1、DNA的复制和的复制和RNA的转录的转录1 1 DNA生物合成的种类和方式生物合成的种类和方式 DNA指导下的指导下的DNA复制复制 RNA指导下的指导下的DNA复制复制 DNA复制的忠实性复制的忠实性2 分子遗传的中心法则分子遗传的中心法则 DNA是遗传信息的储存和发布者，它在如图的联系中处于中心地位3复制：复制：以亲代DNA或RNA为模板，根据碱基配对的原 则，在一系列酶的作用下，生成与亲代相同的 子代DNA或RNA的过程。转录：转录：以DNA为模板，按照碱基配对原则合成RNA，即将DNA所含的遗传信息传给RNA，形成一条 与DNA链互补的RNA的过程翻译：翻译：亦叫转译，以mRNA为模板
2、，将mRNA的密码解 读成蛋白质的氨基酸顺序的过程逆转录：逆转录：以RNA为模板，在逆转录酶的作用下，生成 DNA的过程 中心法则的几个基本概念中心法则的几个基本概念 41.1.1 DNA复制的特点 半保留复制 半不连续复制1.1 DNA指导下的指导下的DNA复制复制5 半保留复制半保留复制 以亲代DNA双链为模板，按照碱基互补方式合成子代DNA，这样新形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式叫半保留复制 6半保留复制的实验依据半保留复制的实验依据 1953年,Watson和Crick提出DNA的半保留复制机制 1958年,Meselson 和Stahl将
3、同位素15N标记的15NH4Cl加入大肠杆菌的培养基中培养12代，使大肠杆菌的DNA都带上15N的标记，然后将该大肠杆菌转入14N的普通培养基中培养后，分离子一代、子二代、子三代、子四代DNA，进行氯化铯密度梯度离心，实验证明了DNA的半保留复制7半保留复制的实验依据半保留复制的实验依据 8 DNA复制的起点和方向复制的起点和方向9 两个起点，两个生长端的相向复制两个起点，两个生长端的相向复制 DNA每条链有1个复制起点，分别合成1条新DNA，两条新链相向合成，每个生长点只有1条链合成，这种方式存在于线性DNA病毒 1个起点，个起点，1个复制区的单向复制个复制区的单向复制 DNA两条链的复制起
4、始点在同一位置，复制向一个方向运动，两条DNA链均被复制，这种方式偶见于一些环形DNA的复制 1个起点，两个复制区的双向复制个起点，两个复制区的双向复制 这种DNA复制方式最为普遍，复制起始于1个位点，形成两个复制区向相反方向运动，在每个复制区两条DNA链均被复制 DNA复制的起点和方向复制的起点和方向10DNA复制的起点和方向复制的起点和方向11 半不连续复制半不连续复制 DNA双螺旋的两条链是反向平行的，而合成方向只能是53。所以在DNA复制时，1条链的合成方向和复制叉的前进方向相同，可连续复制，称为前导链；而另一条链的合成方向和复制叉的前进方向正好相反，不能连续复制，只能分成几个片段合成
5、，称为滞后链。滞后链的片段叫作冈崎片段(1000b)，它们合成后再连接起来（前导链）（前导链）（滞后链）（滞后链）冈崎片断冈崎片断121.1.2 DNA复制的酶系复制的酶系13拓扑异构酶解开超螺旋拓扑异构酶解开超螺旋14拓扑异构酶解开超螺旋拓扑异构酶解开超螺旋DNA拓扑异构酶催化的反应本质是先切断DNA的磷酸二酯键，改变DNA的链环数之后再连接之，兼具DNA内切酶和DNA连接酶的功能其断裂反应与连接反应是相互偶联的，不能连接事先已经存在的断裂DNA15解链酶和解链酶和SSB的作用的作用16引物酶合成引物酶合成RNA引物引物17DNA聚合酶延长子链聚合酶延长子链18原核细胞原核细胞DNA聚合酶聚
6、合酶19连接酶连接连接酶连接2个冈崎片断个冈崎片断20连接酶连接连接酶连接2个片断的三步反应个片断的三步反应21DNA复制酶系总览复制酶系总览221.1.3 DNA的复制过程的复制过程23解旋：解旋：由拓扑异构酶解除DNA的超螺旋结构解链：解链：由解链酶使双链DNA解开再由单链结合 蛋白与单链结合，防止氢键再形成识别起点：识别起点：由DNA指导的RNA聚合酶即引物酶 完成生成引物：生成引物：以DNA为模板在引物酶催化下由 DNA转录成 DNA的生成：的生成：在RNA引物3末端上按碱基互 补原则经DNA聚合酶III催化生成，其 3 末端与下一个RNA引物5 末端相连DNA的合成步骤的合成步骤 2
7、4切除引物：切除引物：由DNA聚合酶I催化切除引物，剩下的DNA片段即冈崎片段补齐封口：补齐封口：DNA聚合酶I利用其DNA聚合酶 活性按碱基互补原则沿5 3 方向填 补两个冈崎片段之间的缺口。其3 末端羟基与下一个DNA片段5 末端 相连磷酸基，在DNA连结酶催化下 形成磷酸二酯键而被连结起来，最 终形成DNA模板链的完整新的互补 链，此部由NAD+供能252627 真核细胞与原核细胞真核细胞与原核细胞DNA的复制区别的复制区别 RNA引物和冈崎片段较小 复制速度较慢，这可能与组蛋白的存在使DNA处于稳定的双股状态有关 复制有多个起点复制有多个起点 DNA聚合酶聚合酶为为，以及线粒体聚合酶。
8、以及线粒体聚合酶。它们仅能催化聚合作用，而没有原核细胞它们仅能催化聚合作用，而没有原核细胞DNA聚合酶所有的外切酶作用聚合酶所有的外切酶作用 DNA片段的连结由片段的连结由ATP供能供能真核细胞真核细胞DNA的合成的合成 28真核细胞真核细胞DNA聚合酶聚合酶29for their discovery of the mechanisms in the biological synthesis of ribonucleic acid and deoxyribonucleic acid Arthur Kornberg Stanford University Stanford,CA,USA1918-
9、Severo Ochoa New York University,College of Medicne New York,NY,USA1905-1993301.2 RNA指导下的指导下的DNA复制复制(逆转录逆转录)31RNA指导下的指导下的DNA复制复制(逆转录逆转录)以RNA指导的DNA聚合酶催化合成DNA是以dNTP为原料及能源物质，以病毒单链RNA为模板，RNA为引物反应时模板与引物以氢键相连，在引物3羟基末端开始以53方向进行 DNA的聚合、延伸。合成的DNA以共价键相连，形成DNA-RNA杂合体。在DNA指导的DNA聚合酶催化下以杂合体中的DNA为模板合成一条DNA互补链，形成新的
10、DNA分子 逆转录酶是一种多功能酶 具有合成具有合成RNA、合成、合成DNA、水解、水解RNA的能力的能力32依赖依赖RNA的的DNA聚合酶聚合酶核糖核酸酶核糖核酸酶H活力活力依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶RNA指导下的指导下的DNA复制复制(逆转录逆转录)33 David BaltimoreMassachusetts Institute of Technology(MIT)Cambridge,MA,USA1938-Renato DulbeccoImperial Cancer Research Fund Laboratory,London,UK1914-Howard Martin Tem
11、inUniversity of Wisconsin Madison,WI,USA1934-1994for their discoveries concerning the interaction between tumour viruses and the genetic material of the cell341.3 DNA复制的忠实性复制的忠实性 DNA复制具有高度精确性，在大肠杆菌的细胞DNA复制中其错误率约为1/1091/1010，即每1091010个核苷酸才出现一个错误。这么高的精确性的保证主要与下列因素有关：碱基的配对规律：模板链与新生链之间的碱基 配对保证碱基配错几率约为1/
12、1041/105 DNA聚合酶的35外切酶活性的校对功能，使 碱基的错配几率又降低1001000倍 DNA的损伤修复系统(错配修复、直接修复、切 除修复、重组修复、易错修复)35 DNA聚合酶的的自我校正聚合酶的的自我校正 DNA 聚合酶不能从头合成DNA，即不能把两个dNTP连接起来，而只能将一个个核苷酸单位加到形成碱基配对的引物链3羟基上，如果引物链3羟基出现了和模板链错配的碱基，DNA聚合酶就会立即停止前进，并利用35核酸外切酶活性将错配的核苷酸从引物3端切除，只有引物3端重新出现碱基配对时才继续合成DNA。所以在合成DNA之前必须有正确的碱基配对存在于3端，即DNA聚合酶必须利用RNA
13、引物链来检验3端的碱基配对正确与否，在确认无误后才开始合成36 错配校正系统错配校正系统 错配校正系统能发现DNA双螺旋因非互补碱基对间的不对称而产生的变形，它能区分和切除存在于新合成的DNA中错配的核苷酸。E.coli的错配校正系统利用dam基因编码的甲基化酶将DNA碱基序列(GATC)中的A在N6位甲基化，但新合成的A要晚一些才被甲基化，这使碱基序列只是在刚合成的新DNA链中还没有被甲基化，这就能区别新DNA链和模板链 参与错配修复的酶与蛋白质：参与错配修复的酶与蛋白质：Dam甲基化酶;MutH、MutL、MutS蛋白;解螺旋酶;DNA聚合酶 ;外切酶、；RecJ核酸酶 DNA连接酶；SS
14、B37错配校正示意图错配校正示意图382 RNA生物合成的种类和方式生物合成的种类和方式 DNA指导的指导的RNA合成合成(转录转录)RNA指导的指导的RNA合成合成(RNA复制复制)在生物界，RNA合成有两种方式：一是DNA指导的RNA合成，此为生物体内的主要合成方式。另一种是RNA指导的RNA合成，此种方式常见于病毒392.1 DNA指导的指导的RNA生物合成生物合成(转录转录)1.原核细胞原核细胞RNA的生物合成的生物合成2.真核细胞真核细胞RNA的生物合成的生物合成3.转录产物的加工转录产物的加工402.1.1 原核细胞原核细胞RNA的生物合成的生物合成 1960年，RNA 聚合酶被发
15、现。在E.coli中，RNA 聚合酶催化RNA的合成需要：模板：双链或单链 DNA 活性单体物质：四种NTP 二价金属离子：Mg2+或Mn2+，在生物体 中(in vivo)发现的是Mg2+合成方向：5 341转录不需要引物只转录DNA分子中的一个片段(称为操纵子operon)双链DNA中只有一条链具有转录活性(称为模板链)RNA聚合酶无校对功能RNA的合成与的合成与DNA合成的不同合成的不同42复制和与转录的区别复制和与转录的区别43DNA的有义链和反义链的有义链和反义链 启动子启动子(promoter)终止子终止子(terminator)模板链（模板链（templatte strand）反
16、义链反义链(antisense strand)有义链有义链(sense strand)非信息区非信息区5533 模板链：模板链：双链DNA中具有转录活性的的链称为模板 链，又称反义链(或负链，Watson链)编码链：编码链：双链DNA中无转录活性的链称为编码链，又称有义链(或正链，Crick链)44DNA的有义链和反义链的有义链和反义链45E.Coli中的中的RNA聚合酶聚合酶46E.Coli中的中的RNA聚合酶聚合酶(亚基：转录的启动子识别亚基：转录的启动子识别)47真核生物中的真核生物中的RNA聚合酶聚合酶48启动子和启动子和转录因子转录因子49终止子和终止因子终止子和终止因子50RNA转
17、录的终止转录的终止 转录终止信号有两种：转录终止信号有两种：简单终止子简单终止子(不依赖不依赖因子因子)：(1)能形成发夹结构 (2)在终止点之前具有一系列U核苷酸(连续6个)；回文对称区通常有一段富含GC序列依赖依赖因子的因子的终止子：终止子：回文结构区不含富有GC区，回文结构之后也无寡聚U51不对称转录不对称转录52转录时转录时DNA双链局部解开双链局部解开53RNA转录过程转录过程 RNA转录由识别、起始、延伸、终止四个阶转录由识别、起始、延伸、终止四个阶 段组成段组成识别识别:RNA聚合酶在亚基的引导下结合于启动 子；DNA双链局部解开，形成转录泡；起始：起始：在模板链上通过碱基配对合
18、成最初RNA链延伸：延伸：亚基脱离，核心酶沿着DNA链由3 5的 方向移动，转录区间的DNA双链解螺旋，而 转录完的区间DNA又恢复双螺旋结构终止：终止：核心酶到达终止子，RNA与核心酶从DNA上 脱落54RNA转录的起始转录的起始55解螺旋解螺旋恢复螺旋恢复螺旋转录泡转录泡模板链模板链编码链编码链RNA聚合酶作用示意图聚合酶作用示意图56RNA转录的延伸转录的延伸572.1.2 真核细胞真核细胞RNA的生物合成的生物合成 真核生物的真核生物的RNA聚合酶主要分布于细胞核聚合酶主要分布于细胞核内，内，RNA合成也就主要发生在细胞核中合成也就主要发生在细胞核中酶类酶类分布分布产物产物-鹅膏蕈碱鹅
19、膏蕈碱对酶的影响对酶的影响分子量分子量(KDa)反应条件反应条件核仁核仁核质核质核质核质rRNA（5.8S、18S、28S）mRNAtRNA、5S rRNA不抑制不抑制低浓度抑制低浓度抑制高浓度抑制高浓度抑制500700700低离子强度要低离子强度要求求Mg2+或或Mn2+高离子强度高离子强度高高Mn2+浓度浓度58for his studies of the molecular basis of eukaryotic transcription Roger D.KornbergStanford University,CA,USA1947-59 罗杰罗杰 科恩伯格科恩伯格(右右)接受父亲接受父
20、亲阿瑟阿瑟 科恩伯格科恩伯格(左左)的祝贺的祝贺 幼年时的罗杰幼年时的罗杰 科恩伯格科恩伯格(左一左一)和家人在一起和家人在一起60 罗杰罗杰 科恩伯格的贡献科恩伯格的贡献 阐明了真核细胞转录的具体机理阐明了真核细胞转录的具体机理612.1.3 RNARNA的转录后加工的转录后加工62原核生物的原核生物的rRNA加工加工63原核生物的原核生物的tRNAtRNA加工加工 真核生物的真核生物的tRNA加工与加工与E.Coli相似相似64原核生物的原核生物的mRNAmRNA加工加工65真核生物的真核生物的rRNArRNA加工加工66真核生物的真核生物的mRNAmRNA加工加工67真核真核mRNAmR
21、NA的的5-5-加帽加帽68真核真核mRNAmRNA的的3-3-加尾加尾69真核真核mRNAmRNA的剪辑的剪辑(真核生物的结构基因通常是断裂的真核生物的结构基因通常是断裂的)70for their discoveries of split genes Richard J.RobertsUnited KingdomNew England Biolabs Beverly,MA,USA1943-Phillip A.SharpMassachusetts Institute of Technology(MIT)Cambridge,MA,USA 1944-71真核真核mRNAmRNA的剪辑的剪辑(切除内
22、含子与拼接外显子切除内含子与拼接外显子)722.2 RNA指导的指导的RNA合成合成 (RNA复制复制)概念：概念：RNA病毒以自身RNA为模板合成与自身RNA完全相 同RNA分子的过程称为RNA的复制 两个阶段两个阶段:（1）病毒RNA可充当mRNA，利用寄主中的核糖体合成外壳 蛋白和复制酶的亚基（2）复制酶的亚基与来自宿主细胞的亚基自动装配成 RNA复制酶，进行RNA复制，通常以分子中单链RNA为模 板(正链)，复制出一条新的RNA链(负链)，然后以负链为 模板复制出大量正链，再与外壳蛋白组装成新的病毒颗 粒73RNA复制酶的催化性质复制酶的催化性质 以四种以四种NTPNTP为底物；为底物
23、；专一性地选择病毒专一性地选择病毒RNARNA为模板；为模板；按按5 35 3的方向合成病毒的方向合成病毒RNARNA；无外切酶活性（即无校对功能）无外切酶活性（即无校对功能）74病毒病毒RNA的复制方式的复制方式1 1、病毒含正链病毒含正链RNA：进入宿主细胞后先进行病毒RNA复制酶和有关病毒蛋白质的合成（借助于宿主细胞的蛋白质合成体系），然后进行RNA的复制，再装配病毒颗粒,如：噬菌体Q和灰质炎病毒2、病毒含负链、病毒含负链RNA和复制酶：和复制酶：这类病毒进入宿主细胞后，先进行RNA的复制合成正链RNA，再以正链RNA为模板合成病毒蛋白质RNA，然后装配病毒颗粒,如：狂犬病病毒、马水苞性口炎病毒3、病毒含双链、病毒含双链RNA和复制酶：和复制酶：这类病毒进入宿主细胞后，以双链RNA为模板，通过不对称复制产生正链RNA，并以正链RNA为模板合成病毒蛋白质，然后再合成负链RNA并形成双链RNA，再装配病毒颗粒,如:呼肠病毒75作业题名词解释：名词解释：复制，转录，翻译复制，转录，翻译,逆转录，逆转录，模板链，编码链模板链，编码链简答题：简答题：1.1.什么是什么是DNADNA的半保留复制和半不连续复制机制的半保留复制和半不连续复制机制2.2.简述简述DNADNA复制中各种酶的作用复制中各种酶的作用3.3.比较比较DNADNA复制和复制和RNARNA转录的区别转录的区别76
