基因信息的传递 (2)讲稿.ppt

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1、关于基因信息的传递(2)第一页，讲稿共八十四页哦基 因 (gene)：是遗传物质的功能单位，主要以染色体DNA为载体，通过生殖细胞世代遗传。是以碱基排列顺序的方式储存的遗传信息。编码序列+非编码序列基 因 组（genome)：某一物种拥有的全部遗传物质，从分子意义上说，是指全部DNA序列。第二页，讲稿共八十四页哦*中心法则(P241)转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录 转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录 转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录 转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录 转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录 转录 翻译 复

2、制 DNA RNA 蛋白质 逆转录 中心法则：是关于遗传信息传递规律的基本法则，包括有DNA到DNA的复制、由DNA到RNA的转录和由RNA到蛋白质的翻译等过程，即遗传信息的流向是DNA-RNA-蛋白质。第三页，讲稿共八十四页哦第四页，讲稿共八十四页哦主要内容 DNA的生物合成 复制 RNA的生物合成 转录 蛋白质的生物合成 翻译 基因表达调控 第五页，讲稿共八十四页哦DNA的生物合成(复制)DNA Biosynthesis(Replication)第 十三 章第六页，讲稿共八十四页哦 DNA的生物合成的生物合成复制复制(replication)：P242以母链以母链DNA为模板合成子链为模板

3、合成子链DNA的过程。的过程。复制逆转录复制亲代DNA子代DNA第七页，讲稿共八十四页哦复制的基本规律Basic Rules of DNA Replication 第一节第八页，讲稿共八十四页哦l半保留复制半保留复制 (semi-conservative replication)l双向复制双向复制 (bidirectional replication)l半不连续复制半不连续复制 (semi-discontinuous replication)DNA复制的特征第九页，讲稿共八十四页哦一、半保留复制的实验依据和意义一、半保留复制的实验依据和意义 DNA生物合成时，母链生物合成时，母链DNA解开为两

4、股单链，解开为两股单链，各自作为模板各自作为模板(template)按碱基配对规律，合成与模按碱基配对规律，合成与模板互补的子链；子代板互补的子链；子代DNA，一股单链从亲代完整地接，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全重新合成，这种复制方式受过来，另一股单链则完全重新合成，这种复制方式称为称为半保留复制半保留复制。P242半保留复制的概念第十页，讲稿共八十四页哦A TG CC GT A亲代DNATCGAA G C TA G C TTCGA子代DNA第十一页，讲稿共八十四页哦DNA半保留复制实验 含N15-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N

5、15-DNAN14、N15-DNAN14、N15-DNAN14-DNA第十二页，讲稿共八十四页哦按半保留复制方式，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。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。第十三页，讲稿共八十四页哦原核生物：原核生物：基因组是环状基因组是环状DNA 只有一只有一个复制起始点个复制起始点 复制时，复制时，DNA从起始点从起始点(ori)向两个方向解向两个方向解链，形成两个延伸相反的复制叉，称为链，形成两个延伸相反的复制叉，称为双向复制双向复制。P243P243二、双向复制二、双向复制第十四页，讲稿

6、共八十四页哦 复制时双链打开，分开成两股，各自作为模复制时双链打开，分开成两股，各自作为模板，子链沿模板延长所形成的板，子链沿模板延长所形成的Y字形的结构称为字形的结构称为复制叉复制叉(replication fork)。P243P24335535353复复制制方方向向第十五页，讲稿共八十四页哦 在原核生物双向复制在原核生物双向复制中，中，DNA被描述为被描述为眼睛眼睛状。状。为说明方便而做的图为为说明方便而做的图为 形。形。复制中的放射自显影图象第十六页，讲稿共八十四页哦oriC单复制子第十七页，讲稿共八十四页哦真核生物：真核生物：染色体染色体DNA有有多个复制起始点多个复制起始点。两个起始

7、点之间的两个起始点之间的DNA片段称为片段称为复制子复制子(replicon)。复制子是独立完成复制的功能单位。复制子是独立完成复制的功能单位。第十八页，讲稿共八十四页哦真核生物多个复制起始点、复制子与复制叉真核生物多个复制起始点、复制子与复制叉第十九页，讲稿共八十四页哦真核生物的多复制子复制电镜图第二十页，讲稿共八十四页哦35353535解链方向领头链(leading strand)随从链(lagging strand)三、复制的半不连续性35第二十一页，讲稿共八十四页哦n顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的这股链称为的这股链称为领头链领头链。n另一

8、股链因为复制的方向与解链方向相反，不能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，顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称这股不连续复制的链称为为后随链后随链。n领头链连续复制而随从链不连续复制，就是领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的复制的半不连续性半不连续性。第二十二页，讲稿共八十四页哦冈崎片段：冈崎片段：1968年日本生化学者冈崎用电镜及放射自显年日本生化学者冈崎用电镜及放射自显影技术，观察到影技术，观察到DNA复制中，后随链中出复制中，后随链中出现一些现一些不连续的片段不连续的片段，将这些不连续的片段，将这些不连续的片段称为称为冈崎片段冈崎片段。P244P

9、244 第二十三页，讲稿共八十四页哦半不连续复制动画第二十四页，讲稿共八十四页哦 DNA复制的酶学The Enzymology of DNA Replication 第二节第二十五页，讲稿共八十四页哦DNA复制的体系复制的体系 底物底物:dNTP(dATP、dGTP、dCTP、dTTP)聚合酶聚合酶:依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶(DNA-pol)模板模板:解开成单链的解开成单链的DNA母链母链 引物引物:提供提供3-OH末端的寡核苷酸末端的寡核苷酸 其他酶和蛋白质因子其他酶和蛋白质因子:拓扑异构酶、解螺旋酶、单拓扑异构酶、解螺旋酶、单链链DNA结合蛋白、引物酶、连接酶结合蛋白、引物酶、

10、连接酶第二十六页，讲稿共八十四页哦一、复制的化学反应(dNMP)n+dNTP (dNMP)n+1+PPi 子链不能起始新的DNA链，必须要有引物提供 3-OH；第二十七页，讲稿共八十四页哦聚合反应的特点聚合反应的特点DNA 新链生成需新链生成需引物引物和和模板模板；新链的延长只可沿新链的延长只可沿模板链模板链5 3 方向进行方向进行。第二十八页，讲稿共八十四页哦 聚合反应的特点聚合反应的特点 以单链以单链DNA为模板为模板 以以dNTP为原料为原料 引物提供引物提供3-OH 聚合方向为聚合方向为5 3 遵守碱基互补规律遵守碱基互补规律第二十九页，讲稿共八十四页哦二、二、DNA聚合酶聚合酶全称：

11、全称：依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶(DNA-dependent DNA polymerase)简称：简称：DNA-pol活性：1.53 的聚合活性 2.核酸外切酶活性第三十页，讲稿共八十四页哦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?能切除引物和突变的 DNA片段。能辨认错配的碱基对，并将其水解。核酸外切酶活性 第三十一页，讲稿共八十四页哦第三十二页，讲稿共八十四页哦（一）原核生物的（一）原核生物的DNA聚合酶聚合酶 DNA-pol DNA-pol DNA-pol

12、DNA-pol DNA-pol 第三十三页，讲稿共八十四页哦催化DNA聚合参与DNA损伤的应急状态修复校读、修复合成、切除引物填补空隙功能2040400分子数/细胞1011亚基数+5 外切酶活性+5外切酶活性+5 聚合酶活性pol IIIpol IIpol IE.Coli中的DNA聚合酶P245第三十四页，讲稿共八十四页哦功能：校读，去除RNA引物，填补空隙，参与DNA损伤修复。P245DNA-pol 第三十五页，讲稿共八十四页哦DNA聚合酶聚合酶II(DNA-pol II)具有具有53的聚合酶活性。的聚合酶活性。只是在无只是在无pol及及pol的情况下暂时的情况下暂时 起作用。起作用。对模板

13、的特异性不高对模板的特异性不高,参与参与DNA损伤损伤 的的应急状态应急状态修复。修复。第三十六页，讲稿共八十四页哦DNA聚合酶聚合酶III (DNA-pol III)n是复制延长中真正起催化作用的酶。是复制延长中真正起催化作用的酶。n由由10种亚基组成不对称的聚合体。种亚基组成不对称的聚合体。n，亚基亚基组成组成核心酶核心酶，亚基具有亚基具有53的聚的聚合活性合活性，亚基具有亚基具有35外切酶活性，外切酶活性，亚基可亚基可能起组装作用。能起组装作用。第三十七页，讲稿共八十四页哦n亚基亚基(DNA夹子夹子)能夹稳模板链，负责酶沿能夹稳模板链，负责酶沿DNA模板滑动的作用。模板滑动的作用。n其余

14、亚基统称为其余亚基统称为-复合物复合物,是是DNA夹子加载蛋夹子加载蛋白白。第三十八页，讲稿共八十四页哦DNA-pol 第三十九页，讲稿共八十四页哦第四十页，讲稿共八十四页哦（二）真核生物的DNA聚合酶P250DNA-pol 起始引发，有引物酶活性。复制的主要酶，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 基本性质与原核细胞DNA聚合酶一致。第四十一页，讲稿共八十四页哦三、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

15、，它才能起模板作用。第四十二页，讲稿共八十四页哦（一）解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白理顺DNA链拓扑异构酶(,)稳定已解开的单链单链DNA结合蛋白SSB催化RNA引物生成引物酶DnaG(dnaG)运送和协同DnaBDnaC(dnaC)解开DNA双链解螺旋酶DnaB(dnaB)辨认起始点DnaA(dnaA)蛋白质（基因）通用名功能原核生物复制起始的相关蛋白质P246第四十三页，讲稿共八十四页哦解旋解链酶类的作用第四十四页，讲稿共八十四页哦引物酶引物酶(primase)n DNA复制需要RNA引物，因为DNA pol没有催化游离dNTP之间相互聚合的能力。引物酶可在复制起点处催化催化RNA引

16、物的生成。引物的生成。引物（primer）：是由引物酶催化生成的短链RNA，它可为DNA聚合提供3-OH末端。第四十五页，讲稿共八十四页哦四、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。第四十六页，讲稿共八十四页哦POO-O-OHO5POO-O-O335DNA连接酶ATP（NAD+）AMP5353第四十七页，讲稿共八十四页哦在复制中起接合双链中单链缺口的作用。在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。是基因工程的重要工具酶之一。DNA连接酶的功能第四十八页，讲稿共八十四页哦DNA生物合成过程The Proce

17、ss of DNA Replication第三节第四十九页，讲稿共八十四页哦（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;形成引发体。一、原核生物的DNA生物合成 第五十页，讲稿共八十四页哦第五十一页，讲稿共八十四页哦（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。第五十二页，讲稿共八十四页哦 5 35dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH 3 3DNA-pol模板方向35合成需要引物提供3-OH合成方向53底物是dNTP

18、 第五十三页，讲稿共八十四页哦复制过程简图第五十四页，讲稿共八十四页哦555RNA酶OHP5DNA-pol dNTP55PATP AMP+PPi55DNA连接酶 随从链上不连续性片段的连接第五十五页，讲稿共八十四页哦 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。E.colioriter8232 ori terSV40500（三）复制的终止第五十六页，讲稿共八十四页哦哺乳动物的细胞周期DNA合成期G1G2SM二、真核生物的DNA生物合成 细胞能否分裂，决定于进入细胞能否分裂，决定于进入S期及期及M期这两个关键点。期这两个关键点。G1S及及G2M的调节，与蛋白激酶活

19、性有关。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。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。第五十七页，讲稿共八十四页哦 真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复制。制。复制有时序性复制有时序性，即复制子以分组方式激活，即复制子以分组方式激活而不是同步起动。而不是同步起动。（一）复制的起始第五十八页，讲稿共八十四页哦3553领头链3535亲代DNA随从链引物核小体（二）复制的延长第五十九页，讲稿共八十四页哦第六十页，讲稿共八十四页哦DNA复制与核小体装配同步进行。染色体DNA呈线状，复制在末

20、端停止。复制终止包括：岡崎片段、复制子之间的连接。端粒的合成（三）复制的终止和端粒酶第六十一页，讲稿共八十四页哦 真核生物端粒的形成：真核生物端粒的形成：n端粒（端粒（telomere）是是指真核生物染色体线指真核生物染色体线性性DNA分子末端的结分子末端的结构部分，通常膨大成构部分，通常膨大成粒状。粒状。功能 维持染色体的稳定性 维持DNA复制的完整性第六十二页，讲稿共八十四页哦端粒酶端粒酶(telomerase)n线性线性DNA在复制完成后，其末端由于引物在复制完成后，其末端由于引物RNA的水解而可的水解而可能出现缩短。故需要在能出现缩短。故需要在端粒酶端粒酶（telomerase）的催化

21、下，）的催化下，进行延长反应。进行延长反应。n功能：功能：合成端粒合成端粒DNA，维持端粒的长度，维持端粒的长度第六十三页，讲稿共八十四页哦端粒酶的爬行模型（动画演示）端粒酶的爬行模型（动画演示）端粒及端粒酶的意义：端粒的长短及端粒酶活性变化与细胞水平的老化(aging)及肿瘤的发生有一定关系。第六十四页，讲稿共八十四页哦DNA损伤（突变）与修复DNA Damage(Mutation)and Repair第四节第六十五页，讲稿共八十四页哦突变突变 (mutation)：P252P252 是由遗传物质结构改变而引起的遗传信息的改是由遗传物质结构改变而引起的遗传信息的改变。从分子水平来看，突变就是

22、变。从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基分子上碱基的改变。的改变。DNA损伤损伤(DNA damage)：泛指一切泛指一切DNA结构和功能的变化。包括各种结构和功能的变化。包括各种突变类型、碱基的损伤和突变类型、碱基的损伤和DNA链的断裂。链的断裂。第六十六页，讲稿共八十四页哦一、突变的分子改变类型错配(mismatch)缺失(deletion)插入(insertion)重排(rearrangement)框移(frame-shift)第六十七页，讲稿共八十四页哦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

23、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（一）错配第六十八页，讲稿共八十四页哦镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)亚基N-val his leu thr pro val glu C 肽链CAC GTG基因正常成人Hb(HbA)亚基N-val his leu thr pro glu glu C 肽链CTC GAG基因点突变 第六十九页，讲稿共八十四页哦第七十页，讲稿共八十四页哦（二）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

24、或插入都可导致框移突变。第七十一页，讲稿共八十四页哦谷 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缺失引起框移突变第七十二页，讲稿共八十四页哦（三）重排DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。第七十三页，讲稿共八十四页哦四、DNA损伤的修复 P254 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

25、型第七十四页，讲稿共八十四页哦NNOOCH3RPNNOOCH3RNNOOCH3RPNNORUVOCH3胸嘧啶二聚体(T T)（一）光修复 P254 第七十五页，讲稿共八十四页哦（二）切除修复是细胞内最重要和有效的修复机制，主要由DNA-pol和连接酶完成。UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶OHPDNA连接酶NAD+E.coli的切除修复机制第七十六页，讲稿共八十四页哦切除修复动画切除修复动画第七十七页，讲稿共八十四页哦（三）重组修复第七十八页，讲稿共八十四页哦（四）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。在E.coli，各种与修复有关的基因，组成一个称

26、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。第七十九页，讲稿共八十四页哦DNA逆转录合成Reverse Transcription and Other DNA Replication Ways第五节第八十页，讲稿共八十四页哦逆转录(reverse transcription)在逆转录酶的催化下，以RNA为模板，dNTP为原料，合成DNA的过程，又称反转录。P255 逆转录酶一、逆转录病毒和逆转录酶 第八十一页，讲稿共八十四页哦逆转录酶(reverse transcriptase)从RNA病毒中发现，能催化以RNA为模板合成双链DNA的酶，全称为依赖RNA的DNA聚合酶。有三种活性：RNA指导的DNA聚合活性 RNase H活性 DNA指导的DNA聚合活性第八十二页，讲稿共八十四页哦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第八十三页，讲稿共八十四页哦感谢大家观看第八十四页，讲稿共八十四页哦