核酸的生物合成

第十四章核酸的生物合成第一节DNA的生物合成第二节RNA的生物合成1基因信息的传递2基因（gene）基因是DNA分子的功能片段基因是为生物活性产物编码的DNA功能片段，这些产物主要是蛋白质或是各种RNA.AgeneisasequenceofDNAthatcodesforanRNA;inprotein-codinggene,theRNAinturncodesforaprotein.编码序列、非编码序列3单细胞真核生物5000条基因多细胞真核生物13000条基因高等植物25000条基因哺乳动物40000条基因人与黑猩猩的基因仅有2％差异45细胞或生物体中全部DNA包括全部基因和基因间隔区域人类基因组：核基因组（22条常染色体和X/Y性染色体）、线粒体基因组基因组62001/2/152001/2/16人类基因组（24条染色体）：3.3×109bp基因数目：30000~35000条基因序列仅占总序列的5%7一、复制(replication)以亲代DNA为模板合成子代DNA，将遗传信息准确地传递到子代DNA分子的过程。8(一)DNA复制的基本特点⒈半保留复制

子代DNA双链中的一条链来自母链，另一条链重新合成。

9AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+复制过程中形成的复制叉母链DNA子代DNA10复制叉：DNA复制区解链点的结构呈Y形从起点向两个方向解链，形成两个复制叉双向复制2个复制叉单向复制1个复制叉⒉从复制起点双向复制

11E.Coli基因图12oriter原核生物只有1个复制起点13原核生物只有1个复制起点145’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’真核生物的染色体有多个复制起点153.半不连续复制3

5

3

5

3´5´3´解链方向5´163

5

3

5

3´5´3´3´5´解链方向5´3.半不连续复制173

5

3

5

3´5´3´3´5´前导链后随链解链方向冈崎片段新链的延长只可沿5→3

方向进行随从链的合成方向与解链方向相反5´3.半不连续复制184.DNA复制必须有引物

5.DNA复制具有高保真性

DNA复制的精确率极高，在细菌中其误差率只有10-8~10-1019参与DNA复制的主要物质模板：解开成单链的DNA母链底物：dNTP

（dATP，dGTP，dCTP，dTTP）RNA引物酶和蛋白质因子20(二)参与DNA复制的主要酶类1、解链、解旋酶类2、引物酶和引物3、DNA连接酶4、DNA聚合酶（DNA-pol）211、解链、解旋酶类（1）解旋酶(helicase)（2）拓扑异构酶（topoisomeraseI、II）

（3）单链DNA结合蛋白(SSB)22（1）解旋酶(helicase)解螺旋酶ATP23（2）拓扑异构酶（TopoI、II）

负超螺旋正超螺旋DNA双螺旋盘绕过分盘绕不足2410

8局部解链后25切割DNA双链切割双链DNA中的一链TopoⅠ:TopoⅡ:Topo酶：切割DNA链，使其松弛后再连接26（3）

单链DNA结合蛋白（SSB）

作用：防止单链DNA重新形成双链， 防止单链DNA被核酸酶水解。272、引物酶

5´

5´

RNA引物5´

3´5´

3´28DnaA引发体：包括解螺旋酶、DnaC、引物酶及DNA复制的起始区域。5´

3´3´5´

引物酶DnaC引发体解螺旋酶293、DNA连接酶(DNAligase)DNA连接酶ATP切口切口：双链DNA一股上的3´，5´-磷酸二酯键被水解304、DNA聚合酶（DNA-pol）即依赖DNA的DNA聚合酶真核生物有多种：

DNA-pol

、

、

、

、

…原核生物至少有3种：

DNA-polⅠ、Ⅱ、Ⅲ

315′端3′端CGAH底物：dNTP32复制的化学反应33DNA-polⅢ5´

3´聚合作用最强3’5’5’3’3’5’DNA-pol5’3’OHP

5´

3´聚合作用343´

5´外切

5´

3´外切5’3’内切酶5’3’3´

5´外切

5´

3´外切核酸外切酶与内切酶

3´

5´外切酶活性355´

AGCTTCAGGATA

3´

|||||||||||3´TCGAAGTCCTAGCGAC5´?DNA-polI3´

5´外切酶活性36DNA-pol

І

3´

5´外切酶活性与即时校读37

DNA-pol

I

5´

3´外切酶活性切除引物；切除突变片段5’3’385′→3′外切酶活性聚合活性填补空隙DNA连接酶连接切口切口平移39大肠杆菌中DNA聚合酶

DNA-pol

性质

ⅠⅡⅢ5'→3'

聚合功能有有有5'→3'聚合速度

16-2040250-10005'→3'外切酶活性有无

无3'→5'

外切酶活性有有有主要功能校读,修复

修复复制切除引物

40

（三）DNA复制过程1.起始2.延长3.终止41⑴

DNA解成单链特定蛋白质识别复制起点解旋酶、Topo酶及SSBDNA解链，解旋，形成复制叉

倒Y1、复制的起始42（2）合成RNA引物

5´

5´

RNA引物5´

3´5´

3´433

5

3

5

引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。

引物3'HO5'Primase44参与复制起始的成员名称功能DnaA

辨认起始点解螺旋酶解开DNA双链DnaC

协助解螺旋酶引物酶催化RNA引物生成SSB稳定解开的单链拓扑异构酶理顺DNA链OriC

E.coli复制起始点45

5'

3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA-pol2、复制的延长465’47冈崎片段引物的消除和连接RNA引物DNApolI聚合活性填补空隙DNA连接酶DNApolI

5′→3′外切酶活性水解引物485′→3′外切酶活性水解引物聚合活性填补空隙DNA连接酶连接切口冈崎片段引物的消除和连接——切口平移49原核生物复制有终止区：和Tus蛋白结合，阻止解链酶发挥作用拓扑酶向DNA分子引入超螺旋结构，进一步装配3、复制的终止50E.Coli基因图51G1SG2MG0

GrowthandpreparationforcelldivisionQuiescentcellsphasephasephasephase哺乳动物的细胞周期DNA合成前期DNA合成期8hDNA合成后期有丝分裂期52DNA复制的保真性(fidelity)1.严格遵守碱基配对规律2.DNA-pol在复制过程中对碱基的选择性3.复制出错时有即时校读功能ATGC

DNApolⅢ在催化磷酸二酯键形成之前完成对碱基的选择4.DNA聚合酶对模板的依赖53DAVIDBALTIMORE,RENATODULBECCOandHOWARDMARTINTEMIN

fortheirdiscoveriesconcerningtheinteractionbetweentumourvirusesandthegeneticmaterialofthecell.

改写中心法则—逆转录酶的发现1975Nobel二、逆转录54逆转录RNA模板逆转录酶（逆转录活性）DNA-RNA杂化双链单链DNA逆转录酶（DNApol活性）双链DNA逆转录酶（RNaseH活性）逆转录酶没有3’→5’DNA外切酶活性，没有校读功能，变异大5556三、DNA损伤（突变）与修复

DNA损伤或突变：DNA分子一级结构改变大多数突变属此类，原因不明由理化及生物因素诱发自发突变：诱发突变：57

UV（一）引发突变的因素物理因素紫外线TT胸腺嘧啶二聚体58化学因素烷化剂：(如氮芥类)，使鸟嘌呤的N7烷基化后 脱落，成为无鸟嘌呤的位点亚硝酸盐：使碱基氧化脱氨基C→UA→IG→X碱基类似物如5-溴尿嘧啶(5-BU)与T类似，但5-BU可与G配对羟胺类：C被羟胺化后与A配对—A—5-BU—G—5-BU59（二）突变的类型1.点突变GAGGluGTGValHbA

肽链HbA

基因HbS

基因HbS

肽链60Sickle-CellAnemiaIsaMolecularDiseaseofHemoglobin612.缺失、插入和移码突变5′….UCACGACAUAUG….3′丝

精

组

蛋

5′….UCAGACAUAUG….3′丝

天

异亮

缺失

正常移码突变突变点以后的遗传密码全部改变，造成蛋白质的氨基酸组成和序列改变。

5′….UCAGCGACAUAUG….3′丝

丙

苏

酪

插入

623.重排与重组DNA分子发生较大片段的交换63（三）DNA损伤的修复光复活酶（可见光）T-T1.光修复TT642.切除修复切除DNApol修复DNA连接酶连接5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'切开内切酶外切酶65由于DNA损伤范围较大、来不及修复就进行复制，复制后再修复.3.重组修复66DNA损伤复制2.recA蛋白识别并结合缺损链3.链置换4.母链修补recA复制链置换母链修补121212674.SOS修复：DNA损伤严重时的应急性修复细胞能继续生存，但引起DNA较长期的广泛的突变。后果：68

第二节RNA的生物合成69

转录生物体以DNA为模板合成RNA的过程。TranscriptionRNADNA

mRNA,tRNA,rRNA70一、参与转录的主要物质原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:DNA酶:RNA聚合酶(RNA-pol)其他蛋白质因子71（一）转录模板2结构基因能转录出RNA的DNA区段1不对称转录

DNA双链一股链转录，另一股链不转录3转录具有选择性72人体：1个受精卵→1012细胞，103细胞类型生命体的统一性源于基因组生命体的复杂性基于蛋白质组基因组相同蛋白质组不同73

模板链

编码链5’3’5’3’RNA的合成方向总是5'→3'745’…GCAGTACATGTC…3’3’…CGTCATGTACAG…5’DNAmRNAN…AlaValHisVal…C多肽链转录翻译编码链模板链5’…GCAGUACAUGUC…3’75核心酶全酶

1、原核生物（E.Coli）的RNA聚合酶α2ββ′ωα2ββ′ω

σ核心酶全酶σ亚基+σ

（二）RNA聚合酶(RNApol)

ωω76

β

聚合功能

σ识别转录起始点

β′解链

大肠杆菌RNA聚合酶亚基的功能类型主要功能

α

决定哪些基因被转录

ω

未知772、真核生物的RNA聚合酶种类转录产物

RNApolⅠ

RNApolⅡ

RNApolⅢmRNA

snRNAtRNA、5SrRNA、snRNA

5.8S、18S和28SrRNA783、原核、真核RNA聚合酶的共同特点①不需要引物；②RNA合成方向均为5‘→3’；③能识别转录终止信号；④只以1条链为模板；⑤按模板的碱基顺序，遵守碱基互补原则，严格挑选正确底物，催化磷酸二酯键生成，从而把底物NTP聚合成RNA链；⑥合成是连续进行的；⑦没有校读活性；⑧与调节转录的多种蛋白因子相互作用，调节基因表达79二、转录过程（一）原核生物：起始、延长、终止（二）真核生物：起始、延长、终止、转录后加工80一个转录区段（一）原核生物转录过程

1、转录起始5

3

3

5

结构基因调控序列

RNA-pol启动子8110-10TTGACATATAAT转录开始0翻译开始-35（Pribnowbox）RNA-pol识别位点转录起始点大肠杆菌基因的启动子82原核生物的转录起始σ亚基辨认-35区RNApol全酶移向-10区合成第一个磷酸二酯键5’-pppGpN-OH-3’σ亚基脱落（闭合复合物）（开放复合物）转录起始不需引物！83ααββ’

TTGACATATAAT-35σ-10RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合84

原核生物的转录空泡 ααββ′RNA2、转录延长RNA聚合酶的核心酶-DNA-RNA8586重新结合与卷曲活性中心解旋模板链RNA-DNA杂合区，含8碱基对RNARNA聚合酶非模板链转录空泡转录方向5’DNA3’873、转录终止（1）不依赖ρ因子的转录终止（2）依赖ρ因子的转录终止88RNA转录后，形成特殊的结构，以终止转录。（1）不依赖ρ因子的转录终止茎环或发夹结构8990（2）依赖ρ因子的转录终止ρ因子1.识别结合富含C的RNA链2.ATPase活性3.解螺旋酶活性91ρ因子+ATP5′3′Polymerase富含C92DNApol5′3′RNApol失活ρ因子解螺旋，使RNA脱落935

3

DNARibosomeRNARNAPol多个转录同时进行转录延长与蛋白质合成同时进行原核生物94Electronmicrographoftranscription95真核生物的RNA聚合酶种类转录产物

RNApolⅠ

RNApolⅡ

RNApolⅢmRNA

snRNAtRNA、5SrRNA、snRNA

5.8S、18S和28SrRNA（二）真核生物转录过程96真正转录终止点GCGC-CAAT-TATA-ATG