遗传信息的复制.ppt

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,目 录,遗传信息的复制,Replication,第 四 章,第一节,DNA,的复制,复制,(,replication),是指遗传物质的传代，在细胞分裂过程中以母链,DNA,为模板合成子链,DNA,的过程复制,亲代,DNA,子代,DNA,一、,DNA,复制的基本特点,复制的起始点（,origin,）,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),、单向复制,半不连续复制,(semi-discontinuous replication),复制子,(,replicon,),是基因组中能独立进行复制的 功能单位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,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,目 录,A.,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,(termination,ter,),ori,ter,A B C,DNA,生物合成时，母链,DNA,解开为两股单链，各自作为模板,(template),按碱基配对规律，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,按半保留复制方式，子代,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,原核生物复制时，,DNA,从,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,双向复制,5,3,ori,ori,ori,ori,5,3,5,5,3,3,5,5,3,复制子,3,复制的半不连续性,3,5,3,5,解链方向,3,5,3,3,5,领头链,(leading strand),随从链,(lagging strand),半不连续复制,顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为,领头链,另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为,随从链,复制中的不连续片段称为,岡崎片段,(,okazaki,fragment),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,。

复制的化学反应,(,dNMP),n,+,dNTP,(dNMP),n+1,+,PPi,目 录,聚合反应的特点,DNA,新链生成需,引物,和,模板,；,新链的延长只可沿,5,3,方向进行二、原核生物染色体,DNA,的复制,（一）参与,DNA,复制的物质,底物,(,substrate,),:,d,ATP,dGTP,dCTP,dTTP,DNA,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):,提供,3,-OH,末端使,dNTP,可以依次聚合,其他的酶和蛋白质因子,1,、,DNA,聚合酶,全称：,依赖,DNA,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,参与,DNA,复制的酶与蛋白质,5,A G C T T C A G G A T,A,3,|,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。

能辨认错配的碱基对，并将其水解核酸外切酶活性,目 录,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,（,109kD,）,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,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DNA-,pol,（,120kD,）,DNA-,pol,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功能,是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶DNA-,pol,(250kD),原核生物的,DNA,聚合酶,（二）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,（二）真核生物的,DNA,聚合酶,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：,（一）,DNA-,pol,的核酸外切酶活性和及时校读,（二）复制的保真性和碱基选择,（一）,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,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,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2,、,3,、解螺旋酶、引物酶和单链,DNA,结合蛋白,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,SSB),在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整,10,8,局部解链后,（二）,DNA,拓扑异构酶,(DNA,topoisomerase,),解链过程中正超螺旋的形成,目 录,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,拓扑异构酶,分 类,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作用机制,目 录,4,、,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,HO,5,3,3,5,DNA,连接酶,ATP,ADP,5,3,5,3,目 录,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,复制过程,The Process of DNA Replication,起始 延长 终止,（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.,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,GATTNTTTATTT,GATCTNTTNTATT,GATCTCTTATTAG,1 13 17 29 32 44,TGTGGATTA-,-TTATACACA-,-,TTTGGATAA-,-,TTATCCACA,58 66 166 174 201 209 237 245,一致性序列,一致性序列,5,3,5,3,1,.,DNA,解链,Dna,A,Dna,B,、,Dna,C,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,3,HO,5,引物酶,（二）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5,3,5,dATP,dGTP,dTTP,dCTP,dTTP,dGTP,dATP,dCTP,OH 3,3,DNA-,pol,目 录,领头链的合成,目 录,随从链的合成,目 录,目 录,复制过程简图,目 录,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,（三）复制的终止,5,5,5,RNA,酶,OH,P,5,DNA-,pol,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,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3,-OH,5,-P,5,5,5,3,3,3,3,5,滚环复制,5,5,3,3,5,目 录,dNTP,DNA-,pol,D,环复制,(D-loop replication),是线粒体,DNA(mitochondrial DNA,，,mtDNA,),的复制形式。

目 录,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G1S,及,G2M,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,(replication factor,RF),增殖细胞核抗原,(proliferation cell nuclear antigen,PCNA),在复制起始和延长中起关键作用一）复制的起始,3,5,5,3,领头链,3,5,3,5,亲代,DNA,随从链,引物,核小体,（二）复制的延长,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色体两端,DNA,子链上最后复制的,RNA,引物，去除后留下空隙三）复制的终止,5,3,3,5,5,3,3,5,+,5,3,3,3,3,5,5。