DNA、RNA和蛋白质的生物合成

1、第十四章第十四章 DNA、RNA和和蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成n复制复制以原来的以原来的DNADNA分子为模板，合成出相同分子的过分子为模板，合成出相同分子的过程。程。n转录转录在在DNADNA分子上合成出与其核苷酸顺序相对应的分子上合成出与其核苷酸顺序相对应的RNARNA的过程。的过程。n翻译翻译在在RNARNA的控制下，根据核酸链上每三个核苷酸决的控制下，根据核酸链上每三个核苷酸决定一个氨基酸的三联体密码规则，合成出具有特定氨基定一个氨基酸的三联体密码规则，合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程。酸顺序的蛋白质肽链的过程。DNARNA复制转录翻译14.1 14.1 DNADNA的

2、复制的复制n19531953年，年，WatsonWatson和和CrickCrick在在DNADNA双螺旋双螺旋结构的基础上提出了结构的基础上提出了半保留复制假说半保留复制假说：nDNADNA在复制过程中，首先碱基之间的氢在复制过程中，首先碱基之间的氢键破裂，使两条链解旋并分开，然后以键破裂，使两条链解旋并分开，然后以碱基互补的方式，以每条单链为碱基互补的方式，以每条单链为 模板，模板，按单按单链链DNADNA的核苷酸顺序合成子链。在的核苷酸顺序合成子链。在此过程中，每个子代分子的一条链来自此过程中，每个子代分子的一条链来自亲代亲代DNADNA，另一条链是新合成的，这种，另一条链是新合成的，这

3、种复制方式称为半保留复制复制方式称为半保留复制。n 14.1.1 14.1.1 DNADNA的复制方式的复制方式半保留复制半保留复制 Radioisotope labelin（放射性同位素标记）and density gradient（密度梯度离心）centrifugation clearlydistinguishes replications of semiconservative from conservative.14.1.2 参与参与DNADNA复制的酶类和蛋白质因子复制的酶类和蛋白质因子n1. DNA1. DNA聚合酶聚合酶（DNA-polymerase）nDNA聚合酶能催化四种脱氧

4、核糖核苷三磷酸合成DNA单链DNA为模板具有3-OH末端的低聚多核苷酸为引物Mg 2+或Mn 2+四种脱氧核苷三磷酸为底物Arthur Kornberg阿瑟科恩伯格n 原核细胞的原核细胞的DNA聚合酶聚合酶nDNA聚合酶I（pol I）Kornberg酶n pol I是一个多功能酶是一个多功能酶n DNADNA聚合酶活力：使聚合酶活力：使DNADNA链链沿沿5-35-3方向延伸；方向延伸；nDNA聚合酶（pol ）nDNA聚合酶活力；n3-5核酸外切酶活力nDNA聚合酶（pol ）nDNA聚合酶活力；n3-5核酸外切酶活力；n5-3核酸外切酶活力 pol 大肠杆菌中大肠杆菌中DNA聚合酶的性质

5、比较聚合酶的性质比较pol Ipol pol III功能DNA聚合酶5-3外切酶3-5外切酶+-+（+）+分子量109000120000140000酶分子数/细胞40010010-20转化率10.0550主要功能复制、修复修复复制 真核细胞的真核细胞的DNA聚合酶聚合酶分子量120000-22000045000160000122000分布细胞核细胞核线粒体细胞核酶活力80%10-15%2-15%10-25%核酸外切酶活力无无无3-5主要功能复制修复复制（线粒体）？n6. 连接酶（ligase）n催化双链DNA中单链缺口部分的3-OH和它临近的DNA片段的5-磷酸基形成3，5-磷酸二酯键，将两个

6、DNA片段连接起来。n连接反应需要能量（NAD+ or ATP ）。DNA复制体14.1.3 14.1.3 DNADNA的半不连续复制的半不连续复制n冈崎提出冈崎提出DNADNA的不连续复制的不连续复制模型模型：3-53-5走向的走向的DNADNA实际实际上是由许多上是由许多5-35-3方向合成的方向合成的DNADNA片段连接起来的。片段连接起来的。Overall direction of progeny chain growthat a replicating fork: one in 5 3 and the other in 3 5 direction.Both daughter stra

7、nds at the replication fork are synthesized in 5- 3 direction, but one (the leading strand) is synthesized continuously and the other (the lagging strand) discontinuously (synthesized initially as Okazaki fragments).前导链后随链冈崎片段Only one RNA primer is needed for synthesizing the leading strand.RNA prim

8、ers are repeatedly formed by the primase on the lagging strand.n 2. DNA片段的合成和链的延伸1. 引物酶识别复制起点，引导解螺旋酶到正确位点2. 解螺旋酶解开双螺旋引发酶解螺旋酶聚合酶修复酶松弛酶单链结合蛋白连接酶DNADNA的的复复制制过过程程3. DNA聚合酶合成新的DNA链4. 按碱基互补原理合成DNA链5. 四种脱氧核苷三磷酸为底物6. 释放焦磷酸7-12. DNA片段的合成和链的延伸13. 连接酶14. 单链结合蛋白15. 松弛酶16. DNA的复制14.5.1 14.5.1 原核生物与真核生物原核生物与真核生物D

9、NADNA复制的特点比较复制的特点比较n1. 复制的起点和单位n复制单位：复制子，生物体内能独立行使复制功能，进行独立复制的DNA单位。n 原核生物n由一个复制子组成n双向复制n大肠杆菌，结构ori大肠杆菌：结构535353n 单相复制n噬菌体174滚环复制n 真核生物n线形双链DNA，含有多个复制子；双向复制。n 2. 复制速度n 3. 真核生物的DNA在全部复制完成之前，起点不再重新开始复制；原核生物中，起点可连续发动复制14.1.6 在在RNA指导下的指导下的DNA的合成的合成n1970年Temin等在致癌RNA病毒中发现了一种特殊的DNA聚合酶，该酶以RNA为模板，根据碱基配对原则，按

10、照RNA的核苷酸顺序(其中U与A配对)合成DNA。这一过程与一般遗传信息流转录的方向相反，故称为反转录。RNA 模 板单 链DNA双 链DNADNA-RNA杂 化 双 链n反转录酶是一种多功能酶：nRNA指导的DNA聚合酶活力；n核糖核酸酶H的活力：n DNA指导的DNA聚合酶活力反转录病毒的生活周期反转录病毒的生活周期14.2 14.2 RNA的生物合成的生物合成 n14.2.1 转录过程n转录（transcription）DNA分子中的遗传信息转移到RNA分子中的过程。14.2.1.1 RNA聚合酶聚合酶（RNA polymerase）nRNA聚合酶有以下特点：n以DNA为模板，也称为依赖

11、DNA的RNA聚合酶（DDRP）n四种核苷三磷酸为底物n需要Mg2+或Mn2+离子n RNA 链的延长方向是53的连续合成n遵循DNA与RNA之间的碱基配对原则n不需要引物。nRNA聚合酶缺乏35外切酶活性，所以没有校正功能。n1. 细菌RNA聚合酶n ：与DNA模板结合，识别碱基n ： 催化形成磷酸二酯键n ：与DNA模板结合n ：识别起始点n 全酶： 2 n 核心酶： 2 n2. 真核细胞RNA聚合酶类型分布催化转录产物对鹅膏蕈碱的敏感性IIIIII核仁核质核质rRNA前体HnRNA（mRNA前体）5SrRNA、tRNA前体不敏感低浓度抑制较高浓度抑制14.2.1.2 14.2.1.2 转

12、录过程转录过程n不对称转录：在DNA的两条多核苷酸链中只有其中一条链作为模板，这条链叫做模板链（template strand），又叫做无意义链。 DNA双链中另一条不做为模板的链叫做编码链，又叫做有意义链。n可分为三个阶段：合成的起始、链的延长和合成的终止n1.RNA合成的起始n启动子（promoter）： RNA聚合酶识别、结合并开始转录的一段DNA序列。n 原核生物的启动子n -10序列（Pribnow框）：-TATAAT-n RNA聚合酶牢固结合的位点，称为结合位点。n -35序列（Sextama框）：-TTGACA-n RNA聚合酶初始结合的位点，称为识别位点。n 真核生物的启动子n

13、 TATA框（Hogness框）n -25-30左右的序列：TATAA（T）AA （T）n决定起始点的选择n CAAT框n -75附近：GGC（T）CAATCT n 控制转录起始的频率n2. 链的延长n3. RNA合成的终止n终止子（terminator）：提供转录终止信号的DNA序列。富含G-C多个Un 依赖因子的终止子n不依赖因子的终止子RNA的合成过程14.2.1.3 14.2.1.3 RNARNA的转录后加工的转录后加工n1.rRNA前体的转录后加工真核生物甲基化剪切原核生物The processing of the primary tRNA transcripts include r

14、emoval of the 5and 3 ends, addition of the CCA sequence at the 3 end, modification of many bases,and splicing of introns (in eukaryotic cells).n 2. tRNA前体的转录后加工剪切核苷修饰接-CCA剪切n3. mRNA前体的转录后加工 A 5 cap is added to eukaryotic mRNAs Before transcription endsA poly(A) tailis usually addedat the 3 end of an

15、 mRNA moleculevia a processing step.hnRNA（核内不均一RNA）的剪接内含子外显子mRNA前体的转录后加工?中心法则中心法则14.3 14.3 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成14.3.1 14.3.1 RNA RNA在蛋白质生物合成中的作用在蛋白质生物合成中的作用n1.mRNA的功能nmRNA带有由DNA转录来的遗传信息，是蛋白质合成的模板。n遗传密码（genetic codes）n遗传密码：指mRNA中碱基序列和蛋白质中氨基酸序列之间的相互关系。n1961年，Brenner和Crick证明：三个相邻的核苷酸代表一种氨基酸，该三核苷酸序列称为密码子（co

16、don），或三联密码（triplet code）n密码子的重要性质n密码子不重叠；n密码子的简并性；n密码的通用性；n密码子间无间隔遗传密码n 终止密码子n UAA、UGA、UAGn 同义密码子（简并密码子）n 起始密码子n AUG、GUGn2. tRNA的功能ntRNA起运输氨基酸的作用n 反密码子（anticodon）： tRNA识别mRNA上的密码子的机构，可根据碱基配对规律识别相应的密码子。n3.rRNA与核糖体n rRNA与多种蛋白质组成核糖体，核糖体是蛋白质合成的加工厂。Roles of the 3 types of RNAs in translationA位点（氨酰基位点）P位点

17、（肽酰基位点）14.3.2 14.3.2 蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程n蛋白质的合成需要近200种生物大分子参与，由ATP、GTP提供能量。n蛋白质生物合成方向：由多肽链的氨基端开始，向羧基端方向逐步延伸。n合成过程分为：n氨基酸的活化与转移准备阶段n肽链合成的起始n肽链的延长n肽链的终止1. 1.氨基酸的活化与转运氨基酸的活化与转运AA+tRNA+ATP氨酰-tRNA+AMP+PPi细胞质中进行氨酰-tRNA合成酶氨酰基腺苷酸 AMPtRNA氨酰-tRNA2. 肽链合成的起始nmRNA上的起始密码子多为：AUG（决定Met的密码子）n携带Met的tRNA有两种：n甲硫氨酸tRNAm：

18、tRNAmMetn甲硫氨酸tRNAf：tRNAfMet甲酰甲硫氨酰tRNAf甲酰FH4甲酰基转移酶n 蛋白质生物合成：n 原核细胞以fMet- tRNAf为起点；n 真核细胞以Met- tRNAm为起点mRNAmRNA-30S-IF3-30S-IF3复合物复合物3030S S起始复合物起始复合物（3030S-mRNA-fMet-tRNAfS-mRNA-fMet-tRNAf-GTP-IF1-IF2-GTP-IF1-IF2）70S70S起始复合物起始复合物（7070S-mRNA-fMet-tRNAfS-mRNA-fMet-tRNAf ）3肽链的延长核糖体中进行延长因子：EF-TuEF-Ts结合结合成肽成肽肽酰转移酶移位移位移位酶GTP4. 肽链合成的终止释放因子：RF1：识别UAA、UAGRF2：识别UAA、UGARF3：促进RF1及RF2的活性，协助肽链释放5. 多聚核糖体n每条mRNA链在蛋白质合成中，并不是只同一个核糖体相结合，而是同时与若干核糖体结合形成念珠状结构，称为多聚核糖体。n多聚核糖体可以在一条mRNA上同时合成多条多肽链，是生物合成蛋白质最经济的一种形式。6. 真核细胞蛋白质的生物合成n核糖体更大n核糖体为80S，可解离成60S和40S亚基n起始tRNAn为Met-tRNAn起始密码子n靠mR