第四章細胞的復制與轉錄

細胞、個體乃至物種得遺傳特性要在代代相傳中得到維持,有賴于遺傳物質完整、準確得復制并分配至子代細胞。DNA復制replication:由一個親代雙螺旋產生兩個子代雙螺旋得過程(3、2×109核苷酸對)艱巨任務:在子代細胞誕生前迅速而精確地完成這一過程(約8小時)＝8小時內寫滿1000冊書！奇跡就是怎樣創(chuàng)造得？第四節(jié)遺傳物質得復制replicationofthegenomicmaterials

一、DNA復制過程及其特征二、DNA復制得有關酶類與蛋白質一、DNA復制過程及其特征半保留復制復制從復制起始點開始復制叉、雙向復制與復制泡復制叉得不對稱性:前導鏈、后隨鏈與岡崎片段校讀糾錯機制整個染色體得復制復制過程

DNA復制從復制起始點開始,在起始蛋白為首得一個多酶復合體得作用下,雙鏈解開,形成兩個方向相反得復制叉。在復制叉上,DNA聚合酶分別以DNA雙鏈中得一條為模板,4種三磷酸脫氧核苷酸為原料,合成兩條新得DNA鏈。隨著復制叉向相反兩個方向推進,就形成復制泡。復制泡在各個復制起始點發(fā)生并增大,使DNA分子得到完整復制。

DNA復制:由一個親代DNA雙螺旋產生兩個子代雙螺旋得程。1、半保留復制(semi-conservativereplication)

CGTAGCATCGGC以一條DNA鏈作為模板(舊鏈)復制新鏈,復制后得雙螺旋含一條舊鏈與一條新鏈。1、半保留復制母鏈復制復制復制后得DNA分子,各含有1條原來得舊鏈與1條新鏈,兩個新合成得雙螺旋都就是原來雙螺旋得精確復制品,這稱為半保留復制。復制大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點2、復制從復制起始點replicationorigins開始復制起始點:特殊得DNA序列能被起始蛋白識別并結合通常為富含A、T得重復序列在細菌只有一個,在真核細胞有多個復制得起始與雙鏈解旋:大量特異蛋白與酶參與細菌真核細胞基因組(核苷酸對)數百萬個3、2×109(人)速度500個核苷酸/秒50個核苷酸/秒復制起始點一個多個復制從復制起始點開始向兩個方向推進。(細菌環(huán)狀DNA分子)在真核細胞得染色體上,復制叉由多處復制起始位點向兩個方向移動3、復制叉、雙向復制與復制泡

(replicationforks,two-directionreplication&replicationbubbles)

復制叉:已經打開得2條單鏈與未解開得雙鏈間形成Y形。復制從復制起始點開始向兩個方向推進,形成兩個反向得復制叉。在真核細胞得染色體上,復制叉由多處復制起始位點向兩個方向移動復制叉replicationforkDNA得合成4、復制叉得不對稱性asymmetryofreplicationfolk:前導鏈、后隨鏈與岡崎片段問題:一條新鏈:5’→3’方向合成另一條新鏈如何合成？提示:1、DNA聚合酶只能催化單核苷酸5’→3’方向加入2、5→3連續(xù)合成將使鏈延長與復制叉推進相反?4.復制叉的不對稱性：前導鏈、后隨鏈和岡崎片段答案：一條新鏈：5→3方向不間斷合成－前導鏈另一條新鏈：5→3方向間斷合成－后隨鏈間斷合成得新鏈－后隨鏈RNA引物岡崎片段連接切除RNA引物新DNA延伸RNA引物得生成舊鏈

新鏈

在后隨鏈合成中,由DNA聚合酶在RNA引物得3’-OH上合成一段多核苷酸鏈,此DNA片段加上RNA引物構成岡崎片段。

岡崎片段(Okazakifragments)DNA聚合酶I5’3’切除RNA引物5’3’填充脫氧核苷酸DNA連接酶:連接兩個DNA片段岡崎片段連接:卡通3’3’5’5’

復制叉推進方向

復制起始點模板鏈復制起始點DNA得雙向復制示意圖復制叉推進方向復制叉內部結構就是不對稱得:一條鏈不間斷地合成,并率先發(fā)生,因而叫作前導鏈另一條鏈間斷合成,由岡崎片段連接而成,并滯后發(fā)生,因而叫作后隨鏈。(后隨鏈合成滯后得原因)后隨鏈中核苷酸聚合得方向與鏈延伸得方向就是相反得,而鏈延伸得方向與復制叉推進得方向就是一致得。圖示復制得主要步驟在復制起始點打開雙鏈合成一段RNA引物前導鏈合成(DNA鏈在RNA引物后開始合成)后隨鏈合成(岡崎片段在引物后開始合成)卡通2TTTTCA5．校讀糾錯機制proofreading&mistake-correction復制過程中DNA多聚酶得校讀糾錯作用一、在新得核苷酸中堿基剛剛與對應堿基結合、尚未與新鏈末端共價聯結得時候,多聚酶就對配對進行校對。堿基配對錯誤則使DNA合成暫停。二、“核酸外切校讀”。如果聯結在RNA引物3’－OH末端得就是錯配核苷酸,該酶切除錯配者,直至正確配對得核苷酸作為引物得3’末端才開始DNA合成。6、整個染色體得復制多個復制泡不斷發(fā)生,各個區(qū)段復制順序先后固定、端粒酶保證真核染色體末端得完整復制、DNA新鏈合成完畢后立即就有組蛋白與之裝配,新得核小體形成、快速分裂得核中提取得DNA電鏡照片復制泡return多個復制泡不斷發(fā)生,各個區(qū)段復制順序先后固定端粒酶保證真核染色體(后隨鏈)末端得完整復制卡通組蛋白加入,形成新得核小體組蛋白核心DNA雙鏈合成的新鏈舊鏈新的組蛋白核心二、DNA復制得有關酶類與蛋白質一系列酶與其她蛋白質組成復合體,作為一個整體沿DNA分子移動,協調兩條鏈上得合成過程。

奇跡得創(chuàng)造者

參加大腸桿菌DNA復制得蛋白質及其功能

蛋白質功能DnaA蛋白(起始因子)識別起始順序在復制起始點打開雙鏈DnaB蛋白(解旋酶)松解DNA雙螺旋DnaC蛋白輔助解旋酶結合到起始點DNA拓撲異構酶I與II解除DNA超螺旋并防止鏈纏繞DnaG蛋白(引物酶)合成RNA引物(前導鏈上一個,后隨鏈上多個引物)SSB蛋白(單鏈結合蛋白)結合至單鏈DNA維持其單鏈狀態(tài)滑動鉗夾幫助DNA聚合酶穩(wěn)定結合于模板鏈上DNA聚合酶III1、延長新鏈(5‘3’聚合酶活性:以DNA為模板,

在RNA引物3‘-OH加上dNTP)2、錯配校讀(3‘5’外切酶活性:切除錯配dNTP)DNA聚合酶I在崗崎片段之間除去引物并填補空隙,錯配校讀DNA連接酶連接崗崎片段3‘-OH與5’-P第四章細胞核nucleus第一節(jié)核被膜第二節(jié)染色質與染色體第三節(jié)核仁第四節(jié)遺傳物質得復制第五節(jié)遺傳信息得表達受精卵→胚胎干細胞→→→各種細胞分化分化：基因選擇性表達的結果紅細胞：專一表達血紅蛋白

分化一個人得兩種細胞:源于同一個細胞(同一個受精卵),攜帶完全相同得遺傳信息卻有著截然不同得形態(tài)與功能。怎么會這樣呢？第五節(jié)遺傳信息得表達Expressionofthegenomicinformation

一、基因得轉錄transcription

－從DNA到RNA

二、基因得翻譯translation

－從RNA到蛋白質中心法則Thecentralprinciple

細胞內得基因先將它得遺傳信息轉錄在mRNA上,再經過翻譯,將特定得遺傳信息翻譯為特定得蛋白質。一、基因得轉錄－從DNA到RNA(同樣得語言)(一)轉錄過程(二)有意義鏈與反意義鏈(三)真核RNA得轉錄后加工parisonofDNAandRNAFeatureDNARNASugardeoxyriboseribose

BasepairingA-T/G-CA-U/G-CStructuredoublehelixsinglesinglestrandedstructures

rRNA與tRNA能發(fā)生分子內得堿基配對,易于折疊成三維結構,從而發(fā)揮結構分子得作用DNA雙螺旋結構在RNA合成酶系作用下,以DNA得一條鏈上得一段序列為模板,按照堿基配對原則,以4種三磷酸核苷酸為原料,合成一個與模板序列互補得RNA分子。轉錄產物主要有mRNA、rRNA與tRNA。(一)轉錄過程5’5’3’3’5’3’轉錄產生與一條DNA鏈互補得RNA鏈(一)轉錄過程proteintranslation一個基因外顯子內含子調控序列proteintranslation一個基因外顯子內含子調控序列啟動子與終止子:特殊得DNA序列,對RNA聚合酶發(fā)出得信號。原核細胞的啟動子

－轉錄酶識別和結合的部位，結合后啟動轉錄起始點酶識別部位不同原核生物啟動子區(qū)序列的比較酶結合部位Pribnow盒啟動子由RNA聚合酶轉錄RNA聚合酶:催化這一合成反應,所以又叫轉錄酶。作用就是解開DNA雙鏈,以其中得反基因鏈為模板,將4種三磷酸核苷酸聚合成與模板互補得RNA鏈。RNA聚合酶催化得細菌基因得轉錄:聚合酶遇到啟動子序列就與之結合,打開雙鏈開始轉錄,直至遇到終止子、卡通三種轉錄物:信使RNA(mRNA)－傳遞遺傳信息核糖體RNA(rRNA)－作為結構分子與酶組分轉運RNA(tRNA)－作為結構分子基因鏈(genestrand):基因遺傳信息所在得DNA單鏈。反基因鏈(antigenestrand):與基因鏈互補得那條DNA

單鏈。mRNA鏈:序列與基因鏈相同(T=U)(二)有意義鏈與反意義鏈

sense/antisensestrands基因鏈或有意義鏈反基因鏈或反意義鏈

一段細菌染色體上多個基因的轉錄方向理論上任何一段DNA的兩條鏈都可以轉錄出兩個RNA分子，但實際上一段DNA上總是只有一條鏈作為RNA的模板，即反基因鏈，由此轉錄出來的RNA鏈序列與模板鏈互補，與基因鏈相同。一段DNA的兩條鏈何者作為模板可以看作由特定基因的啟動子位置決定。啟動子一般位于基因上游,轉錄酶先結合上啟動子，就決定了模板鏈。細菌基因與真核生物基因得比較(三)、真核細胞RNA得轉錄與加工Transcriptionandprocessing

細胞內產生得RNA得種類RNA種類功能mRNA編碼蛋白質rRNA形成核糖體得一部分并參與蛋白質得合成tRNA蛋白質合成中作為mRNA與氨基酸之間得連接物小RNA用于未成熟mRNA得拼接、蛋白質向內質網得轉運以及其她細胞過程mRNA(真核加工)rRNA(真核、原核均加工)tRNA(真核、原核均加工)(三)、真核細胞RNA得轉錄與加工真核生物原核生物原核生物與真核生物得轉錄、翻譯過程細胞核轉錄轉錄翻譯翻譯

mRNA得加工 作用

1、加帽(capping)增加穩(wěn)定性

5’-三磷酸-7-甲基鳥苷

2、加尾(tailing)穩(wěn)定性與轉運有關

3’-PolyA序列3、拼接(splicing)切除內含子并聯結外顯子

4、RNA編輯(editing)擴充遺傳信息？原初轉錄產物成熟mRNA帽子附加位點多聚A尾加尾信號裝配成核糖體小亞基裝配成核糖體大亞基45SrRNA前體45SrRNA前體加工1.兩種化學修飾－甲基化和假尿苷2.內含子被切除形成三個獨立的

rRNA分子（18S、5.8S、28S）S的含義tRNA加工剪接堿基修飾二、基因得翻譯－從RNA到蛋白質

(不同得語言)(發(fā)生在細胞核內嗎?)(一)密碼(二)翻譯過程(三)翻譯得場所-核糖體

3種RNA在此緊密合作

遺傳信息得翻譯就是指以新生得mRNA為模板,把核苷酸三聯子遺傳密碼翻譯成氨基酸序列,合成多肽得過程,就是基因表達得最終目得。蛋白質得生物合成發(fā)生在核糖體上,三種成熟得RNA分子從核進入胞質后在此各自發(fā)揮重要作用。mRNA編碼蛋白質rRNA形成核糖體得骨架并參與蛋白質得合成(核酶)tRNA蛋白質合成中作為mRNA與氨基酸之間得連接物從基因到蛋白質得步驟比較DNA復制與轉錄得特點復制轉錄目得 復制遺傳物質轉錄遺傳信息模板完整得染色體分子染色體分子上一段DNA(基因)催化合成得酶DNA聚合酶RNA聚合酶原料4種脫氧核糖核苷酸4種核糖核苷酸

dATP,dTTP,dCTP,dGTPATP,UTP,CTP