生物信息传递与调控1.ppt

第四章：生物信息的传递和调控,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通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分子，从而决定生物的表现型DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则DNA,RNA,蛋白质,,,,,复制,转录,反转录,翻译,遗传信息传递的中心法则Central dogma,中心法则的补充： RNA病毒中，其遗传信息储存在RNA中，遗传信息的流向是RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代 通过反转录将遗传信息传递给DNA，再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质 朊病毒是通过改变其他蛋白质的构象来进行自身精确复制的一类蛋白质Protein →Protein，但目前还存在争议,,,？,第一节：DNA的生物合成——复制 第二节：RNA的生物合成——转录 第三节：蛋白质的生物合成——翻译 第四节：细胞化学信号转导,第一节：DNA的生物合成——复制,一、DNA的复制方式 二、参与DNA复制的物质 三、DNA复制过程 四、DNA的损伤与修复 五、逆转录生成DNA,一、DNA的复制方式,半保留复制(semi-conservative replication) DNA在复制时，以亲代DNA的每一股作模板，合成完全相同的两个双链子代DNA，每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链，这种现象称为DNA的半保留复制。

如何证明？,全保留式,,,,,复制可能的几种方式,半保留式,混合式,DNA以半保留方式进行复制，是在1958年由M. Meselson 和 F. Stahl 所完成的实验所证明该实验首先将大肠杆菌在含15N的培养基中培养约十五代，使其DNA中的碱基氮均转变为15N然后将大肠杆菌移至只含14N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，将具有不同密度的DNA分离开Matthew S. Meselson,Franklin William Stahl,密度梯度实验,——实验结果支持半保留复制的设想,半保留复制的意义 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 遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的底物（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,二、参与 DNA 复制的物质,在研究复制时，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,在原核生物中，目前发现的DNA聚合酶有三种，分别命名为DNA聚合酶Ⅰ（DNA polymerase I，简称：Pol I），DNA聚合酶Ⅱ（pol Ⅱ），DNA聚合酶Ⅲ（pol Ⅲ），这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。

参与DNA复制的主要是pol Ⅲ和pol Ⅰ1. DNA 聚合酶,全称：依赖DNA的DNA聚合酶（DNA-dependent DNA polymerase,DDDP）,5 至 3 的聚合活性，催化的反应：,dTTP,,,,,,,,,,,,3',,,(dNMP) n + dNTP  (dNMP) n+1 + ppi,DNA 聚合酶的催化活性,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，并将其水解,核酸外切酶活性,1957年，美国科学家亚瑟·肯伯格（Arthur Kornberg）首次在大肠杆菌中发现DNA聚合酶，这种酶被称为DNA聚合酶I 1970年，德国科学家罗尔夫·克尼佩尔斯（Rolf Knippers）发现DNA聚合酶II（Pol II） 随后，DNA聚合酶III（Pol III）被发现原核生物中主要的DNA聚合酶及负责染色体复制的是Pol III。

原核生物的DNA聚合酶,—— 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 Ⅰ,pol Ⅰ为具有三种酶活性的单一肽链的大分子蛋白质，可被特异的蛋白酶水解为两个片段，其中的大片段保留了两种酶活性,即5‘→3’聚合酶和3‘→5’外切酶活性，通常被称为Klenow 片段Klenow片段的分子结构,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 Ⅲ,pol Ⅲ由十种亚基组成不对称异源二聚体结构，其中亚基具有5'→3'聚合DNA的酶活性，具有复制DNA的功能；而亚基具有3'→5'外切酶的活性，与DNA复制的校正功能有关原核生物中的三种DNA聚合酶,真核生物的DNA聚合酶:,为了保证遗传的稳定，DNA的复制必须具有高保真性DNA复制时的保真性主要与下列因素有关： 1．遵守严格的碱基配对规律； 2．DNA聚合酶在复制时对碱基的正确选择； 3．对复制过程中出现的错误及时进行校正DNA复制的保真性(fidelity)：,2. 解 链、 解 旋 酶 类,(1）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。

2) 单链DNA结合蛋白（single strand binding protein, SSB）,又称螺旋反稳蛋白(HDP)，是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子SSB的生理作用,使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在，即稳定单链DNA，便于其作为模板复制子代DNA； 保护单链DNA，避免核酸酶的降解3) DNA拓扑异构酶,（DNA topoisomerase）,人类拓扑异构酶Ⅰ的分子结构,DNA复制过程中正超螺旋的形成,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DNA拓扑异构酶的作用机制,3. 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）,4. 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 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。

G1,G2,S,M,哺乳动物的细胞周期,DNA合成 (synthesis) 期,,,,,,三、DNA复制过程,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,,,,？,DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起始点(origin) 在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在真核生物中则为多个复制起始点,DNA复制的起始阶段，由下列两步构成： 1．解旋解链，形成复制叉 DnaA蛋白辨认起始点，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（SSB）四聚体结合在两条单链DNA上，形成复制叉（replication fork）1. 复制的起始,2．引发体组装和引物合成 在E. coli中，由解螺旋酶(DnaB蛋白) 、DnaC蛋白(协助DnaB)、引物酶(DnaG蛋白)和DNA复制起始区域形成引发体(primosome) ； 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）引发体的组装,,,,Dna A,Dna B、 Dna C,DNA拓扑异构酶,,,,SSB,3,5,3,5,习惯上把两个相邻DNA复制起始点之间的距离（或DNA片段）定为一个复制子(replicon) 。

复制子是独立完成复制的功能单位 原核生物例如E.coli，是从固定的复制起始点开始 ，同时向两个方向进行复制  称为双向复制（bidirectional replication） 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，真核生物也是双向复制复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）,2. 复制的延长,复制的延长指在DNA聚合酶催化下，以3’→5’方向的亲代DNA链为模板，从5’→3’方向聚合子代DNA链其化学本质是dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，磷酸二酯键不断生成 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δdATP,dGTP,dTTP,dCTP,dTTP,dGTP,dATP,dCTP,OH 3',3',DNA复制的延长过程,先导链 ( 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复制的 半不连续性,,,3 ,5 ,3 ,5 ,,解链方向,,,,,冈崎片段（ Okazaki fragment ）,,,3’,,5’,DNA复制过程简图,DNA聚合酶Ⅲ催化先导链和随从链同时合成,3. 复制的终止,在复制过程中形成的RNA引物，需由RNA酶来水解去除； RNA引物水解后遗留的缺口，由DNA聚合酶Ⅰ（原核生物）或DNA聚合酶（真核生物）催化延长缺口处的DNA，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。

1）去除引物，填补缺口：,（2）连接冈崎片段：,在DNA连接酶的催化下，生成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完整的DNA长链随从链上不连续性片段的连接,DNA复制的过程,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）是指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构部分，通常膨大成粒状真核生物端粒的形成：,线性DNA在复制完成后，其末端由于引物RNA的水解而可能出现缩短故需要在端粒酶（telomerase）的催化下，进行延长反应端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体，它可以其RNA为模板，通过逆转录过程对末端DNA链进行延长端粒酶的分子结构,端粒酶的爬行模型（动画演示）,四、DNA的损伤与修复,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） 从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改变 在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤（DNA damage）,1. 突变的意义,2. 引发突变的因素,由紫外线、电离辐射、X射线等引起的DNA损伤其中，X射线和电离辐射常常引起DNA链的断裂，而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成，如TT，TC，CC等二聚体。

这些嘧啶二聚体由于形成了共价键连接的环丁烷结构，因而会引起复制障碍物理因素：,化学因素：,3. 突变的类型,（1）点突变（point mutation）,—— 指DNA分子上一个碱基的变异,。