核酸和蛋白质的生物合成

第十二章核酸的生物合成一、DNA的生物合成二、RNA的生物合成中心法则一、DNA的生物合成（一）DNA的半保留复制（二）DNA复制的起始点和方向（三）原核细胞DNA的复制（四）真核细胞DNA的复制（五）反转录作用（RNA指导的DNA合成）（六）DNA的损伤与修复复制(replication)是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。复制亲代DNA子代DNA（一）DNA的半保留复制DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板，按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整接受过来，另一股单链则完全重新合成，两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致，这种复制方式为半保留复制。保证遗传信息传递的忠实性；遗传和变异的统一（二）DNA复制的起始点和方向DNA复制是从DNA上一个固定点开始的；DNA复制起始点称为原点；它的复制从原点开始可双向同时进行，也可以单向进行；DNA复制是边解链边复制，复制中的DNA在复制点呈叉状，这个分叉点称为复制叉。5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’复制子3’真核生物DNA多复制子复制半不连续复制顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链。复制方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链。复制中的不连续片段称为冈崎片段。3535解链方向3´5´3´3´5´领头链(leadingstrand)随从链(laggingstrand)冈崎片段(okazakifragment)

领头链连续复制而随从链不连续复制

——复制的半不连续性DNA复制的特点固定的起始点边解链边复制单向或双向沿53

方向复制半保留复制半不连续参与DNA复制的物质模板：解开成单链的DNA母链底物：dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)引物：提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合聚合酶：依赖DNA的DNA聚合酶，简写为DNA-pol其他的酶和蛋白质因子（三）原核细胞DNA的复制复制的起始延长终止5'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA-poldNMP引物:短链RNA分子领头链的合成领头链：顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链。随从链的合成随从链：复制方向与解链方向相反，为不连续复制，这股不连续复制的链称为随从链。复制中位于随从链上的不连续片段称为冈崎片段(okazakifragment)。（四）真核生物的DNA生物合成

•多复制子复制子(replicon)：相邻两个复制起点之间的距离。复制子是独立完成复制的功能单位。复制有时序性，即复制子以分组方式激活而不是同步起动。

复制的起始3553领头链3535亲代DNA随从链引物核小体复制的延长DNA-polδDNA-polα353355335+5333555′复制的终止染色体DNA呈线状，复制在末端停止。1、亲代DNA为模板严格遵守碱基配对规律2、复制延长时聚合酶对碱基的选择功能3、复制出错时DNA-pol的即时校读功能4、错配修复机制DNA复制具有保真性（五）反转录作用（RNA指导的DNA合成）

指遗传信息从RNA流向DNA，是RNA指导下的DNA合成过程，即以RNA为模板，四种dNTP为原料，合成与RNA互补的DNA单链。RNADNA

逆转录酶逆转录酶(reversetranscriptase)

催化逆转录过程的酶称逆转录酶，RNA病毒中都含有此酶。具有三种酶活性：

RNA指导的DNA聚合酶

RNA酶

DNA指导的DNA聚合酶逆转录过程RNA模板逆转录酶（RNA指导的DNA聚合酶）DNA-RNA杂化双链逆转录酶（RNA酶）单链DNA逆转录酶（DNA指导的DNA聚合酶）双链DNA（六）DNA的损伤与修复DNADamage(Mutation)andRepair遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为突变。在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤(DNAdamage)。从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改变。

引发突变的因素物理因素如紫外线(ultraviolet,UV)、各种辐射UV胸腺嘧啶二体化学因素DNA损伤的修复修复(repairing)

是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复为原有的天然状态。光修复(lightrepairing)切除修复(excisionrepairing)重组修复(recombinationrepairing)SOS修复

修复的主要类型二、RNA的生物合成转录(transcription)

生物体以DNA为模板合成RNA的过程

DNA

RNA转录（一）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

结构基因（structuralgene）：能转录生成RNA的DNA区段。

模板链（templatestrand）：

DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股链。

编码链（codingstrand）：

DNA双链中与模板链相对应的另一条链1、模板不对称转录：在DNA分子双链上，一股链用作模板指导转录，另一股链不转录；模板链并非总是在同一条链上。

2、原料4种核糖核苷三磷酸：

ATP、GTP、CTP、UTP

作为RNA聚合酶的底物3、RNA聚合酶全称：依赖DNA的RNA聚合酶

(DNA-dependentRNApolymerase)简称：RNA-pol它以DNA为模板，4种NTP为原料，按A=U、CG碱基配对规则，催化合成5′→3′方向的RNA链。原核生物的RNA聚合酶真核生物的RNA聚合酶4、终止因子（ρ）其作用是协助RNA聚合酶辨认终止点并终止转录（二）转录的过程

转录是以DNA为模板合成RNA的过程包括起始、延长和终止三个阶段1、起始阶段

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。2、延长阶段RNA–pol聚合酶核心酶沿着DNA模板链3′→5′方向，催化合成5′→3′方向的RNA链。(NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPi（三）终止阶段RNA聚合酶在DNA模板链上停止滑动，转录产物RNA链停止延长并从转录复合物上脱落下来分类依赖ρ因子的转录终止依赖茎环结构的转录终止转录全过程（三）转录后加工真核生物转录产物RNA都要经过一系列改变才能成为有生物活性的RNA分子。1、mRNA的转录后加工mRNA的前体分子被称为核内不均一RNA（hnRNA）

hnRNA需进行5′端（形成帽子结构m7GpppGp—）和3′端（加多聚腺苷酸尾巴polyA）的修饰，再进行剪接加工，才能成为成熟mRNA。mRNA的剪接外显子(exon)：能编码多肽链中氨基酸的序列的被称为外显子。内含子(intron)：不被翻译的插入序列被称为内含子。

mRNA的剪接：除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。2、tRNA的转录后加工3、rRNA的转录后加工第十三章蛋白质的生物合成一、遗传密码二、核糖体三、转移RNA的功能四、蛋白质生物合成的分子机制五、真核生物与原核生物蛋白质合成的差异mRNA分子中的遗传信息转变为蛋白质的氨基酸排列顺序的过程称为翻译（translation）蛋白质的生物合成体系

原料：20种氨基酸模板：mRNA

场所：核蛋白体氨基酸的“搬运工具”：tRNA

酶与蛋白质因子：启动、延长、终止因子能量：ATP、GTP

无机离子

起始密码(initiationcoden):5′端第一个AUG表示起动信号，并代表甲酰甲硫氨酸(细菌)或甲硫氨酸(高等动物)

密码子（codon）：mRNA从5′端→3′端，每3个核苷酸组成一组，代表相应的氨基酸或翻译起始、终止信号。

终止密码(terminationcoden)

：UAA、UAG或UGA（不编码氨基酸）

一、遗传密码遗传密码表UCUCUCUCAGAGAGAG第三个字母密码子的特点1、不重叠性2、简并性3、通用性4、连续性二、核糖体核糖体（核蛋白体）是多肽链合成的装置核糖体可游离存在，真核中，也可同内质网结合，形成粗糙的内质网。原核中，与mRNA形成串状——多核糖体。原核生物真核生物核糖体小亚基大亚基核糖体小亚基大亚基S值70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白质rpS21种rpL36种rpS33种rpL49种

不同细胞核糖体的组成蛋白质rRNA原核生物翻译过程中核糖体结构与功能A位：氨基酰位(结合AA-tRNA)P位：肽酰位(结合肽酰-tRNA和起始Met-tRNA)E位：排出位(转肽酶、GTP酶)三、转移RNA的功能一种tRNA可携带一种氨基酸；而一种氨基酸可由数种tRNA携带。

搬运工具—tRNA与氨基酸结合与氨酰-tRNA合成酶结合识别密码子与核糖体结合四、蛋白质生物合成的分子机制蛋白质合成的过程大致分为五个阶段：氨基酸的激活；肽链合成的起动；肽链的延长；肽链合成的终止和释放；肽链的折叠和加工处理。（一）氨基酸的激活（1）氨酰-tRNA合成酶：高度特异识别氨基酸、tRNA；校对活性（2）能量：1个ATP（2个高能键）氨基酸+tRNA氨酰-tRNAATPAMP＋PPi氨酰-tRNA合成酶（二）在核糖体上合成多肽1、起始复合物的生成（1）起始因子

3种IF（原核）：IF1、IF2、IF3

多种eIF（真核）：eIF2是合成调控的关键物质（2）能量：GTP（真核体系还需ATP）（3）起始AA-tRNAfMet-tRNAfmet

（原核）

Met-tRNAmet

（真核）（4）起始复合物组成：大、小亚基、mRNA、起始因子、起始AA-tRNA小亚基先与起始AA-tRNA结合（真核）起始复合物形成过程核蛋白体的拆离、mRNA就位、起始tRNA结合、大亚基结合小亚基先与mRNA结合（原核）2、肽链延长

（1）延长因子EF-T：真核为EF-T1与T2，原核为EF-Tu、Ts与EF-G

（2）能量：GTP

方向：N端→C端（肽链）；5′端→3′端（mRNA）

（3）过程

进位：EF-Tu、Ts或T1、GTP；进入A位转肽：转肽酶；P位酰基与A位氨基反应

转位、脱落、移位：EF-G（转位酶）或T2、GTP

；由A位移至P位，A位留空肽链的延长12122323进位肽键形成移位进位(Tu\Ts)GTPGTPN-端235´3´C-端肽键形成15´3´（EF-G）

（1）释放因子RF：原核：3种真核：1种（2）能量：GTP（3）转肽酶活性转变：转肽酶→酯酶（水解酶）3、终止参与翻译的蛋白质因子

阶段原核真核功能

IF1

IF2

eIF2参与起始复合物的形成

IF3

eIF3、eIF4C

起始CBPI与mRNA帽子结合

eIF4ABF参与寻找第一个AUG

eIF5协助eIF2、eIF3、eIF4C的释放

eIF6协助60S亚基从无活性的核糖体上解离

EF-Tu

eEF1

协助氨酰-tRNA进入核糖体延长EF-Ts

eEF1

帮助EF-Tu、eEF1周转

EF-G

eEF2移位因子终止RF-1eRF释放完整的肽链

RF-2因子前加“e”表示真核生物(eukaryotic)（三）翻译后加工1、去除N-甲酰基（原核）或N-蛋氨酸（真核）2、二硫键形成：生成胱氨酸5、水解修剪

3、氨基酸侧链修饰：羟化（生成羟脯氨酸、羟赖氨酸）、乙酰化、磷酸化、甲基化与羟甲基化、加糖、加脂，等

6、亚基聚合

4、辅基结合

多肽链折叠为天然三维结构肽链一级结构的修饰空间结构的修饰IF-3IF-11.核蛋白体大小亚基分离AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基AUG5'3'IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成AUG5'3'IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi核蛋白体大小亚基分离；起始氨基酰-tRNA结合；mRNA在核蛋白体小亚基准确就位；核蛋白体大亚基结合。met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6①elF-3②GDP+Pi各种elF释放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAiMet-elF-2

-GTP真核生物翻译起始复合物形成过程又称注册(registration)1、进位指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。

延长因子EF-T催化进位（原核生物）

TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP2、转肽由转肽酶催化的肽键形成过程3、移位延长因子EF-G有移位酶(translocase)活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3'侧移动。进位移位转肽原核肽链合成终止过程UAG5'3'RFCOO-多核蛋白体1个mRNA和多个核蛋白体的聚合物，体现了蛋白质合成的高速、高效性。每个核糖体都独立完成一条多肽链的合成，所以这种多核糖体可以在一条mRNA链上同时合成多条相同的多肽链，大大提高了翻译的效率。（四）蛋白质合成所需的能量