核酸的生物合成

第十四章核酸的生物合成第一節(jié)DNA的生物合成第二節(jié)RNA的生物合成1基因信息的傳遞2基因（gene）基因是DNA分子的功能片段基因是為生物活性產(chǎn)物編碼的DNA功能片段，這些產(chǎn)物主要是蛋白質(zhì)或是各種RNA.AgeneisasequenceofDNAthatcodesforanRNA;inprotein-codinggene,theRNAinturncodesforaprotein.編碼序列、非編碼序列3單細(xì)胞真核生物5000條基因多細(xì)胞真核生物13000條基因高等植物25000條基因哺乳動(dòng)物40000條基因人與黑猩猩的基因僅有2％差異45細(xì)胞或生物體中全部DNA包括全部基因和基因間隔區(qū)域人類基因組：核基因組（22條常染色體和X/Y性染色體）、線粒體基因組基因組62001/2/152001/2/16人類基因組（24條染色體）：3.3×109bp基因數(shù)目：30000~35000條基因序列僅占總序列的5%7一、復(fù)制(replication)以親代DNA為模板合成子代DNA，將遺傳信息準(zhǔn)確地傳遞到子代DNA分子的過程。8(一)DNA復(fù)制的基本特點(diǎn)⒈半保留復(fù)制

子代DNA雙鏈中的一條鏈來自母鏈，另一條鏈重新合成。

9AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+復(fù)制過程中形成的復(fù)制叉母鏈DNA子代DNA10復(fù)制叉：DNA復(fù)制區(qū)解鏈點(diǎn)的結(jié)構(gòu)呈Y形從起點(diǎn)向兩個(gè)方向解鏈，形成兩個(gè)復(fù)制叉雙向復(fù)制2個(gè)復(fù)制叉單向復(fù)制1個(gè)復(fù)制叉⒉從復(fù)制起點(diǎn)雙向復(fù)制

11E.Coli基因圖12oriter原核生物只有1個(gè)復(fù)制起點(diǎn)13原核生物只有1個(gè)復(fù)制起點(diǎn)145’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’真核生物的染色體有多個(gè)復(fù)制起點(diǎn)153.半不連續(xù)復(fù)制3

5

3

5

3′5′3′解鏈方向5′163

5

3

5

3′5′3′3′5′解鏈方向5′3.半不連續(xù)復(fù)制173

5

3

5

3′5′3′3′5′前導(dǎo)鏈后隨鏈解鏈方向?qū)槠涡骆湹难娱L只可沿5→3

方向進(jìn)行隨從鏈的合成方向與解鏈方向相反5′3.半不連續(xù)復(fù)制184.DNA復(fù)制必須有引物

5.DNA復(fù)制具有高保真性

DNA復(fù)制的精確率極高，在細(xì)菌中其誤差率只有10-8~10-1019參與DNA復(fù)制的主要物質(zhì)模板：解開成單鏈的DNA母鏈底物：dNTP

（dATP，dGTP，dCTP，dTTP）RNA引物酶和蛋白質(zhì)因子20(二)參與DNA復(fù)制的主要酶類1、解鏈、解旋酶類2、引物酶和引物3、DNA連接酶4、DNA聚合酶（DNA-pol）211、解鏈、解旋酶類（1）解旋酶(helicase)（2）拓?fù)洚悩?gòu)酶（topoisomeraseI、II）

（3）單鏈DNA結(jié)合蛋白(SSB)22（1）解旋酶(helicase)解螺旋酶ATP23（2）拓?fù)洚悩?gòu)酶（TopoI、II）

負(fù)超螺旋正超螺旋DNA雙螺旋盤繞過分盤繞不足2410

8局部解鏈后25切割DNA雙鏈切割雙鏈DNA中的一鏈TopoⅠ:TopoⅡ:Topo酶：切割DNA鏈，使其松弛后再連接26（3）

單鏈DNA結(jié)合蛋白（SSB）

作用：防止單鏈DNA重新形成雙鏈， 防止單鏈DNA被核酸酶水解。272、引物酶

5′

5′

RNA引物5′

3′5′

3′28DnaA引發(fā)體：包括解螺旋酶、DnaC、引物酶及DNA復(fù)制的起始區(qū)域。5′

3′3′5′

引物酶DnaC引發(fā)體解螺旋酶293、DNA連接酶(DNAligase)DNA連接酶ATP切口切口：雙鏈DNA一股上的3′，5′-磷酸二酯鍵被水解304、DNA聚合酶（DNA-pol）即依賴DNA的DNA聚合酶真核生物有多種：

DNA-pol

、

、

、

、

…原核生物至少有3種：

DNA-polⅠ、Ⅱ、Ⅲ

315′端3′端CGAH底物：dNTP32復(fù)制的化學(xué)反應(yīng)33DNA-polⅢ5′

3′聚合作用最強(qiáng)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’內(nèi)切酶5’3’3′

5′外切

5′

3′外切核酸外切酶與內(nèi)切酶

3′

5′外切酶活性355′

AGCTTCAGGATA

3′

|||||||||||3′TCGAAGTCCTAGCGAC5′?DNA-polI3′

5′外切酶活性36DNA-pol

?

3′

5′外切酶活性與即時(shí)校讀37

DNA-pol

I

5′

3′外切酶活性切除引物；切除突變片段5’3’385′→3′外切酶活性聚合活性填補(bǔ)空隙DNA連接酶連接切口切口平移39大腸桿菌中DNA聚合酶

DNA-pol

性質(zhì)

ⅠⅡⅢ5'→3'

聚合功能有有有5'→3'聚合速度

16-2040250-10005'→3'外切酶活性有無

無3'→5'

外切酶活性有有有主要功能校讀,修復(fù)

修復(fù)復(fù)制切除引物

40

（三）DNA復(fù)制過程1.起始2.延長3.終止41⑴

DNA解成單鏈特定蛋白質(zhì)識(shí)別復(fù)制起點(diǎn)解旋酶、Topo酶及SSBDNA解鏈，解旋，形成復(fù)制叉

倒Y1、復(fù)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鏈RNA分子。

引物3'HO5'Primase44參與復(fù)制起始的成員名稱功能DnaA

辨認(rèn)起始點(diǎn)解螺旋酶解開DNA雙鏈DnaC

協(xié)助解螺旋酶引物酶催化RNA引物生成SSB穩(wěn)定解開的單鏈拓?fù)洚悩?gòu)酶理順DNA鏈OriC

E.coli復(fù)制起始點(diǎn)45

5'

3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA-pol2、復(fù)制的延長465’47岡崎片段引物的消除和連接RNA引物DNApolI聚合活性填補(bǔ)空隙DNA連接酶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補(bǔ)空隙DNA連接酶連接切口岡崎片段引物的消除和連接——切口平移49原核生物復(fù)制有終止區(qū)：和Tus蛋白結(jié)合，阻止解鏈酶發(fā)揮作用拓?fù)涿赶駾NA分子引入超螺旋結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步裝配3、復(fù)制的終止50E.Coli基因圖51G1SG2MG0

GrowthandpreparationforcelldivisionQuiescentcellsphasephasephasephase哺乳動(dòng)物的細(xì)胞周期DNA合成前期DNA合成期8hDNA合成后期有絲分裂期52DNA復(fù)制的保真性(fidelity)1.嚴(yán)格遵守堿基配對規(guī)律2.DNA-pol在復(fù)制過程中對堿基的選擇性3.復(fù)制出錯(cuò)時(shí)有即時(shí)校讀功能ATGC

DNApolⅢ在催化磷酸二酯鍵形成之前完成對堿基的選擇4.DNA聚合酶對模板的依賴53DAVIDBALTIMORE,RENATODULBECCOandHOWARDMARTINTEMIN

fortheirdiscoveriesconcerningtheinteractionbetweentumourvirusesandthegeneticmaterialofthecell.

改寫中心法則—逆轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)1975Nobel二、逆轉(zhuǎn)錄54逆轉(zhuǎn)錄RNA模板逆轉(zhuǎn)錄酶（逆轉(zhuǎn)錄活性）DNA-RNA雜化雙鏈單鏈DNA逆轉(zhuǎn)錄酶（DNApol活性）雙鏈DNA逆轉(zhuǎn)錄酶（RNaseH活性）逆轉(zhuǎn)錄酶沒有3’→5’DNA外切酶活性，沒有校讀功能，變異大5556三、DNA損傷（突變）與修復(fù)

DNA損傷或突變：DNA分子一級結(jié)構(gòu)改變大多數(shù)突變屬此類，原因不明由理化及生物因素誘發(fā)自發(fā)突變：誘發(fā)突變：57

UV（一）引發(fā)突變的因素物理因素紫外線TT胸腺嘧啶二聚體58化學(xué)因素烷化劑：(如氮芥類)，使鳥嘌呤的N7烷基化后 脫落，成為無鳥嘌呤的位點(diǎn)亞硝酸鹽：使堿基氧化脫氨基C→UA→IG→X堿基類似物如5-溴尿嘧啶(5-BU)與T類似，但5-BU可與G配對羥胺類：C被羥胺化后與A配對—A—5-BU—G—5-BU59（二）突變的類型1.點(diǎn)突變GAGGluGTGValHbA

肽鏈HbA

基因HbS

基因HbS

肽鏈60Sickle-CellAnemiaIsaMolecularDiseaseofHemoglobin612.缺失、插入和移碼突變5′….UCACGACAUAUG….3′絲

精

組

蛋

5′….UCAGACAUAUG….3′絲

天

異亮

缺失

正常移碼突變突變點(diǎn)以后的遺傳密碼全部改變，造成蛋白質(zhì)的氨基酸組成和序列改變。

5′….UCAGCGACAUAUG….3′絲

丙

蘇

酪

插入

623.重排與重組DNA分子發(fā)生較大片段的交換63（三）DNA損傷的修復(fù)光復(fù)活酶（可見光）T-T1.光修復(fù)TT642.切除修復(fù)切除DNApol修復(fù)DNA連接酶連接5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'切開內(nèi)切酶外切酶65由于DNA損傷范圍較大、來不及修復(fù)就進(jìn)行復(fù)制，復(fù)制后再修復(fù).3.重組修復(fù)66DNA損傷復(fù)制2.recA蛋白識(shí)別并結(jié)合缺損鏈3.鏈置換4.母鏈修補(bǔ)recA復(fù)制鏈置換母鏈修補(bǔ)121212674.SOS修復(fù)：DNA損傷嚴(yán)重時(shí)的應(yīng)急性修復(fù)細(xì)胞能繼續(xù)生存，但引起DNA較長期的廣泛的突變。后果：68

第二節(jié)RNA的生物合成69

轉(zhuǎn)錄生物體以DNA為模板合成RNA的過程。TranscriptionRNADNA

mRNA,tRNA,rRNA70一、參與轉(zhuǎn)錄的主要物質(zhì)原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:DNA酶:RNA聚合酶(RNA-pol)其他蛋白質(zhì)因子71（一）轉(zhuǎn)錄模板2結(jié)構(gòu)基因能轉(zhuǎn)錄出RNA的DNA區(qū)段1不對稱轉(zhuǎn)錄

DNA雙鏈一股鏈轉(zhuǎn)錄，另一股鏈不轉(zhuǎn)錄3轉(zhuǎn)錄具有選擇性72人體：1個(gè)受精卵→1012細(xì)胞，103細(xì)胞類型生命體的統(tǒng)一性源于基因組生命體的復(fù)雜性基于蛋白質(zhì)組基因組相同蛋白質(zhì)組不同73

模板鏈

編碼鏈5’3’5’3’RNA的合成方向總是5'→3'745’…GCAGTACATGTC…3’3’…CGTCATGTACAG…5’DNAmRNAN…AlaValHisVal…C多肽鏈轉(zhuǎn)錄翻譯編碼鏈模板鏈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亞基+σ

（二）RNA聚合酶(RNApol)

ωω76

β

聚合功能

σ識(shí)別轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)

β′解鏈

大腸桿菌RNA聚合酶亞基的功能類型主要功能

α

決定哪些基因被轉(zhuǎn)錄

ω

未知772、真核生物的RNA聚合酶種類轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物

RNApolⅠ

RNApolⅡ

RNApolⅢmRNA

snRNAtRNA、5SrRNA、snRNA

5.8S、18S和28SrRNA783、原核、真核RNA聚合酶的共同特點(diǎn)①不需要引物；②RNA合成方向均為5‘→3’；③能識(shí)別轉(zhuǎn)錄終止信號；④只以1條鏈為模板；⑤按模板的堿基順序，遵守堿基互補(bǔ)原則，嚴(yán)格挑選正確底物，催化磷酸二酯鍵生成，從而把底物NTP聚合成RNA鏈；⑥合成是連續(xù)進(jìn)行的；⑦沒有校讀活性；⑧與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的多種蛋白因子相互作用，調(diào)節(jié)基因表達(dá)79二、轉(zhuǎn)錄過程（一）原核生物：起始、延長、終止（二）真核生物：起始、延長、終止、轉(zhuǎn)錄后加工80一個(gè)轉(zhuǎn)錄區(qū)段（一）原核生物轉(zhuǎn)錄過程

1、轉(zhuǎn)錄起始5

3

3

5

結(jié)構(gòu)基因調(diào)控序列

RNA-pol啟動(dòng)子8110-10TTGACATATAAT轉(zhuǎn)錄開始0翻譯開始-35（Pribnowbox）RNA-pol識(shí)別位點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)大腸桿菌基因的啟動(dòng)子82原核生物的轉(zhuǎn)錄起始σ亞基辨認(rèn)-35區(qū)RNApol全酶移向-10區(qū)合成第一個(gè)磷酸二酯鍵5’-pppGpN-OH-3’σ亞基脫落（閉合復(fù)合物）（開放復(fù)合物）轉(zhuǎn)錄起始不需引物！83ααββ’

TTGACATATAAT-35σ-10RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合84

原核生物的轉(zhuǎn)錄空泡 ααββ′RNA2、轉(zhuǎn)錄延長RNA聚合酶的核心酶-DNA-RNA8586重新結(jié)合與卷曲活性中心解旋模板鏈RNA-DNA雜合區(qū)，含8堿基對RNARNA聚合酶非模板鏈轉(zhuǎn)錄空泡轉(zhuǎn)錄方向5’DNA3’873、轉(zhuǎn)錄終止（1）不依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止（2）依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止88RNA轉(zhuǎn)錄后，形成特殊的結(jié)構(gòu)，以終止轉(zhuǎn)錄。（1）不依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止莖環(huán)或發(fā)夾結(jié)構(gòu)8990（2）依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止ρ因子1.識(shí)別結(jié)合富含C的RNA鏈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脫落935

3

DNARibosomeRNARNAPol多個(gè)轉(zhuǎn)錄同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄延長與蛋白質(zhì)合成同時(shí)進(jìn)行原核生物94Electronmicrographoftranscription95真核生物的RNA聚合酶種類轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物

RNApolⅠ

RNApolⅡ

RNApolⅢmRNA

snRNAtRNA、5SrRNA、snRNA

5.8S、18S和28SrRNA（二）真核生物轉(zhuǎn)錄過程96真正轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)GCGC-CAAT-TATA-ATG