第章核酸的生物合成

現(xiàn)在是1頁\一共有54頁\編輯于星期四

復制（replication）是指以原來DNA分子為模板，合成出相同DNA分子的過程；轉(zhuǎn)錄（transcription）是以DNA分子為模板合成出與其核苷酸順序相對應的RNA的過程；翻譯（translation）是在由rRNA和蛋白質(zhì)組成的核糖核蛋白體（簡稱核糖體）上，以mRNA為模板，根據(jù)每3個相鄰核苷酸決定一種氨基酸的三聯(lián)體密碼規(guī)則，由tRNA運送活化的氨基酸，GTP提供所需能量，合成出具有特定氨基酸順序的蛋白質(zhì)肽鏈的過程。現(xiàn)在是2頁\一共有54頁\編輯于星期四第一節(jié)DNA的生物合成

以DNA作為模板指導的DNA合成作用，復制出新的DNA分子，如此將DNA攜帶的信息傳遞給子代DNA。現(xiàn)在是3頁\一共有54頁\編輯于星期四一、半保留復制

在DNA復制時，親代DNA的雙螺旋先行解旋和分開，然后以每條鏈為模板，按照堿基配對原則，在這兩條鏈上各形成一條互補鏈。這樣，從親代DNA的分子可以精確地復制成2個子代DNA分子。每個子代DNA分子中，有一條鏈是從親代DNA來的，另一條則是新形成的，這叫做半保留復制?，F(xiàn)在是4頁\一共有54頁\編輯于星期四現(xiàn)在是5頁\一共有54頁\編輯于星期四現(xiàn)在是6頁\一共有54頁\編輯于星期四（一）復制的起始點與方向

DNA分子復制時，在親代分子一個特定區(qū)域內(nèi)雙鏈打開，隨之以兩股鏈為模板復制生成兩個子代DNA雙鏈分子。開始時，復制起始點呈現(xiàn)一叉形（或Y形），稱之為復制叉（replicationfork）。復制進行中，復制叉乃向前移動?，F(xiàn)在是7頁\一共有54頁\編輯于星期四1．復制的起始點

DNA復制要從DNA分子的特定部位開始，此特定部位稱為復制起始點（originofreplication），可以用ori表示。在原核生物中復制起始點常位于染色體的一個特定部位，即只有一個起始點。真核生物的染色體是在幾個特定部位上進行DNA復制的，有幾個復制起始點的。現(xiàn)在是8頁\一共有54頁\編輯于星期四2．復制的方向現(xiàn)在是9頁\一共有54頁\編輯于星期四（二）DNA聚合反應有關的酶及相關蛋白因子

DNA的合成是以四種三磷酸脫氧核糖核苷為底物的聚合反應，該過程除了需要酶的催化之外，還需要適量的DNA為模板，RNA（或DNA）為引物和鎂離子的參與?，F(xiàn)在是10頁\一共有54頁\編輯于星期四1．引物合成酶引物合成酶亦稱引發(fā)酶(primerase)，此酶以DNA為模板合成一段RNA,這段RNA作為合成DNA的引物（Primer）?，F(xiàn)在是11頁\一共有54頁\編輯于星期四2．DNA聚合酶

在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)有3種DNA聚合酶，分別稱為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。它的主要功能是對DNA損傷的修復，以及在DNA復制時，RNA引物切除后，填補其留下的空隙?，F(xiàn)在是12頁\一共有54頁\編輯于星期四

DNA聚合酶Ⅲ極為復雜，具有5′→3′DNA聚合酶活性。具有3′外切酶的校對功能，提高DNA復制的保真性?，F(xiàn)在一般認為，DNA聚合酶Ⅲ是原核生物DNA復制的主要聚合酶?，F(xiàn)在是13頁\一共有54頁\編輯于星期四3．真核細胞的DNA聚合酶現(xiàn)在是14頁\一共有54頁\編輯于星期四4．DNA連接酶

作用是催化雙鏈DNA中的切口處的相鄰5′-磷酸基與3′-羥基之間形成磷酸酯鍵。但是它不能將兩條游離的DNA單鏈連接起來?，F(xiàn)在是15頁\一共有54頁\編輯于星期四5．拓撲異構(gòu)酶

拓撲異構(gòu)酶Ⅰ可減少負超螺旋；拓撲異構(gòu)酶Ⅱ可引入負超螺旋，它們協(xié)同作用控制著DNA的拓撲結(jié)構(gòu)。拓撲異構(gòu)酶在重組、修復和DNA的其它轉(zhuǎn)變方面起著重要的作用?，F(xiàn)在是16頁\一共有54頁\編輯于星期四6．解螺旋酶通過水解ATP將DNA的兩條鏈打開。ATP水解活力要有單鏈DNA存在?，F(xiàn)在是17頁\一共有54頁\編輯于星期四7．其它蛋白因子（1）單鏈結(jié)合蛋白，它的功能是穩(wěn)定已被解開的DNA單鏈，阻止復性和保護單鏈不被核酸酶降解。（2）引發(fā)前體，與RNA引物合成酶（引發(fā)酶）結(jié)合，組裝成引發(fā)體。引發(fā)體結(jié)合到隨后鏈的模板上，具有識別合成起始位點的功能?，F(xiàn)在是18頁\一共有54頁\編輯于星期四（三）DNA的復制過程

DNA的復制按一定的規(guī)律進行，雙螺旋DNA是邊解開邊合成新鏈的。復制從特定位點開始，可以單向或雙向進行，但是以雙向復制為主。由于DNA雙鏈的合成延伸均為5′→3′的方向，因此復制是以半不連續(xù)的方式進行，即其中一條鏈相對地連續(xù)合成，稱之為領頭鏈，另一條鏈的合成是不連續(xù)的，稱為隨后鏈。在DNA復制叉上進行的基本活動包括雙鏈的解開；RNA引物的合成；DNA鏈的延長；切除RNA引物，填補缺口，連接相鄰的DNA片段?，F(xiàn)在是19頁\一共有54頁\編輯于星期四1．雙鏈的解開

復制是從DNA分子的特定位置開始的，這一位置叫復制原點，常用ori表示。許多生物的復制原點都是富含A、T的區(qū)段?，F(xiàn)在是20頁\一共有54頁\編輯于星期四2．RNA引物的合成引發(fā)酶與引發(fā)前體結(jié)合形成引發(fā)體。引發(fā)體在復制叉上移動，識別合成的起始點，引發(fā)RNA引物的合成。移動和引發(fā)均需要由ATP提供能量。以DNA為模板按5′→3′的方向，合成一段引物RNA鏈。引物長度約為幾個至10個核苷酸。在引物的5′端含3個磷酸殘基，3′端為游離的羥基。現(xiàn)在是21頁\一共有54頁\編輯于星期四3．DNA鏈的延長當RNA引物合成之后，在DNA聚合酶Ⅲ的催化下，以四種脫氧核糖核苷5′-三磷酸為底物，在RNA引物的3′端以磷酸二酯鍵連接上脫氧核糖核苷酸并釋放出PPi。DNA鏈的合成是以兩條親代DNA鏈為模板，按堿基配對原則進行復制的?，F(xiàn)在是22頁\一共有54頁\編輯于星期四

子鏈中有一條鏈沿著親代DNA單鏈的3′→5′方向（亦即新合成的DNA沿5′→3′方向）不斷延長。這條新鏈稱為領頭鏈。而另一條鏈的合成方向與復制叉的前進方向相反，只能斷續(xù)地合成5′→3′的多個短片段。1968年岡崎發(fā)現(xiàn)了這些片段故又稱岡崎片段（Okazakifragment）。它們隨后連接成大片段，這條新鏈稱為隨后鏈。這種領頭鏈是連續(xù)合成，隨后鏈是斷續(xù)合成的方式稱為半不連續(xù)復制?，F(xiàn)在是23頁\一共有54頁\編輯于星期四4．切除引物，填補缺口，連接修復在DNA聚合酶Ⅰ的作用下，在引物RNA與DNA片段的連接處切斷；切去RNA引物后留下的空隙，由DNA聚合酶Ⅰ催化合成一段DNA填補上；在DNA連接酶的作用下，連接相鄰的DNA鏈；修復摻入DNA鏈的錯配堿基。現(xiàn)在是24頁\一共有54頁\編輯于星期四現(xiàn)在是25頁\一共有54頁\編輯于星期四二、逆向轉(zhuǎn)錄

以RNA為模板，按照RNA中的核苷酸順序合成DNA，這與通常轉(zhuǎn)錄過程中遺傳信息流從DNA到RNA的方向相反，故稱為逆轉(zhuǎn)錄（reversetranscription）?，F(xiàn)在是26頁\一共有54頁\編輯于星期四逆轉(zhuǎn)錄的生物學意義：

逆轉(zhuǎn)錄過程的發(fā)現(xiàn)，不僅擴充了中心法則，還有其重要的生物學意義。它有助于人們對RNA病毒致癌機制的了解，并對防治腫瘤提供了重要線索。

逆轉(zhuǎn)錄酶已成為分子生物學和基因工程中常用的一種工具酶，利用它可以從mRNA合成相應的cDNA，在基因結(jié)構(gòu)研究、氨基酸序列預測以及基因工程中具有十分重要的意義?，F(xiàn)在是27頁\一共有54頁\編輯于星期四三、DNA突變四、DNA損傷與修復（一）光復活（二）切除修復（三）重組修復（四）誘導修復現(xiàn)在是28頁\一共有54頁\編輯于星期四(一)光修復

修復是由細菌中的DNA光解酶完成，此酶能特異性識別二聚體，并與其結(jié)合，結(jié)合后如受300－600nm波長的光照射，則此酶就被激活，將二聚體分解為兩個正常的嘧啶單體。

現(xiàn)在是29頁\一共有54頁\編輯于星期四(二)切除修復

所謂切除修復，即是在一系列酶的作用下，將DNA分子中受損傷部分切除掉，并以完整的那一條鏈為模板，合成出切去的部分，然后使DNA恢復正常結(jié)構(gòu)的過程?，F(xiàn)在是30頁\一共有54頁\編輯于星期四(三)重組修復

受損傷的DNA在進行復制時，跳過損傷部位，在子代DNA鏈與損傷相對應部位出現(xiàn)缺口。通過分子間重組，從完整的母鏈上將相應的堿基順序片段移至子鏈的缺口處，然后再用合成的多核苷酸來補上母鏈的空缺，此過程即重復修復。并非完全校正?，F(xiàn)在是31頁\一共有54頁\編輯于星期四(四)SOS修復SOS反應是指細胞DNA受到損傷或復制系統(tǒng)受到抑制的情況下出現(xiàn)的應急效應。修復結(jié)果只是能維持基因組的完整性，提高細胞的生成率，但留下的錯誤較多，導致較廣泛、長期的突變。現(xiàn)在是32頁\一共有54頁\編輯于星期四第二節(jié)RNA的生物合成

以DNA的一條鏈為模板在RNA聚合酶催化下，以四種核糖核苷磷酸為底物按照堿基配對原則，形成3′→5′磷酸二酯鍵，合成一條與DNA鏈的一定區(qū)段互補的RNA鏈的過程稱為轉(zhuǎn)錄（transcription）?，F(xiàn)在是33頁\一共有54頁\編輯于星期四一、轉(zhuǎn)錄

RNA的轉(zhuǎn)錄合成從化學角度來講類似于DNA的復制，多核苷酸鏈的合成都是以5’→3’的方向，在3’-OH末端與加入的核苷酸磷酸二酯鍵，轉(zhuǎn)錄又具有其特點：（1）對于一個基因組來說，轉(zhuǎn)錄只發(fā)生在一部分基因，而且每個基因的轉(zhuǎn)錄都受到相對獨立的控制；（2）轉(zhuǎn)錄是不對稱的。（3）轉(zhuǎn)錄時不需要引物，而且RNA鏈的合成是連續(xù)的。現(xiàn)在是34頁\一共有54頁\編輯于星期四5’-----GCAGTACATGTC-----3’編碼鏈DNA3’-----CGTCATGTACAG-----5’模板鏈5’-----GCAGUACAUGUC-----3’mRNAN------Ala--Val--His--Val------C蛋白質(zhì)（一）依賴DNA的RNA聚合酶

DDRP的有以下特點：①以DNA為模板；在DNA的兩條多苷酸鏈中只有其中一條鏈作為模板，這條鏈叫做模板鏈（templatestrand），又叫做無意義鏈。DNA雙鏈中另一條不做為模板的鏈叫做編碼鏈，又叫做有意義鏈?，F(xiàn)在是35頁\一共有54頁\編輯于星期四不對稱轉(zhuǎn)錄

.DNA雙鏈上，僅一股鏈轉(zhuǎn)錄，另一股不轉(zhuǎn)錄。

.有意義鏈與反意義鏈并非固定不變。

.轉(zhuǎn)錄方向都是5’3’模板鏈現(xiàn)在是36頁\一共有54頁\編輯于星期四②都以四種三磷酸核苷的底物，原料；③都遵循DNA與RNA之間的堿基配對原由，A=U，T=A，C=G，合成與模板DNA序列互補的RNA鏈。④RNA鏈的延長方向是5’→3’的連續(xù)合成。⑤需要Mg2+或Mn2+離子。⑥并不需要引物。

RNA聚合酶缺乏3’→5’外切酶活性，所以沒有校正功能?，F(xiàn)在是37頁\一共有54頁\編輯于星期四DNA復制與轉(zhuǎn)錄的比較相同點模板兩股鏈均復制模板鏈轉(zhuǎn)錄合成方式半保留復制不對稱轉(zhuǎn)錄原料

dNTPNTP聚合酶

DNA聚合酶RNA聚合酶堿基配對

A-T，G-CA-U，T-A，G-C產(chǎn)物半保留的雙鏈DNA單鏈RNA不同點以DNA為模板遵循堿基配對原則都需依賴DNA的聚合酶

聚合過程都是生成磷酸二酯鍵新鏈合成方向為5’→3’

復制轉(zhuǎn)錄現(xiàn)在是38頁\一共有54頁\編輯于星期四大腸桿菌RNA聚合酶

亞單位分子量亞單位數(shù)目

功能αββ’σ

36512150618155613702632111決定哪些基因被轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄全過程有關結(jié)合DNA模板辨認起始點

現(xiàn)在是39頁\一共有54頁\編輯于星期四真核生物的RNA聚合酶種類分布合成的RNA類型對α-鵝膏蕈堿的敏感性ⅠⅡⅢMt核仁核質(zhì)核質(zhì)線粒體rRNAhnRNAtRNA，5sRNA線粒體RNAs不敏感低濃度敏感高濃度敏感不敏感現(xiàn)在是40頁\一共有54頁\編輯于星期四（二）RNA的轉(zhuǎn)錄過程可將RNA合成分為識別與起始、延長和終止三個階段。

現(xiàn)在是41頁\一共有54頁\編輯于星期四（1）識別

轉(zhuǎn)錄是從DNA分子的特定部位開始的，這個部位也是RNA聚合酶全酶結(jié)合的部位這就是啟動子。啟動子處的核苷酸序列具有特殊性，為了方便，人們將在DNA上開始轉(zhuǎn)錄的第一個堿基定為+1，沿轉(zhuǎn)錄方向順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負值表示。

現(xiàn)在是42頁\一共有54頁\編輯于星期四現(xiàn)在是43頁\一共有54頁\編輯于星期四

除啟動子外，真核生物轉(zhuǎn)錄起始點上游處還有一個稱為增強子的序列，它能極大地增強啟動子的活性，它的位置往往不固定，可存在于啟動子上游或下游。現(xiàn)在是44頁\一共有54頁\編輯于星期四（2）轉(zhuǎn)錄起始和延伸在原核生物中，當RNA聚合酶發(fā)現(xiàn)其識別位點時，形成全酶和啟動子的開放性復合物。在開放性啟動子復合物中起始位點和延長位點被相應的核苷酸前體充滿，在RNA聚合酶β亞基催化下形成RNA的第一個磷酸二酸鍵。RNA合成的第一個核苷酸總有GTP或ATP，以GTP常見?，F(xiàn)在是45頁\一共有54頁\編輯于星期四

RNA鏈的延長靠核心酶的催化，在起始復合物上第一個GTP的核糖3’-OH上與DNA模板能配對的第二個三磷酸核苷起反應形成磷酸二酯鍵。聚合進去的核苷酸又有核糖3’-OH游離，這樣就可按模板DNA的指引，一個接一個地延長下去。

現(xiàn)在是46頁\一共有54頁\編輯于星期四RNA鏈的延伸圖解3′3′RNA-DNA雜交螺旋聚合酶的移動方向新生RNA復鏈解鏈有義鏈模板鏈（反義鏈）延長部位現(xiàn)在是47頁\一共有54頁\編輯于星期四（3）轉(zhuǎn)錄的終止轉(zhuǎn)錄是在DNA模板某一位置上停止的，轉(zhuǎn)錄終止信號有兩種情況，一類是不依賴于蛋白質(zhì)因子而實現(xiàn)