DNA的复制过程课件

复制生命的基础过程DNA复制是一个至关重要的生物学过程，它确保了遗传信息的准确传递，使生DNA命得以延续在这个过程中，细胞会将自身复制成两个完全相同的拷贝，DNA为新细胞的生成提供遗传物质本课程将深入探讨复制的机制，并了解其DNA在生物学中的重要意义课程目标和学习要点了解复制的基本原掌握复制的关键特探讨复制的调控机了解复制的应用DNA DNA DNA DNA理征制介绍技术、指纹技术PCR DNA掌握DNA复制的步骤和关键重点介绍DNA复制的半保留分析周期蛋白、检查点控制和基因克隆技术等应用，以酶的作用机制，理解复制的复制机制，并通过Meselson-和复制授权机制在调控DNA及它们在医学、生物学和法准确性和高效性Stahl实验的详细解析，加深复制过程中的作用医学等领域的应用对复制过程的理解复制的重要性DNA遗传信息的传递复制是生命体的生长发育复制DNA DNA细胞分裂的基础，保证了遗传为细胞生长、分化和组织器官信息的准确传递，确保子代细的形成提供必要的遗传物质，胞继承亲代的遗传特征支撑着生命体的正常发育物种的延续复制是生物进化的基础，通过复制过程，遗传信息得DNA以传递，为自然选择提供素材，推动物种的进化结构回顾双螺旋模型DNA双螺旋结构碱基配对磷酸骨架分子由两条反向平行的多核苷酸两条链通过碱基之间的氢键连接，遵的骨架由交替的脱氧核糖和磷酸DNA DNA链组成，呈双螺旋结构，就像一个扭循碱基配对原则腺嘌呤（）与胸腺基团组成，位于螺旋的外侧，为碱基A曲的梯子嘧啶（）配对，鸟嘌呤（）与胞嘧配对提供支撑T G啶（）配对C碱基配对原则腺嘌呤（）胸腺嘧啶（）鸟嘌呤（）A TG与胸腺嘧啶（）配对与腺嘌呤（）配对，与胞嘧啶（）配对，T AC，形成两个氢键形成两个氢键形成三个氢键胞嘧啶（）C与鸟嘌呤（）配对，G形成三个氢键复制的特点半保留复制DNA半保留这种复制方式被称为半保留复制，因为它保留了亲代的一半信息DNA两条新链准确复制每个新形成的分子都包含一条来自亲半保留复制保证了遗传信息的准确复制，DNA代的模板链和一条新合成的链保证了生命遗传的稳定性DNA213复制的时间点期DNA S期G11细胞生长和准备复制期S2复制发生在这个阶段，细胞将自身复制成两个完全相同的拷DNA DNA贝期G23细胞继续生长，并准备进入有丝分裂期M4细胞分裂，形成两个子细胞，每个子细胞都包含完整的拷贝DNA复制的三个关键特征DNA准确性复制是一个高保真度的过程，错误率极低，以保证遗传信DNA息的完整传递高效性复制速度很快，能够在短时间内完成大量的复制，满DNA DNA足细胞生长和分裂的需要半保留性复制过程中，每个新形成的分子都包含一条来自亲代DNA DNA的模板链和一条新合成的链，被称为半保留复制DNA准确性错误率极低错误率修复机制复制的错误率非常低，每亿个碱基DNA10聚合酶校对DNA细胞拥有复杂的DNA修复机制，能够修复对中仅发生一个错误，这保证了遗传信息DNA聚合酶在合成DNA的过程中，能够识复制过程中产生的各种损伤和错误，进一的稳定传递别并纠正错误的碱基配对，确保复制的准步提高复制的准确性确性高效性速度快多个复制起点真核生物的非常长，为了提高复制效率，复制过程从多个起点同时开始1DNA DNA复制叉的快速移动2复制叉在链上快速移动，将模板链解开，并合成新的互补链DNA协同作用3多种酶协同作用，在复制过程中发挥各自的功能，确保复制过程的顺利进行半保留性实验证明氮同位素标记1和利用两种氮同位素（和）标记，研究复制的过程Meselson Stahl14N15N DNA DNA密度梯度离心2他们将标记的DNA进行密度梯度离心，根据DNA的密度进行分离，观察DNA的复制模式实验结果3实验结果表明，DNA复制是半保留的，每个子代DNA分子都包含一条来自亲代的模板链和一条新合成的链DNA实验详解Meselson-Stahl用培养细菌细菌密度较高115N DNA将细菌转移到培第一代细菌密度214N DNA养基中介于和之间14N15N继续在培养基中第二代细菌出现314N DNA培养两种密度，一种密度介于和之间14N15N，一种密度为14N复制的起始DNA12识别解旋复制起始点是链上特定的序列，起始复合物会解开双螺旋结构，DNA DNA能够被起始复合物识别并结合形成解旋泡，为复制过程提供模板3引物合成引物酶会合成短的引物，为聚RNA DNA合酶提供起始点，启动的合成DNA复制起始点的特征解旋酶的作用机制解旋酶移动方向解旋酶是一种酶，它能够利用水解产生的能量，将双螺解旋酶沿链移动，在复制起点附近解开，为复制过程提ATP DNA DNA DNA旋结构解开，形成解旋泡供模板解旋泡的形成单链结合蛋白的功能DNA稳定单链防止降解单链结合蛋白能够结合在解开的单链上，阻止它们重新单链结合蛋白可以保护单链免受核酸酶的降解，确保复DNA DNA DNA DNA结合，维持单链的稳定性制过程的顺利进行引物酶的作用合成引物引物的重要性RNA引物酶是一种能够合成短片段引物的酶，为聚合酶提聚合酶无法直接从头开始合成，它需要一个短的RNA DNA DNA DNA RNA供起始点，启动的合成引物来作为起始点DNA引物的合成RNA合成引物RNA2引物酶利用NTP作为底物，合成一段短的引物，与模板链互补配对RNA识别起始点1引物酶识别复制起点，并结合到模DNA板链上与聚合酶结合DNA合成的引物与聚合酶结合，为RNA DNA3的合成提供起始点DNA引物的重要性起始点1引物提供聚合酶合成的起始点，确保的连续RNA DNA DNA DNA合成模板2引物与模板链配对，为聚合酶提供模板信息，指导RNA DNA链的合成DNA延长3聚合酶以引物为起始点，利用作为底物，合成DNARNAdNTP新的链DNA聚合酶的种类DNA聚合酶DNA I主要功能是修复，也参与引物的去除和冈崎片段的连接DNA聚合酶DNA II参与修复，但不是主要的复制酶DNA聚合酶DNA III主要的复制酶，负责新链的合成DNA聚合酶的功能DNA I外切酶活性聚合酶活性外切酶活性5→35→33→5能够去除引物，并用替换能够合成新的片段，连接冈崎片段能够校对链，纠正复制过程中的错RNA DNA DNA DNA误聚合酶的作用DNA III主要的复制酶高保真度聚合酶是主要的复制酶，聚合酶具有高保真度，能DNA IIIDNA III负责合成新的链，沿着模板够识别并纠正错误的碱基配对，DNA链移动，并添加新的核苷酸确保复制的准确性聚合酶活性5→3聚合酶只能沿着方向合成新的链，这意味着它只能从一DNA III5→3DNA个方向添加新的核苷酸方向延伸5→3端端添加核苷酸53链的端是指磷酸链的端是指羟基聚合酶只能在DNA5DNA3DNA DNA基团连接的位置连接的位置链的端添加新的核苷3酸，沿着方向延5→3伸领先链的合成过程引物RNA1引物酶合成一段引物，为聚合酶提供起始点RNA DNA聚合酶DNA III2聚合酶以引物为起始点，沿着模板链移动，合成新DNA IIIRNA的链，方向为DNA5→3连续合成3领先链的合成过程是连续的，因为聚合酶能够沿着模板DNA III链不断移动，添加新的核苷酸滞后链的合成过程12引物冈崎片段RNA引物酶在模板链上合成多个引物这些短的片段称为冈崎片段，它RNA DNA，并以每个引物为起始点，合成短的们与模板链互补配对，但方向与领先片段链相反DNA3连接冈崎片段聚合酶去除引物，并用DNA IRNA DNA替换，连接酶连接冈崎片段，形成完整的滞后链冈崎片段的形成连接酶的作用连接冈崎片段磷酸二酯键连接酶能够将冈崎片段之间的断裂连接起来，形成完整的滞后链连接酶催化链之间形成磷酸二酯键，使断裂的链连接成DNA DNA完整的双链复制的速度控制DNA聚合酶DNA2DNA聚合酶的合成速度也是一个关键因素，影响着复制的效率DNA解旋酶1解旋酶的速度决定了复制叉的移动速度，进而影响复制的速度DNA复制起点数量真核生物的复制从多个起点开始，DNA3复制起点的数量也会影响复制的速度复制叉的结构复制叉关键蛋白复制叉是复制过程中解开的双螺旋结构，形成字形结构复制叉包含多个关键蛋白，例如解旋酶、聚合酶、引物酶、DNA DNAY DNA，它包含两个复制方向单链结合蛋白等，共同协作完成复制DNA复制叉蛋白组成解旋酶1解开双螺旋结构，形成复制叉DNA聚合酶DNA2合成新的链DNA引物酶3合成引物，为聚合酶提供起始点RNA DNA单链结合蛋白4稳定解开的单链，防止它们重新结合DNA连接酶5连接冈崎片段，形成完整的滞后链复制泡的扩张双向复制1复制过程从复制起点开始，向两端进行双向复制，形成复制泡DNA复制叉移动2复制叉沿着链移动，解开双螺旋结构，合成新的链DNA DNA DNA复制泡扩大3随着复制叉的移动，复制泡逐渐扩大，最终将整个DNA分子复制完成真核生物复制的特点多个复制起点真核生物的染色质结构真核生物的DNA比原核生物的更长，与组蛋白结合，形成染色质，DNA DNA因此需要多个复制起点来提高染色质结构会影响复制过程复制效率复制调控真核生物的复制受严格的调控，确保复制过程在正确的DNA时间和地点发生多个复制起始点原核生物组蛋白的作用组蛋白修饰组蛋白是一种蛋白质，与结合，组蛋白可以被修饰，例如甲基化、乙DNA形成染色质，帮助压缩和稳定酰化等，这些修饰会影响复制过DNA DNA程染色质结构的影响压缩调控复制DNA染色质结构能够压缩，使更紧密地包装，便于储存和管染色质结构会影响复制起始点的识别和复制过程的进行，从而调DNADNA理控复制DNA复制的校对机制DNA外切酶活性3→5聚合酶拥有外切酶活性，能够在合成时识别并去除错误的DNA3→5DNA碱基，保证复制的准确性修复机制除了聚合酶的校对功能外，细胞还拥有多种修复机制，能够修复DNADNA复制过程中产生的损伤和错误外切酶活性3→5后退2聚合酶会后退，移除错误的碱基DNA错误配对1如果聚合酶添加了错误的碱基，它DNA会识别到错误的配对校正聚合酶会添加正确的碱基，继续合DNA3成DNA链碱基错配修复识别错配1错配修复系统会识别链上的碱基错配DNA切除错配2修复系统会切除包含错配碱基的片段DNA重新合成3聚合酶会根据模板链信息，合成新的片段，替换被切DNADNA除的片段核苷酸切除修复识别损伤核苷酸切除修复系统能够识别链上的各种损伤，例如紫外DNA线照射引起的胸腺嘧啶二聚体切除损伤修复系统会切除包含损伤的片段DNA重新合成聚合酶会根据模板链信息，合成新的片段，替换被切DNADNA除的片段复制的调控DNA12周期蛋白检查点控制周期蛋白是细胞周期中重要的调节因检查点控制是细胞周期中的重要关卡子，它们能够与（细胞周期蛋白，确保复制的正确进行，防止复CDK DNA依赖性激酶）结合，激活的活性制错误和损伤CDK，促进复制DNA3复制授权机制复制授权机制确保每个复制起点只被复制一次，避免过度复制DNA周期蛋白的作用控制活性促进复制CDK DNA周期蛋白能够与结合，激活的活性，是细胞周期中在期，特定周期蛋白与结合，激活的活性，促进CDK CDK CDK SCDKCDKDNA的关键激酶，负责磷酸化下游靶蛋白，调节细胞周期进程复制相关蛋白的表达和活性，启动复制过程DNA检查点控制损伤检测修复损伤DNA检查点控制能够检测到复制细胞会启动修复机制，修复DNADNA过程中的损伤，例如双链断裂、损伤，确保复制的准确性和完整碱基错配等，并暂停复制过程性恢复复制当损伤被修复后，细胞会解除检查点，继续复制过程DNADNA复制授权机制复制许可因子激活复制起点复制许可因子能够结合到复制起点，在期，复制许可因子会从复制起点S使该起点能够被复制上移除，标志着该起点已被复制，无法再被复制复制与细胞周期DNA期G11细胞生长，准备复制期S2复制发生在这个阶段DNA期G23细胞继续生长，准备进入有丝分裂期M4细胞分裂，形成两个子细胞端粒的复制问题端粒缩短端粒是染色体末端的保护帽，在复制过程中会逐渐缩短DNA细胞衰老端粒的缩短会导致细胞衰老，甚至死亡端粒酶的发现发现作用端粒酶是一种能够合成端粒序列的酶，在年被发现端粒酶能够修复端粒的缩短，延缓细胞衰老1985端粒酶的作用机制模板逆转录酶活性RNA端粒酶包含一个模板，这个端粒酶具有逆转录酶活性，能够RNA模板能够指导端粒序列的合成利用模板合成链，延长RNA DNA端粒序列修复端粒端粒酶能够修复端粒的缩短，维持端粒的长度，延缓细胞衰老复制与疾病DNA修复缺陷2DNA修复机制的缺陷会导致复制错误积累，增加患病风险复制错误1复制过程中发生的错误会导致基因DNA突变，引发各种疾病癌症复制错误和修复缺陷是癌症发生的重要3原因复制错误与突变点突变1单个碱基的替换，可能导致蛋白质的功能改变插入或缺失2片段的插入或缺失，可能导致蛋白质的阅读框架移位，DNA产生错误的蛋白质疾病3这些突变会导致各种疾病，例如遗传病、癌症等修复缺陷DNA修复能力下降1修复机制的缺陷会导致细胞修复复制错误的能力下降DNA错误积累2复制错误会逐渐积累，增加基因突变的风险患病风险增加3细胞修复能力下降会导致各种疾病的患病风险增加，例如癌症、衰老等癌症的产生12基因突变细胞失控复制过程中的错误会导致基因突基因突变会导致细胞生长失控，过度DNA变，例如抑癌基因失活、癌基因激活增殖，形成肿瘤3癌症发展肿瘤细胞不断增殖，并扩散到其他组织和器官，形成癌症抗药物设计cancer靶向药物聚合酶抑制剂DNA针对复制过程中的关键蛋白，设计靶向药物，抑制复制过程例如，一些抗药物能够抑制聚合酶的活性，阻止癌细DNA cancerDNA，杀死癌细胞胞复制DNA复制与进化DNA物种差异性不同物种的复制机制的保守性尽管存在DNA复制过程存在一些差异，例如差异，但复制的基本机制DNA复制起始点的数量和位置在所有生物中都是高度保守的，体现了生命的共同起源复制过程的变异复制过程的变异为物种进化提供了素材，推动了生物多样性的形成物种差异性复制机制的保守性细菌人类细菌的复制过程相对简单，但基本机制与真核生物相似人类的复制过程更加复杂，但基本机制与细菌相似DNADNA复制的应用DNA技术PCR聚合酶链式反应，能够快速扩增目标片段，广泛应用于基DNA因检测、疾病诊断、法医学等领域指纹技术DNA利用的多态性，建立个人特有的指纹，应用于亲子鉴DNADNA定、犯罪侦查等领域基因克隆技术利用复制技术，将目的基因复制到载体中，并导入宿主细DNA胞，大量生产目的基因或目的蛋白技术原理PCR反复循环步骤技术通过反复循环三个步骤，将目标片段进行指数级扩高温解链、低温退火、延伸合成PCR DNA增指纹技术DNA分析STR分析是指纹技术中常用的方法，它利用短串联重复序列的变异，STR DNA进行个体识别应用指纹技术应用于亲子鉴定、犯罪侦查、疾病诊断等领域DNA基因克隆技术限制性内切酶连接酶转化利用限制性内切酶切割利用连接酶将目的基因将重组载体导入宿主细目的基因和载体连接到载体上胞。