DNA复制与RNA转录小结

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1、一一 DNA 复制复制1.DNA 通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白 质分子，从而决定生物的表现型。质分子，从而决定生物的表现型。DNA 的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法 则。 l 在 RNA 病毒中，其遗传信息贮存在 RNA 分子中。因此，在这些生物体中，遗传信 息的流向是 RNA 通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代，通过反转录将遗传信息传递 给 DNA，再由 DNA 通过转录和翻译传递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为反中心法 则。 DNA dependent DNA

2、 polymeraseDDDP DNA dependent RNA polymerase DDRP RNA dependent RNA polymeraseRDRP RNA dependent DNA polymerase RDDP DNA 复制的复杂性复制的复杂性： DNA 复杂的高级结构如何解开成单链； 单链内部碱基配对 如何解决； 酶学； 错误如何避免。 2. DNA 复制的特点复制的特点 2.1 半保留复制半保留复制 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

3、制(semi-conservative replication)。 DNA 以半保留方式进行复制，是在 1958 年由 M. Meselson 和 F. Stahl 所完成的实验所证 明。该实验首先将大肠杆菌在含 15N 的培养基中培养约十五代，使其 DNA 中的碱基氮均 转变为 15N。将大肠杆菌移至只含 14N 的培养基中同步培养一代、二代、三代。分别提取 DNA，作密度梯度离心，可得到下列结果： 2.2 有一定的复制起始点有一定的复制起始点 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。 每个 DNA 复制的独立单元被称为复制子（replic

4、on） ， 主要包括复制起始位点（Origine of replication）和终止位点（terminus） 。原核生物的整个 染色体上一般只有一个复制起始位点。真核生物有多个。 2.3 需要引物需要引物 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 50100 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。 2.4 双向复制双向复制 DNA 复制时，以复制起始点为中心，向两个方向进行复

5、制。但在低等生物 中，也可进行单向复制（如滚环复制） 。 由于 DNA 聚合酶只能以 53方向聚合子代 DNA 链，即模板 DNA 链的方向必须为 35。因此，分别以两条亲代 DNA 链作为模板聚合子代 DNA 链时的方式是不同的。 以 35方向的亲代 DNA 链作模板的子代链在复制时基本上是连续进行的，其子代链的 聚合方向为 53，这一条链被称为前导链(leading strand)。而以 53方向的亲代 DNA 链为模板的子代链在复制时则是不连续的，其链的聚合方向也是 53，这条链被称为滞 后链(lagging strand)。 2.5 不连续性不连续性 由于亲代 DNA 双链在复制时是逐

6、步解开的，因此，随从链的合成也是一段 一段的。DNA 在复制时，由滞后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。 2.6 DNA 复制的保真性复制的保真性 为了保证遗传的稳定，DNA 的复制必须具有高保真性。DNA 复制 时的保真性主要与下列因素有关： 遵守严格的碱基配对规律； DNA 聚合酶在复制 时对碱基的正确选择； 对复制过程中出现的错误及时进行校正。 小结：小结： DNA 复制的特点复制的特点 半保留半保留 起始点起始点 引物引物 方向性方向性

7、 不连续不连续 高度高度精确性精确性 3. DNA 复制的条件复制的条件 3.1 底物底物 以四种脱氧核糖核酸(deoxynucleotide triphosphate)为底物，即 dATP，dGTP，dCTP，dTTP。 (dNMP)n+dNTP (dNMP)n+1+PPi 3.2 模板模板(template) DNA 复制是模板依赖性的，必须要以亲代 DNA 链作为模板。亲代 DNA 的两股链解开后，可分别作为模板进行复制。 3.3 引发体和引发体和 RNA 引物引物 引发体(primosome)由引发前体与引发酶（primase）组装而成。 引发前体是由若干蛋白因子聚合而成的复合体。在原

8、核生物中，引发前体至少由六种蛋白 因子构成。蛋白 i、蛋白 n、蛋白 n”、蛋白 dnaC 与引物预合成有关，蛋白 n与蛋白 dnaB 与识别复制起始点有关，并具有 ATPase 活性。 引发酶本质上是一种依赖 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。 3.4 DNA 聚合酶聚合酶 (DDDP)DNA 聚合酶的种类和生理功能 在原核生物中，目前发现的 DNA 聚合酶有三种，分别命名为 DNA 聚合酶（pol ） ，DNA 聚合酶（pol ） ，DNA 聚 合酶（po

9、l ） ，这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。参与 DNA 复制的主要是pol 和 pol 。 pol 为单一肽链的大分子蛋白质,可被特异的蛋白酶水解为两个片段，其中的大片段称为 Klenow fragment，具有 53聚合酶活性和 35外切酶的活性。pol 由十种亚基组成，其中 亚基具有 53聚合 DNA 的酶活性，因而具有复制 DNA 的 功能；而 亚基具有 35外切酶的活性，因而与 DNA 复制的校正功能有关。 原核生物中的三种 DNA 聚合酶 在真核生物中，目前发现的 DNA 聚合酶有五种，分别命名为 DNA 聚合酶 （pol ） ， DNA 聚合酶 （pol ） ，DNA 聚合

10、酶 （pol ） ，DNA 聚合酶 （pol ） ，DNA 聚合酶 （pol ） 。 其中，参与染色体 DNA 复制的是 pol （延长滞后链）和 pol （延长先导链） ， 参与线粒体 DNA 复制的是 pol ，pol 与 DNA 损伤修复、校读和填补缺口有关，pol 只 在其他聚合酶无活性时才发挥作用。 3.5 DNA 连接酶连接酶 DNA 连接酶(DNA ligase)可催化两段 DN*段之间磷酸二酯键的形成，而 使两段 DNA 连接起来。 DNA 连接酶催化的条件是： 需一段 DN*段具有 3-OH，而另一段 DN*段具有 5-Pi 基； 未封闭的缺口位于双链 DNA 中，即其中有一

11、条链是完整的； 需要消耗能量，在原 核生物中由 NAD+供能，在真核生物中由 ATP 供能。 3.6 单链单链 DNA 结合蛋白结合蛋白 单链 DNA 结合蛋白（single strand binding protein, SSB）又称螺 旋反稳蛋白（HDP） 。这是一些能够与单链 DNA 结合的蛋白质因子。其作用为： 使解 开双螺旋后的 DNA 单链能够稳定存在，即稳定单链 DNA，便于以其为模板复制子代 DNA； 保护单链 DNA，避免核酸酶的降解。 3.7 解螺旋酶解螺旋酶 解螺旋酶(unwinding enzyme) ，又称解链酶或 rep 蛋白，是用于解开 DNA 双链的酶蛋白，每解

12、开一对碱基，需消耗两分子 ATP。目前发现存在至少存在两种 解螺旋酶。 大肠杆菌拓朴异构酶的结构 3.8 拓扑异构酶(topoisomerase) 拓扑异构酶可使 DNA 双 链中的一条链切断，松开双螺旋后再将 DNA 链连接起来，从而避免出现链的缠绕。拓扑 异构酶可切断 DNA 双链，使 DNA 的超螺旋松解后，再将其连接起来。 4. DNA 生物合成过程生物合成过程 4.1 复制的起始复制的起始 DNA 复制的起始阶段，由下列两步构成。 4.1.1 预引发： 解旋解链， 形成复制叉： 由拓扑异构酶和解链酶作用，使 DNA 的超螺旋及双螺旋结构解开，碱基间氢键断裂，形成两条单链 DNA。单链

13、 DNA 结合蛋白（SSB）结合在两条单链 DNA 上，形 成复制叉。 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。 引发体组装： 由蛋白因子（如 dnaB 等）识别复制起始点，并与其他蛋白因子以及引 发酶一起组装形成引发体。 4.1.2 引发 在引发酶的催化下，以 DNA 为模板，合成一段短的 RN*段，从而获得 3端自 由羟基（3-OH） 。 4.2 复制的延长复制的延长 4.2.1 聚合子代 DNA： 由 DNA 聚合酶催化，以 35方向的亲代 DNA 链为模板，从 53方向聚合子代 DNA 链。在原核生物中，参与 DNA 复制延长的是 DNA 聚合酶；而在真核生

14、物中，是 DNA 聚合酶 (延长滞后链)和 （延长先导链） 。 4.2.2 引发体移动： 引发体向前移动，解开新的局部双螺旋，形成新的复制叉，随从链 重新合成 RNA 引物，继续进行链的延长。 4.3 复制的终止复制的终止 4.3.1 去除引物，填补缺口： 在原核生物中，由 DNA 聚合酶来水解去 除 RNA 引物，并由该酶催化延长引物缺口处的 DNA，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。 而在真核生物中，RNA 引物的去除，由一种特殊的核酸酶来水解，而冈崎片段仍由 DNA 聚合酶来延长。 4.3.2 连接冈崎片段： 在 DNA 连接酶的催化下，形成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连 接起来，形成完整

15、的 DNA 长链。 4.3.3 真核生物端粒的形成： 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。其共同的结构特征是由一些富含 G、C 的短重复序列构成， 可重复数十次至数百次。 线性 DNA 在复制完成后，其末端由于引物 RNA 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。 端粒酶是一种 RNA-蛋白质复合体，它可以其 RNA 为模板，通过逆转录过程对末端 DNA 链进行延长。 整个 DNA 复制过程中，只有复制起始受细胞周期的严格调控。 DNA 甲基化与 DNA 复制 起始密切相关。OriC 中有 11 个 GATC 回文结构（一般说来，256bp 才应有一个 GATC 重 复） 。DNA 子链被合成后，母链立即被甲基化（称为 hemimethylated） 。此时，oriC 与细胞 原生质膜相结合。只有当 oriC 被从膜上释放出来，子链被 Dam 甲基化后，才能有效地与 DnaA 蛋白结合，起始新一轮的 DNA 复制。复制起始可能还受 ATP 水解过程调控，因为 DnaA 只有与 ATP 相结合时才能与 oriC 区 DNA 相结合。 Once in each cell cycle 原核生物核真核生物 DNA 复制的异同： 不同点： 复制起点数目 复制叉数目 调节方式 5. DN