其掩蔽的序列免遭Dnase降解 以保持复制模板的稳定 拓扑异构酶 DNAtopoisomerase Topo 能将单 双链的DNA分子进行拓扑变化的一种酶Topo 不需ATP 使超螺旋的环状DNA解旋成为不具有超螺旋的 松弛状态的环状DNA的酶 Topo 需ATP 能促使产生负超螺旋并消除复制叉移动所产生的正超螺旋 以利解链 引物酶与RNA聚合酶 DNA聚合酶 DNApolymerase 也称DNA复制酶 依赖于DNA的DNA聚合酶 催化以DNA为模板 以dATP dGTP dCTP和dTTP四种dNTP为底物 按碱基配对原则 沿5 3 方向合成DNA的酶 有的还参与复制错误校正和DNA损伤修复 催化反应需要某些蛋白因子 引物和Mg2 酶 DNApol 1956年 ArthurKornberg发现 又称Kor nberg酶 由一条1000aa残基组成 MW约109KD 76KD大片段又称Klenow片段 是在基因工程中常用的酶 34KD小片段 DNApol 枯草杆菌蛋白酶 DNA聚合酶主要功能 聚合作用 5 3 3 5 外切酶活性 校对作用 5 3 外切酶活性 切除修复作用 酶 DNApol 1970年发现 MW为120KD 活性只有酶 的5 主要活性 a 聚合作用b 3 5 外切酶活性 无5 3 外切酶活性c 对底物选择性很强d 可能在损伤修复中起一定作用 酶 DNApol MW420KD全酶至少含有10个亚基 其中 和 构成核心酶 而 为辅助亚基 该酶具有5 3 聚合酶活性和5 3 3 5 外切校正活性 在复制叉上对前导链 滞后链均起合成延伸作用 表大肠杆菌DNA聚合酶 的性质比较 DNA连接酶 DNAligase 1967年发现 用于封闭DNA链上的缺口 将单链DNA分子中相邻核苷酸的3 OH与5 P之间形成3 5 磷酸二酯键 条件 两条链必须是同一条互补链配对结合的 必须是两条紧邻的DNA链 缺口不能太大 3 DNA的复制过程引发 延伸 终止 复制起点 oric 原核生物的复制起点由422bp组成 其中245bp由重复序列组成 包括三个13bp的重复和四个9bp的重复 GATCTNTTNTTTTTTATNCANA N为任何一个bp 复制起始例E Coli DanA DanB DanC DnaA蛋白单体开始结合到9bp重复序列 20 40个DnaA形成聚合物 DNA开始在13bp处解链 DnaB DnaC蛋白参与复合物 双向复制叉形成 DNA复制过程 概念 预引发是DNA复制中形成RNA引物的准备阶段 预引发体DNA复制起始时在模板链的复制起点处 由复制蛋白因子所构成的复合体 引发为DNA复制起始时合成RNA引物的过程 引发体由预引发体与引发酶结合所形成的一种复制起始复合物 以引发RNA引物的合成 转录激活在DNA复制起始时 由RNA聚合酶通过转录过程在复制起点局部解开双链 并由引发酶和有关蛋白因子结合于解链后的单链上形成引发体 由引发酶催化产生的短链可作为合成先导链和后随链的引物 这个过程叫转录激活 见大肠杆菌ColE 质粒DNA的复制 问题 DNA复制为什么需要有RNA引物来引发 延伸 DNA复制的终止 前导链或冈崎片段合成完成后 由RnaseH或DNApol 的5 3 外切酶除去RNA引物 留下的空隙由DNApol 负责填补 最后由DNA连接酶封闭缺口 生成完整的DNA分子 关于DNA末端复制 线性DNA末端的复制以T7DNA为例 两端形成发夹环状结构例痘病毒 Nick abcdefCBA ABCDEFcba ab ABCDEFc ab ABCfedc 环状DNA的复制形式 一 型复制P101 102 二 滚环复制 174单向复制 三 D 环复制 D loop 存在于线粒体和叶绿体 其特点是两条链复制不同步 另外 还有不需要RNA引物的DNA复制 单链DNA的复制等 在此不再详述 真核细胞DNA的复制 1 复制起点有多个 如酵母的复制起点 称自主复制序列 autonomoslyreplicationsequence ARS 其序列是A TTTTATRTTTA T 每个基因组中总数约400个 使用频率在10 100 之间 在使用时序上 一类是在S期的前期启动邻近序列的复制 另一类于S期的后期使用 将ARS与载体结合后插入适宜的寄主DNA 可诱导复制 2 复制叉例SV40 参与复制的酶和蛋白质 A DNA聚合酶 B 解旋酶打开DNA双螺旋 C 蛋白因子 RF A或RP A可与单链DNA或双链DNA结合 相当于原核生物DNA复制时的SSBP 起稳定单链区的作用 RF C 像一夹子 clamp 将DNApol 和 结合在一起 增殖细胞核抗原 PCNA 是DNApol 的辅助因子 有它存在 前导链和滞后链同时合成 没有则只合成冈崎片段 3 终止 端粒酶 telomerase 一种依赖于RNA的DNA聚合酶 逆转录酶 是一种核酸蛋白复合体结构 能以酶本身的RNA成分上的一个片段 RNA核心 为模板合成端粒重复序列 为染色体的DNA末端加尾 或修补已断裂的染色体末端 维护基因组的遗传稳定性 它由RNA和蛋白质两种成分组成 最早于1985年在四膜虫中发现 最近研究表明 他可能在所有的真核生物细胞中都存在 而且具有相似的结构组成和功能 以上过程重复多次可将多个5 TTGGGG3 重复序列加在3 末端