核酸和蛋白質生物合成及調節(jié)

核酸和蛋白質生物合成及調節(jié)第1頁/共103頁本章主要內容DNA的生物合成RNA的生物合成第2頁/共103頁第一節(jié)DNA的生物合成第3頁/共103頁中心法則（centraldogma）遺傳信息傳遞方向的規(guī)律基因表達：是指將遺傳信息由DNA轉錄為RNA、再翻譯成蛋白質的過程第4頁/共103頁半保留復制復制起始點（ori)雙向復制半不連續(xù)復制一、復制（replication）（一）DNA復制的基本原則第5頁/共103頁半保留復制

semiconservativereplicationAGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATC親代子代第6頁/共103頁DNA半保留復制的實驗第7頁/共103頁從復制起始點向2個方向進行雙向復制雙向復制第8頁/共103頁半不連續(xù)復制（semidiscontinousreplication)岡崎片段第9頁/共103頁（二）參與DNA復制的主要酶類解旋、解鏈酶類DNA拓撲異構酶解鏈酶單鏈結合蛋白引物酶DNA聚合酶DNA連接酶第10頁/共103頁1、解旋、解鏈酶類解鏈酶(helicase)解開DNA雙鏈中氫鍵，消耗ATP單鏈結合蛋白（single-strandedDNA-bindingprotein）與單鏈DNA結合，保持模板處于單鏈狀態(tài)，保護復制中的DNA單鏈不被核酸酶降解。DNA拓撲異構酶（topoisomerase)復制前：松弛DNA超螺旋，克服扭結現(xiàn)象復制后：TopoII作用下，重新引入超螺旋（需ATP供能）第11頁/共103頁第12頁/共103頁解鏈酶DNA拓樸異構酶單鏈DNA結合蛋白

SSB解開、理順

DNA鏈、維持DNA單鏈狀第13頁/共103頁2、引物酶(primase)DNA聚合酶合成新DNA時需要引物（一小段RNA）引物RNA3’-OH末端作為DNA合成的起始點引物酶與多種起始蛋白結合形成引發(fā)體引物酶催化合成引物（primer)第14頁/共103頁3、DNA聚合酶（DNApolymerase)DNA聚合酶的作用特點：模板：解開的DNA雙鏈催化底物（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）聚合形成3′,5′磷酸二酯鍵新鏈延長方向5/→3/具核酸外切酶活性第15頁/共103頁原核DNA聚合酶①polⅠ：3′→5′外切酶活性，參與DNA修復校正5′→3′外切酶、聚合酶活性，

切除引物并填補空隙具有切口平移作用②polⅡ：生理功能尚不清楚，無酶Ⅰ、Ⅱ時起作用③polⅢ：復制延長中真正起復制作用的酶具3/-5/核酸外切酶活性，校正作用第16頁/共103頁DNA復制高保真性的機制

DNA模板指導正確選擇堿基配對校讀功能第17頁/共103頁4、DNA連接酶(DNAligase)通過3/，5/-磷酸二酯鍵連接互補鏈中DNA片段不能連接單獨存在的DNA或RNA單鏈。第18頁/共103頁（三）DNA的復制過程模板DNA解旋與解鏈，形成復制叉；形成引發(fā)體，合成RNA引物；按A=T、G=C堿基配對規(guī)則，合成DNA；切除引物、填補空隙、形成岡崎片段；DNA連接酶連接封口，形成長鏈DNA；6.在Tus蛋白參與下，終止復制。(terminusutilizationsubstance)第19頁/共103頁DNA復制示意圖拓撲異構酶解鏈酶5/3/3/5/3/5/DNA聚合酶Ⅲ單鏈結合蛋白DNA聚合酶Ⅰ前導鏈隨后鏈DNA連接酶岡崎片段引物酶第20頁/共103頁二、逆轉錄(reversetranscription)概念：以RNA為模板合成DNA的過程酶：逆轉錄酶依賴RNA的DNA聚合酶功能RNaseH功能（水解RNA-DNA雜交鏈）依賴DNA的DNA聚合酶功能第21頁/共103頁逆轉錄酶----------------------------------------RNaseH----------------------------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------cDNA整合入宿主細胞DNA分子中病毒RNARNA-cDNA

雜交體cDNA雙股cDNA宿主細胞DNA分子整合了cDNA的宿主細胞DNA分子逆轉錄酶意義：對中心法則的補充有助于基因工程的實施逆轉錄過程第22頁/共103頁HIV生活史第23頁/共103頁三、DNA復制與端粒、端粒酶端粒:

是由蛋白質和DNA緊密結合的結構端粒酶:

是一種自身攜帶模板RNA的逆轉錄酶端粒酶特殊的生物學功能：1.端粒酶活性與遺傳信息的穩(wěn)定性；2.端粒酶活性與細胞衰老；3.端粒酶活性與腫瘤(telomere、telomerase)第24頁/共103頁端粒（telomere）是指真核生物染色體線性DNA分子末端的結構部分，通常膨大成粒狀。（一）真核生物端粒的形成：第25頁/共103頁功能?維持染色體的穩(wěn)定性?保證DNA復制的完整性端粒的結構特點?由末端單鏈DNA序列和蛋白質構成。?末端DNA序列是多次重復的富含G、T堿基的短序列。TTTTGGGGTTTTGGGG…第26頁/共103頁線性DNA在復制完成后，其末端由于引物RNA的水解而可能出現(xiàn)縮短。故需要在端粒酶（telomerase）的催化下，進行延長反應。53355335第27頁/共103頁端粒酶(telomerase)端粒酶是一種RNA-蛋白質復合體，它可以其RNA為模板，通過逆轉錄過程對末端DNA鏈進行延長。端粒酶的分子結構第28頁/共103頁端粒酶RNA(humantelomeraseRNA,hTR)端粒酶協(xié)同蛋白(humantelomeraseassociatedprotein1,hTP1)端粒酶逆轉錄酶(humantelomerasereversetranscriptase,hTRT)

端粒酶的組成第29頁/共103頁端粒酶的爬行模型（動畫演示）第30頁/共103頁四、DNA損傷（突變）與修復突變自發(fā)突變(spontaneousmutation)人工誘變(inducedmutation)第31頁/共103頁（一）引起突變的因素物理因素：紫外線、各種輻射化學因素：亞硝酸鹽、烷化劑、芳香烴類生物因素：RNA病毒等第32頁/共103頁（二）突變的類型點突變(pointmutation)（錯配）轉換(transition)：AG或CT

顛換(transversion)：嘌呤堿嘧啶堿框移突變(frameshiftmutation)缺失、插入1個堿基重排(rearrangement)第33頁/共103頁血紅蛋白中遺傳信息的異常正常DNA…TGTGGGCTTCTTTTT…mRNA…ACACCCGAAGAAAAA…HbA（β鏈）（氨基末端）蘇脯谷6谷賴異常DNA…TGTGGGCATCTTTTT…mRNA…ACACCCGUAGAAAAA…HbS（β鏈）（氨基末端）蘇脯纈6谷賴鐮刀形紅細胞性貧血第34頁/共103頁HbA與HbS比較第35頁/共103頁由基因重排引起的兩種地中海貧血基因型第36頁/共103頁（三）DNA的損傷修復光復活切除修復重組修復SOS修復第37頁/共103頁光修復(photoreactivation)紫外輻射DNA鏈上兩個胸腺嘧啶殘基間形成二聚體光修復酶第38頁/共103頁切除修復核酸內切酶DNApolⅠ，DNAligase(excisionrepair)第39頁/共103頁重組修復(recombinationalDNArepair）第40頁/共103頁第二節(jié)RNA的生物合成（轉錄）(transcription)第41頁/共103頁一、參與轉錄的主要物質轉錄模板RNA聚合酶底物終止因子第42頁/共103頁（一）轉錄模板轉錄的模板：DNA雙鏈中的一條模板鏈：DNA雙鏈中具有轉錄功能的一條鏈（templatestrand）編碼鏈：貯存有遺傳信息與模板鏈互補的一條鏈（codingstrand）第43頁/共103頁5/3/3/5/不對稱轉錄：1、RNA分子上只有一條可轉錄2、模板鏈并不總是在同一單鏈上RNA合成方向：5/→3/不對稱轉錄（asymmetrictranscription）第44頁/共103頁DNA5′……GGAGTACATGTC…3′（編碼鏈，+,）

3′……CCTCAUGUACAG…5′（模板鏈，-，）↓（轉錄）5′……GGAGUACAUGUC……3′

mRNA

↓（翻譯）

N……Ala…Val…His…Val…C多肽

第45頁/共103頁（二）RNA聚合酶——原核細胞

(RNApolymerase)亞基功能2決定哪些基因被轉錄與轉錄全過程有關′結合DNA模板辨認起始點全酶：核心酶（2′）+起始因子（）第46頁/共103頁類型細胞內定位催化轉錄產物對鵝膏蕈堿的反應Ⅰ

核仁rRNA前體耐受Ⅱ

核質mRNA前體極敏感Ⅲ

核質5SrRNAtRNA中度敏感（二）RNA聚合酶——真核細胞第47頁/共103頁（三）底物RNA聚合酶的底物（RNA合成的原料）：ATP、GTP、CTP、UTP第48頁/共103頁二、轉錄過程轉錄起始2、轉錄延長3、轉錄終止（原核生物）第49頁/共103頁②形成第一個3/，5/-磷酸二酯鍵，σ因子脫離全酶（第一個核苷酸：GTP或ATP）①RNA聚合酶識別、結合啟動子-10核苷酸——TATAAT（Pribnow盒）富含AT-35核苷酸——TTGACA啟動子轉錄起始(transcriptioninitiation)第50頁/共103頁轉錄起始動畫第51頁/共103頁核心酶催化，在模板指導下沿5/-3/方向延伸RNA鏈2、轉錄延長(transcriptionelongation)轉錄空泡第52頁/共103頁終止子非依賴于ρ因子的終止子依賴于ρ因子的終止子terminator3、轉錄終止（transcriptiontermination）第53頁/共103頁非依賴ρ因子的終止1、GC豐富，重復序列2、形成發(fā)夾樣結構第54頁/共103頁依賴與ρ因子的終止第55頁/共103頁轉錄全過程第56頁/共103頁真核細胞mRNA前體的加工轉錄過程中的5/端加帽與3/端加尾的修飾mRNA的前體：核內不均一RNA（hnRNA）2.切除內含子(intron)，拼接外顯子(exon)非編碼序列編碼序列(hetero–nuclearRNA)第57頁/共103頁m7GpppNmpolyA帽子結構尾巴結構第58頁/共103頁

DNA和RNA生物合成的比較(1)

復制轉錄1.原料

dNTPNTP2.模板

DNA兩條鏈DNA一條鏈3.引物

需要RNA引物不需引物4.新連延伸方向

5ˊ→3ˊ5ˊ→3ˊ5.主要酶類

DNA聚合酶RNA聚合酶解旋、解鏈酶類（α2ββˊσ）

引物酶終止因子(ρ)DNA連接酶第59頁/共103頁DNA和RNA生物合成的比較(2)

復制過程轉錄過程模板DNA解旋與解鏈，σ因子辨認起始點,

形成復制叉；帶動全酶解開DNA雙鏈,形成引發(fā)體，促使轉錄起動；合成RNA引物；σ因子隨之脫落下來；3.按A=T、G=C堿基配對在核心酶催化下,規(guī)則，合成DNA；使RNA鏈不斷延長；切除引物、填補空隙、ρ因子終止鏈延長。形成岡崎片段；DNA連接酶連接封口，形成長鏈DNA；6.在Tus蛋白參與下，終止復制第60頁/共103頁第十五章

蛋白質的生物合成biosynthesisofprotein第61頁/共103頁本章主要內容參與蛋白質生物合成的主要物質蛋白質生物合成的過程翻譯后的加工第62頁/共103頁蛋白質生物合成體系n氨基酸蛋白質mRNA、tRNA、rRNA酶、蛋白質因子、ATP、GTP第63頁/共103頁第一節(jié)參與蛋白質生物合成的主要物質mRNAtRNArRNA第64頁/共103頁一、mRNA——翻譯的模板CAACUGCAGACAUAUAUGAUACAAUUUGAUCAGUAU5/3/-Gln-Leu-Gln-Thr-Tyr-Met-Ile-Gln-Phe-Asp-Gln-Tyr-第65頁/共103頁mRNA分子中，從5/-3/每三個相鄰的堿基組成的三聯(lián)體，代表某個氨基酸共有64種61種代表20中氨基酸3種UAA、UAG、UGA終止密碼(codon)AUG起始密碼蛋氨酸密碼子：第66頁/共103頁遺傳密碼表第一堿基（5/-端）第二堿基第三堿基（3/-端）終止終止**在mRNA起始部位的AUG為起始信號第67頁/共103頁方向性通用性簡并性連續(xù)性遺傳密碼的特點第68頁/共103頁同一氨基酸具有多種密碼子同義密碼第1、2位第3位決定密碼的特異性擺動方向性：5/——3/通用性：（在線粒體或葉綠體中特殊）簡并性：第69頁/共103頁沿5/-3/方向連續(xù)閱讀插入堿基缺失堿基移碼突變連續(xù)性：第70頁/共103頁二、tRNA——搬運氨基酸Ser5’Tyr5’第71頁/共103頁密碼子與反密碼子的配對I

A、C、UUA、GGC、U反密碼子識別密碼子第1位（擺動配對）第3位（tRNA）（mRNA）第72頁/共103頁氨基酸的活化——氨基酸與tRNA的結合氨基酸+ATP+tRNA氨基酰-tRNA合成酶氨基酰-tRNA+AMP+PPi第73頁/共103頁三、核糖體——蛋白質合成的場所rRNA+蛋白質核糖體（核蛋白體）大亞基小亞基第74頁/共103頁真核細胞：5S、5.8S、28S18S蛋白質大亞基（60S）小亞基（40S）原核細胞：5S、23S16S蛋白質大亞基（50S）小亞基（30S）核糖體大小亞基的組成80S70S第75頁/共103頁小亞基與mRNA的結合S-D序列5’3’小亞基第76頁/共103頁大亞基P位：結合肽酰tRNA的部位A位：結合氨基酰tRNA的部位P位A位第77頁/共103頁第二節(jié)蛋白質生物合成的過程mRNA中堿基的排列順序蛋白質中的AA的排列順序翻譯起始延長終止注冊成肽轉位第78頁/共103頁一、起始階段起始復合體大亞基mRNAMet-tRNA(fMet-tRNA)小亞基IF-1，2，3GTP第79頁/共103頁起始復合物的形成過程12第80頁/共103頁二、肽鏈的延長階段進位成肽轉位1延長因子（EF）條件：EF-TEF-GEF-TuEF-Ts過程：2GTP第81頁/共103頁肽鏈的延長進位成肽轉位Tu-Ts第82頁/共103頁第83頁/共103頁三、終止階段A位上出現(xiàn)終止密碼子，在釋放因子RF-1、RF-2、RF-3、GTP及轉肽酶作用下，多肽鏈水解第84頁/共103頁肽鏈合成的終止第85頁/共103頁多核糖體第86頁/共103頁第三節(jié)翻譯后的加工一級結構的修飾高級結構的修飾靶向輸送第87頁/共103頁蛋白質的靶向輸送概念：蛋白質合成后定向到達其功能部位的過程分泌性蛋白和細胞固有蛋白mRNA5/端有信號碼——編碼信號肽決定靶向輸送第88頁/共103頁分泌性蛋白質的跨膜轉運第89頁/共103頁第十六章基因表達的調控第90頁/共103頁原核生物基因轉錄調控乳糖操縱子調節(jié)機制色氨酸操縱子調節(jié)機制第91頁/共103頁一、乳糖操縱子(lacoperon)調節(jié)機制5/3/3/5/啟動子操縱序列3個結構基因調控區(qū)信息區(qū)乳糖操縱子操縱子：生物學功能相關的基因組合在一起成為DNA中的1個轉錄單位（operon）調節(jié)基因阻遏蛋白POIZYACAP結合點第92頁/共103頁（一）阻遏蛋白的負性調節(jié)缺乏乳糖時：I基因阻遏蛋白與O序列結合阻止RNA聚合酶的結合