DNA复制、转录翻译.ppt

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1、主讲教师：黄慧聪医学分子生物学基础肺炎支原体肺炎流行病学、临床特征与诊疗规范化研究肺炎支原体肺炎流行病学、临床特征与诊疗规范化研究潘长旺潘长旺 发展简史2主要内容345DNA复制、转录和翻译DNA重组与基因工程重组与基因工程基因与疾病基因与疾病1发展简史准备和酝酿准备和酝酿建立和发展建立和发展蛋白质是生命的主要基础物质蛋白质是生命的主要基础物质DNA是遗传的物质基础是遗传的物质基础遗传中心法则的建立遗传中心法则的建立蛋白质翻译合成的基本过程蛋白质翻译合成的基本过程1953年年 Watson-CrickWatson-Crick的的的的DNADNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型双螺旋结构模型双螺旋结

2、构模型Watson-CrickWatson-CrickWatson-CrickWatson-Crick的的的的DNADNADNADNA双螺旋双螺旋双螺旋双螺旋主要内容基因工程技术基因工程技术基因表达的调控基因表达的调控生物大分子的结构和功能生物大分子的结构和功能生物信息学生物信息学DNA复制、转录和翻译中心法则（central dogma）遗传信息传递方向的规律遗传信息传递方向的规律DNA通通过过复复制制将将遗遗传传信信息息由由亲亲代代传传递递给给子子代代；通通过过转转录录和和翻翻译译，将将遗遗传传信信息息传传递递给给蛋蛋白白质质分分子子，从从而而决决定定生生物物的的表表现现型型。DNA的的复

3、复制制、转转录和翻译过程就构成了录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则遗传学的中心法则。在在RNA病病毒毒中中，其其遗遗传传信信息息贮贮存存在在RNA分分子子中中。遗遗传传信信息息的的流流向向是是RNA通通过过复复制制，将将遗遗传传信信息息由由亲亲代代传传递递给给子子代代，通通过过反反转转录录将将遗遗传传信信息息传传递递给给DNA，再再由由DNA通通过过转转录录和和翻翻译译传传递递给给蛋蛋白质，这种遗传信息的流向就称为白质，这种遗传信息的流向就称为反中心法则反中心法则。染色体结构与染色体结构与DNA复制复制基因的转录与加工基因的转录与加工蛋白质的翻译蛋白质的翻译蛋白质合成后的修饰加工蛋白质合成后

4、的修饰加工蛋白质合成后的靶向输送蛋白质合成后的靶向输送一、染色体结构与一、染色体结构与DNA复制复制（一）复制的基本规律（一）复制的基本规律（二）（二）DNADNA复制的条件复制的条件（三）（三）DNADNA生物合成过程生物合成过程（四）真核生物端粒（四）真核生物端粒（五）逆转录（五）逆转录染色体：染色体DNA基因 基因和染色体，基因和染色体，DNADNA和脱氧核苷酸的关系：和脱氧核苷酸的关系：每一条染色体只含有一个每一条染色体只含有一个DNADNA分子，每个分子，每个DNADNA分子上有很多分子上有很多基因，基因是基因，基因是DNADNA片段，在染片段，在染色体上呈线性排列，每个基色体上呈线

5、性排列，每个基因中又有成百上千个脱氧核因中又有成百上千个脱氧核苷酸。苷酸。每个基因有特定的脱每个基因有特定的脱氧核苷酸排列顺序，它代表氧核苷酸排列顺序，它代表着遗传信息着遗传信息是基因的载体。是基因的载体。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(semi-conservative replication)。1、半保留复制、半保留复制（一）复制的基本规律（一）复制的基本规律复制复制亲代亲代DNA子代子代DNADNADNA半保留复制示意图半保留复制示意图DNADNA半保留复制研究实验结果示

6、意图半保留复制研究实验结果示意图按半保留复制方式，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。半保留复制的意义半保留复制的意义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。2、有一定的复制起始点、有一定的复制起始点53oriorioriori535533553复制子复制子3复制起始点与复制子示意图复制起始点与复制子示意图习惯上把两个相邻DNA复制起始点之间的距离（或DNA片段）定为

7、一个复制子(replicon)。复制子是独立完成复制的功能单位。DNA复制时，局部双螺旋解开形成两条单链，这种叉状结构称为复制叉。复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）参与DNA复制的DNA聚合酶，必须以一段具有3端自由羟基（3-OH）的RNA作为引物(primer)，才能开始聚合子代DNA链。RNA引物的大小，在原核生物中通常为50 100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。RNA引物的碱基顺序，与其模板DNA的碱基顺序相配对。3、需要引物、需要引物DNA复制时，以复制起始点(origin)为中心，向两个方向进行解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，

8、称为双向复制(bidirectional replication)。但在低等生物中，也可进行单向复制（如滚环复制）。4、双向复制、双向复制DNA聚合酶只能以53方向聚合子代DNA链，即模板DNA链的方向必须是35。由于DNA分子中两条链的走向相反，因此当分别以两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时，子代链的聚合方向也是不同的。5、半不连续复制、半不连续复制3 5 3 5 3535解链方向解链方向领头链领头链(leading strand)随从链随从链(lagging strand)DNADNA的半不连续复制的半不连续复制35以以35方方向向的的亲亲代代DNA链链作作模模板板的的子子代代链链

9、在在复复制制时时基基本本上上是是连连续续进进行行的的，其其子子代代链链的的聚聚合合方方向向为为 53，这这 一一 条条 链链 被被 称称 为为 领领 头头 链链(leading strand)。以以53方方向向的的亲亲代代DNA链链为为模模板板的的子子代代链链在在复复制制时时则则是是不不连连续续的的，其其链链的的聚聚合合方方向向也也是是53，这条链被称为，这条链被称为随从链随从链(lagging strand)。领领头头链链连连续续复复制制而而随随从从链链不不连连续续复复制制，就就是复制的是复制的半不连续性半不连续性。由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因此，随从链的合成也是一段一段的。D

10、NA在复制时，由随从链所形成的一些子代DNA短链称为冈崎片段(Okazaki fragment)。冈崎片段的大小，在原核生物中约为10002000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。以四种脱氧核糖核酸(deoxynucleotide triphosphate)为底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。1 1、底物、底物(substrate)substrate)(dNMP)n+dNTP (dNMP)n+1+PPi（二）（二）DNA复制的条件复制的条件DNADNA复制过程中脱氧核糖核苷酸的聚合反应复制过程中脱氧核糖核苷酸的聚合反应DNA复制是模板依赖性的，必须要以亲代DNA链作为模

11、板。亲代DNA的两股链解开后，可分别作为模板进行复制。2 2、模板、模板(template)(template)引物酶(primerase)本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP），该酶以DNA为模板，聚合一段RNA短链引物(primer)，以提供自由的3-OH，使子代DNA链能够开始聚合。引物酶需组装成引发体才能催化RNA引物的合成。3 3、引发体和、引发体和RNARNA引物引物3 HO53 5 3 5 引物酶催化合成短链引物酶催化合成短链RNARNA引物分子引物分子 引物引物引物引物酶酶4 4、DNADNA聚合酶聚合酶全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependent DN

12、A polymerase,DDDP )简称：DNA-pol活性：1.53 的聚合酶活性 2.核酸外切酶活性DNA连接酶(DNA ligase)可催化两段DNA片段之间磷酸二酯键的形成，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。5 5、DNADNA连接酶连接酶DNA连接酶连接酶ATP（NAD+）ADP+Pi（NMN+AMP）HO53533553DNADNA连接酶的连接作用连接酶的连接作用DNA复制过程简图复制过程简图DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。在在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。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

13、酶之是基因工程的重要工具酶之一。一。DNA连接酶的作用连接酶的作用解螺旋酶(helicase)，又称解链酶或rep蛋白，是用于解开DNA双链的酶蛋白。每解开一对碱基，需消耗2分子ATP。6、解螺旋酶、解螺旋酶单链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。7 7、单链、单链DNADNA结合蛋白结合蛋白SSB的生理作用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。8、DNA拓扑异构酶人类拓扑异构酶人类拓

14、扑异构酶的分子结构的分子结构能够松解能够松解DNA超螺旋结构的酶。超螺旋结构的酶。1010 8 8 局部解链后局部解链后DNADNA复制过程中正超螺旋的形成复制过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成拓扑异构酶的作用特点拓扑异构酶的作用特点既能水解既能水解 、又能连接磷酸二酯键、又能连接磷酸二酯键 拓扑异构酶拓扑异构酶 拓扑异构酶拓扑异构酶分分 类类拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA双链中双链中一股一股链，使链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，闭切口，DNA变为松弛状态变为松弛状态。反应反应不需不需ATP。拓扑异拓扑异构酶构酶

15、切断切断DNA分子分子两股两股链，断端通过链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。切口旋转使超螺旋松弛。利用利用ATP供能，连接断端，供能，连接断端，DNA分子进入负超螺旋状态。分子进入负超螺旋状态。DNA拓扑异构酶的作用机制拓扑异构酶的作用机制 1、复制的起始、复制的起始（三）（三）DNA生物合成过程生物合成过程解旋解链，形成复制叉解旋解链，形成复制叉引发体组装和引物合成引发体组装和引物合成2、复制的延长、复制的延长DNA聚合酶聚合酶 5 5 3 35 5dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH 33 3DNA-polDNADNA复制的延长过程复制的延长过程3 3、复制

16、的终止、复制的终止 去除引物，填补缺口去除引物，填补缺口连接冈崎片段连接冈崎片段端粒（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。（四）真核生物端粒（四）真核生物端粒功能功能 维持染色体的稳定性维持染色体的稳定性 保证保证DNA复制的完整性复制的完整性端粒的结构特点端粒的结构特点 由末端单链由末端单链DNA序列和蛋白质构成。序列和蛋白质构成。末端末端DNA序列是多次重复的富含序列是多次重复的富含G、T碱基碱基的短的短 序列。序列。TTTTGGGGTTTTGGGG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的水解而可能出现缩短

17、。故需要在端粒酶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。）的催化下，进行延长反应。5 3 3 5 5 3 3 5 端粒酶端粒酶(telomerase)端端粒粒酶酶是是一一种种RNA-蛋蛋白白质质复复合合体体，它它可可以以其其RNA为为模模板板，通通过过逆逆转转录录过过程程对对末末端端DNA链进行延长。链进行延长。端粒酶的分子结构端粒酶的分子结构端粒酶的爬行模型（动画演示）端粒酶的爬行模型（动画演示）（五）（五）逆转录逆转录1、逆转录病毒和逆转录酶、逆转录病毒和逆转录酶逆转录病毒细胞内的逆转录现象：逆转录病毒细胞内的逆转录现象：RNA 模板模板逆转录酶

18、逆转录酶DNA-RNA 杂化双链杂化双链RNA酶酶单链单链DNA逆转录酶逆转录酶双链双链DNA2 2、逆转录研究的意义、逆转录研究的意义 逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中的重大发现。的重大发现。逆转录逆转录现象说明：至少在某些生物，现象说明：至少在某些生物，RNA同同样兼有遗传信息传代与表达功能。样兼有遗传信息传代与表达功能。对逆转录病毒的研究，拓宽了对逆转录病毒的研究，拓宽了20世纪初已注世纪初已注意到的病毒致癌理论。意到的病毒致癌理论。（一）（一）RNARNA的转录过程的转录过程：（略）（略）转录起始转录起始 链的延伸链的延伸 转录终止转录终

19、止二、基因的转录与加工二、基因的转录与加工（二）（二）RNARNA的转录后加工的转录后加工 在细胞内，由在细胞内，由RNARNA聚合酶合成的原初转录物聚合酶合成的原初转录物（primary transcriptprimary transcript）往往需要一系列的变）往往需要一系列的变化，才转变为成熟的化，才转变为成熟的RNARNA分子。此过程总称为分子。此过程总称为RNARNA的成熟的成熟或称为或称为RNARNA的转录后加工。的转录后加工。1 1、mRNAmRNA前体的加工前体的加工：原核生物原核生物的的mRNAmRNA转录后转录后一般一般不需要加工，转不需要加工，转录的同时即进行翻译（半寿

20、期短）。亦有少录的同时即进行翻译（半寿期短）。亦有少数多顺反子的数多顺反子的mRNAmRNA需要核酸酶切成小单位，需要核酸酶切成小单位，然后再翻译。然后再翻译。真核生物真核生物mRNAmRNA（半寿期较长）转录物很大，在加工过（半寿期较长）转录物很大，在加工过程中形成许多分子大小不等的中间物，它们被称为程中形成许多分子大小不等的中间物，它们被称为核内不均一核内不均一RNARNA（heterogeneous nuclear RNA,heterogeneous nuclear RNA,hnRNA)hnRNA)，需要进一步进行加工修饰转化为，需要进一步进行加工修饰转化为mRNAmRNA。加。加工包括

21、：工包括：（1 1）hnRNAhnRNA被剪接，把内含子（被剪接，把内含子（DNADNA上非编码序列）上非编码序列）转录序列剪掉，把转录序列剪掉，把外显子外显子（DNADNA上的编码序列）转录上的编码序列）转录序列序列拼接拼接上上(真核生物一般为不连续基因真核生物一般为不连续基因)。（2 2）33端添加端添加polyA“polyA“尾巴尾巴”；（3 3）55端连接端连接“帽子帽子”结构（结构（m m7 7G G5 5 pppppp5 5 NmpNp-NmpNp-）；）；（4 4）分子内部的核苷酸甲基化修饰。）分子内部的核苷酸甲基化修饰。2 2、tRNAtRNA前体的加工：前体的加工：原核与真核

22、生物的原核与真核生物的tRNAtRNA转录后都需转录后都需要加工。要加工。3 3、rRNA rRNA前体的加工：前体的加工：原核与真核生物的原核与真核生物的rRNArRNA转录后也都需要进行加工。转录后也都需要进行加工。原核：刚转录的原核：刚转录的rRNArRNA为为30S30S，先在特定的碱基上进行，先在特定的碱基上进行甲基化（核糖甲基化（核糖2 2-羟基）修饰，后逐步裂解。羟基）修饰，后逐步裂解。真核：真核：45S45S（哺乳动物）、（哺乳动物）、38S38S（果蝇）、（果蝇）、37S37S（酵母）（酵母）tRNAs are cleaved from transcripts of rRNA

23、 operons三、蛋白质的翻译三、蛋白质的翻译1、遗传密码、遗传密码(genetic code):DNA（或（或mRNA）中核苷酸序列与蛋白质中氨）中核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系。基酸序列之间的对应关系。2、密码子、密码子(codon)：mRNA上每上每3个相邻核苷酸编码多肽链中一个氨基个相邻核苷酸编码多肽链中一个氨基酸，这三个核苷酸称一个密码子或三联体密码。酸，这三个核苷酸称一个密码子或三联体密码。（一）遗传密码两个概念（一）遗传密码两个概念3、遗传密码字典遗传密码字典mRNA：蛋白质的蛋白质的DNA序列信息的中间体。序列信息的中间体。tRNA：运送特定氨基酸到核糖体上合成

24、蛋白质。运送特定氨基酸到核糖体上合成蛋白质。rRNA：核糖体的组成元件。核糖体的组成元件。（二）蛋白质合成中使用的（二）蛋白质合成中使用的RNA1、mRNA 是蛋白质合成的模板原核生物原核生物mRNA与真核生物与真核生物mRNA结构比较结构比较 核糖体可以不从核糖体可以不从mRNAmRNA上解离连续合成三个蛋白质上解离连续合成三个蛋白质Eukaryotic mRNAProkaryotic mRNA2、tRNA转运活化的氨基酸至mRNA模板上有有20种分子转换器，每种氨基酸一个种分子转换器，每种氨基酸一个3、rRNA核糖体是蛋白质合成的工厂核糖体得到分离后，发现含有核糖体得到分离后，发现含有RN

25、A，即称，即称rRNA。（三）核糖体大小亚基的生物学功能（三）核糖体大小亚基的生物学功能小亚基：小亚基：通过密码子与反密码子的配对，识别并通过密码子与反密码子的配对，识别并结合模板结合模板mRNAmRNA，蛋白质合成中，蛋白质合成中A A位、位、P P位、位、E E位的一部分等。位的一部分等。大亚基：大亚基：结合多肽链结合多肽链，催化肽键形成、蛋白质合成中，催化肽键形成、蛋白质合成中A A位、位、P P位、位、E E位的一部分等。位的一部分等。mRNA结合部位；结合部位；结合结合AA-tRNA部位（部位（A位）；位）；结合肽基结合肽基 tRNA部位（部位（P位）；位）；空载空载tRNA移出部位

26、（移出部位（E位）；位）；形成肽键的部位。形成肽键的部位。此外，还有用于起始和延伸的各种蛋此外，还有用于起始和延伸的各种蛋白质因子结合部位。白质因子结合部位。核糖体发挥生物学功能的核糖体发挥生物学功能的5个基本部位个基本部位进进位位移移位位转肽转肽Ala（A）Val（V）Leu（L）Ile（I）Pro（P）Met（M）His（H）Gly（G）Ser（S）Thr（T）Cys（C）Phe（F）Trp（W）Asp（D）Glu（E）Lys（K）Gln（Q）Arg（R）Tyr（Y）Asn（N）（四）（四）蛋白质合成中使用的蛋白质合成中使用的20种氨基酸种氨基酸1、蛋白质合成的起始多数多顺反子的翻译独立发

27、生多数多顺反子的翻译独立发生某些细菌中，某些细菌中，mRNA相邻顺反子翻译直接相相邻顺反子翻译直接相连，可由一个核糖体翻译连，可由一个核糖体翻译（五）（五）蛋白质合成的生物学机制蛋白质合成的生物学机制 2、肽链的延伸氨酰氨酰-tRNA进入进入A位位肽链从肽链从P位转移到位转移到A位的氨酰位的氨酰-tRNA上上易位使核糖体相对于易位使核糖体相对于mRNA移动移动不同延伸因子选择性结合到核糖体上使不同延伸因子选择性结合到核糖体上使肽链不断延伸肽链不断延伸 3、蛋白质合成的终止l三种终止密码子三种终止密码子:UAA、UAG和和UGAl被蛋白质释放因子被蛋白质释放因子(release factor，RF)而而所识别所识别l肽链合成终止反应过程肽链合成终止反应过程四、四、蛋白质合成后的修饰加工蛋白质合成后的修饰加工刚翻译完的蛋白称为前体蛋刚翻译完的蛋白称为前体蛋白白缺乏正常的空间结构和功能缺乏正常的空间结构和功能必须经过翻译后的加工必须经过翻译后的加工五、蛋白质合成后的靶向输送五、蛋白质合成后的靶向输送蛋白质合成后经过复杂机制，定向输送蛋白质合成后经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的目标地点到最终发挥生物功能的目标地点