欢迎光临散文网 会员登陆 & 注册

生化学习笔记 第九章 DNA的生物合成(复制)

2023-10-04 09:34 作者:生物yes  | 我要投稿

第九章 DNA的生物合成(复制)

第一节 DNA的复制

自从1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构模型和DNA半保留复制假说后,关于遗传信息的传递,科学界出现了一场空前热烈的探索。遗传信息以密码的形式编码在DNA分子上,通过DNA复制由亲代传递给子代;在子代的生长发育过程中又自DNA转录给RNA,然后翻译成特异的蛋白质,以执行各种功能,使后代现出与亲代相似的遗传性状。

一、DNA的半保留复制(semiconservation replication)

1.概念:DNA复制的一种方式。每条链都可作为合成互补链的模板,合成出的两分子双链DNA,每个分子都是由一条亲代链和一条新链组成。

2.意义:半保留复制是DNA复制最重要的特征。这种方式使子代保留了亲代DNA的全部遗传信息,说明DNA在代谢上的稳定性。物种稳定的分子基础就是遗传的相对保守性,体现在代与代之间DNA碱基序列的一致性,或者说某种生物的后代只能是它的同种生物而不是其他。

二、DNA复制的起点和方式

基因组能独立进行复制的单位称为复制子(replicon)。每个复制子都含有控制复制起始的起点(origin),可能还有终止复制的终点(terminus)。

(一)环状DNA双链的复制

大肠杆菌DNA复制始于单一起点或原点(oriC),双向、等速、对称进行。在电镜下复制的起点与复制的DNA部分犹如眼睛,称复制眼,包括两个反向运动的复制叉(replication fork),形成θ型。复制叉移动速度约50000 bp/min。染色体完成复制需要40min。

某些病毒及噬菌体DNA复制时,可以观察到单向滚环型复制。在哺乳类动物线粒体DNA复制中发现,两条链的合成是高度不对称,一条链上迅速合成出互补链,另一条则为游离的单链环(即D-环)。

(二)线性DNA双链的复制

真核生物染色体DNA是线性双链分子,含有许多复制起点,因此是多复制子。虽然其复制叉移动慢(1000~3000bp/min),但同时起作用的复制叉数目大,DNA复制的总速度比原核生物还快。

三、与DNA复制有关的酶

DNA指导下的DNA合成,是一个复杂、有序的酶促反应过程,涉及几十种酶和因子参与。

1.DNA聚合酶(polymerase)

2.拓扑异构酶(topoisomerase)和解链酶(helicase)

环状DNA的三级结构(超螺旋)存在拓扑异构体,“拓扑”一词原意是指物体做弹性移位而又保持不变的性质。DNA复制时必先要解旋和解链,拓扑异构酶对DNA分子兼有内切酶和连接酶的作用,有I型和Ⅱ型。前者可切断双链中的一条链,使解旋中不致打结(适时又把切口封闭,DNA呈松弛态,这过程不耗能)。后者在无ATP供能时,可同时切开超螺旋状态DNA的两条链,使其松弛,然后将切口封闭(用于分离复制后的两个子环)。在利用ATP时,该酶可使松弛态的DNA变成负超。

解链酶可通过水解ATP供能来解开双链,每解开一对碱基,需水解2分子ATP。该酶和rep蛋白共同参与解链,rep蛋白是沿着前导链的模板(母链)3′→5′方向移动,而解链酶按母链5′→3′方向移动。

3.引物酶(primase)和引发体

DNA聚合酶没有催化两个游离dNTP聚合的能力,而RNA聚合酶依靠模板可酶促游离NTP聚合,生成的一段短RNA引物提供3′- OH末端供dNTP加入、延长。所以,解开双链并不是马上进行复制,先以模板脱氧核苷酸序列,按碱基互补原则合成一小段RNA引物,这一过程称“引发”。引物RNA与模板DNA形成杂交。催化RNA引物合成的RNA聚合酶称引物酶(或引发酶)。该酶只有与相关的蛋白结合为引发体才有明显的活性。引发体是解链酶、DnaC、引物酶和DNA起始复制区组成的复合结构。

4.DNA连接酶(DNAligase)

催化相邻DNA片段间的连接,即把有缺口的3′- OH末端与相邻核苷酸5′-磷酸连接形成磷酸二酯键,连接反应是耗能的。大肠杆菌的DNA连接酶以NAD+为能量来源,动物细胞和某些噬菌体以ATP为能量来源。这两个DNA片段必需与同一个互补链结合。

5.单链结合蛋白(single-strandbindingprotein,SSB)

一旦DNA双螺旋解开成单链,SSB便牢固地结合到分开的单链上,防止它们重新形成双螺旋,保证模板链的复制和不被核酸内切酶水解。原核生物的SSB与DNA的结合表现出明显的协同效应,当第一个SSB结合后,其后的SSB与DNA的结合力可提高103倍,且结合迅速扩展,直到全部单链DNA都被SSB覆盖。而真核生物的SSB没有此协同效应,也不象DNA聚合酶那样沿复制方向向前移动,而是不断地结合、脱离,直到复制完成。

6.其他因子

和引发酶结合成引发体的相关蛋白有6种,priA、priB、priC、、dnaB、dnaC、dnaT。与复制过程有关的起始因子、终止蛋白因子等。

四、DNA半不连续复制

DNA分子的两条链是反向平行且互补的,而所有已知的DNA聚合酶的合成方向都是5′→ 3′。这很难说明DNA在复制时两条链同时作为模板合成新的互补链。为了解决这个矛盾,1968年, 日本学者冈崎通过实验研究 (3H标记的脱氧胸苷的密度梯度离心技术),提出了半不连续复制理论。

五、原核生物DNA的复制过程

(一)复制的起始

这是复制中较复杂的环节,参与因子较多,是把DNA解成单链和生成引物。

E.coli复制始于单个位点(oriC),有245bp的序列,一般含两个反向重复单位和三个串联重复单位。

解链是一种高速的反向旋转,其下游势必发生打结现象。拓扑酶通过切断、旋转和再连接作用,实现DNA超螺旋的转型,正超螺旋变负超;DnaA蛋白辩认并结合oriC重复序列的位点,解链酶(DnaB蛋白,rep蛋白)解开双链(DnaC蛋白协助解链);SSB和引发酶进入,生成的引发体到达适当位置就可按模板催化NTP的聚合,生成引物,这标示复制起始的完成。后随链是不连续复制的,引发体需多次生成。

(二)复制的延长

DNA-polⅢ在引物的3′-OH端,按模板碱基序,催化加入的dNTPs生成磷酸二酯键,子链的延长按5′→3′方向延伸,其速度相当快。E.coli基因组,即全套基因染色体上的DNA约3 000kb。按20分钟繁殖一代,每秒加入的核苷酸数达2500bp。随从链先是生成若干短的冈崎片段,片段之间的连接由RNA酶水解去掉引物,留下的空缺(gap)由DNA-polI催化填补,再由DNA连接酶将两个片段连在一起。

(三)复制的终止

一般说来,复制的终止不需要特定的信号,未发现有关的酶。E.coli环状DNA是双向复制,起始点和终点刚好把环分为两个半圆,两个方向各进行180度,复制至最后的3′-OH末端,可延长填补起始复制时形成的引物所留下的缺口。

六、真核生物DNA的复制

真核生物基因组比原核生物大得多,其染色体以核小体为结构单位组成,因此DNA的复制过程相当复杂。其特点:

1.有多个复制原点,可分段复制。一个复制叉的移动速度虽比原核生物慢,且不连续,但利用多个复制原点可加速复制,所以总的复制速度还是快的。

2.真核生物DNA聚合酶有5种,以α、β、γ、δ、ε命名。polα主要催化合成引物,随从链多次合成的引物包含有DNA片段。polδ有解螺旋酶的活性,催化链的延长。β与ε修复DNA,γ复制线粒体DNA。

3.端粒复制

端粒(telomere)是真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。形态学上,像两顶帽子盖在染色体两端。端粒在维持染色体的稳定性和DNA复制的完整性上有重要作用。

线性DNA复制终止时,新链最早出现的5′-端引物被降解后,留下的空缺没法填补,导致DNA末端有可能缩短。事实上染色体多次复制并没有变短,这是因为端粒有一特化的DNA序,富含T、G短序列的多次重复。端粒酶可催化端粒的复制。

端粒酶,由三部分组成:端粒酶RNA、端粒酶协同蛋白和端粒酶逆转录酶。

第二节反转录

一、反转录概念和反转录酶

反转录(reversetranscription)是以RNA为模板,由反转录酶催化dNTP合成DNA,又称逆转录或RNA指导的DNA合成。

第三节 DNA损伤与修复

DNA复制的保真性是维持物种相对稳定的主要因素,而DNA复制时的错误是突变(mutation)发生的原因。突变是生物进化和细胞分化的分子基础。所以遗传的稳定性和突变的绝对性组成生物界对立统一的自然现象。

一、DNA突变和损伤的概念

突变是指DNA分子碱基的改变或表型功能的异常变化。是通过复制而遗传给子代的永久性DNA序列的改变,逃脱或躲过细胞修复系统。DNA损伤通常指DNA序列可修复的变化(主要是DNA复制中一条链上经修复系统改正的变化)。

突变有自发和诱发两种,其形式有:错配(点突变)、缺失、插入和倒位。

点突变指DNA分子上一个碱基的改变;缺失指一个碱基或一段核苷酸序列从DNA分子上消失;插入指一个或一段原来没有的核苷酸序列插入到DNA分子中间;倒位指DNA链内较大片段的重组(反置或内迁)。

物理因素多见于紫外线照射,引起DNA分子结构中出现嘧啶二聚体。化学因素主要有烷化剂、亚硝酸盐和抗生素及类似物。前两者引起DNA分子中碱基改变,后者能嵌入DNA双螺旋的碱基对之间,干扰和影响DNA的复制与转录。

二、DNA损伤的修复

DNA损伤和修复,是细胞内DNA复制中同时并存的两个过程。修复(repairing)是针对已发生的DNA损伤施行补救,可看作很小范围内的DNA合成。主要有光修复、切除修复、重组修复和SOS修复等。

1.光修复

2.切除修复

3.重组修复

4.SOS修复


生化学习笔记 第九章 DNA的生物合成(复制)的评论 (共 条)

分享到微博请遵守国家法律