第九章 核酸與蛋白質(zhì)的生物合成

第九章核酸與蛋白質(zhì)的生物合成本章主要內(nèi)容：DNA的生物合成

RNA的生物合成DNA的生物合成

現(xiàn)代生物化學(xué)和分子生物學(xué)的一個(gè)最基本的觀點(diǎn)——在生命有機(jī)體中，基因是唯一能夠復(fù)制，并且能永遠(yuǎn)存在的單位，而其意義最終須通過蛋白質(zhì)才體現(xiàn)出來。從DNA到蛋白質(zhì)，遺傳信息的流動(dòng)遵循著中心法則。中心法則第一節(jié)DNA的生物合成（一）DNA的復(fù)制方式——半保留復(fù)制

（semiconservativereplication）即新的雙鏈DNA中，一股鏈來自模板，一股鏈為新合成的。

半保留復(fù)制的意義復(fù)制的這種方式可保證親代的遺傳特征完整無誤的傳遞給子代，體現(xiàn)了遺傳的保守性。一、DNA的復(fù)制半保留復(fù)制實(shí)驗(yàn)依據(jù)1958年M.Messelson等用實(shí)驗(yàn)加以證實(shí)

雙螺旋結(jié)構(gòu)是半保留復(fù)制的分子基礎(chǔ)

（二）DNA復(fù)制的起始點(diǎn)和方向

DNA復(fù)制都是起始于一個(gè)特定的位點(diǎn)，稱為起點(diǎn)。細(xì)胞中基因組DNA具有復(fù)制起點(diǎn)并能獨(dú)立進(jìn)行復(fù)制的單位稱為復(fù)制子。原核生物只有一個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)，是單復(fù)制子。真核生物有多個(gè)起始點(diǎn)，是多復(fù)制子。在起點(diǎn)處DNA雙螺旋的兩條鏈分開，DNA分別以兩條鏈為模板復(fù)制新的DNA，在復(fù)制的部分同時(shí)進(jìn)行解鏈與合成，結(jié)果形成一個(gè)分叉，稱為復(fù)制叉或生長(zhǎng)點(diǎn)。大多數(shù)DNA從起始點(diǎn)向兩側(cè)復(fù)制，即有兩個(gè)復(fù)制叉，也有一些復(fù)制是單向的，只形成一個(gè)復(fù)制叉。

（以原核生物大腸桿菌為例）原料：dNTP，Mg++模板：雙鏈DNA模板引物（primer），小片段的DNA或RNA，常是RNA，有游離的3’OH。（三）參與DNA復(fù)制的酶類和蛋白因子1.拓?fù)洚悩?gòu)酶和解旋酶

拓?fù)湟辉~的含義是指物體或圖象做彈性移位而又保持物體不變的性質(zhì)。DNA分子中存在打結(jié)，纏繞、連環(huán)的現(xiàn)象。I型酶：切開雙鏈中的一股，使DNA不致打結(jié)，切口的3’端可通過自由轉(zhuǎn)動(dòng)一周再與5’端磷酸連接，不需ATP。II型酶：切斷處于超螺旋狀態(tài)中雙股鏈中的某個(gè)部位，通過切口使超螺旋松弛，利用ATP使DNA恢復(fù)復(fù)制所要求的負(fù)超螺旋狀態(tài)。解螺旋酶(helicase),DnaB,由DnaA和DnaC協(xié)助在復(fù)制的起始點(diǎn)（OriC）上解開雙螺旋。2.單鏈結(jié)合蛋白（SSB，singlestrandedbindingprotein）穩(wěn)定已經(jīng)解開成兩股的DNA單鏈，防止其退火復(fù)性。3.DNA聚合酶（DNApolymerase）聚合酶III主要的復(fù)制酶，并有校讀、糾錯(cuò)的功能5’——3’延伸多核苷酸鏈，活性很強(qiáng),有模板依賴性，其延伸的方式是依據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則，將原料dNTP與游離的3’OH上連接，同時(shí)釋出一個(gè)PPi

。3’——5’外切酶切除可能錯(cuò)配的核苷酸聚合酶I用于切除引物RNA,并填補(bǔ)留下的空隙

5’——3’延伸多核苷酸鏈,3’——5’外切酶的作用，切除可能錯(cuò)配的核苷酸5’——3’外切酶的作用是切除引物聚合酶II活性弱5’——3’延伸多核苷酸鏈

3’——5’外切酶DNA聚合酶延伸多核苷酸鏈總是5’3’聚合酶催化的鏈延長(zhǎng)反應(yīng)

真核的DNA聚合酶

真核DNA的復(fù)制至少涉及5種復(fù)制酶，其中α、δ、ε參與染色體DNA的復(fù)制，α有引物要求；β負(fù)責(zé)DNA的修復(fù)；γ的功能是線粒體DNA的復(fù)制。

5.DNA連接酶（ligase）

將不連續(xù)的DNA片段以磷酸二酯鍵連接起來，原核生物通過分解NAD為NMN和Pi提供能量，真核生物則消耗ATP4.引物酶（primase，DnaG），用于合成復(fù)制所必需的RNA引物。

復(fù)制的起始在原核生物只有一個(gè)起始點(diǎn)（OriC），而在真核生物有多個(gè)起始點(diǎn)。

在DNA復(fù)制時(shí)，首先由解鏈蛋白酶識(shí)別并結(jié)合到復(fù)制起始點(diǎn)，使DNA雙螺旋局部解鏈形成復(fù)制叉。單鏈DNA結(jié)合蛋白集合到分開的單鏈上，使其處于穩(wěn)定的解鏈狀態(tài)。引物酶以解開的單鏈的一段為DNA模板，以脫氧核苷三磷酸為底物，按5’→3’方向合成一個(gè)短鏈RNA引物，此引物3’-OH末端為新合成的DNA的起點(diǎn)。（四）DNA的復(fù)制過程復(fù)制的起始復(fù)制起始點(diǎn)原核真核復(fù)制叉

原核生物復(fù)制的起始

這個(gè)過程由DNA聚合酶III催化，它是主要的復(fù)制酶。領(lǐng)頭鏈（leadingchain）：為連續(xù)合成，合成方向與解鏈方向一致，它的模板DNA鏈?zhǔn)?’——3’鏈。滯后鏈（laggingchain）：不連續(xù)合成，在RNA引物基礎(chǔ)上分段合成DNA小片段（岡崎片段），方向與解鏈方向相反，它的模板DNA鏈?zhǔn)?’——5’鏈。

由此可見，整個(gè)DNA分子的復(fù)制是半不連續(xù)的。多肽鏈的延伸半不連續(xù)復(fù)制示意圖

復(fù)制叉上各種酶與蛋白因子的作用和作用部位復(fù)制叉的結(jié)構(gòu)復(fù)制的終止由DNA聚合酶I完成切除引物，并且填補(bǔ)空隙，由DNA連接酶將DNA片段連接起來。復(fù)制的全過程DNA復(fù)制過程胸腺嘧啶二聚體

DNA的突變(損傷)大多數(shù)是自發(fā)的，是進(jìn)化與分化的基礎(chǔ)。環(huán)境中的理化因素，如紫外輻射引起兩個(gè)嘧啶堿基的共價(jià)聚合。許多化學(xué)誘變劑，它們常是致癌物,如亞硝酸鹽，常導(dǎo)致DNA突變。DNA的突變有點(diǎn)突變（堿基的錯(cuò)配）、堿基的缺失、DNA片段的重排等形式。二、DNA的損傷和修復(fù)（一）DNA的損傷直接修復(fù)：如光復(fù)活酶,普遍存在在生物機(jī)體中,可以把嘧啶二聚體恢復(fù)正常狀態(tài)。切除修復(fù)：找出損傷位置并切除，進(jìn)行修復(fù)合成并連接。重組修復(fù)：先復(fù)制再修復(fù)。子代鏈在對(duì)應(yīng)模板鏈的損傷處留下缺口，先將同源母鏈DNA上相應(yīng)的核苷酸片段轉(zhuǎn)移替補(bǔ)，然后再合成一段序列填充缺口。SOS系統(tǒng)：復(fù)雜的應(yīng)急反應(yīng)。既有避免差錯(cuò)的修復(fù)又有引起差錯(cuò)的修復(fù)，后者有高變異率但也增加了生存機(jī)會(huì)。（二）DNA的修復(fù)切除修復(fù)重組修復(fù)逆轉(zhuǎn)錄也稱反轉(zhuǎn)錄，是某些生物（如雞的肉瘤病毒、HIV等）的特殊復(fù)制方式。它們的遺傳信息載體是RNA而不是DNA。因此，在感染細(xì)胞時(shí)，首先經(jīng)過逆轉(zhuǎn)錄作用成為雙鏈DNA，才能整合到宿主基因組中去。這個(gè)過程由逆轉(zhuǎn)錄酶催化，它具有以RNA為模板合成DNA，水解雜交鏈上的RNA以及以DNA為模板合成DNA三種活性。逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象和逆轉(zhuǎn)錄酶（reversetranscriptase）（H.Temin，1970）是分子生物學(xué)研究中的重大發(fā)現(xiàn)，是對(duì)經(jīng)典中心法則重要補(bǔ)充。三、RNA指導(dǎo)下的DNA合成反轉(zhuǎn)錄過程

一、轉(zhuǎn)錄（transcription）：以DNA為模板，在RNA聚合酶（RNApolymerase）的作用下合成mRNA，將遺傳信息從DNA分子上轉(zhuǎn)移到mRNA分子上，這一過程稱為轉(zhuǎn)錄（transcription）。

第二節(jié)RNA的生物合成（一）轉(zhuǎn)錄的特點(diǎn)轉(zhuǎn)錄是以DNA為模板合成RNA,并且只是以單股DNA為模板，因此具有不對(duì)稱性；用以轉(zhuǎn)錄的單鏈DNA,稱為模板鏈,與復(fù)制不同，轉(zhuǎn)錄是局部的,從啟動(dòng)子開始到終止子結(jié)束,為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位;RNA合成的方向?yàn)?'→3'；轉(zhuǎn)錄不需要引物；RNA的生物合成是一個(gè)酶促反應(yīng)過程；轉(zhuǎn)錄首先得到RNA前體，然后再進(jìn)行加工轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓腞NA.被轉(zhuǎn)錄成單個(gè)RNA分子的一段DNA稱為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位(transcript)分子量48萬，5種亞基：

全酶=核心酶（α2ββ’）+σ因子

α亞基決定轉(zhuǎn)錄的基因β亞基在5’——3’方向上延長(zhǎng)多核苷酸鏈，其方式與DNA聚合酶相同，原料為NTP，沒有糾錯(cuò)的功能。β’亞基結(jié)合DNA模板

σ因子識(shí)別啟動(dòng)子并與之結(jié)合（二）RNA聚合酶（RNApolymerase）1.原核的RNA聚合酶聚合酶I：轉(zhuǎn)錄45SrRNA聚合酶II：轉(zhuǎn)錄mRNA的前體，稱為核不均RNA（hnRNA）聚合酶III：轉(zhuǎn)錄tRNA和5SrRNA等2.真核的RNA聚合酶（三）轉(zhuǎn)錄的過程1.轉(zhuǎn)錄的起始

啟動(dòng)子：DNA分子中可以與RNA聚合酶特異結(jié)合的部位。一般包括RNA聚合酶的識(shí)別位點(diǎn)、結(jié)合位點(diǎn)、轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)。大腸桿菌的RNA聚合酶與DNA模板鏈結(jié)合分三步：

①RNA聚合酶的σ因子辨認(rèn)啟動(dòng)子的識(shí)別位點(diǎn)；②酶與啟動(dòng)子以“關(guān)閉”復(fù)合體的形式即雙螺旋形式結(jié)合；③RNA聚合酶覆蓋的部分DNA雙鏈打開形成轉(zhuǎn)錄空泡，進(jìn)入轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，開始合成RNA。

轉(zhuǎn)錄起始不需引物，第一個(gè)核苷酸總是GTP或ATP，GTP更常見。轉(zhuǎn)錄空泡不是RNA聚合酶覆蓋的全部DNA雙鏈解開，只是由覆蓋酶的部分雙鏈解開。合成RNA的第一個(gè)核苷酸和進(jìn)入的第二個(gè)核苷酸在RNA聚合酶的催化下形成3′,5′-磷酸二酯鍵，第一個(gè)核苷酸保留NTP狀態(tài)，進(jìn)入的第二個(gè)核苷酸末端有游離羥基，可供后面加入NTP延長(zhǎng)RNA鏈。常把“RNA聚合酶全酶—DNA模板—NTPNMP—OH”稱為轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物，起始復(fù)合物的形成標(biāo)志起始的結(jié)束。

2.RNA鏈的延伸

由核心酶催化，以其中的一股DNA單鏈作為模板鏈，以NTP為原料，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則，通常是由5’ppp嘌呤核苷（G或A）開頭向著3’延長(zhǎng)多核苷酸鏈，合成開始后，σ因子從模板上脫離下來（可以重復(fù)利用）。核心酶覆蓋雙鏈DNA和RNA復(fù)合物，向前推進(jìn)，一邊解開螺旋，一邊釋放出新合成的RNA鏈，后面已經(jīng)轉(zhuǎn)錄的區(qū)域中分開的DNA鏈又重新形成雙螺旋?！稗D(zhuǎn)錄泡（transcriptionbubble）”轉(zhuǎn)錄過程中的模板識(shí)別、起始和延伸

A.依賴ρ因子的終止

新生RNA上有ρ因子的識(shí)別位點(diǎn)。它與聚合酶-DNA-RNA復(fù)合物結(jié)合，向3’端移動(dòng)，并解開DNA-RNA雜交體，需ATP。B.依賴于特定序列的終止

轉(zhuǎn)錄終止區(qū)有特殊結(jié)構(gòu)。終止區(qū)的上游有GC二重對(duì)稱區(qū)，轉(zhuǎn)錄的RNA容易形成多個(gè)“發(fā)卡”結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的3’端有polyU序列。這種特殊的二級(jí)結(jié)構(gòu)阻止了轉(zhuǎn)錄向下游繼續(xù)推進(jìn)。

3.轉(zhuǎn)錄的終止AB轉(zhuǎn)錄的全過程

轉(zhuǎn)錄得到的只是初級(jí)產(chǎn)物，通常要經(jīng)過加工，才能轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓腞NA。tRNA和rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工比較簡(jiǎn)單，而mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工比較復(fù)雜。原核基因是多順反子（poly-cistron），通常是幾個(gè)相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因（編碼的）同時(shí)轉(zhuǎn)錄得到多個(gè)mRNA。而真核基因是單順反子（mono-cistron），又是斷裂基因。其結(jié)構(gòu)基因中由編碼的外顯子（exon）和不編碼的內(nèi)含子（intron）間隔排開。轉(zhuǎn)錄得到的是“毛坯”，要在其5’端加上鳥嘌呤“帽子”，3’端加上polyA的“尾巴”，切除內(nèi)含子，拼接外顯子，才能成為一個(gè)成熟的mRNA。三、RNA的轉(zhuǎn)錄后加工原核前體RNA的加工tRNA轉(zhuǎn)錄后的加工與修飾注意稀有堿基真核rRNA前體轉(zhuǎn)錄后的加工真核mRNA前體轉(zhuǎn)錄后加工(以卵清蛋白mRNA的轉(zhuǎn)錄為例)外顯子內(nèi)含子mRNA的剪切首、尾部的修飾1）5‘端形成帽子結(jié)構(gòu)（m7GpppGp-）2）3‘端加上多聚腺苷酸尾巴（polyAtail）真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工帽子結(jié)構(gòu)三、RNA的復(fù)制噬菌體Qβ的RNA復(fù)制兩階段（1）其單鏈RNA可充當(dāng)mRNA，利用寄主中的核糖體合成外殼蛋白和RNA復(fù)制酶的β亞基。（2）復(fù)制酶的β亞基可與來自寄主細(xì)胞的亞基αδ自動(dòng)裝配成RNA復(fù)制酶，可進(jìn)行RNA的復(fù)制，以分子中單鏈RNA為模板（正鏈），復(fù)制出一條新的RNA鏈（負(fù)鏈），再復(fù)制出正鏈，與外殼蛋白組裝成新的噬菌體顆粒。某些RNA病毒可以以自身RNA為模板進(jìn)行復(fù)制。不同的RNA病毒復(fù)制方式不同5RNA-533RNA+釋放釋放353355RNA+RNA+RNA-RNA-及

RNA+的合成方向均為5‘3’復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的異同點(diǎn)相同點(diǎn)：1.都以DNA為模板2.原料為核苷酸3.合成方向均為5′→3′方向4.都需要依賴DNA的聚合酶5.遵守堿基互補(bǔ)配對(duì)規(guī)律6.產(chǎn)物為多聚核苷酸鏈

不同點(diǎn)：

復(fù)制

轉(zhuǎn)錄

模板兩股鏈均作為模板

模板鏈作為模板

原料

dNTP

NTP

聚合酶

DNA聚合酶

RNA聚合酶

產(chǎn)物

子代DNA雙鏈

mRNA;tRNA;rRNA

配對(duì)

A-T；G-C

A-U；T-A；G-C★

引物

需RNA引物--------

★方式(特點(diǎn))

半保留復(fù)制不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄原料氨基酸，20種mRNA是合成蛋白質(zhì)的“藍(lán)圖（或模板）”tRNA是原料氨基酸的“搬運(yùn)工”rRNA與多種蛋白質(zhì)結(jié)合成核糖體作為合成多肽鏈的裝配機(jī)（操作臺(tái)）第三節(jié)蛋白質(zhì)的生物合成

在細(xì)胞中，以mRNA為“模板”、在核糖體、tRNA和多種蛋白因子的共同作用下，將mRNA分子的核苷酸序列轉(zhuǎn)變?yōu)榘被嵝蛄械倪^程稱為翻譯。轉(zhuǎn)錄和翻譯統(tǒng)稱為基因表達(dá)。蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng)示意圖

mRNA是遺傳信息的載體（載有遺傳密碼，geneticcode），是合成蛋白質(zhì)的藍(lán)圖（模板），它以一系列三聯(lián)體密碼子（codon）的形式從DNA轉(zhuǎn)錄了遺傳信息。每個(gè)密碼子代表一個(gè)氨基酸。mRNA占細(xì)胞總RNA的5-10%，不穩(wěn)定，壽命短。原核的mRNA是多順反子;真核的mRNA是單順反子。（一）mRNA與遺傳密碼一、RNA在蛋白質(zhì)生物合成中的作用1.mRNA

2.遺傳密碼

上世紀(jì)60年代，利用均聚核苷酸實(shí)驗(yàn)，破譯了遺傳密碼。遺傳密碼為三聯(lián)體（每三個(gè)堿基代表一個(gè)氨基酸），由5’到3’閱讀，無間斷。即使在少數(shù)重疊基因（如病毒）中，其開放閱讀框架（readingframe）仍按此原則。

4種核苷酸可組成64種密碼，其中61中分別代表不同氨基酸，而蛋氨酸的密碼AUG，又可作為肽鏈合成的起始密碼。還有3種密碼UAA、UAG、UGA不代表任何氨基酸，是肽鏈合成的終止密碼。遺傳密碼表遺傳密碼的特點(diǎn)1.連續(xù)性：密碼是連續(xù)排列的，密碼子之間沒有任何標(biāo)點(diǎn)加以隔開。2.簡(jiǎn)并性：除蛋氨酸和色氨酸外，其余18種氨基酸的密碼均在2種或2種以上。3.擺動(dòng)性：4.通用性：生物界所有的物種都通用這套遺傳密碼5.有起始密碼(AUG)和終止密碼(UAG,UAA,UGA)原核tRNA有30-40種，真核有50-60種，含70-90個(gè)核苷酸，并有多種稀有堿基。tRNA是最小的RNA，占細(xì)胞總RNA的15%左右，其功能是搬運(yùn)氨基酸和解讀密碼子。tRNA具有“四環(huán)一臂”和“三葉草”形的典型結(jié)構(gòu)。注意：3’端CCA氨基酸受位和反密碼子環(huán)（二）tRNA的作用tRNA的結(jié)構(gòu)—“四環(huán)一臂”倒L形的三級(jí)結(jié)構(gòu)

tRNA的功能是解讀mRNA上的密碼子和搬運(yùn)氨基酸

tRNA上至少有4個(gè)位點(diǎn)與多肽鏈合成有關(guān)：即3’CCA氨基酸接受位點(diǎn)、氨基酰-tRNA合成酶識(shí)別位點(diǎn)、核糖體識(shí)別位點(diǎn)和反密碼子位點(diǎn)。

每一個(gè)氨基酸有其自身的tRNA。氨基酸的羧基與tRNA的3’CCA-OH以酯鍵結(jié)合。氨基酸與mRNA相應(yīng)的密碼子正確“對(duì)號(hào)”須依賴于tRNA的反密碼子。

密碼子與反密碼子的配對(duì)方式變偶性——反密碼子5’端的堿基與密碼子的第三位配對(duì)不嚴(yán)格

核糖體是rRNA與幾十種蛋白質(zhì)的復(fù)合體，有大、小兩個(gè)亞基構(gòu)成。含有合成蛋白質(zhì)多肽鏈所必需的酶、起始因子（IF）、延伸因子（EF）、釋放因子（RF）等。

原核的核糖體（70S）=30S小亞基+50S大亞基其中30S小亞基含16SrRNA和21種蛋白質(zhì)50S大亞基含23S，5SrRNA和34種蛋白質(zhì)

真核的核糖體（80S）=40S小亞基+60S大亞基其中40S小亞基含18SrRNA和33種蛋白質(zhì)60S大亞基含28S，5.8S，5SrRNA和45種蛋白質(zhì)（三）rRNA與核糖體（ribosome）

核糖體有4個(gè)基本功能1.容納mRNA，并能沿著mRNA由5’——3’移動(dòng)，由tRNA解讀其密碼；2.氨基酰位點(diǎn)（A位點(diǎn)），可結(jié)合氨基酰-tRNA（AA-tRNA）；3.肽酰基位點(diǎn)（P位點(diǎn)），可結(jié)合肽?；?tRNA（肽-tRNA）；4.肽?；D(zhuǎn)移酶中心，是形成肽鍵的位點(diǎn)等。

所有參與合成多肽鏈的氨基酸都要激活，并由數(shù)十種高度專一的氨基酰-tRNA合成酶催化。該酶由兩個(gè)識(shí)別位點(diǎn)，它們能識(shí)別特定的氨基酸和選擇其所對(duì)應(yīng)的tRNA，使兩者連接起來（利用ATP）。反應(yīng)如下：

氨基酸的羧基與tRNA的3’端CCA-OH以酯鍵相連，因此其氨基是自由的。二、蛋白質(zhì)的生物合成過程（一）氨基酸的活化氨基酸與tRNA的連接方式

翻譯起始時(shí)，第一個(gè)氨基酸一般是蛋氨酸，其氨基要甲?；枰员Ｗo(hù)。甲酰FH4甲酰基MettRNAfmetfMet-tRNA合成酶fMet-tRNA酯鍵首先IF3、IF1幫助30S小亞基與mRNA結(jié)合，IF2和GTP幫助甲酰甲硫氨酸-tRNA與AUG配對(duì)，接著IF3脫離，形成30S起始復(fù)合物。50S大亞基進(jìn)入，IF1和IF2脫離，形成50S起始復(fù)合物，需要GTP。甲酰甲硫氨酸-tRNA處于P位。（二）肽鏈合成的起始（三）肽鏈的延伸（注意新的AA-tRNA如何定位，第一個(gè)肽鍵如何形成，核糖體如何移動(dòng)…）