4第四章 遗传信息的复制_1.ppt

1、第四章 遗传信息的复制,生命的特征是什么？ 生命的特征就是“活的”。生命现象最本质的内容就是自复制（自我繁殖和自我组织。一个受精卵为什么变成一朵鲜花或一头大象？生物的性状是由什么决定的？又是怎样代代相传的呢？人也是从受精卵逐渐发育成完整的个体的，而决定一个人将来长成什么样子的生命蓝图就储存在受精卵的DNA中。DNA（或RNA）携带着决定蛋白质结构的遗传信息而且代代相传，这就我们遗传信息的传递（即复制、转录和翻译）要讨论的内容。 为什么要讲复制？就是要了解： 子代DNA为什么能真实获得亲代DNA的遗传信息； 2、复制是怎样进行的？ 3、生物体是怎样对复制进行调控的？ 对于前两个问题，watson

2、-crick当年发表DNA双螺旋结构就进行了探讨。克立克晚年回忆说，当年的设想太简单化了，DNA的两条链不可能象拉链一样拉开，各配上一半就行了。事实上现已知道的复制过程十分复杂，涉及到底物，30多种酶和蛋白质的协同作用。 这些内容生化都讲过了，为了适应新的游戏规则，在这里我们将有关内容作一个快速复习。, 储存和传递遗传信息,蛋白质,核 酸, 构成生物体的基本组分， 执行各种生理功能,中心法则 (The Central Dogma),转 录,翻 译,逆转录,DNA,RNA,蛋白质,复 制,* DNA通过基因表达，决定了蛋白质的结 构、功能,* DNA通过复制，将基因信息代代相传,* RNA参与D

3、NA遗传信息的表达,* RNA也可作为某些病毒遗传信息的载体,复制 (replication) 由亲代DNA合成两个相同 的子代 DNA的过程。,本章主要内容：,1、复制的特征,2、参与复制的物质,3、复制的过程,4、DNA损伤与修复,5、逆转录生成DNA,第一节 复制的特征,DNA复制的方式,一、复制可能的几种方式,全保留式 半保留式 混合式,二、密度梯度实验,实验结果支持半保留复制的设想,(semiconservative replication),当DNA进行复制时，双螺旋结构解开成两条单链，各自作为模板合成与之互补的新链。在子代DNA双链中，一条是来自于亲代，另一条完全重新合成 。,这

4、种复制方式称为半保留复制,三、半保留复制,母代DNA,子代DNA,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。,四、半保留复制的意义,遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。,DNA复制的酶学,第二节,参与 DNA 复制的物质 ： 底物（substrate):dATP，dGTP，dCTP，dTTP； 聚合酶(polymerase):依赖DNA的DNA聚合酶简写为 DNA-pol 模板 (template) : 解开成单链的DNA母链； 引物 (primer) : 一小段RNA； 其他的酶和蛋白质因子,在研究复制时，

5、将与复制有关的蛋白质命名为： Dna A, Dna B, Dna C, Dna X,将相关的基因命名为： dna A, dna B, dna C, dna X,一、DNA 聚合酶,（一） DNA聚合酶催化的反应,1、5 至 3 的聚合活性,dTTP,3,(dNMP) n + dNTP (dNMP) n+1 + ppi,聚合反应的特点：,1、聚合反应具有方向性: 5 3 ,2、DNA 聚合酶不能催化两个游离 的脱氧核苷酸聚合，只能在一段寡核苷 酸的 3 - OH 逐个添加脱氧核苷酸，使核 苷酸链不断延长。,3 5 外切酶活性,5 3 外切酶活性,?,能切除突变的 DNA片段,能辨认错配的碱基对，

6、并将其水解,2、核酸外切酶活性,（二） DNA聚合酶的分类,1、原核生物的DNA聚合酶：,DNA-pol DNA-pol DNA-pol , 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和引物切除。,DNA-pol ,323个氨基酸,小片段,5 核酸外切酶活性,大片段 / Klenow 片段,604个氨基酸,DNA聚合酶活性 5 核酸外切酶活性,常用工具酶,在复制延长过程中真正催化新链核苷酸聚合的酶,DNA-pol ,2、真核生物的DNA聚合酶,DNA - pol ,在复制延长中起催化作用,在复制延长中起催化作用,在没有其他DNA-pol时才发挥催化作用,在复制过程中起校读、修复和

7、填补缺口的作用,在线粒体 DNA复制中起催化作用,DNA - pol ,DNA - pol ,DNA - pol ,DNA - pol ,大肠杆菌DNA聚合酶全酶的结构和功能,延长因子,DNA聚合酶异二聚体,核心酶,校对,引物的结合和识别,促使核心酶二聚化,大肠杆菌三种DNA聚合酶比较,DNA 聚合酶,分子量 每个细胞的分子统计数 5-3 聚合酶作用 3-5 核酸外切酶作用 5-3 核酸外切酶作用 转化率,DNA 聚合酶,109，000 400 + + + 1,120，000 100 + + - 0 .05,400，000 10-20 + + - 50,比较项目,DNA 聚合酶,切除引物 修复

8、,修复,复制,功能,1999年发现聚合酶 和，它们涉及DNA的错误倾向修复（errooune repair）,（三） 复制的保真性 ( fidelity ),DNA聚合酶对模板的依赖性，是子链与母链能准确配对的保证。,复制过程中，DNA复制的保真性至少依赖三种机制：,1、遵守严格的碱基配对规律 2、聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能 3、复制出错时DNA-pol的及时校读功能,二、解 链、 解 旋 酶 类,(一） 解螺旋酶 （ helicase ), 利用 ATP 供能，作用于氢键， 使DNA双链解开成为两条单链。,(二) 单链DNA结合蛋白（SSB）,(三）DNA拓扑异构酶,（DNA top

9、oiSOmerase）,拓扑异构酶作用特点： 既能水解 、又能连接磷酸二酯键,解链过程中，DNA分子会过度拧紧、打结、缠绕、连环等现象，均需DNA拓扑异构酶，改变DNA分子构象，理顺DNA链，使复制能顺利进行。,* 作用机制：,三、引物酶和引发体,引物酶与其他和复制有关的蛋白质形成的复合物。,引发体（primosome）,四、DNA连接酶 ( DNA ligase ),连接DNA链 3- OH末端和相邻DNA链5- P末端，使二者生成磷酸酯键 ，从而把两段相邻的DNA链连接成完整的链。,DNA连接酶在DNA修复、重组、剪接中也起连接缺口的作用。,DNA生物合成过程,第三节,G1,G2,S,M,

10、哺乳动物的细胞周期,DNA合成 (synthesis) 期,一、复制的起始,需要解决两个问题：,1、DNA解开成单链，提供模板,2、生成引物，提供 3-OH 末端,相关的几个概念：,1、复制起始点（E.coli-oriC）,复制时DNA双链解开分成二股单链新链沿着张开的二股单链生成，复制中形成的这种 Y 字形的结构称为复制叉,2、复制叉（replication fork）,3、双向复制,DNA的双向和单向复制,DNA的双向和单向复制,DnaA蛋白辨认起始点,形成起始复合物,在多种蛋白质参与下，DNA解开成单链,HU蛋白促进起始,SSB维持单链稳定,3,5,5,3,SSB,Dna A,Dna B

11、,Dna C,DNA拓扑异构酶,真核生物的染色体庞大、复杂，有多个复制起始点，同时进行多个DNA片段的复制。,两个起始点之间的DNA片段，称为一个复制子（replicon）。,真核生物也是双向复制,二 、复制的延长,DNA聚合酶催化游离的脱氧核苷酸结合到新链3末端，使其不断延长。,（一）复制延长的过程,前导链 ( leading strand ) 顺着解链方向生成的子链，其复制是连续进行的，所得到一条连续片段的子链。,（二）复制的 半不连续性,3 ,5 ,3 ,5 ,解链方向,冈崎片段（ Okazaki fragment ）,3,5,三 、复制的终止,原核生物的复制终止,复制叉2,复制叉1,终

12、止复制叉2,终止复制叉1,复制叉1,复制叉2,完成复制,DNA拓扑异构酶,连锁染色体,原核生物多为环状DNA分子，双向复制的复制片段在复制的终止点（ ter ）处汇合。,2，随从链上不连续性片段的连接,真核生物的复制终止,1，染色体DNA呈线状，复制在末端停止,2，连接不连续片段,端粒（ telomere ）,真核生物染色体线性DNA分子末端的结构,端粒酶（ telomerase）,真核和原核DNA细胞复制比较,四、其他复制方式,滚环复制,rolling circle replication,DNA损伤与修复,第四节,遗传物质的结构改变而引起的遗传 信息改变，均可称为突变 mutation）,

13、在复制过程中发生的DNA突变称为 DNA损伤（DNA damage）,从分子水平来看，突变就是DNA分 子上碱基的改变。,一 、突变的意义,二 、引发突变的因素,物理因素： 紫外线、各种辐射,化学因素：,三、突变的类型,（一）点突变（point mutation）, 指DNA分子上一个碱基的变异,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。,1、转换,发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。,2、颠换,（二）缺失（deletion）、插入 ( insertion ),缺失：一个碱基或一段核苷酸链从 DNA大分子上消失。,插入：原来没有的一个碱基或一段核 苷酸链插入到DNA

14、大分子中间。,插入和缺失引起的突变称为框移突变,( frame-shift mutation ),（三）重排（rearrangement）, DNA分子内发生较大片断的交 换，也称为重组。,四、DNA 损伤的修复,修复（DNA repairing 是针对已发生了的缺陷而进行的补救机制 主要有光修复、切除修复、重组修复和SOS修复等。,（一）光修复（ light repairing ）,E.coli的切除修复机制,（四） SOS修复,当DNA损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出一系列复杂的反应。,各种与修复有关的基因，组成一个称为调节子（ regulon ）的网络式调控系统。,这种修复特异性低 ，对碱基的识别、选择能力差