DNA的复制PPT课件.ppt
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1、Molecular Biology CourseThe replication of DNA The replication of DNA Molecular Biology Course第五讲第五讲 DNADNA的复制的复制 一、一、DNADNA的复制的复制 二、二、RNARNA的反转录的反转录 三、三、DNADNA的转座的转座Molecular Biology Course 脱氧核糖核酸(脱氧核糖核酸(DNADNA)是生物界遗传的主要物质基础。是生物界遗传的主要物质基础。生生物物有有机机体体的的遗遗传传特特征征以以密密码码的的形形式式编编码码在在DNADNA分分子子上上,表现为特定的核苷酸
2、排列顺序即遗传信息。表现为特定的核苷酸排列顺序即遗传信息。在在细细胞胞分分裂裂前前通通过过DNADNA的的复复制制,将将遗遗传传信信息息由由亲亲代代传传递递给给子代。子代。在在后后代代的的个个体体发发育育过过程程中中,遗遗传传信信息息自自DNADNA转转录录给给RNARNA,并并指导蛋白质的合成,以执行各种生命功能。指导蛋白质的合成,以执行各种生命功能。使使后后代代表表现现出出与与亲亲代代相相似似的的遗遗传传性性状状,这这种种遗遗传传信信息息的的传传递递方方向向,是是从从DNADNA到到RNARNA再再到到蛋蛋白白质质,即即所所谓谓的的生生物物学学“中心法则中心法则”。8080年年代代以以后后
3、,在在某某些些致致癌癌RNARNA病病毒毒中中发发现现遗遗传传信信息息也也存存在在于于RNARNA分分子子中中,由由RNARNA通通过过逆逆转转录录的的方方式式将将遗遗传传信信息息传传递递给给DNADNA。这这个个中中心心法法则则加加入入了了新新的的内内容容。这这也也就就是是我我们们前前面面提提到到过过的的,目目前前被被生生物物界界认认可可的的遗遗传传信信息息传传递递的的中中心法则。心法则。Molecular Biology Course 复复制制转录转录反转录反转录翻译翻译DNADNARNARNAPROPRO生理功能生理功能遗传信息传递的中心法则遗传信息传递的中心法则Molecular Bi
4、ology Course第五讲第五讲 DNADNA的复制的复制(一)、(一)、DNADNA的复制的复制(二)、复制的起始阶段(二)、复制的起始阶段(三)、(三)、DNADNA复制的延长阶段以及参与的复制的延长阶段以及参与的 酶和蛋白质分子酶和蛋白质分子 (四)(四)、DNADNA复制的终止阶段复制的终止阶段(五)、复制的几种主要方式(五)、复制的几种主要方式(六)、真核生物复制六)、真核生物复制Molecular Biology CourseDNADNA复制(复制(the the ReplicationofDNA)亲代双链亲代双链DNADNA分子在分子在DNADNA聚合酶的作用下,分别聚合酶的
5、作用下,分别以每单链以每单链 DNADNA分子为模板,聚合与自身碱基可分子为模板,聚合与自身碱基可以互补配对的游离的以互补配对的游离的dNTP,dNTP,合成出两条与亲代合成出两条与亲代DNADNA分子完全相同的子代分子完全相同的子代DNADNA分子的过程。分子的过程。Molecular Biology Course(一)、(一)、DNADNA的复制的复制 1 1、DNADNA半保留复制的机理半保留复制的机理 2 2、DNADNA的半不连续复制的半不连续复制 Molecular Biology Course1 1、DNADNA半保留复制的机理半保留复制的机理Semi-ConservationS
6、emi-ConservationReplicationReplicationlDNADNA作为遗传物质的基本特点就是在细胞分裂前进行准作为遗传物质的基本特点就是在细胞分裂前进行准确的自我复制,使确的自我复制,使DNADNA的量成倍增加,这是细胞分裂的的量成倍增加,这是细胞分裂的物质基础。物质基础。l19531953年年WatsonWatson和和CrickCrick提出提出DNADNA双螺旋结构模型,模型双螺旋结构模型,模型指出,指出,DNADNA分子由两条多核苷酸链组成,两条链的碱基分子由两条多核苷酸链组成,两条链的碱基配对规则:配对规则:G G只能与只能与C C配对,配对,A A只能与只能
7、与T T配对,以氢键相配对,以氢键相连,所以两条链是互补的,一条链上的核苷酸排列顺连,所以两条链是互补的,一条链上的核苷酸排列顺序决定了另一条链上的核苷酸排列顺序。就是说,序决定了另一条链上的核苷酸排列顺序。就是说,DNADNA分子的每一条链都含有合成它的互补链所需的全部信分子的每一条链都含有合成它的互补链所需的全部信息息。Molecular Biology Coursen这这就就说说明明DNADNA的的复复制制是是由由原原来来存存在在的的分分子子为为模模板板来来合合成成新的链。新的链。n曾曾经经有有许许多多关关于于DNADNA复复制制方方式式的的学学说说,包包括括半半保保留留复复制制,全保留
8、复制以及分散复制等。全保留复制以及分散复制等。nWatsonWatson和和CrickCrick在在提提出出DNADNA双双螺螺旋旋结结构构模模型型时时就就推推测测,DNADNA在在复复制制时时首首先先两两条条链链之之间间的的氢氢键键断断裂裂开开,然然后后以以每每一一条条链链分分别别做做模模板板各各自自合合成成一一条条新新的的DNADNA链链,这这样样新新合合成成的的子子代代DNADNA分分子子中中一一条条链链来来自自亲亲代代DNADNA,另另一一条条链链是是新新合成的,这种复制方式为合成的,这种复制方式为半保留复制半保留复制。Molecular Biology CourseMolecular
9、 Biology CourseThreereplicationhypothesesn19581958年年MaselsonMaselson和和StahlStahl利利用用氮氮标标记记技技术术在在大大肠肠杆菌中首次证实了杆菌中首次证实了DNADNA的半保留复制。的半保留复制。n他他们们将将大大肠肠杆杆菌菌放放在在含含有有N N1515标标记记的的培培养养基基中中培培养养,得到得到N N1515 DNADNA。n然然后后将将细细菌菌转转移移到到含含有有N N1414标标记记的的培培养养基基中中进进行行培培养养,在在培培养养不不同同代代数数时时,收收集集细细菌菌,裂裂解解细细胞胞,用氯化铯密度梯度离心
10、法观察用氯化铯密度梯度离心法观察DNADNA所处的位置。所处的位置。n由由于于N N1515标标记记的的DNADNA的的密密度度比比普普通通DNADNA的的密密度度大大,在在氯氯化化铯铯密密度度梯梯度度离离心心时时,两两种种密密度度不不同同的的DNADNA分分布在不同的区带。布在不同的区带。Molecular Biology Course 实验结果实验结果表明:表明:在在全全部部由由N N1515标标记记的的培培养养基基中中得得到到的的N N1515DNADNA显显示示为一条重密度带,位于离心管的管底。为一条重密度带,位于离心管的管底。当当转转入入N N1414标标记记的的培培养养基基中中繁繁
11、殖殖后后第第一一代代,得得到到了了一一条条中中密密度度带带,这这是是N N1515DNADNA和和N N1414DNADNA的的杂杂交交分子。分子。第第二二代代有有中中密密度度带带及及低低密密度度带带两两个个区区带带,这这表表明明它它们们分分别别为为N N1414DNADNA分分子子 和和N N1414N N1515DNADNA杂杂合合分子。分子。随随着着以以后后在在N N1414培培养养基基中中培培养养代代数数的的增增加加,低低密密度度带带增增强强,而而中中密密度度带带逐逐渐渐减减弱弱,离离心心结结束束从从管管底底到到管管口口,CsCLCsCL溶溶液液密密度度,不不同同重重量量的的DNADN
12、A分分子子就就停停留留在在于于其其相相当当的的CsCLCsCL密密度度处处,在在紫紫外外光光可可以看到以看到DNADNA分子形成的区带。分子形成的区带。Molecular Biology Coursen为为了了证证实实第第一一代代杂杂交交分分子子确确实实是是一一半半N N1515DNADNA一一半半N N1414DNDNA A:将将这这种种杂杂交交分分子子经经加加热热变变性性,对对于于变性前后的变性前后的DNADNA分别进行分别进行CsCLCsCL密度梯度离心。密度梯度离心。n结结果果变变性性前前的的杂杂交交分分子子为为一一条条中中密密度度带带,变变性性后后则则分分为为两两条条区区带带,即即重
13、重密密度度带带(N N1515DNADNA)和和低低密密度度带带(N N1414DNADNA)。它它们们的的实实验验只只有有用用半半保保留留复制的理论才能得到圆满的解释。复制的理论才能得到圆满的解释。Molecular Biology CourseMolecular Biology Course(CsCl gradient centrifuge)(CsCl gradient centrifuge)N15 N14DNADNASemi-ConservationReplicationM.Meselson and F.W.Stahl,Sciences 44:675,1958.1 1、DNADNA半保留
14、复制的证据半保留复制的证据Molecular Biology Course 模模板板:能能提提供供合合成成一一条条互互补补链链所所需需要要精精确确信信息息的的核核酸链。酸链。Molecular Biology Course2 2、DNADNA的半不连续复制的半不连续复制 (semi-discontinuous semi-discontinuous eplicationeplication)n在在体体内内,DNADNA的的两两条条链链都都能能作作为为模模板板,同同时时合合成成出出两两条条新的互补链。新的互补链。n由由于于DNADNA分分子子的的两两条条链链是是反反向向平平行行的的,一一条条链链的
15、的走走向向为为5 5 3 3,另一条链为,另一条链为3 3 5 5。n但但是是所所有有已已知知DNADNA聚聚合合酶酶的的合合成成方方向向都都是是5 5 3 3,而而不不是是3 3 5 5。n这这就就很很难难说说明明,DNADNA在在复复制制时时,两两条条链链如如何何能能够够同同时时作作为为模模板板合合成成其其互互补补链链。为为了了解解释释这这一一现现象象,日日本本学学者者岗岗崎提出了半不连续复制模型崎提出了半不连续复制模型。Molecular Biology CourseMolecular Biology Course3535OK!How?5353n19681968年,岗崎用年,岗崎用3 3
16、H H脱氧胸苷短时间标记大肠脱氧胸苷短时间标记大肠杆菌,提取杆菌,提取DNADNA,变性后用超离心法得到了许多变性后用超离心法得到了许多3 3H H 标记的,后人称为岗崎片断的标记的,后人称为岗崎片断的DNADNA。n延长标记时间后,岗崎片度可转变为成熟的延长标记时间后,岗崎片度可转变为成熟的DNADNA链,因此,这些片断必然是复制过程的中间产链,因此,这些片断必然是复制过程的中间产物。物。Molecular Biology Coursen但是冈崎等最初但是冈崎等最初不能确定不能确定DNADNA链的不连续只发生在一条链的不连续只发生在一条链上还是两条链都如此。链上还是两条链都如此。n对岗崎片断
17、进行测定,结果测得的数据对岗崎片断进行测定,结果测得的数据远超过远超过新合成新合成DNADNA的一半,似乎两条链都是不连续的。的一半,似乎两条链都是不连续的。n后来发现,这是由于后来发现,这是由于尿尿嘧啶代替嘧啶代替胸腺胸腺嘧啶掺入嘧啶掺入DNADNA造成造成的。的。DNADNA中的尿嘧啶可被尿嘧啶中的尿嘧啶可被尿嘧啶DNA-DNA-糖苷糖苷酶酶切除,随切除,随后该处的磷酸二脂键断裂,一些核苷酸被水解,造成后该处的磷酸二脂键断裂,一些核苷酸被水解,造成一个缺口,最后缺口空隙被填补和修复,在此过程中一个缺口,最后缺口空隙被填补和修复,在此过程中也会产生一些类似岗崎片断的也会产生一些类似岗崎片断的
18、DNADNA片断。片断。Molecular Biology CourseMolecular Biology CoursedUTP :dTTPdUTP :dTTP=1:300in cellin cell-A-T-G-C-AUGUdutgenedUTPase少数少数dUTPdUTP DNA中不能有中不能有U?-A-T-突变频率突变频率=1/1200!?!?-A-A-U-Ungase ungU尿嘧啶-N-糖基酶 Molecular Biology CourseUUdenature denature dump fragmentdump fragment 1200base 1200base Okazak
19、i fragment Okazaki fragment ungdump fragment longerdump fragment longerdutdump fragment shorterdump fragment shorterAAn当用缺乏糖苷酶的大肠杆菌变异株(当用缺乏糖苷酶的大肠杆菌变异株(ungung-进行进行实验时,尿嘧啶不再被切除。)实验时,尿嘧啶不再被切除。)n此时,新合成的此时,新合成的DNADNA有一半放射性标记出现于岗有一半放射性标记出现于岗崎片断中,另一股直接进入大的片断。由此可崎片断中,另一股直接进入大的片断。由此可见,当见,当DNADNA复制时,一条链是连续的,另
20、一条链复制时,一条链是连续的,另一条链是不连续的,因此称为半不连续复制是不连续的,因此称为半不连续复制(semi-semi-discontinuous replicationdiscontinuous replication)。Molecular Biology Coursen前导链前导链(leading strandleading strand):以复制叉向前移动的方向:以复制叉向前移动的方向为标准,一条模板链是为标准,一条模板链是3 35 5走向,在其上走向,在其上DNADNA能能以以5 53 3方向连续合成,称为前导链。方向连续合成,称为前导链。n滞后链滞后链(lagging stran
21、dlagging strand):另一条模板链是:另一条模板链是5 53 3走向,在其上走向,在其上DNADNA也是从也是从5 53 3方向合成,但是与方向合成,但是与复制叉移动的方向相反,所以随着复制叉的移动,形复制叉移动的方向相反,所以随着复制叉的移动,形成许多不连续的片断,最后完成一条完整的成许多不连续的片断,最后完成一条完整的DNADNA链,链,这条链称为滞后链。这条链称为滞后链。Molecular Biology CourseDNADNA的半不连续复制的半不连续复制Molecular Biology CoursenDNADNA复制的过程可以人为地划分成复制的过程可以人为地划分成3 3
22、个阶段个阶段:第一阶段第一阶段为为DNADNA复制的起始阶段,这个阶段包括起复制的起始阶段,这个阶段包括起始点,复制方向以及引发体的形成;始点,复制方向以及引发体的形成;第二阶段第二阶段为为DNADNA链的延长,包括前导链及随从链的链的延长,包括前导链及随从链的形成和切除形成和切除RNARNA引物后填补空缺及连接冈崎片段;引物后填补空缺及连接冈崎片段;第三阶段第三阶段为为DNADNA复制的终止阶段。复制的终止阶段。DNADNA复制的整个复制的整个过程中需要过程中需要3030多种酶及蛋白质分子参加,我们将多种酶及蛋白质分子参加,我们将在在DNADNA复制的各个阶段着重介绍它们的作用。复制的各个阶
23、段着重介绍它们的作用。Molecular Biology CourseMolecular Biology Course(二)、复制的起始阶段(二)、复制的起始阶段 1 1、复制的起点、复制的起点 2 2、复制的方向、复制的方向 3 3、复制的速度、复制的速度 4 4、DNADNA复制起始引发体的形成及所参与的酶和复制起始引发体的形成及所参与的酶和蛋白质蛋白质 Molecular Biology Course1 1、复制的起点、复制的起点(origin of replicationorigin of replication)n很多实验都表明:复制是从很多实验都表明:复制是从DNADNA分子上的特
24、定部位开始分子上的特定部位开始的,这一部位叫做复制起始点常用的,这一部位叫做复制起始点常用oriori或或o o表示。表示。n细胞中的细胞中的DNADNA复制一经开始就会连续复制下去,直至完复制一经开始就会连续复制下去,直至完成细胞中全部基因组成细胞中全部基因组DNADNA的复制。的复制。复制子(复制子(The repliconThe replicon ):DNADNA复制从起始点开始直到终复制从起始点开始直到终点为止,每个这样的点为止,每个这样的DNADNA单位称为复制子或复制单元。单位称为复制子或复制单元。Molecular Biology Coursen在原核生物中,每个在原核生物中,每
25、个DNADNA分子只有一个复制起点,因而分子只有一个复制起点,因而只有一个复制子。只有一个复制子。n而在真核生物中,而在真核生物中,DNADNA的复制是从许多起始点同时开始的复制是从许多起始点同时开始的,所以每个的,所以每个DNADNA分子上有许多个复制子。分子上有许多个复制子。Molecular Biology CoursenDNADNA复制起始点有结构上的特殊性。复制起始点有结构上的特殊性。n例如:大肠杆菌染色体例如:大肠杆菌染色体DNADNA复制起始点复制起始点OricOric由由422422个核苷个核苷酸组成,其中有酸组成,其中有9 9个核苷酸或个核苷酸或1313个核苷酸组成的保守序个
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