第章核酸的生物合成

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复制（replication）是指以原来DNA分子为模板，合成出相同DNA分子的过程；转录（transcription）是以DNA分子为模板合成出与其核苷酸顺序相对应的RNA的过程；翻译（translation）是在由rRNA和蛋白质组成的核糖核蛋白体（简称核糖体）上，以mRNA为模板，根据每3个相邻核苷酸决定一种氨基酸的三联体密码规则，由tRNA运送活化的氨基酸，GTP提供所需能量，合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程。当前第2页\共有54页\编于星期六\9点第一节DNA的生物合成

以DNA作为模板指导的DNA合成作用，复制出新的DNA分子，如此将DNA携带的信息传递给子代DNA。当前第3页\共有54页\编于星期六\9点一、半保留复制

在DNA复制时，亲代DNA的双螺旋先行解旋和分开，然后以每条链为模板，按照碱基配对原则，在这两条链上各形成一条互补链。这样，从亲代DNA的分子可以精确地复制成2个子代DNA分子。每个子代DNA分子中，有一条链是从亲代DNA来的，另一条则是新形成的，这叫做半保留复制。当前第4页\共有54页\编于星期六\9点当前第5页\共有54页\编于星期六\9点当前第6页\共有54页\编于星期六\9点（一）复制的起始点与方向

DNA分子复制时，在亲代分子一个特定区域内双链打开，随之以两股链为模板复制生成两个子代DNA双链分子。开始时，复制起始点呈现一叉形（或Y形），称之为复制叉（replicationfork）。复制进行中，复制叉乃向前移动。当前第7页\共有54页\编于星期六\9点1．复制的起始点

DNA复制要从DNA分子的特定部位开始，此特定部位称为复制起始点（originofreplication），可以用ori表示。在原核生物中复制起始点常位于染色体的一个特定部位，即只有一个起始点。真核生物的染色体是在几个特定部位上进行DNA复制的，有几个复制起始点的。当前第8页\共有54页\编于星期六\9点2．复制的方向当前第9页\共有54页\编于星期六\9点（二）DNA聚合反应有关的酶及相关蛋白因子

DNA的合成是以四种三磷酸脱氧核糖核苷为底物的聚合反应，该过程除了需要酶的催化之外，还需要适量的DNA为模板，RNA（或DNA）为引物和镁离子的参与。当前第10页\共有54页\编于星期六\9点1．引物合成酶引物合成酶亦称引发酶(primerase)，此酶以DNA为模板合成一段RNA,这段RNA作为合成DNA的引物（Primer）。当前第11页\共有54页\编于星期六\9点2．DNA聚合酶

在大肠杆菌中发现有3种DNA聚合酶，分别称为DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。DNA聚合酶Ⅰ是多功能酶，它具有5′→3′聚合酶，5′→3′外切酶及3′→5′外切酶的活性。它的主要功能是对DNA损伤的修复，以及在DNA复制时，RNA引物切除后，填补其留下的空隙。当前第12页\共有54页\编于星期六\9点

DNA聚合酶Ⅲ极为复杂，具有5′→3′DNA聚合酶活性。具有3′外切酶的校对功能，提高DNA复制的保真性。现在一般认为，DNA聚合酶Ⅲ是原核生物DNA复制的主要聚合酶。当前第13页\共有54页\编于星期六\9点3．真核细胞的DNA聚合酶当前第14页\共有54页\编于星期六\9点4．DNA连接酶

作用是催化双链DNA中的切口处的相邻5′-磷酸基与3′-羟基之间形成磷酸酯键。但是它不能将两条游离的DNA单链连接起来。当前第15页\共有54页\编于星期六\9点5．拓扑异构酶

拓扑异构酶Ⅰ可减少负超螺旋；拓扑异构酶Ⅱ可引入负超螺旋，它们协同作用控制着DNA的拓扑结构。拓扑异构酶在重组、修复和DNA的其它转变方面起着重要的作用。当前第16页\共有54页\编于星期六\9点6．解螺旋酶通过水解ATP将DNA的两条链打开。ATP水解活力要有单链DNA存在。当前第17页\共有54页\编于星期六\9点7．其它蛋白因子（1）单链结合蛋白，它的功能是稳定已被解开的DNA单链，阻止复性和保护单链不被核酸酶降解。（2）引发前体，与RNA引物合成酶（引发酶）结合，组装成引发体。引发体结合到随后链的模板上，具有识别合成起始位点的功能。当前第18页\共有54页\编于星期六\9点（三）DNA的复制过程

DNA的复制按一定的规律进行，双螺旋DNA是边解开边合成新链的。复制从特定位点开始，可以单向或双向进行，但是以双向复制为主。由于DNA双链的合成延伸均为5′→3′的方向，因此复制是以半不连续的方式进行，即其中一条链相对地连续合成，称之为领头链，另一条链的合成是不连续的，称为随后链。在DNA复制叉上进行的基本活动包括双链的解开；RNA引物的合成；DNA链的延长；切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段。当前第19页\共有54页\编于星期六\9点1．双链的解开

复制是从DNA分子的特定位置开始的，这一位置叫复制原点，常用ori表示。许多生物的复制原点都是富含A、T的区段。当前第20页\共有54页\编于星期六\9点2．RNA引物的合成引发酶与引发前体结合形成引发体。引发体在复制叉上移动，识别合成的起始点，引发RNA引物的合成。移动和引发均需要由ATP提供能量。以DNA为模板按5′→3′的方向，合成一段引物RNA链。引物长度约为几个至10个核苷酸。在引物的5′端含3个磷酸残基，3′端为游离的羟基。当前第21页\共有54页\编于星期六\9点3．DNA链的延长当RNA引物合成之后，在DNA聚合酶Ⅲ的催化下，以四种脱氧核糖核苷5′-三磷酸为底物，在RNA引物的3′端以磷酸二酯键连接上脱氧核糖核苷酸并释放出PPi。DNA链的合成是以两条亲代DNA链为模板，按碱基配对原则进行复制的。当前第22页\共有54页\编于星期六\9点

子链中有一条链沿着亲代DNA单链的3′→5′方向（亦即新合成的DNA沿5′→3′方向）不断延长。这条新链称为领头链。而另一条链的合成方向与复制叉的前进方向相反，只能断续地合成5′→3′的多个短片段。1968年冈崎发现了这些片段故又称冈崎片段（Okazakifragment）。它们随后连接成大片段，这条新链称为随后链。这种领头链是连续合成，随后链是断续合成的方式称为半不连续复制。当前第23页\共有54页\编于星期六\9点4．切除引物，填补缺口，连接修复在DNA聚合酶Ⅰ的作用下，在引物RNA与DNA片段的连接处切断；切去RNA引物后留下的空隙，由DNA聚合酶Ⅰ催化合成一段DNA填补上；在DNA连接酶的作用下，连接相邻的DNA链；修复掺入DNA链的错配碱基。当前第24页\共有54页\编于星期六\9点当前第25页\共有54页\编于星期六\9点二、逆向转录

以RNA为模板，按照RNA中的核苷酸顺序合成DNA，这与通常转录过程中遗传信息流从DNA到RNA的方向相反，故称为逆转录（reversetranscription）。当前第26页\共有54页\编于星期六\9点逆转录的生物学意义：

逆转录过程的发现，不仅扩充了中心法则，还有其重要的生物学意义。它有助于人们对RNA病毒致癌机制的了解，并对防治肿瘤提供了重要线索。

逆转录酶已成为分子生物学和基因工程中常用的一种工具酶，利用它可以从mRNA合成相应的cDNA，在基因结构研究、氨基酸序列预测以及基因工程中具有十分重要的意义。当前第27页\共有54页\编于星期六\9点三、DNA突变四、DNA损伤与修复（一）光复活（二）切除修复（三）重组修复（四）诱导修复当前第28页\共有54页\编于星期六\9点(一)光修复

修复是由细菌中的DNA光解酶完成，此酶能特异性识别二聚体，并与其结合，结合后如受300－600nm波长的光照射，则此酶就被激活，将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体。

当前第29页\共有54页\编于星期六\9点(二)切除修复

所谓切除修复，即是在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤部分切除掉，并以完整的那一条链为模板，合成出切去的部分，然后使DNA恢复正常结构的过程。当前第30页\共有54页\编于星期六\9点(三)重组修复

受损伤的DNA在进行复制时，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母链的空缺，此过程即重复修复。并非完全校正。当前第31页\共有54页\编于星期六\9点(四)SOS修复SOS反应是指细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的情况下出现的应急效应。修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，导致较广泛、长期的突变。当前第32页\共有54页\编于星期六\9点第二节RNA的生物合成

以DNA的一条链为模板在RNA聚合酶催化下，以四种核糖核苷磷酸为底物按照碱基配对原则，形成3′→5′磷酸二酯键，合成一条与DNA链的一定区段互补的RNA链的过程称为转录（transcription）。当前第33页\共有54页\编于星期六\9点一、转录

RNA的转录合成从化学角度来讲类似于DNA的复制，多核苷酸链的合成都是以5’→3’的方向，在3’-OH末端与加入的核苷酸磷酸二酯键，转录又具有其特点：（1）对于一个基因组来说，转录只发生在一部分基因，而且每个基因的转录都受到相对独立的控制；（2）转录是不对称的。（3）转录时不需要引物，而且RNA链的合成是连续的。当前第34页\共有54页\编于星期六\9点5’-----GCAGTACATGTC-----3’编码链DNA3’-----CGTCATGTACAG-----5’模板链5’-----GCAGUACAUGUC-----3’mRNAN------Ala--Val--His--Val------C蛋白质（一）依赖DNA的RNA聚合酶

DDRP的有以下特点：①以DNA为模板；在DNA的两条多苷酸链中只有其中一条链作为模板，这条链叫做模板链（templatestrand），又叫做无意义链。DNA双链中另一条不做为模板的链叫做编码链，又叫做有意义链。当前第35页\共有54页\编于星期六\9点不对称转录

.DNA双链上，仅一股链转录，另一股不转录。

.有意义链与反意义链并非固定不变。

.转录方向都是5’3’模板链当前第36页\共有54页\编于星期六\9点②都以四种三磷酸核苷的底物，原料；③都遵循DNA与RNA之间的碱基配对原由，A=U，T=A，C=G，合成与模板DNA序列互补的RNA链。④RNA链的延长方向是5’→3’的连续合成。⑤需要Mg2+或Mn2+离子。⑥并不需要引物。

RNA聚合酶缺乏3’→5’外切酶活性，所以没有校正功能。当前第37页\共有54页\编于星期六\9点DNA复制与转录的比较相同点模板两股链均复制模板链转录合成方式半保留复制不对称转录原料

dNTPNTP聚合酶

DNA聚合酶RNA聚合酶碱基配对

A-T，G-CA-U，T-A，G-C产物半保留的双链DNA单链RNA不同点以DNA为模板遵循碱基配对原则都需依赖DNA的聚合酶

聚合过程都是生成磷酸二酯键新链合成方向为5’→3’

复制转录当前第38页\共有54页\编于星期六\9点大肠杆菌RNA聚合酶

亚单位分子量亚单位数目

功能αββ’σ

36512150618155613702632111决定哪些基因被转录与转录全过程有关结合DNA模板辨认起始点

当前第39页\共有54页\编于星期六\9点真核生物的RNA聚合酶种类分布合成的RNA类型对α-鹅膏蕈碱的敏感性ⅠⅡⅢMt核仁核质核质线粒体rRNAhnRNAtRNA，5sRNA线粒体RNAs不敏感低浓度敏感高浓度敏感不敏感当前第40页\共有54页\编于星期六\9点（二）RNA的转录过程可将RNA合成分为识别与起始、延长和终止三个阶段。

当前第41页\共有54页\编于星期六\9点（1）识别

转录是从DNA分子的特定部位开始的，这个部位也是RNA聚合酶全酶结合的部位这就是启动子。启动子处的核苷酸序列具有特殊性，为了方便，人们将在DNA上开始转录的第一个碱基定为+1，沿转录方向顺流而下的核苷酸序列均用正值表示；逆流而上的核苷酸序列均用负值表示。

当前第42页\共有54页\编于星期六\9点当前第43页\共有54页\编于星期六\9点

除启动子外，真核生物转录起始点上游处还有一个称为增强子的序列，它能极大地增强启动子的活性，它的位置往往不固定，可存在于启动子上游或下游。当前第44页\共有54页\编于星期六\9点（2）转录起始和延伸在原核生物中，当RNA聚合酶发现其识别位点时，形成全酶和启动子的开放性复合物。在开放性启动子复合物中起始位点和延长位点被相应的核苷酸前体充满，在RNA聚合酶β亚基催化下形成RNA的第一个磷酸二酸键。RNA合成的第一个核苷酸总有GTP或ATP，以GTP常见。当前第45页\共有54页\编于星期六\9点

RNA链的延长靠核心酶的催化，在起始复合物上第一个GTP的核糖3’-OH上与DNA模板能配对的第二个三磷酸核苷起反应形成磷酸二酯键。聚合进去的核苷酸又有核糖3’-OH游离，这样就可按模板DNA的指引，一个接一个地延长下去。

当前第46页\共有54页\编于星期六\9点RNA链的延伸图解3´3´RNA-DNA杂交螺旋聚合酶的移动方向新生RNA复链解链有义链模板链（反义链）延长部位当前第47页\共有54页\编于星期六\9点（3）转录的终止转录是在DNA模板某一位置上停止的，转录终止信号有两种情况，一类是不依赖于蛋白质因子而实现的终