（中职）生物化学基础第二章 DNA和RNA的生物合成教学课件高教版

生物化学基础第二章DNA和RNA的生物合成第二章DNA和RNA的生物合成

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掌握DNA的复制特点与体系；RNA转录的特点与体系；反转录的概念。2

熟悉DNA的复制过程；RNA转录的终止方式。学习目标3

了解RNA的转录过程；反转录酶及反转录的意义。从遗传学的中心法则我们已知，生物遗传信息以特定的核苷酸序列形式编码在DNA分子上，通过复制、转录，再翻译成蛋白质，以发挥各种生命功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状。这些过程都是通过生物体内DNA和RNA的生物合成实现的。01DNA的生物合成DNA生物合成的方式主要包括DNA的复制和反转录。DNA复制是体内合成DNA的主要方式。一些RNA病毒可以RNA为模板，通过反转录合成DNA。一、DNA复制

以亲代DNA为模板，按照碱基互补配对原则合成子代DNA的过程称为DNA复制。01DNA复制的特点

1）DNA的半保留复制复制时，亲代DNA双链解开形成两股单链，以每条单链为模板，按照碱基互补配对原则合成与其互补的子链，从而由一个亲代DNA复制出两个与亲代DNA完全相同的子代DNA。在新合成的每一个子代DNA分子中，一条链来自亲代，另一条链是新合成的，这种复制方式称为半保留复制，如图2-1所示。2）DNA的半不连续复制DNA复制时，一条链是连续合成的，而另一条链是不连续合成的，这种复制方式称为半不连续复制。知识链接基因认识的发展

基因是具有遗传效应的DNA片段。人们对于基因的认识是不断发展的，19世纪60年代，遗传学家孟德尔通过豌豆实验提出了生物的性状是由“遗传因子”控制的。20世纪初期，遗传学家摩尔根通过果蝇的遗传实验，认识到基因存在于染色体上，得出了染色体是基因载体的结论。20世纪50年代以后，随着分子遗传学的发展，尤其是沃森和克里克提出DNA双螺旋结构后，人们才认识到基因的本质，即基因是具有遗传效应的DNA片段。一、DNA复制02DNA复制的体系

DNA复制是复杂的脱氧核糖核苷酸聚合的酶促反应过程，在这一过程中，需要模板、原料、酶和蛋白质因子、RNA引物等多种物质的参与，并由ATP、GTP提供能量。1）模板DNA复制的模板是亲代DNA分子，亲代DNA的两条链均可作为模板指导DNA合成。2）原料四种脱氧核苷三磷酸（deoxyribonucleosidetriphosphate，dNTP）为底物（原料），即dATP、dGTP、dCTP、dTTP。3）能量DNA复制主要依靠ATP供能，其次原料本身也可提供能量。4）引物由RNA引物酶催化合成的小片段RNA，其3′-OH末端为脱氧核苷三磷酸加入位点。一、DNA复制

5）催化酶催化酶主要包括解旋酶、引物酶、DNA聚合酶及DNA连接酶等，另外还有拓扑异构酶等。（1）解旋酶。解旋酶可利用ATP提供的能量，使DNA双链间的氢键断开，形成两条单链作为模板链。（2）引物酶。引物酶是一种特殊的RNA聚合酶，催化合成小分子RNA引物，为DNA合成提供加入位点。（3）DNA聚合酶。DNA聚合酶是复制中最重要的酶，它能催化4种dNTP与模板链的碱基互补配对，聚合成新的DNA互补链。（4）DNA连接酶。DNA连接酶可催化相邻的DNA片段连接成完整的DNA链。一、DNA复制03DNA的复制过程

DNA的复制过程分为三个阶段：起始、延长、终止（图2-2）。一、DNA复制

1）复制的起始DNA复制从特定的起始部位开始。原核生物的环状DNA一般只有一个复制点，真核生物细胞的线状DNA有多个起始点。DNA拓扑异构酶和解旋酶在DNA复制起始部位解开DNA超螺旋结构，使DNA双链形成局部的DNA单链，然后单链DNA结合蛋白参与进来，起到保护和稳定DNA单链的作用，各复制点所形成的Y字形结构称为复制叉。当两股DNA单链暴露出足够数量的碱基时，引物酶识别起始部位，并以解开的一段DNA链为模板，按碱基配对规律，从5′→3′方向合成引物RNA片段。引物的长短约为十余个至数十个核苷酸，引物的合成为DNA的复制提供了3′-OH末端，它将作为DNA链合成的起始部位。引物的生成标志着复制的正式开始。一、DNA复制

2）复制的延长DNA复制的延长是在DNA聚合酶的催化下，以4种dNTP为原料进行的聚合反应。DNA的两条链都可以作为模板，同时合成出两条新的互补链。由于DNA分子的两条链是反向平行的，一条链走向为5′→3′，另一条链走向为3′→5′，而所有DNA聚合酶的合成方向都是5′→3′，这就使得3′→5′走向的模板链，其上合成的DNA子代链延长的方向与复制叉前进的方向相同，可以顺利地按5′→3′方向连续合成，这条链称为前导链；而另一条5′→3′走向的模板链，其上合成DNA子代链延长的方向与复制叉前进的方向相反，故不能连续进行，形成许多不连续片段，这条链称为随从链。随从链上不连续合成的DNA片段是1968年由日本科学家冈崎发现的，故被称为冈崎片段。一、DNA复制

3）复制的终止DNA复制的终止是指由DNA聚合酶Ⅰ切除引物并填补空隙，DNA连接酶连接缺口生成子代DNA的阶段。当复制延长到具有特定碱基序列的复制终止区时，在DNA聚合酶Ⅰ的作用下，切除前导链和随从链的RNA引物，并以5′→3′方向延长DNA以填补引物水解留下的空隙。在随从链上，冈崎片段之间的缺口由DNA连接酶催化，以磷酸二酯键连接生成完整的DNA子链。子代DNA链与对应的模板链缠绕成DNA双螺旋结构。二、反转录01反转录的概念与反转录酶

大多数生物体的遗传信息储存在DNA分子中，而某些病毒如RNA病毒，其遗传信息则储存在RNA分子中，RNA病毒能以RNA为模板合成DNA，这个过程称为反转录或逆转录。催化反转录反应的酶是反转录酶，又称依赖RNA的DNA聚合酶。1970年，Termin在Rous肉癌病毒中发现了反转录酶，之后发现在所有RNA肿瘤病毒中都含有反转录酶。反转录酶的作用是以dNTP为底物，以RNA为模板，tRNA为引物，在tRNA3′-OH端，按5′→3′方向，合成一条与RNA模板互补的DNA单链，这条DNA单链称为互补DNA（cDNA），它与RNA模板形成RNA/DNA杂交体。随后在核糖核酸酶H的作用下水解掉RNA链，以cDNA为模板合成第二条DNA链，完成由RNA指导的DNA合成过程。RNA病毒在进入细胞后，在细胞液中脱去外壳，接着反转录酶以病毒RNA为模板进行反转录，形成的DNA带有病毒的全部遗传信息，它可在细胞内独立复制，也可以整合到宿主细胞染色体的DNA中，随宿主基因一起复制表达，而使宿主细胞发生癌变。二、反转录02反转录的意义

反转录与反转录酶的发现具有重要意义，它补充和发展了中心法则，使人们认识到RNA也兼有遗传信息的传代功能。对反转录病毒的研究拓宽了病毒致癌理论。在基因工程中，可利用反转录酶将mRNA反转录成cDNA，以获得目的基因。知识链接人类免疫缺陷病毒

人类免疫缺陷病毒（humanimmunodeficiencyvirus，HIV）是一种反转录病毒。HIV-1的反转录酶分子有两个亚基（5l000和66000），其中p66亚基有两个关键性结构域，分别具有DNA聚合活性和RNA降解活性，该酶能以RNA为模板合成DNA，并能降解RNA，合成的DNA单链能以自身为模板合成另外一条单链，形成完整的双链DNA，并能插入人类细胞的基因组中，随细胞分裂而分裂。02RNA的生物合成生物体内DNA分子携带的基因信息最终要表达为各种蛋白质，参与机体的各种生命活动过程，这个过程需要RNA的参与才能实现。因此，RNA在基因信息的传递和表达过程中起着重要的作用。一、RNA的转录体系

以DNA为模板合成RNA，遗传信息从DNA传递到RNA，这一过程称为转录。在基因表达的过程中，转录是第一步，也是最关键的一步，经转录后生成的初级转录产物通常还需要经过一系列加工、修饰过程才能成为成熟的RNA分子。01转录的概念一、RNA的转录体系

1）模板因RNA是单链，故转录时只以DNA的一条链为模板，依据碱基互补配对原则，指导合成与其互补的RNA分子，而各个基因的模板链不都在同一条链上，这种现象称为不对称转录，如图2-3所示。在转录时起模板作用的链称为模板链，与其互补的链称为编码链。编码链的序列与转录形成的RNA链的序列基本相同，只是转录体上的U取代编码链上的T。02转录的体系一、RNA的转录体系

2）RNA聚合酶RNA聚合酶又称为DNA指导的RNA聚合酶（DNA-directedRNApolymerase，DDRP）。该酶以DNA为模板，以NTP为底物，遵从碱基互补配对原则，并按5′→3′方向催化RNA链的合成。（1）原核生物的RNA聚合酶。目前在原核生物中只发现一种RNA聚合酶，兼有合成各种RNA的功能。（2）真核生物的RNA聚合酶。真核生物的RNA聚合酶比原核生物的RNA聚合酶更复杂，现已发现有3种类型，分别称为RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶Ⅱ、RNA聚合酶Ⅲ。二、RNA的转录过程DNA复制是一个连续的过程，为了便于认识，人们将转录过程分为起始、延长和终止3个阶段。下面以原核生物为例进行介绍。01转录的体系

转录是从DNA特定部位开始的，这个部位是RNA聚合酶全酶结合的部位，称为启动子。RNA聚合酶的σ因子首先辨认DNA的启动子部位，并带动RNA聚合酶全酶与启动子结合，同时使DNA分子的构象改变，结构松弛，DNA的双螺旋结构局部解开，暴露出DNA模板。第一个NTP加入，按碱基互补配对原则，以氢键结合于DNA模板上，第二个NTP按照相同的方式继续加入，并与第一个NTP的3′-OH脱水缩合形成第一个磷酸二酯键，从而形成转录起始复合物。转录起始复合物中游离的3′-OH为RNA链的延长做好了准备。与DNA聚合酶不同，RNA聚合酶可以从头合成新的RNA链，因此转录的起始不需要引物。二、RNA的转录过程02转录的延长

转录起始复合物形成后，σ因子脱落，RNA聚合酶核心酶在模板上滑动。在模板链的指导下，核心酶催化相应的核苷酸，按碱基互补配对原则，沿5′→3′方向合成与模板链互补的RNA链。新合成的RNA链暂时与模板DNA形成一小段RNA-DNA杂合双链，这样由酶-RNA-DNA形成的复合物被形象地称为转录泡，如图2-4所示。二、RNA的转录过程03转录的终止

当RNA聚合酶沿DNA模板链滑行至终止信号区域时，RNA聚合酶和新合成的RNA链从DNA模板上脱落下来，转录过程终止。三、转录后的加工与修饰

转录生成的初级转录产物是RNA的前体，没有活性，需要经一系列的加工、修饰才能形成各种具有生物活性的RNA分子，这一过程称为RNA的成熟过程。01mRNA的转录后加工

原核mRNA的初级转录产物一般可直接用于翻译，真核mRNA的前体是核内分子量较大而不均一的RNA，称为核内不均一RNA（heterogeneousnuclearRNA，hnRNA），需经过加工才能成为成熟的mRNA。mRNA前体的加工步骤如下。三、转录后的加工与修饰

1）5′-端加帽真核生物mRNA的5′-端有一个特殊的结构，即7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸（m7Gppp），称为帽子结构（图2-5）。加帽过程是由加帽酶和甲基转移酶催化完成的，甲基由S-腺苷甲硫氨酸提供。帽子结构的功能主要有以下3点。

（1）稳定mRNA结构，使mRNA免遭核酸外切酶的降解。（2）有助于mRNA转移至细胞质中。（3）参与mRNA与特异性蛋白质的结合，作为翻译起始所必需的一种因子。三、转录后的加工与修饰

2）3′-端加多A尾真核转录产物的3′-端通常有一段多A尾（polyA）结构，平均长度为50～200个核苷酸（图2-5）。polyA是由多聚A聚合酶催化加上去的，有的转录产物的3′-端有多余顺序，则需切除后再加上尾巴。polyA的功能可能是维持mRNA作为翻译模板的活性，并维持mRNA的稳定性。三、转录后的加工与修饰

3）剪接结构基因中具有表达活性的编码序列称为外显子，无表达活性、不能编码相应氨基酸的序列称为内含子。在转录过程中，外显子和内含子均被转录到hnRNA中。在hnRNA的加工过程中，将hnRNA上的内含子序列切除，再将被隔开的外显子连接起来，这一过程称为剪接，如图2-6所示。剪接过程是由细胞核小分子RNA参与完成的，被切除的居间顺序形成套索形。三、转录后的加工与修饰

4）碱基修饰mRNA分子内的某些部位常存在于N6-甲基