第九章 DNA的生物合成

1、DNA的生物合成,第九章,HIV,嚴重急性呼吸綜合癥（Severe Acute Respiratory Syndrome）,禽流感病毒,H5N1禽流感,Crick 中心法則 復制 轉(zhuǎn)錄 翻譯 經(jīng)補充 逆轉(zhuǎn)錄 RNA復制,中心法則,主 要 內(nèi) 容,掌握DNA復制的概念和特點 掌握原核生物DNA合成的過程 掌握逆轉(zhuǎn)錄 了解DNA損傷的修復,1. DNA復制準備 replication,DNA復制 以親代DNA為模板，按照堿基配對的規(guī)律合成出與親代DNA分子相同的兩個子代雙鏈DNA的過程,3. 復制方式,1958年，Meselson 和Stahl利用同位素示蹤法首先證明了DNA的半保留復制。,全保留

2、？ 分散式？ 半保留？,N14/N15,N14/N14,N15/N15,N14/N14,N14/N15,N14/N15,1.1 DNA復制主要特點,半保留復制 子代細胞的DNA雙鏈，其中一股單鏈從親代完整的接受過來，另 一股單鏈完全重新合成。 半保留復制的意義 子代完全保留了親代DNA 的全部遺傳信息。,半保留復制有什么意義？,問： DNA按半保留方式復制。如果一個完全放射標記的雙鏈DNA分子，放在不含有放射標記物的溶液中，進行兩輪復制，所產(chǎn)生的四個DNA分子的放射活性將會怎樣： A半數(shù)分子沒有放射性 B所有分子均有放射性 C半數(shù)分子的兩條鏈均有放射性 D一個分子的兩條鏈均有放射性 E四個分子

3、均無放射性,A半數(shù)分子沒有放射性 B所有分子均有放射性 C半數(shù)分子的兩條鏈均有放射性 D一個分子的兩條鏈均有放射性 E四個分子均無放射性,問： DNA按半保留方式復制。如果一個完全N15放射標記的雙鏈DNA分子，放在不含有放射標記物N14的溶液中，在第n代中N14 /N14的數(shù)量為 。,2n-2,1.2 DNA復制的條件,高能的底物：dATP、dGTP、dCTP dTTP。 酶：DNA聚合酶、解旋酶、拓撲異構(gòu)酶、 單鏈DNA結(jié)合蛋白、引物酶、DNA連 接酶等。,1.3 原核生物的酶類,DNA解螺旋酶（DNA helicase） (2)單鏈結(jié)合蛋白(SSB) single-strand bind

4、ing protein (3)DNA聚合酶（DNA polymerases） (4)引物酶（primase） (5)拓撲異構(gòu)酶（topoisomerase） (6)DNA連接酶（DNA ligase）,DNA解螺旋酶，也叫解鏈酶，就是催化DNA雙螺旋解鏈 大腸桿菌中有解螺旋酶活性的蛋白質(zhì)已發(fā)現(xiàn)有十多種，它們都有依賴雙鏈DNA的 ATPase 活性，依靠水解ATP提供解鏈所需要的能量。,（1）DNA解螺旋酶（DNA helicase）,DNA 雙螺旋經(jīng)解螺旋酶解鏈形成的單鏈很快被單鏈結(jié)合蛋白所覆蓋，使解鏈DNA保持單鏈狀態(tài)。,（2）單鏈結(jié)合蛋白 （single-strand binding pr

5、otein,SSB）,在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了三種DNA聚合酶，分別命名為DNA聚合酶I、II、III。 1999發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶IV、V,(3)DNA聚合酶（DNA polymerases）,DNA的合成有沒有方向性？ DNA聚合酶為多功能酶，有聚合作用， 又有外切作用，互相矛盾，怎樣解釋？,DNA聚合酶I 它的主要功能是參與DNA修復，切除RNA引物。 DNA聚合酶 它的主要功能可能是參與DNA的損傷修復。（具體不祥） DNA聚合酶 寡聚酶，DNA聚合酶才是催化大腸桿菌DNA復制主要的酶。,進行性肌營養(yǎng)不良,唇裂,大腸桿菌的DNA復制需要由引物酶合成一小段RNA作為DNA合成的引物，因為所有的D

6、NA聚合酶都只有按模板鏈的指令，在引物3 -OH端延伸新鏈的功能，沒有從頭開始合成的活力。 合成RNA做引物有什么好處？,（4）引物酶（primase）,DNA的合成具有方向性，那么兩條新 合成鏈上需要的引物數(shù)目是否相同？,請看動畫,引起拓撲異構(gòu)反應的酶稱為拓撲異構(gòu)酶。DNA復制時模板DNA超螺旋的松弛和復制后超螺旋的再恢復都需要拓撲異構(gòu)酶的參與。 按照作用機制，拓撲異構(gòu)酶可分為、兩種類型。,（5）拓撲異構(gòu)酶（topoisomerase）,拓撲異構(gòu)酶也叫旋轉(zhuǎn)酶(gyrase)。 拓撲異構(gòu)酶在有ATP功能的情況下，可引入負超螺旋，可消除復制叉前進時產(chǎn)生的扭曲張力，它和拓撲異構(gòu)酶一起共同控制著DN

7、A的拓撲結(jié)構(gòu)。,請看動畫,拓撲異構(gòu)酶. 它可先切開DNA雙螺旋的一條鏈，同時牽動另一條鏈通過切口，再把切斷的鏈重新連接上。拓撲異構(gòu)酶可消除負超螺旋，對正超螺旋無作用。,動 畫,DNA連接酶催化單鏈DNA切口共價連接。 注意： 切口上的3 -OH與5 -磷酸基必須相鄰 大腸桿菌DNA連接酶利用依賴NAD+，真核細胞則需要ATP為反應供能。,（6）DNA連接酶（DNA ligase）,DNA解螺旋酶（DNA helicase） (2)單鏈結(jié)合蛋白(SSB) (3)DNA聚合酶（DNA polymerases） (4)引物酶（primase） (5)拓撲異構(gòu)酶（topoisomerase） (6)D

8、NA連接酶（DNA ligase）,請看動畫,問： 參加DNA復制的酶類包括：（1）DNA聚合酶；（2）解鏈酶；（3）DNA聚合酶；（4）RNA聚合酶（引物酶）；（5）DNA連接酶。其作用順序是： A（4）、（3）、（1）、（2）、（5）B（2）、（3）、（4）、（1）、（5） C（4）、（2）、（1）、（5）、（3） D（4）、（2）、（1）、（3）、（5） E（2）、（4）、（1）、（3）、（5）,2. DNA復制的過程,(1)復制的起始 解鏈及復制叉的形成 引發(fā)體、引物酶、引物RNA的形成 (2)鏈的延伸 前導鏈和滯后鏈、岡崎片段的形成 (3)鏈的終止 引物的切除和缺口的填補 后隨鏈DN

9、A片段的連接、連接酶,2.1 復制的起始,首要問題是什么？,原核細胞染色體的復制只能從一個特定位點開始，在另一個特定位點上終止。像這樣能獨立進行復制的單位稱為復制子（replicon）。 此外，質(zhì)粒DNA和細胞器DNA都只有一個復制起點；,真核細胞基因的線狀DNA上含有多個復制起點，是多復制子的。,真核細胞DNA鏈較原核生物長很多，聚合速度又較慢，如何解決？,一些特殊的蛋白質(zhì)可以識別并結(jié)合于復制起點，隨即使DNA雙螺旋局部解鏈，形成“復制眼”，在其兩端DNA的兩股鏈呈Y字狀，稱為復制叉，分別向兩側(cè)進行復制。,2.2 鏈的延伸,當復制引發(fā)過程完成之后，DNA聚合酶即結(jié)合到DNA模板上，在RNA引

10、物3OH后面合成新的DNA鏈。,DNA復制時， 5TpApGpAp3序列產(chǎn)生的互補結(jié)構(gòu)是下列哪一種： A5TpCpTpAp3 B5ApTpCpTp3 C5UpCpUpAp3 D5GpCpGpAp3 E3 TpCpTpAp5,當復制叉沿DNA模板向前移動時，新生成的DNA方向與復制叉移動方向相同嗎？ 為什么？,選擇若以走向為35的親代鏈為模板，子代鏈就能連續(xù)合成，稱為前導鏈（leading strand）,若以走向為5 3 的親代鏈為模板,子代鏈就先合成許多小片段，再由DNA聚合酶切除片段上的引物，填補片段之間的空缺，最后由連接酶把它們連接成一條完整的子代鏈，稱為滯后鏈（lagging stra

11、nd）,解鏈方向,岡崎片段： 滯后鏈的合成是以親代5 3 為模板鏈，先合成一些小的片段，然后再將這些片段連成一條新鏈，這些小的DNA片段 半不連續(xù)復制：DNA復制中，一條新鏈是按5 3 的方向（與復制叉移動的方向相同）連續(xù)合成，另一條新鏈則按5 3 方向（與復制叉移動方向相反）不連續(xù)合成。,2.3 復 制 的 終 止,RNA引物的切除： 5 3 外切酶 缺口的填補：DNA聚合酶I 切口的連接：DNA連接酶，需能NAD+,DNA polymerase I replaces the RNA primers by DNA sequences and DNA ligase seals the nicks,3. 復制的保真性,嚴格遵守堿基的配對原則 聚合酶在復制延長中，對堿基的選擇功能 復制出錯時,有即時的校讀功能： 3 5 外切酶活性（作用于單鏈）,4. 逆轉(zhuǎn)錄合成DNA,以RNA為模板合成DNA，這與通常轉(zhuǎn)錄過程中遺傳信息從DNA到RNA的過程相反，故稱為逆轉(zhuǎn)錄。 逆轉(zhuǎn)錄酶 還原性病毒,逆轉(zhuǎn)錄過程,逆轉(zhuǎn)錄酶具有: 依賴于RNA的DNA聚合酶