生物化学核酸生物合成课件

Biosynthesisofnucleicacid第十二章

核酸的生物合成分子生物学(分子遗传学)中心法则反映了从DNARNA蛋白质的遗传信息主流，揭示了生物体内遗传信息的贮存、传递和表达的规律。

转录RNA翻译蛋白质DNARNA（病毒）复制翻译

蛋白质（病毒）反转录复制ATGC一、DNA的复制

基本概念

以参与反应的要素进行定义必须具备的基本条件

模板：母链DNA

原料：dNTP(包括dATP、dGTP、

dCTP、dTTP)酶和蛋白质因子：

引物：一小段RNA

能量（ATP）及某些无机离子DNA的复制的方式------1958,MesselsonandStahl实验证实DNA半保留复制

Watson和Crick提出的DNA双螺旋复制模型含15N-DNA的细菌培养于普通培养液第一代重DNA普通DNA普通DNA细菌的DNA双链(黄线的代表含15N)DNA半保留复制的证据

可排除全保留式Why?母链全保留式半保留式混合式重DNA普通DNA排除全保留式培养第一代结果重DNA普通DNA2.解链酶(又称解螺旋酶或螺旋酶,helicase)解链酶

作用：断裂互补碱基间的氢键,使DNA双链分离形成“复制叉”。具有这种功能的是一类酶[如复制蛋白(rep蛋白)、解链酶II等]。

3.单链DNA结合蛋白(DNA结合蛋白)(singlestrandedDNA-bindingprotein,SSB)作用：防止重新形成双链和防止单链模板被核酸酶水解,维持DNA单链状态和完整性.原核生物（E.coli）迄今已知只有3种：DNApolⅠ、

DNApolⅡ、

DNApolⅢ。真核生物

亦发现有多种DDDP：DDDP、、、、

。其性质与功能

见表12-1P293

和表12-2P297

5.DNA聚合酶（DNApolymerase,DNApol）

即依赖于DNA的DNA聚合酶（DDDP）3´

模板链

5´

DDDP5´3´聚合作用示意图5´3´6.DNA连接酶(DNALigase)作用：在有模板指导的条件下，催化2个DNA片段(两片段间的距离为1个3',5'-磷酸二酯键的键长)的连接。原理：在一个DNA片段的3'-OH末端和另一个DNA片段的5'-P末端形成3',5'-磷酸二酯键，从而实现连接。特点：原核细胞:需辅助因子NAD+

真核细胞:不需辅助因子NAD+,但需耗能(ATP)DNA的复制过程

复制的起始

链的延长

复制的终止复制的起始1.在拓扑异构酶、解链酶及单链DNA结合蛋白的共同作用下，DNA解旋、解链，形成复制叉。

2.依赖于单链模板，由引物酶催化按碱基配对规律合成一小段RNA引物(原核细胞引物长50-100个碱基，真核约10个碱基)。复制起始阶段的特点真核细胞：具有多个

起始位点原核细胞：仅有一个复制起始位点，但往往是双向复制复制的终止1.水解引物及填补空隙冈崎片段合成后，由DNApolⅠ(真核细胞可能是DNA聚合酶)水解去除RNA引物，并填补留下的空隙(5'3')聚合。2.完整双链DNA分子的形成填补空隙后，DNA片段与片段之间还有一个缺口(一个3',5'-磷酸二酯键的长度),由DNA连接酶催化连接成完整的链，从而产生完整的双链DNA分子。二、反转录

(reversetranscription)概念

以RNA为模板，dNTP为原料，反转录酶催化，按碱基配对规律合成DNA的过程。

反转录酶,又称为依赖RNA的DNA聚合酶(RNA-dependentDNApolymerase,RDDP)DNA转录RNARNA(病毒)....................RDDP引物,4种dNTPRDDPRNaseH4种dNTPRDDP或DDDP病毒RNARNA-DNA杂化分子cDNA前病毒(双链DNA)酶催化反应示意图反转录的医学意义癌基因(oncogene):能在体外引起细胞恶性转化,在体内诱发肿瘤的基因.细胞癌基因(c-onc)或原癌基因(pro-onc):存在于生物正常细胞基因组中的癌基因.正常情况下基因处于静止或低表达的状态.当受到致癌刺激被活化并发生异常时则可发生细胞癌变.病毒癌基因(v-onc):存在于致瘤病毒中的能使靶细胞发生恶性转化的基因.用三个小写字母表示癌基因名称,如myc,fos,ras,src等抑癌基因:是一类抑制细胞过度生长,增殖从而遏制肿瘤形成的基因.如Rb,P53,P16等癌基因与抑癌基因之间一般处于动态平衡状态是一种反转录病毒,可引起获得性免疫缺陷综合征(AIDS,艾滋病).反转录酶在基因工程,分子病的基因治疗方面也有重要作用.人类免疫缺陷病毒(HIV)反转录的医学意义化学因素：均能干扰复制与转录功能▲烷化剂：(如氮芥类,CTX)，使鸟嘌呤的N7烷基化后脱落，成为无鸟嘌呤的位点▲亚硝酸盐：使碱基脱氨原G-C配对最终变为A-T配对，导致错配C→UA→IG→X▲丝裂霉素：与DNA共价连接引起链交联C

O

HN

C

CHCHNOUC

O

N

C

CHCHNNH2

CANNH2

NNNNOHNNNI（次黄嘌呤）NOHNNNHH2NGNOHNNNH

HOX（黄嘌呤）NOHNNNI（次黄嘌呤）糖苷键自行断裂；自发脱氨基作用,CU，AI。生物因素：目前多指病毒生理因素：机率极低突变(mutation)：有机体基因组可遗传的改变，即DNA序列的改变.根据引发的原因，可将突变分为：

诱发突变和自发突变。缺失根据DNA分子的改变，突变可分为4类：点突变颠换：异型碱基间变异,PuPy

转换：同型碱基间变异,PuPuPyPy缺失或插入的碱基数不是3的整倍数时，则引起移码突变插入倒位(或易位)

转换：同型碱基间变异,PuPuPyPy

转换：同型碱基间变异,PuPuPyPy

转换：同型碱基间变异,PuPuPyPy

转换：同型碱基间变异,PuPuPyPy

转换：同型碱基间变异,PuPuPyPy基因突变可能出现的后果生物体致死生物体某些功能丧失仅改变基因型，表现型不受影响改变生物物种，出现新的生物特征

DNA复制过程所发生的突变(碱基配对错误)，由核内DNA聚合酶Ⅰ以其校读功能予以纠正.若碱基错配频频发生或损伤范围大，则需采用以下修复方式进行修复.二、DNA损伤的修复TT光复活酶（可见光）T+TDNA修复方式1.光修复:2.切除修复：由3种酶共同参与完成。特异性核酸内切酶DNApolIDNA连接酶5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'复制重组DDDPIDNA连接酶过程3.重组修复：亦称复制后修复4.SOS修复：DNA分子受到较大范围的损伤，细胞对危急状态所作出的反应。机制

引起DNA较长期的、广泛的突变。SOS调节网诱导产生的DNA聚合酶特异性低，识别碱基能力差,

使修复部位仍存在较多错配的碱基，但细胞能继续生存。后果第二节RNA的生物合成（BiosynthesisofRNA）转录（transcription）生物体以DNA的一条链为模板，以NTP为原料合成RNA的过程转录RNADNA

复制和转录的区别转录的模板和酶转录以在DNA的一条链为模板，另一条链为编码链（不转录），这样模板链不总在同一条链上，这种转录方式称为不对称转录DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链，也称作有意义链或Watson链。相对的另一股单链是编码链，也称为反义链或Crick链5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C编码链模板链mRNA蛋白质转录翻译5335模板链编码链编码链模板链结构基因转录方向转录方向结构基因RNA聚合酶（一）原核生物的RNA聚合酶核心酶全酶转录起始转录延长阶段σ亚基脱落RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合（二）真核生物的RNA聚合酶模板与酶的辨认结合原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子，包括若干个结构基因及其上游的调控序列5335结构基因调控序列RNA-polRNA聚合酶结合模板DNA的部位，称为启动子开始转录TTGACAAACTGT-35区(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10区1-30-5010-10-40-205335原核生物启动子保守序列RNA-pol辨认位点55RNA聚合酶保护区结构基因33转录过程一、原核生物的转录过程（一）转录起始1.RNA聚合酶全酶(2)与模板结合-35区，酶移向－10区，跨入转录起始点2.DNA双链解开，20bp以下，通常是（17±1）bp转录起始过程3.在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物（5-端GTP、ATP）RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH3亚基脱落，进入延长阶段转录起始复合物:5-pppG-OH+

NTP5-pppGpN

-OH3+ppi（二）转录延长1.亚基脱落，RNA–pol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；

2.在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。(NMP)n

+

NTP(NMP)n+1

+PPi3.转录空泡DNA/DNA>DNA/RNAG-C>A-T>A-U转录空泡：RNA-pol（核心酶）

····DNA

····RNADNA/DNA>DNA/RNAG-C>A-T>A-U53DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体RNARNA聚合酶53依赖Rho(ρ)因子的转录终止非依赖Rho因子的转录终止（三）转录终止指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。分类ATP1.依赖Rho因子的转录终止2.非依赖Rho因子的转录终止DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`

RNA5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3DNAUUUU...…UUUU...…茎环/发夹结构UUUU...…UUUU...…UUUU...…UUUU...…茎环结构使转录终止的机理使RNA聚合酶变构，转录停顿；使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。5´pppG5335RNA-pol二、真核生物的转录过程（一）转录起始真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒增强子顺式作用元件

(cis-actingelement)1.转录起始前的上游区段AATAAA切离加尾转录终止点修饰点外显子翻译起始点内含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚体2.转录因子能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，现已发现数百种，统称为反式作用因子反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子(TF)参与RNA-polⅡ转录的TFⅡ

3.转录起始前复合物(pre-initiationcomplex,PIC)真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。POL-ⅡTFⅡFⅡAⅡB由RNA-PolⅡ催化转录的PICPOL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物TATAⅡAⅡBTBPTAFTATAⅡHⅡECTD-PPIC组装完成，TFⅡH使CTD磷酸化4.拼板理论(piecingtheory)一个真核生物基因的转录需要3至5个转录因子。转录因子之间互相结合，生成有活性，有专一性的复合物，再与RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。（二）转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。RNA-pol前移处处都遇上核小体。转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。5------AAUAAA-5------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-pol------AATAAA--GTGTGTG转录终止的修饰点55333加尾AAAAAAA······3mRNA（三）转录终止——和转录后修饰密切相关一、真核生物mRNA的转录后加工（一）首、尾的修饰

5端形成帽子结构(m7GpppGp—)3端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)真核生物的转录后修饰5pppGp…5GpppGp…pppGppi鸟苷酸转移酶5

m7GpppGp…甲基化酶帽子结构的生成5ppGp…磷酸酶Pi帽子结构（二）mRNA的剪接1.

hnRNA和snRNA核内的初级mRNA称为杂化核RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)snRNA(smallnuclearRNA)核内的蛋白质小分子核糖核蛋白体（snRNP）RNA剪接场所snRNA真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。断裂基因(splitegene)CABD编码区A、B、C、D非编码区CABD2.外显子(exon)和内含子(intron)

外显子在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列内含子隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列鸡卵清蛋白基因hnRNA首、尾修饰hnRNA剪接成熟的mRNA鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图DNAmRNA3.内含子的分类根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含子分为4类I：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的rRNA基因；II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA；III：是常见的形成套索结构后剪接，大多数mRNA基因有此类内含子；IV：是tRNA基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及ATP。4.mRNA的剪接—除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。snRNP与hnRNA结合成为剪接体①