生物化学核酸及蛋白质的生物合成

关于生物化学核酸及蛋白质的生物合成第1页，课件共72页，创作于2023年2月遗传信息传递的中心法则蛋白质翻译转录逆转录复制复制DNARNA

这个由DNA决定RNA分子的碱基顺序，又由RNA决定蛋白质分子的氨基酸顺序的理论叫做“中心法则”第2页，课件共72页，创作于2023年2月

本部分重点介绍遗传中心法则和DNA、RNA的生物合成，对基因工程作简单介绍一、DNA的生物合成二、RNA的生物合成三、基因工程简介第一部分核酸的生物合成第3页，课件共72页，创作于2023年2月（一）DNA的复制（DNA指导下的DNA合成）（三）DNA的损伤与修复（二）反转录作用（RNA指导下的DNA的合成）核酸的生物合成一、DNA的生物合成第4页，课件共72页，创作于2023年2月复制(Replication)——是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。复制亲代DNA子代DNA（一）、DNA的复制第5页，课件共72页，创作于2023年2月参与DNA复制的有关物质：模板

(template):

解开成单链的DNA母链底物

(substrate):

dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)引物

(primer):

提供3-OH末端其它：胞液环境、酶和蛋白因子

第6页，课件共72页，创作于2023年2月1、DNA半保留复制的概念和实验依据2、原核生物DNA聚合反应有关的酶类3、原核细胞DNA的复制的起始点和方式4、原核细胞DNA的复制过程5、真核细胞DNA的复制6、DNA复制的忠实性（一）DNA的复制核酸的生物合成第7页，课件共72页，创作于2023年2月

DNA在复制时，两条链解开分别作为模板，在DNA聚合酶的催化下按碱基互补的原则合成两条与模板链互补的新链，以组成新的DNA分子。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。1.DNA半保留复制的概念第8页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成

[15N]DNA[14N-15N]DNA[14N]DNA[14N-15N]DNADNA半保留复制的实验依据1958年Meselson&Stahl用同位素示踪标记加密度梯度离心技术实验,证明了DNA是采取半保留的方式进行复制第9页，课件共72页，创作于2023年2月2.原核生物DNA聚合反应有关的酶类（1）DNA聚合酶(DNApolymetases)（2）拓扑异构酶:兼具内切酶和连接酶活力，能迅速将DNA超螺旋或双螺旋紧张状态变成松驰状态，便于解链。。

(3）DNA解链酶(DNAhelicase)(4）单链结合蛋白(SSB)：结合在解开的DNA单链上，防止重新形成双螺旋。

(5）引物酶和引发体：启动RNA引物链的合成（6）DNA连接酶（DNAligase）解旋酶DNA聚合酶III解链酶RNA引物引物酶和引发体DNA聚合酶ISSB3´3´5´3´5´5´RNA引物大肠杆菌三种DNA聚合酶比较DNA聚合酶Ⅱ分子量每个细胞的分子统计数5´-3´聚合酶作用3´-5´核酸外切酶作用5´-3´核酸外切酶作用转化率DNA聚合酶ⅠDNA聚合酶Ⅲ（复合物）109，000400+++1120，000100++-0.05400，00010-20+++50比较项目校正，修复，去除RNA引物修复复制DNA聚合酶Ⅲ全酶核心酶PolIIIPolIII延长因子DNA聚合酶Ⅲ二聚体识别因子第10页，课件共72页，创作于2023年2月2.原核生物DNA聚合反应有关的酶类（1）DNA聚合酶(DNApolymetases)（2）拓扑异构酶:兼具内切酶和连接酶活力，能迅速将DNA超螺旋或双螺旋紧张状态变成松驰状态，便于解链。。

(3）DNA解链酶(DNAhelicase)(4）单链结合蛋白(SSB)：结合在解开的DNA单链上，防止重新形成双螺旋。

(5）引物酶和引发体：启动RNA引物链的合成（6）DNA连接酶（DNAligase）解旋酶DNA聚合酶III解链酶RNA引物引物酶和引发体DNA聚合酶ISSB3´3´5´3´5´5´RNA引物第11页，课件共72页，创作于2023年2月连接酶连接切口Mg2+连接酶ATP或NAD＋PPi或NMNATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPPOHTGGATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPTGGP缺口3'3'5'5'5'5'3'3'模板链模板链第12页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成大肠杆菌复制起点成串排列的重复序列GATCTNTTNTTT成串排列的三个13bp序列共有序列共有序列TTATCCACA

DnaA蛋白结合位点四个9bp序列DnaADnaB(解螺旋酶)SSB大肠杆菌DNA复制起点在起始阶段的结构模型3、原核细胞DNA的复制的起始第13页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成环状

DNA复制时所形成的θ结构起始点复制叉的推进复制叉起始点起始点起始点复制叉复制叉未复制DNA单向复制双向复制DNA复制的方式—复制叉复制叉的推进第14页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成复制叉的移动方向解旋酶解链酶RNA引物引物体DNA聚合酶ISSB3´3´5´前导链滞后链DNA聚合酶III3´5´复制的起始DNA链的合成与延长DNA链合成的终止5´RNA引物3´3´DNA连接酶4.原核细胞DNA的半不连续复制复制过程第15页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成多个起点复制端粒（telemere）复制起点起点起点起点起点起点5.真核细胞DNA复制的特点第16页，课件共72页，创作于2023年2月53355335+53333555

端粒（telomere）是指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构部分，通常膨大成粒状。第17页，课件共72页，创作于2023年2月

端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体，它可以RNA为模板，通过逆转录过程对末端DNA链进行延长。

第18页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成真核和原核DNA细胞复制比较第19页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成DNA复制分子机制的基本特点a、复制是半保留的b、原核生物的复制起始于特定位置，真核细胞有多个起点c、复制可以单向也可以双向进行，后者更常见d、复制时，两条链都从5’到3’端延伸e、复制是半不连续的，分为连续合成的的前导链和不连续合成的滞后链f、冈崎片段的合成起始于一小段RNA引物，引物随后被酶切除，缺口由脱氧核苷酸补满后再与新生DNA链连在一起第20页，课件共72页，创作于2023年2月

DNA复制过程是一个高度精确的过程，据估计，大肠杆菌DNA复制109-1010碱基对仅出现一个误差，保证复制忠实性的原因主要有以下三点:a、起始时以RNA作为引物b、DNA聚合酶的高度专一性（严格遵循碱基配对原则）c、DNA聚合酶的正确选择及校对功能（错配碱基被3’-5’外切酶切除）6.DNA复制的忠实性核酸的生物合成第21页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成聚合酶错配硷基复制方向正确核苷酸5´5´5´3´3´3´切除错配核苷酸DNA聚合酶的校对功能第22页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成DNA聚合酶的3-5

外切酶水解位点3´3´5´5´错配碱基3´-5´核酸外切酶水解位点第23页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成（二）反转录作用1、概念

以RNA为模板合成DNA，这与通常转录过程中遗传信息从DNA到RNA的方向相反，故称为反转录作用。2、反转录酶三种功能依赖RNA的DNA聚合酶活力核糖核酸酶H活力依赖DNA的DNA聚合酶活力逆转录过程中cDNA的合成

依赖RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依赖DNA的DNA聚合酶第24页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成3、反转录的生物学意义扩充了中心法则有助于对病毒致癌机制的了解逆转录酶是分子生物学重要工具酶第25页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成

某些物理化学因子，如紫外线、电离辐射和化学诱变剂等，都有引起生物突变和致死的作用，其机理是作用于DNA，造成DNA结构和功能的破坏，称为DNA的损伤。DNA的修复主要有以下类型:4、诱导修复（SOS修复）1、光复活修复2、切除修复3、重组修复

（三）DNA的损伤与修复针对紫外线破坏暗修复第26页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成DNA紫外线损伤的光复活修复1、形成嘧啶二聚体2、光复合酶结合于损伤部位3、酶被可见光激活4、修复后酶被释放第27页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成DNA的损伤和切除修复碱基丢失碱基缺陷或错配结构缺陷切开核酸内切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA连接酶AP核酸内切酶核酸外切酶切开切除修复连接糖苷酶插入酶碱基取代第28页，课件共72页，创作于2023年2月DNA的重组修复胸腺嘧啶二聚体核酸酶及重组蛋白重组修复复制DNA聚合酶DNA连接酶复制第29页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成二、RNA的生物合成（一）转录（DNA指导下RNA的合成）（二）RNA的复制(RNA指导下RNA的合成)（三）RNA和DNA合成比较第30页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成转录RNADNA

在RNA聚合酶的催化下，以DNA链为模板，按照碱基配对的原则，以四种核苷酸为原料成RNA，从而将DNA所携带的遗传信息传递给RNA的过程称为转录(transcription)

。（一）转录（DNA指导下RNA的合成）第31页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成1、转录的特点转录是以单链DNA为模板合成RNA的过程；转录具有不对称性；RNA的转录从DNA模板的特定位点开始，并在一定的位点终止；转录产物有三类：mRNA、rRNA、tRNA。

启动子（promoter)

终止子(terminator)模板链反义链有义链编码链非信息区DNA5´5´3´3´

第32页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成2、原核细胞的转录RNA聚合酶催化的反应ACGACGUU模板DNA5´3´5´3´新合成RNA第33页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图核心酶(α2ββ)起始因子β——和模板DNA结合β——起始和催化聚合反应α——？全酶(α2ββ)第34页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成起始双链DNA局部解开磷酸二酯键形成终止阶段解链区到达基因终点延长阶段53RNA

启动子（promoter)

终止子(terminator)5RNA聚合酶5353553离开RNA合成过程第35页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成3、转录产物的加工（1）rRNA前体的加工（2）tRNA前体的加工（3）真核生物mRNA前体的加工第36页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成原核生物中rRNA前体的加工

甲基化作用专一核酸内切酶30S前体17StRNA25S专一核酸外切酶16SrRNAtRNA23SrRNA5S

rRNA专一核酸外切酶16StRNA[4S]23S5S第37页，课件共72页，创作于2023年2月真核生物中rRNA前体的加工甲基化作用45S前体18SrRNA5.8StRNA28SrRNA18S5.8S28S核酸内切酶核酸的生物合成第38页，课件共72页，创作于2023年2月tRNA前体RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA原核tRNA前体分子的加工第39页，课件共72页，创作于2023年2月切除加CCA碱基修饰第40页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成真核细胞mRNA的加工5´

“帽子”PolyA

3´

顺反子

m7G-5´ppp-N-3´pAAAAAAA-OH剪接：剪去内含子(intron)，拼接外显子(extron)

5′端接上一个“帽子”(CAP)结构

3′端添加PolyA“尾巴”,由RNA末端核苷酸转移酶催化第41页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成DNA核核糖体新生蛋白质真核生物原核生物mRNA前体转运加工mRNAmRNA启动子不同

RNA聚合酶不相同多顺反子与单顺反子真核生物中转录与复制在不同的区域转录后RNA加工修饰不同真核生物和原核生物转录的差别第42页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成核苷酸合成抑制剂氨基酸、叶酸、碱基和核苷酸的类似物嵌合剂：放线菌素D、溴乙锭烷化剂：使核苷酸被烷基化与DNA模板结合的抑制剂作用于RNA聚合酶的抑制剂抗菌素:如利福平、吖啶等，α-鹅膏蕈碱4、转录过程的选择性抑制第43页，课件共72页，创作于2023年2月DNA和RNA合成的比较第44页，课件共72页，创作于2023年2月核酸的生物合成三、基因工程简介1、细菌的限制－修饰系统2、基因重组与DNA克隆3、聚合酶链式反应(PCR)技术

基因工程亦称遗传工程，即利用DNA重组技术的方法，把DNA作为组件，在细胞外将一种外源DNA（目的基因）和载体DNA重新组合连接(重组)，最后将重组体转入宿主细胞，使外源基因DNA在宿主细胞中，随细胞的繁殖而增殖（cloning，克隆），或最后得到表达，最终获得基因表达产物或改变生物原有的遗传性状。第45页，课件共72页，创作于2023年2月常用的DNA限制性内切酶的专一性酶辨认的序列和切口说明‥‥AGCT‥‥‥‥TCGA‥‥‥‥GGATCC‥‥‥‥CCTAGG‥‥‥‥AGATCT‥‥‥‥TCTAGA‥‥‥‥GAATTC‥‥‥‥CTTAAG‥‥‥‥AAGCTT‥‥‥‥TTCGAA‥‥‥‥GTCGAC‥‥‥‥CAGCTG‥‥‥‥CCCGGG‥‥‥‥GGGCCC‥‥BamHIAluIBglIEcoRIHindⅢSalISmaI四核苷酸，平端切口六核苷酸，平端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口第46页，课件共72页，创作于2023年2月基因工程的操作技术

ForeignDNAtobeinsertedPlansmidvectorJoiningRecombinantDNAmolecule

HostchromatemeSlectionforcellscoteiningarecombinantDNAmoleculeCloning+Introductionintohostcellsbytransformationofviralinfection核酸的生物合成体外基因重组

目的基因的制备

载体的构建：质粒或噬菌体

目的基因与载体重组(2)重组体DNA的转化增殖和表达

转化筛选

增殖和基因表达第47页，课件共72页，创作于2023年2月

即PCR技术，是一种在体外快速扩增特定基因或DNA序列的方法。它以待扩增的两条DNA为模板，以四种核苷酸为原料，由一对人工合成的寡核苷酸引物介导，通过DNA聚合酶酶促反应，快速体外扩增特异的DNA序列。聚合链式反应

（PolymeraseChainReaction）第48页，课件共72页，创作于2023年2月第二部分蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成意味着mRNA上携带的遗传信息转变成多肽链上携带的遗传信息，这一过程通常又称为翻译(translation)。DNA核糖体mRNAtRNA多肽链第49页，课件共72页，创作于2023年2月

遗传密码:

DNA（或mRNA）中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系称为遗传密码。

密码子(codon)：mRNA上每3个相邻的核苷酸编码蛋白质多肽链中的一个氨基酸，这三个核苷酸就称为一个密码子或三联体密码。1、三联体密码的破译2、遗传密码字典3、遗传密码的性质一、mRNA模板及遗传密码蛋白质的生物合成第50页，课件共72页，创作于2023年2月UACGUCAGUCAG第二位

第一位（5ˊ）

第三位（3ˊ）UCAGUCAGUCAG2.遗传密码字典第51页，课件共72页，创作于2023年2月c、简并性与摆动性：由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并，对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子(Synonymouscodon)。d、64组密码子中，AUG既是Met的密码，又是起始密码；有三组密码不编码任何氨基酸，而是多肽链合成的终止密码子：UAG、UAA、UGA。a、通用性：密码子是近于完全通用的.(线粒体、叶绿体例外)

b、连续性：相邻密码子无标点且互不重叠。

3.遗传密码的性质蛋白质的生物合成第52页，课件共72页，创作于2023年2月二、蛋白质合成体系1、核糖体的结构与功能2、转移RNA(tRNA)的功能核糖体是细胞内蛋白合成的部位蛋白质的生物合成第53页，课件共72页，创作于2023年2月核糖体是由rRNA(核糖体RNA)和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒1-a、核糖体的结构原核生物核糖体结构示意图蛋白质的生物合成第54页，课件共72页，创作于2023年2月30S与mRNA结合部位P位（结合或接受肽基的部位）A位（结合或接受AA-tRNA的部位）50S53mRNA1-b、核糖体的功能蛋白质的生物合成第55页，课件共72页，创作于2023年2月2、转移RNA(tRNA)的功能（1）tRNA的结构特征——三叶草型二级结构（2）tRNA的功能*被特定的氨酰-tRNA合成酶识别，使tRNA接受正确的活化氨基酸。*识别mRNA链上的密码子*在蛋白质合成过程中，tRNA起着连结生长的多肽链与核糖体的作用。蛋白质的生物合成第56页，课件共72页，创作于2023年2月a、mRNA的翻译方向：5’3’b、蛋白质生物合成方向：N端C端c、蛋白质合成除需要氨基酸外，还需要ATP、GTP，一系列酶和许多辅助因子。

三、蛋白质合成的机制1.蛋白质合成的一般特征第57页，课件共72页，创作于2023年2月三、蛋白质合成的机制氨基酸的激活肽链合成的启动肽链的延长肽链合成的终止和释放肽链的折叠和加工在核糖体上合成肽链蛋白质的生物合成2.原核蛋白质合成的过程：第58页，课件共72页，创作于2023年2月（1）氨基酸＋ATP-E—→氨基酰-AMP-E

＋PPi

a、氨基酸活化由高度特异的氨酰-tRNA合成酶催化，反应分两步：第59页，课件共72页，创作于2023年2月（2）氨基酰-AMP-E＋

tRNA↓

氨基酰-tRNA

＋AMP

＋

E第60页，课件共72页，创作于2023年2月IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi30S亚基•mRNAIF3-IF1复合物30S•mRNA•GTP-fMet–tRNA-IF2-IF1复合物70S起始复合物

mRNA

+30S亚基-IF3IF2-GTP-fMet-tRNAIF350S亚基IF2+IF1+GDP+P