核酸的生物合成

关于核酸的生物合成第1页，课件共76页，创作于2023年2月遗传信息传递的中心法则（重点）复制RNADNA蛋白质转录翻译揭开了遗传信息传递的奥秘第2页，课件共76页，创作于2023年2月复制：遗传信息从亲代传递到子代DNA分子的过程转录：以DNA分子为模板，在细胞核内合成与其结构相应的RNA分子，将DNA的遗传信息抄录到mRNA分子中。（碱基互补配对原则）翻译：以mRNA为模板，以三个邻近碱基序列决定一种氨基酸的遗传密码子形式，决定蛋白质合成时氨基酸的序列。遗传信息通过复制、转录和翻译，最终传递给蛋白质的规律，即被称作中心法则。

第3页，课件共76页，创作于2023年2月逆（反向）转录转录复制RNADNA蛋白质翻译反转录对中心法则的补充第4页，课件共76页，创作于2023年2月所谓逆转录：是指在逆转录酶的作用下以RNA为模板合成DNA的过程。

病毒RNA逆转录酶RNA（被水解）＋单链DNA(模板）RNA-DNA杂交体复制双链DNA整合入宿主细胞基因如人免疫缺损病毒（HIV）就是一种逆转录病毒，它感染人的T淋巴细胞，导致人体免疫缺陷，引起艾滋病（AIDS）。第5页，课件共76页，创作于2023年2月第二节DNA的生物合成第6页，课件共76页，创作于2023年2月

DNA究竟是如何复制的？

换言之，遗传信息从上一代传递到下一代是如何开始的？J.Watson和F.Crick在提出DNA分子双螺旋结构学说时推测过DNA的复制（即DNA复制假说）。第7页，课件共76页，创作于2023年2月DNA复制假说：在DNA复制过程中，双螺旋DNA的两条链相分离，并以每条DNA链为模板，利用细胞中的脱氧核糖核苷酸(dNTP)作为底物，按照碱基互补的原则，分别合成另一条DNA,从而形成结构相同的两个子代DNA双螺旋分子。思考,我们已经知道的DNA复制现象……第8页，课件共76页，创作于2023年2月一、DNA的复制1.DNA复制是半保留复制含义：新合成的DNA分子链中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的。（一）DNA复制的特征第9页，课件共76页，创作于2023年2月为什么是半保留复制？其它可能的复制方式：全保留式或散布式。全保留式：即恢复原来的DNA双螺旋，并产生一个新的子代DNA双螺旋。散布式：即复制模板链被分成许多小片段，散布于子代DNA中。第10页，课件共76页，创作于2023年2月1958MeselsonandStahl密度梯度实验

——实验结果支持半保留复制方式培养于普通培养液含15N-DNA的细菌

第一代继续培养于普通培养液

第二代细菌的DNA双链（粗线代表含15N)(细线代表含14N)梯度离心结果普通DNA沉降位置重DNA沉降位置第11页，课件共76页，创作于2023年2月DNA半保留复制的意义

能充分保证DNA代谢稳定性与复制忠实性;经过许多代的复制，DNA分子上的遗传信息仍可准确地传递给后代。第12页，课件共76页，创作于2023年2月2.DNA复制具有特定的起始点

DNA复制是从复制起始位点开始向两个方向进行的双向复制

。复制叉复制泡第13页，课件共76页，创作于2023年2月3.DNA的半不连续复制DNA分子的两条链反向平行；

即一条链是35，另一条链是53；

而所有已知DNA聚合酶的合成方向都是53。实际DNA复制中，如何实现齐头并进的合成？第14页，课件共76页，创作于2023年2月353535前导链(leadingstrand)后随链(laggingstrand)解链方向冈崎片段5335DNA复制叉第15页，课件共76页，创作于2023年2月前导链:

一条链（35）的合成方向和复制叉前进方向相同，可以连续复制合成的新链。后随链:另一条链的合成方向与复制叉前进方向相反，不能连续复制，只能分成若干小片段分别合成，然后连接起来形成新链。后随链中的小片段称为冈崎片段。第16页，课件共76页，创作于2023年2月3.DNA的半不连续复制DNA分子的两条链反向平行；

即一条链是35，另一条链是53；

而所有已知DNA聚合酶的合成方向都是53。实际DNA复制中，如何实现齐头并进的合成？前导链连续复制而后随链不连续复制，即DNA半不连续复制。第17页，课件共76页，创作于2023年2月（二）参与DNA复制的酶类和复制的条件1.DNA复制的条件（或复制体系）底物dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)模板单链的DNA母链引物寡核苷酸引物（RNA)其他酶和蛋白质因子

DNA聚合酶（DNA指导的DNA的聚合酶)引物酶或RNA聚合酶（引发酶）解螺旋酶

DNA旋转酶（拓扑异构酶）单链DNA结合蛋白

DNA连接酶第18页，课件共76页，创作于2023年2月2.参与DNA复制的酶类DNA复制速度甚快，复制高效率和高度忠实性，都是由于许多酶参与了复制过程。主要有：DNA聚合酶、引物酶、参与DNA解旋、解链的酶、单链结合酶、DNA连接酶第19页，课件共76页，创作于2023年2月1）DNA聚合反应与DNA聚合酶（DNApolymerase)定义：在聚合过程中，能够催化四种dNTP通过与模板链的碱基互补配对，合成新的对应DNA链。n1dATP

n2dGTP

n1dTTP

n2dCTP+DNA聚合酶DNAMg2+,引物dAMP

dGMP

dTMP

dCMPDNA+2(n1+n2)PPi2n1+2n2第20页，课件共76页，创作于2023年2月以四种脱氧核糖核苷酸为底物DNA聚合酶的特点分别是：dATP,dGTP,dCTP,dTTPDNA聚合酶能够区分rNTP(核糖核苷酸）和dNTP，DNA聚合酶的活性中心对rNTP有空间排斥作用。rNTP的分子中又2

-OH存在，产生空间位阻，影响催化第21页，课件共76页，创作于2023年2月反应需要接受模板链的指导即母链，单链DNA反应不能自行从头合成DNA链(★)必须有一条RNA链作为引物，催化此引物3

-OH端与dNTP5

-PPi作用，形成3，5-磷酸二酯键，从而逐步延长DNA链。第22页，课件共76页，创作于2023年2月即从5端开始向3端的方向进行DNA链的合成具有方向性(★)第23页，课件共76页，创作于2023年2月原核、真核细胞DNA聚合酶的类型和功能TLS1Rev1TLS，体细胞高变1Pol相对准确的TLS（穿越环丁烷二聚体）1PolTLS1Pol体细胞高变（somatichypermutation）1Pol减数分裂相关的DNA损伤修复1PolTLS1PolDNA交联损伤修复1PolDNA复制，核苷酸切除修复，碱基切除修复4PolDNA复制，核苷酸切除修复，碱基切除修复2~3Pol线粒体DNA复制和损伤修复3Pol碱基切除修复1Pol合成引物4Pol功能亚基数目真核生物TLS（translesionsynthesis）3PolⅤ(UmuC,UmuD)DNA损伤修复，穿越损伤合成（TLS）1PolⅣ(DinB)染色体DNA复制9PolⅢ全酶染色体DNA复制3PolⅢ核心酶DNA损伤修复1PolⅡ去除RNA引物，DNA损伤修复1PolⅠ功能亚基数目原核生物（E.coli）第24页，课件共76页，创作于2023年2月2）引物酶定义：催化RNA引物合成的酶称为引物酶意义：DNA聚合酶不能自行从头以2个游离的单脱氧核苷酸为起点合成DNA链；

因此，首先需要合成一小段多核苷酸作为引物（primer)

这段是RNA链片断，主要为DNA链合成提供自由3-OH末端。第25页，课件共76页，创作于2023年2月3）参与DNA解旋、解链的酶及蛋白质因子解螺旋酶定义：解开DNA双链间的氢键，使其称为单链的酶，或称解链酶。特点：需要水解ATP提供能量第26页，课件共76页，创作于2023年2月拓扑异构酶由于DNA复制前方形成超螺旋结构，阻碍了DNA的解旋、解链；

因此，需要不断松弛DNA模板的超螺旋结构。定义：松弛DNA超螺旋结构的酶，称为拓扑异构酶。分为Ⅰ型和Ⅱ型。第27页，课件共76页，创作于2023年2月DNA拓扑异构酶Ⅰ型通过形成短暂的单链裂解-结合循环，催化DNA复制的拓扑异构状态的变化；特点：剪切一条链，不需要ATP第28页，课件共76页，创作于2023年2月拓扑异构酶Ⅱ型通过引起瞬间双链酶桥的断裂，然后打通和再封闭，以改变DNA的拓扑状态。特点：剪切两条链，需要ATP第29页，课件共76页，创作于2023年2月4）单链结合酶定义：结合于因DNA双链打开而形成的单股DNA链上的酶，称为单链机结合酶（DNA结合蛋白）。意义：维持模板链处于单链状态；

保护单股DNA链不被核酸酶水解。第30页，课件共76页，创作于2023年2月5）DNA连接酶DNA连接酶，即连接两个冈崎片段；一片段DNA链上脱氧核苷酸的3羟基和相邻另一片段DNA链上脱氧核苷酸的5磷酸基团，形成磷酸二酯键，从而把两个片段的DNA链连接起来。53535353PHODNA连接酶ATPADP形成磷酸二酯键第31页，课件共76页，创作于2023年2月第32页，课件共76页，创作于2023年2月根据目前的知识，可将DNA复制的过程大体分为三个阶段：起始、延伸和终止。1.复制的起始DNA合成的起始包括：

起点的识别、模板DNA超螺旋及双螺旋的解除、引物的合成复制的起始（三）DNA的复制过程第33页，课件共76页，创作于2023年2月辨认起点DNA复制有固定的起点（origin,ori)，即复制起点的一段特殊DNA序列。区别：原核细胞中只有一个复制起点，

而真核细胞DNA双链有多个复制起点。E.coli复制起始点oriC复制的起始辨认起点

(举例）第34页，课件共76页，创作于2023年2月E.coli复制起始点oriCGATTNTTTATTT···GATCTNTTNTATT···GATCTCTTATTAG···11317293244···TGTGGATTA-‖-TTATACACA-‖-TTTGGATAA-‖-TTATCCACA5866166174201209237245

同向重复序列

反向重复序列5353富含A、T第35页，课件共76页，创作于2023年2月辨认起点复制的起始

辨认起点（举例，特点）复制起点的一般特征:①由多个独特的短重复序列组成。②短重复序列能够被酶识别并结合。③一般富含A、T，利于双螺旋DNA解旋，以产生单链DNA复制模板。第36页，课件共76页，创作于2023年2月模板DNA解除高级结构需要的酶：解螺旋酶、拓扑异构酶和DNA结合蛋白复制的起始

辨认起点（举例，特点）解除高级结构（复制叉）详细作用过程第37页，课件共76页，创作于2023年2月经松弛DNA超螺旋结构后，解开一段双链，并由DNA结合蛋白保护和稳定DNA单链，形成复制点，又称为复制叉。复制的起始

辨认起点（举例，特点）解除高级结构（复制叉）第38页，课件共76页，创作于2023年2月引物RNA的合成需要的酶：引物酶合成过程：当两股单链暴露出足够数量碱基对时，引物酶发挥作用。引物酶能识别复制起点，并以四种核糖核苷酸为原料，以解开的一段DNA链为模板，按碱基配对规律，从53方向合成引物RNA片段。主要作用：提供了引物3-OH末端复制的起始

引物合成

辨认起点（举例，特点）解除高级结构（复制叉）第39页，课件共76页，创作于2023年2月为什么需要有RNA引物来引发DNA复制呢?复制的起始这可能为尽量减少DNA复制起始处的突变有关。DNA复制开始处的几个核苷酸最容易出现差错，因此，用RNA引物即使出现差错最后也要被DNA聚合酶Ⅰ切除，提高了DNA复制的准确性。

引物合成

辨认起点（举例，特点）解除高级结构（复制叉）第40页，课件共76页，创作于2023年2月2.复制的延伸需要的酶：DNA聚合酶Ⅲ（真核细胞为DNAPol）半不连续复制前导链随从链如何保持前导链与随后链合成的协调一致？突环复制的起始复制的延伸

引物合成

辨认起点（举例，特点）解除高级结构（复制叉）第41页，课件共76页，创作于2023年2月3.复制的终止（完整DNA链的形成）复制的起始复制的延伸复制的终止辨认起点（举例，特点）解除高级结构（复制叉）引物合成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。第42页，课件共76页，创作于2023年2月3.复制的终止（完整DNA链的形成）复制的起始复制的延伸复制的终止辨认起点（举例，特点）解除高级结构（复制叉）引物合成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。第43页，课件共76页，创作于2023年2月前导链产生完整的子染色单体。后随链3端留下缩短的未复制的ssDNA区。破坏了遗传信息的完整如何保证染色体的稳定性？端粒酶第44页，课件共76页，创作于2023年2月DNA复制的全过程小结包括三个阶段起始、延伸、终止起始复制起点；解除模板DNA超螺旋及双螺旋；引物合成；延伸冈崎片断、半不连续复制终止引物水解，连接DNA片段观看DNA复制动画第45页，课件共76页，创作于2023年2月DNA复制的精确性（高保真复制）

DNA复制必须具有高度精确性，在大肠杆菌的细胞DNA复制中其错误率约为1/109～1/1010，即每109～1010个核苷酸才出现一个错误，也就是大肠杆菌染色体DNA复制1000～10000次才出现一个核苷酸的错误。这么高的精确性的保证主要与下列因素有关：第46页，课件共76页，创作于2023年2月1、碱基的配对规律：摸板链与新生链之间的碱基配对保证碱基配错几率约为1/104～1/105。2、DNA聚合酶的校对功能，使碱基的错配几率又降低100～1000倍。3、DNA的损伤修复系统。主要因素：第47页，课件共76页，创作于2023年2月（四）DNA的突变它是指在各种因素作用下，DNA分子中的碱基或片断发生改变，通过DNA的复制遗传给后代，表现出异常的遗传特征。DNA的突变形式主要有：①一个或几个碱基对被置换；②插入一个或几个碱基对；③一个或多个碱基对缺失。第48页，课件共76页，创作于2023年2月（五）DNA的损伤与修复1.DNA的损伤

定义：生物体受某些理化和生物等外源性因素或机体内环境改变的影响，引起DNA分子结构的任何异常改变称为DNA损伤，从而造成突变。第49页，课件共76页，创作于2023年2月影响因素：自发突变、化学因素、物理因素或病毒例如：电离辐射、紫外线、化学诱变剂……常见DNA损伤：碱基丢失、碱基变化、错误的碱基、缺失或插入、嘧啶二聚体、链断裂、链交联第50页，课件共76页，创作于2023年2月2.DNA的修复光修复:

可见光（400nm）能激活细胞内的光裂合酶，将DNA中因紫外线照射而形成的嘧啶二聚体分解。TT光复活酶（可见光）T+T这种修复方式虽然普遍，但主要是低等生物的DNA损伤修复的方式。第51页，课件共76页，创作于2023年2月切除修复：特异性核酸内切酶DNA聚合酶DNA连接酶5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'识别损伤部位，并将该处损伤的DNA单链切断以另一条DNA链为模板第52页，课件共76页，创作于2023年2月第三节RNA的生物合成第53页，课件共76页，创作于2023年2月RNA的生物合成主要分为转录和自我复制两种形式体内RNA合成的主要方式以DNA分子为模板合成出RNA分子的过程称为转录。

自我复制：一些RNA病毒以RNA模板合成RNA。第54页，课件共76页，创作于2023年2月一、RNA的转录首先，认识RNA转录体系包括：DNA模板四种核糖核苷酸（NTP）RNA聚合酶某些蛋白质因子及必要的无机离子第55页，课件共76页，创作于2023年2月（一）RNA转录的特征以DNA一条链的片断为模板

称为模板链

1.模板另一条链称为编码链转录的不对称性5CGCTATAGCGTTT3DNA编码链3GCGATATCGCAAA5DNA模板链5CGCUAUAGCGUUU3

RNA转录物模板链并非永远在同一条单链上第56页，课件共76页，创作于2023年2月2.参与转录的酶原核生物只有1种RNA聚合酶真核生物具有3种不同的RNA聚合酶，RNA聚合酶、RNA聚合酶Ⅱ和RNA聚合酶Ⅲ以大肠杆菌RNA聚合酶为例……第57页，课件共76页，创作于2023年2月核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)RNA聚合酶是多亚基酶大肠杆菌RNA聚合酶

亚基能特异性地识别DNA模板链上的起始部位。第58页，课件共76页，创作于2023年2月3.RNA转录的方向RNA聚合酶通过在RNA的3-羟基端加入核苷酸延长RNA链，以5

到3方向合成RNA。4.其它特征RNA聚合酶不需要引物就能直接启动RNA链的延长。在RNA合成中会形成RNA-DNA杂合双螺旋和转录泡的特殊结构。RNA聚合酶向前移动时，DNA双螺旋伴有拓扑学的结构变化。

RNA聚合酶和DNA的特殊序列——启动子结合后，就能启动RNA合成。第59页，课件共76页，创作于2023年2月E.coli的RNA聚合酶催化的转录过程第60页，课件共76页，创作于2023年2月DNA复制特征和RNA转录特征的比较DNA复制RNA转录模板两条单链均复制模板链转录（不对称转录）原料4种脱氧核糖核苷酸4种核糖核苷酸酶DNA聚合酶RNA聚合酶产物子代双链DNA（半保留复制)mRNA,tRNA，rRNA配对A-T,G-CA-U,T-A,G-C第61页，课件共76页，创作于2023年2月（二）转录的过程RNA转录过程可分为起始、延伸、终止三个阶段

1.起始包括四个方面第62页，课件共76页，创作于2023年2月σ亚基起着识别DNA分子上起始信号的作用识别启动子RNA聚合酶结合模板DNA的部位，称为启动子(promoter)。第63页，课件共76页，创作于2023年2月生成封闭型启动子复合物

得到开放型的启动子复合物

σ亚基被释放脱离核心酶DNA构象活化

解开DNA双链，识别其中的模板链该部位应该富含A-T碱基对，有利于DNA解链

动画演示转录启动过程…...第64页，课件共76页，创作于2023年2月σσ形成闭合启动子复合体形成开放启动子复合体RNA聚合酶识别结合启动子转录开始启动子清除转录延伸5’3’3’5’-35-10+1第65页，课件共76页，创作于2023年2月

另外：在起始位点的全酶结合第一个三磷酸核苷常是GTP或ATP。形成的启动子、全酶和三磷酸核苷复合物称为三元起始复合物。第一个核苷酸掺入的位置称为转录起始点。第66页，课件共76页，创作于2023年2月5’3’

2.延伸

核心酶沿模板移动，并按模板序列选择下一个核苷酸，将核苷酸加到生长的RNA链3′-OH端，催化形成磷酸二酯键。

RNA-DNA的杂交区

5’3’

杂交区结合不太牢固，解链后，DNA又恢复双螺旋结构

第67页，课件共76页，创作于2023年2月3.