核酸生物合成

第十章核酸的生物合成第一节DNA的生物合成生物体内的合成主要包括三个方面：1.在细胞周期的S期进行的DNA复制，亲代细胞通过DNA自身复制将遗传信息传给子代；2.当体内DNA受到某些损伤时，可以进行修复；3.在某些病毒中存在的以RNA为模板的DNA合成。一、参与DNA复制的酶及蛋白因子（一）DNA聚合酶（DNApolymerase）以dNTP为底物，以DNA为模板，需要一段引物，从引物的3-OH末端合成DNA新链。三种大肠杆菌DNA聚合酶1.DNA聚合酶I(1956,ArthurKornberg)外切酶活性：3′5′外切活性具有校正作用；

5′3′切除引物和DNA损伤的修复；聚合作用：合成速度较慢，每秒10个核苷酸，而且新链长20个核苷酸后，酶即脱离模板。枯草杆菌蛋白酶68kDa35kDa大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ（修复酶）

大肠杆菌DNA聚合酶Ⅱ不具有5’-3’外切活性聚合酶Ⅰ补大缺口；聚合酶Ⅱ补小缺口2.DNA聚合酶Ⅱ

外切酶活性：3′5′外切活性

聚合作用：

5′3′补小缺口（<100核苷酸）3.DNA聚合酶III

大分子寡聚酶，10种亚基组成,含Zn2+，400kD,是大肠杆菌DNA复制的主要酶。Slidingclampsubunits聚合酶活性聚合酶活性3’5’外切活性γ复合物，促进β亚基二聚体转移并结合于DNA双螺旋DNApolIII

（复制酶）

促进核心酶形成二聚体组装防止核心酶从模板DNA上滑落α亚基有5′3′外聚合活性ε亚基有3′5′外切活性θ亚基刺激ε外切活性组成核心酶

酶作用DNA聚合酶Ⅰ5‘－3’聚合酶及外切酶作用，3‘－5’外切酶酶作用，可校正/修复DNA链，还可切除引物DNA聚合酶Ⅱ5‘－3’聚合酶及3‘－5’外切酶酶作用，可校正/修复DNA链DNA聚合酶Ⅲ与酶Ⅰ作用类似，酶活高，是主要的链延伸酶（聚合酶replicase）（二）DNA连接酶（DNAligase)DNA双螺旋中一条链有缺口，并且3’-OH与5’-P相邻特异性不高，在DNA不连续复制、重组及损伤修复中起作用哺乳动物：ATP辅酶，大肠杆菌：NAD辅酶，都需要Mg2+连接方式：酶先与ATP或NAD形成酶—AMP，酶—AMP与5’-P形成焦磷酸而活化

（三）与解除DNA高级结构有关的酶与蛋白因子1.解螺旋酶催化DNA双螺旋解链；依赖DNA单链存在，对单链亲和力强；依赖ATP水解提供能量向着双螺旋方向移动。（三）与解除DNA高级结构有关的酶与蛋白因子2.拓扑异构酶拓扑性质—物体或图像做弹性移动时保持物体图像不变的性质。DNA三级结构具有拓扑性质。Ⅰ型酶：使一定部位的一条链切口-封口反应Ⅱ型酶：DNA两条链同时发生切口-封口反应

Ⅱ型酶还可使DNA形成超螺旋解除超螺旋（三）与解除DNA高级结构有关的酶与蛋白因子3.单链结合蛋白（SSB）与解开的DNA单链结合后，两条DNA链就不能形成双螺旋；还可以防止核酸酶的降解；原核生物中SSB与DNA单链结合表现正协同效应。（三）与解除DNA高级结构有关的酶与蛋白因子4.引发酶（primase）所有DNA聚合酶都只能在模板链的指令下，在引物（通常RNA）3’-OH添加新核苷酸功能，没有从头合成活力；引发酶合成一小段引物，作为DNA合成的引物；必须与几种辅助蛋白组装成引发体，才有合成引物的活性。二、DNA的复制1、半保留复制方式OldstrandNewstrandThehypothesisofsemiconservativereplicationproposedbyWatsonandCrickin1953.大肠杆菌培养在15N培养基中转到14N培养基中，经过一代（50分钟左右）第二代几代后14N越来越多，杂种分子的量保持不变通过DNA复制形成的新DNA分子,与原来的DNA分子完全相同。经过一个复制周期后，子代DNA分子的两条链中，一条来自亲代DNA分子，另一条是新合成的，所以又称为半保留复制。2.DNA半不连续复制至今发现的DNA聚合酶只能催化从模板的3′端向5′端前进的反应。冈崎（1968）等人的实验：用噬菌体T4感染的大肠杆菌作为实验材料，以3H标记的胸苷合成DNA.短时间内测定同位素的掺入情况。实验结果：短时间（2S）标记出现在分子质量较小的片段，只有在标记时间长（30S以上）才出现在分子质量较大的片段。冈崎片段——DNA合成是不连续的，先合成一些DNA小片段，其大小约含1000-2000个核苷酸残基，然后再通过

DNA连接酶将它连接起来。二、DNA的复制3、DNA的复制过程（1）合成起始

a.辨认起始点

DNA复制有固定的起始点。大肠杆菌：OriC含245bp,有两个区域起关键作用，4个9核苷酸重复序列；3个13核苷酸重复序列（富含AT）。二、DNA的复制b.模板DNA解除高级结构

dnaA蛋白与起始点形成复合物，促进其他dna蛋白也与起始点形成复合物。一旦双螺旋解开成单链，SSB即结合单链。

TopoⅡ在打结处切一口，使结松开。二、DNA的复制c.RNA引物的形成由引发酶以单链DNA为模板，按5’

3’合成一低聚引物，引物的第一个核苷酸通常是pppA(2)链的延伸在RNA引物上，由DNA聚合酶Ⅲ催化，在引物3’-OH每掺入一个核苷酸，从底物dNTP切下一个焦磷酸。新链的合成按5’

到3’的方向进行，这条链称先导链；另一条先形成冈崎片段，进行不连续复制，称后随链。二、DNA的复制

(3)合成终止

线性DNA——当复制叉到分子末端，复制即终止。

环状DNA——多数为定点、双向、对称、等速的方式进行复制，复制终点一般距离起点1800，两个复制叉在此相遇，合成终止。1.DNA的损伤与突变

损伤可造成突变或致死突变（mutation）：指一种遗传状态，可以通过复制而遗传的DNA结构的任何永久性改变。携带突变基因的生物称为突变体，未突变的称为野生型。损伤原因物理（紫外（见下页）、高能射线、电离辐射）化学（烷基化试剂、亚硝酸盐、碱基类似物）生物因素（碱基对置换、碱基的插入/缺失造成移码）三、DNA的损伤与修复当DNA受到大剂量紫外线（波长260nm附近）照射时，可引起DNA链上相邻的两个嘧啶碱基共价聚合，形成二聚体，例如TT二聚体。2.DNA损伤修复光复活切除修复重组修复SOS修复光复活（photoreactivation）可见光（最有效波长400nm）激活生物界广泛分布（高等哺乳动物除外）的光复活酶，该酶分解嘧啶二聚体。是一种高度专一的修复形式，只分解由于UV照射而形成的嘧啶二聚体。切除修复（excisionrepair）即在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤的部分切除掉，并以完整的那一段为模板，合成出切去的部分，从而使DNA恢复正常。这是一种比较普遍的修复机制。细胞的修复功能对于保护遗传物质DNA不受破坏有重要意义。重组修复（recombinationrepair）又称复制后修复（postreplicationrepair）受损伤的DNA在进行复制时，跳过损伤部位，在子代DNA链与损伤相对应部位出现缺口。通过分子间重组，从完整的母链上将相应的碱基顺序片段移至子链的缺口处，然后再用合成的多核苷酸来补上母链的空缺，此过程即重复修复。并非完全校正。SOS修复指DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式，修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，又称倾错性修复（Error-ProneRepair）。第二节RNA的生物合成中心法则生物的遗传信息从DNA传递给

mRNA的过程称为转录。根据

mRNA链上的遗传信息合成蛋白质的过程，被称为翻译和表达。1958年Crick将生物

遗传信息的这种传递方式称为中心法则。基因转录是以DNA为模板合成与其碱基顺序互补的mRNA的过程。DNA双螺旋解开成为转录模板，在RNA聚合酶催化下，合成mRNA。DNA双链中的一条链作为模板合成mRNA，而另一条链不用于合成mRNA——不对称转录。一、催化RNA合成的酶1.大肠杆菌RNA聚合酶全酶=α2ββ’

σ核心酶=α2ββ’σ—识别DNA链上合成RNA的起始信号，开始合成RNA链时，必须有σ因子，一旦合成开始以后，σ因子释放出来。β’—参与酶与底物的结合，以及与σ因子和核心酶的结合。β—参与σ因子和核心酶的结合，并参与RNA合成的引发、延伸。α—与模板的结合、酶的滑动以及碱基识别有关。2.真核细胞RNA聚合酶在DEAE-Sephadex柱上的洗脱次序称为酶Ⅰ、II、Ⅲ，基于对鹅膏覃碱的敏感程度称为酶A、B、C

二、转录的过程识别解链起始延伸终止1.起始位点的识别

σ识别正确的启动位点，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。3’5’+1转录起始点AACTGTATATTATTGACATATAAT5’3’－35序列

Sextama框

－10序列Pribnow框2.转录起始加入的第一个核苷三磷酸常是GTP或ATP。所形成的启动子、全酶和核苷三磷酸复合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，σ亚基就会被释放脱离核心酶。-35-10pppG或pppA5‘5‘3‘3‘模板链E3.链的延伸

以NTP为原料和能量,DNA模板链为模板，靠核心酶的催化，核苷酸间通过3´,5´-磷酸二酯键成核糖核酸链(RNA)4.转录终止转录终止信号有两种情况弱终止子：依赖ρ因子（终止因子，terminators）的终止

NusA蛋白识别DNA链上的终止信号，在ρ因子帮助终止。

强终止子：（1）在终止点之前具有一段富含G-C的回文区域。（2）富含G-C的区域之后是一连串的dA碱基序列，它们转录的RNA链的末端为一连串U（连续6个）。三、RNA转录后加工1.rRNA的转录后加工

rRNA基因转录原初产物原核生物：30S

哺乳动物：45S5srRNA5.8srRNA28srRNA有关Pr核糖体大亚基18srRNA有关Pr核糖体小亚基成熟核糖体进入细胞质RNAaseThe18S,5.8S,and28SrRNAsineukaryoticcellsarederivedfromonepre-rRNAmolecule(theprocessingneedssmallnucleolarRNA-containingproteins).2.tRNA的转录后加工原核生物①核酸内切酶在tRNA分子两端切断②核酸外切酶在3’端进行修剪③在tRNA3’端加-CCAOH④核苷的修饰—甲基化（供体：S-腺苷蛋氨酸）RNA核酸内切酶识别的是加工部位的空间结构RNaseP：切断tRNA5’端—5’端成熟酶RNaseF：切断tRNA靠近3’端RNaseD：从3’端逐个切去附加序列识别整个tRNA的结构，是3’端成熟酶3.mRNA的加工与成熟原核生物mRNA合成的特点①多顺反子转录—几个结构基因在一条mRNA链上②转录与翻译相偶联—大多无需加工、直接翻译③mRNA寿命较短真核生物mRNA合成的特点①单顺反子转录②转录在核内，翻译在细胞质中—需加工才能翻译③mRNA寿命较长④帽子和尾结构多聚腺苷酸聚合酶催化加尾——加尾信号AAUAAA四、基因表达转录调控方式基因表达调控概述原核生物以操纵子为单元进行表达和调控，特异的阻遏蛋白是控制原核启动序列活性的重要因素。

乳糖操纵子的调节机制色氨酸操纵子的调节机制I－调节基因P－启动子O－操作子（操作基因）Z、Y、A－三种结构基因阻遏蛋白的负性调节

当无诱导物乳糖存在时，调节基因编码的阻遏蛋白（repressorprotein）处于活性状态，阻止RNA聚合酶与启动基因的结合，则无法启动转录。当有乳糖存在时，lac操纵子（元）即可被诱导。乳糖进入细胞，经β－半乳糖苷酶催化，转变为半乳糖。后者作为一种诱导剂分子结合阻遏蛋白，使蛋白构象变化，导致阻遏蛋白与O序列解离、转录发生。异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）是一种作用极强的诱导剂，不被细菌代谢而十分稳定，因此被实验室广泛应用。

CAP（代谢产物活化蛋白）的正性调节

当没有葡萄糖及cAMP浓度较高时，cAMP与CAP结合，这时CAP结合在lac启动序列附近的CAP位点，可刺激RNA转录活性。葡萄糖的分解代谢产物能抑制腺苷酸环化酶活性并活化磷酸二酯酶，从而降低了cAMP的浓度，CAP不能被活化形成CAP－cAMP复合物，则不能转录。lac阻遏蛋白负性调节与CAP正性调节两种机制协调合作：当Lac阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；但是如果没有CAP存在来加强转录活性，即使阻遏蛋白从操纵序列上解聚仍几无转录活性。

lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。调节基因操纵基因结构基因mRNA酶蛋白调节基因操纵基因结构基因辅阻遏物trp阻遏蛋白原调节基因编码的阻遏蛋白原不与操作基因结合，结构基因转录。Trp或Trp－RNA与阻遏蛋白结合，使之构象发生变化与操纵基因结合，结构基因不能表达。阻遏物调节机制衰减子调节机制衰减子：在转录水平上调节基因表达的衰减作用，用于终止和减弱转录，这种调节的作用部位叫衰减子——是一种位于结构基因上游前导区的终止子。1.生物遗传信息传递的中心法则中不包括A.DNADNAB.DNARNAC.RNADNAD.RNARNAE.蛋白质RNA2.生物遗传信息传递的中心法则是A.以DNA为中心B.以RNA为中心C.以蛋白质为中心D.以转录为中心E.以为复制中心3关于DNA合成的叙述，正确的是DNA的生物合成即半保留复制B.DNA的生物合成必须以DNA为模板C.DNA的生物合成必须以DNA指导的DNA聚合酶催化D.DNA的生物合成是半不连续复制E.DNA的生物合成包括DNA的半保留复制、DNA修复合成和反转录4.真核细胞中DNA的复制是在哪个部位进行的A.核蛋白体B.线粒体C.细胞核D.微粒体E.细胞浆5.关于DNA半不连续合成叙述，错误的是前导链是连续合成的B.后随链是不连续合成的C.后随链的合成方向是3'5'，前导链是5'3‘D.不连续合成的片段是冈崎片段E.后随链的合成滞后于前导链6.关于DNA复制的叙述，错误的是是半保留复制B.合成方向以5'3'C.以四种dNTP为原料D.是半不连续复制7.DNA复制的引物是A.以DNA为模板合成的DNA片段B.以RNA为模板合成的DNA片段C.以DNA的一个基因为模板合成的RNA片段D.以复制起始处DNA为模板合成的RNA短片段E.引物存在于复制完成的片段中8.大肠杆菌DNA聚合酶具有3‘5’核酸外切酶活性B.具有3'5'聚合酶活性C.不需引物D.可催化2个游离的dNTP以3'5'-磷酸二酯键相连E.需四种NTP为底物9.关于DNA复制的需要：①解链酶②引物酶③DNA聚合酶④拓扑异构酶⑤连接酶作用顺序为A.1，2，3，4，5B.4，1，2，3，5C.1，4，