生物化學(xué)核酸生物合成課件

Biosynthesisofnucleicacid第十二章

核酸的生物合成分子生物學(xué)(分子遺傳學(xué))中心法則反映了從DNARNA蛋白質(zhì)的遺傳信息主流，揭示了生物體內(nèi)遺傳信息的貯存、傳遞和表達(dá)的規(guī)律。

轉(zhuǎn)錄RNA翻譯蛋白質(zhì)DNARNA（病毒）復(fù)制翻譯

蛋白質(zhì)（病毒）反轉(zhuǎn)錄復(fù)制ATGC一、DNA的復(fù)制

基本概念

以參與反應(yīng)的要素進(jìn)行定義必須具備的基本條件

模板：母鏈DNA

原料：dNTP(包括dATP、dGTP、

dCTP、dTTP)酶和蛋白質(zhì)因子：

引物：一小段RNA

能量（ATP）及某些無(wú)機(jī)離子DNA的復(fù)制的方式------1958,MesselsonandStahl實(shí)驗(yàn)證實(shí)DNA半保留復(fù)制

Watson和Crick提出的DNA雙螺旋復(fù)制模型含15N-DNA的細(xì)菌培養(yǎng)于普通培養(yǎng)液第一代重DNA普通DNA普通DNA細(xì)菌的DNA雙鏈(黃線的代表含15N)DNA半保留復(fù)制的證據(jù)

可排除全保留式Why?母鏈全保留式半保留式混合式重DNA普通DNA排除全保留式培養(yǎng)第一代結(jié)果重DNA普通DNA2.解鏈酶(又稱解螺旋酶或螺旋酶,helicase)解鏈酶

作用：斷裂互補(bǔ)堿基間的氫鍵,使DNA雙鏈分離形成“復(fù)制叉”。具有這種功能的是一類酶[如復(fù)制蛋白(rep蛋白)、解鏈酶II等]。

3.單鏈DNA結(jié)合蛋白(DNA結(jié)合蛋白)(singlestrandedDNA-bindingprotein,SSB)作用：防止重新形成雙鏈和防止單鏈模板被核酸酶水解,維持DNA單鏈狀態(tài)和完整性.原核生物（E.coli）迄今已知只有3種：DNApolⅠ、

DNApolⅡ、

DNApolⅢ。真核生物

亦發(fā)現(xiàn)有多種DDDP：DDDP、、、、

。其性質(zhì)與功能

見(jiàn)表12-1P293

和表12-2P297

5.DNA聚合酶（DNApolymerase,DNApol）

即依賴于DNA的DNA聚合酶（DDDP）3′

模板鏈

5′

DDDP5′3′聚合作用示意圖5′3′6.DNA連接酶(DNALigase)作用：在有模板指導(dǎo)的條件下，催化2個(gè)DNA片段(兩片段間的距離為1個(gè)3',5'-磷酸二酯鍵的鍵長(zhǎng))的連接。原理：在一個(gè)DNA片段的3'-OH末端和另一個(gè)DNA片段的5'-P末端形成3',5'-磷酸二酯鍵，從而實(shí)現(xiàn)連接。特點(diǎn)：原核細(xì)胞:需輔助因子NAD+

真核細(xì)胞:不需輔助因子NAD+,但需耗能(ATP)DNA的復(fù)制過(guò)程

復(fù)制的起始

鏈的延長(zhǎng)

復(fù)制的終止復(fù)制的起始1.在拓?fù)洚悩?gòu)酶、解鏈酶及單鏈DNA結(jié)合蛋白的共同作用下，DNA解旋、解鏈，形成復(fù)制叉。

2.依賴于單鏈模板，由引物酶催化按堿基配對(duì)規(guī)律合成一小段RNA引物(原核細(xì)胞引物長(zhǎng)50-100個(gè)堿基，真核約10個(gè)堿基)。復(fù)制起始階段的特點(diǎn)真核細(xì)胞：具有多個(gè)

起始位點(diǎn)原核細(xì)胞：僅有一個(gè)復(fù)制起始位點(diǎn)，但往往是雙向復(fù)制復(fù)制的終止1.水解引物及填補(bǔ)空隙岡崎片段合成后，由DNApolⅠ(真核細(xì)胞可能是DNA聚合酶)水解去除RNA引物，并填補(bǔ)留下的空隙(5'3')聚合。2.完整雙鏈DNA分子的形成填補(bǔ)空隙后，DNA片段與片段之間還有一個(gè)缺口(一個(gè)3',5'-磷酸二酯鍵的長(zhǎng)度),由DNA連接酶催化連接成完整的鏈，從而產(chǎn)生完整的雙鏈DNA分子。二、反轉(zhuǎn)錄

(reversetranscription)概念

以RNA為模板，dNTP為原料，反轉(zhuǎn)錄酶催化，按堿基配對(duì)規(guī)律合成DNA的過(guò)程。

反轉(zhuǎn)錄酶,又稱為依賴RNA的DNA聚合酶(RNA-dependentDNApolymerase,RDDP)DNA轉(zhuǎn)錄RNARNA(病毒)....................RDDP引物,4種dNTPRDDPRNaseH4種dNTPRDDP或DDDP病毒RNARNA-DNA雜化分子cDNA前病毒(雙鏈DNA)酶催化反應(yīng)示意圖反轉(zhuǎn)錄的醫(yī)學(xué)意義癌基因(oncogene):能在體外引起細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化,在體內(nèi)誘發(fā)腫瘤的基因.細(xì)胞癌基因(c-onc)或原癌基因(pro-onc):存在于生物正常細(xì)胞基因組中的癌基因.正常情況下基因處于靜止或低表達(dá)的狀態(tài).當(dāng)受到致癌刺激被活化并發(fā)生異常時(shí)則可發(fā)生細(xì)胞癌變.病毒癌基因(v-onc):存在于致瘤病毒中的能使靶細(xì)胞發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化的基因.用三個(gè)小寫字母表示癌基因名稱,如myc,fos,ras,src等抑癌基因:是一類抑制細(xì)胞過(guò)度生長(zhǎng),增殖從而遏制腫瘤形成的基因.如Rb,P53,P16等癌基因與抑癌基因之間一般處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)是一種反轉(zhuǎn)錄病毒,可引起獲得性免疫缺陷綜合征(AIDS,艾滋病).反轉(zhuǎn)錄酶在基因工程,分子病的基因治療方面也有重要作用.人類免疫缺陷病毒(HIV)反轉(zhuǎn)錄的醫(yī)學(xué)意義化學(xué)因素：均能干擾復(fù)制與轉(zhuǎn)錄功能▲烷化劑：(如氮芥類,CTX)，使鳥(niǎo)嘌呤的N7烷基化后脫落，成為無(wú)鳥(niǎo)嘌呤的位點(diǎn)▲亞硝酸鹽：使堿基脫氨原G-C配對(duì)最終變?yōu)锳-T配對(duì)，導(dǎo)致錯(cuò)配C→UA→IG→X▲絲裂霉素：與DNA共價(jià)連接引起鏈交聯(lián)C

O

HN

C

CHCHNOUC

O

N

C

CHCHNNH2

CANNH2

NNNNOHNNNI（次黃嘌呤）NOHNNNHH2NGNOHNNNH

HOX（黃嘌呤）NOHNNNI（次黃嘌呤）糖苷鍵自行斷裂；自發(fā)脫氨基作用,CU，AI。生物因素：目前多指病毒生理因素：機(jī)率極低突變(mutation)：有機(jī)體基因組可遺傳的改變，即DNA序列的改變.根據(jù)引發(fā)的原因，可將突變分為：

誘發(fā)突變和自發(fā)突變。缺失根據(jù)DNA分子的改變，突變可分為4類：點(diǎn)突變顛換：異型堿基間變異,PuPy

轉(zhuǎn)換：同型堿基間變異,PuPuPyPy缺失或插入的堿基數(shù)不是3的整倍數(shù)時(shí)，則引起移碼突變插入倒位(或易位)

轉(zhuǎn)換：同型堿基間變異,PuPuPyPy

轉(zhuǎn)換：同型堿基間變異,PuPuPyPy

轉(zhuǎn)換：同型堿基間變異,PuPuPyPy

轉(zhuǎn)換：同型堿基間變異,PuPuPyPy

轉(zhuǎn)換：同型堿基間變異,PuPuPyPy基因突變可能出現(xiàn)的后果生物體致死生物體某些功能喪失僅改變基因型，表現(xiàn)型不受影響改變生物物種，出現(xiàn)新的生物特征

DNA復(fù)制過(guò)程所發(fā)生的突變(堿基配對(duì)錯(cuò)誤)，由核內(nèi)DNA聚合酶Ⅰ以其校讀功能予以糾正.若堿基錯(cuò)配頻頻發(fā)生或損傷范圍大，則需采用以下修復(fù)方式進(jìn)行修復(fù).二、DNA損傷的修復(fù)TT光復(fù)活酶（可見(jiàn)光）T+TDNA修復(fù)方式1.光修復(fù):2.切除修復(fù)：由3種酶共同參與完成。特異性核酸內(nèi)切酶DNApolIDNA連接酶5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'復(fù)制重組DDDPIDNA連接酶過(guò)程3.重組修復(fù)：亦稱復(fù)制后修復(fù)4.SOS修復(fù)：DNA分子受到較大范圍的損傷，細(xì)胞對(duì)危急狀態(tài)所作出的反應(yīng)。機(jī)制

引起DNA較長(zhǎng)期的、廣泛的突變。SOS調(diào)節(jié)網(wǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的DNA聚合酶特異性低，識(shí)別堿基能力差,

使修復(fù)部位仍存在較多錯(cuò)配的堿基，但細(xì)胞能繼續(xù)生存。后果第二節(jié)RNA的生物合成（BiosynthesisofRNA）轉(zhuǎn)錄（transcription）生物體以DNA的一條鏈為模板，以NTP為原料合成RNA的過(guò)程轉(zhuǎn)錄RNADNA

復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別轉(zhuǎn)錄的模板和酶轉(zhuǎn)錄以在DNA的一條鏈為模板，另一條鏈為編碼鏈（不轉(zhuǎn)錄），這樣模板鏈不總在同一條鏈上，這種轉(zhuǎn)錄方式稱為不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄DNA雙鏈中按堿基配對(duì)規(guī)律能指引轉(zhuǎn)錄生成RNA的一股單鏈，稱為模板鏈，也稱作有意義鏈或Watson鏈。相對(duì)的另一股單鏈?zhǔn)蔷幋a鏈，也稱為反義鏈或Crick鏈5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C編碼鏈模板鏈mRNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯5335模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶（一）原核生物的RNA聚合酶核心酶全酶轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)階段σ亞基脫落RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合（二）真核生物的RNA聚合酶模板與酶的辨認(rèn)結(jié)合原核生物一個(gè)轉(zhuǎn)錄區(qū)段可視為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，稱為操縱子，包括若干個(gè)結(jié)構(gòu)基因及其上游的調(diào)控序列5335結(jié)構(gòu)基因調(diào)控序列RNA-polRNA聚合酶結(jié)合模板DNA的部位，稱為啟動(dòng)子開(kāi)始轉(zhuǎn)錄TTGACAAACTGT-35區(qū)(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10區(qū)1-30-5010-10-40-205335原核生物啟動(dòng)子保守序列RNA-pol辨認(rèn)位點(diǎn)55RNA聚合酶保護(hù)區(qū)結(jié)構(gòu)基因33轉(zhuǎn)錄過(guò)程一、原核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程（一）轉(zhuǎn)錄起始1.RNA聚合酶全酶(2)與模板結(jié)合-35區(qū)，酶移向－10區(qū)，跨入轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)2.DNA雙鏈解開(kāi)，20bp以下，通常是（17±1）bp轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程3.在RNA聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反應(yīng)，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物（5-端GTP、ATP）RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH3亞基脫落，進(jìn)入延長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物:5-pppG-OH+

NTP5-pppGpN

-OH3+ppi（二）轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)1.亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變構(gòu)，與模板結(jié)合松弛，沿著DNA模板前移；

2.在核心酶作用下，NTP不斷聚合，RNA鏈不斷延長(zhǎng)。(NMP)n

+

NTP(NMP)n+1

+PPi3.轉(zhuǎn)錄空泡DNA/DNA>DNA/RNAG-C>A-T>A-U轉(zhuǎn)錄空泡：RNA-pol（核心酶）

····DNA

····RNADNA/DNA>DNA/RNAG-C>A-T>A-U53DNA原核生物轉(zhuǎn)錄過(guò)程中的羽毛狀現(xiàn)象核糖體RNARNA聚合酶53依賴Rho(ρ)因子的轉(zhuǎn)錄終止非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止（三）轉(zhuǎn)錄終止指RNA聚合酶在DNA模板上停頓下來(lái)不再前進(jìn)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫落下來(lái)。分類ATP1.依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止2.非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止DNA模板上靠近終止處，有些特殊的堿基序列，轉(zhuǎn)錄出RNA后，RNA產(chǎn)物形成特殊的結(jié)構(gòu)來(lái)終止轉(zhuǎn)錄。5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`

RNA5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3DNAUUUU...…UUUU...…莖環(huán)/發(fā)夾結(jié)構(gòu)UUUU...…UUUU...…UUUU...…UUUU...…莖環(huán)結(jié)構(gòu)使轉(zhuǎn)錄終止的機(jī)理使RNA聚合酶變構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停頓；使轉(zhuǎn)錄復(fù)合物趨于解離，RNA產(chǎn)物釋放。5′pppG5335RNA-pol二、真核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程（一）轉(zhuǎn)錄起始真核生物的轉(zhuǎn)錄起始上游區(qū)段比原核生物多樣化，轉(zhuǎn)錄起始時(shí)，RNA-pol不直接結(jié)合模板，其起始過(guò)程比原核生物復(fù)雜。轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)TATA盒CAAT盒GC盒增強(qiáng)子順式作用元件

(cis-actingelement)1.轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段AATAAA切離加尾轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)修飾點(diǎn)外顯子翻譯起始點(diǎn)內(nèi)含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚體2.轉(zhuǎn)錄因子能直接、間接辨認(rèn)和結(jié)合轉(zhuǎn)錄上游區(qū)段DNA的蛋白質(zhì)，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種，統(tǒng)稱為反式作用因子反式作用因子中，直接或間接結(jié)合RNA聚合酶的，則稱為轉(zhuǎn)錄因子(TF)參與RNA-polⅡ轉(zhuǎn)錄的TFⅡ

3.轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物(pre-initiationcomplex,PIC)真核生物RNA-pol不與DNA分子直接結(jié)合，而需依靠眾多的轉(zhuǎn)錄因子。POL-ⅡTFⅡFⅡAⅡB由RNA-PolⅡ催化轉(zhuǎn)錄的PICPOL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA復(fù)合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC組裝完成，TFⅡH使CTD磷酸化4.拼板理論(piecingtheory)一個(gè)真核生物基因的轉(zhuǎn)錄需要3至5個(gè)轉(zhuǎn)錄因子。轉(zhuǎn)錄因子之間互相結(jié)合，生成有活性，有專一性的復(fù)合物，再與RNA聚合酶搭配而有針對(duì)性地結(jié)合、轉(zhuǎn)錄相應(yīng)的基因。（二）轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)真核生物轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程與原核生物大致相似，但因有核膜相隔，沒(méi)有轉(zhuǎn)錄與翻譯同步的現(xiàn)象。RNA-pol前移處處都遇上核小體。轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程中可以觀察到核小體移位和解聚現(xiàn)象。5------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-pol------AATAAA--GTGTGTG轉(zhuǎn)錄終止的修飾點(diǎn)55333加尾AAAAAAA······3mRNA（三）轉(zhuǎn)錄終止——和轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關(guān)一、真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工（一）首、尾的修飾

5端形成帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppGp—)3端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)真核生物的轉(zhuǎn)錄后修飾5pppGp…5GpppGp…pppGppi鳥(niǎo)苷酸轉(zhuǎn)移酶5

m7GpppGp…甲基化酶帽子結(jié)構(gòu)的生成5ppGp…磷酸酶Pi帽子結(jié)構(gòu)（二）mRNA的剪接1.

hnRNA和snRNA核內(nèi)的初級(jí)mRNA稱為雜化核RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)snRNA(smallnuclearRNA)核內(nèi)的蛋白質(zhì)小分子核糖核蛋白體（snRNP）RNA剪接場(chǎng)所snRNA真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個(gè)編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開(kāi)但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因。斷裂基因(splitegene)CABD編碼區(qū)A、B、C、D非編碼區(qū)CABD2.外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)

外顯子在斷裂基因及其初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達(dá)為成熟RNA的核酸序列內(nèi)含子隔斷基因的線性表達(dá)而在剪接過(guò)程中被除去的核酸序列雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾hnRNA剪接成熟的mRNA雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA3.內(nèi)含子的分類根據(jù)基因的類型和剪接的方式，通常把內(nèi)含子分為4類I：主要存在于線粒體、葉綠體及某些低等真核生物的rRNA基因；II：也發(fā)現(xiàn)于線粒體、葉綠體，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是mRNA；III：是常見(jiàn)的形成套索結(jié)構(gòu)后剪接，大多數(shù)mRNA基因有此類內(nèi)含子；IV：是tRNA基因及其初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中的內(nèi)含子，剪接過(guò)程需酶及ATP。4.mRNA的剪接—除去hnRNA中的內(nèi)含子，將外顯子連接。snRNP與hnRNA結(jié)合成為剪接體①