第十章 核酸的生物合成

1、第十章 核酸的生物合成第一節(jié) 遺傳信息的貯存和流動(dòng) p438遺傳信息的貯存和流動(dòng)遵循中心法則： 由中心法則可見，通過DNA的復(fù)制，遺傳信息即得到了拷貝和貯存；遺傳信息的傳遞方向是DNA RNA 蛋白質(zhì)（絕大多數(shù)生物） 。1、 DNA復(fù)制：以原來的DNA分子為模板，合成一個(gè)與原來完全相同的DNA的過程。2、轉(zhuǎn)錄：以DNA為模板，合成一條與DNA堿基互補(bǔ)的RNA的過程。3、翻譯（轉(zhuǎn)譯）：按照RNA上所攜帶的遺傳信息，合成一條具有特定AA順序的多肽鏈的過程。此外，在RNA病毒中，還發(fā)現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)錄和RNA復(fù)制現(xiàn)象。4、逆轉(zhuǎn)錄：見于某些RNA病毒。在逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下，以RNA為模板， 合成一條與RNA互補(bǔ)

2、的DNA的過程。 P4915、RNA復(fù)制：見于某些RNA病毒。以RNA為模板，合成一條與原來RNA 互補(bǔ)的RNA的過程。 P495即在某些生物中，RNA也可以是遺傳信息的載體。第二節(jié) DNA的復(fù)制2.1、 DNA復(fù)制的一般規(guī)律1、 DNA的半保留復(fù)制 p441 由Watson和Crick與1953年提出，并由Meselson和Stahl在1958年用同位素標(biāo)記進(jìn)行了證明。 DNA的半保留復(fù)制：DNA復(fù)制時(shí)，兩條鏈先解旋分開，然后每條鏈均可作為模板在其上合成新的互補(bǔ)鏈，這樣新形成的兩個(gè)DNA分子的堿基順序與原來的DNA分子完全一樣。但每個(gè)子代DNA分子中，一條鏈來自親代DNA ，另一條鏈則是新合

3、成的。2、 DNA復(fù)制的起點(diǎn)和方向 p441-442、復(fù)制的起點(diǎn)復(fù)制起始點(diǎn)（oriC，復(fù)制原點(diǎn)）：開始復(fù)制的DNA分子的特定部位。該處DNA序列常含多個(gè)重復(fù)序列結(jié)構(gòu)。原核生物：只有一個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)。真核生物：有多個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)。復(fù)制開始時(shí)， DNA雙鏈解開，復(fù)制起始點(diǎn)呈叉子形，稱為復(fù)制叉。以后隨復(fù)制叉的向前移動(dòng)，鏈得以不斷延長(zhǎng)（即DNA不斷合成）。、 復(fù)制的方向大多為雙向等速（對(duì)稱）復(fù)制：復(fù)制從固定的起點(diǎn)開始，以雙向等速的方式進(jìn)行。見于大多數(shù)生物DNA。還有雙向不對(duì)稱復(fù)制：復(fù)制雖從定點(diǎn)開始，但兩個(gè)復(fù)制叉的移動(dòng)不對(duì)稱。單向復(fù)制：復(fù)制時(shí)只由一個(gè)復(fù)制叉向一個(gè)方向進(jìn)行復(fù)制。3、 DNA的半不連續(xù)復(fù)制 p4

4、42-443岡崎發(fā)現(xiàn)， DNA復(fù)制時(shí)，在復(fù)制叉上一條新鏈?zhǔn)沁B續(xù)合成的，稱前導(dǎo)鏈，合成方向53，與復(fù)制叉的前進(jìn)方向一致，模板鏈為3 5；另一條新鏈的合成則不連續(xù)，稱滯后鏈，合成方向也是5 3，但與復(fù)制叉的前進(jìn)方向相反，模板鏈為5 3。這種機(jī)制稱為DNA的半不連續(xù)復(fù)制。滯后鏈合成時(shí)，先合成許多不連續(xù)的DNA片斷，大小約10002000個(gè)堿基（原核；真核為100200個(gè)堿基），稱岡崎片斷，然后再將這些片斷連接成一條完整的DNA鏈。2.2、與DNA復(fù)制有關(guān)的酶DNA的復(fù)制是在DNA聚合酶等多種酶和蛋白因子的作用下進(jìn)行的。1、 DNA聚合酶 p443-445催化DNA分子聚合（合成）的酶。由Komber

5、g于1956年首先從大腸桿菌中提取得到。、反應(yīng)條件模板：?jiǎn)捂淒NA，帶缺口的雙鏈DNA。底物：四種dNTP。引物：帶游離3-OH的小片段RNA或DNA （可與模板DNA配對(duì)）。 DNA聚合酶只能在引物上延伸DNA鏈，不能從無到有合成DNA 。激活劑：Mg2+。、反應(yīng)過程 p444 聚合酶對(duì)堿基具選擇性，底物只能按照堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則（A-T ，G-C）摻入DNA鏈。這是DNA復(fù)制忠實(shí)性的保證之一。、合成的方向（鏈延伸方向）：5 3。 、總反應(yīng)式： 、DNA聚合酶的外切酶活力： 催化末端磷酸二酯鍵的水解。絕大多數(shù)DNA聚合酶均具有35的外切酶活力，該活力具有校對(duì)功能?？捎靡郧谐酆戏磻?yīng)中錯(cuò)配的堿

6、基。該活力只作用于單鏈DNA，對(duì)雙鏈DNA則不起作用。DNA聚合酶35的外切酶活力是DNA復(fù)制忠實(shí)性的又一保證。此外，體內(nèi)多種DNA修復(fù)系統(tǒng)也是DNA復(fù)制忠實(shí)性的保證之一。、大腸桿菌的DNA聚合酶 p445-446共有五種，分別稱為DNA聚合酶、和。、DNA聚合酶（Kornberg酶）：?jiǎn)捂湺嚯摹＞?3的聚合酶活力（模板為帶缺口的雙鏈DNA ，活力低）、35的外切酶活力和53的外切酶活力的多功能酶。其中53的外切酶活力只作用于DNA雙鏈，用于切除岡崎片段中的RNA引物及參與DNA損傷后的修復(fù)。該酶由于聚合活力低，不是大腸桿菌的DNA復(fù)制酶，而只是在DNA復(fù)制、重組和修復(fù)中起修繕工的作用。、DN

7、A聚合酶：多亞基酶。具53的聚合酶活力（模板為帶缺口的雙鏈DNA，活力比聚合酶高。），35的外切酶活力，無53的外切酶活力。為一種修復(fù)酶。 、DNA聚合酶：多亞基酶（10種亞基）。具53的聚合酶活力（模板即可用帶引物的單鏈DNA也可用帶缺口的雙鏈DNA ，）和35的外切酶活力，無53的外切酶活力。為大腸桿菌中真正的DNA復(fù)制酶。2、DNA連接酶 p447，p451催化帶切口雙鏈DNA中切口處3-OH與5-P間磷酸二酯鍵的形成，以連接切口。連接反應(yīng)只限于雙鏈DNA（或RNA-RNA；RNA-DNA）切口的連接，對(duì)游離的兩條單鏈則不起作用。連接反應(yīng)需要能量，真核由ATP提供，原核由NAD+提供。3

8、、引物合成酶 p447屬于RNA聚合酶， 以DNA為模板，合成一小段RNA（幾個(gè)幾十個(gè)核苷酸，從頭合成，合成方向53 ），作為合成DNA時(shí)的引物。4、拓?fù)洚悩?gòu)酶 p446可改變DNA的拓?fù)湫再|(zhì)（超螺旋結(jié)構(gòu)中的連環(huán)數(shù)的數(shù)目）的酶，廣泛存在于原核和真核生物中。生物體內(nèi)的DNA通常處于負(fù)超螺旋狀態(tài)， DNA復(fù)制時(shí)，復(fù)制叉前方的DNA部分會(huì)產(chǎn)生正超螺旋，拓?fù)洚悩?gòu)酶可松弛超螺旋，并且還可引入負(fù)超螺旋以利于復(fù)制叉的前行及DNA的合成。5、解螺旋酶 p446可解開DNA雙鏈，并結(jié)合于DNA的單鏈部位，然后向雙鏈方向移動(dòng)，邊移動(dòng)邊解鏈。6、單鏈結(jié)合蛋白（SSB） p446可與DNA單鏈緊密結(jié)合，穩(wěn)定解開的單鏈

9、，阻止復(fù)性和保護(hù)單鏈部分不被核酸酶降解。2.3、DNA復(fù)制的過程以原核生物為例，DNA的復(fù)制過程可分為起始、延伸、終止三個(gè)階段。1、起始 p447-448 、起始過程DnaA蛋白識(shí)別復(fù)制起點(diǎn)序列引起鄰近的三個(gè)富含AT的序列變性解鏈解螺旋酶（DnaB）結(jié)合于解鏈區(qū)，沿DNA鏈3 5方向移動(dòng)，解開DNA的雙鏈單鏈結(jié)合蛋白結(jié)合于解開的單鏈上以防止其復(fù)性激活引物合成酶，合成RNA引物，即可開始DNA的復(fù)制過程 拓?fù)洚悩?gòu)酶引入負(fù)超螺旋以消除解螺旋酶產(chǎn)生的拓?fù)鋸埩?。、起始的調(diào)節(jié) p448復(fù)制的調(diào)節(jié)發(fā)生在起始階段，一旦開始復(fù)制，如無意外受阻，就能一直進(jìn)行到完成。調(diào)節(jié)包括：起始位點(diǎn)必須甲基化后才能與DnaA

10、蛋白結(jié)合；DnaA蛋白結(jié)合的ATP如水解，蛋白即失去活力。2、延伸 p448-450、延伸過程引物合成酶在適當(dāng)位置合成出RNA引物 DNA聚合酶的兩個(gè)亞基（夾子）即可將引物與DNA模板鏈夾住，同時(shí)亞基的二聚體形成一個(gè)環(huán)，套在DNA鏈上，并可在其上滑動(dòng)邊滑動(dòng)邊在DNA聚合酶的催化下，在引物的3-OH端按堿基互補(bǔ)配對(duì)原則合成DNA。拓?fù)洚悩?gòu)酶引入負(fù)超螺旋以消除解螺旋酶產(chǎn)生的拓?fù)鋸埩?。、合成的方向：53 （前導(dǎo)鏈和滯后鏈均如此） 、合成的機(jī)制半保留復(fù)制；半不連續(xù)合成：前導(dǎo)鏈（模板35 ）：連續(xù)合成。滯后鏈（模板53 ）：不連續(xù)合成。需要不斷合成岡崎片段的引物，然后由DNA聚合酶催化合成DNA。3、

11、終止 p450當(dāng)兩個(gè)復(fù)制叉向前推移，最后在終止區(qū)（ter序列）相遇時(shí)，復(fù)制即終止。大腸桿菌的ter序列可與終止利用蛋白（Tus蛋白 ）結(jié)合，一旦二者結(jié)合即可阻止解鏈酶(Helicase)的解鏈活性而終止DNA的復(fù)制。然后，由DNA聚合酶53的外切酶活力切除引物，DNA聚合酶53的聚合酶活力填補(bǔ)缺口，再由DNA連接酶連接切口。最后再由拓?fù)洚悩?gòu)酶分開兩個(gè)連鎖的閉環(huán)雙鏈DNA 。第三節(jié) DNA的損傷和修復(fù)3.1、DNA的損傷 p452-453DNA分子受物理或化學(xué)因素的影響，分子中堿基組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的現(xiàn)象。如：紫外光照射可使DNA分子中同一鏈上兩相鄰嘧啶間形成嘧啶二聚體（特別是T T二聚體）。嘧

12、啶二聚體的形成，影響了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，使其復(fù)制和轉(zhuǎn)錄均受阻。3.2、DNA的修復(fù)系統(tǒng) 細(xì)胞對(duì)DNA 損傷的修復(fù)系統(tǒng)有五種：錯(cuò)配修復(fù)、直接修復(fù)、切除修復(fù)、重組修復(fù)、應(yīng)急反應(yīng)和易錯(cuò)修復(fù)。1、直接修復(fù) p456如光復(fù)活：需光和光復(fù)合酶，專門修復(fù)因紫外線造成的嘧啶二聚體損傷。2、切除修復(fù) p454-457在各種生物中普遍存在，對(duì)多種DNA損傷均起作用。修復(fù)過程需核酸內(nèi)切酶、外切酶（原核：聚合酶的53外切活力）、 DNA聚合酶和DNA連接酶四種酶的協(xié)同作用。第四節(jié) RNA的生物合成-轉(zhuǎn)錄RNA的合成是在RNA聚合酶的催化下進(jìn)行的。4.1、原核生物RNA的合成1、RNA聚合酶 p470-471大腸桿菌

13、的RNA聚合酶只有一種，為6亞基的寡聚酶（2）。啟動(dòng)子：聚合酶識(shí)別、結(jié)合和開始轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。位于轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)的3端上游區(qū)，含4060個(gè)bp。 P472-473、RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)RNA 聚合酶形如右手，拇指與食指間的凹漕正好可結(jié)合DNA。單獨(dú)核心酶存在時(shí)拇指與食指呈閉合狀態(tài)，與因子結(jié)合后即張開，DNA可落入凹漕內(nèi)。當(dāng)酶遇到啟動(dòng)子時(shí)，DNA雙鏈被局部解開，開始合成RNA， 此時(shí)因子離開核心酶，拇指與食指閉合，可在DNA鏈上滑動(dòng)，邊滑動(dòng)，邊解鏈，邊合成。、反應(yīng)條件 470-471模板： 局部解鏈的DNA雙鏈及單鏈DNA 。且模板不摻入產(chǎn)物。底物：4種NTP，配對(duì)原則：A-U，G-C。無校對(duì)功能

14、。 引物：無，即為從頭合成。 激活劑：Mg2+或Mn2+ 。 、反應(yīng)過程：與DNA復(fù)制相似。磷酸二酯鍵的形成過程與DNA復(fù)制相似，但A-U配對(duì)。、合成方向：53 （與DNA相同） 、總反應(yīng)式：2、轉(zhuǎn)錄過程-不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄分為起始、延伸、終止三階段。1 、起始 p471，p473RNA 聚合酶全酶在因子的引導(dǎo)下識(shí)別并結(jié)合到DNA模板的啟動(dòng)子上DNA雙螺旋局部解鏈 轉(zhuǎn)錄起始，合成RNA鏈最初的29個(gè)核苷酸。（合成的第一個(gè)核苷酸通常是pppG或pppA）。、延伸 p471-472因子從核心酶上釋放出來核心酶構(gòu)象改變可在模板上滑動(dòng)，邊滑動(dòng)，邊解鏈，邊轉(zhuǎn)錄，從而鏈得以延長(zhǎng)。延伸方向：5 3 轉(zhuǎn)錄機(jī)制：不對(duì)稱

15、轉(zhuǎn)錄。 兩條鏈中只有一條可被轉(zhuǎn)錄，稱模板鏈（反意義鏈，負(fù)鏈），另一條不被轉(zhuǎn)錄的鏈稱編碼鏈（有意義鏈，正鏈）?；蛘咿D(zhuǎn)錄時(shí)可能某些區(qū)域以這條鏈轉(zhuǎn)錄，另一些區(qū)域則以另一條鏈轉(zhuǎn)錄。、終止 p475、RNA 聚合酶停止在DNA鏈的特定部位（終止子，提供轉(zhuǎn)錄停止信號(hào)的DNA序列）該部位轉(zhuǎn)錄出的RNA可通過自身回折形成一發(fā)夾結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可使RNA 聚合酶移動(dòng)減慢而暫停RNA的合成。、產(chǎn)物的脫落：二機(jī)制a、 不需終止因子：發(fā)夾結(jié)構(gòu)中富含GC，產(chǎn)物RNA的3-端具多聚U序列（polyU），為轉(zhuǎn)錄的終止信號(hào)，可導(dǎo)致產(chǎn)物RNA的脫落。b、需終止因子（因子，具RNA-DNA解螺旋酶活力）：發(fā)夾結(jié)構(gòu)中GC少，產(chǎn)物RNA

16、的3-端無polyU序列。由因子與產(chǎn)物RNA結(jié)合，并沿RNA鏈移動(dòng)到RNA聚合酶處，然后由因子解螺旋酶的活力催化產(chǎn)物RNA的脫落。RNA脫落后，RNA聚合酶也隨之從DNA模板上脫落下來。4.2、真核生物RNA的合成 p476真核生物RNA的合成過程與原核相似，但真核生物RNA聚合酶自身不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的開始，需要在其它蛋白因子的參與下，組裝成活性轉(zhuǎn)錄復(fù)合物后才能起始轉(zhuǎn)錄 真核生物RNA 聚合酶主要有三種： RNA 聚合酶：存在于核仁，催化rRNA前體的轉(zhuǎn)錄。 RNA 聚合酶：催化mRNA 前體和大多數(shù)核內(nèi)小RNA（sn RNA ）的轉(zhuǎn)錄。RNA 聚合酶：催化tRNA 前體和胞質(zhì) 內(nèi)小RNA（sc

17、RNA ）的轉(zhuǎn)錄。此外，真核生物中還有線粒體RNA聚合酶和葉綠體RNA聚合酶，分別催化這兩個(gè)部位RNA的合成。第五節(jié) 轉(zhuǎn)錄后RNA的修飾和加工5.1、概述 p478-479細(xì)胞內(nèi)，由RNA聚合酶合成的原初RNA（ RNA前體）分子量較大，無稀有堿基，常需經(jīng)過進(jìn)一步的修飾和加工才能成為成熟的RNA 。5.2、內(nèi)含子的切除和拼接 p479-4811、內(nèi)含子的概念內(nèi)含子（插入順序，居間序列）：見于大部分真核基因，原核中很少見。指存在于基因內(nèi)部的一段序列，該序列不編碼多肽鏈（或RNA）產(chǎn)物。轉(zhuǎn)錄后，該序列存在于RNA前體分子內(nèi)部，在RNA的成熟過程中要被去掉，在成熟的RNA中不存在。外顯子：一個(gè)基因中

18、為多肽鏈（或RNA）產(chǎn)物編碼的DNA順序。 斷裂基因：指含有內(nèi)含子的基因。由內(nèi)含子和外顯子組成。 2、內(nèi)含子的切除和拼接內(nèi)含子的切除和拼接常常無需酶的催化，由RNA前體自身即可完成這一過程，這種具有催化功能的RNA稱為核酶。 內(nèi)含子的切除和拼接過程實(shí)質(zhì)上為磷酸酯的轉(zhuǎn)移反應(yīng)。有些內(nèi)含子的切除和拼接則需拼接體或酶的參與。 內(nèi)含子的切除和外顯子拼接方式的不同導(dǎo)致一個(gè)基因產(chǎn)生多種產(chǎn)物。5.3、rRNA 的修飾和加工 p484-486 原核和真核生物rRNA 的加工過程相似，只是少數(shù)真核中存在插入順序的切除和拼接（通過rRNA前體自身完成）。1、 堿基的修飾：除5SRNA外，均要進(jìn)行甲基化，甲基的供體為SAM。前體甲基化后才能被核酸酶切割。2、核糖核酸酶的切割（內(nèi)、外切）原核rRNA前體為30S，經(jīng)核酸酶逐步切割為16S、23S、5S rRNA 。真核rRNA前體為45S，經(jīng)核酸酶逐步切割為18S、28S、5S、5.8S rRNA 。5.4、tRNA的加工和修飾 p486-487原核生物tRNA的加工過程