第八章核算代谢和蛋白质的合成

1、 DNA是遗传的物质基础 DNA分子贮存着生物体的遗传信息 基因是遗传信息的功能单位 中心法则 一、与DNA复制有关的酶和蛋白质 原料：四种脱氧核苷三磷酸（dATP、 dGTP、dCTP、dTTP) 模板：以DNA的两条链为模板链，合成子 代DNA。 引物：一小段RNA(或DNA）为引物，在大 肠杆菌中，DNA的合成需要一段RNA链作为引 物。 与DNA合成有关的酶系： 1、引物酶 本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶，该酶以 DNA为模板，按照碱基配对原则，聚合一段RNA短 链引物(primer)，以提供自由的3-OH，使子代 DNA链能够开始聚合。 2、DNA聚合酶:以DNA为模板的DNA

2、合成酶，其催化 反应的特点: （1）以四种脱氧核苷酸三磷酸为底物； （2）反应需要有模板的指导； （3）反应需要有3-OH存在； （4）DNA链的合成方向为5 3 3 .DNA连接酶（1967年发现）：若双链DNA 中一条链有切口，一端是3-OH，另一端是 5-磷酸基，连接酶可催化这两端形成磷酸 二酯键，而使切口连接。 3 5 3 5 OHOHP P 在一条链上失去一个磷酸二酯键称为切口 （nick）。失去一段单链称为缺口（gap)。 DNA连接酶催化的条件： 需一段DNA片段具有3-OH，而另一段DNA 片段具有5-Pi基团； 未封闭的缺口位于双链DNA中，即其中有 一条链是完整的； 需要消

3、耗能量，在原核生物中由NAD+供能， 在真核生物中由ATP供能。 DNA连接酶在DNA复制、损伤修复、重组等过 程中起重要作用。 4、拓扑异构酶(topoisomerase)或旋转酶： 拓扑异构酶可使DNA双链中的一条链切 断，松开双螺旋后再将DNA链连接起来，从 而避免出现链的缠绕。 拓扑异构酶可同时切断DNA双链，再将 其连接起来，以消除复制叉前进时DNA过度 的扭曲。 5、解螺旋酶（解链酶）：通过水解ATP将DNA 两条链打开。E.coli中的rep蛋白就是解螺 旋酶，还有解螺旋酶I、II、III。每解开 一对碱基需要水解2个ATP分子。 rep蛋白沿35移动，而解螺旋酶I、 II、II

4、I沿53移动。 单链结合蛋白(SSB)DNA结合蛋白 这是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子。 其作用为： 使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在，即稳 定单链DNA，便于以其为模板复制子代DNA； 保护单链DNA，避免核酸酶的降解。 （一）DNA的半保留复制 定义：由亲代DNA生成子代DNA 时，每个新形成的子代DNA中， 一条链来自亲代DNA，而另一条 链则是新合成的，这种复制方 式叫半保留复制。 半保留复制的实验证据:1958年 Meselson和Stahl用同位素15N标 记大肠杆菌DNA,首先证明了DNA 的半保留复制。 15N-DNA的密度大于14N-DNA的密度 （二）有一定的

5、复制起始点 在原核生物中，复制起始点通常为一个， 而在真核生物中则为多个。 复制子:基因组中能单独进行复制的单位, 每个起始点到终止点的区域为一个复制子。 （三）双向复制 DNA复制时，以复制起始点为中心，向两 个方向进行复制。但在低等生物中，也可 进行单向复制。 四）半不连续复制 由于DNA聚合酶只能以53方向聚合 子代DNA链，即模板DNA链的方向必须为 35。因此，分别以两条亲代DNA链作 为模板聚合子代DNA链时的方式是不同的。 以35方向的亲代DNA链作模板的子代 链在复制时基本上是连续进行的，其子代 链的聚合方向为53，与复制叉移动 的方向相同，这一条链被称为领头链 (leadin

6、g strand)或前导链。 以53方向的亲代DNA链为模板的子代 链在复制时则是不连续的，其链的聚合方 向也是53，与复制叉移动的方向相 反，这条链被称为随从链(lagging strand) 或滞后链。 由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的， 因此，滞后链是由许多53合成的片 段组成的。DNA在复制时，由滞后链所形成 的一些子代DNA短链称为冈崎片段(Okazaki fragment)。 （五）DNA复制的保真性： 为了保证遗传的稳定，DNA的复制必须具 有高保真性。DNA复制时的保真性主要与下 列因素有关： 1遵守严格的碱基配对原则； 2DNA聚合酶在复制时对碱基的正确选择； 3对复制

7、过程中出现的错误及时进行校正。 双链的解开 RNA引物的合成 DNA链的延伸 切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA 片段 识别起始位点：互相缠绕的双链母本DNA， 复制从特定的位置开始，该位置常是富含A、 T区段。 一、DNA复制的起始 DNA解链：首先DNA解螺旋酶打开局部双链， SSB与每条单链结合,稳定单链并防止DNA复 性;然后在DNA旋转酶的作用下，使螺旋DNA 局部变成松弛态。 复制起始处的复制起始处的 DNA片段片段 起点起点 引物酶、DNA聚合酶等随后结合，复制开始。 在引物酶的催化下，以DNA为模板，按A-U， G-C的原则合成一段具有3端自由-OH的RNA 引物分子。

8、 作用作用确定起始部位，引导复制开始。确定起始部位，引导复制开始。 3OH 5PiPiPi 在DNA聚合酶的催 化下，以四种脱氧核 糖核苷三磷酸为底物， 在RNA引物的3端以 磷酸二酯键连接上脱 氧核糖核苷酸并释放 出焦磷酸。 DNA链的延伸同时进 行领头链和随后链的 合成。 复制叉移动到终止区即停止复制（大肠杆 菌有一个终止区）。这时会发生一系列变 化： DNA聚合酶催化切除RNA引物；留下的空 隙由DNA聚合酶催化合成一段DNA填补上； 在DNA连接酶作用下，连接相邻的DNA链； 修复掺入DNA链的错配碱基；以修复方式填 补终止区50-100bp的空缺。 v定义:以RNA为模板，按照RNA

9、中的核苷酸顺 序合成DNA称为逆转录，由逆转录酶催化进 行。 逆转录酶的酶活性 1.RNA指导的DNA聚合酶活性 2.DNA指导的DNA聚合酶活性 3.需要引物 四、逆转录 + RNA+RNA+ DNA-DNA- RNA+RNA+ DNA-DNA- DNA+DNA+ v病毒病毒RNARNA的逆转录过程的逆转录过程 单链病毒单链病毒RNARNA RNA-DNARNA-DNA杂交分子杂交分子 双链双链DNADNA 逆转录酶逆转录酶 逆转录酶逆转录酶 v逆转录酶也和DNA聚合酶一样，沿53 方向合成DNA，并要求短链RNA作引物。 新生成的DNA分子中存在着病毒RNA的信 息，整合到宿主细胞染色体的

10、DNA中。 静止状态随着宿主细胞遗传信息的传递 而传给下一代，甚至很多代 表达状态，病毒基因被激活而使病毒复 制，并可使宿主细胞发生癌变 一、概念 转录：以DNA的一条链为模板在RNA聚合酶催 化下，按照碱基配对原则，合成一条与DNA 链的一定区段互补的RNA链的过程称为转录。 以四种核糖核苷三磷酸（NTP）为底物，形 成3，5 -磷酸二酯键相连接。 复制和转录的区别复制和转录的区别 转录的不对称性：在RNA的合成中，DNA的 二条链中仅有一条链可作为转录的模板， 模板链并非永远在同一单链上。 模板链（反义链）：在RNA的转录中，用作 模板的DNA链。 编码链（有义链）：在RNA的转录中，不作

11、 为模板的DNA链。 大肠杆菌的DNA聚合酶全酶由5种亚基2() 组成，没有,亚基的酶称为核心 酶只催化链的延长，对起始无作 用。 五种亚基的功能分别为： 亚基：与启动子结合功能。 亚基：含催化部位，起催化作用，催化形成磷 酸二酯键。 亚基：与DNA模板结合功能。 亚基：识别起有义链和始位点。 亚基：在全酶中存在，功能不清楚。 RNA的转录过程： 起始位点的识别 转录起始 链的延伸 转录终止 （1）起始位点的识别 AACTGT ATATTA TTGACATATAAT +1 转录起始点转录起始点 53 3 5 35序列序列 Sextama 框框 10序列序列 Pribnow 框框 亚基起着识别D

12、NA分子上的起始信号（启动子 指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序 列）的作用。 启动子的结构至少由三部分组成：-35序列提供了 RNA聚合酶全酶识别的信号；-10序列是酶的紧密结 合位点（富含AT碱基，利于双链打开）；第三部分 是RNA合成的起始点。 （2）转录起始 因子仅与起始 有关，RNA的合 成一旦开始， 便被释放 E -35 -10 pppG或pppA 5 5 5 5 3 3 3 3 模板链模板链 RNA聚合酶全酶扫描解链区，找到起始点，然 后结合第一个核苷三磷酸。加入的第一个核苷三 磷酸常是GTP或ATP，很少是CTP，不用UTP。 所形成的启动子、全酶和核苷三磷酸复合

13、物称 为三元起始复合物，第一个核苷三磷酸一旦掺入 到转录起始点，亚基就会被释放脱离核心酶。 （3）RNA链的延伸 DNA分子和酶分子发生构象的变化，核心酶与 DNA结合比较松弛，可沿DNA模板移动，并按模板 顺序选择下一个核苷酸，将核苷三磷酸加到生长 的RNA链的3-OH端，催化形成磷酸二酯键。转录 延伸方向从5 3。 （4）转录终止 在DNA分子上（基因末端）提供 转录停止信号的DNA序列称为终止子 （terminators),它能使RNA聚合酶 停止合成RNA并释放出RNA。 三、RNA的转录后加工 在细胞内，由RNA聚合酶合成的原初转录物 RNA为rRNA、mRNA、tRNA的前提，他们

14、往往 需要一系列的变化，包括链的裂解、5和3 末端的切除和特殊结构的形成、核苷的修 饰、以及拼接和编辑等过程，才转变为成 熟的RNA分子。此过程总称为RNA的成熟或 称为RNA的转录后加工。 翻译的过程就是将核酸中由4种碱基 序列组成的遗传信息，通过遗传密码破译 的方式转变成为蛋白质中的20种氨基酸排 列顺序。 氨基酸 mRNA tRNA 核糖体 酶及蛋白质因子 ATP、GTP * mRNA是遗传信息的携带者，模板 mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始， 每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一 个氨基酸,或蛋白质合成的起始、终止 信号，称为三联体密码（triplet code）。 起始密码（i

15、nitiation coden）: AUG 终止密码（termination coden）: UAA，UAG，UGA 蛋白质合 成依据 移码突变（框移突变） 遗传密码的特点： 编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码 连续阅读，密码间既无间断也无交叉。 2、简并性（Degeneracy） 遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有 一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或 多至6个三联体为其编码。这称为遗传密码 的简并性。 编码同一氨基酸的几组简并密码子上第 一二位碱基多相同，而第三位碱基改变往 往不影响氨基酸翻译。 （丙） （精） （天胺） （天冬） （半） （谷氨） （谷） （甘） （组） （异亮）

16、（亮） （赖） （蛋） （苯丙） （脯） （丝） （苏） （色） （酪） （缬） 从病毒直到人类，细胞核DNA指导的蛋白 质合成都使用同一套遗传密码。 4、方向性：编码方向是53； （1）P位：即肽位(peptidyl site)，或给位， 在延长成肽之后，连接肽链的肽酰tRNA占据 的位置，肽链转位至此，延长继续。 （2）A位：即氨基酰位(aminoacyl site)， 或称受位，每次延长，氨基酰tRNA就加入到 A位上，延长成肽，此位因接受肽酰基链， 故名受位。 （3）E位：排出位(exit site)，脱氨酰tRNA 离开A位点到完全从核糖体释放出来的一个 中间停靠点，只是作暂时的停留

17、。 原核生物翻译过程中核糖体结构模式: A位：氨基酰位位：氨基酰位 (aminoacyl site) P位：肽酰位位：肽酰位 (peptidyl site) E位：排出位位：排出位 (exit site) 核 糖 体 的 组 成 A C C 1 2 31 2 3 tRNA的三级结构示意图 tRNA分子的反密码环与mRNA上的密码配 对,起识别密码的作用。tRNA的3-末端- CCA-OH是氨基酸的结合位点。 由密码 反密码 - 氨基酸之间的“对 号入座”，保证了从核酸到蛋白质信息 传递的准确性。 mRNA为模板 tRNA转运氨基酸 核糖体蛋白质合成场所 酶、辅助因子 包括： 氨基酸的活化和转运

18、 核糖体循环 氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNA ATP AMPPPi 氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶 氨基酰-tRNA合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase) l 氨基酸的活化 氨基酸与tRNA结合为氨基酰-tRNA的过程 第一步反应 氨基酸氨基酸 ATP 氨基酰氨基酰-AMP PPi 第二步反应 氨基酰-AMP tRNA 氨基酰-tRNA AMP 肽链合成的起始 肽链合成的延长 肽链合成的终止 具有启动作用的甲酰蛋氨酰-tRNA与 mRNA、GTP、大亚基、小亚基聚合物翻译起 始复合物 三种起始因子三种起始因子 IFIF1 1 IFIF2 2 IFIF3 3 辅助辅助IFIF3 3 有有GTPGTP酶活性酶活性 特异特异识别甲酰蛋氨酸识别甲酰蛋氨酸-tRNA-tRNA 形成形成fmet-tRNAfmet-tRNAi imet met- IF - IF2 2-GTP-GTP 促进促进30S30S小亚基结合小亚基结合mRNAmRNA 终止时：促使核糖体解离终止时：促使核糖体解离 （1）IF3和IF1促进下，小亚基与mRNA 的启动部位结合 （2）IF2促进、IF1辅