生物化学课件

1、11 RNA的生物合成11.1 模板和酶11.2 以DNA为模板合成RNA的过程11.3 以 RNA 为模板合成 RNA 的过程11.4 RNA的转录后加工111.1 模板和酶11.1.1 转录模板11.1.2 RNA聚合酶11.1.3 模板与酶的辨认结合2转录（transcription） 所谓 转录 是以 DNA 为模板合成 RNA 的过程。 DNA 是通过转录，将遗传信息转移到 RNA 分子上。 3DNA的大小与基因 生物体 DNA 分子的大小并不等于基因的总和，特别是高等真核生物，DNA 分子上非编码区远比编码区长得多。 而真正为蛋白质 （酶）编码的基因仅仅占 DNA 分子的一小部分。

2、 不编码基因而是一些不被转录的调控区，它们具有主宰基因转录和表达的功能，是基因不可缺少的部分。 4 编码一种或几种蛋白质的全部氨基酸的核苷酸顺序，称为基因（gene）和基因组。 通常也把这些编码蛋白质的基因片段称为结构基因。 在 DNA 分子上还有些片段是为 rRNA 和 tRNA 编码的核苷酸，这些片段有时也称为基因。 5重复基因： DNA 中有些基因是重复的，称为重复基因。 原核生物中的重复基因数较少，真核生物中重复基因则很丰富。 如 核蛋白体 rRNA 的基因数，酵母细胞内为140 个，而果蝇则达数千个。又如酵母的 tRNA 基因：为每一种不同的 tRNA 编码的基因平均达 10 个重复

3、基因。这种多重复基因的现象，是为适应细胞的分裂和增殖的需要。 6基因重叠 ： 在一些病毒中存在基因重叠的现象。 A 基因BCDEJFGHK7不连续基因： 真核生物许多基因是不连续的，即：一个完整的基因被一个或更多个插入的片段所间隔。 这些插入片段可有几百乃至上千个碱基对，它们不编码任何蛋白质分子或成熟的 RNA。内含子： 把这些插入而不编码的序列称为内含子（intron）。外显子：把被间隔的编码蛋白质的基因部分称为外显子。8 DNA 的转录只转录基因部分其中包括内含子和外显子部分。 因而转录出来的所有 RNA 都必须经过加工，除去其中的内含子 并经复杂的修饰 才能成为成熟的各种 RNA，其中的

4、 mRNA 才能成为合成蛋白质的模板。911.1.1 转录模板基因中双链 DNA 中仅有一股链被转录。把被转录的一股链称为模板链（template strand），另一股链称为编码链（coding strand）。 mRNA与模板链是互补的。mRNA 的核苷酸顺序则与编码链完全相同，只是其中以 U 代替了 T。因此，mRNA 的遗传信息与编码链相同，代表了基因的编码顺序。101111.1.2 RNA聚合酶11.1.2.1 原核生物的RNA聚合酶11.1.2.2 真核生物的RNA聚合酶12RNA 聚合酶 RNA聚合酶催化底物合成时是形成 磷酸二酯键。合成的方向是53：即 RNA 聚合酶 是沿着模

5、板链的 3 5 方向移动。RNA 聚合酶的条件： （1）模板，双链 DNA 或单链 DNA 均可作模板。 （2）活化的底物，需要 4 种三磷酸的核苷酸： ATP， GTP、 UTP 及 CTP 为反应底物。 （3）二价金属离子，主要是 Mg2+ 和 Mn2+ 。 13RNA 聚合酶含有两个核苷酸结合位点：起始部位：结合 ATP 或 GTP 。所以被转录的 DNA 第一个碱基通常是TTP（胸腺嘧啶）。转录与复制不同，不需要引物，因而合成的 RNA 第一个核苷酸常常是 pppA 或 pppG。延伸部位：结合下一个碱基。141511.1.2.1 原核生物的RNA聚合酶大肠杆菌的 RNA 聚合酶（ 4

6、50KD ）它由 4 种亚基组成。整个酶的亚基组成是2，称为 全酶 。没有亚基的 RNA 聚合酶称为核心酶。全酶 的作用是识别起始，而核心酶的作用是延长及辨认转录终止。16各亚基的作用：亚基：决定哪些基因被转录。亚基：与转录过程有关（催化）。亚基：结合DNA模板（开链）。亚基： 辨认起始点，参与解开 DNA 双链，找到模板链。1711.1.2.2 真核生物的RNA聚合酶 在真核生物中则有三种类型的 RNA 聚合酶。RNA 聚合酶: 定位核仁，转录18S，5.8S 和 28S RNA。RNA 聚合酶: 定位核原生质，转录 mRNA 前体和 hnRNA 。RNA 聚合酶 : 定位核原生质，转录 t

7、RNA 和 5S RNA。1811.1.3 模板与酶的辨认结合转录是不连续、分区段进行的。每一转录区段可视为一个转录单位，包括若干个结构基因及其上游（upstream）的调控序列。RNA聚合酶结合到调控序列中被称为启动子（promoter）的特异DNA序列上，指导附近DNA片段（gene）的转录。 19 启动子（promoter）：转录起始时， RNA 聚合酶结合在被转录的 DNA 区段上，结合的特定部位称为启动子。它是 20 至 200 个碱基的特定顺序。 通常将 DNA（编码链）上被转录的第一个碱基以十1 代表；第二个为 十2 。十1 之前的碱基为 -1 ，第二个为-2，。启动子的位置在被

8、转录碱基之前所以顺序号均为负。习惯上也将 +1 以下的转录方向称“下游”，-1 以上称“上游”，启动子在上游区。 20原核生物的启动子： 原核生物的启动子顺序中存在两个共同的顺序，即 -10 顺序，也称为 Pribnow 顺序（pribnow box）和 -35顺序。-10 顺序：-10 顺序的右末端离 RNA 转录的第一个碱基约 5 到 10 个碱基。-10 的基本顺序是TATAATG。-10 顺序被看作是双螺旋打开形成开放启动复合物的区域。- 35 顺序：典型的情况下含有 9 个碱基，被认为是酶结合的起始部位。21RNA pol对与 -35区辨认结合后，酶向下游移动，到达Pribnow盒，

9、酶已跨入了转录起始点，形成相对稳定的酶DNA复合物，就可以开始转录。22在-25 区有TATA盒，又称为Hogness盒，基本上都由A、T碱基所组成，其功能与聚合酶的定位有关，DNA双链在此解开并决定转录的起始位点。在-75区有CAAT盒，其一致的序列为GGTCAATCT，CAAT盒与转录的起始频率有关。除启动子外，真核生物基因组中还有一个称为增强子（enhancer）的序列，它能极大地促进启动子的转录活性。真核生物的启动子23增强子作用特点： 能在很远距离（大于几kbp）对启动子产生影响； 无论位于启动子上游或下游都能发挥作用； 其功能与序列取向无关； 无生物种属特异性； 受发育和分化的影响

10、。2411.2 以DNA为模板合成RNA的过程11.2.1 转录起始11.2.2 转录延长11.2.3 转录终止2511.2.1 转录起始11.2.1.1 原核生物的转录起始 11.2.1.2 真核生物的转录起始2611.2.1.1 原核生物的转录起始当 RNA 聚合酶的亚基发现其识别位点时，全酶就与启动子的-35区序列（TTGACA）结合形成一个封闭的启动子复合物。在这一区段，酶与模板的结合很松弛，酶随即移向-10区的TATAAT序列并跨入了转录起始点。第一个磷酸二酯键生成后，因子从全酶解离下来，核心酶在 DNA 链上向下游滑动，核心酶连同生成的二核苷酸，继续结合于DNA模板上并沿 DNA

11、链前移，进入延长阶段。2711.2.1.2真核生物的转录起始真核生物也需要RNA聚合酶对起始区上游DNA序列进行辨认和结合，生成起始复合物。上游DNA序列，统称为顺式作用元件。能直接或间接辨认、结合转录上游区段DNA的蛋白质，统称为反式作用因子。转录因子：往往还需要多种蛋白因子的协助，这些蛋白因子统称为转录因子，它们与RNA聚合酶形成转录起始复合物，共同参与转录起始的过程。2811.2.2 转录延长 转录延长的化学反应，在原核生物和真核生物之间没有太多的区别，只是催化的RNA聚合酶不同。转录的延长在转录鼓泡上进行。转录鼓泡是一个含有 核心酶 、DNA 和 新生 RNA 的区域，在这个区域里含有

12、一段解链的 DNA “泡”。在转录鼓泡里，杂交链中的 RNA 3-羟基对进来的核糖核苷三磷酸能进行结合合成反应，使链不断延长。DNA 双链中约有17个 bp 被解开。延长速率大约是每秒钟 50 个核苷酸，转录鼓泡移动 170nm 的距离。在“泡”里新合成的 RNA 与模板 DNA 链形成一杂交的双螺旋。此段双螺旋长约 12bp。29 RNA-DNA杂交链的长度： 在 RNA 聚合酶沿着 DNA 模板移动的整个过程中形成的 RNA-DNA 杂交链的长度及 DNA 未解开的区域长度均保持不变。 这表明：在 RNA 聚合酶后面的 DNA 重新卷成螺旋的速率和前面被酶解开的速率是一样的。 30转录的错

13、误频率： RNA 聚合酶没有核酸外切酶活性，不能对进入RNA 链的核苷酸进行校正，所以转录的错误频率是每 104 或 105 中有一个错误，是 DNA 复制中错误的 105 倍。这种准确性虽很低，但由于 RNA 的转录产物很多，极少数有缺陷的转录产物大概不会产生有害的影响。31在电子显微镜下观察原核生物的转录现象，可看到像羽毛状的图形。说明在同一DNA模板上，有多个转录同时在进行。在RNA链上观察到的小黑点是多聚核糖体（polyribosome），即一条mRNA链连上多个核糖体，可见转录尚未完成，翻译已在进行。真核生物有核膜把转录和翻译隔成不同的细胞内区间，因此没有这种现象。3211.2.3

14、转录终止11.2.3.1原核生物的转录终止11.2.3.2真核生物的转录终止 3311.2.3.1原核生物的转录终止 RNA聚合酶遇到DNA中的转录终止信号终止子（terminator）时，RNA聚合酶不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来，就是转录终止。原核生物的终止子明显的特点 ： 转录终止顺序的特点其一是富含 GC，转录产物极易形成二重对称性结构；其二是紧接 GC 之后有一串A （大约6个）。因此，按此模板转录出来的 RNA以几个 U 残基而结束，极易自身互补，形成发夹状结构。该结构可使聚合酶减慢移动或暂停RNA的合成。依据是否需要蛋白质因子的参与，原核生物转录终止分为依赖因子

15、（rho）与非依赖rho因子两大类。 343511.2.3.2真核生物的转录终止目前，真核生物转录终止过程仍不清楚。实验表明，RNA 聚合酶的转录产物是在3端切断，然后腺苷酸化，并无终止作用。转录终止过程很可能与 RNA聚合酶I 和 的转录产物末端连续的U序列附近的发夹结构和富含GC对的区域有关。 3611.3 以RNA为模板合成RNA的过程在有些生物中，RNA可以是遗传信息的基本携带者，并能通过自我复制合成出与其自身相同的分子。 3711.4 RNA的转录后加工11.4.1 mRNA 的转录后加工11.4.2 tRNA 的转录后加工11.4.3 rRNA 的转录后加工11.4.4 核酶381

16、1.4.1 mRNA的转录后加工（1）原核生物 mRNA 的转录后加工（2）真核生物的mRNA的转录后加工39（1）原核生物 mRNA 的转录后加工 原核生物的 mRNA 通常不用修饰，因生成的mRNA 高度不稳定，当它们的 3 末端合成尚未完成时，mRNA 的 5 末端已经开始降解。就是说 mRNA 的转录和翻译是同步发生的，mRNA 仅仅合成一部分时，翻译就开始了。 40（2）真核生物的mRNA的转录后加工已知真核生物每种 mRNA 分子内部含有数目变化很大的内含子。这些内含子广泛地分布于 mRNA 的前体分子中，长短各不相同，但都比外显子长。 真核生物 mRNA 前体物的剪切加工，包括内

17、含子的剪除及留下的片段拼接成成熟 mRNA 等过程，称为 RNA 剪接（RNA Splicing）。 剪接是在核内进行，而且是在加上“帽子”和接上“尾巴”之后。整个剪接过程完成之后，5 端的“帽子”和 3 端的“尾巴”并不丢失。41真核生物mRNA前体的剪接 为二次转酯反应（transesterification）。在内含子序列中有一个腺苷酸残基，它的2OH可以对内含子5 端与外显子1连接的磷酸二酯键做亲电子攻击，切开了外显子1，使它的3端游离出来，所以称为转酯反应。而腺苷酸原来已有3，5磷酸二酯键相连的两个相邻的核苷酸残基，加上此2，5磷酸二酯键连接后，在腺苷酸处出现了一个由内含子弯成的套索

18、样结构。已被切下的外显子1的3OH亲电攻击内含子3末端与外显子2之间的3，5磷酸二酯键，键断裂后，内含子以套索的形式被截下来，此时外显子1和外显子2可以连接起来。424311.4.2 tRNA的转录后加工（1）原核生物的 tRNA转录后加工（2）真核生物的 tRNA转录后加工44 （1）原核生物的 tRNA转录后加工 tRNA 的成熟过程较为复杂，包括切割与核苷酸的修饰。 多数 tRNA 的前体约比成熟分子大 20，在 5 和 3 端都含有多余的顺序。这些多余顺序由特异的核酸酶 RNase P 及 Rnase Q（或 RNase）分别在 5 和 3 端进行切割 。45 有些 tRNA 前体，在

19、 3 端没有 CCA 基，在成熟过程中需要加一个 CCA（结合氨基酸部位）。 有些 tRNA 基因的转录前体很大，它包含两个或更多的由内含子分隔的 tRNA 顺序。同样也由核酸酶加工切割，除去内含子部分修饰至一定大小。 所有 tRNA 分子中都含有百分率很高的所谓“稀有碱基”，这些稀有碱基的形成是在转录后与切割同时完成的。碱基的修饰是由酶催化的如甲基化酶，该酶能将甲基引入 tRNA 核苷酸的不同位置。其它更复杂的修饰机理及酶正待研究。46（2）真核生物的 tRNA转录后加工核生物的 tRNA 也是一个大转录物（tRNA前体转录物），这些转录物可能含有一个或多个 tRNA 的顺序。成熟的 tRN

20、A 也是在转录后经剪切加工而成。474811.4.3 rRNA的转录后加工（1） 原核生物的 rRNA转录后加工（2）真核生物的 rRNA转录后加工49 （1） 原核生物的 rRNA转录后加工 大肠杆菌的核蛋白体 RNA（rRNA）是由三种核蛋白体 RNA 丛集在一起形成一个转录单位，彼此由间隙区（内含子）分隔开来。 现在证明，在间隙区中还存在着 tRNA。这些 rRNA 和 tRNA 基因同时转录，形成一个长的RNA 分子。在原核生物中，加工修饰与转录是同时进行的，因此在细胞内从来不存在完整的前体分子。 50（2）真核生物的 rRNA转录后加工 在典型动物细胞的核仁中有一段几百个拷贝的 DNA 顺序（ 核糖体 DNA 或 rDNA ）