基因信息的传递 授课单位 生物化学教研室授课教员 姚真真 第三篇 基因 gene 是为生物活性产物编码的DNA功能片段 这些产物主要是蛋白质或是各种RNA 基因的概念 蛋白质是生命活动的执行者 DNA决定蛋白质的一级结构 从而决定蛋白质的功能 DNA复制将基因信息代代相传 转录 逆转录 翻译 DNA RNA Protein 中心法则 thecentraldogma 复制 1958F Crick1970H Temin 逆转录 复制replication转录transcription翻译translation 基因表达调控 基因工程 本篇内容 第十章DNA的生物合成 复制replication 指遗传物质的传代 以母链DNA为模板合成子链DNA的过程 分子基础 碱基配对DNA双螺旋结构化学本质 酶促的单核苷酸聚合酶蛋白因子起始延长终止 复制 replication 第一节复制的基本规律 1 复制方式 母链 子链 子链继承母链的遗传信息三种可能的方式 重带 全保留复制 含15NDNA的母体菌 普通14NH4Cl培养液 重带 混合式复制 普通14NH4Cl培养液 全保留复制 混合式复制 DNA半保留复制 半保留复制 semiconservativereplication 复制时母链的双链DNA解开 各自作为模板指导子代合成互补链 子代的两条链 一条来自亲代 另一条重新合成 由于碱基互补 子代DNA双链和亲代DNA碱基序列一致 重点 AGAACTTAG TCTTGAATC AGAACTTAG TCTTGAATC AGAACTTAG TCTTGAATC 通过半保留复制 子代DNA和亲代的DNA是一致的 意义 子代保留了亲代DNA的全部信息DNA通过复制和基因表达决定生物特性体现了遗传过程的相对保守性保守性是相对的 不能忽视其变异性 双向复制bidirectionalreplication A放射自显影图像 原核生物DNA的双向复制 B复制示意图 原核生物DNA的双向复制 形 复制叉 复制叉replicationfork复制时双链打开分成两股单链 新链沿着张开的两股单链生成 复制中形成的这种Y字形结构称为复制叉 真核生物复制起始特点多个复制起始点多复制子 复制子是独立完成复制的功能单位 每个起始点产生两个移动方向相反的复制叉 复制完成时复制叉相遇并汇合连接 习惯上把两个起始点间的DNA片段称为一个复制子 复制子 replicon 复制子 领头链Leadingstrand 随从链Laggingstrand 3 半不连续性 3 半不连续性 双向复制 1 半保留复制 复制的基本规律 小结 第二节DNA复制的酶学和拓朴学变化 底物 dNTP dATPdGTPdCTPdTTP 聚合酶 polymerase DNA pol依赖DNA的DNA聚合酶模板 template 解开成单链的DNA母链引物 primer 提供3 OH末端 使dNTP聚合其它酶和蛋白质因子 重点 复制的化学反应核苷酸和核苷酸之间 是通过磷酸二酯键的生成而逐一聚合的 反映的底物是脱氧三磷酸核苷dNTPdNMP脱氧一磷酸核苷 脱氧三磷酸核苷dNTP上最靠近核糖的一个磷酸称为 P 向左依次为 P P P与相邻的核苷酸上的3 OH生成磷酸二酯键 dNTP的 P P以焦磷酸 PPi 形式被释放 5 3 A T G C T C A A A G T G A 3 5 3 5 OH T C T O H P P P 5 G P PP HO dTTPdATPdCTP 复制过程的脱氧核苷酸聚合带斜线的小方框代表引物 DNA聚合酶以DNA为模板 催化DNA合成的酶 大肠杆菌中DNA聚合酶I II III 三种DNA聚合酶均具有5 3 聚合酶活性3 5 外切酶活性 DNA聚合酶I 5 3 外切酶活性 3 5 外切酶及DNA聚合酶活性 Klenow片段 G 5 3 DNApolI A 外切活性 dCTP 聚合活性 G 5 3 C DNA polI无活性 DNApolI的校读功能上 DNApolI的外切酶活性切除错配碱基 并用其聚合酶活性参入正确配对的底物下 碱基配对正确 DNA polI并不表现活性 在复制延长中真正催化核苷酸聚合的酶10种亚基组成的不对称二聚体 组成核心酶 亚基能辨认引物两边的 亚基能夹住模板链 并且能使酶沿着模板链滑动 DNA聚合酶III E coliDNA聚合酶 不对称二聚体 在体外 和 亚基组成核心酶 具有聚合酶和3 5 外切核酸酶活性 亚基执行碱基选择功能二聚体中 两个 亚基形成环状结构包绕DNA双螺旋中的一股 并与核心酶紧密相连 带动核心酶沿DNA模板链滑动 使核心酶催化位点位于复制叉附近 亚基使核心酶形成二聚体 其余5种亚基 形成r复合物 r复合物只与一个单体结合 亚基在DNA上定位和解离都需要r复合物 另一个单体由于不存在r复合物 因此可以进行连续复制 真核生物DNA聚合酶真核生物中现已发现五种DNA聚合酶 分别命名为DNA聚合酶 和 由于DNA聚合酶 是上述五种酶中唯一具有引物酶活性 并且进行连续复制的能力较弱 因此认为该酶的作用主要是合成随从链 而DNA聚合酶 连续复制的能力比DNA聚合酶 强得多 故认为它与领头链的合成有关 真核生物的DNA聚合酶 5种DNA pol DNA pol 复制延长中催化作用 随从链 领头链DNA pol 与DNA polI相似 校对 修复 填补DNA pol 线粒体内DNA pol 在无其它DNA pol时起作用 注意比较真核与原核区别 重点 DNA聚合酶 原核 DNA polIIIIII DNA polI校正复制中错误 填补复制修复空隙可水解为两个片段 小片段 5 3 核酸外切酶活性大片段 Klenow片段工具酶 DNA聚合酶活性3 5 核酸外切酶活性 注意比较真核与原核区别 重点 DNA polII 在无polII III时起作用 功能尚不清楚 DNA polIII 在复制延长中真正催化核苷酸聚合的酶10种亚基组成的不对称二聚体 组成核心酶 具有核苷酸的聚合3 5 外切酶活性 复制的保真性 fidelity 和碱基选择 依赖三种机制碱基配对聚合酶对碱基的选择校读功能 四 复制中的解链和DNA分子拓朴学变化 DNA解螺旋酶大肠杆菌中已发现4种DNA解螺旋酶 DnaA辨认复制起始点DnaB解开DNA双链DnaC运送和协同DnaB 2 DNA拓扑异构酶 当DNA在复制叉部位解链时 其张力会传到双螺旋的其他部位 使双螺旋压缩 超螺旋的数目增加而引起DNA分子打结 缠绕 连环 DNA拓扑异构酶是催化DNA拓扑异构体相互转换的酶 在复制中可释放解链产生的张力 也可在转录和重组中行使类似功能 10 8 A 8 2 B 复制过程正超螺旋的形成B 代表超螺旋解成双链后其下方8个超螺旋被压缩 DNA拓扑异构酶的主要作用是通过水解DNA分子中的某一个部位的磷酸二酯键使超螺旋释放 然后再催化形成磷酸二酯键 I型拓扑异构酶只能水解一条链上的某一个磷酸二酯键 II型拓扑异构酶可以同时水解两条链同一部位的磷酸二酯键 A B C 拓扑酶 OH3 P5 拓扑酶 的作用方式B 是A的局部放大 经拓扑酶I 带斜的卵形 作用后 两个超螺旋 A 变为一个超螺旋环 C 3 单链DNA结合蛋白 singlestrandedDNAbindingprotein SSB 单链DNA结合蛋白与已形成的DNA单链结合使之不能重新形成双链 解开 理顺DNA链 维持DNA单链状态 四引物酶 DnaG 引物酶 复制是在一段RNA引物上 primase 加入脱氧核苷酸 而催化引物合成的RNA聚合酶便是引物酶 引物 primer 引物是由引物酶催化合成的RNA分子长度约为十个至数十个核苷酸合成方向5 3 有了引物提供3 OH末端 DNA复制才能起始 dNTP 相应位置 DNA聚合酶 游离的dNTP聚合 引物酶RNA聚合酶 游离的NTP聚合 需3 OH末端 RNA引物 3 OH末端 ATP ADP Pi DnaG 原核生物复制起始的相关蛋白 连接碱基互补基础上双链中的单链缺口 不能连接单独存在的DNA或RNA单链 五 DNA连接酶 DNALigase PHO 5 P OH3 O PO O O OH3 5 3 5 3 ATP ADP 连接酶 DNA连接酶 ATP ADP 5 P OPO O OH3 O DNA连接的作用 5 上方是在双链酶的作用 下方是把连接的缺口放大 示其化学反应 DNA连接酶 三种酶连接作用比较 重点 DNA聚合酶引物或延长中的新链连接酶复制中不连续的两条单链拓扑酶切断 整理后的两链