生物化学课件核酸的生物合成

上海市精品课程系列----生物化学第十一章

核酸的生物合成第十一章核酸的生物合成11.1核苷酸的生物合成11.2DNA的生物合成11.3DNA损伤、修复与疾病11.4

RNA的生物合成和加工11.1

核苷酸的生物合成核苷酸的生物学功能核苷酸合成的基本途径嘌呤核苷酸的合成嘧啶核苷酸的合成脱氧核糖核苷酸的合成核苷酸的生物学功能11.1

核苷酸的生物合成是构成核酸的基本单位储存能量（ATP、GTP）形成活化中间产物（UDPG、ADPG）组成辅酶（NAD+、FAD、CoA）参与代谢和生理调节（cAMP）11.1

核苷酸的生物合成核苷酸合成的基本途径主要途径补救途径利用核糖磷酸，某些氨基酸、CO2和NH3等简单物质为原料，经一系列酶促反应合成核苷酸的途径，又称“从头合成途径”或“从无到有途径”利用体内游离的碱基或核苷合成核苷酸的途径11.1

核苷酸的生物合成嘌呤核苷酸的合成从头合成途径一碳单位一碳单位嘌呤环合成原料的来源11.1

核苷酸的生物合成AMP+ATP2ADP腺苷激酶GMP+ATPGDP+ADP鸟苷激酶ATP+GDPADP+GTP鸟苷二磷酸激酶磷酸核糖IMPGMPAMP在磷酸核糖基础上逐步合成嘌呤核苷酸，主要在胞液中进行11.1

核苷酸的生物合成补救合成途径利用体内游离嘌呤或嘌呤核苷，经简单反应过程生成嘌呤核苷酸的过程。过程较简单，耗能较少A+PRPPAMP+PPi腺嘌呤磷酸核糖转移酶G+PRPPGMP+PPi次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶AR+ATPAMP+ADP腺苷激酶11.1

核苷酸的生物合成嘧啶核苷酸的合成从头合成途径嘧啶环合成原料的来源天冬氨酸谷氨酰胺CO211.1

核苷酸的生物合成先合成嘧啶环，然后再与磷酸核糖相连而成UMP+ATPUDP+ADPUDP+ATPUTP+ADPUTP+NH3+ATPCTP+ADP+Pi三磷酸胞苷合成酶

Asp

Gln+CO2

氨甲酰磷酸N-氨甲酰天冬氨酸

二氢乳清酸乳清酸

乳清酸核苷酸UMP

PRPP11.1

核苷酸的生物合成脱氧核糖核苷酸的合成脱氧核糖核苷酸的合成脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成dUTP+H2OdUMP+PPi

dTMP甲基化还原型硫氧还蛋白氧化型硫氧还蛋白NADP+NADPH+H+N5,N10-甲烯基四氢叶酸11.2

DNA的生物合成核酸生物合成的一般规则DNA的复制逆转录PCR技术11.2

DNA的生物合成核酸生物合成的一般规则绝大多数细胞核酸的合成，都是按照Watson-Crick碱基互补的原则，通过拷贝预先存在的DNA链（模板链）来产生。（中心法则）逆转录中心法则复制复制转录翻译

复制：以亲代DNA或RNA为模板，根据碱基配对原则，合成与亲代相同的子代DNA或RNA的过程

转录：以DNA为模板，按照碱基配对原则合成RNA，即将DNA所含的遗传信息传给RNA，形成一条与DNA链互补的RNA的过程

翻译：也叫转译，以mRNA为模板，将mRNA的密码解读成蛋白质氨基酸序列的过程

逆转录：以RNA为模板，在逆转录酶的作用下，生成DNA的过程11.2

DNA的生物合成核酸链的合成方向只有一个：5'→3'

特异的聚合酶催化合成DNA或RNA3’,5’-磷酸二酯键延伸部位11.2

DNA的生物合成DNA的复制复制的部位复制的反应真核生物：细胞核

原核生物：核质区n1dATP

n2dGTPDNA聚合酶

n3dCTPDNA

n4dTTPDNA

+(n1+n2+n3+n4)PPi底物或原料酶模板产物能量11.2

DNA的生物合成复制的方式模板链新链半保留复制亲代DNA的双螺旋先解旋和分开，然后以每条链为模板，按照碱基配对原则，各形成一条互补链的复制方式。每个子代DNA分子中有一条链来自亲代DNA，另一条则是新合成的11.2

DNA的生物合成DNA复制的忠实性DNA聚合酶与模板结合后构象发生改变，从而精确选择dNTP（具有高度精确性）DNA聚合酶还对新掺入的核苷酸进行校对，一旦碱基错配，则通过其3'→5'核酸外切酶的活性进行切除DNA合成都是从先合成的一小段RNA引物的3’-OH开始，然后再切除引物DNA的损伤修复系统错误率为10-9~10-1011.2

DNA的生物合成参与复制的酶和蛋白质DNA聚合酶大肠杆菌DNA聚合酶IDNA聚合酶II

DNA聚合酶III基本活性

5'→3'聚合活性

3'→5'核酸外切活性

以DNA为模板的DNA合成酶以四种脱氧核苷三磷酸为底物反应需要有模板的指导反应需要有3'-OH存在DNA链的合成方向为5'→3'11.2

DNA的生物合成DNA聚合酶的5'→3'聚合活性11.2

DNA的生物合成DNA聚合酶I催化的反应

（3'→5'外切酶活性）11.2

DNA的生物合成大肠杆菌DNA聚合酶的催化活性和功能DNA聚合酶催化活性功能DNA聚合酶I5'→3'核酸聚合酶活性催化DNA链沿5'→3'方向延长5'→3'核酸外切酶活性切去引物RNA或损伤的DNA片段，补上正确的DNA片段3'→5'核酸外切酶活性切除单链DNA的3'末端，“校对”功能，对DNA复制的忠实性极为重要DNA聚合酶II5'→3'核酸聚合酶活性与DNA修复有关3'→5'核酸外切酶活性DNA聚合酶III5'→3'核酸聚合酶活性3'→5'核酸外切酶活性真正负责从新合成DNA的复制酶11.2

DNA的生物合成DNA连接酶催化DNA双链中一条链上的切口（3'-OH与它下游相邻的核苷酸的5'-磷酸之间）共价连接形成磷酸二酯键AMP11.2

DNA的生物合成引物酶以单链DNA为模板，以ATP、GTP、CTP、UTP为原料，从5'→3'方向合成出RNA片段，即引物使DNA双螺旋解开的酶和蛋白质解螺旋酶单链结合蛋白（SSB）拓扑异构酶11.2

DNA的生物合成DNA聚合酶III引物酶解旋酶DNA聚合酶III

单链结合蛋白参与复制的酶与蛋白质11.2

DNA的生物合成大肠杆菌DNA复制的过程

解旋：拓扑异构酶解除DNA的超螺旋结构

解链：解螺旋酶解开双链DNA，再由单链结合蛋白与之结合，防止氢键形成

识别起点：由DNA指导的RNA聚合酶即引物酶完成

生成引物：以DNA为模板在引物酶催化下由DNA转录生成

DNA的合成：在RNA引物3’末端上按碱基互补原则经DNA聚合酶III催化生成

切除引物：DNA聚合酶I催化切除引物即得冈崎片段

补齐封口：DNA聚合酶I按碱基互补原则沿5’→3’填补两个冈崎片段之间的缺口。其3’末端羟基与下一个DNA片段5’末端磷酸基，在DNA连接酶催化下形成磷酸二酯键而被连结起来，最终形成DNA模板链的互补链11.2

DNA的生物合成复制的启动复制眼的形成复制起点（ori）原核生物：一般只有一个真核生物：多个复制叉复制叉复制叉：复制眼形成后，其两端的叉子状结构，是DNA新链的生长点11.2

DNA的生物合成复制叉的推进复制叉推进的方式——半不连续复制前导链：合成方向和复制叉前进方向相同，可连续复制滞后链：合成方向和复制叉前进方向相反，不能连续复制，只能分成几个片段合成11.2

DNA的生物合成半不连续复制：DNA双螺旋的两条链是反向平行的，而合成方向只能是5’→3’。所以在DNA复制时，一条链可连续复制，而另一条链不能连续复制，只能先合成冈崎片段后再连接起来冈崎片段：滞后链中合成的多个DNA片段11.2

DNA的生物合成引物合成前导链的合成滞后链的合成冈崎片段冈崎片段引物合成复制叉推进的过程新形成冈崎片段延长至下游冈崎片段的RNA引物11.2

DNA的生物合成复制眼的增大双向复制：两个复制叉都是生长点每条新合成的DNA链中既有前导链，又有滞后链11.2

DNA的生物合成复制的结束切口引物切除缺口填补切口连接11.2

DNA的生物合成原核生物：环状的DNA从单点开始双向复制，使两个复制叉在复制原点的对面处相遇并合并，从而结束复制，形成两个环状DNA分子11.2

DNA的生物合成真核生物：线状DNA上有多个复制起点，因此形成多个复制眼，复制叉的推进使复制眼增大，直至各个复制眼融合复制终止，形成两个线状DNA分子11.2

DNA的生物合成逆转录依赖RNA的DNA聚合酶RNA酶H活力依赖DNA的DNA聚合酶逆转录酶5'3'5'引物5'3'5'3'逆转录酶逆转录酶在逆转录酶催化下，以RNA为模板，以dNTP为底物，根据碱基互补配对原则合成DNA的过程cDNA逆转录病毒生命周期11.2

DNA的生物合成病毒侵入细胞病毒的RNA基因组在细胞质中逆转录形成双链的前病毒DNA前病毒DNA转送到细胞核，并整合到宿主染色体上结合后的原病毒使用宿主细胞的RNA聚合酶转录其自己部分转录的信息被翻译成病毒蛋白质，组装成新病毒释放自学11.2

DNA的生物合成PCR技术即聚合酶链式反应，指在引物指导下由酶催化的对特定模板（克隆或基因组DNA）的扩增反应，是模拟体内DNA复制过程，在体外特异性扩增DNA片段的一种技术自学11.2

DNA的生物合成PCR反应的基本过程模板DNA的变性模板DNA与引物的退火引物的延伸PCR反应的五个元素：引物、酶、dNTP、模板和Mg2+循环11.2

DNA的生物合成PCR反应的特点

强特异性

高灵敏度

快速简便

低纯度模板琼脂糖凝胶电泳观察PCR反应产物点样孔－

＋标准分子量产物条带DNA损伤的类型细胞内的DNA可能因物理或化学因素而受到损伤，例如射线辐射、化学诱变剂和受热等。此外，DNA复制产生的误差也可能造成DNA损伤11.3

DNA损伤、修复与疾病

碱基改变碱基丢失

核苷酸插入或缺失DNA链断裂DNA链间共价交联DNA损伤的修复机制11.3

DNA损伤、修复与疾病光复活可见光（400nm）能激活细胞内的光复活酶、光裂合酶，可分解因紫外线照射而形成的嘧啶二聚体11.3

DNA损伤、修复与疾病切除修复切开（切）切除（切）合成（补）连接（缝）最普遍11.3

DNA损伤、修复与疾病重组修复受损伤的DNA在复制时，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子链的空缺，此过程即重组修复，并非完全校正11.3

DNA损伤、修复与疾病SOS修复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，提高细胞的生存率，但留下的错误较多DNA损伤与疾病11.3

DNA损伤、修复与疾病先天性代谢缺陷由于基因突变造成遗传性酶缺陷，影响生化反应，导致代谢中止或紊乱，从而患病分子病由于基因突变导致非酶蛋白质结构或数量发生异常，引起一系列病理生理变化造成疾病-链N端氨基酸排列顺序12345678

Hb-A（正常人）Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…

Hb-S（患者）Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys…11.4

RNA的生物合成和加工RNA生物合成的方式转录的概念转录的过程RNA转录后的加工与修饰RNA生物合成的方式DNA指导的RNA合成（转录）生物体内主要的合成方式RNA指导的RNA合成（RNA复制）常见于病毒11.4

RNA的生物合成和加工转录的概念11.4

RNA的生物合成和加工以DNA分子中一条链的部分片段为模板，按照碱基配对原则，按5’→3’方向合成出一条与模板DNA链互补的RNA分子的过程11.4

RNA的生物合成和加工真核生物：细胞核

原核生物：核质区核仁：rRNA

核质：mRNA，tRNA原料：NTP模板：DNA

酶：RNA聚合酶其它蛋白质因子参与转录的物质转录的部位11.4

RNA的生物合成和加工n1ATP

n2GTPRNA聚合酶

n3CTPDNA

n4UTPRNA

+(n1+n2+n3+n4)PPi底物或原料酶模板产物转录的反应能量11.4

RNA的生物合成和加工转录的方式不对称转录：转录区只有一小段DNA的一条链作为模板链进行转录11.4

RNA的生物合成和加工模板链（反义链、负链）：可作为转录模板的DNA的一条链，与转录的RNA反义，编码链是针对某一基因而言编码链（有义链、正链）：不参与转录的DNA的一条链，其序列与转录的RNA相同，只是编码链中的T在RNA中为U11.4

RNA的生物合成和加工模板链不固定在DNA的某一条链上，而是两条链中交互出现，使转录也交替出现转录单位：DNA链上从启动子直到终止子为止的序列。一个转录单位包括一个或几个基因RNA聚合酶11.4

RNA的生物合成和加工特点以DNA为模板都以四种三磷酸核苷为底物和原料都遵循DNA与RNA之间的碱基配对原则RNA链的延长方向是5’→3’的连续合成需要Mg2+或Mn2+离子不需要引物缺乏3’→5’外切酶活性11.4

RNA的生物合成和加工大肠杆菌RNA聚合酶启动子

a2bb’s（全酶）=a2bb’（核心酶）+

s

识别DNA上转录起始信号的碱基序列（启动子），引导核心酶结合到启动子

与启动子结合，决定哪个基因被转录与DNA模板结合催化磷酸二酯键的形成，与转录全过程有关11.4

RNA的生物合成和加工真核生物RNA聚合酶种类分布合成的RNA类型对a-鹅膏蕈碱的敏感性I核仁

rRNA

不敏感

II核质

hnRNA低浓度敏感III核质

tRNA，5SrRNA

高浓度敏感Mt线粒体线粒体RNAs

不敏感与RNA聚合酶II特异性结合，从而抑制磷酸二酯键的形成。用于真核细胞RNA聚合酶的识别或RNA聚合酶II的定量等11.4

RNA的生物合成和加工转录与复制的比较比较点复制转录模板两条母链DNADNA双链中反义的一条链，只发生在一部分基因上合成原料

dNTP（A、G、C、T）NTP（A、G、C、U）合成产物

DNAmRNA、tRNA、rRNA等引物需要一段RNA引物不需要引物配对

A—T，C—GA—U，T—A，G—C调控区存在复制产物序列中存在转录开始位点的上游聚合酶

DNA聚合酶RNA聚合酶（无校对功能）共同点①都以DNA作模板；②都需核苷酸作原料，都从5’向3’延长；③产物都是长长的聚核苷酸链；④都遵从碱基配对规律；⑤都需要依赖DNA的聚合酶11.4

RNA的生物合成和加工负超螺旋正超螺旋转录泡3’5’转录的过程启动起始延伸

终止11.4

RNA的生物合成和加工转录的启动启动子：RNA聚合酶识别和结合的DNA上一段特殊的核苷酸序列由RNA聚合酶全酶结合于启动子而被启动11.4

RNA的生物合成和加工转录的起始局部解链（约17个碱基对）第一个核苷三磷酸结合到全酶上“启动子-全酶-核