生物化学核酸生物合成.ppt

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1、反映了从反映了从DNARNA蛋白质的遗传信蛋白质的遗传信息主息主流，揭示了生物体内遗传信息的贮流，揭示了生物体内遗传信息的贮存、传递和表达的规律。存、传递和表达的规律。 转录转录RNA翻译翻译蛋白质蛋白质DNA RNA （病毒）（病毒）复制复制翻译翻译 蛋白质蛋白质 （病毒）（病毒）反转录反转录复制复制ATGC第一节第一节 DNA的生物合成的生物合成Biosynthesis of DNA& DNADNA DNA复制复制& RNADNA 反转录反转录两种方式两种方式一、一、DNADNA的复制的复制& 基本概念基本概念 以参与反应的以参与反应的要素进行定义要素进行定义& 必须具备的基本条件必须具备

2、的基本条件 模板模板：母链：母链DNADNA 原料原料：dNTP (dNTP (包括包括dATPdATP、dGTPdGTP、 dCTPdCTP、dTTP) dTTP) 酶和蛋白质因子酶和蛋白质因子： 引物引物：一小段：一小段RNA RNA 能量能量（ATPATP）及某些）及某些无机离子无机离子DNA的复制的方式的复制的方式-1958, Messelson and Stahl实验证实实验证实DNA半保留复制半保留复制 Watson 和和Crick 提出的提出的DNA 双螺旋复制模型双螺旋复制模型含含15N-DNA的细菌的细菌培养于普培养于普通培养液通培养液第一代第一代重重DNA普通普通DNA普通

3、普通DNA细菌的细菌的DNA双链双链(黄黄线的代表含线的代表含15N)DNA半保留复制的证据半保留复制的证据 可排除全保留式可排除全保留式Why?母链母链全保留式全保留式半保留式半保留式混合式混合式重重DNA普通普通DNA排除全保留式排除全保留式培养第一代结果培养第一代结果重重DNA普通普通DNA参与参与DNADNA复制的酶类与复制的酶类与蛋白质因子及其主要作用蛋白质因子及其主要作用1. 拓扑异构酶（topoisomerase,Topo） 无无ATPATP时时：作用相当于：作用相当于Topo,Topo,但切割的是但切割的是双链双链DNADNA某一部位某一部位( (断双链断双链) )。 有有AT

4、PATP时时：使带断口、松弛状的：使带断口、松弛状的DNADNA分子旋紧分子旋紧转变成负超螺旋结构，再连接断端。转变成负超螺旋结构，再连接断端。 不需耗能不需耗能(ATP)(ATP)，切割，切割( (断断) )双链双链DNADNA中的中的一一链链，松解螺旋，松解螺旋, , 封闭切口。又称封闭切口。又称切割封口酶。切割封口酶。TopoTopo的作用的作用 Topo(Topo(又称旋转酶又称旋转酶) )的作用的作用 2. 解链酶解链酶(又称又称解螺旋酶或螺旋酶解螺旋酶或螺旋酶,helicase)解链酶 作用：作用：断裂互补碱基间的氢键断裂互补碱基间的氢键,使使DNA双双链分离形成链分离形成“复制叉

5、复制叉”。具有这种功能的是一。具有这种功能的是一类酶类酶如复制蛋白如复制蛋白(rep蛋白蛋白)、解链酶、解链酶II等等。 3.3.单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白(DNA(DNA结合蛋白结合蛋白) )(single stranded DNA-binding protein, SSB)作用作用：防止重新形成双防止重新形成双 链和防止单链模板链和防止单链模板被核酸酶水解被核酸酶水解, ,维持维持DNADNA单链状态和完整性单链状态和完整性. .4.引物酶引物酶(Primase)RNA的合成：需引物酶，它是一种特殊的合成：需引物酶，它是一种特殊的的RNA聚合酶。聚合酶。 DNA不能从无不能从无有

6、合成，需在一小有合成，需在一小段段RNA基础上合成基础上合成DNA5 3 55 53y原核生物原核生物（E.coli）迄今已知只有）迄今已知只有3种：种：DNA pol、 DNA pol、 DNA pol。y真核生物真核生物 亦发现有多种亦发现有多种DDDP：DDDP 、 、 、 、 。y其性质与功能其性质与功能 见表见表12-1 P293 和表和表12-2 P297 5. DNA聚合酶聚合酶（DNA polymerase, DNA pol） 即依赖于即依赖于DNA的的DNA聚合酶（聚合酶（DDDP）3 模板链模板链 5 DDDP 5 3 聚合作用示意图聚合作用示意图 5 3 6. DNA连接

7、酶连接酶(DNA Ligase)作用：作用：在有模板指导的条件下，催化在有模板指导的条件下，催化2 2个个 DNADNA片段片段( (两片段间的距离为两片段间的距离为1 1个个3,3, 5- 5-磷酸二酯键的键长磷酸二酯键的键长) )的连接。的连接。原理：在一个原理：在一个DNADNA片段的片段的3-OH3-OH末端和另末端和另 一个一个DNADNA片段的片段的5-P5-P末端形成末端形成3,3, 5- 5-磷酸二酯键，从而实现连接。磷酸二酯键，从而实现连接。特点：特点：原核细胞原核细胞: :需辅助因子需辅助因子NADNAD+ + 真核细胞真核细胞: :不需辅助因子不需辅助因子NADNAD+

8、+, ,但需但需 耗能耗能(ATP)(ATP) 参与参与DNA复制的酶及蛋白质复制的酶及蛋白质 酶或蛋白质酶或蛋白质 主要作用主要作用 拓扑异构酶类拓扑异构酶类 克服解链时打结及缠绕、松驰或引克服解链时打结及缠绕、松驰或引 进负超螺旋进负超螺旋 解链酶类解链酶类 解开解开DNA双链双链 单链单链DNA结合蛋白结合蛋白 维持已解开单链维持已解开单链DNA的稳定的稳定 引物酶引物酶 合成合成RNA引物引物 DNA聚合酶聚合酶 DNA复制复制 DNA聚合酶聚合酶 水解引物、填补空隙、修复作用水解引物、填补空隙、修复作用 DNA连接酶连接酶 催化双链催化双链DNA中单链缺口的连接中单链缺口的连接 DN

9、A的复制过程的复制过程 复制的起始复制的起始 链的延长链的延长 复制的终止复制的终止复制的起始复制的起始1.1.在拓扑异构酶、解链酶及单链在拓扑异构酶、解链酶及单链DNADNA 结合蛋白的共同作用下，结合蛋白的共同作用下，DNADNA解旋、解旋、 解链，解链，形成复制叉形成复制叉。 2.2.依赖于单链模板，由引物酶催化按依赖于单链模板，由引物酶催化按 碱基配对规律碱基配对规律合成合成一小段一小段RNARNA引物引物( (原原核细胞引物长核细胞引物长50-10050-100个碱基，真核约个碱基，真核约1010个碱基个碱基) )。复制起始阶段的特点真核细胞真核细胞：具有多个具有多个 起始位点起始位

10、点原核细胞原核细胞：仅有一个复制起始位点，但往往是双向复制仅有一个复制起始位点，但往往是双向复制链的延长链的延长n引物合成后，由引物合成后，由DNA polDNA pol（真核细胞为（真核细胞为DNADNA聚合酶聚合酶 或或 ) )催化，在引物催化，在引物3 3-OH-OH末端逐一添加末端逐一添加与模板链对应互补的脱氧核苷磷酸与模板链对应互补的脱氧核苷磷酸, ,使新合成的使新合成的链不断延长。链不断延长。领头链领头链: : 链的链的延长方向延长方向(5(53 3) )与与解链方向解链方向( (复复制叉移动方向制叉移动方向) )相同相同, , 为连续合成为连续合成。随从链随从链: : 链的链的延

11、长方向延长方向(5(53 3) )与与解链方向解链方向( (复复制叉移动方向制叉移动方向) )相反，相反，为不连续合成。为不连续合成。n分段合成的分段合成的DNADNA片段片段, , 最初被命名为最初被命名为冈崎片段冈崎片段复制的终止复制的终止1.1.水解引物及填补空隙水解引物及填补空隙 冈崎片段合成后，由冈崎片段合成后，由DNA pol(DNA pol(真核细真核细胞可能是胞可能是DNADNA聚合酶聚合酶 ) )水解去除水解去除RNARNA引物引物，并，并填填补补留下的留下的空隙空隙(5(5 3 3) )聚合。聚合。2.2.完整双链完整双链DNADNA分子的形成分子的形成 填补空隙后，填补空

12、隙后，DNADNA片段与片段之间还有一片段与片段之间还有一个缺口个缺口( (一个一个3 3,5 5-磷酸二酯键的长度磷酸二酯键的长度), ), 由由DNADNA连接酶连接酶催化连接成完整的链，从而产生催化连接成完整的链，从而产生完完整的双链整的双链DNADNA分子分子。二、反转录二、反转录(reverse transcription)概念概念 以以RNARNA为模板，为模板，dNTPdNTP为原料，反转录酶为原料，反转录酶催化，按碱基配对规律合成催化，按碱基配对规律合成DNADNA的过程。的过程。 反转录酶反转录酶, , 又称为又称为依赖依赖RNARNA的的DNADNA聚合酶聚合酶(RNA-d

13、ependent DNA polymerase, RDDP) DNADNA转录转录 RNARNARNA(RNA(病毒病毒) ).RDDP引物引物, 4种种dNTPRDDPRNase H4种种dNTPRDDP或或DDDP病毒病毒RNARNA-DNA 杂化分子杂化分子cDNA前病毒前病毒 (双链双链DNA)酶催化反应示意图酶催化反应示意图 反向转录酶存在于反向转录酶存在于所有致癌所有致癌RNARNA病毒病毒中中, , 其功能可能与病毒的恶性转化作用有其功能可能与病毒的恶性转化作用有关关; ; 但它也存在于但它也存在于某些正常细胞某些正常细胞中，在细中，在细胞分化与胚胎发生中可能起某些作用。胞分化与

14、胚胎发生中可能起某些作用。 反转录病毒和反转录酶的发现反转录病毒和反转录酶的发现, , 提出提出了一个重要的医学问题了一个重要的医学问题病毒致癌及癌病毒致癌及癌基因。基因。 反转录的医学意义反转录的医学意义反转录的医学意义反转录的医学意义癌基因癌基因(oncogene):(oncogene):能在体外引起细胞恶性转化能在体外引起细胞恶性转化, ,在体内诱发肿瘤的基因在体内诱发肿瘤的基因. .细胞癌基因细胞癌基因(c-onc)(c-onc)或原癌基因或原癌基因(pro-onc): (pro-onc): 存存在于生物正常细胞基因组中的癌基因在于生物正常细胞基因组中的癌基因. . 正常情正常情况下况

15、下基因处于静止或低表达的状态基因处于静止或低表达的状态. . 当受到致当受到致癌刺激癌刺激被活化并发生异常被活化并发生异常时则可发生细胞癌变时则可发生细胞癌变. . 病毒癌基因病毒癌基因(v-onc)(v-onc): : 存在于致瘤病毒中的能使存在于致瘤病毒中的能使靶细胞发生恶性转化的基因靶细胞发生恶性转化的基因. .用三个小写字母表示癌基因名称用三个小写字母表示癌基因名称, ,如如myc, fos, ras, src等等抑癌基因抑癌基因: : 是一类抑制细胞过度生长是一类抑制细胞过度生长, ,增殖从而增殖从而遏制肿瘤形成的基因遏制肿瘤形成的基因. .如如Rb,P53,P16Rb,P53,P1

16、6等等癌基因与抑癌基因之间一般处于动态平衡状态癌基因与抑癌基因之间一般处于动态平衡状态是一种是一种反转录病毒反转录病毒, , 可引起获得性免疫缺陷综可引起获得性免疫缺陷综合征合征(AIDS,(AIDS,艾滋病艾滋病).).反转录酶在反转录酶在基因工程基因工程, ,分子病的分子病的基因治疗基因治疗方面也方面也有重要作用有重要作用. .人类免疫缺陷病毒人类免疫缺陷病毒(HIV)(HIV)反转录的医学意义反转录的医学意义 DNA DNA的损伤与修复的损伤与修复一、一、DNADNA损伤损伤 (DNA damage) 生物体受某些理化和生物等外源性生物体受某些理化和生物等外源性因素或机体内环境改变的影响，引起因素或机体内环境改变的影响，引起DNADNA分子结构的任何异常改变称为分子结构的任何异常改变称为DNADNA损伤损伤概念概念O N H N O C H 3 R P O N H N O C H 3 R O N H N O C H 3 R P N H N O R O C H 3 UV引起引起DNADNA损伤的因素损伤的因素紫外线紫外线( (常产生嘧啶二聚体常产生嘧啶二聚体) )电离辐射电离辐射(