生物化學第十四章 核酸的生物合成

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目的要求：1、掌握DNA生物合成（半保留復制）、RNA生物合成（轉(zhuǎn)錄）、逆轉(zhuǎn)錄、基因突變的概念、特點及其生物學意義。2、熟悉半保留復制、轉(zhuǎn)錄基本過程；DNA損傷（突變）與修復方式及其生理意義。3、了解損傷（突變）與修復、逆轉(zhuǎn)錄的過程、端粒與端粒酶。3

概述

中心法則基因、基因組、染色體組、編碼序列（內(nèi)含子）、非編碼序列（外顯子）、斷裂基因復制蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄翻譯DNARNA4一、DNA的復制（一）DNA復制的基本原則1、半保留復制

semiconservativereplication

以親代DNA雙鏈為模板(template)，按照堿基配對規(guī)律，合成2個新的DNA分子，其核苷酸組成，排列順序與親代的DNA分子一模一樣，而且子代還保留了一條親代的多核苷酸鏈，稱為半保留復制。第一節(jié)DNA的生物合成

（DNA復制replication

）5Meselson－Stahlexperiment

62、復制起點和DNA的雙向復制DNA復制從DNA分子的特定部位開始，此特定部位稱為復制起始點originofreplication，ori形成復制叉replicationfork73、半不連續(xù)復制8（二）參加復制過程有關(guān)的酶（1）解鏈酶（helicase）：解開雙鏈堿基對（basepairs）（2）DNA拓撲異構(gòu)酶（topoisomerase）：水解連接磷酸二酯鍵、松弛超螺旋和雙股螺旋（relaxthesupercoilanddoublehelix）

拓撲酶Ⅰ：不需ATP切斷一條鏈，松馳超螺旋再連接

拓撲酶Ⅱ：無ATP,切斷兩條鏈，松馳超螺旋再連接

有ATP,連接斷端重新形成負超螺旋（3）單鏈DNA結(jié)合蛋白（singlestrandDNAbindingprotein），阻止重新形成堿基對

1、解旋、解鏈酶類9拓撲酶Ⅰ:切1——旋（松）——接10拓撲酶Ⅱ：切2——旋（負）——接11(3)單鏈DNA結(jié)合蛋白（singlestrandedDNA-binding①維持單鏈狀態(tài)，防止復性。②對抗核酸酶水解，保護單鏈完整。

SSB可結(jié)合跨度為32個核苷酸單位，在DNA解鏈中不斷結(jié)合，脫離再結(jié)合。122、引物酶（primase）是一種RNA聚合酶，催化NTP合成小段RNA引物。蛋白dnaB等，與引物酶結(jié)合形成引發(fā)體（primosome），并啟動引物酶13以DNA為模板,催化dNTP合成DNA的酶

大腸桿菌E.coli：DNA聚合酶ⅠDNA聚合酶ⅡDNA聚合酶Ⅲ真核生物(eukaryon)：DNA聚合酶、β、、δ、ε作用：DNA-polⅢ，/δ：是復制延長的主要酶；

DNA-polI，β/

ε：用于復制時去除RNA引物并填補空缺，及即時校讀（proofread）、DNA損傷修復等；

DNA-pol：復制線粒體DNA。

3.DNA聚合酶（DNA指導的DNA聚合酶）

DNA-dependentDNApolymerase14DNA-polⅢ

：MW140KD，由10亞基不對稱二聚體⑴核心酶：αε組成。α：有5′

→3′聚合作用。ε

：有選擇堿基功能和

3′→5′外切

：維持二聚體⑵β亞基:夾住模板并酶沿模板鏈滑動⑶γ-復合物：其余亞基稱之。0015作用特點：⑴以dATP、dCTP、dGTP、dTTP（dNTP）作底物；需要模板的指導；需要有3`-OH結(jié)構(gòu)的引物存在⑵DNA新鏈的延長方向：5`→3′（聚合活性）⑶具3`→5`核酸外切酶活性⑷具5`→3′核酸外切酶活性(DNA-polI)⑸具缺口填充能力161718DNA的半不連續(xù)復制和岡崎片段領(lǐng)頭鏈(leadingstrand)：合成方向與復制叉前進方向一致的連續(xù)合成的DNA子鏈。隨后鏈(laggingstrand)：合成方向與復制叉前進方向相反的不連續(xù)合成的DNA子鏈。先形成岡崎片段(Okazakifragment)

19半不連續(xù)復制3’5’203`→5`核酸外切酶活性215`→3′核酸外切酶活性22復制的保真性（fidelity）DNA復制時DNA聚合酶依賴模板，保證遺傳信息傳代延續(xù)中子鏈與母鏈配對準確無誤。保真機理

〈1〉遵守嚴格的堿基配對規(guī)律。聚合時，磷酸二酯鍵的形成應在氫鍵的準確搭配之后發(fā)生。

〈2〉聚合酶在復制延長中對堿基的選擇功能。如母鏈為T，酶能選擇A而不是其他。

〈3〉復制中出錯時有即時校讀功能（有錯即改）。23DNA連接酶(DNAligase)

連接堿基互補基礎(chǔ)上的雙鏈中的單鏈缺口245’3’3’5’領(lǐng)頭鏈（Leadingstrand）隨從鏈（Laggingstrand）解鏈方向聚合酶引物酶primase引物primerSSB岡崎片段Okazakifragment連接酶解鏈酶helicase拓撲酶topoisomerase（三）DNA復制過程253.DNA鏈的延長：延長方向5’→3’1）模板(Template):DNA雙鏈

2）所需酶：DNA聚合酶(DNApolymerase)3）底物(Substrate):dNTP（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）堿基順序排列原則:堿基互補A=TG≡C4）形成的鍵：3`,5`—磷酸二酯鍵(phosphodiesterlinkage)DNA復制過程

1.螺旋的構(gòu)象變化與解鏈

＊DNA拓撲異構(gòu)酶和解鏈蛋白解除DNA超螺旋和雙鏈,SSB結(jié)合在解開的單鏈上，形成復制叉(replicationfork)

2.引發(fā) *引物酶辨認起始點,以ATP,GTP,CTP,UTP為原料,按5`→3`合成引物(primer)264.終止階段

(Terminationstage)

（E.coliDNA復制終止區(qū)的核心序列為GTGTGGTGT）。

1、清除引物：由細胞內(nèi)的RNA酶將領(lǐng)頭鏈及岡崎片段的引物水解除去。

2、修補空隙（gap）：引物水解后留下空隙由DNA－polⅠ催化延長DNA片段填補。

3、連接缺口（nick）:由DNA連接酶催化,DNA片段連接成鏈。耗能。27

二、逆轉(zhuǎn)錄

（reverse

transcription）逆轉(zhuǎn)錄：以RNA為模板,在逆轉(zhuǎn)錄酶作用下合成DNA的過程.

遺傳信息由RNA→DNA

（一）逆轉(zhuǎn)錄作用酶：逆轉(zhuǎn)錄酶（reversetranscriptase）逆轉(zhuǎn)錄過程：1、以RNA為模板合成DNA,生成雜化雙鏈（hybridduplex）2、水解RNA3、以新合成的DNA鏈為模板合成另一條互補

DNA鏈

(complementaryDNA,cDNA)

，形成雙鏈DNA。28（二）逆轉(zhuǎn)錄與RNA病毒RNA致癌病毒的致癌作用VirusRNA逆轉(zhuǎn)錄酶RT

RNA-DNA雜交體dsDNA整合到宿主細胞DNA中隨細胞分裂復制,傳到下一代轉(zhuǎn)錄、翻譯

合成宿主自身蛋白質(zhì)病毒蛋白質(zhì)2930逆轉(zhuǎn)錄酶的活性： ⑴RNA指導下的DNA合成 ⑵3’→5’和5’→3’RNA外切酶活性 ⑶DNA指導的DNA合成 ⑷無3’→5’DNA外切酶活性，無校對功能錯誤率較高31三、DNA復制與端粒(telomere)、端粒酶(telomerase)端粒(telomere):真核生物線性染色體末端重復序列,

膨大成帽子,保護作用.TTTTGGGG(四膜蟲),TTAGGG(哺乳類)32CUAGCCAAAACCCCAAAACAAA3’5’DNA5’----TTTTGGGGTTTTG-OH(3’)3’----CUAGCCAAAACCCCAAAACAAA3’5’DNA5’----TTTTGGGGTTTTGGGGTTTT3’----G-OH(3’)CUAGCCAAAACCCCAAAACAAA3’5’DNA5’----TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTG-OH(3’)3’----Furtherpolymerization端粒酶(telomerase):特殊的逆轉(zhuǎn)錄酶,是一種RNA－蛋白質(zhì)復合物。不依賴模板復制,以爬行方式合成端粒四、基因突變和DNA的損傷與修復

（一）引起突變的因素（二）基因突變（genemutation）的類型1.點突變（pointmutation）,錯配（mismatch）轉(zhuǎn)換（transition）:A取代G或G取代A；

C取代T或T取代C

顛換（transversion）:嘌呤變嘧啶,嘧啶變嘌呤2.缺失deletion插入insertion與框移突變/移碼突變frame-shiftmutation）：

由于DNA鏈中插入或缺失一個或多個（非3的倍數(shù)）核苷酸對，造成自插入點或缺失點以后的遺傳密碼發(fā)生錯誤.3.重排（rearrangement）

3334紫外線DNA鏈上兩個胸腺嘧啶之間形成二聚體35圖14—18烷化劑使鳥嘌呤變成O6-甲基-鳥嘌呤健康人DNACAAGTAAATTGTGGGCTTCTTTTT

HbSmRNAGUUCAUUUAACACCCGAAGAAAAA

肽鏈N端纈組

亮蘇脯谷谷賴C端

患者DNACAAGTAAATTGTGGGCATCTTTTT

HbSmRNAGUUCAUUUAACACCCGUAGAAAAA

肽鏈N端纈組

亮蘇脯纈谷賴C端圖14—15鐮刀型紅細胞貧血的點突變363738

39光復活（photoreactivation）：光修復酶（photolyase）2.切除修復（excissionrepairing）:DNA-polⅠ,DNAligase3. 重組修復（recombinationrepairing）4. SOS修復（SOSrepairing）：應急性修復，允許差錯，保留錯誤多，引起廣泛、長期突變（三）DNA的損傷和修復（DNAdamageandrepairing）40

圖14—20紫外線損傷的光復合過程4142復制重組再合成重組修復的過程2、SOS反應CSOSboxOPRLexARecARNApolymeraseTranscriptionSOSboxOPRLexAPPRNApolymerase修復酶類4344第二節(jié)RNA的生物合成轉(zhuǎn)錄（transcription）：RNA的生物合成方式，DNA指導RNA合成的過程.

在RNA聚合酶作用下,以DNA為模板,按堿基互補原則,合成堿基序列與DNA上基因堿基序列互補的RNA,從而把某種遺傳信息從DNA上抄錄到RNA上.

DNA→RNA一、參加轉(zhuǎn)錄的主要物質(zhì)（一）模板(Template)：DNA的一條鏈的片段,此鏈稱模板鏈（templatestrand），另一條鏈稱編碼鏈（codingstrand）.

45轉(zhuǎn)錄的方向：模板閱讀方向：3′→5′；新鏈合成方向：5′→3′不對稱轉(zhuǎn)錄：在轉(zhuǎn)錄過程中DNA雙鏈中僅有一股鏈的某個區(qū)段可作為模板指導RNA合成；不同的基因其轉(zhuǎn)錄時的模板鏈可能不同,模板鏈并非永遠在同一單鏈上46（二）酶(Enzyme)

：RNA聚合酶，全稱為“依賴DNA的RNA聚合酶”（DNA-dependentRNA

polymerase），也稱轉(zhuǎn)錄酶*E.coli的RNA聚合酶（RNApolymerase），由五個亞基2α、β、β'、σ組成全酶（

holoenzyme）,其中α2ββ'稱核心酶（core enzyme）

*真核生物的RNA聚合酶有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3種。4748 RNA聚合酶的特點：⑴可啟動RNA的合成，不需引物 ⑵只以一條鏈或其一段為模板 ⑶堿基互補配對的原則：A與U，G與C配對 ⑷合成方向：5’→3’ ⑸合成是連續(xù)進行的 ⑹無校讀功能 ⑺可與多種調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的蛋白因子相互作用

49

（三）底物(Substrate)：NTP（ATP，GTP，CTP，UTP）

（四）終止因子ρ(Terminationfactorρ)

：

蛋白因子，識別終止信號（terminationsignal）50二、RNA的轉(zhuǎn)錄過程及特點（一）轉(zhuǎn)錄過程起始(Initiation)１、RNA聚合酶辨認和結(jié)合模板

RNA聚合酶中σ因子識別啟動子部位，全酶結(jié)合上去2、解開DNA雙鏈，形成“轉(zhuǎn)錄空泡”。3、起動復合物形成，轉(zhuǎn)錄開始，形成第一個3`、5`-磷酸二酯鍵(phosphodiesterlinkage)4、б因子從全酶脫落，可重復利用啟動子(promotor)：啟動轉(zhuǎn)錄的特異序列，由轉(zhuǎn)錄起始點，RNA聚合酶結(jié)合位點和控制轉(zhuǎn)錄啟動的調(diào)節(jié)組件組成51521、識別區(qū)（辨別區(qū)）：與起始點的辨認有關(guān)，由全酶б因子辨認，位于-35bp左右，多具有-TTGACA-的序列。又稱—35區(qū)。2、結(jié)合區(qū)：為RNA聚合酶緊密結(jié)合區(qū)，結(jié)合后使

DNA解鏈，位于-10bp左右，具有-TATAAT-

的序列，稱為Pribnow-box?；蚍Q—10區(qū)。3、轉(zhuǎn)錄起始位點：由全酶催化兩個核苷酸生成第一個磷酸二酯鍵。53真核細胞的結(jié)合區(qū)在—30區(qū)，又稱TATAbox或Hognessbox。542.延長(Elongation):RNA鏈：由5`→3`延長,形成的鍵3`、5`－磷酸二酯鍵底物(substrate)ATPGTPCTPUTP

堿基配對原則：A=U、G≡C、C≡G、T=A

553.終止(Termination):DNA上出現(xiàn)終止信號,ρ識別,阻止酶滑動，4.轉(zhuǎn)錄后加工(Post-transcriptprocessing)

真核:戴帽加尾,核酶剪接內(nèi)含子5.轉(zhuǎn)錄意義:將DNA上的遺傳信息抄錄給RNA5657內(nèi)含子\外顯子的剪接1）可啟動RNA的合成，不需要引物；2）只以一條鏈為模板；3）按模板的堿基順序，遵守堿基互補原則，即A與U，G與C配對，嚴格挑選正確的底物，催化磷酸二酯鍵生成，從而把底物NTP聚合成RNA鏈；4）RNA合成方向均為5′→3′；5）合成是連續(xù)進行的；6）只有聚合活性沒有降解活性，沒有象DNA聚合酶I那樣的校正活性；7）能識別轉(zhuǎn)錄終止信號；8）與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的多種蛋白因子如阻遏蛋白相互作用，從而調(diào)節(jié)基因的表達?？偨Y(jié):轉(zhuǎn)錄特點5859思考題1.DNA復制起始有哪些特點?2.原核生物與真核生物中的DNA聚合酶有哪些種類，它們各自的功能是什么?3.DNA復制時前導鏈與隨從鏈的合成有哪些不同?4.DNA拓撲異構(gòu)酶的作用如何?5.連接酶催化的連接反應與DNA聚合酶5′→3′聚合活性有何異同?6.什么是逆轉(zhuǎn)錄，有什么生物學意義?7、那些環(huán)境因素容易損傷生物體內(nèi)的DNA?損傷有那些方式和類型?結(jié)果對生物細胞會有些什么影響?8.現(xiàn)在所知生物細胞對DNA損傷修復有那些方式?修復反應的結(jié)果會如何?601、RNA轉(zhuǎn)錄有哪些特點？2、RNA聚合酶的組成及其作用特點？3、原核生物與真核生的中的啟動子結(jié)構(gòu)特點及功能4、真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄后加工包括哪些內(nèi)容？5、什么是核酶，它們的發(fā)現(xiàn)有何意義？61第十五章

蛋白質(zhì)的生物合成PROTEINBIOSYNTHESIS62翻譯（Translation）：根據(jù)mRNA上的遺傳密碼排列順序，將氨基酸排列成一定順序的多肽鏈的過程。第一節(jié)參與蛋白質(zhì)合成的主要物質(zhì)一、信使核糖核酸（mRNA）是合成蛋白質(zhì)的直接模板密碼子（Codon

）：mRNA分子上的每三個單核苷酸，即三個相鄰堿基（三聯(lián)體（

triplet

））組成一單位叫密碼子。Site:Cytoplasm（細胞質(zhì)）Total:64specificcodons63起始密碼（Startcodon

）：AUG（編碼甲硫氨酸（methionine

））。終止密碼（Stopcodon

）：不編碼氨基酸的密碼子，代表蛋白質(zhì)合成的終止信號，有UAA、UAG、UGA。同義密碼（Synonymouscodon

）：編碼相同氨基酸的不同密碼子。64Codondictionary特點：

1、通用性（universal）

2、方向性：5’-3’

3、連續(xù)性（continuity）

4、簡并性（Degeneracy）6566mRNA:GUACAGACUAAGACUUTripletcodon三聯(lián)體密碼Startcodon起始密碼子Stopcodon終止密碼子Codon氨基酸密碼子UAAUAGUGAReadingframe(閱讀框)67（二）tRNA是氨基酸的搬運工具三葉草結(jié)構(gòu)的功能：

1.DHU環(huán)：識別特定氨基酰-tRNA合成酶（Aminoacyl-tRNAsynthetase）

2.氨基酸臂：結(jié)合氨基酸（aminoacid）

3.TΨC環(huán)：結(jié)合核糖體（ribosome）

4.反密碼環(huán)：有反密碼子（anticodon），與mRNA上的密碼配對3tRNALeuAminoacidacceptorarm氨基酸臂Anticodonloop反密碼子環(huán)AGUAnticodon反密碼子6869tRNAtertiarystructure3’EndAminoacidacceptorarmAnticodon70

Wobble（擺動）:

密碼子的第三個堿基與反密碼子的相應堿基配對時，會出現(xiàn)不遵從堿基互補配對原則的情況,稱為遺傳密碼的擺動現(xiàn)象。

71eg:Inosine（肌苷）canwobblepair.OnetRNAcanbeusedtoreadthreecodonsifinosineisused.(InosinecanwobblepairwithU,CorA)CCIGlyGGU(GGC,GGA)5’3’mRNA72eg.allthreecodonsforisoleucine（異亮氨酸）(AUA,AUC,andAUU)canbasepairwithasingletRNA.Infact,only31differenttRNAareactuallyrequiredtoreadall61sensecodons（有意義密碼）.攜帶相同氨基酸而反密碼子不同的一組tRNA稱為同工tRNA由rRNA與數(shù)種蛋白質(zhì)結(jié)合組成核糖體,核糖體是蛋白質(zhì)生物合成的場所（三）核糖體核糖核酸是蛋白質(zhì)的合成場所（rRNA）SD序列:在原核生物中mRNA上游離起始密碼子8-3個堿基部位有一小段富含嘌呤的序列，可與核糖體小亞基中16SrRNA的3’-末端互補結(jié)合。73Ribosmaltertiarystructure7475RibosomemRNALargesubunit核糖體大亞基Smallsubunit核糖體小亞基rRNA結(jié)構(gòu)Peptidyl-tRNAbindingsite肽?；?tRNA結(jié)合位點Aminoacyl-tRNAbindingsite氨酰基-tRNA結(jié)合位點PAA.Theactivationandtransportationofaminoacid

(氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運)

Aminoacyl-tRNAsynthetase(氨基酰-tRNA合成酶)

第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程＋AminoacidtRNAATP＋＋Aminoacyl-tRNA氨基酰tRNAAMPPPi＋Transportedform7677Aminoacyl-tRNAsynthetase78MetMetenzyme氨基酸的活化MetHisAlaSerAspTyrThrHisAla79B、活化氨基酸在核糖體上的縮合起動（Initiation）： 形成起動復合物（forminganinitiationcomplex）原核生物（1）形成三元復合物fMet-tRNA·IF-2·GTP（2）形成30S前起始復合物（3）形成70S起始復合物1A32Met48SInitiationcomplex:AUG8080SInitiationcomplex1A321A321A2fMetAUGMetAUG1A3MetAUG1A32Met81822.肽鏈延長1）進位（entrance）：氨基酰tRNA進入A位2）轉(zhuǎn)肽/成肽（peptidebondformation/transpeptidation）：

P位上的氨基?；螂孽＾D(zhuǎn)到A位，游離tRNA離開P位3）移位（translocation）：核糖體沿mRNA5`→3`移一密碼子位置,重復進行,直至肽鏈延長到一定長度為止。Elongation1AUGMetMetAPTranspeptidationAUGBinding83Elongation2APMetAUGTranslocationAUGAPAUGMetAPAUGMetMet84Elongation3APMetAUGMet85863.終止（Termination）

A位出現(xiàn)mRNA的終止密碼子，終止因子識別終止密碼子并結(jié)合蛋白質(zhì)合成停止，復合體分離,翻譯的特點：

1.模板：mRNA，閱讀方向：5`→3`

2.原料：氨基酸

3.肽鏈延長方向：N端→C端

多核糖體循環(huán)：在一條mRNA鏈上可同時結(jié)合多個核糖體，即多個核糖體可以在一條mRNA鏈上同時合成幾條多肽鏈。

Chaintermiation1APUAAeRFGTP87Termination2APeRFGTPUAAeRFGDPUAA88eRFGDPUAA89

第三節(jié)翻譯后的加工一、一級結(jié)構(gòu)的修飾（一）N-末端的修飾（二）個別氨基酸的修飾（三）水解剪裁修飾二、高級結(jié)構(gòu)的修飾（一）輔基的連接（二）亞基的聚合三、靶向輸送（proteintargeting）：蛋白質(zhì)在合成以后，定向到達其功能部位的過程。分泌性蛋白質(zhì)（sec