十四章核酸的生物合成

第十四章

核酸的生物合成Nucleicacidbiosynthesis目的要求：掌握：DNA生物合成的概念、基本過程、特點(diǎn)及其生物學(xué)意義；RNA生物合成的概念、基本過程與特點(diǎn)。了解：逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象及其意義；DNA損傷（突變）與修復(fù)；真核生物轉(zhuǎn)錄后的加工和修飾。本章主要內(nèi)容DNA的生物合成RNA的生物合成復(fù)制蛋白質(zhì)逆轉(zhuǎn)錄DNA復(fù)制翻譯RNA中心法則（centraldogma）遺傳信息傳遞的規(guī)律轉(zhuǎn)錄基因表達(dá)：

是指將遺傳信息由DNA轉(zhuǎn)錄為RNA、再翻譯成蛋白質(zhì)的過程。第一節(jié)DNA的生物合成

(復(fù)制)半保留復(fù)制（semiconservativereplication）從復(fù)制起點(diǎn)雙向復(fù)制半不連續(xù)復(fù)制一、復(fù)制（replication）（一）DNA復(fù)制的基本特征

以親代DNA分子為模板合成子代DNA分子，從從而將遺傳信息準(zhǔn)確傳遞到子代DNA分子的過程。半保留復(fù)制

復(fù)制時(shí),親代母鏈解開的兩單鏈均作為模板，按堿基互補(bǔ)配對(duì)原則指導(dǎo)合成一股新互補(bǔ)子鏈，最終得到與親代母鏈堿基序列完全一致的兩個(gè)子代DNA分子，每個(gè)子代DNA分子中都含有一股從親代完整接受過

來的單鏈，另一股單鏈完全是重新合成的，這種復(fù)制方式為半保留復(fù)制。AGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATC親代子代半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)依據(jù)同位素示蹤法CsCl密度梯度平衡離心法

從復(fù)制起點(diǎn)向兩個(gè)相反方向解鏈進(jìn)行的雙向復(fù)制雙向復(fù)制3′5′5′3′復(fù)制叉復(fù)制叉復(fù)制起點(diǎn)（origin）

origin前導(dǎo)鏈(leadingstrand)后隨鏈(laggingstrand)半不連續(xù)復(fù)制

（semidiscontinousreplication)岡崎片段(okazakifragment)3

5

3

5

解鏈方向3′5′3′3′5′5′新生互補(bǔ)子鏈的合成方向與模板解鏈方向相同時(shí)，合成是連續(xù)進(jìn)行的，這股新生互補(bǔ)子鏈稱為前導(dǎo)鏈（領(lǐng)頭鏈）；合成方向與模板解鏈方向相反時(shí)，合成是不連續(xù)進(jìn)行的，這股新生互補(bǔ)子鏈稱為后隨鏈（隨從鏈）；分段合成的片段稱為岡崎片段。

3

5

3

5

解鏈方向3′5′3′3′5′前導(dǎo)鏈(leadingstrand)后隨鏈(laggingstrand)岡崎片段(okazakifragment)

前導(dǎo)鏈連續(xù)復(fù)制而后隨鏈不連續(xù)復(fù)制

—復(fù)制的半不連續(xù)性

在雙向復(fù)制一條全長(zhǎng)的新生互補(bǔ)子鏈時(shí)，在

復(fù)制起點(diǎn)一側(cè)的合成是以領(lǐng)頭鏈的方式連續(xù)合成，

在另一側(cè)則以隨從鏈的方式不連續(xù)合成，所以整個(gè)DNA分子的復(fù)制是全不連續(xù)的。模板(template):

DNA母鏈中的兩單鏈；底物(substrate):

dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)；引物(primer):一小段RNA鏈，其提供的3

-OH末端

能引導(dǎo)dNTP聚合；酶類:（二）參與DNA復(fù)制的物質(zhì)１、DNA聚合酶（DNApolymerase)

簡(jiǎn)寫為DNA-pol

DNA聚合酶的作用特點(diǎn)：⑴5

3

的聚合活性，催化底物dNTP

（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）與模板鏈結(jié)合；⑵形成3

，5

磷酸二酯鍵；

⑶使新生互補(bǔ)子鏈按5

→3

方向延長(zhǎng)；

⑷3

5

核酸外切酶活性；

⑸5

3

核酸外切酶活性及切口平移能力。。參與DNA復(fù)制的主要酶類即時(shí)校讀：當(dāng)DNA復(fù)制出現(xiàn)堿基配對(duì)錯(cuò)誤時(shí)，DNA聚合酶利用3

→5

外切酶活性切除錯(cuò)配堿基，并利用5

→3

聚合酶活性回補(bǔ)正確堿基與模板配對(duì)。DNA復(fù)制高度穩(wěn)定性和保真性的機(jī)制

DNA模板指導(dǎo)下正確選擇配對(duì)的堿基校讀功能原核生物的DNA聚合酶

DNA-pol

Ⅰ

DNA-pol

Ⅱ

DNA-pol

Ⅲ真核生物的DNA聚合酶

DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

DNA聚合酶

DNA-polⅡ：

DNA-pol

Ⅲ：DNA-pol

／

：

DNA-pol

：切除引物并填補(bǔ)缺口，具有切口平移作用，參與DNA修復(fù)校正；

DNA-pol

Ⅰ：DNA-polβ/ε：復(fù)制線粒體DNA。無酶Ⅰ、Ⅲ時(shí)起作用，參與DNA修復(fù)；延長(zhǎng)新生互補(bǔ)子鏈；２、解旋、解鏈酶類解旋酶(helicase)

作用于氫鍵，使DNA雙鏈解開成兩股單鏈，需消耗ATP；

DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶（topoisomerase)松弛DNA雙、超螺旋，克服打結(jié)、纏繞和連環(huán)現(xiàn)象。解鏈過程中易形成正超螺旋單鏈DNA結(jié)合蛋白（single-strandedDNA-bindingprotein）

維持復(fù)制時(shí)模板處于單鏈狀態(tài)并保護(hù)復(fù)制中的

DNA模板單鏈不被核酸酶降解。前導(dǎo)鏈解鏈酶

DNA拓樸異構(gòu)酶單鏈DNA結(jié)合蛋白

SSB解開、理順DNA鏈、維持DNA單鏈狀３、引物酶(primase)：特殊的RNA聚合酶。引物酶可在復(fù)制初期催化合成一小段RNA引物；

引發(fā)體：解旋酶聯(lián)合其他復(fù)制因子在局部解鏈區(qū)形成引發(fā)前體后繼續(xù)向前解鏈，引物酶在解開的DNA模板單鏈上的某一部位與

引發(fā)前體構(gòu)成引發(fā)體時(shí)，能催化一段RNA引物合成，其3

-OH末端可供

dNTP加入時(shí)連接之用。HO5

3

3

5

DNA連接酶ATPADP5

3

5

3

4、DNA連接酶(DNAligase)通過3

，5

-磷酸二酯鍵連接互補(bǔ)鏈中DNA片段；H（三）DNA的復(fù)制過程：起始、延長(zhǎng)、終止１、模板DNA解旋與解鏈，形成復(fù)制叉；起始：２、引發(fā)階段：引發(fā)體在解開的模板DNA單鏈上的某一部位合成一小段RNA引物；例：原核生物DNA的合成過程前導(dǎo)鏈：后隨鏈：在Tus蛋白(terminusutilizationsubstance)參與下，終止復(fù)制。１、按A=T、G≡C堿基配對(duì)規(guī)則，合成新生DNA互補(bǔ)子鏈或?qū)槠?；２、切除引物、填補(bǔ)缺口；３、DNA連接酶連接切口，形成長(zhǎng)鏈DNA。延長(zhǎng)：DNA的合成終止：DNA復(fù)制示意圖拓?fù)洚悩?gòu)酶解旋酶5′3′3′5′3′5′DNA聚合酶Ⅲ單鏈結(jié)合蛋白DNA聚合酶Ⅰ前導(dǎo)鏈

后隨鏈DNA連接酶岡崎片段引物酶二、DNA復(fù)制與端粒(telomere)、端粒酶(telomerase)端粒:

是由蛋白質(zhì)和DNA緊密結(jié)合、膨大的特殊結(jié)構(gòu)；端粒酶:是一種自身攜帶模板RNA的逆轉(zhuǎn)錄酶。端粒酶合成端粒的爬行模式CUAGCCAAAACCCCAAAACAAA3’5’DNA5’----TTTTGGGGTTTTG-OH(3’)3’----端粒酶的結(jié)合CUAGCCAAAACCCCAAAACAAA3’5’DNA5’----TTTTGGGGTTTTGGGGTTTT3’----G-OH(3’)延長(zhǎng)合成CUAGCCAAAACCCCAAAACAAA3’5’DNA5’----TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTG-OH(3’)3’----端粒酶移位進(jìn)一步的聚合作用端粒酶的特殊生物學(xué)功能：1、端粒的長(zhǎng)度和端粒酶活性與遺傳信息的穩(wěn)定性；2、端粒的長(zhǎng)度和端粒酶活性與細(xì)胞壽命和細(xì)胞衰老有關(guān)；3、端粒酶活性與腫瘤的關(guān)系。三、逆轉(zhuǎn)錄(reversetranscription)概念：以RNA為模板合成DNA的過程。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；無3

→5

和5

→3

核酸外切酶活性，無較對(duì)功能。酶：逆轉(zhuǎn)錄酶RNA病毒+----------------------------------------宿主細(xì)胞DNA分子cDNA插入宿主細(xì)胞DNA分子中------------------------------------------------------------------------被整合的宿主細(xì)胞逆轉(zhuǎn)錄酶----------------------------------------RNA-cDNA

雜交體單鏈cDNARNaseH----------------------------------------雙鏈cDNA逆轉(zhuǎn)錄酶意義：對(duì)中心法則的補(bǔ)充；有助于基因工程的實(shí)施。逆轉(zhuǎn)錄過程HIV生活史1、進(jìn)入宿主細(xì)胞

2、逆轉(zhuǎn)錄及cDNA合成3、整合4、轉(zhuǎn)錄5、翻譯6、裝配四、DNA損傷（基因突變）與修復(fù)突變自發(fā)突變(spontaneousmutation)人工誘變(inducedmutation)（一）引起人工突變的因素物理因素：紫外線、各種輻射；化學(xué)因素：亞硝酸鹽、烷化劑、芳香烴類；生物因素：RNA病毒和DNA病毒等。DNA鏈上兩個(gè)相鄰胸腺嘧啶間形成二聚體（二）損傷的類型點(diǎn)突變(pointmutation)（錯(cuò)配）：轉(zhuǎn)換(transition)：A

G或C

T顛換(transversion)：嘌呤堿

嘧啶堿框移突變(frameshiftmutation)：是指改變?nèi)?lián)體密碼的閱讀框架，造成蛋白質(zhì)氨基酸排列順序發(fā)生改變。缺失、插入非３倍數(shù)堿基重排(rearrangement)：DNA分子內(nèi)較大片段的交換，稱為重組或重排。鐮刀形紅細(xì)胞性貧血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谷賴點(diǎn)突變紅細(xì)胞鐮狀紅細(xì)胞谷酪蛋絲5

……GCA

GUA

CAU

GUC……丙纈組纈正常mRNA5

……GAG

UAC

AUG

UC……mRNA缺失C框移突變（三）DNA的損傷修復(fù)光復(fù)活(lightrepairing)切除修復(fù)(excisionrepair)重組修復(fù)(recombinationrepairing)SOS修復(fù)修復(fù)(repairing)

：對(duì)已發(fā)生改變的分子的修復(fù)措施，使其回復(fù)為原有的天然狀態(tài)。修復(fù)的主要類型：光修復(fù)(photoreactivation)紫外輻射致DNA鏈上兩相鄰胸腺嘧啶殘基間形成二聚體光解酶切除修復(fù)核酸內(nèi)切酶核酸外切酶DNA-pol、DNAligase細(xì)胞內(nèi)最重要的有效修復(fù)機(jī)制，主要由核酸內(nèi)切酶、核酸外切酶、DNA-pol和DNA連接酶完成。重組修復(fù)第二節(jié)

RNA的生物合成（轉(zhuǎn)錄）轉(zhuǎn)錄(transcription)

：

生物體在RNA聚合酶作用下，按堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，準(zhǔn)確地把DNA堿基序列轉(zhuǎn)變成RNA堿基序列的過程。轉(zhuǎn)錄mRNAtRNArRNADNA

一、參與轉(zhuǎn)錄的主要物質(zhì)轉(zhuǎn)錄模板：?jiǎn)喂蒁NA鏈；酶：RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)；底物：底物NTP(ATP、UTP、GTP、CTP)；終止因子。（一）轉(zhuǎn)錄模板模板：能轉(zhuǎn)錄出RNA的DNA區(qū)段(基因)。模板鏈（templatestrand）：

基因雙鏈中的一股具有轉(zhuǎn)錄功能的單鏈，也稱為有意義鏈或Watson鏈；

編碼鏈（codingstrand）：

與模板鏈互補(bǔ)的另一股不具轉(zhuǎn)錄功能的單鏈，也稱為反義鏈或Crick鏈。

5′……GGAGTACATGTC…3′（編碼鏈）3′……CCTCATGTACAG…5′（模板鏈）

↓（轉(zhuǎn)錄）5′……GGAGUACAUGUC…3′

mRNA↓（翻譯）

N……Ala…Val…His…Val…C

多肽鏈

DNA5′3′不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄：1、基因雙鏈中只有一股可轉(zhuǎn)錄；2、模板鏈并非總在同一股單鏈上。RNA合成方向：5

→3

不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄（asymmetrictranscription）選擇性轉(zhuǎn)錄：特征5′3′（二）RNA聚合酶:催化轉(zhuǎn)錄合成RNA的主要酶

。

全酶：核心酶(

2

)

+

起始因子（）原核生物的RNA聚合酶亞基功能

決定被轉(zhuǎn)錄基因的類型和種類

轉(zhuǎn)錄全程起催化聚合作用

參與結(jié)合模板鏈

功能不詳

辨認(rèn)轉(zhuǎn)錄模板啟動(dòng)子類型細(xì)胞內(nèi)定位催化轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物對(duì)α鵝膏蕈堿的反應(yīng)Ⅰ核仁（5.8、18、28）SrRNA前體耐受Ⅱ核質(zhì)mRNA前體、snRNA