第十一章核酸合成代謝

第十一章核酸合成代謝概述核酸是生物體遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。遺傳的基本單位是基因?；蚓幋a的生物活性產(chǎn)物主要是RNA和蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)的生命活動(dòng)的執(zhí)行者。遺傳信息的傳遞遵循基本的法則，即從DNA→DNA（復(fù)制），從DNA→RNA（轉(zhuǎn)錄）,再由RNA→蛋白質(zhì)（翻譯）。該法則就是著名的生物遺傳信息傳遞的“中心法則”。此法則代表絕大多數(shù)生物體內(nèi)遺傳信息傳遞的方向和規(guī)律，成為生命科學(xué)研究的基本法則。中心法則遺傳信息傳遞的規(guī)律(復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯).

轉(zhuǎn)錄翻譯

DNARNA蛋白質(zhì)

mRNAtRNA

反轉(zhuǎn)錄

rRNA

轉(zhuǎn)錄、翻譯

RNA（病毒）蛋白質(zhì)（病毒）

復(fù)制復(fù)制第一節(jié)DNA的生物合成

生物體內(nèi)DNA生物合成的方式主要是復(fù)制、修復(fù)和逆轉(zhuǎn)錄。一、NDA復(fù)制概念和主要物質(zhì)（一）DNA復(fù)制概念及其特點(diǎn)

DNA復(fù)制：是親代雙鏈DNA按堿基配對原則，準(zhǔn)確形成兩個(gè)相同核苷酸序列的子代DNA分子的過程。兩條DNA鏈都可作為復(fù)制的模板。DNA復(fù)制的特點(diǎn)1、半保留性2、高保真性3、半不連續(xù)性4、雙向性2、高保真性DNA復(fù)制過程中維持高保真的機(jī)制至少有三種：①嚴(yán)格遵守堿基配對規(guī)律②DNA聚合酶在復(fù)制延長過程中對堿基的選擇功能③DNA聚合酶的校讀功能4、雙向性3、半不連續(xù)性（二）

參與DNA復(fù)制的主要物質(zhì)

原料：四種脫氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP)

模板：以DNA的兩條鏈為模板鏈，合成子代DNA。模板的利用方向是3‘－5’。

引物：一小段RNA(或DNA）為引物，在大腸桿菌中，DNA的合成需要一段RNA鏈作為引物。2.單鏈DNA結(jié)合蛋白3.拓?fù)洚悩?gòu)酶1.解螺旋酶DNA復(fù)制4.引物酶5.DNA聚合酶6.DNA連接酶參與DNA復(fù)制的一些引物與酶類1、解螺旋酶解螺旋酶又稱解鏈酶或rep蛋白利用ATP供能，作用于氫鍵，使DNA雙鏈解開成為兩條單鏈。每解開一對堿基，需消耗2分子ATP。3、拓?fù)洚悩?gòu)酶DNA復(fù)制時(shí)雙鏈DNA解開為單鏈，DNA分子繞雙螺旋軸反向旋轉(zhuǎn)。復(fù)制速度快，旋轉(zhuǎn)的速度也很快，將達(dá)100次/秒，造成DNA分子的打結(jié)、纏繞現(xiàn)象發(fā)生。需要DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶的作用，來理順DNA雙鏈，以配合復(fù)制過程。解鏈過程中，DNA分子會(huì)過度擰緊、打結(jié)、纏繞、連環(huán)等現(xiàn)象。3、拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶作用特點(diǎn)既能水解、又能連接磷酸二酯鍵克服解鏈過程中的打結(jié)、纏繞現(xiàn)象

拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ

拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ分類3、拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ切斷DNA雙鏈中一股鏈，使DNA解鏈旋轉(zhuǎn)不致打結(jié)；適當(dāng)時(shí)候封閉切口，DNA變?yōu)樗沙跔顟B(tài)。反應(yīng)不需ATP。拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ切斷DNA分子兩股鏈，斷端通過切口旋轉(zhuǎn)使超螺旋松弛。利用ATP供能，連接斷端，DNA分子進(jìn)入負(fù)超螺旋狀態(tài)。（主要）作用機(jī)制拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ的作用拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ的作用6、DNA連接酶——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，從而把兩段相鄰的DNA鏈連接成一條完整的鏈?！荒軐蓷l游離的DNA單鏈連接起來。HO5’3’3’5’DNA連接酶ATP（NAD+）AMP5’3’5’3’DNA連接酶：若雙鏈DNA中一條鏈有切口,一端是3′-OH,另一端是5′-磷酸基,連接酶可催化這兩端形成磷酸二酯鍵，而使切口連接。

在復(fù)制中起接合雙鏈中單鏈缺口的作用。在DNA復(fù)制、修復(fù)、重組中均起重要作用。是基因工程的重要工具酶之一。DNA連接酶的功能二DNA復(fù)制的基本過程DNA復(fù)制是一個(gè)連續(xù)的階段。分為三個(gè)過程：（一）起始階段DNA分子的復(fù)制起始部位有其特殊的堿基序列，原核生物DNA分子較小，每一DNA分子只有一個(gè)復(fù)制原點(diǎn)，而真核生物DNA則有多個(gè)復(fù)制原點(diǎn)。PS:原核生物包括細(xì)菌,藍(lán)藻,原綠藻,特別要記住的是支原體,衣原體,和放線菌等細(xì)菌.真核生物包括原生生物,真菌,植物,動(dòng)物。整個(gè)起始階段包括DNA解鏈、引發(fā)體的形成和引物的生成3個(gè)過程。1、復(fù)制叉的形成解鏈的蛋白有：DnaA、DnaB、DnaC3種蛋白，其中DnaB以前稱為復(fù)制蛋白，后來稱為解螺旋酶。單鏈DNA結(jié)合蛋白質(zhì)的意義：①保持已解開的單鏈處于單鏈狀況，②保護(hù)已解開的單鏈不被核酸酶水解，③維持復(fù)制叉的適當(dāng)長度以利于脫氧核苷酸依據(jù)模板參入。拓樸異構(gòu)酶可以將打結(jié)的DNA鏈切斷，或者通過切斷與旋轉(zhuǎn)和再連續(xù)作用實(shí)現(xiàn)DNA超螺旋的轉(zhuǎn)型，把正超螺旋變?yōu)樨?fù)超螺旋，有利于解鏈的繼續(xù)。復(fù)制原點(diǎn)由DnaA蛋白識別，在原點(diǎn)由DnaB蛋白（解螺旋酶）將雙螺旋解開成單鏈狀態(tài)，分別作為模板，合成其互補(bǔ)鏈(DNA雙鏈的解開還需DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶Π、SSB),在原點(diǎn)處形成一個(gè)眼狀結(jié)構(gòu)，叫復(fù)制眼。

DNA復(fù)制進(jìn)行時(shí)，在眼的兩側(cè)出現(xiàn)兩個(gè)叉子狀的生長點(diǎn)，叫復(fù)制叉。在復(fù)制叉上分布著各種與復(fù)制有關(guān)的酶和蛋白因子，它們構(gòu)成的復(fù)合物稱為復(fù)制體復(fù)制叉復(fù)制叉2、引發(fā)體的形成

在復(fù)制叉結(jié)構(gòu)形成并穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，引物酶介入并與兩條DNA單鏈結(jié)合。此時(shí)，有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶等物質(zhì)和DNA復(fù)制起始區(qū)域構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)稱為引發(fā)體。

引發(fā)體在復(fù)制叉上移動(dòng)，DnaB蛋白活化引物合成酶,引發(fā)RNA引物的合成。領(lǐng)頭鏈先引發(fā)開始合成，以原來一條DNA單鏈為模板（3’5’),按5’3’的方向合成一段RNA引物鏈。領(lǐng)頭鏈開始合成后，后隨鏈也開始合成其引物。引物長度約為幾個(gè)至10個(gè)核苷酸，在引物的5’端含3個(gè)磷酸殘基（引物酶的底物是核苷三磷酸），3’端為游離的-OH。3、RNA引物的合成553領(lǐng)頭鏈(leadingstrand)后隨鏈(laggingstrand)5353在DNA聚合酶的催化下，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焦磷酸。DNA鏈的延伸同時(shí)進(jìn)行,領(lǐng)頭鏈和后隨鏈兩條鏈的合成方向相反。（二）DNA鏈的延伸階段領(lǐng)頭鏈—在DNA復(fù)制時(shí)，合成方向與復(fù)制叉移動(dòng)的方向一致并連續(xù)合成的鏈。隨后鏈—在DNA復(fù)制時(shí)，合成方向與復(fù)制叉移動(dòng)的方向相反，形成許多不連續(xù)的片段，最后再連成一條完整的DNA鏈。半不連續(xù)復(fù)制—在DNA復(fù)制時(shí)，領(lǐng)頭鏈?zhǔn)沁B續(xù)合成的,而隨后鏈的合成是不連續(xù)的，這種復(fù)制方式稱為半不連續(xù)復(fù)制。半不連續(xù)復(fù)制的發(fā)現(xiàn)（1968）：同位素實(shí)驗(yàn)，3H標(biāo)記dT短時(shí)間內(nèi)檢測為DNA小片段，片段的長度為1000～2000核苷酸殘基，后來稱為崗崎片段一段時(shí)間后檢測到DNA大片段。當(dāng)用DNA連接酶的變異株時(shí)，檢測到大量小DNA片段的積累?！C明DNA復(fù)制中有小片段合成。

岡崎片段在DNA復(fù)制過程中，領(lǐng)頭鏈能連續(xù)合成，而隨后鏈只能是斷續(xù)的合成53的多個(gè)短片段，這些不連續(xù)的小片段以其發(fā)現(xiàn)者的名字命名為岡崎片段。

岡崎片段大?。赫婧松铮?00-200個(gè)核苷酸（核小體的DNA單位）。原核生物：1000-2000個(gè)核苷酸（相當(dāng)于一個(gè)順反子）。當(dāng)新形成的岡崎片段延長至一定長度，其3’-OH端遇到上一個(gè)岡崎片段時(shí)即停止合成。前導(dǎo)鏈合成隨復(fù)制叉移動(dòng)到起始點(diǎn)即停止復(fù)制（大腸桿菌只有一個(gè)起始點(diǎn)）。（三）復(fù)制終止

－－切除RNA引物，填補(bǔ)缺口，連接相鄰的DNA片段這時(shí)會(huì)發(fā)生一系列變化：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填補(bǔ)上；在DNA連接酶作用下，連接相鄰的DNA鏈；修復(fù)摻入DNA鏈的錯(cuò)配堿基。這樣以兩條親代DNA鏈為模板，各自形成一條新的DNA互補(bǔ)鏈。結(jié)果是形成了兩個(gè)DNA雙股螺旋分子。真核生物中DNA的復(fù)制特點(diǎn)1、真核生物染色體有多個(gè)復(fù)制起點(diǎn)，多復(fù)制眼，呈雙向復(fù)制，多復(fù)制子。2、岡崎片段長約100－200bp.3、真核生物DNA復(fù)制速度比原核快。4、真核生物染色體在全部復(fù)制完之前起點(diǎn)不再重新開始復(fù)制；5、真核生物有多種DNA聚合酶。6、真核生物線性染色體兩端有端粒結(jié)構(gòu)，防止染色體間的末端連接。由端粒酶負(fù)責(zé)新合成鏈5RNA引物切除后的填補(bǔ)，亦保持端粒的一定長度。定義:以RNA為模板，按照RNA中的核苷酸順序合成DNA稱為逆轉(zhuǎn)錄，由逆轉(zhuǎn)錄酶催化進(jìn)行。1970年Temin和Baltimore同時(shí)分別從勞氏肉瘤病毒和小白鼠白血病病毒等致病RNA病毒中分離出逆轉(zhuǎn)錄酶，迄今已知的致癌RNA病毒都含有逆轉(zhuǎn)錄酶。

用特異抑制物（放線菌素D）能抑制致癌RNA病毒的復(fù)制，而對一般RNA病毒的復(fù)制無影響。已知放線菌素D專門抑制以DNA為模板的反應(yīng)，可見致癌RNA病毒的復(fù)制過程必然涉及到DNA。所以Temin提出前病毒的假說。第二節(jié)逆轉(zhuǎn)錄過程+RNA+DNA-RNA+DNA-DNA+病毒RNA的逆轉(zhuǎn)錄過程

（以前病毒形式引起整合到宿主細(xì)胞DNA中而使細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化）

單鏈病毒RNA

RNA-DNA雜交分子雙鏈DNA（前病毒）

逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶也和DNA聚合酶一樣，沿5’3’方向合成DNA，并要求短鏈RNA作引物。

逆轉(zhuǎn)錄酶是多功能酶，兼有3種酶的活性：RNA指導(dǎo)的DNA聚合酶活性

DNA指導(dǎo)的DNA聚合酶活性

RNA酶活性逆轉(zhuǎn)錄酶發(fā)現(xiàn)的理論和實(shí)踐意義：不能把“中心法則”絕對化，遺傳信息也可以從RNA傳遞到DNA。促進(jìn)了分子生物學(xué)、生物化學(xué)和病毒學(xué)的研究，為腫瘤的防治提供了新的線索。目前逆轉(zhuǎn)錄酶已經(jīng)成為研究這些學(xué)科的工具。1983年，發(fā)現(xiàn)人類免疫缺陷病毒（humanimmunedeficiencevirus,HIV）,感染T淋巴細(xì)胞后即殺死細(xì)胞，造成宿主機(jī)體免疫系統(tǒng)損傷，引起艾滋?。╝cquiredimmunodeficiencysyndrome,AIDS）第三節(jié)RNA的生物合成1、DNA指導(dǎo)下RNA的合成——轉(zhuǎn)錄

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(bǔ)的RNA鏈的過程稱為轉(zhuǎn)錄。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)配對規(guī)律

6.產(chǎn)物為多聚核苷酸鏈轉(zhuǎn)錄和復(fù)制的異同

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

dNTPNTP

聚合酶

DNA聚合酶RNA聚合酶產(chǎn)物子代DNA雙鏈mRNA;tRNA;rRNA

配對A-T；G-CA-U；T-A；G-C

引物需RNA引物不需要引物

方式(特點(diǎn))

半保留復(fù)制不對稱轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄和復(fù)制的異同DNA分子中能轉(zhuǎn)錄出mRNA然后指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的部分稱為結(jié)構(gòu)基因。其余的DNA可能轉(zhuǎn)錄(rRNA,tRNA),也可能不轉(zhuǎn)錄。結(jié)構(gòu)基因的雙鏈中，只有一股鏈可作為模板轉(zhuǎn)錄成RNA，稱為模板鏈（負(fù)鏈、反意義鏈）。與模板相對應(yīng)的互補(bǔ)鏈，編碼區(qū)的堿基序列與mRNA的密碼序列相同，稱為編碼鏈（正鏈、有意義鏈）。不對稱轉(zhuǎn)錄:不同基因的模板鏈與編碼鏈在DNA分子上并不是固定在某一股鏈的現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)錄是依賴DNA的RNA聚合酶，也稱為DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶，簡稱為RNA聚合酶。

①σ因子：識別并結(jié)合啟動(dòng)子的亞基，辨認(rèn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)，但不能單獨(dú)與DNA模板結(jié)合；

②原核生物的RNA聚合酶

（大腸桿菌RNA聚合酶）分子量為450kDa，由四個(gè)亞基組成α2ββ′σ(全酶)去掉σ亞基稱為核心酶（1）參與轉(zhuǎn)錄的酶大腸桿菌RNA聚合酶核心酶全酶

啟動(dòng)子：被RNA聚合酶識別、結(jié)合并開始轉(zhuǎn)錄的模板DNA的部位，稱為啟動(dòng)子。

終止子在一個(gè)基因的末端往往有一段特定順序，它具有轉(zhuǎn)錄終止的功能，這段終止信號的順序稱為終止子。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前體的轉(zhuǎn)錄

RNA聚合酶Ⅱ：存在于核質(zhì)中，催化mRNA前體的轉(zhuǎn)錄

RNA聚合酶Ⅲ：存在于核質(zhì)中，催化小分子量RNA的轉(zhuǎn)錄（2）RN