生物化學核酸及蛋白質(zhì)的生物合成

關(guān)于生物化學核酸及蛋白質(zhì)的生物合成第1頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月遺傳信息傳遞的中心法則蛋白質(zhì)翻譯轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)制DNARNA

這個由DNA決定RNA分子的堿基順序，又由RNA決定蛋白質(zhì)分子的氨基酸順序的理論叫做“中心法則”第2頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

本部分重點介紹遺傳中心法則和DNA、RNA的生物合成，對基因工程作簡單介紹一、DNA的生物合成二、RNA的生物合成三、基因工程簡介第一部分核酸的生物合成第3頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）DNA的復(fù)制（DNA指導下的DNA合成）（三）DNA的損傷與修復(fù)（二）反轉(zhuǎn)錄作用（RNA指導下的DNA的合成）核酸的生物合成一、DNA的生物合成第4頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)制(Replication)——是指遺傳物質(zhì)的傳代，以母鏈DNA為模板合成子鏈DNA的過程。復(fù)制親代DNA子代DNA（一）、DNA的復(fù)制第5頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月參與DNA復(fù)制的有關(guān)物質(zhì)：模板

(template):

解開成單鏈的DNA母鏈底物

(substrate):

dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)引物

(primer):

提供3-OH末端其它：胞液環(huán)境、酶和蛋白因子

第6頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月1、DNA半保留復(fù)制的概念和實驗依據(jù)2、原核生物DNA聚合反應(yīng)有關(guān)的酶類3、原核細胞DNA的復(fù)制的起始點和方式4、原核細胞DNA的復(fù)制過程5、真核細胞DNA的復(fù)制6、DNA復(fù)制的忠實性（一）DNA的復(fù)制核酸的生物合成第7頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

DNA在復(fù)制時，兩條鏈解開分別作為模板，在DNA聚合酶的催化下按堿基互補的原則合成兩條與模板鏈互補的新鏈，以組成新的DNA分子。子代DNA分子中一條鏈來自親代，另一條鏈是新合成的，這種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。1.DNA半保留復(fù)制的概念第8頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成

[15N]DNA[14N-15N]DNA[14N]DNA[14N-15N]DNADNA半保留復(fù)制的實驗依據(jù)1958年Meselson&Stahl用同位素示蹤標記加密度梯度離心技術(shù)實驗,證明了DNA是采取半保留的方式進行復(fù)制第9頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月2.原核生物DNA聚合反應(yīng)有關(guān)的酶類（1）DNA聚合酶(DNApolymetases)（2）拓撲異構(gòu)酶:兼具內(nèi)切酶和連接酶活力，能迅速將DNA超螺旋或雙螺旋緊張狀態(tài)變成松馳狀態(tài)，便于解鏈。。

(3）DNA解鏈酶(DNAhelicase)(4）單鏈結(jié)合蛋白(SSB)：結(jié)合在解開的DNA單鏈上，防止重新形成雙螺旋。

(5）引物酶和引發(fā)體：啟動RNA引物鏈的合成（6）DNA連接酶（DNAligase）解旋酶DNA聚合酶III解鏈酶RNA引物引物酶和引發(fā)體DNA聚合酶ISSB3′3′5′3′5′5′RNA引物大腸桿菌三種DNA聚合酶比較DNA聚合酶Ⅱ分子量每個細胞的分子統(tǒng)計數(shù)5′-3′聚合酶作用3′-5′核酸外切酶作用5′-3′核酸外切酶作用轉(zhuǎn)化率DNA聚合酶ⅠDNA聚合酶Ⅲ（復(fù)合物）109，000400+++1120，000100++-0.05400，00010-20+++50比較項目校正，修復(fù)，去除RNA引物修復(fù)復(fù)制DNA聚合酶Ⅲ全酶核心酶PolIIIPolIII延長因子DNA聚合酶Ⅲ二聚體識別因子第10頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月2.原核生物DNA聚合反應(yīng)有關(guān)的酶類（1）DNA聚合酶(DNApolymetases)（2）拓撲異構(gòu)酶:兼具內(nèi)切酶和連接酶活力，能迅速將DNA超螺旋或雙螺旋緊張狀態(tài)變成松馳狀態(tài)，便于解鏈。。

(3）DNA解鏈酶(DNAhelicase)(4）單鏈結(jié)合蛋白(SSB)：結(jié)合在解開的DNA單鏈上，防止重新形成雙螺旋。

(5）引物酶和引發(fā)體：啟動RNA引物鏈的合成（6）DNA連接酶（DNAligase）解旋酶DNA聚合酶III解鏈酶RNA引物引物酶和引發(fā)體DNA聚合酶ISSB3′3′5′3′5′5′RNA引物第11頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月連接酶連接切口Mg2+連接酶ATP或NAD＋PPi或NMNATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPPOHTGGATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPTGGP缺口3'3'5'5'5'5'3'3'模板鏈模板鏈第12頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成大腸桿菌復(fù)制起點成串排列的重復(fù)序列GATCTNTTNTTT成串排列的三個13bp序列共有序列共有序列TTATCCACA

DnaA蛋白結(jié)合位點四個9bp序列DnaADnaB(解螺旋酶)SSB大腸桿菌DNA復(fù)制起點在起始階段的結(jié)構(gòu)模型3、原核細胞DNA的復(fù)制的起始第13頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成環(huán)狀

DNA復(fù)制時所形成的θ結(jié)構(gòu)起始點復(fù)制叉的推進復(fù)制叉起始點起始點起始點復(fù)制叉復(fù)制叉未復(fù)制DNA單向復(fù)制雙向復(fù)制DNA復(fù)制的方式—復(fù)制叉復(fù)制叉的推進第14頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成復(fù)制叉的移動方向解旋酶解鏈酶RNA引物引物體DNA聚合酶ISSB3′3′5′前導鏈滯后鏈DNA聚合酶III3′5′復(fù)制的起始DNA鏈的合成與延長DNA鏈合成的終止5′RNA引物3′3′DNA連接酶4.原核細胞DNA的半不連續(xù)復(fù)制復(fù)制過程第15頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成多個起點復(fù)制端粒（telemere）復(fù)制起點起點起點起點起點起點5.真核細胞DNA復(fù)制的特點第16頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月53355335+53333555

端粒（telomere）是指真核生物染色體線性DNA分子末端的結(jié)構(gòu)部分，通常膨大成粒狀。第17頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

端粒酶是一種RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體，它可以RNA為模板，通過逆轉(zhuǎn)錄過程對末端DNA鏈進行延長。

第18頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成真核和原核DNA細胞復(fù)制比較第19頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成DNA復(fù)制分子機制的基本特點a、復(fù)制是半保留的b、原核生物的復(fù)制起始于特定位置，真核細胞有多個起點c、復(fù)制可以單向也可以雙向進行，后者更常見d、復(fù)制時，兩條鏈都從5’到3’端延伸e、復(fù)制是半不連續(xù)的，分為連續(xù)合成的的前導鏈和不連續(xù)合成的滯后鏈f、岡崎片段的合成起始于一小段RNA引物，引物隨后被酶切除，缺口由脫氧核苷酸補滿后再與新生DNA鏈連在一起第20頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

DNA復(fù)制過程是一個高度精確的過程，據(jù)估計，大腸桿菌DNA復(fù)制109-1010堿基對僅出現(xiàn)一個誤差，保證復(fù)制忠實性的原因主要有以下三點:a、起始時以RNA作為引物b、DNA聚合酶的高度專一性（嚴格遵循堿基配對原則）c、DNA聚合酶的正確選擇及校對功能（錯配堿基被3’-5’外切酶切除）6.DNA復(fù)制的忠實性核酸的生物合成第21頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成聚合酶錯配鹼基復(fù)制方向正確核苷酸5′5′5′3′3′3′切除錯配核苷酸DNA聚合酶的校對功能第22頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成DNA聚合酶的3-5

外切酶水解位點3′3′5′5′錯配堿基3′-5′核酸外切酶水解位點第23頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成（二）反轉(zhuǎn)錄作用1、概念

以RNA為模板合成DNA，這與通常轉(zhuǎn)錄過程中遺傳信息從DNA到RNA的方向相反，故稱為反轉(zhuǎn)錄作用。2、反轉(zhuǎn)錄酶三種功能依賴RNA的DNA聚合酶活力核糖核酸酶H活力依賴DNA的DNA聚合酶活力逆轉(zhuǎn)錄過程中cDNA的合成

依賴RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依賴DNA的DNA聚合酶第24頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成3、反轉(zhuǎn)錄的生物學意義擴充了中心法則有助于對病毒致癌機制的了解逆轉(zhuǎn)錄酶是分子生物學重要工具酶第25頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成

某些物理化學因子，如紫外線、電離輻射和化學誘變劑等，都有引起生物突變和致死的作用，其機理是作用于DNA，造成DNA結(jié)構(gòu)和功能的破壞，稱為DNA的損傷。DNA的修復(fù)主要有以下類型:4、誘導修復(fù)（SOS修復(fù)）1、光復(fù)活修復(fù)2、切除修復(fù)3、重組修復(fù)

（三）DNA的損傷與修復(fù)針對紫外線破壞暗修復(fù)第26頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成DNA紫外線損傷的光復(fù)活修復(fù)1、形成嘧啶二聚體2、光復(fù)合酶結(jié)合于損傷部位3、酶被可見光激活4、修復(fù)后酶被釋放第27頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成DNA的損傷和切除修復(fù)堿基丟失堿基缺陷或錯配結(jié)構(gòu)缺陷切開核酸內(nèi)切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA連接酶AP核酸內(nèi)切酶核酸外切酶切開切除修復(fù)連接糖苷酶插入酶堿基取代第28頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月DNA的重組修復(fù)胸腺嘧啶二聚體核酸酶及重組蛋白重組修復(fù)復(fù)制DNA聚合酶DNA連接酶復(fù)制第29頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成二、RNA的生物合成（一）轉(zhuǎn)錄（DNA指導下RNA的合成）（二）RNA的復(fù)制(RNA指導下RNA的合成)（三）RNA和DNA合成比較第30頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成轉(zhuǎn)錄RNADNA

在RNA聚合酶的催化下，以DNA鏈為模板，按照堿基配對的原則，以四種核苷酸為原料成RNA，從而將DNA所攜帶的遺傳信息傳遞給RNA的過程稱為轉(zhuǎn)錄(transcription)

。（一）轉(zhuǎn)錄（DNA指導下RNA的合成）第31頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成1、轉(zhuǎn)錄的特點轉(zhuǎn)錄是以單鏈DNA為模板合成RNA的過程；轉(zhuǎn)錄具有不對稱性；RNA的轉(zhuǎn)錄從DNA模板的特定位點開始，并在一定的位點終止；轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物有三類：mRNA、rRNA、tRNA。

啟動子（promoter)

終止子(terminator)模板鏈反義鏈有義鏈編碼鏈非信息區(qū)DNA5′5′3′3′

第32頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成2、原核細胞的轉(zhuǎn)錄RNA聚合酶催化的反應(yīng)ACGACGUU模板DNA5′3′5′3′新合成RNA第33頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成大腸桿菌RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)示意圖核心酶(α2ββ)起始因子β——和模板DNA結(jié)合β——起始和催化聚合反應(yīng)α——？全酶(α2ββ)第34頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成起始雙鏈DNA局部解開磷酸二酯鍵形成終止階段解鏈區(qū)到達基因終點延長階段53RNA

啟動子（promoter)

終止子(terminator)5RNA聚合酶5353553離開RNA合成過程第35頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成3、轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工（1）rRNA前體的加工（2）tRNA前體的加工（3）真核生物mRNA前體的加工第36頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成原核生物中rRNA前體的加工

甲基化作用專一核酸內(nèi)切酶30S前體17StRNA25S專一核酸外切酶16SrRNAtRNA23SrRNA5S

rRNA專一核酸外切酶16StRNA[4S]23S5S第37頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月真核生物中rRNA前體的加工甲基化作用45S前體18SrRNA5.8StRNA28SrRNA18S5.8S28S核酸內(nèi)切酶核酸的生物合成第38頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月tRNA前體RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA原核tRNA前體分子的加工第39頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月切除加CCA堿基修飾第40頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成真核細胞mRNA的加工5′

“帽子”PolyA

3′

順反子

m7G-5′ppp-N-3′pAAAAAAA-OH剪接：剪去內(nèi)含子(intron)，拼接外顯子(extron)

5′端接上一個“帽子”(CAP)結(jié)構(gòu)

3′端添加PolyA“尾巴”,由RNA末端核苷酸轉(zhuǎn)移酶催化第41頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成DNA核核糖體新生蛋白質(zhì)真核生物原核生物mRNA前體轉(zhuǎn)運加工mRNAmRNA啟動子不同

RNA聚合酶不相同多順反子與單順反子真核生物中轉(zhuǎn)錄與復(fù)制在不同的區(qū)域轉(zhuǎn)錄后RNA加工修飾不同真核生物和原核生物轉(zhuǎn)錄的差別第42頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成核苷酸合成抑制劑氨基酸、葉酸、堿基和核苷酸的類似物嵌合劑：放線菌素D、溴乙錠烷化劑：使核苷酸被烷基化與DNA模板結(jié)合的抑制劑作用于RNA聚合酶的抑制劑抗菌素:如利福平、吖啶等，α-鵝膏蕈堿4、轉(zhuǎn)錄過程的選擇性抑制第43頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月DNA和RNA合成的比較第44頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核酸的生物合成三、基因工程簡介1、細菌的限制－修飾系統(tǒng)2、基因重組與DNA克隆3、聚合酶鏈式反應(yīng)(PCR)技術(shù)

基因工程亦稱遺傳工程，即利用DNA重組技術(shù)的方法，把DNA作為組件，在細胞外將一種外源DNA（目的基因）和載體DNA重新組合連接(重組)，最后將重組體轉(zhuǎn)入宿主細胞，使外源基因DNA在宿主細胞中，隨細胞的繁殖而增殖（cloning，克隆），或最后得到表達，最終獲得基因表達產(chǎn)物或改變生物原有的遺傳性狀。第45頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的DNA限制性內(nèi)切酶的專一性酶辨認的序列和切口說明‥‥AGCT‥‥‥‥TCGA‥‥‥‥GGATCC‥‥‥‥CCTAGG‥‥‥‥AGATCT‥‥‥‥TCTAGA‥‥‥‥GAATTC‥‥‥‥CTTAAG‥‥‥‥AAGCTT‥‥‥‥TTCGAA‥‥‥‥GTCGAC‥‥‥‥CAGCTG‥‥‥‥CCCGGG‥‥‥‥GGGCCC‥‥BamHIAluIBglIEcoRIHindⅢSalISmaI四核苷酸，平端切口六核苷酸，平端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口第46頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月基因工程的操作技術(shù)

ForeignDNAtobeinsertedPlansmidvectorJoiningRecombinantDNAmolecule

HostchromatemeSlectionforcellscoteiningarecombinantDNAmoleculeCloning+Introductionintohostcellsbytransformationofviralinfection核酸的生物合成體外基因重組

目的基因的制備

載體的構(gòu)建：質(zhì)粒或噬菌體

目的基因與載體重組(2)重組體DNA的轉(zhuǎn)化增殖和表達

轉(zhuǎn)化篩選

增殖和基因表達第47頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

即PCR技術(shù)，是一種在體外快速擴增特定基因或DNA序列的方法。它以待擴增的兩條DNA為模板，以四種核苷酸為原料，由一對人工合成的寡核苷酸引物介導，通過DNA聚合酶酶促反應(yīng)，快速體外擴增特異的DNA序列。聚合鏈式反應(yīng)

（PolymeraseChainReaction）第48頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月第二部分蛋白質(zhì)的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成意味著mRNA上攜帶的遺傳信息轉(zhuǎn)變成多肽鏈上攜帶的遺傳信息，這一過程通常又稱為翻譯(translation)。DNA核糖體mRNAtRNA多肽鏈第49頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

遺傳密碼:

DNA（或mRNA）中的核苷酸序列與蛋白質(zhì)中氨基酸序列之間的對應(yīng)關(guān)系稱為遺傳密碼。

密碼子(codon)：mRNA上每3個相鄰的核苷酸編碼蛋白質(zhì)多肽鏈中的一個氨基酸，這三個核苷酸就稱為一個密碼子或三聯(lián)體密碼。1、三聯(lián)體密碼的破譯2、遺傳密碼字典3、遺傳密碼的性質(zhì)一、mRNA模板及遺傳密碼蛋白質(zhì)的生物合成第50頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月UACGUCAGUCAG第二位

第一位（5ˊ）

第三位（3ˊ）UCAGUCAGUCAG2.遺傳密碼字典第51頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月c、簡并性與擺動性：由一種以上密碼子編碼同一個氨基酸的現(xiàn)象稱為簡并，對應(yīng)于同一氨基酸的密碼子稱為同義密碼子(Synonymouscodon)。d、64組密碼子中，AUG既是Met的密碼，又是起始密碼；有三組密碼不編碼任何氨基酸，而是多肽鏈合成的終止密碼子：UAG、UAA、UGA。a、通用性：密碼子是近于完全通用的.(線粒體、葉綠體例外)

b、連續(xù)性：相鄰密碼子無標點且互不重疊。

3.遺傳密碼的性質(zhì)蛋白質(zhì)的生物合成第52頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月二、蛋白質(zhì)合成體系1、核糖體的結(jié)構(gòu)與功能2、轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)的功能核糖體是細胞內(nèi)蛋白合成的部位蛋白質(zhì)的生物合成第53頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月核糖體是由rRNA(核糖體RNA)和多種蛋白質(zhì)結(jié)合而成的一種大的核糖核蛋白顆粒1-a、核糖體的結(jié)構(gòu)原核生物核糖體結(jié)構(gòu)示意圖蛋白質(zhì)的生物合成第54頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月30S與mRNA結(jié)合部位P位（結(jié)合或接受肽基的部位）A位（結(jié)合或接受AA-tRNA的部位）50S53mRNA1-b、核糖體的功能蛋白質(zhì)的生物合成第55頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月2、轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)的功能（1）tRNA的結(jié)構(gòu)特征——三葉草型二級結(jié)構(gòu)（2）tRNA的功能*被特定的氨酰-tRNA合成酶識別，使tRNA接受正確的活化氨基酸。*識別mRNA鏈上的密碼子*在蛋白質(zhì)合成過程中，tRNA起著連結(jié)生長的多肽鏈與核糖體的作用。蛋白質(zhì)的生物合成第56頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月a、mRNA的翻譯方向：5’3’b、蛋白質(zhì)生物合成方向：N端C端c、蛋白質(zhì)合成除需要氨基酸外，還需要ATP、GTP，一系列酶和許多輔助因子。

三、蛋白質(zhì)合成的機制1.蛋白質(zhì)合成的一般特征第57頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月三、蛋白質(zhì)合成的機制氨基酸的激活肽鏈合成的啟動肽鏈的延長肽鏈合成的終止和釋放肽鏈的折疊和加工在核糖體上合成肽鏈蛋白質(zhì)的生物合成2.原核蛋白質(zhì)合成的過程：第58頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）氨基酸＋ATP-E—→氨基酰-AMP-E

＋PPi

a、氨基酸活化由高度特異的氨酰-tRNA合成酶催化，反應(yīng)分兩步：第59頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）氨基酰-AMP-E＋

tRNA↓

氨基酰-tRNA

＋AMP

＋

E第60頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi30S亞基?mRNAIF3-IF1復(fù)合物30S?mRNA?GTP-fMet–tRNA-IF2-IF1復(fù)合物70S起始復(fù)合物

mRNA

+30S亞基-IF3IF2-GTP-fMet-tRNAIF350S亞基IF2+IF1+GDP+P