第十五章-DNA、RNA和蛋白质的生物合成.ppt
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1、第十五章第十五章 DNADNA、RNARNA和和蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成n复制复制以原来的以原来的DNADNA分子为模板,合成出相同分子为模板,合成出相同分子的过程。分子的过程。n转录转录在在DNADNA分子上合成出与其核苷酸顺序相分子上合成出与其核苷酸顺序相对应的对应的RNARNA的过程。的过程。n翻译翻译在在RNARNA的控制下,根据核酸链上每三个核的控制下,根据核酸链上每三个核苷酸决定一个氨基酸的三联体密码规则,合成出苷酸决定一个氨基酸的三联体密码规则,合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程。具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程。1958年年Crick将生物将生物 遗传信息的
2、这种传遗传信息的这种传递方式称为递方式称为中心法则中心法则。15.1 15.1 DNADNA的复制的复制n1953年,Watson和Crick在DNA双螺旋结构的基础上提出了半保留复制假说:nDNA在复制过程中,首先碱基之间的氢键破裂,使两条链解旋并分开,然后以碱基互补的方式,以每条单链为 模板,按单链DNA的核苷酸顺序合成子链。在此过程中,每个子代分子的一条链来自亲代DNA,另一条链是新合成的,这种复制方式称为半保留复制。n 15.1.1 15.1.1 DNADNA的复制方式的复制方式半保留复制半保留复制1958年年M.Meselson和和F.Stahl Radioisotope label
3、in(放射性同位素标记)and density gradient(密度梯度离心)centrifugation clearlydistinguishes replications of semiconservative from conservative.一、半保留复制的实验证据一、半保留复制的实验证据二、半保留复制的意义二、半保留复制的意义 DNADNA的半保留复制保证了的半保留复制保证了DNADNA在代谢上的稳定性在代谢上的稳定性,经过许多代的复制,经过许多代的复制,DNADNA多核苷酸链仍可保持完整,多核苷酸链仍可保持完整,这种稳定性体现了这种稳定性体现了DNADNA遗传过程的相对保守性。
4、遗传过程的相对保守性。遗传的保守性是相对的,而不是绝对的。自遗传的保守性是相对的,而不是绝对的。自然界还存在着普遍的变异现象。然界还存在着普遍的变异现象。DNADNA复制时顺着解链方向而生成的子链,复制是连续复制时顺着解链方向而生成的子链,复制是连续进行的,这股链称为进行的,这股链称为前导链前导链。另一条子链复制的方向与解。另一条子链复制的方向与解链方向相反,复制是不连续的,称为链方向相反,复制是不连续的,称为随从链随从链。这种复制方。这种复制方式称为式称为半不连续复制半不连续复制。随从链上不连续复制的随从链上不连续复制的DNADNA片段称为片段称为岗崎片段岗崎片段。每一。每一个岗崎片段个岗崎
5、片段5-5-端都带有一个端都带有一个RNARNA引物。引物。三、复制的半不连续性三、复制的半不连续性 随从链复制时必须随从链复制时必须等等待待模板链解开足够长度时,模板链解开足够长度时,才能从才能从5353合成引物合成引物后开始复制。延伸时,又后开始复制。延伸时,又要要等待等待下一段暴露出足够下一段暴露出足够长的模板,才能再次合成长的模板,才能再次合成引物而延长。引物而延长。岗崎片段岗崎片段15.1.2 参与参与DNADNA复制的酶类和蛋白质复制的酶类和蛋白质复制是酶催化下的核苷酸聚合过程,需要多种物质的共同参与:复制是酶催化下的核苷酸聚合过程,需要多种物质的共同参与:底物:底物:dNTPdN
6、TP(dATPdATP、dGTPdGTP、dCTPdCTP、dTTPdTTP)酶:酶:DNADNA聚合酶聚合酶 模板:模板:解开成单链的解开成单链的DNADNA母链母链 引物:引物:RNARNA,提供提供 3-OH3-OH末端末端 其它酶和蛋白质因子:其它酶和蛋白质因子:解螺旋酶、单链结合蛋白、解螺旋酶、单链结合蛋白、拓扑异构酶、引物酶、拓扑异构酶、引物酶、DNADNA连接酶连接酶等等n1.1.DNADNA聚合酶聚合酶(DNA-polymerase)nDNADNA聚合酶能催化四种脱氧核糖核苷三磷酸聚合酶能催化四种脱氧核糖核苷三磷酸合成合成DNADNA单链DNA为模板具有3-OH末端的低聚多核苷
7、酸为引物Mg 2+或Mn 2+四种脱氧核苷三磷酸为底物n 原核细胞原核细胞的的DNA聚合酶聚合酶nDNA聚合酶I(pol I)Kornberg酶n pol I是一个多功能酶是一个多功能酶n DNADNA聚合酶活力聚合酶活力:使:使DNADNA链链沿沿5-35-3方向延伸;方向延伸;n 3-53-5核酸外切酶活力核酸外切酶活力:校:校对功能对功能;n 5-35-3核酸外切酶活力核酸外切酶活力:切:切除引物、嘧啶二聚体,修复;除引物、嘧啶二聚体,修复;n焦磷酸解作用焦磷酸解作用n焦磷酸基交换作用焦磷酸基交换作用Arthur Kornberg3-5核酸外切酶活力5-3核酸外切酶活力nDNA聚合酶聚合
8、酶(pol)nDNA聚合酶活力:需带有缺聚合酶活力:需带有缺口的口的DNA的双链作引物,主的双链作引物,主要参与要参与DNA的修复。的修复。n3-5核酸外切酶活力核酸外切酶活力nDNA聚合聚合酶酶(pol )n亚基有亚基有DNA聚合酶活力;聚合酶活力;n亚基有亚基有3-5核酸外切酶活力,核酸外切酶活力,起校对作用;起校对作用;n亚基起组建复合物的作用;亚基起组建复合物的作用;DNA聚合酶聚合酶、DNA的错误倾向修复:修复的错误倾向修复:修复缺乏准确性,出现高突变率。缺乏准确性,出现高突变率。pol DNADNA聚合酶聚合酶的的 亚基二聚体亚基二聚体与与DNADNA结合的空间关系结合的空间关系大
9、肠杆菌中大肠杆菌中DNA聚合酶的性质比较聚合酶的性质比较pol Ipol pol III功功能能DNA聚合酶聚合酶5-35-3外切酶外切酶3-53-5外切酶外切酶+分子量分子量109000120000900000酶酶分子数分子数/细胞细胞40010010生物学活性生物学活性10.0515主要功能主要功能切除引物、修复切除引物、修复修复修复复制复制 真核细胞真核细胞的的DNA聚合酶聚合酶分布分布细胞核细胞核细胞核细胞核线粒体线粒体细胞核细胞核细胞核细胞核聚合酶聚合酶活力活力3-53-5外外切酶切酶无无无无有有有有有有功能功能引物合引物合成成修复修复线粒体线粒体复制复制修复修复核核DNADNA合成
10、合成2.DNA 连接酶(连接酶(DNA ligase)连接连接DNADNA链链3-OH3-OH末端和相邻末端和相邻DNADNA链链5-5-P P末端,使二者生成末端,使二者生成3 3,55磷酸二酯键磷酸二酯键,从而把两段相邻的,从而把两段相邻的DNADNA链连成完整的链链连成完整的链3.3.与与DNADNA解旋和解链有关的酶和蛋白质:解旋和解链有关的酶和蛋白质:解螺旋酶(解螺旋酶(helicasehelicase)DNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶(DNA DNA topoisomerasetopoisomerase)单链单链DNADNA结合蛋白(结合蛋白(single stranded DNA
11、 single stranded DNA binding proteinbinding protein,SSBSSB)(1)解螺旋酶)解螺旋酶v 解螺旋酶通过水解解螺旋酶通过水解ATPATP供能,供能,使使DNADNA两链间碱基对的氢键断两链间碱基对的氢键断裂,从而解开双链裂,从而解开双链DNADNA。v 解螺旋酶可沿模板随复制叉解螺旋酶可沿模板随复制叉的伸展而移动的伸展而移动(2)单链结合蛋白()单链结合蛋白(SSB)SSBSSB的作用是与分开的作用是与分开的两条的两条DNADNA单链结合,单链结合,在复制中维持模板处在复制中维持模板处于单链状态并保护单于单链状态并保护单链的完整。链的完整。
12、n拓扑异构酶拓扑异构酶I:切断切断DNADNA双链中的一条链,使双链中的一条链,使DNADNA解旋中不解旋中不致打结,适当时再把切口封闭,反应不耗能。致打结,适当时再把切口封闭,反应不耗能。拓扑异构酶拓扑异构酶II:无无ATPATP时,可切断超螺旋的两条链,使超螺旋时,可切断超螺旋的两条链,使超螺旋松弛,然后再把切口封上。松弛,然后再把切口封上。在利用在利用ATPATP供能情况下,能将复制叉前方产生供能情况下,能将复制叉前方产生的正超螺旋变成负超螺旋。的正超螺旋变成负超螺旋。(3)拓扑异构酶()拓扑异构酶(I、II)在复制过程中,在复制过程中,DNADNA每复制每复制10bp10bp,复制叉前
13、方的模复制叉前方的模板板DNADNA双螺旋就要绕其长轴旋转一周,产生正超螺旋。双螺旋就要绕其长轴旋转一周,产生正超螺旋。三种酶催化生成磷酸二酯键的比较三种酶催化生成磷酸二酯键的比较 提供核糖提供核糖3-OH 3-OH 结果结果DNADNA聚合酶聚合酶 在引物作用下在引物作用下 (dNMPdNMP)n+1 n+1 延长新链延长新链连接酶连接酶 连接不连续的连接不连续的 不连续不连续连续链连续链 两条单链两条单链 连接双链连接双链DNADNA的单链缺口的单链缺口拓扑酶拓扑酶 切断两链再连接切断两链再连接 改变拓扑状态改变拓扑状态 4.引物酶和引发体引物酶和引发体 引物酶(引物酶(primase):
14、):复制是在一段复制是在一段RNARNA引物提供引物提供3 3 OHOH末端末端的的基础上进行的,催化引物合成的是一种基础上进行的,催化引物合成的是一种RNARNA聚合聚合酶,称为引物酶。它与催化转录过程的酶,称为引物酶。它与催化转录过程的RNARNA聚合聚合酶不同。该酶只有和另外酶不同。该酶只有和另外6 6种种引发体蛋白质组成引发体蛋白质组成引发体才能起引发作用。引发体才能起引发作用。15.1.3 15.1.3 DNADNA的复制过程的复制过程n1.1.合成起始合成起始n辨认起始点辨认起始点引物酶引物酶n模板模板DNADNA的解旋和解链的解旋和解链拓扑异构拓扑异构酶、解螺旋酶、酶、解螺旋酶、
15、SSBSSBnRNARNA引物的生成引物的生成RNARNA聚合酶聚合酶n 三个阶段三个阶段:合成起始、:合成起始、DNADNA链的延伸及合成终止。链的延伸及合成终止。(1)(1)复制的起点和方向复制的起点和方向 复制是从复制是从DNADNA分子上的特定部位开始的,这一部分子上的特定部位开始的,这一部位叫做位叫做复制起始点复制起始点(origin of replication)origin of replication)常用常用oriori或或o o表示。表示。原核生物每个原核生物每个DNADNA分子只有分子只有一个一个复制起始点,复制起始点,真核生物真核生物DNADNA分子有分子有多个多个复制
16、起始点。复制起始点。DNADNA复制的方向复制的方向v双向复制双向复制v单向复制单向复制 复制时双链打开成两股单链,形成类似复制时双链打开成两股单链,形成类似Y Y字形字形的结构称为的结构称为复制叉复制叉(replication forkreplication fork)新链延伸方向:新链延伸方向:5 35 3酶或蛋白质酶或蛋白质MrMr(kDkD)亚基亚基数数功能功能SSBSSB75.675.64 4稳定解开的单链稳定解开的单链DnaDna B(B(解旋酶解旋酶)3003006 6利用利用ATPATP水解能量解开链水解能量解开链DNADNADnaGDnaG(引物酶引物酶)60601 1合成合
17、成RNARNA引物引物DNADNA聚合酶聚合酶4004001010合成合成DNADNADNADNA聚合酶聚合酶I I1091091 1修复(填充缺口)切除修复(填充缺口)切除RNARNA引物引物DNADNA连接酶连接酶74741 1共价连接切口共价连接切口拓扑异构酶拓扑异构酶1001004 4松弛负超螺旋松弛负超螺旋拓扑异构酶拓扑异构酶4004004 4引入负超螺旋引入负超螺旋E.coli复制叉的蛋白质复制叉的蛋白质(2)起点的识别和双链的解开)起点的识别和双链的解开 E.coli的复制起的复制起点由点由245个碱基个碱基对组成,称为对组成,称为oriC,起点中有起点中有两个关键序列:两个关键
18、序列:4个个9bp的重复的重复序列序列3个个13 bp的重的重复序列复序列富含富含AT,易于易于解链。解链。复制的起始复制的起始:起始复合物:起始复合物的关键成分是的关键成分是DnaADnaA蛋白蛋白。DnaADnaA蛋白四聚体在蛋白四聚体在ATPATP参与下结合于参与下结合于OriCOriC的的9bp9bp重复顺序结合。然后重复顺序结合。然后DnaBDnaB蛋白四聚体在蛋白四聚体在DnaCDnaC蛋白的参与下和这个区域蛋白的参与下和这个区域结合,结合,DnaBDnaB蛋白是一种蛋白是一种解螺旋酶,使双链解开形解螺旋酶,使双链解开形成复制泡和两个复制叉。成复制泡和两个复制叉。多个多个SSBSS
19、B蛋白同时结合于蛋白同时结合于解开的解开的DNADNA单链部分,单链部分,稳定单链稳定单链DNADNA。其间其间TOPTOP用来消除用来消除DnaDna B B解解螺旋形成的扭曲张力。螺旋形成的扭曲张力。HU类组蛋白类组蛋白酶或蛋白质酶或蛋白质MrMr(k kD D)亚基亚基数数 功能功能SSBSSB75.675.64 4稳定解开的单链稳定解开的单链DnaDna A A50501 1在复制起点特异部位解开双链在复制起点特异部位解开双链DNADNADnaDna C C29291 1传送传送DnaDna B B至解旋的模板至解旋的模板DNADNA上上DnaDna B(B(解旋酶解旋酶)300300
20、6 6利用利用ATPATP水解能量解开链水解能量解开链DNADNAHUHU(类组蛋白)类组蛋白)19192 2促进起始促进起始DnaGDnaG(引物酶引物酶)60601 1合成合成RNARNA引物引物DNADNA聚合酶聚合酶4004001010合成合成DNADNADNADNA聚合酶聚合酶I I1091091 1修复(填充缺口)切除修复(填充缺口)切除RNARNA引物引物拓扑异构酶拓扑异构酶4004004 4引入负超螺旋引入负超螺旋E.coli起点与复制起始有关的酶和蛋白质起点与复制起始有关的酶和蛋白质(3 3)RNARNA引物的合成:引物的合成:DNADNA复制的起始的起始复制的起始的起始阶段
21、需要在引发体阶段需要在引发体(primosomeprimosome)作用下合作用下合成成RNARNA引物。引发体是引物。引发体是由由DnaDna B B、DnaCDnaC、DnaTDnaT、PriAPriA、PriBPriB、PriCPriC与与引引物酶物酶构成的复合体,可构成的复合体,可按按5353方向合成约方向合成约10106060个核酸的个核酸的RNARNA引引物。物。2.链的延长链的延长 dNTPdNTP按按碱基互补配对原则碱基互补配对原则逐个加入而延长逐个加入而延长DNADNA新链,其化学本质是生成新链,其化学本质是生成3,5-3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键。催化此反应的酶,在原核生物
22、为催化此反应的酶,在原核生物为DNA-DNA-polpol III III,真真核生物核生物为为DNA-DNA-polpol 和和。新链延伸方向:新链延伸方向:5 35 33.3.复制的终止复制的终止 单向复制的环状单向复制的环状DNADNA分子,其复制的终点就是其原点。双向复制的分子,其复制的终点就是其原点。双向复制的DNADNA环形分子,在两个复制叉相遇时即完成复制。但两个复制叉合成新环形分子,在两个复制叉相遇时即完成复制。但两个复制叉合成新链的速度一旦出现差异,就可能为复制的终止造成麻烦。研究发现,大链的速度一旦出现差异,就可能为复制的终止造成麻烦。研究发现,大肠杆菌的顺时针复制叉有肠杆
23、菌的顺时针复制叉有4 4个连续排列的终止序列(个连续排列的终止序列(TerTer)。)。逆时针复制叉逆时针复制叉有有3 3个连续排列终止序列,当复制叉移动到终止序列处,则结合在个连续排列终止序列,当复制叉移动到终止序列处,则结合在TerTer序列序列上的上的TusTus蛋白(终点利用物质)会阻止复制叉的移动。这样,当一个复制蛋白(终点利用物质)会阻止复制叉的移动。这样,当一个复制叉先期到达终止区时,其复制会停止,待另一个复制叉到达同一位置,叉先期到达终止区时,其复制会停止,待另一个复制叉到达同一位置,两个复制叉相遇,即完成了整个两个复制叉相遇,即完成了整个DNADNA的复制过程。的复制过程。E
24、4.滚环复制(滚环复制(rolling circle replication)某些低等生物或染色体以外的某些低等生物或染色体以外的DNADNA的的复制形式。环状复制形式。环状DNADNA外环打开,伸出环外作母链复制,内环不打开,一边外环打开,伸出环外作母链复制,内环不打开,一边滚动一边复制。最后一个双链环滚动复制成两个双链环。滚动一边复制。最后一个双链环滚动复制成两个双链环。1515.1.4 .1.4 原核生物与真核生物原核生物与真核生物DNADNA复制的特点比较复制的特点比较n1.1.复制的起点和单位复制的起点和单位n复制单位:复制子复制单位:复制子,生物体内能独立行使复制,生物体内能独立行
25、使复制功能,进行独立复制功能,进行独立复制的的DNADNA单位。单位。n 原核生物原核生物n由一个复制子组成由一个复制子组成n双向复制双向复制n大肠杆菌大肠杆菌,结构结构orin 真核生物真核生物n线形双链线形双链DNADNA,含有多个复制子;双向复制含有多个复制子;双向复制。n 2.2.复制的酶不同、速度不同复制的酶不同、速度不同n原核生物原核生物:3 3种,种,DNADNA聚合酶聚合酶 n 真核生物真核生物:5 5种,主要是种,主要是 DNADNA聚合酶聚合酶 3.3.端粒和端粒酶端粒和端粒酶真核生物染色体末端有端粒(真核生物染色体末端有端粒(telomeretelomere),),是由富
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