【化学课件】第十一章 核酸的生物学功能及RNA的生物合成(转录)

《【化学课件】第十一章 核酸的生物学功能及RNA的生物合成(转录)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【化学课件】第十一章 核酸的生物学功能及RNA的生物合成(转录)（207页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,,,*,第十一章 核酸的生物学功能及RNA的生物合成(转录),,,,第十一章 核酸的生物学功能及RNA的生物合成(转录),1,第一部分 DNA的生物合成,,,第一部分 DNA的生物合成,2,本章重点与难点,,重点：掌握中心法则；半保留复制、半不连续复制、反转录、基因工程的概念；参与DNA复制的有关酶类和蛋白质及DNA的复制过程；DNA损伤修复的方式。,难点：对DNA的半保留复制、半不连续复制的理解。,,,本章重点与难点,3,遗传的中心法则,1958年Crick提出以DNA为中心的遗传信息的传递规律，即D

2、NA贮存的遗传信息通过复制传给子代DNA，通过转录传给RNA，再通过翻译传给蛋白质。遗传信息传递方向的这个规律被称为～。,DNA,,RNA,,,,蛋白质,复制,复制,转录,翻译,,反转录,1970年Temin和Baltimore发现RNA病毒的RNA可通过反转录（逆转录）将遗传信息传给cDNA，也可通过RNA复制或RNA转录传给子代RNA，这是对中心法则的补充。,1997年疯牛病和朊病毒的出现，预示蛋白质也可逆向将遗传信息向DNA传递。,,？,,,遗传的中心法则 1958年Crick提出以DN,4,,,,复制（,DDDP,）,,,转录（,DDRP,）,,翻译,,DNA

3、 mRNA,蛋白质,,,,反转录（,RDDP,）,,,RNA,,,,复制（,RDRP,）,,,,,,,,,,,,,,复制（DDDP）,5,DNA是由四种脱氧核糖核酸所组成的长链大分子，是遗传信息的携带者。,生物体的遗传信息就贮存在DNA的四种脱氧核糖核酸的排列顺序中。,,,DNA是由四种脱氧核糖核酸所组成的长链大分子，是遗传信息的携,6,复制(,replication),是指遗传物质的传代，以亲代（母链）,DNA,为模板合成子链,DNA,的过程。,复制,亲代DNA,子代DNA,,,复制(replication)复制亲代DNA子代DNA,7,一、,DNA,复制的

4、基本规律,（一般原理）,Basic Rules of DNA Replication,,,,一、DNA复制的基本规律,8,复制的方式,——半保留复制(semi-conservative replication),,复制的高保真性(high fidelity),,双向复制(bidirectional replication),,半不连续复制(semi-discontinuous replication),,,复制的方式,9,（一）,DNA复制是半保留复制(semi-conservative replication),DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板(template)按

5、碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全从新合成。两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。这种复制方式称为,半保留复制,。,半保留复制的概念,,,（一）DNA复制是半保留复制(semi-conservati,10,A,G,G,T,A,C,T,G,C,C,A,C,T,G,G,T,C,C,A,T,G,A,C,G,G,T,G,A,C,C,C,C,A,C,T,G,G,G,G,T,G,A,C,C,A,G,G,T,A,C,T,G,T,C,C,A,T,G,A,C,T,C,C,A,T,G,A,C,A,G,G,T,A,C,T,G,A,G,G,T,

6、A,C,T,G,C,C,A,C,T,G,G,T,C,C,A,T,G,A,C,G,G,T,G,A,C,C,A,G,G,T,A,C,T,G,C,C,A,C,T,G,G,T,C,C,A,T,G,A,C,G,G,T,G,A,C,C,+,母链,DNA,,复制过程中形成的复制叉,子代,DNA,,,,ATCGATTAATAT+母链DNA 复制过程中形成的复制叉,11,子链继承母链遗传信息的几种可能方式,,全保留式 半保留式 混合式（散布式）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,子链继承母链遗传信息的几种可能方式 全保留式 半保,12,DNA以半保留方式进行复制，是

7、在1958年由M. Meselson 和 F. Stahl 所完成的密度飘移实验所证明。该实验首先将大肠杆菌在含,15,N的培养基中培养约十五代，使其DNA中的碱基氮均转变为,15,N。将大肠杆菌移至只含,14,N的培养基中同步培养一代、二代、三代。分别提取DNA，作密度梯度离心，可得到下列结果：,,,,,DNA以半保留方式进行复制，是在1958年由M. Mesel,13,——实验结果支持,半保留复制,的设想。,含重氮-DNA的细菌,培养于普通培养液,,第一代,继续培养于普通培养液,第二代,梯度离心结果,,,——实验结果支持半保留复制的设想。含重氮-DNA的细菌培养,14,按半保留复制方式，子

8、代,DNA,与亲代,DN,A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,。,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,。,,,按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子,15,原核生物复制时，DNA从原点,(起始点，origin),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,。,（二）DNA复制是固定起点的双向复制,,,,复制中的放射自显影图象,,,原核生物复制时，DNA从原点 (起始点，origin)向两个,16,,,【化学课件】第十一章 核酸的生物学功能及RNA的生物合成(转录),17,A. 环

9、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(termination, ter),,,,,,,,,,ori,,,,,,,,,,ter,A B C,,,A. 环状双链DNA及复制起始点oriterA,18,真核生物每个染色体有多个复制原点，是多复制子的复制。,习惯上把两个相邻复制原点之间的距离定为一个,复制子(replicon),。复制子是能够独立完成复制的功能单位。,,,真核生物每个染色体有多个复制原点，是多复制子的复制。,19,5,’,3,’,o

10、ri,ori,ori,ori,5,’,3,’,,,5,’,5,’,3,’,3,’,,,,,,,5,’,5,’,3,’,,,,,,复制子,,3,’,,,5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’,20,（三）DNA复制是半不连续复制,3,,5,,3,,5,,解链方向,3´,5,´,3,´,3´,5´,,领头链,(leading strand),随从链,(lagging strand),,,（三）DNA复制是半不连续复制3535解链方向3´5,21,顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为,先导链,或,领头链,。,另一股链因为复制的方向与解链方向相反，

11、不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为,随后链,或,随从链,。复制中的不连续片段（约1000个核苷酸）称为,岡崎片段(okazaki fragment，1968),。,,先导链连续复制而随后链不连续复制，称为半不连续复制或复制的,半不连续性,。,,,,顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为先导链或,22,,由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因此，随从链的合成也是一段一段的。DNA在复制时，由随从链所形成的一些子代DNA短链称为,冈崎片段,(Okazaki fragment)。,冈崎片段的大小，在原核生物中约为1000～2000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核

12、苷酸。,,,,由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因此，随从链的合成也,23,（四）需要引物,参与DNA复制的DNA聚合酶，必须以一段具有3’端自由羟基（3’-OH）的,RNA,作为,引物(primer),，才能开始聚合子代DNA链。,RNA引物的大小，在原核生物中通常为50～100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。RNA引物的碱基顺序，与其模板DNA的碱基顺序相配对。,,,（四）需要引物,24,二、,DNA,复制的酶学,（DNA复制相关的酶和蛋白质）,The Enzymology of DNA Replication,,,二、DNA复制的酶学,25,参与,DNA,复制的物质,底物

13、,(,substrate):,,,dATP, dGTP, dCTP, dTTP,聚合酶,(polymerase):,,依赖DNA的DNA聚合酶，简写 为 DDDP或DNA-pol,模板,(template) :,解开成单链的DNA母链,引物,(primer):,,提供3,,-OH末端使dNTP可以依次聚合,,其他的酶和蛋白质因子,,,参与DNA复制的物质 底物(substrate): dAT,26,,,目 录,,,,,目 录,27,聚合反应的特点,DNA 新链生成需,引物,和,模板,DNA复制是模板依赖性的，必须要以亲代DNA链作为模板。亲代DNA的两股链解开后，可分别作为模板

14、进行复制。,,新链的延长只可沿,5, →,3,,方向进行（模板方向为,3,, →,5,,，合成方向为,5, →,3,,。）,,,聚合反应的特点DNA 新链生成需引物和模板,28,（二）,DNA,聚合酶,全称：,DNA依赖的DNA聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase),简称：,DNA-pol,活性：,1,. 5,,3,,的聚合活性,2. 核酸外切酶活性,,,（二）DNA聚合酶全称： DNA依赖的DNA聚合酶 (DNA,29,,,目 录,5´ A G C T T C A G G A T,A,,,3´,,| | |

15、 | | | | | | | |,3´ T C G A A G T C C T A G C G A C 5´,3, ,5,,外切酶活性,,,5, ,3,,外切酶活性,?,能切除突变的 DNA片段和RNA引物。,能辨认错配的碱基对，并将其水解。,核酸外切酶活性,,,,,目 录5´ A G C T T C A,30,,,【化学课件】第十一章 核酸的生物学功能及RNA的生物合成(转录),31,1、原核生物的,DNA,聚合酶,DNA-pol,Ⅰ,DNA-pol,Ⅱ,DNA-pol

16、,Ⅲ,,,1、原核生物的DNA聚合酶DNA-pol Ⅰ,32,催化DNA聚合,参与DNA损伤的应急状态修复,修复合成、切除引物、填补空隙,功能,20,40,400,分子数/细胞,10,1,1,亚基数,+,-,+,5, 外切酶活性,+,+,+,,5,外切酶活性,+,+,+,5, 聚合酶活性,pol III,pol II,pol I,,E. Coli,中的,DNA,聚合酶,,,催化DNA聚合参与DNA损伤的应急状态修复修复合成、切除引物,33,原核生物的,DNA,聚合酶,,,原核生物的DNA聚合酶,34,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。

17、,DNA-pol Ⅰ,（109kD）,,,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,35,323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,,,,N 端,C 端,木瓜蛋白酶,DNA-pol Ⅰ,Klenow片段是实验室合成DNA，进行分子生物学研究中常用的工具酶。,,,,,323个氨基酸小片段5  核酸外切酶活性大片段/Kl,36,,,【化学课件】第十一章 核酸的生物学功能及RNA的生物合成(转录),37,DNA-pol,Ⅱ,（120kD）,,DNA-po

18、l II,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。,,,,DNA-pol Ⅱ（120kD） DNA-pol II基因,38,功能：,是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。,,DNA-pol Ⅲ,：由十种亚基组成，其中α亚基具有5'→3'聚合DNA的酶活性，因而具有复制DNA的功能；而ε亚基具有3'→5'外切酶的活性，因而与DNA复制的校正功能有关。,,(250kD),,,功能：是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。 DNA-po,39,2、真核生物的DNA聚合酶,DNA-pol,,起始引发，有引物酶活性。,延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。,参与低保真度

19、的复制 。,在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。,在,线粒体DNA,复制中起催化作用。,DNA-pol,,DNA-pol,,DNA-pol,,DNA-pol,,,,2、真核生物的DNA聚合酶DNA-pol 起始引发，有引物,40,真核生物的DNA聚合酶,,,真核生物的DNA聚合酶,41,在真核生物中，目前发现的DNA聚合酶有五种，分别命名为DNA聚合酶α（pol α），DNA聚合酶β（pol β），DNA聚合酶γ（pol γ），DNA聚合酶δ（pol δ），DNA聚合酶ε（pol ε）。,其中，参与染色体DNA复制的是pol α（延长随从链）和pol δ（延长领头链），参与线粒

20、体DNA复制的是pol γ，polε与DNA损伤修复、校读和填补缺口有关，pol β只在其他聚合酶无活性时才发挥作用。,,,,在真核生物中，目前发现的DNA聚合酶有五种，分别命名为DNA,42,（三）复制保真性的酶学依据,复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能准确传代的基本原理。,复制保真性的酶学机制：,DNA-pol,的核酸外切酶活性和及时校读,,复制的保真性和碱基选择,,,（三）复制保真性的酶学依据复制按照碱基配对规律进行，是遗传信,43,1、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， DN

21、A-pol不表现活性。,,,1、DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读A：DNA-po,44,2、复制的保真性和碱基选择,•,DNA,聚合酶靠其大分子结构协调非共价（氢键）与共价（磷酸二酯键）键的有序形成。,• 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,。,,,,,2、复制的保真性和碱基选择• DNA聚合酶靠其大分子结构协调,45,1. 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。,DNA复制的保真性至少要依赖三种机制,,,,1. 遵守严格的碱基配对规律；DNA复制的保真性至少要

22、依赖三,46,（四）复制中的分子解链及,DNA,分子拓扑学变化,,DNA,分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把,DNA,解成单链，它才能起模板作用。,,,,（四）复制中的分子解链及DNA 分子拓扑学变化 DNA分子的,47,1、解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白,,,1、解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白,48,目 录,,,,,,,目 录,49,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,引物酶(primase),——复制起始时催化生成RNA引物的酶,单链DNA结合蛋白(single stranded DNA binding protein,

23、SSB),——在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整,,,,解螺旋酶(helicase),50,单链DNA结合蛋白,单链DNA结合蛋白（single strand binding protein, SSB）又称螺旋反稳蛋白（HDP）。这是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子。其作用为：① 使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在，即稳定单链DNA，便于以其为模板复制子代DNA；② 保护单链DNA，避免核酸酶的降解。,,,,单链DNA结合蛋白,51,解螺旋酶（unwinding enzyme） ，又称解链酶或rep蛋白，是用于解开DNA双链的酶蛋白，每解开一对碱基，需消耗两分子ATP。目前发

24、现存在至少存在两种解螺旋酶。,,,,解螺旋酶（unwinding enzyme） ，又称解链酶或,52,引发体(primosome)由引发前体与引物酶（primase）组装而成。,引物酶本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP），该酶以DNA为模板，聚合一段RNA短链引物(primer)，以提供自由的3'-OH，使子代DNA链能够开始聚合。,,,,引发体(primosome)由引发前体与引物酶（primas,53,,,,,,,,,,,10,,,,,,,,,,,8,局部解链后,2、DNA拓扑异构酶(DNA topoisomerase),,,,10 8 局部解链后2、DNA拓扑异构酶(DN

25、A topo,54,,,,,目 录,,,目 录,55,拓扑异构酶作用特点,既能水解 、又能连接磷酸二酯键,拓扑异构酶Ⅰ,,拓扑异构酶Ⅱ,分 类,,,拓扑异构酶作用特点 拓扑异构酶Ⅰ分 类,56,拓扑异构酶Ⅰ,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Ⅱ,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。,作用机制,,,,拓扑异构酶Ⅰ切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结,57,,,,,目 录,,,目 录,58,（五）,

26、DNA,连接酶,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。,DNA连接酶(DNA ligase)作用方式,,,（五）DNA连接酶连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5,59,HO,5,’,3,’,3,’,5,’,DNA连接酶,,ATP,ADP,5,’,3,’,5,’,3,’,,,HO5’3’3’5’DNA连接酶ATPADP5’3’5’3’,60,DNA连接酶催化的条件是：① 需一段DNA片段具有3'-OH，而另一段DNA片段具有5'-Pi基；②,未封闭的缺口位于双链DNA中,，即其中有一条链是完整的；③

27、需要消耗能量，在,原核生物中由NAD,+,供能,，在,真核生物中由ATP供能,。,,,,DNA连接酶催化的条件是：① 需一段DNA片段具有3'-OH,61,DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。,在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。,也是基因工程的重要工具酶之一。,功能,,,DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。功能,62,三、,DNA,生物合成过程,The Process of DNA Replication,,,三、DNA生物合成过程,63,1、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）合成引物，提供3,-OH末端。,（一）原核生物的,DN

28、A,生物合成,,,,1、复制的起始需要解决两个问题：1） DNA解开成单链，提供,64,E.coli复制起始点 oriC,GATTNTTTATTT,···,GATCTNTTNTATT,···,GATCTCTTATTAG,···,1 13 17 29 32 44,···,TGTGGATTA-,‖,-TTATACACA-,‖-,TTTGGATAA-,‖-,TTATC

29、CACA,58 66 166 174 201 209 237 245,串联重复序列,反向重复序列,,,,,,,,5,,3,,5,,3,,a,. DNA解链,,,E.coli复制起始点 oriC GATTNTTTATTT,65,,,,,,,,Dna A,Dna B、 Dna C,DNA拓扑异构酶,引物酶,SSB,,,,,,,,,,,,,3,,5,,3,,5,,b,. 引发体和引物,含

30、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。,,,,Dna A Dna B、 Dna CDNA,66,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3,,5,,3,,5,,引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。,,引物,3,',HO,5',引物酶,,,3535引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。 引,67,复制的起始,DNA复制的起始阶段，由下列两步构成。,预引发：,1．解旋解链，形成复制叉：,由拓扑异构酶和解链酶作用，使DNA的超螺旋及双螺旋结构解开，碱基间氢键断裂，形成两条单链DNA。单链DNA结合蛋白（

31、SSB）结合在两条单链DNA上，形成复制叉。,DNA复制时，局部双螺旋解开形成两条单链，这种叉状结构称为,复制叉,。,,,复制的起始,68,2．引发体组装：,由蛋白因子（如dnaB等）识别复制起始点，并与其他蛋白因子以及引物酶一起组装形成引发体。,,,,2．引发体组装：,69,引发：,,在引物酶的催化下，以DNA为模板，合成一段短的RNA片段，从而获得3'端自由羟基（3'-OH）。,,,,引发：,70,2、复制的延长,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。,,,,2、复制的延长复制的延长指在DNA

32、-pol催化下，dNTP以,71,聚合子代DNA：,由DNA聚合酶催化，以3'→5'方向的亲代DNA链为模板，从5'→3'方向聚合子代DNA链。在原核生物中，参与DNA复制延长的是,DNA聚合酶Ⅲ；而在真核生物中，是DNA聚合酶α(延长随从链)和δ（延长领头链）,。,,,,聚合子代DNA：,72,引发体移动：,,引发体向前移动，解开新的局部双螺旋，形成新的复制叉，随从链重新合成RNA引物，继续进行链的延长。,,,,引发体移动：,73,,,【化学课件】第十一章 核酸的生物学功能及RNA的生物合成(转录),74,5',3',5',dATP,dGTP,dTTP,dCTP,dTTP,dGTP,dATP

33、,dCTP,OH 3',3,',,DNA-pol,,,5' 3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTP,75,领头链的合成,,,领头链的合成,76,,随从链的合成,,,随从链的合成,77,,,【化学课件】第十一章 核酸的生物学功能及RNA的生物合成(转录),78,阶段一,阶段二,,,阶段一阶段二,79,阶段三,阶段四,,,阶段三阶段四,80,复制过程简图,,,复制过程简图,81,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。,,ori,ter,,E.coli,,,,,82,32,,,,,,ori,ter,SV40,50,0,3、复制的终止,,,原核生物基因

34、是环状DNA，双向复制的复制片段在复制的终止点(,82,,,5,,5,,5,,RNA酶,,OH,P,5,,DNA-pol Ⅰ,dNTP,5,,,5,,P,ATP,ADP+Pi,,,5,,5,,DNA连接酶,随从链上不连续性片段的连接,,,555RNA酶OHP5DNA-pol ⅠdNTP5,83,,,【化学课件】第十一章 核酸的生物学功能及RNA的生物合成(转录),84,去除引物，填补缺口：,,在原核生物中，由,DNA聚合酶Ⅰ,来水解去除RNA引物，并由该酶催化延长引物缺口处的DNA，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。而在真核生物中，RNA引物的去除，由一种特殊的核酸酶来

35、水解，而冈崎片段仍由DNA聚合酶来延长。,,,,去除引物，填补缺口：,85,连接冈崎片段：,,在DNA连接酶的催化下，形成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完整的DNA长链。,,,,连接冈崎片段：,86,哺乳动物的细胞周期,DNA合成期,,G,1,G,2,S,M,,,,,（二）真核生物的,DNA,生物合成,,• 细胞能否分裂，决定于进入S期及M期这两个关键点。G1→S及G2→M的调节，与蛋白激酶活性有关。,• 蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而实施调控作用。,,,哺乳动物的细胞周期DNA合成期G1G2SM（二）真核生物的D,87,• 真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复

36、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。,• 复制的起始需要DNA-polα（引物酶活性）和polδ（解螺旋酶活性）参与。还需拓扑酶和复制因子(replication factor, RF)。,,1、复制的起始,,,• 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,88,3,,5,,5,,3,,领头链,3,,5,,3,,5,,亲代DNA,,,,,,,,,,,随从链,引物,核小体,2、复制的延长,,,3553领头链3535亲代DNA随从链引物核,89,染色体DNA呈线状，复制在末端停止。,复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连接。,染

37、色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物，去除后留下空隙。,3、复制的终止,,,染色体DNA呈线状，复制在末端停止。3、复制的终止,90,,5,,3,,3,,5,,,5,,3,,3,,5,,+,5,,3,,3,,3,,3,,5,,5,,,,53355335+5333355,91,,,【化学课件】第十一章 核酸的生物学功能及RNA的生物合成(转录),92,切除引物的两种机制,,,切除引物的两种机制,93,端粒(telomere),指真核生物染色体线性,DNA,分子末端的结构。,功能,• 维持染色体的稳定性,• 维持,DNA,复制的完整性,

38、结构特点,• 由末端单链DNA序列和蛋白质构成。,• 末端DNA序列是多次重复的富含G、C碱基的短 序列。,TTTT,GGGG,TTTT,GGGG,…,,,端粒(telomere)指真核生物染色体线性DNA分子末端的,94,端粒酶,(telomerase),端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR),端粒酶协同蛋白(human telomerase associated protein 1, hTP1),端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase, hTRT),,组成,,,端粒酶(telomerase)端粒酶RNA (

39、human t,95,端粒酶的催化延长作用,爬行模型,,,端粒酶的催化延长作用爬行模型,96,DNA聚合酶复制子链,进一步加工,,,DNA聚合酶复制子链进一步加工,97,四、逆转录和其他复制方式,Reverse Transcription and Other DNA Replication Ways,,,四、逆转录和其他复制方式,98,逆转录酶,(reverse transcriptase),逆转录,(reverse transcription),RNA,DNA,,逆转录酶,（一）逆转录病毒和逆转录酶,,,,逆转录酶(reverse transcriptase),99,,反转录（revers

40、e transcription）：以RNA为模板，合成DNA。与通常转录过程中遗传信息流从DNA到RNA的方向相反。,1970年，Temin 和Baltimore分别从致癌RNA病毒（劳氏肉瘤病毒和鼠白血病病毒）中发现发反转录酶。,致癌RNA病毒是一大类能引起鸟类、哺乳类等动物白血病、肉瘤以及其它肿瘤的病毒。这类病毒侵染细胞后并不引起细胞死亡，却可以使细胞发生恶性转化。经过改造后可以作为基因治疗的载体。,放线菌素D（抑制以DNA为模板的反应，复制和转录）能抑制致癌RNA病毒的复制，可见致癌RNA病毒的复制过程必然涉及DNA。,Bader 用嘌呤霉素（puromycin）来抑制静止细胞蛋白质的

41、合成，发现这种细胞仍能感染劳氏肉瘤病毒（RSV），证实反转录酶是由反转录病毒带入细胞的，而不是感染后在宿主细胞中新合成的。,,,【化学课件】第十一章 核酸的生物学功能及RNA的生物合成(转录),100,反转录酶,由一个α亚基和一个β亚基组成，含有Zn,2+,，具有三种酶活力。,（1）RNA指导的DNA聚合酶活力（以RNA为模板，合成一条互补的DNA，形成RNA—DNA杂种分子）。,（2）RNase H酶活力，水解RNA—DNA杂种分子中的RNA，可沿3,’,→5,’,和5,’,→3,’,两个方向起外切酶作用。,（3）DNA指导的DNA聚合酶活力。,模板：RNA或DNA,以自身病毒类型的RNA为

42、模板时，该酶的反转录活力最大，但是带有适当引物的任何种类的RNA都能作为合成DNA的模板。,引物：RNA或DNA,底物：,dNTP,二价阳离子：,Mg,2+,或Mn,2+,真核mRNA3,’,端有polyA，加入oligo dT后，可以作为反转录酶的模板，合成cDNA。,,,反转录酶,101,逆转录病毒细胞内的逆转录现象,RNA 模板,逆转录酶,DNA,-RNA,杂化双链,RNA酶,单链,DNA,逆转录酶,双链,DNA,,,逆转录病毒细胞内的逆转录现象RNA 模板逆转录酶DNA-RN,102,逆转录酶,,A AA A,,T T T T,AAAA,SI核酸酶,,,DNA,聚合酶,Ⅰ,,碱水解,,

43、T T T T,,分子生物学研究可应用逆转录酶，作为获取基因工程目的基因的重要方法之一，此法称为,cDNA,法。,,以,mRNA,为模板，经逆转录合成的与,mRNA,碱基序列互补的,DNA,链。,,试管内合成,cDNA,cDNA,complementary DNA,,,逆转录酶 A AA A T T T TAAAASI核酸酶 D,103,（二）逆转录研究的意义,,逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中的重大发现。,,逆转录现象说明：至少在某些生物，RNA同样兼有遗传信息传代与表达功能。,对逆转录病毒的研究，拓宽了20世纪初已注意到的病毒致癌理论。,,,,（二）逆转录研究的意义 逆转录酶和

44、逆转录现象，是分子生物学研,104,滚环复制,(rolling circle replication),（三）滚环复制和,D,环复制,,是某些低等生物的复制形式，如,X,174和M13噬菌体等。,,,滚环复制(rolling circle replicati,105,,,,,,,,,3,,-OH,5,,-P,,,,,,5,,5,,5,,3,,3,,3,,3,,5',,滚环复制,,,,,5',,5,,3,,3,,5,,,,3-OH5-P55533335'滚环复制5,106,,,,,,,,,,,,,dNTP,DNA-pol,γ,,D环复制(D-lo

45、op replication),,是线粒体DNA (mitochondrial DNA，mtDNA)的复制形式。,,,,dNTPDNA-pol γ D环复制(D-loop rep,107,五、DNA,损伤（突变）与修复,DNA Damage (Mutation) and Repair,,,五、DNA损伤（突变）与修复,108,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。,在复制过程中发生的DNA突变称为,DNA损伤(DNA damage),。,一些物理化学因子如紫外线、电离辐射和化学诱变剂均可引起DNA损伤，破坏其结构与功能。然而在一定条件下，生物机体能使这种损伤得到修复。,,从

46、分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改变。,,,,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。在复制,109,（一）突变的意义,1、突变是进化、分化的分子基础,2、突变导致基因型改变,3、突变导致死亡,4、突变是某些疾病的发病基础,,,,,（一）突变的意义1、突变是进化、分化的分子基础,110,（二）引发突变的因素,物理因素,紫外线(ultra violet, UV)、各种辐射,,UV,,,（二）引发突变的因素物理因素 紫外线(ultra viol,111,,,【化学课件】第十一章 核酸的生物学功能及RNA的生物合成(转录),112,化学因素,,,化学因素,113,（三）突变的

47、分子改变类型,错配 (mismatch),缺失 (deletion),插入 (insertion),重排 (rearrangement),,框移,(frame-shift),,,,（三）突变的分子改变类型错配 (mismatch)框移,114,DNA分子上的碱基错配称,点突变(point mutation),。,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,1、错配,,,DNA分子上的碱基错配称点突变(point mutation,115,镰形红细胞贫血病人Hb (HbS),β亚基,N,-val,,·,,h

48、is,,·,,leu,,·,,thr,,·,,pro,·,,val,,·,,glu,,·,,·,,·,,·,,·,,·,,C,肽链,C,A,C G,T,G,基因,正常成人Hb (HbA),β,亚基,N,-val,,·,,his,,·,,leu,,·,,thr,,·,,pro,·,,glu,,·,,glu,,·,,·,,·,,·,,·,,·,,C,肽链,C,T,C G,A,G,基因,,,镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) β亚基N-val · h,116,2、缺失,、,插入,和框移,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

49、大分子中间。,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。,,缺失或插入都可导致,框移突变,,。,,,2、缺失、插入和框移缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分,117,谷 酪 蛋 丝,5’ ……,G,C,A,,G U A,,C A U,,G U C,……,丙 缬 组 缬,正常,5’ ……,G A G,,U A C,,A U G,,U C …,…,缺失,C,缺失引起框移突变,,,谷 酪 蛋,118,3、

50、重排,DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。,,,,3、重排DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。,119,由基因重排引起的两种地中海贫血基因型,,,由基因重排引起的两种地中海贫血基因型,120,（四）,DNA,损伤的修复,修复(repairing,),,是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复为原有的天然状态。,光修复(light repairing),切除修复(excision repairing),重组修复(recombination repairing),SOS修复,,修复的主要类型,,,（四）DNA损伤的修复修复(repairing) 光修复(l,121,1、光修复,光修复

51、酶,(photolyase),,UV,,,1、光修复光修复酶(photolyase) UV,122,,,【化学课件】第十一章 核酸的生物学功能及RNA的生物合成(转录),123,,,,,UvrA,UvrB,,UvrC,,,OH,P,DNA聚合酶Ⅰ,OH,P,2、切除修复,是细胞内最重要和有效的修复机制，主要由,DNA-pol,Ⅰ和连接酶完成。包括切－补－切－封四个步骤。,DNA连接酶,ATP,E.coli的切除修复机制,,,UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶ⅠOHP2、切除修,124,,,【化学课件】第十一章 核酸的生物学功能及RNA的生物合成(转录),125,3、重组修复,,,,3

52、、重组修复,126,,切除修复发生在DNA复制之前，而当DNA发动复制时尚未修复的损伤部位，可以先复制，再重组修复。,在重组修复过程中，DNA链的损伤并未除去。,重组修复至少需要4种酶组分。,重组基因recA编码一种分子量为40000的蛋白质，它具有交换DNA链的活力。RecA蛋白被认为在DNA重组和重组修复中均起关键作用。,recB、recC基因分别编码核酸外切酶V的两个亚基。,此外，修复合成还需要DNA聚合酶和连接酶。,,,,127,,,【化学课件】第十一章 核酸的生物学功能及RNA的生物合成(转录),128,4、,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

53、。,在E. coli，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。通过SOS修复，复制如能继续，细胞是可存活的。然而DNA保留的错误较多，导致较广泛、长期的突变。,,,4、SOS修复当DNA损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出一,129,诱导修复和应急反应（,SOS,反应）,诱导修复是细胞DNA受到严重损伤或DNA复制系统受到抑制的紧急情况下，为求得生存而出现的一系列诱导性修复。,SOS反应诱导的修复系统包括避免差错的修复（无差错修复）和倾向差错的修复。,避免差错的修复：SOS反应能诱导光复活切除修复和重组修复中

54、某些关键酶和蛋白质的产生，从而加强光复活切除修复和重组修复的能力，这属于避免差错的修复。,倾向差错的修复：SOS反应还能诱导产生缺乏校对功能的DNA聚合酶，它能在DNA损伤部位进行复制而避免了死亡，可是却带来了高的突变率，这属于倾向差错的修复。,,,诱导修复和应急反应（SOS反应）,130,第二部分 RNA的生物合成,,,第二部分 RNA的生物合成,131,本章重点与难点,,重点：掌握RNA生物合成方式、酶类及合成后加工，RNA合成后加工的意义，RNA合成的起始与终止、RNA的复制、核酶。,难点：RNA合成的起始与终止；真核生物RNA转录后加工；核酶。,,,本章重点与难点,132,一、转录,(

55、transcription),生物体以,DNA,为模板合成,RNA,的过程,。,,转录,RNA,,DNA,,,,,,,一、转录 (transcription) 转录RNADNA,133,复制和转录的区别,,,复制和转录的区别,134,参与转录的物质,原料:,,NTP (ATP, UTP, GTP, CTP),,模板:,,DNA,,酶:,,RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol),,其他蛋白质因子,,,参与转录的物质原料: NTP (ATP, UTP, GTP,135,（一）转录模板,DNA上为一种或几种蛋白质的全部氨基酸编码的核苷酸顺序称为,基因,。,DNA分子上编码蛋

56、白质的基因片段，称为,结构基因(structural gene),。,DNA上有重复基因、重叠基因和不连续基因。,DNA上插入而不编码的序列称为内含子,被间隔的编码蛋白质的基因部分称为外显子。,,,（一）转录模板 DNA上为一种或几种蛋白质的全部氨基酸编码的,136,5,′···GCAGTACATGTC,···3′,3,′··· c g t g a t g t a c a g,···5′,5,′···GCAGUACAUGUC,···3′,N···,···Ala,·,Val,·,His,·,Val,······C,编码链,模板链,mRNA,蛋白质,转录,翻译,DNA双链中按碱基配对规律能指导转

57、录生成RNA的一股单链，称为,模板链,(template strand),，也称作,有意义链,或,Watson链,。相对的另一股单链是,编码链(coding strand),，也称为,反义链,或,Crick链,。,,,5′···GCAGTACATGTC ···3′3′··· c,137,,,,,5,,3,,3,,5,,模板链,编码链,编码链,,模板链,结构基因,转录方向,转录方向,,,53模板链编码链编码链模板链结构基因转录方向转录方向,138,不对称转录,(asymmetric transcription),,在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录 ；

58、,模板链并非永远在同一条单链上。,,,,不对称转录(asymmetric transcription,139,（二),RNA,聚合酶,1、原核生物的,RNA,聚合酶,,,（二)RNA聚合酶1、原核生物的RNA聚合酶,140,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),,,,,,,,,,,,,核心酶 (core enzyme)全酶 (holoenzym,141,RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,,,RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,142,2、真核生物的,RNA,聚合酶,,,2、真核生物的RNA聚合酶,143,（三）模板上酶的辨认、结合,原核生物

59、一个转录区段可视为一个转录单位，称为,操纵子(operon),，包括若干个,结构基因,及其上游(upstream)的,调控序列,。,,,5,,3,,3,,5,,,结构基因,调控序列,,RNA-pol,RNA聚合酶结合模板DNA的部位，称为,启动子(,promoter),。,,,（三）模板上酶的辨认、结合原核生物一个转录区段可视为一个转录,144,开始转录,T T G A C A,A A C T G T,-35 区,(Pribnow box),T A T A A T Pu A T A T T A Py,-10 区,1,-30,-50,10,-10,-40,-20,5,,3,,3,,

60、5,,原核生物启动子保守序列,RNA-pol辨认位点,(recognition site),5,,,5,,RNA聚合酶保护区,结构基因,,3,,3,,,,开始转录T T G A C A-35 区(Pribnow b,145,TATA,盒,CAAT,盒,GC,盒,,增强子,,,顺式作用元件,结构基因,-GCGC---CAAT---TATA,,,转录起始,真核生物启动子保守序列,,,TATA盒 CAAT盒 GC盒 增强子 顺式作用元件 结,146,1）转录起始,转录起始需解决两个问题：,RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。,DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。,（

61、四）原核生物的转录过程,,,1）转录起始转录起始需解决两个问题：（四）原核生物的转录过程,147,2. DNA双链解开,1. RNA聚合酶全酶(,2)与模板结合,3. 在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物,RNApol (,,2,,) - DNA - pppGpN- OH 3,,转录起始复合物:,5,,-pppG -OH +,,NTP,,5,,-pppGp,N,,- OH 3,,+ ppi,转录起始过程,,,2. DNA双链解开1. RNA聚合酶全酶(2)与,148,2）转录延长,1.,,亚基脱落，RNA–pol聚合酶核心酶变构

62、，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；,,2. 在,核心酶,作用下，,NTP,不断聚合，RNA链不断延长。,(NMP),n,,+,,NTP,,(NMP),n+1,,+,PPi,,,2）转录延长1. 亚基脱落，RNA–pol聚合酶核心酶变构,149,转录空泡,(transcription bubble)：,RNA-pol,（核心酶）,,····,DNA,,····,RNA,,,转录空泡(transcription bubble)：RNA,150,,,【化学课件】第十一章 核酸的生物学功能及RNA的生物合成(转录),151,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5,,3,,,,,,,

63、,DNA,,,原核生物转录过程中的羽毛状现象,核糖体,RNA,RNA聚合酶,,,53DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体RNARN,152,依赖Rho (,ρ,)因子的转录终止,非依赖Rho因子的转录终止,3）转录终止,指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。,分类,,,依赖Rho (ρ)因子的转录终止3）转录终止指RNA聚合酶在,153,A T P,1. 依赖 Rho因子的转录终止,,,A T P1. 依赖 Rho因子的转录终止,154,2. 非依赖 Rho因子的转录终止,DNA,模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出,RNA,后

64、，,RNA,产物形成特殊的结构来终止转录。,,,2. 非依赖 Rho因子的转录终止DNA模板上靠近终止处，有,155,5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU,... 3`,5`UUG,CAGCCUGA,CAAA,UCAGGCUG,AUGGCUGGUGACUUUUU,AGUC,ACCA,GCCU,UUUU,... 3`,,RNA,,5,,TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT,... 3,,DNA,,UUUU,...…,UUUU,...…,,

65、,5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAU,GGCUGGUGACU,UUUU,AGUCACCAGCC,UUUUU,... 3`,,,茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构,,,5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGC,156,茎环结构使转录终止的机理,使RNA聚合酶变构，转录停顿；,使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。,,,5´pppG,5,3,,3,5,,,RNA-pol,,,茎环结构使转录终止的机理 使RNA聚合酶变构，转录停顿；5´,157,（五）真核生物的转录起始,1）转录起始,真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录

66、起始时，,RNA-pol,不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。,,,（五）真核生物的转录起始1）转录起始真核生物的转录起始上游区,158,,,,转录起始点,TATA盒,CAAT盒,GC盒,增强子,顺式作用元件,(cis-acting element),1.,转录起始前的上游区段,,AATAAA,,,,切离加尾,转录终止点,修饰点,外显子,翻译起始点,内含子,OCT-1,,OCT-1：,ATTTGCAT,八聚体,,,转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒 增强子顺式作用元件(,159,2.,转录因子,能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，现已发现数百种，统称为,反式作用因子(trans-acting factors),。,反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为,转录因子(transcriptional factors, TF),。,,,2. 转录因子 能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋,160,参与,RNA-polⅡ,转录的,TFⅡ,,,,参与RNA-polⅡ转录的TFⅡ,161,3.,转录起始前复合物,(pre-initiation compl