第十一章核酸合成代谢

第十一章核酸合成代谢概述核酸是生物体遗传的物质基础。遗传的基本单位是基因。基因编码的生物活性产物主要是RNA和蛋白质。蛋白质的生命活动的执行者。遗传信息的传递遵循基本的法则，即从DNA→DNA（复制），从DNA→RNA（转录）,再由RNA→蛋白质（翻译）。该法则就是著名的生物遗传信息传递的“中心法则”。此法则代表绝大多数生物体内遗传信息传递的方向和规律，成为生命科学研究的基本法则。中心法则遗传信息传递的规律(复制、转录、翻译).

转录翻译

DNARNA蛋白质

mRNAtRNA

反转录

rRNA

转录、翻译

RNA（病毒）蛋白质（病毒）

复制复制第一节DNA的生物合成

生物体内DNA生物合成的方式主要是复制、修复和逆转录。一、NDA复制概念和主要物质（一）DNA复制概念及其特点

DNA复制：是亲代双链DNA按碱基配对原则，准确形成两个相同核苷酸序列的子代DNA分子的过程。两条DNA链都可作为复制的模板。DNA复制的特点1、半保留性2、高保真性3、半不连续性4、双向性2、高保真性DNA复制过程中维持高保真的机制至少有三种：①严格遵守碱基配对规律②DNA聚合酶在复制延长过程中对碱基的选择功能③DNA聚合酶的校读功能4、双向性3、半不连续性（二）

参与DNA复制的主要物质

原料：四种脱氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP)

模板：以DNA的两条链为模板链，合成子代DNA。模板的利用方向是3‘－5’。

引物：一小段RNA(或DNA）为引物，在大肠杆菌中，DNA的合成需要一段RNA链作为引物。2.单链DNA结合蛋白3.拓扑异构酶1.解螺旋酶DNA复制4.引物酶5.DNA聚合酶6.DNA连接酶参与DNA复制的一些引物与酶类1、解螺旋酶解螺旋酶又称解链酶或rep蛋白利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链。每解开一对碱基，需消耗2分子ATP。3、拓扑异构酶DNA复制时双链DNA解开为单链，DNA分子绕双螺旋轴反向旋转。复制速度快，旋转的速度也很快，将达100次/秒，造成DNA分子的打结、缠绕现象发生。需要DNA拓扑异构酶的作用，来理顺DNA双链，以配合复制过程。解链过程中，DNA分子会过度拧紧、打结、缠绕、连环等现象。3、拓扑异构酶拓扑异构酶作用特点既能水解、又能连接磷酸二酯键克服解链过程中的打结、缠绕现象

拓扑异构酶Ⅰ

拓扑异构酶Ⅱ分类3、拓扑异构酶拓扑异构酶Ⅰ切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，DNA变为松弛状态。反应不需ATP。拓扑异构酶Ⅱ切断DNA分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。利用ATP供能，连接断端，DNA分子进入负超螺旋状态。（主要）作用机制拓扑异构酶Ⅰ的作用拓扑异构酶Ⅱ的作用6、DNA连接酶——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，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。——不能将两条游离的DNA单链连接起来。HO5’3’3’5’DNA连接酶ATP（NAD+）AMP5’3’5’3’DNA连接酶：若双链DNA中一条链有切口,一端是3′-OH,另一端是5′-磷酸基,连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。

在复制中起接合双链中单链缺口的作用。在DNA复制、修复、重组中均起重要作用。是基因工程的重要工具酶之一。DNA连接酶的功能二DNA复制的基本过程DNA复制是一个连续的阶段。分为三个过程：（一）起始阶段DNA分子的复制起始部位有其特殊的碱基序列，原核生物DNA分子较小，每一DNA分子只有一个复制原点，而真核生物DNA则有多个复制原点。PS:原核生物包括细菌,蓝藻,原绿藻,特别要记住的是支原体,衣原体,和放线菌等细菌.真核生物包括原生生物,真菌,植物,动物。整个起始阶段包括DNA解链、引发体的形成和引物的生成3个过程。1、复制叉的形成解链的蛋白有：DnaA、DnaB、DnaC3种蛋白，其中DnaB以前称为复制蛋白，后来称为解螺旋酶。单链DNA结合蛋白质的意义：①保持已解开的单链处于单链状况，②保护已解开的单链不被核酸酶水解，③维持复制叉的适当长度以利于脱氧核苷酸依据模板参入。拓朴异构酶可以将打结的DNA链切断，或者通过切断与旋转和再连续作用实现DNA超螺旋的转型，把正超螺旋变为负超螺旋，有利于解链的继续。复制原点由DnaA蛋白识别，在原点由DnaB蛋白（解螺旋酶）将双螺旋解开成单链状态，分别作为模板，合成其互补链(DNA双链的解开还需DNA拓扑异构酶Π、SSB),在原点处形成一个眼状结构，叫复制眼。

DNA复制进行时，在眼的两侧出现两个叉子状的生长点，叫复制叉。在复制叉上分布着各种与复制有关的酶和蛋白因子，它们构成的复合物称为复制体复制叉复制叉2、引发体的形成

在复制叉结构形成并稳定的基础上，引物酶介入并与两条DNA单链结合。此时，有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶等物质和DNA复制起始区域构成的复合结构称为引发体。

引发体在复制叉上移动，DnaB蛋白活化引物合成酶,引发RNA引物的合成。领头链先引发开始合成，以原来一条DNA单链为模板（3’5’),按5’3’的方向合成一段RNA引物链。领头链开始合成后，后随链也开始合成其引物。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（引物酶的底物是核苷三磷酸），3’端为游离的-OH。3、RNA引物的合成553领头链(leadingstrand)后随链(laggingstrand)5353在DNA聚合酶的催化下，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焦磷酸。DNA链的延伸同时进行,领头链和后随链两条链的合成方向相反。（二）DNA链的延伸阶段领头链—在DNA复制时，合成方向与复制叉移动的方向一致并连续合成的链。随后链—在DNA复制时，合成方向与复制叉移动的方向相反，形成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的DNA链。半不连续复制—在DNA复制时，领头链是连续合成的,而随后链的合成是不连续的，这种复制方式称为半不连续复制。半不连续复制的发现（1968）：同位素实验，3H标记dT短时间内检测为DNA小片段，片段的长度为1000～2000核苷酸残基，后来称为岗崎片段一段时间后检测到DNA大片段。当用DNA连接酶的变异株时，检测到大量小DNA片段的积累。——证明DNA复制中有小片段合成。

冈崎片段在DNA复制过程中，领头链能连续合成，而随后链只能是断续的合成53的多个短片段，这些不连续的小片段以其发现者的名字命名为冈崎片段。

冈崎片段大小：真核生物：100-200个核苷酸（核小体的DNA单位）。原核生物：1000-2000个核苷酸（相当于一个顺反子）。当新形成的冈崎片段延长至一定长度，其3’-OH端遇到上一个冈崎片段时即停止合成。前导链合成随复制叉移动到起始点即停止复制（大肠杆菌只有一个起始点）。（三）复制终止

－－切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段这时会发生一系列变化：在DNA聚合酶Ⅰ催化下切除RNA引物；留下的空隙由DNA聚合酶Ⅰ催化合成一段DNA填补上；在DNA连接酶作用下，连接相邻的DNA链；修复掺入DNA链的错配碱基。这样以两条亲代DNA链为模板，各自形成一条新的DNA互补链。结果是形成了两个DNA双股螺旋分子。真核生物中DNA的复制特点1、真核生物染色体有多个复制起点，多复制眼，呈双向复制，多复制子。2、冈崎片段长约100－200bp.3、真核生物DNA复制速度比原核快。4、真核生物染色体在全部复制完之前起点不再重新开始复制；5、真核生物有多种DNA聚合酶。6、真核生物线性染色体两端有端粒结构，防止染色体间的末端连接。由端粒酶负责新合成链5RNA引物切除后的填补，亦保持端粒的一定长度。定义:以RNA为模板，按照RNA中的核苷酸顺序合成DNA称为逆转录，由逆转录酶催化进行。1970年Temin和Baltimore同时分别从劳氏肉瘤病毒和小白鼠白血病病毒等致病RNA病毒中分离出逆转录酶，迄今已知的致癌RNA病毒都含有逆转录酶。

用特异抑制物（放线菌素D）能抑制致癌RNA病毒的复制，而对一般RNA病毒的复制无影响。已知放线菌素D专门抑制以DNA为模板的反应，可见致癌RNA病毒的复制过程必然涉及到DNA。所以Temin提出前病毒的假说。第二节逆转录过程+RNA+DNA-RNA+DNA-DNA+病毒RNA的逆转录过程

（以前病毒形式引起整合到宿主细胞DNA中而使细胞恶性转化）

单链病毒RNA

RNA-DNA杂交分子双链DNA（前病毒）

逆转录酶逆转录酶逆转录酶也和DNA聚合酶一样，沿5’3’方向合成DNA，并要求短链RNA作引物。

逆转录酶是多功能酶，兼有3种酶的活性：RNA指导的DNA聚合酶活性

DNA指导的DNA聚合酶活性

RNA酶活性逆转录酶发现的理论和实践意义：不能把“中心法则”绝对化，遗传信息也可以从RNA传递到DNA。促进了分子生物学、生物化学和病毒学的研究，为肿瘤的防治提供了新的线索。目前逆转录酶已经成为研究这些学科的工具。1983年，发现人类免疫缺陷病毒（humanimmunedeficiencevirus,HIV）,感染T淋巴细胞后即杀死细胞，造成宿主机体免疫系统损伤，引起艾滋病（acquiredimmunodeficiencysyndrome,AIDS）第三节RNA的生物合成1、DNA指导下RNA的合成——转录

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。相同点：1.都以DNA为模板

2.原料为核苷酸

3.合成方向均为5′→3′方向

4.都需要依赖DNA的聚合酶

5.遵守碱基互补配对规律

6.产物为多聚核苷酸链转录和复制的异同

不同点：复制转录模板两股链均作为模板模板链作为模板原料

dNTPNTP

聚合酶

DNA聚合酶RNA聚合酶产物子代DNA双链mRNA;tRNA;rRNA

配对A-T；G-CA-U；T-A；G-C

引物需RNA引物不需要引物

方式(特点)

半保留复制不对称转录转录和复制的异同DNA分子中能转录出mRNA然后指导蛋白质合成的部分称为结构基因。其余的DNA可能转录(rRNA,tRNA),也可能不转录。结构基因的双链中，只有一股链可作为模板转录成RNA，称为模板链（负链、反意义链）。与模板相对应的互补链，编码区的碱基序列与mRNA的密码序列相同，称为编码链（正链、有意义链）。不对称转录:不同基因的模板链与编码链在DNA分子上并不是固定在某一股链的现象。

转录是依赖DNA的RNA聚合酶，也称为DNA指导的RNA聚合酶，简称为RNA聚合酶。

①σ因子：识别并结合启动子的亚基，辨认转录起始点，但不能单独与DNA模板结合；

②原核生物的RNA聚合酶

（大肠杆菌RNA聚合酶）分子量为450kDa，由四个亚基组成α2ββ′σ(全酶)去掉σ亚基称为核心酶（1）参与转录的酶大肠杆菌RNA聚合酶核心酶全酶

启动子：被RNA聚合酶识别、结合并开始转录的模板DNA的部位，称为启动子。

终止子在一个基因的末端往往有一段特定顺序，它具有转录终止的功能，这段终止信号的顺序称为终止子。③真核生物的RNA聚合酶RNA聚合酶Ⅰ：存在核仁中，主要催化rRNA前体的转录

RNA聚合酶Ⅱ：存在于核质中，催化mRNA前体的转录

RNA聚合酶Ⅲ：存在于核质中，催化小分子量RNA的转录（2）RN