十四章核酸的生物合成

第十四章

核酸的生物合成Nucleicacidbiosynthesis目的要求：掌握：DNA生物合成的概念、基本过程、特点及其生物学意义；RNA生物合成的概念、基本过程与特点。了解：逆转录现象及其意义；DNA损伤（突变）与修复；真核生物转录后的加工和修饰。本章主要内容DNA的生物合成RNA的生物合成复制蛋白质逆转录DNA复制翻译RNA中心法则（centraldogma）遗传信息传递的规律转录基因表达：

是指将遗传信息由DNA转录为RNA、再翻译成蛋白质的过程。第一节DNA的生物合成

(复制)半保留复制（semiconservativereplication）从复制起点双向复制半不连续复制一、复制（replication）（一）DNA复制的基本特征

以亲代DNA分子为模板合成子代DNA分子，从从而将遗传信息准确传递到子代DNA分子的过程。半保留复制

复制时,亲代母链解开的两单链均作为模板，按碱基互补配对原则指导合成一股新互补子链，最终得到与亲代母链碱基序列完全一致的两个子代DNA分子，每个子代DNA分子中都含有一股从亲代完整接受过

来的单链，另一股单链完全是重新合成的，这种复制方式为半保留复制。AGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATC亲代子代半保留复制的实验依据同位素示踪法CsCl密度梯度平衡离心法

从复制起点向两个相反方向解链进行的双向复制双向复制3′5′5′3′复制叉复制叉复制起点（origin）

origin前导链(leadingstrand)后随链(laggingstrand)半不连续复制

（semidiscontinousreplication)岡崎片段(okazakifragment)3

5

3

5

解链方向3´5´3´3´5´5´新生互补子链的合成方向与模板解链方向相同时，合成是连续进行的，这股新生互补子链称为前导链（领头链）；合成方向与模板解链方向相反时，合成是不连续进行的，这股新生互补子链称为后随链（随从链）；分段合成的片段称为岡崎片段。

3

5

3

5

解链方向3´5´3´3´5´前导链(leadingstrand)后随链(laggingstrand)岡崎片段(okazakifragment)

前导链连续复制而后随链不连续复制

—复制的半不连续性

在双向复制一条全长的新生互补子链时，在

复制起点一侧的合成是以领头链的方式连续合成，

在另一侧则以随从链的方式不连续合成，所以整个DNA分子的复制是全不连续的。模板(template):

DNA母链中的两单链；底物(substrate):

dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)；引物(primer):一小段RNA链，其提供的3

-OH末端

能引导dNTP聚合；酶类:（二）参与DNA复制的物质１、DNA聚合酶（DNApolymerase)

简写为DNA-pol

DNA聚合酶的作用特点：⑴5

3

的聚合活性，催化底物dNTP

（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）与模板链结合；⑵形成3

，5

磷酸二酯键；

⑶使新生互补子链按5

→3

方向延长；

⑷3

5

核酸外切酶活性；

⑸5

3

核酸外切酶活性及切口平移能力。。参与DNA复制的主要酶类即时校读：当DNA复制出现碱基配对错误时，DNA聚合酶利用3

→5

外切酶活性切除错配碱基，并利用5

→3

聚合酶活性回补正确碱基与模板配对。DNA复制高度稳定性和保真性的机制

DNA模板指导下正确选择配对的碱基校读功能原核生物的DNA聚合酶

DNA-pol

Ⅰ

DNA-pol

Ⅱ

DNA-pol

Ⅲ真核生物的DNA聚合酶

DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

DNA聚合酶

DNA-polⅡ：

DNA-pol

Ⅲ：DNA-pol

／

：

DNA-pol

：切除引物并填补缺口，具有切口平移作用，参与DNA修复校正；

DNA-pol

Ⅰ：DNA-polβ/ε：复制线粒体DNA。无酶Ⅰ、Ⅲ时起作用，参与DNA修复；延长新生互补子链；２、解旋、解链酶类解旋酶(helicase)

作用于氢键，使DNA双链解开成两股单链，需消耗ATP；

DNA拓扑异构酶（topoisomerase)松弛DNA双、超螺旋，克服打结、缠绕和连环现象。解链过程中易形成正超螺旋单链DNA结合蛋白（single-strandedDNA-bindingprotein）

维持复制时模板处于单链状态并保护复制中的

DNA模板单链不被核酸酶降解。前导链解链酶

DNA拓朴异构酶单链DNA结合蛋白

SSB解开、理顺DNA链、维持DNA单链状３、引物酶(primase)：特殊的RNA聚合酶。引物酶可在复制初期催化合成一小段RNA引物；

引发体：解旋酶联合其他复制因子在局部解链区形成引发前体后继续向前解链，引物酶在解开的DNA模板单链上的某一部位与

引发前体构成引发体时，能催化一段RNA引物合成，其3

-OH末端可供

dNTP加入时连接之用。HO5

3

3

5

DNA连接酶ATPADP5

3

5

3

4、DNA连接酶(DNAligase)通过3

，5

-磷酸二酯键连接互补链中DNA片段；H（三）DNA的复制过程：起始、延长、终止１、模板DNA解旋与解链，形成复制叉；起始：２、引发阶段：引发体在解开的模板DNA单链上的某一部位合成一小段RNA引物；例：原核生物DNA的合成过程前导链：后随链：在Tus蛋白(terminusutilizationsubstance)参与下，终止复制。１、按A=T、G≡C碱基配对规则，合成新生DNA互补子链或冈崎片段；２、切除引物、填补缺口；３、DNA连接酶连接切口，形成长链DNA。延长：DNA的合成终止：DNA复制示意图拓扑异构酶解旋酶5′3′3′5′3′5′DNA聚合酶Ⅲ单链结合蛋白DNA聚合酶Ⅰ前导链

后随链DNA连接酶冈崎片段引物酶二、DNA复制与端粒(telomere)、端粒酶(telomerase)端粒:

是由蛋白质和DNA紧密结合、膨大的特殊结构；端粒酶:是一种自身携带模板RNA的逆转录酶。端粒酶合成端粒的爬行模式CUAGCCAAAACCCCAAAACAAA3’5’DNA5’----TTTTGGGGTTTTG-OH(3’)3’----端粒酶的结合CUAGCCAAAACCCCAAAACAAA3’5’DNA5’----TTTTGGGGTTTTGGGGTTTT3’----G-OH(3’)延长合成CUAGCCAAAACCCCAAAACAAA3’5’DNA5’----TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTG-OH(3’)3’----端粒酶移位进一步的聚合作用端粒酶的特殊生物学功能：1、端粒的长度和端粒酶活性与遗传信息的稳定性；2、端粒的长度和端粒酶活性与细胞寿命和细胞衰老有关；3、端粒酶活性与肿瘤的关系。三、逆转录(reversetranscription)概念：以RNA为模板合成DNA的过程。依赖RNA的DNA聚合酶功能；

RNaseH功能（水解RNA-DNA杂交链）；依赖DNA的DNA聚合酶功能；无3

→5

和5

→3

核酸外切酶活性，无较对功能。酶：逆转录酶RNA病毒+----------------------------------------宿主细胞DNA分子cDNA插入宿主细胞DNA分子中------------------------------------------------------------------------被整合的宿主细胞逆转录酶----------------------------------------RNA-cDNA

杂交体单链cDNARNaseH----------------------------------------双链cDNA逆转录酶意义：对中心法则的补充；有助于基因工程的实施。逆转录过程HIV生活史1、进入宿主细胞

2、逆转录及cDNA合成3、整合4、转录5、翻译6、装配四、DNA损伤（基因突变）与修复突变自发突变(spontaneousmutation)人工诱变(inducedmutation)（一）引起人工突变的因素物理因素：紫外线、各种辐射；化学因素：亚硝酸盐、烷化剂、芳香烃类；生物因素：RNA病毒和DNA病毒等。DNA链上两个相邻胸腺嘧啶间形成二聚体（二）损伤的类型点突变(pointmutation)（错配）：转换(transition)：A

G或C

T颠换(transversion)：嘌呤碱

嘧啶碱框移突变(frameshiftmutation)：是指改变三联体密码的阅读框架，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。缺失、插入非３倍数碱基重排(rearrangement)：DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。镰刀形红细胞性贫血血红蛋白中遗传信息的异常正常DNA…TGTGGGCTTCTTTTT…mRNA…ACACCCGAAGAAAAA…HbA（β链）（氨基末端）苏脯谷6谷赖异常DNA…TGTGGGCATCTTTTT…mRNA…ACACCCGUAGAAAAA…HbS（β链）（氨基末端）苏脯缬6谷赖点突变红细胞镰状红细胞谷酪蛋丝5

……GCA

GUA

CAU

GUC……丙缬组缬正常mRNA5

……GAG

UAC

AUG

UC……mRNA缺失C框移突变（三）DNA的损伤修复光复活(lightrepairing)切除修复(excisionrepair)重组修复(recombinationrepairing)SOS修复修复(repairing)

：对已发生改变的分子的修复措施，使其回复为原有的天然状态。修复的主要类型：光修复(photoreactivation)紫外辐射致DNA链上两相邻胸腺嘧啶残基间形成二聚体光解酶切除修复核酸内切酶核酸外切酶DNA-pol、DNAligase细胞内最重要的有效修复机制，主要由核酸内切酶、核酸外切酶、DNA-pol和DNA连接酶完成。重组修复第二节

RNA的生物合成（转录）转录(transcription)

：

生物体在RNA聚合酶作用下，按碱基互补配对原则，准确地把DNA碱基序列转变成RNA碱基序列的过程。转录mRNAtRNArRNADNA

一、参与转录的主要物质转录模板：单股DNA链；酶：RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)；底物：底物NTP(ATP、UTP、GTP、CTP)；终止因子。（一）转录模板模板：能转录出RNA的DNA区段(基因)。模板链（templatestrand）：

基因双链中的一股具有转录功能的单链，也称为有意义链或Watson链；

编码链（codingstrand）：

与模板链互补的另一股不具转录功能的单链，也称为反义链或Crick链。

5´……GGAGTACATGTC…3´（编码链）3´……CCTCATGTACAG…5´（模板链）

↓（转录）5´……GGAGUACAUGUC…3´

mRNA↓（翻译）

N……Ala…Val…His…Val…C

多肽链

DNA5′3′不对称转录：1、基因双链中只有一股可转录；2、模板链并非总在同一股单链上。RNA合成方向：5

→3

不对称转录（asymmetrictranscription）选择性转录：特征5′3′（二）RNA聚合酶:催化转录合成RNA的主要酶

。

全酶：核心酶(

2

)

+

起始因子（）原核生物的RNA聚合酶亚基功能

决定被转录基因的类型和种类

转录全程起催化聚合作用

参与结合模板链

功能不详

辨认转录模板启动子类型细胞内定位催化转录产物对α鹅膏蕈碱的反应Ⅰ核仁（5.8、18、28）SrRNA前体耐受Ⅱ核质mRNA前体、snRNA