导图社区 十、DNA的生物合成
在复制的终止阶段,要切除引物,并填补引物切除后留下的空隙。对于E. coli DNA的复制,主要由DNA pol Ⅰ发挥这一作用。最后,由DNA连接酶将不连续的片段进行连接,从而成为完整的DNA分子。
编辑于2022-06-29 16:29:31这是一个关于核酸的结构与功能的思维导图,包括:summary、structure and function of RNA、physicochemical property of nucleic acids、nuclease等内容。
这是一个关于十六 细胞信号传导的分子机制的思维导图,包括:信息分子(配体)、受体、效应酶、激活的相关酶、传导通路、细胞信号转导、异常与疾病。
氨的主要代谢去路--在肝中合成尿素:概念:在肝脏中合成尿素的过程,通过此循环最终2分子的NH3与1分子的CO2 缩合生成了尿素,由于在此过程中鸟氨酸能再次生成,并被循环利用, 故称为鸟氨酸循环。
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这是一个关于核酸的结构与功能的思维导图,包括:summary、structure and function of RNA、physicochemical property of nucleic acids、nuclease等内容。
这是一个关于十六 细胞信号传导的分子机制的思维导图,包括:信息分子(配体)、受体、效应酶、激活的相关酶、传导通路、细胞信号转导、异常与疾病。
氨的主要代谢去路--在肝中合成尿素:概念:在肝脏中合成尿素的过程,通过此循环最终2分子的NH3与1分子的CO2 缩合生成了尿素,由于在此过程中鸟氨酸能再次生成,并被循环利用, 故称为鸟氨酸循环。
DNA的生物合成
一、DNA复制的基本特性
(一)复制—指在生物体内以亲代 DNA分子两条链为模板,合成两个子代DNA分子的过程。
(二)DNA复制的基本特性
半不连续复制
概念:指前导链连续复制而后随链不连续复制的方式
原因
DNA双链呈反向平行,一条链为5’→3‘方向,其互补链是3’→5‘方向
DNA合成酶只能催化DNA链从5’→3‘方向的合成
机制
前导链
与解链方向相同
随从链
与解链方向相反,生成的不连续子链DNA
冈崎片段
后随链上不连续合成的新的DNA片段
真核生物(100~200核苷酸残基);原核生物(1000~2000核苷酸残基)
处理:复制完成后,去除引物,填补空隙,连接成完整的DNA长链(参与冈崎片段之间连接的酶有RNA酶,连接酶)
半保留复制
亲代双链解开,各自作为模板
碱基互补配对原则(A=T、C=G)
亲代双链模板在子代中存留的3种形式
全保留式
半保留式
混合式
亲代与子代DNA之间碱基序列的高度一致
子代DNA双链一条来自亲代,另一条为完全重新合成
2^n
双向复制
复制叉:正在进行复制的双链DNA分子所形成的Y形区域
原核生物:环状DNA,单个复制起点,向两个方向进行→单点起始双向复制
真核生物
特点:基因组庞大而复杂,多个复制起点→多起点双向复制
复制子是含有一个复制起点的独立完成复制的功能单位
多复制子复制是真核生物体解决庞大基因组复制问题的适应机制
(三)DNA复制的方向和方式
模板DNA的阅读方向是3’→ 5’
新链的延伸方向是5’→ 3’
(四)DNA的复制泡及复制叉
原核生物的DNA为环状,复制时要在特定的复制起始点上开始解链,形成“复制泡”,并向两个方向解链,形成两个复制叉。
复制叉的方向就是解链的方向
(五)复制的保真性
新链的延伸过程严格遵守碱基配对的规律,即A=T,G ≡ C
DNA聚合酶对碱基的选择能力,能选择与亲代模板链正确配对的碱基进入子链相应的位置;校读修正错配碱基,通过DNA聚合酶的3′→5′外切酶活性,在碱基发生错配时,及时切除并更换上正确碱基。
二、DNA复制的反应体系
(一)DNA复制的反应体系组成
①模板(template),DNA的两条单链均作为模板
②主要的复制酶,DNA dependent DNA;polymerase or DDDP, DNA pol
③底物(substrate), dNTP(dNMP掺入新链)
④引物(primer),是一段短的特殊RNA
⑤其他的酶和蛋白质因子,包括拓扑异构酶、解螺旋酶、DNA单链结合蛋白、引物酶、DNA连接酶等。
DNA聚合酶
功能
5’→3’聚合活性:碱基选择并聚合、碱基配对、dNMP掺入新链
外切活性
5 ′→3 ′外切活性
3 ′→5 ′外切活性
分类
1.原核生物DNA聚合酶
功能
5 ′ →3 ′聚合活性
外切活性
5 ′ →3 ′外切活性,切除引物
3 ′ →5 ′外切活性,校读作用
2,真核生物DNA聚合酶
DNA 聚合酶α
引物酶
DNA 聚合酶β
主要参与DNA的修复过程(类似于原核DNA-pol I)
DNA 聚合酶γ
参与线粒体中DNA的复制
DNA 聚合酶δ
主要催化作用 后随链合成 错配修复
DNA 聚合酶ε
前导链合成 错配修复
DNA解螺旋酶、DNA拓扑异构酶 单链DNA结合蛋白
1.DNA解螺旋酶(又称解链酶或rep酶)
现知为Dna B蛋白
功能
使DNA双链解开成为单链
作用于氢键,需消耗2分子ATP
2.DNA拓扑异构酶
功能
使DNA超螺旋旋松,理顺超螺旋,便于DNA解链
特点
既能水解、又能连接磷酸二酯键
分类
拓扑异构酶Ⅰ
切断DNA双链中的一股,松弛后再封闭,不需要ATP
拓扑异构酶Ⅱ
切断DNA的双股链,松弛后再封闭。需要ATP
3.DNA单链结合蛋白
功能
与解开的DNA单链结合,稳定并保护DNA单链
意义
防止单链重新形成双螺旋,保持模板的单链状态以便于复制
防止单链模板被核酸酶水解
引物酶和引发体
引物酶,即Dna G蛋白,催化引物的生成
引发体,由ori C,Dna A、Dna B、Dna C及Dna G组成 (OABCG)
引物为一段短的RNA片段;需要引物是因为DNA聚合酶不能催化游离的dNTP聚合
DNA连接酶
催化DNA分子中两段相邻单链片段的连接,但不能连接单独存在的DNA单链
DNA连接酶催化的反应是耗能的,在真核生物中利用ATP供能,而在原核生物中则消NAD+
冈崎片段的连接
三、DNA复制过程
原核生物DNA复制的基本过程
1.复制的起始
原核生物DNA复制起始以形成引发体(primosome),催化引物(primer)的生成为标志。
①DNA解链
有固定起始点oriC(单个)
上游的串联重复序列称为识别区
下游的反向重复序列碱基以A、T为主,称为富含AT区→易解链
需要多种蛋白质参与:DnaA、DnaB、DnaC、SSB
需要DNA 拓扑酶
②引物合成引发体的形成
含有解螺旋酶(Dna B )、Dna A、DnaC、引物酶和DNA 复制起始区域的复合结构称为引发体。
引发体在DNA链上移动,需由ATP功能
引物酶催化生成RNA引物
DNApol不能催化两个游离dNTP形成磷酸二酯键,只能催化磷酸片段的3’-OH来与dNTP的聚合,故引物只能是RNA
2.复制的延伸
过程
DNApolⅢ的作用下,dNTP以dNMP逐个加到引物或子链上
本质: 磷酸二酯键的不断生成
冈崎片段
生成原因:随从链的合成方向与解链方向相反
片段特点:原核生物,合成方向5‘→3’,每个片段5‘端均有RNA引物
3.复制的终止
原核生物DNA是环状DNA,单起点双向复制,起始点是oriC(82),终止点是ter(32)
包括:切除引物,填补空缺和连接切口
即冈崎片段的处理:DNApolⅠ去除引物,DNApolⅠ填补空缺,DNA连接酶连接缺口(耗能)
在复制的终止阶段,要切除引物,并填补引物切除后留下的空隙。对于E. coli DNA的复制,主要由DNA pol Ⅰ发挥这一作用。最后,由DNA连接酶将不连续的片段进行连接,从而成为完整的DNA分子。
真核生物DNA复制的特点
复制起始
复制延长
发生DNApolα/δ转换
真核生物DNA合成,就酶的催化速率而言,远比原核生物慢,但真核生物是多复制子复制,总体速度不慢
DNA合成后立即组装成核小体
复制终止
端粒
概念:是真核生物染色体线性DNA分子末端的结构
作用:在维持染色体的稳定性和DNA复制的完整性中有着重要的作用
共同特点:富含T、G短序列的多次重复
端粒酶
概念:是一种由RNA和蛋白质组成的酶,包括端粒酶RNA、端粒酶协同蛋白1和端粒酶逆转录酶;它是一种特殊结构的酶,参与端粒合成
作用:兼有提供RNA模板和催化逆转录的功能;以自身RNA为模板合成互补链
复制终止时,染色体端粒区域的DNA确有可能缩短或断裂,端粒酶通过一种称为爬行模型的机制维持染色体的完整性
滚环复制
一些简单的环状DNA如质粒、病毒DNA或F因子经接合作用转移DNA时,采用滚环复制
滚环复制时,亲代双链DNA的一条链在复制起点处被切开, 5' 端游离出来。DNA pol Ⅲ可以将脱氧核苷酸聚合在3'-OH端
外环的5’-端不断向外侧伸展,作为模板指导另一条链的合成延伸
四、DNA损伤、突变和修复
(一)引起DNA损伤的因素
1.物理因素,如紫外线,辐射等
紫外线对DNA的损伤主要是形成嘧啶二聚体
2.化学因素
3.生物因素
(二)基因突变类型
点突变(碱基错配、碱基替换)
碱基的置换(可导致氨基酸的置换)
转换:DNA链中的一种嘌呤被另一种嘌呤取代,或嘧啶被另一种嘧啶取代
颠换:嘌呤被嘧啶取代或反之
举例:镰形红细胞贫血(血红蛋白β基因的CTC→CAC(谷氨酸被缬氨酸取代)→错义突变)
由于密码子的简并性,碱基置换不一定发生氨基酸编码的改变,可出现
错义突变(改变了氨基酸)
无义突变(变为终止密码子)
同义突变(不改变氨基酸)
碱基缺失/插入
可造成读码框移(移码突变)
3个或3n个的碱基插入或缺失,不一定引起框移突变
框移突变
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
反正不是3n个插入和缺失
重排/重组
DNA分子内发生较大片段的交换
(三)DNA损伤的修复
概念
即通过细胞内一系列酶系统的作用,消除DNA分子上的突变部位,使其恢复正常结构
1.光修复
300~600nm范围内的光波可激活细胞内的光修复酶,使二聚体解聚,恢复DNA原来的结构
2.切除修复
最常见的DNA修复方式
(1) 碱基切除修复
相关酶:DNA糖基化酶、AP核酸内切酶、DNApolⅠ、DNA连接酶
过程
识别水解:DNA糖基化酶特异性识别DNA链中已受损的碱基并将其水解去除,产生一个无碱基位点
切除:在此位点的5’端,无碱基位点核酸内切酶将DNA链的磷酸二酯键切开,去除剩余的磷酸核糖部分
合成:DNApolⅠ在缺口处以另一条链为模板修补合成互补序列
连接:由DNA连接酶将切口重新连接使DNA恢复正常结构
(2) 核苷酸切除修复
相关蛋白及酶:UvrA、UvrB、UvrC、UvrD及人XP系列蛋白XPA、XPB、解螺旋酶、DNApolE、DNA连接酶
过程
识别:UvrA、UvrB识别DNA损伤部位,但并不识别具体的损伤,而是识别损伤对DNA双螺旋结构所造成的扭曲
切除:UvrC与解螺旋酶共同作用,在损伤两侧切开DNA链,去除两个切口之间的受损核苷酸
合成:DNApolE作用下合成DNA
连接:由DNA连接酶连接切口,使DNA恢复正常结构
核苷酸切除修复系统基因缺陷相关疾病:遗传性着色性干皮病(XP)、cockyne综合征、人毛发硫营养不良症
切除修复并不局限于某种特殊原因造成的损伤,而能一般性地识别和纠正DNA链及DNA双链结构的变化
3.重组修复
当DNA分子损伤来不及修复完善时所采用的修复机制,依靠重组酶系,将另一段未受损的DNA移到损伤部位,提供正确的模板,进行修复
双链损伤
相关蛋白:RecA、RecB、RecC
4.SOS修复
生物体内DNA损伤面较大的紧急状态下诱导产生的一种修复机制
不能将大范围内受损伤的DNA完全精确地修复,留下的错误较多,故也称为错误倾向修复
在一定程度下保证细胞的存活,但有较高的突变率
DNA损伤及其修复的意义
DNA损伤具有双重效应
DNA突变
DNA不能复制转录,细胞功能障碍,死亡
与DNA修复调节基因突变相关疾病:遗传性非息肉性结肠癌、遗传性乳腺癌、着色性干皮病导致的皮肤癌、黑色素瘤等。
五、逆转录现象和逆转录酶
逆转录概念
含有逆转录酶的RNA病毒是通过逆转录过程传递遗传信息的,即以RNA为模板,指导DNA的合成,也称为逆转录
逆转录酶
3种活性
RNA指导的DNA聚合酶活性:以病毒基因组RNA或mRNA为模板,生成互补DNA链,形成RNA/DNA杂化双链
RNA水解酶活性(RNase):水解杂化双链中的RNA
DNA指导的DNA聚合酶活性:由剩下的单链DNA作模板,催化合成第二条DNA互补链
DNA合成的方向总是5’→3‘,DNA合成起始需要引物,可以是病毒自身的tRNA
逆转录酶不具有3’→5‘核酸外切酶活性,无校对功能,故逆转录出现的错误率较高
基本过程
在逆转录酶的作用下,病毒RNA→RNA/DNA杂化双链
杂化双链中的RNA被逆转录酶RNase(H)水解
余下的单链DNA(cDNA)→双链DNA
DNA的合成方向是5’→3‘,在催化DNA合成时需要引物,该引物为存在于病毒颗粒中的tRNA
生物学意义
补充了中心法则
利用逆转录酶以mRNA为模板,制备cDNA(可获得目的基因)
加深了对RNA病毒致癌致病的认识
已知RNA病毒
人类免疫缺陷病毒(human immuno- deficiency virus, HIV),可引起艾滋病
小鼠白血病病毒MuLV ,可引起淋巴瘤及白血病