第章核酸的生物合成

第一頁(yè)，共五十四頁(yè)。

復(fù)制（replication）是指以原來(lái)DNA分子為模板，合成出相同DNA分子的過(guò)程；轉(zhuǎn)錄（transcription）是以DNA分子為模板合成出與其核苷酸順序相對(duì)應(yīng)的RNA的過(guò)程；翻譯（translation）是在由rRNA和蛋白質(zhì)組成的核糖核蛋白體（簡(jiǎn)稱核糖體）上，以mRNA為模板，根據(jù)每3個(gè)相鄰核苷酸決定一種氨基酸的三聯(lián)體密碼規(guī)則，由tRNA運(yùn)送活化的氨基酸，GTP提供所需能量，合成出具有特定氨基酸順序的蛋白質(zhì)肽鏈的過(guò)程。第二頁(yè)，共五十四頁(yè)。第一節(jié)DNA的生物合成

以DNA作為模板指導(dǎo)的DNA合成作用，復(fù)制出新的DNA分子，如此將DNA攜帶的信息傳遞給子代DNA。第三頁(yè)，共五十四頁(yè)。一、半保留復(fù)制

在DNA復(fù)制時(shí)，親代DNA的雙螺旋先行解旋和分開，然后以每條鏈為模板，按照堿基配對(duì)原則，在這兩條鏈上各形成一條互補(bǔ)鏈。這樣，從親代DNA的分子可以精確地復(fù)制成2個(gè)子代DNA分子。每個(gè)子代DNA分子中，有一條鏈?zhǔn)菑挠H代DNA來(lái)的，另一條則是新形成的，這叫做半保留復(fù)制。第四頁(yè)，共五十四頁(yè)。第五頁(yè)，共五十四頁(yè)。第六頁(yè)，共五十四頁(yè)。（一）復(fù)制的起始點(diǎn)與方向

DNA分子復(fù)制時(shí)，在親代分子一個(gè)特定區(qū)域內(nèi)雙鏈打開，隨之以兩股鏈為模板復(fù)制生成兩個(gè)子代DNA雙鏈分子。開始時(shí)，復(fù)制起始點(diǎn)呈現(xiàn)一叉形（或Y形），稱之為復(fù)制叉（replicationfork）。復(fù)制進(jìn)行中，復(fù)制叉乃向前移動(dòng)。第七頁(yè)，共五十四頁(yè)。1．復(fù)制的起始點(diǎn)

DNA復(fù)制要從DNA分子的特定部位開始，此特定部位稱為復(fù)制起始點(diǎn)（originofreplication），可以用ori表示。在原核生物中復(fù)制起始點(diǎn)常位于染色體的一個(gè)特定部位，即只有一個(gè)起始點(diǎn)。真核生物的染色體是在幾個(gè)特定部位上進(jìn)行DNA復(fù)制的，有幾個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)的。第八頁(yè)，共五十四頁(yè)。2．復(fù)制的方向第九頁(yè)，共五十四頁(yè)。（二）DNA聚合反應(yīng)有關(guān)的酶及相關(guān)蛋白因子

DNA的合成是以四種三磷酸脫氧核糖核苷為底物的聚合反應(yīng)，該過(guò)程除了需要酶的催化之外，還需要適量的DNA為模板，RNA（或DNA）為引物和鎂離子的參與。第十頁(yè)，共五十四頁(yè)。1．引物合成酶引物合成酶亦稱引發(fā)酶(primerase)，此酶以DNA為模板合成一段RNA,這段RNA作為合成DNA的引物（Primer）。第十一頁(yè)，共五十四頁(yè)。2．DNA聚合酶

在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)有3種DNA聚合酶，分別稱為DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。DNA聚合酶Ⅰ是多功能酶，它具有5′→3′聚合酶，5′→3′外切酶及3′→5′外切酶的活性。它的主要功能是對(duì)DNA損傷的修復(fù)，以及在DNA復(fù)制時(shí)，RNA引物切除后，填補(bǔ)其留下的空隙。第十二頁(yè)，共五十四頁(yè)。

DNA聚合酶Ⅲ極為復(fù)雜，具有5′→3′DNA聚合酶活性。具有3′外切酶的校對(duì)功能，提高DNA復(fù)制的保真性?，F(xiàn)在一般認(rèn)為，DNA聚合酶Ⅲ是原核生物DNA復(fù)制的主要聚合酶。第十三頁(yè)，共五十四頁(yè)。3．真核細(xì)胞的DNA聚合酶第十四頁(yè)，共五十四頁(yè)。4．DNA連接酶

作用是催化雙鏈DNA中的切口處的相鄰5′-磷酸基與3′-羥基之間形成磷酸酯鍵。但是它不能將兩條游離的DNA單鏈連接起來(lái)。第十五頁(yè)，共五十四頁(yè)。5．拓?fù)洚悩?gòu)酶

拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ可減少負(fù)超螺旋；拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ可引入負(fù)超螺旋，它們協(xié)同作用控制著DNA的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)洚悩?gòu)酶在重組、修復(fù)和DNA的其它轉(zhuǎn)變方面起著重要的作用。第十六頁(yè)，共五十四頁(yè)。6．解螺旋酶通過(guò)水解ATP將DNA的兩條鏈打開。ATP水解活力要有單鏈DNA存在。第十七頁(yè)，共五十四頁(yè)。7．其它蛋白因子（1）單鏈結(jié)合蛋白，它的功能是穩(wěn)定已被解開的DNA單鏈，阻止復(fù)性和保護(hù)單鏈不被核酸酶降解。（2）引發(fā)前體，與RNA引物合成酶（引發(fā)酶）結(jié)合，組裝成引發(fā)體。引發(fā)體結(jié)合到隨后鏈的模板上，具有識(shí)別合成起始位點(diǎn)的功能。第十八頁(yè)，共五十四頁(yè)。（三）DNA的復(fù)制過(guò)程

DNA的復(fù)制按一定的規(guī)律進(jìn)行，雙螺旋DNA是邊解開邊合成新鏈的。復(fù)制從特定位點(diǎn)開始，可以單向或雙向進(jìn)行，但是以雙向復(fù)制為主。由于DNA雙鏈的合成延伸均為5′→3′的方向，因此復(fù)制是以半不連續(xù)的方式進(jìn)行，即其中一條鏈相對(duì)地連續(xù)合成，稱之為領(lǐng)頭鏈，另一條鏈的合成是不連續(xù)的，稱為隨后鏈。在DNA復(fù)制叉上進(jìn)行的基本活動(dòng)包括雙鏈的解開；RNA引物的合成；DNA鏈的延長(zhǎng)；切除RNA引物，填補(bǔ)缺口，連接相鄰的DNA片段。第十九頁(yè)，共五十四頁(yè)。1．雙鏈的解開

復(fù)制是從DNA分子的特定位置開始的，這一位置叫復(fù)制原點(diǎn)，常用ori表示。許多生物的復(fù)制原點(diǎn)都是富含A、T的區(qū)段。第二十頁(yè)，共五十四頁(yè)。2．RNA引物的合成引發(fā)酶與引發(fā)前體結(jié)合形成引發(fā)體。引發(fā)體在復(fù)制叉上移動(dòng)，識(shí)別合成的起始點(diǎn)，引發(fā)RNA引物的合成。移動(dòng)和引發(fā)均需要由ATP提供能量。以DNA為模板按5′→3′的方向，合成一段引物RNA鏈。引物長(zhǎng)度約為幾個(gè)至10個(gè)核苷酸。在引物的5′端含3個(gè)磷酸殘基，3′端為游離的羥基。第二十一頁(yè)，共五十四頁(yè)。3．DNA鏈的延長(zhǎng)當(dāng)RNA引物合成之后，在DNA聚合酶Ⅲ的催化下，以四種脫氧核糖核苷5′-三磷酸為底物，在RNA引物的3′端以磷酸二酯鍵連接上脫氧核糖核苷酸并釋放出PPi。DNA鏈的合成是以兩條親代DNA鏈為模板，按堿基配對(duì)原則進(jìn)行復(fù)制的。第二十二頁(yè)，共五十四頁(yè)。

子鏈中有一條鏈沿著親代DNA單鏈的3′→5′方向（亦即新合成的DNA沿5′→3′方向）不斷延長(zhǎng)。這條新鏈稱為領(lǐng)頭鏈。而另一條鏈的合成方向與復(fù)制叉的前進(jìn)方向相反，只能斷續(xù)地合成5′→3′的多個(gè)短片段。1968年岡崎發(fā)現(xiàn)了這些片段故又稱岡崎片段（Okazakifragment）。它們隨后連接成大片段，這條新鏈稱為隨后鏈。這種領(lǐng)頭鏈?zhǔn)沁B續(xù)合成，隨后鏈?zhǔn)菙嗬m(xù)合成的方式稱為半不連續(xù)復(fù)制。第二十三頁(yè)，共五十四頁(yè)。4．切除引物，填補(bǔ)缺口，連接修復(fù)在DNA聚合酶Ⅰ的作用下，在引物RNA與DNA片段的連接處切斷；切去RNA引物后留下的空隙，由DNA聚合酶Ⅰ催化合成一段DNA填補(bǔ)上；在DNA連接酶的作用下，連接相鄰的DNA鏈；修復(fù)摻入DNA鏈的錯(cuò)配堿基。第二十四頁(yè)，共五十四頁(yè)。第二十五頁(yè)，共五十四頁(yè)。二、逆向轉(zhuǎn)錄

以RNA為模板，按照RNA中的核苷酸順序合成DNA，這與通常轉(zhuǎn)錄過(guò)程中遺傳信息流從DNA到RNA的方向相反，故稱為逆轉(zhuǎn)錄（reversetranscription）。第二十六頁(yè)，共五十四頁(yè)。逆轉(zhuǎn)錄的生物學(xué)意義：

逆轉(zhuǎn)錄過(guò)程的發(fā)現(xiàn)，不僅擴(kuò)充了中心法則，還有其重要的生物學(xué)意義。它有助于人們對(duì)RNA病毒致癌機(jī)制的了解，并對(duì)防治腫瘤提供了重要線索。

逆轉(zhuǎn)錄酶已成為分子生物學(xué)和基因工程中常用的一種工具酶，利用它可以從mRNA合成相應(yīng)的cDNA，在基因結(jié)構(gòu)研究、氨基酸序列預(yù)測(cè)以及基因工程中具有十分重要的意義。第二十七頁(yè)，共五十四頁(yè)。三、DNA突變四、DNA損傷與修復(fù)（一）光復(fù)活（二）切除修復(fù)（三）重組修復(fù)（四）誘導(dǎo)修復(fù)第二十八頁(yè)，共五十四頁(yè)。(一)光修復(fù)

修復(fù)是由細(xì)菌中的DNA光解酶完成，此酶能特異性識(shí)別二聚體，并與其結(jié)合，結(jié)合后如受300－600nm波長(zhǎng)的光照射，則此酶就被激活，將二聚體分解為兩個(gè)正常的嘧啶單體。

第二十九頁(yè)，共五十四頁(yè)。(二)切除修復(fù)

所謂切除修復(fù)，即是在一系列酶的作用下，將DNA分子中受損傷部分切除掉，并以完整的那一條鏈為模板，合成出切去的部分，然后使DNA恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)的過(guò)程。第三十頁(yè)，共五十四頁(yè)。(三)重組修復(fù)

受損傷的DNA在進(jìn)行復(fù)制時(shí)，跳過(guò)損傷部位，在子代DNA鏈與損傷相對(duì)應(yīng)部位出現(xiàn)缺口。通過(guò)分子間重組，從完整的母鏈上將相應(yīng)的堿基順序片段移至子鏈的缺口處，然后再用合成的多核苷酸來(lái)補(bǔ)上母鏈的空缺，此過(guò)程即重復(fù)修復(fù)。并非完全校正。第三十一頁(yè)，共五十四頁(yè)。(四)SOS修復(fù)SOS反應(yīng)是指細(xì)胞DNA受到損傷或復(fù)制系統(tǒng)受到抑制的情況下出現(xiàn)的應(yīng)急效應(yīng)。修復(fù)結(jié)果只是能維持基因組的完整性，提高細(xì)胞的生成率，但留下的錯(cuò)誤較多，導(dǎo)致較廣泛、長(zhǎng)期的突變。第三十二頁(yè)，共五十四頁(yè)。第二節(jié)RNA的生物合成

以DNA的一條鏈為模板在RNA聚合酶催化下，以四種核糖核苷磷酸為底物按照堿基配對(duì)原則，形成3′→5′磷酸二酯鍵，合成一條與DNA鏈的一定區(qū)段互補(bǔ)的RNA鏈的過(guò)程稱為轉(zhuǎn)錄（transcription）。第三十三頁(yè)，共五十四頁(yè)。一、轉(zhuǎn)錄

RNA的轉(zhuǎn)錄合成從化學(xué)角度來(lái)講類似于DNA的復(fù)制，多核苷酸鏈的合成都是以5’→3’的方向，在3’-OH末端與加入的核苷酸磷酸二酯鍵，轉(zhuǎn)錄又具有其特點(diǎn)：（1）對(duì)于一個(gè)基因組來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)錄只發(fā)生在一部分基因，而且每個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄都受到相對(duì)獨(dú)立的控制；（2）轉(zhuǎn)錄是不對(duì)稱的。（3）轉(zhuǎn)錄時(shí)不需要引物，而且RNA鏈的合成是連續(xù)的。第三十四頁(yè)，共五十四頁(yè)。5’-----GCAGTACATGTC-----3’編碼鏈DNA3’-----CGTCATGTACAG-----5’模板鏈5’-----GCAGUACAUGUC-----3’mRNAN------Ala--Val--His--Val------C蛋白質(zhì)（一）依賴DNA的RNA聚合酶

DDRP的有以下特點(diǎn)：①以DNA為模板；在DNA的兩條多苷酸鏈中只有其中一條鏈作為模板，這條鏈叫做模板鏈（templatestrand），又叫做無(wú)意義鏈。DNA雙鏈中另一條不做為模板的鏈叫做編碼鏈，又叫做有意義鏈。第三十五頁(yè)，共五十四頁(yè)。不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄

.DNA雙鏈上，僅一股鏈轉(zhuǎn)錄，另一股不轉(zhuǎn)錄。

.有意義鏈與反意義鏈并非固定不變。

.轉(zhuǎn)錄方向都是5’3’模板鏈第三十六頁(yè)，共五十四頁(yè)。②都以四種三磷酸核苷的底物，原料；③都遵循DNA與RNA之間的堿基配對(duì)原由，A=U，T=A，C=G，合成與模板DNA序列互補(bǔ)的RNA鏈。④RNA鏈的延長(zhǎng)方向是5’→3’的連續(xù)合成。⑤需要Mg2+或Mn2+離子。⑥并不需要引物。

RNA聚合酶缺乏3’→5’外切酶活性，所以沒有校正功能。第三十七頁(yè)，共五十四頁(yè)。DNA復(fù)制與轉(zhuǎn)錄的比較相同點(diǎn)模板兩股鏈均復(fù)制模板鏈轉(zhuǎn)錄合成方式半保留復(fù)制不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄原料

dNTPNTP聚合酶

DNA聚合酶RNA聚合酶堿基配對(duì)

A-T，G-CA-U，T-A，G-C產(chǎn)物半保留的雙鏈DNA單鏈RNA不同點(diǎn)以DNA為模板遵循堿基配對(duì)原則都需依賴DNA的聚合酶

聚合過(guò)程都是生成磷酸二酯鍵新鏈合成方向?yàn)?’→3’

復(fù)制轉(zhuǎn)錄第三十八頁(yè)，共五十四頁(yè)。大腸桿菌RNA聚合酶

亞單位分子量亞單位數(shù)目

功能αββ’σ

36512150618155613702632111決定哪些基因被轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄全過(guò)程有關(guān)結(jié)合DNA模板辨認(rèn)起始點(diǎn)

第三十九頁(yè)，共五十四頁(yè)。真核生物的RNA聚合酶種類分布合成的RNA類型對(duì)α-鵝膏蕈堿的敏感性ⅠⅡⅢMt核仁核質(zhì)核質(zhì)線粒體rRNAhnRNAtRNA，5sRNA線粒體RNAs不敏感低濃度敏感高濃度敏感不敏感第四十頁(yè)，共五十四頁(yè)。（二）RNA的轉(zhuǎn)錄過(guò)程可將RNA合成分為識(shí)別與起始、延長(zhǎng)和終止三個(gè)階段。

第四十一頁(yè)，共五十四頁(yè)。（1）識(shí)別

轉(zhuǎn)錄是從DNA分子的特定部位開始的，這個(gè)部位也是RNA聚合酶全酶結(jié)合的部位這就是啟動(dòng)子。啟動(dòng)子處的核苷酸序列具有特殊性，為了方便，人們將在DNA上開始轉(zhuǎn)錄的第一個(gè)堿基定為+1，沿轉(zhuǎn)錄方向順流而下的核苷酸序列均用正值表示；逆流而上的核苷酸序列均用負(fù)值表示。

第四十二頁(yè)，共五十四頁(yè)。第四十三頁(yè)，共五十四頁(yè)。

除啟動(dòng)子外，真核生物轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游處還有一個(gè)稱為增強(qiáng)子的序列，它能極大地增強(qiáng)啟動(dòng)子的活性，它的位置往往不固定，可存在于啟動(dòng)子上游或下游。第四十四頁(yè)，共五十四頁(yè)。（2）轉(zhuǎn)錄起始和延伸在原核生物中，當(dāng)RNA聚合酶發(fā)現(xiàn)其識(shí)別位點(diǎn)時(shí)，形成全酶和啟動(dòng)子的開放性復(fù)合物。在開放性啟動(dòng)子復(fù)合物中起始位點(diǎn)和延長(zhǎng)位點(diǎn)被相應(yīng)的核苷酸前體充滿，在RNA聚合酶β亞基催化下形成RNA的第一個(gè)磷酸二酸鍵。RNA合成的第一個(gè)核苷酸總有GTP或ATP，以GTP常見。第四十五頁(yè)，共五十四頁(yè)。

RNA鏈的延長(zhǎng)靠核心酶的催化，在起始復(fù)合物上第一個(gè)GTP的核糖3’-OH上與DNA模板能配對(duì)的第二個(gè)三磷酸核苷起反應(yīng)形成磷酸二酯鍵。聚合進(jìn)去的核苷酸又有核糖3’-OH游離，這樣就可按模板DNA的指引，一個(gè)接一個(gè)地延長(zhǎng)下去。

第四十六頁(yè)，共五十四頁(yè)。RNA鏈的延伸圖解3′3′RNA-DNA雜交螺旋聚合酶的移動(dòng)方向新生RNA復(fù)鏈解鏈有義鏈模板鏈（反義鏈）延長(zhǎng)部位第四十七頁(yè)，共五十四頁(yè)。（3）轉(zhuǎn)錄的終止轉(zhuǎn)錄是在DNA模板某一位置上停止的，轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)有兩種情況，一類是不