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、特點及其生物學意義；RNA生物合成的概念、基本過程與特點。了解：逆轉錄現(xiàn)象及其意義；DNA損傷（突變）與修復；真核生物轉錄后的加工和修飾。本章主要內容DNA的生物合成RNA的生物合成復制蛋白質逆轉錄DNA復制翻譯RNA中心法則（centraldogma）遺傳信息傳遞的規(guī)律轉錄基因表達：

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

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

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確傳遞到子代DNA分子的過程。半保留復制

復制時,親代母鏈解開的兩單鏈均作為模板，按堿基互補配對原則指導合成一股新互補子鏈，最終得到與親代母鏈堿基序列完全一致的兩個子代DNA分子，每個子代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，這種復制方式為半保留復制。AGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATC親代子代半保留復制的實驗依據(jù)同位素示蹤法CsCl密度梯度平衡離心法

從復制起點向兩個相反方向解鏈進行的雙向復制雙向復制3′5′5′3′復制叉復制叉復制起點（origin）

origin前導鏈(leadingstrand)后隨鏈(laggingstrand)半不連續(xù)復制

（semidiscontinousreplication)岡崎片段(okazakifragment)3

5

3

5

解鏈方向3′5′3′3′5′5′新生互補子鏈的合成方向與模板解鏈方向相同時，合成是連續(xù)進行的，這股新生互補子鏈稱為前導鏈（領頭鏈）；合成方向與模板解鏈方向相反時，合成是不連續(xù)進行的，這股新生互補子鏈稱為后隨鏈（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′前導鏈(leadingstrand)后隨鏈(laggingstrand)岡崎片段(okazakifragment)

前導鏈連續(xù)復制而后隨鏈不連續(xù)復制

—復制的半不連續(xù)性

在雙向復制一條全長的新生互補子鏈時，在

復制起點一側的合成是以領頭鏈的方式連續(xù)合成，

在另一側則以隨從鏈的方式不連續(xù)合成，所以整個DNA分子的復制是全不連續(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dNTP聚合；酶類:（二）參與DNA復制的物質１、DNA聚合酶（DNApolymerase)

簡寫為DNA-pol

DNA聚合酶的作用特點：⑴5

3

的聚合活性，催化底物dNTP

（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）與模板鏈結合；⑵形成3

，5

磷酸二酯鍵；

⑶使新生互補子鏈按5

→3

方向延長；

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復制的主要酶類即時校讀：當DNA復制出現(xiàn)堿基配對錯誤時，DNA聚合酶利用3

→5

外切酶活性切除錯配堿基，并利用5

→3

聚合酶活性回補正確堿基與模板配對。DNA復制高度穩(wěn)定性和保真性的機制

DNA模板指導下正確選擇配對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

：切除引物并填補缺口，具有切口平移作用，參與DNA修復校正；

DNA-pol

Ⅰ：DNA-polβ/ε：復制線粒體DNA。無酶Ⅰ、Ⅲ時起作用，參與DNA修復；延長新生互補子鏈；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拓撲異構酶（topoisomerase)松弛DNA雙、超螺旋，克服打結、纏繞和連環(huán)現(xiàn)象。解鏈過程中易形成正超螺旋單鏈DNA結合蛋白（single-strandedDNA-bindingprotein）

維持復制時模板處于單鏈狀態(tài)并保護復制中的

DNA模板單鏈不被核酸酶降解。前導鏈解鏈酶

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３、引物酶(primase)：特殊的RNA聚合酶。引物酶可在復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)前體構成引發(fā)體時，能催化一段RNA引物合成，其3

-OH末端可供

dNTP加入時連接之用。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鏈中DNA片段；H（三）DNA的復制過程：起始、延長、終止１、模板DNA解旋與解鏈，形成復制叉；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的合成過程前導鏈：后隨鏈：在Tus蛋白(terminusutilizationsubstance)參與下，終止復制。１、按A=T、G≡C堿基配對規(guī)則，合成新生DNA互補子鏈或岡崎片段；２、切除引物、填補缺口；３、DNA連接酶連接切口，形成長鏈DNA。延長：DNA的合成終止：DNA復制示意圖拓撲異構酶解旋酶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

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

是由蛋白質和DNA緊密結合、膨大的特殊結構；端粒酶:是一種自身攜帶模板RNA的逆轉錄酶。端粒酶合成端粒的爬行模式CUAGCCAAAACCCCAAAACAAA3’5’DNA5’----TTTTGGGGTTTTG-OH(3’)3’----端粒酶的結合CUAGCCAAAACCCCAAAACAAA3’5’DNA5’----TTTTGGGGTTTTGGGGTTTT3’----G-OH(3’)延長合成CUAGCCAAAACCCCAAAACAAA3’5’DNA5’----TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTG-OH(3’)3’----端粒酶移位進一步的聚合作用端粒酶的特殊生物學功能：1、端粒的長度和端粒酶活性與遺傳信息的穩(wěn)定性；2、端粒的長度和端粒酶活性與細胞壽命和細胞衰老有關；3、端粒酶活性與腫瘤的關系。三、逆轉錄(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，無較對功能。酶：逆轉錄酶RNA病毒+----------------------------------------宿主細胞DNA分子cDNA插入宿主細胞DNA分子中------------------------------------------------------------------------被整合的宿主細胞逆轉錄酶----------------------------------------RNA-cDNA

雜交體單鏈cDNARNaseH----------------------------------------雙鏈cDNA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HIV生活史1、進入宿主細胞

2、逆轉錄及cDNA合成3、整合4、轉錄5、翻譯6、裝配四、DNA損傷（基因突變）與修復突變自發(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鏈上兩個相鄰胸腺嘧啶間形成二聚體（二）損傷的類型點突變(pointmutation)（錯配）：轉換(transition)：A

G或C

T顛換(transversion)：嘌呤堿

嘧啶堿框移突變(frameshiftmutation)：是指改變三聯(lián)體密碼的閱讀框架，造成蛋白質氨基酸排列順序發(fā)生改變。缺失、插入非３倍數(shù)堿基重排(rearrangement)：DNA分子內較大片段的交換，稱為重組或重排。鐮刀形紅細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谷賴點突變紅細胞鐮狀紅細胞谷酪蛋絲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的損傷修復光復活(lightrepairing)切除修復(excisionrepair)重組修復(recombinationrepairing)SOS修復修復(repairing)

：對已發(fā)生改變的分子的修復措施，使其回復為原有的天然狀態(tài)。修復的主要類型：光修復(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核酸內切酶核酸外切酶DNA-pol、DNAligase細胞內最重要的有效修復機制，主要由核酸內切酶、核酸外切酶、DNA-pol和DNA連接酶完成。重組修復第二節(jié)

RNA的生物合成（轉錄）轉錄(transcription)

：

生物體在RNA聚合酶作用下，按堿基互補配對原則，準確地把DNA堿基序列轉變成RNA堿基序列的過程。轉錄mRNAtRNArRNADNA

一、參與轉錄的主要物質轉錄模板：單股DNA鏈；酶：RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)；底物：底物NTP(ATP、UTP、GTP、CTP)；終止因子。（一）轉錄模板模板：能轉錄出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）：

與模板鏈互補的另一股不具轉錄功能的單鏈，也稱為反義鏈或Crick鏈。

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

↓（轉錄）5′……GGAGUACAUGUC…3′

mRNA↓（翻譯）

N……Ala…Val…His…Val…C

多肽鏈

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

→3

不對稱轉錄（asymmetrictranscription）選擇性轉錄：特征5′3′（二）RNA聚合酶:催化轉錄合成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

決定被轉錄基因的類型和種類

轉錄全程起催化聚合作用

參與結合模板鏈

功能不詳

辨認轉錄模板啟動子類型細胞內定位催化轉錄產(chǎn)物對α鵝膏蕈堿的反應Ⅰ核仁（5.8、18、28）SrRNA前體耐受Ⅱ核質mRNA前體、snRNA