第九章 核酸与蛋白质的生物合成

第九章核酸与蛋白质的生物合成本章主要内容：DNA的生物合成

RNA的生物合成DNA的生物合成

现代生物化学和分子生物学的一个最基本的观点——在生命有机体中，基因是唯一能够复制，并且能永远存在的单位，而其意义最终须通过蛋白质才体现出来。从DNA到蛋白质，遗传信息的流动遵循着中心法则。中心法则第一节DNA的生物合成（一）DNA的复制方式——半保留复制

（semiconservativereplication）即新的双链DNA中，一股链来自模板，一股链为新合成的。

半保留复制的意义复制的这种方式可保证亲代的遗传特征完整无误的传递给子代，体现了遗传的保守性。一、DNA的复制半保留复制实验依据1958年M.Messelson等用实验加以证实

双螺旋结构是半保留复制的分子基础

（二）DNA复制的起始点和方向

DNA复制都是起始于一个特定的位点，称为起点。细胞中基因组DNA具有复制起点并能独立进行复制的单位称为复制子。原核生物只有一个复制起始点，是单复制子。真核生物有多个起始点，是多复制子。在起点处DNA双螺旋的两条链分开，DNA分别以两条链为模板复制新的DNA，在复制的部分同时进行解链与合成，结果形成一个分叉，称为复制叉或生长点。大多数DNA从起始点向两侧复制，即有两个复制叉，也有一些复制是单向的，只形成一个复制叉。

（以原核生物大肠杆菌为例）原料：dNTP，Mg++模板：双链DNA模板引物（primer），小片段的DNA或RNA，常是RNA，有游离的3’OH。（三）参与DNA复制的酶类和蛋白因子1.拓扑异构酶和解旋酶

拓扑一词的含义是指物体或图象做弹性移位而又保持物体不变的性质。DNA分子中存在打结，缠绕、连环的现象。I型酶：切开双链中的一股，使DNA不致打结，切口的3’端可通过自由转动一周再与5’端磷酸连接，不需ATP。II型酶：切断处于超螺旋状态中双股链中的某个部位，通过切口使超螺旋松弛，利用ATP使DNA恢复复制所要求的负超螺旋状态。解螺旋酶(helicase),DnaB,由DnaA和DnaC协助在复制的起始点（OriC）上解开双螺旋。2.单链结合蛋白（SSB，singlestrandedbindingprotein）稳定已经解开成两股的DNA单链，防止其退火复性。3.DNA聚合酶（DNApolymerase）聚合酶III主要的复制酶，并有校读、纠错的功能5’——3’延伸多核苷酸链，活性很强,有模板依赖性，其延伸的方式是依据碱基互补配对的原则，将原料dNTP与游离的3’OH上连接，同时释出一个PPi

。3’——5’外切酶切除可能错配的核苷酸聚合酶I用于切除引物RNA,并填补留下的空隙

5’——3’延伸多核苷酸链,3’——5’外切酶的作用，切除可能错配的核苷酸5’——3’外切酶的作用是切除引物聚合酶II活性弱5’——3’延伸多核苷酸链

3’——5’外切酶DNA聚合酶延伸多核苷酸链总是5’3’聚合酶催化的链延长反应

真核的DNA聚合酶

真核DNA的复制至少涉及5种复制酶，其中α、δ、ε参与染色体DNA的复制，α有引物要求；β负责DNA的修复；γ的功能是线粒体DNA的复制。

5.DNA连接酶（ligase）

将不连续的DNA片段以磷酸二酯键连接起来，原核生物通过分解NAD为NMN和Pi提供能量，真核生物则消耗ATP4.引物酶（primase，DnaG），用于合成复制所必需的RNA引物。

复制的起始在原核生物只有一个起始点（OriC），而在真核生物有多个起始点。

在DNA复制时，首先由解链蛋白酶识别并结合到复制起始点，使DNA双螺旋局部解链形成复制叉。单链DNA结合蛋白集合到分开的单链上，使其处于稳定的解链状态。引物酶以解开的单链的一段为DNA模板，以脱氧核苷三磷酸为底物，按5’→3’方向合成一个短链RNA引物，此引物3’-OH末端为新合成的DNA的起点。（四）DNA的复制过程复制的起始复制起始点原核真核复制叉

原核生物复制的起始

这个过程由DNA聚合酶III催化，它是主要的复制酶。领头链（leadingchain）：为连续合成，合成方向与解链方向一致，它的模板DNA链是5’——3’链。滞后链（laggingchain）：不连续合成，在RNA引物基础上分段合成DNA小片段（冈崎片段），方向与解链方向相反，它的模板DNA链是3’——5’链。

由此可见，整个DNA分子的复制是半不连续的。多肽链的延伸半不连续复制示意图

复制叉上各种酶与蛋白因子的作用和作用部位复制叉的结构复制的终止由DNA聚合酶I完成切除引物，并且填补空隙，由DNA连接酶将DNA片段连接起来。复制的全过程DNA复制过程胸腺嘧啶二聚体

DNA的突变(损伤)大多数是自发的，是进化与分化的基础。环境中的理化因素，如紫外辐射引起两个嘧啶碱基的共价聚合。许多化学诱变剂，它们常是致癌物,如亚硝酸盐，常导致DNA突变。DNA的突变有点突变（碱基的错配）、碱基的缺失、DNA片段的重排等形式。二、DNA的损伤和修复（一）DNA的损伤直接修复：如光复活酶,普遍存在在生物机体中,可以把嘧啶二聚体恢复正常状态。切除修复：找出损伤位置并切除，进行修复合成并连接。重组修复：先复制再修复。子代链在对应模板链的损伤处留下缺口，先将同源母链DNA上相应的核苷酸片段转移替补，然后再合成一段序列填充缺口。SOS系统：复杂的应急反应。既有避免差错的修复又有引起差错的修复，后者有高变异率但也增加了生存机会。（二）DNA的修复切除修复重组修复逆转录也称反转录，是某些生物（如鸡的肉瘤病毒、HIV等）的特殊复制方式。它们的遗传信息载体是RNA而不是DNA。因此，在感染细胞时，首先经过逆转录作用成为双链DNA，才能整合到宿主基因组中去。这个过程由逆转录酶催化，它具有以RNA为模板合成DNA，水解杂交链上的RNA以及以DNA为模板合成DNA三种活性。逆转录现象和逆转录酶（reversetranscriptase）（H.Temin，1970）是分子生物学研究中的重大发现，是对经典中心法则重要补充。三、RNA指导下的DNA合成反转录过程

一、转录（transcription）：以DNA为模板，在RNA聚合酶（RNApolymerase）的作用下合成mRNA，将遗传信息从DNA分子上转移到mRNA分子上，这一过程称为转录（transcription）。

第二节RNA的生物合成（一）转录的特点转录是以DNA为模板合成RNA,并且只是以单股DNA为模板，因此具有不对称性；用以转录的单链DNA,称为模板链,与复制不同，转录是局部的,从启动子开始到终止子结束,为一个转录单位;RNA合成的方向为5'→3'；转录不需要引物；RNA的生物合成是一个酶促反应过程；转录首先得到RNA前体，然后再进行加工转变为成熟的RNA.被转录成单个RNA分子的一段DNA称为一个转录单位(transcript)分子量48万，5种亚基：

全酶=核心酶（α2ββ’）+σ因子

α亚基决定转录的基因β亚基在5’——3’方向上延长多核苷酸链，其方式与DNA聚合酶相同，原料为NTP，没有纠错的功能。β’亚基结合DNA模板

σ因子识别启动子并与之结合（二）RNA聚合酶（RNApolymerase）1.原核的RNA聚合酶聚合酶I：转录45SrRNA聚合酶II：转录mRNA的前体，称为核不均RNA（hnRNA）聚合酶III：转录tRNA和5SrRNA等2.真核的RNA聚合酶（三）转录的过程1.转录的起始

启动子：DNA分子中可以与RNA聚合酶特异结合的部位。一般包括RNA聚合酶的识别位点、结合位点、转录起始位点。大肠杆菌的RNA聚合酶与DNA模板链结合分三步：

①RNA聚合酶的σ因子辨认启动子的识别位点；②酶与启动子以“关闭”复合体的形式即双螺旋形式结合；③RNA聚合酶覆盖的部分DNA双链打开形成转录空泡，进入转录起始位点，开始合成RNA。

转录起始不需引物，第一个核苷酸总是GTP或ATP，GTP更常见。转录空泡不是RNA聚合酶覆盖的全部DNA双链解开，只是由覆盖酶的部分双链解开。合成RNA的第一个核苷酸和进入的第二个核苷酸在RNA聚合酶的催化下形成3´,5´-磷酸二酯键，第一个核苷酸保留NTP状态，进入的第二个核苷酸末端有游离羟基，可供后面加入NTP延长RNA链。常把“RNA聚合酶全酶—DNA模板—NTPNMP—OH”称为转录起始复合物，起始复合物的形成标志起始的结束。

2.RNA链的延伸

由核心酶催化，以其中的一股DNA单链作为模板链，以NTP为原料，按照碱基互补配对的原则，通常是由5’ppp嘌呤核苷（G或A）开头向着3’延长多核苷酸链，合成开始后，σ因子从模板上脱离下来（可以重复利用）。核心酶覆盖双链DNA和RNA复合物，向前推进，一边解开螺旋，一边释放出新合成的RNA链，后面已经转录的区域中分开的DNA链又重新形成双螺旋。“转录泡（transcriptionbubble）”转录过程中的模板识别、起始和延伸

A.依赖ρ因子的终止

新生RNA上有ρ因子的识别位点。它与聚合酶-DNA-RNA复合物结合，向3’端移动，并解开DNA-RNA杂交体，需ATP。B.依赖于特定序列的终止

转录终止区有特殊结构。终止区的上游有GC二重对称区，转录的RNA容易形成多个“发卡”结构,转录产物的3’端有polyU序列。这种特殊的二级结构阻止了转录向下游继续推进。

3.转录的终止AB转录的全过程

转录得到的只是初级产物，通常要经过加工，才能转变为成熟的RNA。tRNA和rRNA的转录后加工比较简单，而mRNA的转录后加工比较复杂。原核基因是多顺反子（poly-cistron），通常是几个相关的结构基因（编码的）同时转录得到多个mRNA。而真核基因是单顺反子（mono-cistron），又是断裂基因。其结构基因中由编码的外显子（exon）和不编码的内含子（intron）间隔排开。转录得到的是“毛坯”，要在其5’端加上鸟嘌呤“帽子”，3’端加上polyA的“尾巴”，切除内含子，拼接外显子，才能成为一个成熟的mRNA。三、RNA的转录后加工原核前体RNA的加工tRNA转录后的加工与修饰注意稀有碱基真核rRNA前体转录后的加工真核mRNA前体转录后加工(以卵清蛋白mRNA的转录为例)外显子内含子mRNA的剪切首、尾部的修饰1）5‘端形成帽子结构（m7GpppGp-）2）3‘端加上多聚腺苷酸尾巴（polyAtail）真核生物mRNA的转录后加工帽子结构三、RNA的复制噬菌体Qβ的RNA复制两阶段（1）其单链RNA可充当mRNA，利用寄主中的核糖体合成外壳蛋白和RNA复制酶的β亚基。（2）复制酶的β亚基可与来自寄主细胞的亚基αδ自动装配成RNA复制酶，可进行RNA的复制，以分子中单链RNA为模板（正链），复制出一条新的RNA链（负链），再复制出正链，与外壳蛋白组装成新的噬菌体颗粒。某些RNA病毒可以以自身RNA为模板进行复制。不同的RNA病毒复制方式不同5RNA-533RNA+释放释放353355RNA+RNA+RNA-RNA-及

RNA+的合成方向均为5‘3’复制和转录的异同点相同点：1.都以DNA为模板2.原料为核苷酸3.合成方向均为5′→3′方向4.都需要依赖DNA的聚合酶5.遵守碱基互补配对规律6.产物为多聚核苷酸链

不同点：

复制

转录

模板两股链均作为模板

模板链作为模板

原料

dNTP

NTP

聚合酶

DNA聚合酶

RNA聚合酶

产物

子代DNA双链

mRNA;tRNA;rRNA

配对

A-T；G-C

A-U；T-A；G-C★

引物

需RNA引物--------

★方式(特点)

半保留复制不对称转录原料氨基酸，20种mRNA是合成蛋白质的“蓝图（或模板）”tRNA是原料氨基酸的“搬运工”rRNA与多种蛋白质结合成核糖体作为合成多肽链的装配机（操作台）第三节蛋白质的生物合成

在细胞中，以mRNA为“模板”、在核糖体、tRNA和多种蛋白因子的共同作用下，将mRNA分子的核苷酸序列转变为氨基酸序列的过程称为翻译。转录和翻译统称为基因表达。蛋白质翻译系统示意图

mRNA是遗传信息的载体（载有遗传密码，geneticcode），是合成蛋白质的蓝图（模板），它以一系列三联体密码子（codon）的形式从DNA转录了遗传信息。每个密码子代表一个氨基酸。mRNA占细胞总RNA的5-10%，不稳定，寿命短。原核的mRNA是多顺反子;真核的mRNA是单顺反子。（一）mRNA与遗传密码一、RNA在蛋白质生物合成中的作用1.mRNA

2.遗传密码

上世纪60年代，利用均聚核苷酸实验，破译了遗传密码。遗传密码为三联体（每三个碱基代表一个氨基酸），由5’到3’阅读，无间断。即使在少数重叠基因（如病毒）中，其开放阅读框架（readingframe）仍按此原则。

4种核苷酸可组成64种密码，其中61中分别代表不同氨基酸，而蛋氨酸的密码AUG，又可作为肽链合成的起始密码。还有3种密码UAA、UAG、UGA不代表任何氨基酸，是肽链合成的终止密码。遗传密码表遗传密码的特点1.连续性：密码是连续排列的，密码子之间没有任何标点加以隔开。2.简并性：除蛋氨酸和色氨酸外，其余18种氨基酸的密码均在2种或2种以上。3.摆动性：4.通用性：生物界所有的物种都通用这套遗传密码5.有起始密码(AUG)和终止密码(UAG,UAA,UGA)原核tRNA有30-40种，真核有50-60种，含70-90个核苷酸，并有多种稀有碱基。tRNA是最小的RNA，占细胞总RNA的15%左右，其功能是搬运氨基酸和解读密码子。tRNA具有“四环一臂”和“三叶草”形的典型结构。注意：3’端CCA氨基酸受位和反密码子环（二）tRNA的作用tRNA的结构—“四环一臂”倒L形的三级结构

tRNA的功能是解读mRNA上的密码子和搬运氨基酸

tRNA上至少有4个位点与多肽链合成有关：即3’CCA氨基酸接受位点、氨基酰-tRNA合成酶识别位点、核糖体识别位点和反密码子位点。

每一个氨基酸有其自身的tRNA。氨基酸的羧基与tRNA的3’CCA-OH以酯键结合。氨基酸与mRNA相应的密码子正确“对号”须依赖于tRNA的反密码子。

密码子与反密码子的配对方式变偶性——反密码子5’端的碱基与密码子的第三位配对不严格

核糖体是rRNA与几十种蛋白质的复合体，有大、小两个亚基构成。含有合成蛋白质多肽链所必需的酶、起始因子（IF）、延伸因子（EF）、释放因子（RF）等。

原核的核糖体（70S）=30S小亚基+50S大亚基其中30S小亚基含16SrRNA和21种蛋白质50S大亚基含23S，5SrRNA和34种蛋白质

真核的核糖体（80S）=40S小亚基+60S大亚基其中40S小亚基含18SrRNA和33种蛋白质60S大亚基含28S，5.8S，5SrRNA和45种蛋白质（三）rRNA与核糖体（ribosome）

核糖体有4个基本功能1.容纳mRNA，并能沿着mRNA由5’——3’移动，由tRNA解读其密码；2.氨基酰位点（A位点），可结合氨基酰-tRNA（AA-tRNA）；3.肽酰基位点（P位点），可结合肽酰基-tRNA（肽-tRNA）；4.肽酰基转移酶中心，是形成肽键的位点等。

所有参与合成多肽链的氨基酸都要激活，并由数十种高度专一的氨基酰-tRNA合成酶催化。该酶由两个识别位点，它们能识别特定的氨基酸和选择其所对应的tRNA，使两者连接起来（利用ATP）。反应如下：

氨基酸的羧基与tRNA的3’端CCA-OH以酯键相连，因此其氨基是自由的。二、蛋白质的生物合成过程（一）氨基酸的活化氨基酸与tRNA的连接方式

翻译起始时，第一个氨基酸一般是蛋氨酸，其氨基要甲酰化，予以保护。甲酰FH4甲酰基MettRNAfmetfMet-tRNA合成酶fMet-tRNA酯键首先IF3、IF1帮助30S小亚基与mRNA结合，IF2和GTP帮助甲酰甲硫氨酸-tRNA与AUG配对，接着IF3脱离，形成30S起始复合物。50S大亚基进入，IF1和IF2脱离，形成50S起始复合物，需要GTP。甲酰甲硫氨酸-tRNA处于P位。（二）肽链合成的起始（三）肽链的延伸（注意新的AA-tRNA如何定位，第一个肽键如何形成，核糖体如何移动…）