生物化学生物合成和加工

1、关于生物化学的生物合成和加工第一张，PPT共九十页，创作于2022年6月转录 (transcription) 生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。 转录RNADNA 经转录生成的RNA有多种，主要的是rRNA，tRNA，mRNA，snRNA 和 hnRNA第二张，PPT共九十页，创作于2022年6月参与转录的物质原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: DNA酶: RNA聚合酶(RNA-pol)其他蛋白质因子第三张，PPT共九十页，创作于2022年6月主要内容第一节 模板和酶第二节 转录过程第三节 转录后加工第四节 RNA复制和逆转录第四张，PPT共九十页，创作于2

2、022年6月模板和酶第一节第五张，PPT共九十页，创作于2022年6月一、转录模板 DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因。 DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链(template strand)，也称作负链。相对的另一股单链是编码链(coding strand)，也称为正链。 第六张，PPT共九十页，创作于2022年6月5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C编码链模板链mRNA蛋白质转录翻译第七张，PPT共九十页，创作于2022年6月5335模

3、板链编码链编码链模板链结构基因转录方向转录方向第八张，PPT共九十页，创作于2022年6月不对称转录 在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录 ；模板链并非永远在同一条单链上。5 3 3 5 模板链（含结构基因）编码链第九张，PPT共九十页，创作于2022年6月二、RNA聚合酶（一）原核生物的RNA聚合酶第十张，PPT共九十页，创作于2022年6月核心酶全酶此外，每个RNA聚合酶还含有2个Zn离子。第十一张，PPT共九十页，创作于2022年6月亚基由基因rpoZ编码，Mr为1.10104，曾长期被忽略，甚至许多人不把它作为聚合酶的组分。然而，现在已经肯定，亚基是嗜热水

4、生菌RNA pol必不可少的组分，也是体外变性的RNA pol成功复性所必需的，它与亚基一起构成催化中心，稳定其与 亚基的结合。第十二张，PPT共九十页，创作于2022年6月E.coli不同因子的性质与功能比较第十三张，PPT共九十页，创作于2022年6月（二）真核生物的RNA聚合酶(458) 第十四张，PPT共九十页，创作于2022年6月三、启动子和转录因子原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)，包括若干个结构基因及其上游的调控序列。 5335结构基因调控序列RNA-polRNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列，称为启动子(promoter)。第十五张，

5、PPT共九十页，创作于2022年6月LOREM IPSUM DOLORRNA聚合酶起始转录需要的辅助因子（蛋白质）称为转录因子(transcriptional factor)。第十六张，PPT共九十页，创作于2022年6月RNA聚合酶保护法第十七张，PPT共九十页，创作于2022年6月第十八张，PPT共九十页，创作于2022年6月开始转录T T G A C AA A C T G T-35 区(Pribnow box)T A T A A T Pu A T A T T A Py-10 区1-30-5010-10-40-205 3 3 5 原核生物启动子保守序列RNA-pol辨认位点(recogni

6、tion site) 55RNA聚合酶保护区结构基因33RNA聚合酶全酶结合位点第十九张，PPT共九十页，创作于2022年6月第二十张，PPT共九十页，创作于2022年6月转录过程 第二节 第二十一张，PPT共九十页，创作于2022年6月大肠杆菌RNA聚合酶的作用起始阶段：在DNA分子上搜索启动子，并将 DNA双螺旋解开一小段。延伸阶段：选择正确的核苷三磷酸（NTP），催化磷酸二酯键的形成。终止阶段：检测RNA 合成的终止信号，停止RNA的合成。特点：不需引物；无核酸外切酶活性。错误率高：1/104105核苷酸,是DNA复制的105倍。第二十二张，PPT共九十页，创作于2022年6月（一）转录

7、起始转录起始需解决两个问题：RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。一、原核生物的转录过程第二十三张，PPT共九十页，创作于2022年6月RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合 第二十四张，PPT共九十页，创作于2022年6月2. DNA双链解开，约解开17个碱基对。（酶与启动子结合的部位是AT富集区，有利于解链）1. RNA聚合酶全酶(2)与模板结合 5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + ppi转录起始过程 3.第一个核苷三磷酸(常常是GTP或ATP)结合到全酶上，形成“启动子-全酶-核苷三磷酸”三元起始复合物

8、。 4.第二个核苷酸参入，连结到第一个核苷酸的3羟基上，形成了第一个磷酸二酯键。第二十五张，PPT共九十页，创作于2022年6月因子从全酶上掉下，又去结合其它的核心酶。 RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3转录起始复合物:第二十六张，PPT共九十页，创作于2022年6月（二）转录延长1. 亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移； 2. 在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断沿53方向延长。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi第二十七张，PPT共九十页，创作于2022年6月 DNA上的解螺旋区：在RNA链延

9、伸的同时，RNA聚合酶继续解开它前方的DNA双螺旋，暴露出新的模板链，而后面被解开的两条DNA单链又重新形成双螺旋，DNA上的解螺旋区保持约17个碱基对的长度。第二十八张，PPT共九十页，创作于2022年6月转录空泡(transcription bubble)：RNA-pol （核心酶） DNA RNA第二十九张，PPT共九十页，创作于2022年6月RNA链的延伸图解35RNA-DNA杂交螺旋聚合酶的移动方向新生RNA复链解链编码链模板链延长部位第三十张，PPT共九十页，创作于2022年6月 RNA-DNA杂交区：刚合成出来的RNA链与解开的DNA模板链之间可形成一小段RNA-DNA杂交区。随

10、着核心酶的移动，RNA链不断地延伸，杂交区也往前延伸，但后面的杂交区随着DNA双螺旋的恢复，RNA链逐渐被置换出来，因此，杂交区也保持着固定一小段。第三十一张，PPT共九十页，创作于2022年6月53DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体RNARNA聚合酶第三十二张，PPT共九十页，创作于2022年6月依赖Rho ()因子的转录终止不依赖Rho因子的转录终止（三）转录终止指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。 分类第三十三张，PPT共九十页，创作于2022年6月A T P1. 依赖 Rho因子的转录终止第三十四张，PPT共九十页，创作于202

11、2年6月因子是基因编码的蛋白质，是一种酶，在水解ATP的情况下，它沿着53方向转录物的3端前进，直到遇到暂停在终止点位置的RNA聚合酶。随后因子通过解链酶的活性解开转录泡（transcription bubble）上的RNA/DNA形成的杂交双螺旋，使RNA转录物得到释放，从而终止转录。 依赖因子（rho factor）的终止子第三十五张，PPT共九十页，创作于2022年6月2.不依赖 Rho因子的转录终止DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。第三十六张，PPT共九十页，创作于2022年6月这类终止子结构上有2个特征 （2）发夹结构末端

12、紧跟6个连续的U，这 发夹结构阻碍了聚合酶的进一步延伸，RNA链的合成就终止，酶和 mRNA就从模板DNA上释放。 （1）DNA链的3端附近有回文结构，富 含G-C碱基，随后紧跟的是A-T碱基， 转录而形成的RNA具有茎环的发夹 形结构。 不依赖于因子的终止第三十七张，PPT共九十页，创作于2022年6月回文结构AT富集区GC富集区不依赖因子的终止子结构第三十八张，PPT共九十页，创作于2022年6月茎环结构使转录终止的机理 使RNA聚合酶变构，转录停顿； 使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。5pppG5 335RNA-pol第三十九张，PPT共九十页，创作于2022年6月RNA合成过程起始

13、双链DNA局部解开磷酸二酯键形成终止阶段解链区到达基因终点延长阶段53RNA 启动子（promoter) 终止子(terminator)5RNA聚合酶5353553离开第四十张，PPT共九十页，创作于2022年6月二、真核生物的转录过程（一）转录起始真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。第四十一张，PPT共九十页，创作于2022年6月 TATA盒 CAAT盒 GC盒 增强子 顺式作用元件 结构基因-GCGC-CAAT-TATA转录起始真核生物启动子保守序列1. 转录起始前的上游区段 第四十二张，PPT共九十页，创作于20

14、22年6月转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒 增强子顺式作用元件(cis-acting element)AATAAA切离加尾 转录终止点 修饰点 外显子 翻译起始点内含子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体第四十三张，PPT共九十页，创作于2022年6月2. 转录因子 能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，或具有识别RNA聚合酶的作用，现已发现数百种，统称为反式作用因子(trans-acting factors)。又称为转录因子(transcriptional factors, TF)。 第四十四张，PPT共九十页，创作于2022年6月3. 转录起始前复合物(PIC)

15、 真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子帮助间接结合到DNA分子上。 第四十五张，PPT共九十页，创作于2022年6月POL-TFFAB由RNA-Pol 催化转录的起始前复合物 Pol-TFFHETBPTAFTFD-A-B-DNA复合物TATAABTBPTAFTATAHECTD-P起始前复合物组装完成，TFH使CTD磷酸化RNA-Pol 羧基端结构域第四十六张，PPT共九十页，创作于2022年6月（二）转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。 第四十七张，PPT共九十页，创作于2022年6月5-AAUAAA-5 -

16、AAUAAA-核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG转录终止的修饰点55333加尾AAAAAAA 3 mRNA（三）转录终止 和转录后修饰密切相关。第四十八张，PPT共九十页，创作于2022年6月DNA复制与转录的比较性 质 复 制 转 录相同点模 板 两股DNA单链均作为模板 为模板链 原 料 dNTP NTP 合成方式 半保留复制 不对称转录 聚合酶种类 DNA聚合酶 RNA聚合酶 RNA引物 需要 不需要 产 物 半保留的双链DNA 单链RNA不同点需要DNA为模板 需要核苷三磷酸为原料 遵循碱基配对原则 新链合成方向均为53第四十九张，PPT共九十页，创作于2

17、022年6月1.嘌呤和嘧啶类似物 核酸代谢的拮抗物： 抑制核酸合成有关的酶 掺入核酸分子形成异常核酸如：6-巯基嘌呤、硫鸟嘌呤、2.6二氨基嘌呤、 8-氮鸟嘌呤、5-氟尿嘧啶 、6-氮尿嘧啶 进入体内变成相应的核苷酸表现抑制作用 三、RNA生物合成的抑制剂 P469第五十张，PPT共九十页，创作于2022年6月2.DNA模板功能的抑制物（1）烷化剂（2）放线菌素D（actinomycin D） 与DNA形成非共价复合物 其作用如同阻遏蛋白抑制DNA转录和复制。 色霉素A3、橄榄霉素、光神霉素（3）嵌入染料 使DNA在复制时缺失或增添一个核苷酸， 导致移码突变，并能抑制RNA链的起始。第五十一张

18、，PPT共九十页，创作于2022年6月利福平抑制细菌RNA聚合酶活性第五十二张，PPT共九十页，创作于2022年6月某些常用的转录抑制剂抑制剂 靶酶 抑制作用 利福霉素 细菌的全酶 与亚基结合阻止起始利链霉素 细菌的核心酶 与亚基结合阻止延长放线菌素D 真核DNA 与DNA结合并阻止延长-鹅膏蕈碱 真核RNA Pol 与RNA聚合酶结合第五十三张，PPT共九十页，创作于2022年6月转录后加工第三节第五十四张，PPT共九十页，创作于2022年6月几种主要的修饰方式1. 拼接(splicing)2. 剪切(cleavage)3. 修饰(modification)4. 添加(addition)第五

19、十五张，PPT共九十页，创作于2022年6月tRNA和rRNA被加工的证据 rRNA和tRNA有以下三点特性：1） 所有RNA初级转录产物的5末端均是5-三磷酸，而成熟rRNA和tRNA分子的5末端是5单磷酸；2）rRNA和tRNA分子比初级转录产物小很多；3）所有tRNA含有稀有碱基。 第五十六张，PPT共九十页，创作于2022年6月（一）rRNA的加工原核生物rRNA转录初始物:rRNA基因和tRNA基因组成混合操纵子： 16SrDNA 23SrDNA 5SrDNA tDNA加工RNA酶对转录初始物切割再加工成熟原核生物的转录后加工原核生物有7个rRNA转录单位第五十七张，PPT共九十页，

20、创作于2022年6月RNaseRNaseRNaseE甲基化碱基甲基化核糖第五十八张，PPT共九十页，创作于2022年6月(二)tRNA的加工大肠杆菌染色体有tRNA基因约60个原核生物tRNA转录初始物:tRNA基因:型- tRNA 有 3-CCA-OH型- tRNA 无 3-CCA-OHtRNA转录初始物:与rRNA相连几个相同(不同)tRNA连在一起多顺反子转录单位第五十九张，PPT共九十页，创作于2022年6月加工RNA酶RNA酶FRNA酶DRNA酶PtRNA核苷转移酶切开rDNA、tDNA转录产物 间隔序列从3端切断前体分子核酸外切酶,切除型tRNA 3-CCA-OH下游序列（核酸+蛋

21、白） （M1RNA）内切酶，tRNA5端成熟酶 催化型tRNA形成稳定的3-CCA-OH“斩头”，去尾，剪接，3-末端添加，化学修饰第六十张，PPT共九十页，创作于2022年6月原核生物tRNA前体分子的加工b、末端添加：3-端添加CCA序列。c、修饰：形成稀有碱基如DH2 。RNAasePRNAaseFRNAasePRNAaseFRNAaseDRNAaseDACC表示核酸内切酶的作用 表示核苷酸转移酶的作用 表示核酸外切酶的作用 表示异构化酶的作用 第六十一张，PPT共九十页，创作于2022年6月（三） mRNA的加工 原核细胞的mRNA通常没有转录后的加工过程。第六十二张，PPT共九十页，

22、创作于2022年6月真核生物的转录后加工第六十三张，PPT共九十页，创作于2022年6月4种rRNA，是两个转录单位。18S、5.8S和28SrRNA的前体是45S（一个转录单位）。5SrRNA是单独的一个转录单位。核仁是其转录、加工和装配成核糖体的场所。一、rRNA的转录后加工第六十四张，PPT共九十页，创作于2022年6月40S亚基60S亚基大多数真核细胞 为成熟的 28S 18S 5.8S rRNA 的共同前体rRNA 由核酶催化进行自身剪接第六十五张，PPT共九十页，创作于2022年6月转录45S - rRNA剪接18S - rRNA5.8S和28S-rRNArDNA内含子内含子28S

23、5.8S18S32S多数真核生物的rRNA基因不存在内含子，有些含有内含子但并不转录，如果蝇。四膜虫可以自动切去内含子第六十六张，PPT共九十页，创作于2022年6月tRNA前体RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA二、tRNA的转录后加工RNA聚合酶催化合成第六十七张，PPT共九十页，创作于2022年6月RNAaseP、内切酶第六十八张，PPT共九十页，创作于2022年6月tRNA核苷酸转移酶、连接酶ATPADP第六十九张，PPT共九十页，创作于2022年6月碱基修饰（2）还原反应 如：U DHU （3）核苷内的转位反应 如：U （4）脱氨反应 如：A I 如：A

24、 Am（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）约有10%需要酶促修饰第七十张，PPT共九十页，创作于2022年6月三、真核生物mRNA的转录后加工核内的初级mRNA称为核不均一RNA (hnRNA)定义：mRNA的原初转录物是相对分子量极大的前提，在核内加工过程中形成大小不等的中间体，即hnRNA特点：平均分子长度为8-10Kb左右。比mRNA的平均长度(1.8-2Kb）要大4-5倍。hnRNA仅有总量的1/2转移到细胞质内，其余的都在核内被降解掉。第七十一张，PPT共九十页，创作于2022年6月LOREM IPSUM DOLORhnRNA是mRNA的前体，证据是： (1) hnRNA和mR

25、NA有相同的序列； (2) hnRNA在体外能作为模板翻译蛋白； (3) 两者5端都有帽子结构，表明二者为相同的聚合酶所合成； (4) 两者的3端都有多聚腺苷有尾巴。第七十二张，PPT共九十页，创作于2022年6月（一）首、尾的修饰 5端形成 帽子结构(m7GpppGp ) 3端加上多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)加工过程包括：首、尾、剪接、甲基化第七十三张，PPT共九十页，创作于2022年6月帽子结构(m7GpppGp )第七十四张，PPT共九十页，创作于2022年6月5 pppGp5 GpppGppppG ppi鸟苷酸转移酶5 m7GpppGp甲基转移酶SAM帽子结构的生成5 pp

26、Gp磷酸酶 Pi以5- 5三磷酸相连作用:稳定mRNA 5端和翻译的起始有关第七十五张，PPT共九十页，创作于2022年6月步骤1步骤2作用位置加尾:3端加上多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)作用：稳定mRNA，mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式第七十六张，PPT共九十页，创作于2022年6月四、RNA生物功能的多样性（核酶）具有酶促活性的RNA称为核酶。核酶(ribozyme)Cech和Altman获得了1989年度的诺贝尔化学奖第七十七张，PPT共九十页，创作于2022年6月四膜虫rRNA内含子的二级结构四膜虫rRNA的剪接采用自我剪接方式5-端核苷酸序列第七十八张，PPT共九十

27、页，创作于2022年6月最简单的核酶二级结构锤头状结构(hammerhead structure)底物部分通常为60个核苷酸左右同一分子上包括有催化部份和底物部份 催化部份和底物部份组成锤头结构 除rRNA外，tRNA、mRNA的加工也可采用自我剪接方式。 第七十九张，PPT共九十页，创作于2022年6月核酶研究的意义核酶的发现，对中心法则作了重要补充；核酶的发现是对传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成人工核酶 。 第八十张，PPT共九十页，创作于2022年6月第四节 RNA复制和逆转录(P491)第八十一张，PPT共九十页，创作于2022年6月 RNA的复制是指 病毒基因组RNA的复制(真核生物RNA的复制只是极个别的现象) 概念:由RNA复制酶(RNA replicase)催化,以病毒 RNA为模板的RNA合成。 RNA病毒在宿主细胞内繁殖时, 即进行RNA复制。一、 RNA的复制第八十二张，PPT共九十页，创作于2022年6月 以四种NTP为底物； 专一性地选择病毒RNA为模板； 按5 3的方向合成病毒RNA； 无外切酶活性