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真核生物与原核生物dna合成过程有何不同
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(一)、原核生物DNA的复制
1.与复制有关的酶及蛋白质:
(1)拓扑异构酶:通过切断并连接DNA双链中的一股或双股,改变DNA分子拓扑构象,避免DNA分子打结、缠绕、连环,在复制的全程中都起作用。其种类有:拓扑异构酶I和拓扑异构酶II,拓扑异构酶I能切断DNA双链中一股并再连接断端,反应不需ATP供能;拓扑异构酶II能使DNA双链同时发生断裂和再连接,需ATP供能,并使DNA分子进入负超螺旋。
(2) 解螺旋酶:
DNA进行复制时,需亲代DNA的双链分别作模板来指导子代DNA分子的合成,解螺旋酶可以将DNA双链解开成为单链。大肠杆菌中发现的解螺旋酶为DnaB。
(3)
单链结合蛋白(SSB):在复制中模板需处于单链状态,SSB可以模板的单链状态并保护模板不受核酸酶的降解。随着DNA双链的不断解开,SSB能不断的与之结合、解离。
(4) 引物酶:
是一种RNA聚合酶,在复制的起始点处以DNA为模板,催化合成一小段互补的RNA。DNA聚合酶不能催化两个游离的dNTP聚合反应,若没有引物就不能起始DNA合成。引物酶能直接在单链DNA模板上催化游离的NTP合成一小段RNA,并由这一小段RNA引物提供3’-OH,
经DNA聚合酶催化链的延伸。
(5) DNA聚合酶:是依赖DNA的DNA聚合酶,简称为DNA
pol,以DNA为模板,dNTP为原料,催化脱氧核苷酸加到引物或DNA链的3’-OH末端,合成互补的DNA新链,即5’→3’聚合活性。原核生物的DNA聚合酶有DNA
polI、DNA pol II和DNA pol III,DNA pol III是复制延长中真正起催化作用的,除具有5’→3’聚合活性,还有3’→ 5’
核酸外切酶活性和碱基选择功能,能够识别错配的碱基并切除,起即时校读的作用;DNA pol I具有5’→3’聚合活性、3’→
5’和5’→3’核酸外切酶活性,5’→3’核酸外切酶活性可用于切除引物以及突变片段,起切除、修复作用。另外,klenow片断是DNA pol
I体外经蛋白酶水解后产生的大片段,具有DNA 聚合酶和3’→ 5’外切酶活性,是分子生物学的常用工具酶。DNA pol II 在无DNA pol I和DNA
pol III时起作用,也具有5’→3’和3’→ 5’ 核酸外切酶活性。
(6)
DNA连接酶:DNA连接酶用于连接双链中的单链缺口,使相邻两个DNA片段的3’-OH末端和5’-P末端形成3’,5’磷酸二酯键。DNA连接酶在DNA复制、修复、重组、剪接中用于缝合缺口,是基因工程的重要工具酶。
2.DNA的合成过程:可将复制过程分为起始、延长和终止三个阶段。
复制起始:
(1)
辨认起始点,合成引发体:在E.coli,复制起始点称为oriC,具有特定结构能够被DnaA蛋白辨认结合,DnaB蛋白具有解螺旋作用,DnaC蛋白使DnaB蛋白结合于起始点,DNA双链局部被打开,引物酶及其他蛋白加入,形成引发体。
(2)
形成单链:DNA进行复制时,首先在拓扑异构酶作用下,使分子的超螺旋构象变化,然后在解链酶的作用下,解开双链,才能开始进行DNA的合成。解螺旋酶在蛋白因子的辅助下打开DNA双链,单链结合蛋白SSB结合于处于单链状态模板链上;拓扑异构酶使DNA分子避免打结、缠绕等,在复制全过程中起作用。
(3)
合成引物:引发体中的引物酶催化合成RNA引物,由引物提供3’-OH基,使复制开始进行。领头连和随从链均由引物酶合成引物,随从链在复制中需多次合成引物。
复制延长:
(1) 复制方向:原核生物如E.coli,只有一个起始点oriC,两个复制叉同时向两个方向进行复制,称为双向复制。
(2)
链的延长:按照与模板链碱基配对的原则,在DNA聚合酶III的作用下,逐个加入脱氧核糖核酸,使链延长。由于DNA双链走向相反,DNA聚合酶只能催化核苷酸从5’→3’方向合成,领头链的复制方向与解链方向一致,可以连续复制,而另一股模板链沿5’→3’方向解开,随从链的复制方向与解链方向相反,复制只能在模板链解开一定长度后进行,因此随从链的合成是不连续的,形成的是若干个冈崎片段。DNA聚合酶I的即时校读,DNA聚合酶III的碱基选择功能,使复制具有保真性。
复制终止:
原核生物如E.coli,他的两个复制叉的汇合点就是复制的终点。由RNA酶切去领头链和随从链中的引物,引物留下的空隙由DNA聚合酶I催化,四种脱氧核糖三磷酸为原料自5’→3’方向延长填补。最后,DNA连接酶由ATP供能,将两个不连续片段相邻的5’-P和3’-OH连接起来,成为连续的子链,复制完成。
(二)、真核生物的复制:
真核细胞的一生可以定义为一个细胞周期,细胞增殖时,
DNA通过复制使其含量成倍增加,随后细胞分裂,成为两个子代细胞,DNA将亲代的特征传递到子代。细胞周期包括G1期、S期、G2期和M期,
DNA的复制只发生在S期。与原核生物相比,真核生物的复制具有以下特点:
1.
多复制子:真核生物的DNA复制也是半保留复制。染色体线性分子的复制有多个起始点,每个起始点由两个反向运动的复制叉组成,进行双向复制。由一个起始点控制的DNA复制称为一个复制子。
2.
5种DNA聚合酶:与原核生物不同,真核细胞含有5种DNA聚合酶:α、β、γ、δ和ε。除了γ外,所有DNA聚合酶存在于核内。DNA聚合酶α和δ在复制延长中起催化作用,DNA聚合酶α延长随从链,DNA聚合酶δ延长领头链。DNA聚合酶β和ε在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。DNA聚合酶γ在线粒体中,用于线粒体DNA的复制。
3.
端粒复制:真核生物染色体线性分子的复制,领头链可连续完整复制,而随从链3’端引物除去后的空隙无法填补,会造成缩短了的子代的双链,解决的途径是用端粒酶来复制染色体的末端(端粒)。端粒是染色体末端具有特定重复序列和蛋白质的结构,端粒酶是一种逆转录酶,由酶和含重复序列的RNA分子组成,它以自身的RNA分子为模板从随从链的3’端合成端粒的重复序列,使随从链延长,以防止随从链在每次复制时被缩短。
特征 原核细胞 真核细胞
DNA量(信息量) 少 多
DNA分子数 1 2个以上
DNA分子结构 环状 线状
基因组数 1n 2n,多n
基因数 几千 几万
大量“多余”的“重复”的序列 无 有
基因中的内含子 无 有
DNA与组蛋白结合 不与或与少量数组蛋白结合 与5种组蛋白结合
核小体—染色质—染色体 无 有
DNA复制的明显周期性 无 有
基因表达的调控 主要以操纵子方式 复杂性,多层次性
转录与翻译的时空关系 转录与翻译同时同地进行 细胞核内转录,细胞质内翻译,严格的阶段性与区域性
转录后与翻译后大分子的加工与修饰 无 有
1.与复制有关的酶及蛋白质:
(1)拓扑异构酶:通过切断并连接DNA双链中的一股或双股,改变DNA分子拓扑构象,避免DNA分子打结、缠绕、连环,在复制的全程中都起作用。其种类有:拓扑异构酶I和拓扑异构酶II,拓扑异构酶I能切断DNA双链中一股并再连接断端,反应不需ATP供能;拓扑异构酶II能使DNA双链同时发生断裂和再连接,需ATP供能,并使DNA分子进入负超螺旋。
(2) 解螺旋酶:
DNA进行复制时,需亲代DNA的双链分别作模板来指导子代DNA分子的合成,解螺旋酶可以将DNA双链解开成为单链。大肠杆菌中发现的解螺旋酶为DnaB。
(3)
单链结合蛋白(SSB):在复制中模板需处于单链状态,SSB可以模板的单链状态并保护模板不受核酸酶的降解。随着DNA双链的不断解开,SSB能不断的与之结合、解离。
(4) 引物酶:
是一种RNA聚合酶,在复制的起始点处以DNA为模板,催化合成一小段互补的RNA。DNA聚合酶不能催化两个游离的dNTP聚合反应,若没有引物就不能起始DNA合成。引物酶能直接在单链DNA模板上催化游离的NTP合成一小段RNA,并由这一小段RNA引物提供3’-OH,
经DNA聚合酶催化链的延伸。
(5) DNA聚合酶:是依赖DNA的DNA聚合酶,简称为DNA
pol,以DNA为模板,dNTP为原料,催化脱氧核苷酸加到引物或DNA链的3’-OH末端,合成互补的DNA新链,即5’→3’聚合活性。原核生物的DNA聚合酶有DNA
polI、DNA pol II和DNA pol III,DNA pol III是复制延长中真正起催化作用的,除具有5’→3’聚合活性,还有3’→ 5’
核酸外切酶活性和碱基选择功能,能够识别错配的碱基并切除,起即时校读的作用;DNA pol I具有5’→3’聚合活性、3’→
5’和5’→3’核酸外切酶活性,5’→3’核酸外切酶活性可用于切除引物以及突变片段,起切除、修复作用。另外,klenow片断是DNA pol
I体外经蛋白酶水解后产生的大片段,具有DNA 聚合酶和3’→ 5’外切酶活性,是分子生物学的常用工具酶。DNA pol II 在无DNA pol I和DNA
pol III时起作用,也具有5’→3’和3’→ 5’ 核酸外切酶活性。
(6)
DNA连接酶:DNA连接酶用于连接双链中的单链缺口,使相邻两个DNA片段的3’-OH末端和5’-P末端形成3’,5’磷酸二酯键。DNA连接酶在DNA复制、修复、重组、剪接中用于缝合缺口,是基因工程的重要工具酶。
2.DNA的合成过程:可将复制过程分为起始、延长和终止三个阶段。
复制起始:
(1)
辨认起始点,合成引发体:在E.coli,复制起始点称为oriC,具有特定结构能够被DnaA蛋白辨认结合,DnaB蛋白具有解螺旋作用,DnaC蛋白使DnaB蛋白结合于起始点,DNA双链局部被打开,引物酶及其他蛋白加入,形成引发体。
(2)
形成单链:DNA进行复制时,首先在拓扑异构酶作用下,使分子的超螺旋构象变化,然后在解链酶的作用下,解开双链,才能开始进行DNA的合成。解螺旋酶在蛋白因子的辅助下打开DNA双链,单链结合蛋白SSB结合于处于单链状态模板链上;拓扑异构酶使DNA分子避免打结、缠绕等,在复制全过程中起作用。
(3)
合成引物:引发体中的引物酶催化合成RNA引物,由引物提供3’-OH基,使复制开始进行。领头连和随从链均由引物酶合成引物,随从链在复制中需多次合成引物。
复制延长:
(1) 复制方向:原核生物如E.coli,只有一个起始点oriC,两个复制叉同时向两个方向进行复制,称为双向复制。
(2)
链的延长:按照与模板链碱基配对的原则,在DNA聚合酶III的作用下,逐个加入脱氧核糖核酸,使链延长。由于DNA双链走向相反,DNA聚合酶只能催化核苷酸从5’→3’方向合成,领头链的复制方向与解链方向一致,可以连续复制,而另一股模板链沿5’→3’方向解开,随从链的复制方向与解链方向相反,复制只能在模板链解开一定长度后进行,因此随从链的合成是不连续的,形成的是若干个冈崎片段。DNA聚合酶I的即时校读,DNA聚合酶III的碱基选择功能,使复制具有保真性。
复制终止:
原核生物如E.coli,他的两个复制叉的汇合点就是复制的终点。由RNA酶切去领头链和随从链中的引物,引物留下的空隙由DNA聚合酶I催化,四种脱氧核糖三磷酸为原料自5’→3’方向延长填补。最后,DNA连接酶由ATP供能,将两个不连续片段相邻的5’-P和3’-OH连接起来,成为连续的子链,复制完成。
(二)、真核生物的复制:
真核细胞的一生可以定义为一个细胞周期,细胞增殖时,
DNA通过复制使其含量成倍增加,随后细胞分裂,成为两个子代细胞,DNA将亲代的特征传递到子代。细胞周期包括G1期、S期、G2期和M期,
DNA的复制只发生在S期。与原核生物相比,真核生物的复制具有以下特点:
1.
多复制子:真核生物的DNA复制也是半保留复制。染色体线性分子的复制有多个起始点,每个起始点由两个反向运动的复制叉组成,进行双向复制。由一个起始点控制的DNA复制称为一个复制子。
2.
5种DNA聚合酶:与原核生物不同,真核细胞含有5种DNA聚合酶:α、β、γ、δ和ε。除了γ外,所有DNA聚合酶存在于核内。DNA聚合酶α和δ在复制延长中起催化作用,DNA聚合酶α延长随从链,DNA聚合酶δ延长领头链。DNA聚合酶β和ε在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。DNA聚合酶γ在线粒体中,用于线粒体DNA的复制。
3.
端粒复制:真核生物染色体线性分子的复制,领头链可连续完整复制,而随从链3’端引物除去后的空隙无法填补,会造成缩短了的子代的双链,解决的途径是用端粒酶来复制染色体的末端(端粒)。端粒是染色体末端具有特定重复序列和蛋白质的结构,端粒酶是一种逆转录酶,由酶和含重复序列的RNA分子组成,它以自身的RNA分子为模板从随从链的3’端合成端粒的重复序列,使随从链延长,以防止随从链在每次复制时被缩短。
特征 原核细胞 真核细胞
DNA量(信息量) 少 多
DNA分子数 1 2个以上
DNA分子结构 环状 线状
基因组数 1n 2n,多n
基因数 几千 几万
大量“多余”的“重复”的序列 无 有
基因中的内含子 无 有
DNA与组蛋白结合 不与或与少量数组蛋白结合 与5种组蛋白结合
核小体—染色质—染色体 无 有
DNA复制的明显周期性 无 有
基因表达的调控 主要以操纵子方式 复杂性,多层次性
转录与翻译的时空关系 转录与翻译同时同地进行 细胞核内转录,细胞质内翻译,严格的阶段性与区域性
转录后与翻译后大分子的加工与修饰 无 有
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真核复制:
(1)DNA解旋,由DNA解旋酶和DNA拓扑异构酶催化王成;
(2)合成RNA引物,由引物酶催化形成,并使RNA引物与DNA复制子按碱基配对原则相结合。
(3)在DNA聚合酶的帮助下,各种碱基在RNA引物上添加DNA碱基,合成的是前导链。
(4)滞后链的合成,形成岗其片段
(5)核酸酶切除引物RNA,连接酶和DNA聚合酶1连接和填补空隙。
(6)由拓扑异构酶将DNA子链冲洗螺旋话,形成最终的DNA分子;
原核的比较复杂,有3种形式的复制,滚环复制,θ环复制,不对称复制。
(1)滚环复制:如大肠杆菌,其DNA为环状的,不同与真核的线状,所以采用这种方式。其是先再环状的DNA上打开一个缺口,但只是打开一条链,另一条链不打开,然后打开缺口的链逐渐与没有打开的链相分离,与此同时,新的碱基不段的补充,待到一条链分离的时候,另一条链已经合成了。
(2)θ环复制,跟上面有点类似,不过是打开两条链,双向进行,形成θ状。
(3)不对称复制,出现在线粒体,叶绿体或者特殊核酸的微生物上的,因为有些线粒体是单链或者成双链与单练之间的特殊结构,过其复制很复杂,主要是通过添加碱形成的,一般没有什么规律。
(1)DNA解旋,由DNA解旋酶和DNA拓扑异构酶催化王成;
(2)合成RNA引物,由引物酶催化形成,并使RNA引物与DNA复制子按碱基配对原则相结合。
(3)在DNA聚合酶的帮助下,各种碱基在RNA引物上添加DNA碱基,合成的是前导链。
(4)滞后链的合成,形成岗其片段
(5)核酸酶切除引物RNA,连接酶和DNA聚合酶1连接和填补空隙。
(6)由拓扑异构酶将DNA子链冲洗螺旋话,形成最终的DNA分子;
原核的比较复杂,有3种形式的复制,滚环复制,θ环复制,不对称复制。
(1)滚环复制:如大肠杆菌,其DNA为环状的,不同与真核的线状,所以采用这种方式。其是先再环状的DNA上打开一个缺口,但只是打开一条链,另一条链不打开,然后打开缺口的链逐渐与没有打开的链相分离,与此同时,新的碱基不段的补充,待到一条链分离的时候,另一条链已经合成了。
(2)θ环复制,跟上面有点类似,不过是打开两条链,双向进行,形成θ状。
(3)不对称复制,出现在线粒体,叶绿体或者特殊核酸的微生物上的,因为有些线粒体是单链或者成双链与单练之间的特殊结构,过其复制很复杂,主要是通过添加碱形成的,一般没有什么规律。
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