DNA的生物合成 (复制)

DNABiosynthesis Replication 第十一章DNA的生物合成 复制 复制是指以亲代DNA为模板合成子链DNA的过程 BasicRulesandSystemofDNAReplication 第一节复制基本规律与体系 一 复制的基本规律 一 半保留复制 1 概念DNA合成时 以亲代DNA解开的两股单链为模板 按碱基配对规律 合成子代DNA的过程 子代DNA 一股单链来源于亲代 另一股单链为新合成 子代和亲代的DNA碱基序列一致 这种复制方式称为半保留复制 1 密度梯度实验 实验结果支持半保留复制的设想 含重氮 DNA的细菌 第一代 第二代 梯度离心结果 2 半保留复制的实验依据和意义 2 子链继承母链遗传信息的几种可能方式 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 是物种稳定性的分子基础 但不是绝对的 3 半保留复制的意义 1 原核生物复制时 DNA从起始点向两个方向解链 形成两个延伸方向相反的复制叉 称为双向复制 三 双向复制 环状双链DNA及复制起始点B 复制中的两个复制叉C 复制接近终止点 二 固定起始点 复制是从具有特异碱基序列的复制起始点开始 原核生物 一个起始点 真核生物 多个起始点 2 真核生物每个染色体有多个起始点 是多复制子的复制 习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一个复制子 复制子是独立完成复制的功能单位 四 复制的半不连续性 领头链 leadingstrand 随从链 laggingstrand 顺解链方向生成的子链 复制为连续进行 称为领头链 另一股链复制方向与解链方向相反 不能顺着解链方向连续延长 称为随从链 复制中不连续片段称为岡崎片段 okazakifragment 领头链连续复制而随从链不连续复制 就是复制的半不连续性 1 DNA pol的核酸外切酶活性和及时校读 A DNA pol的外切酶活性切除错配碱基 并用其聚合活性掺入正确配对的底物 B 碱基配对正确 DNA pol不表现活性 五 复制的高保真性 2 复制保真性的碱基选择 a DNA聚合酶靠其大分子结构协调非共价 氢键 与共价键 磷酸二酯键 的有序形成 b 嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型 与相应的嘧啶形成氢键配对 嘌呤应处于反式构型 3 DNA复制保真性依赖三种机制 a 遵守严格的碱基配对规律 b 聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能 c 复制出错时DNA pol的及时校读功能 二 DNA复制的体系 一 底物 substrate dATP dGTP dCTP dTTP 二 模板 template 解开成单链的DNA母链 三 引物 primer 提供3 OH末端使dNTP可以依次聚合的RNA DNA 片断 四 酶和蛋白因子 1 DNA聚合酶 全称为依赖DNA的DNA聚合酶 DNA dependentDNApolymerase 简称DNA pol 1 活性 5 3 的聚合活性 3 5 外切酶活性能辨认错配的碱基对 并将其水解 5 3 外切酶活性能切除突变的DNA片段 大肠杆菌E coli中的三种DNA聚合酶 DNA pol 109kD 小片段 5 核酸外切酶活性 大片段 Klenow片段 DNA聚合酶活性 5 核酸外切酶活性 N端 C端 DNA pol Klenow片段是实验室合成DNA的常用工具酶 功能 对复制中的错误进行校读 对复制和修复中出现的空隙进行填补 DNA pol 120kD DNA polII基因发生突变 细菌依然能存活 它参与DNA损伤的应急状态修复 功能 是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶 DNA pol 250kD 3 真核生物的DNA聚合酶 1 解螺旋酶 helicase 利用ATP供能 打开氢键 使DNA双链解开成为两条单链 2 引物酶 primase 复制起始时催化生成RNA引物的酶 3 单链DNA结合蛋白 singlestrandedDNAbindingprotein SSB 在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整 2 其他酶与蛋白因子 拓扑异构酶 切断DNA双链中一股链 使DNA解链旋转不致打结 适当时候封闭切口 DNA变为松弛状态 反应不需ATP 拓扑异构酶 切断DNA分子两股链 断端通过切口旋转使超螺旋松弛 利用ATP供能连接断端 DNA分子进入负超螺旋状态 4 DNA拓扑异构酶 DNAtopoisomerase 指理顺DNA链 改变超螺旋状态的酶 分为I型和II型 5 DNA连接酶 DNAligase 连接DNA链3 OH末端和相邻DNA链5 P末端 使二者生成磷酸二酯键 从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链 第二节DNA复制的过程 TheProcessofDNAReplication 一 复制的起始 需要解决两个问题 DNA解开成单链 提供模板 合成引物 提供3 OH末端 一 原核生物的DNA生物合成 E coli复制起始点oriC 1 DNA解链的起始点 DnaA DnaB DnaC DNA拓扑异构酶 引物酶 SSB 3 5 3 5 2 引发体和引物 含有解螺旋酶 DnaC蛋白 引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体 3 5 3 5 引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子 引物 引物酶 OH3 3 复制的延长指在DNA pol催化下 dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上 其化学本质是磷酸二酯键的不断生成 二 复制的延长 领头链的合成 1 领头链的延长 领头链沿着5 3 方向可以连续的延长 2 随从链的延长 复制简图 复制延长动画 1 原核生物基因是环状DNA 双向复制的复制片段在复制的终止点 ter 处汇合 三 复制的终止 2 随从链上不连续性片段的连接 二 真核生物的DNA生物合成 真核生物DNA复制在细胞周期的S期进行 也可分为起始 延长和终止三个阶段 每个阶段的基本过程与原核生物DNA复制相似 但存在不少差异 1 真核生物每个染色体有多个起始点 是多复制子复制 复制有时序性 即复制子以分组方式激活而不是同步起动 2 复制的起始需要DNA pol 引物酶活性 和pol 解螺旋酶活性 参与 还需拓扑酶和复制因子 replicationfactor RF 3 增殖细胞核抗原 proliferationcellnuclearantigen PCNA 在复制起始和延长中起关键作用 一 复制的起始 二 复制的延长 真核生物的聚合酶 催化子链的延长 并有校正功能 引物和冈崎片段 约200bp 都比较短 1 染色体DNA呈线状 复制在末端停止 2 复制中岡崎片段的连接 复制子之间的连接 3 染色体两端DNA子链上复制的RNA引物 去除后留下空隙 三 复制的终止 1 端粒 telomere 指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构 四 端粒与端粒酶 4 端粒酶 telomerase 端粒酶RNA humantelomeraseRNA hTR 端粒酶协同蛋白 humantelomeraseassociatedprotein1 hTP1 端粒酶逆转录酶 humantelomerasereversetranscriptase hTRT 5 端粒酶催化作用的爬行模型 真核DNA复制后 两个5 末端的引物被切除 缺口无法填补 故DNA将面临多次复制而逐渐缩短的问题 第三节DNA损伤与修复 突变 Mutation 是指DNA分子中碱基序列的改变 又称为DNA损伤 DNAdamage 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 DNADamageandRepair 一 引发突变的因素 1 物理因素紫外线 ultraviolet UV 各种辐射 一 自发因素 二 诱发因素 复制过程中发生的突变 可发生10 16频率的突变 2 化学因素 3 生物因素 如逆转录病毒等 三 突变的类型 DNA分子上的碱基错配称点突变 pointmutation 1 转换 发生在同型碱基之间 即嘌呤代替另一嘌呤 或嘧啶代替另一嘧啶 2 颠换 发生在异型碱基之间 即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤 1 错配 mismatch 2 重排 rearrangement DNA分子内较大片段的交换 称为重组或重排 3 缺失 deletion 插入 insertion 和框移 frame shift 1 缺失 一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失 2 插入 原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到DNA大分子中间 3 缺失或插入都可导致框移突变 框移突变是指三联体密码的阅读方式改变 造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变 二 DNA损伤的修复 修复 repairing 是对已发生分子改变的补偿措施 使其回复原有的天然状态 二 切除修复 是细胞内最重要和有效的修复机制 主要由D