生物化學之核酸的生物合成

1、第十四章第十四章 核酸的生物合成核酸的生物合成nucleic acid biosynthesisnucleic acid biosynthesis本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容DNA的生物合成的生物合成RNA的生物合成的生物合成第一節(jié)第一節(jié) DNA的生物合成的生物合成中心法則中心法則（ central dogmacentral dogma）遺傳信息傳遞方向的規(guī)律遺傳信息傳遞方向的規(guī)律基因表達：基因表達：是指將遺傳信息由是指將遺傳信息由DNA轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄為為RNA、再再翻譯翻譯成蛋白質(zhì)的過程成蛋白質(zhì)的過程 半保留復制半保留復制 復制起始點（復制起始點（ori) 雙向復制雙向復制 半不連續(xù)復制半不連續(xù)復制一

2、、復制一、復制（replication）（一）（一）DNA復制的基本原則復制的基本原則半保留復制半保留復制semiconservative replicationAGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATC親代親代子代子代DNA半保留復制的實驗半保留復制的實驗 從復制起始點向從復制起始點向2個方向進行雙向復制個方向進行雙向復制雙向復制雙向復制半不連續(xù)復制（半不連續(xù)復制（semidiscontinous replication)岡崎片段岡崎片段（二）參與二）參與DNA復制的主要酶類復制的主要酶類1. 解旋、解鏈酶類解旋、解鏈酶類DN

3、A拓撲異構酶解鏈酶單鏈結合蛋白2. 引物酶引物酶3. DNA聚合酶聚合酶4. DNA連接酶連接酶1、解旋、解鏈酶類、解旋、解鏈酶類 解鏈酶解鏈酶(helicase)解開解開DNADNA雙鏈中氫鍵，消耗雙鏈中氫鍵，消耗ATPATP 單鏈結合蛋白單鏈結合蛋白（single-stranded DNA-binding protein）與單鏈與單鏈DNADNA結合，保持模板處于結合，保持模板處于單鏈狀態(tài)單鏈狀態(tài)，保護復制中的保護復制中的DNADNA單鏈單鏈不被核酸酶降解不被核酸酶降解。 DNA拓撲異構酶（拓撲異構酶（topoisomerase)復制前：復制前：松弛松弛DNADNA超螺旋，克服扭結現(xiàn)象超螺

4、旋，克服扭結現(xiàn)象復制后：復制后：TopoIITopoII作用下，重新引入超螺旋（需作用下，重新引入超螺旋（需ATPATP供能）供能）解鏈酶解鏈酶 DNADNA拓樸異構酶拓樸異構酶 單鏈單鏈DNADNA結合蛋白結合蛋白 SSBSSB解開解開、理順理順 DNADNA鏈、維持鏈、維持DNADNA單鏈單鏈狀狀2、引物酶、引物酶(primase)DNA聚合酶合成新聚合酶合成新DNA時需要時需要引物（一小段引物（一小段RNA）引物引物RNA3-OH末端末端作為作為DNA合成的起始點合成的起始點引物酶與多種起始蛋白結合形成引物酶與多種起始蛋白結合形成引發(fā)體引發(fā)體引物酶催化合成引物（引物酶催化合成引物（pri

5、mer)http:/ polymerase)DNA聚合酶的作用特點：聚合酶的作用特點：1. 模板：解開的模板：解開的DNA雙鏈雙鏈2. 催化底物催化底物（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）聚合聚合3. 形成形成3,5磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵4. 新鏈延長方向新鏈延長方向5 / 3 /5. 具核酸外切酶活性具核酸外切酶活性原核原核DNA聚合酶聚合酶polpol： 3 355外切酶活性，參與外切酶活性，參與DNADNA修復校正修復校正 5 533外切酶、聚合酶活性，外切酶、聚合酶活性， 切除引物切除引物并填補空隙并填補空隙 具有具有切口平移切口平移作用作用pol pol ：生理功能尚不清楚，無酶

6、生理功能尚不清楚，無酶、時起作用時起作用pol pol ：復制延長中復制延長中真正真正起復制起復制作用作用的酶的酶具具3 3/ /-5-5/ /核酸外切酶活性，校正作用核酸外切酶活性，校正作用DNA復制高保真性的機制復制高保真性的機制 DNADNA模板指導模板指導 正確選擇堿基配對正確選擇堿基配對 校讀功能校讀功能4、DNA連接酶連接酶(DNA ligase) 通過通過3 3/ /，5 5/ /- -磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵連接連接互補鏈互補鏈中中DNADNA片段片段 不能連接單獨存在的不能連接單獨存在的DNADNA或或RNARNA單鏈。單鏈。（三）（三）DNA的復制過程的復制過程1. 模板模板D

7、NA解旋與解鏈，形成復制叉；解旋與解鏈，形成復制叉；2. 形成引發(fā)體，合成形成引發(fā)體，合成RNA引物；引物；3. 按按A=T、G=C堿基配對規(guī)則，合成堿基配對規(guī)則，合成DNA；4. 切除引物、填補空隙、形成岡崎片段；切除引物、填補空隙、形成岡崎片段；5. DNA連接酶連接封口，形成長鏈連接酶連接封口，形成長鏈DNA；6. 在在Tus蛋白參與下，終止復制。蛋白參與下，終止復制。(terminus utilization substance)DNA復制示意圖復制示意圖拓撲異構酶拓撲異構酶解鏈酶解鏈酶5/ 3/3/ 5/ 3/ 5/DNA聚合酶聚合酶單鏈結合蛋白單鏈結合蛋白DNA聚合酶聚合酶前導鏈前

8、導鏈 隨后鏈隨后鏈DNA連接酶連接酶岡崎片段岡崎片段引物酶引物酶二、逆轉(zhuǎn)錄二、逆轉(zhuǎn)錄(reverse transcription)概念：概念：以以RNARNA為模板合成為模板合成DNADNA的過程的過程酶：酶：逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶 依賴依賴RNA的的DNA聚合酶功能聚合酶功能 RNaseH功能（水解功能（水解RNA-DNARNA-DNA雜交鏈雜交鏈） 依賴依賴DNA的的DNA聚合酶功能聚合酶功能逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶-RNaseH-+-cDNAcDNA整合整合入宿主細入宿主細胞胞DNADNA分子分子中中病毒病毒RNARNA-cDNA 雜交體雜交體cDNA雙股雙股cDNA宿主細胞宿主細胞DNADNA分子分

9、子整合了整合了cDNA的宿主的宿主細胞細胞DNA分子分子逆轉(zhuǎn)逆轉(zhuǎn)錄酶錄酶意義：意義： 對中心法則的補充對中心法則的補充 有助于基因工程的實施有助于基因工程的實施 逆轉(zhuǎn)錄過程逆轉(zhuǎn)錄過程HIV生活史生活史三、三、DNA復制與端粒、端粒酶復制與端粒、端粒酶端粒端粒: 是由蛋白質(zhì)和是由蛋白質(zhì)和DNA緊密結合的結構緊密結合的結構端粒酶端粒酶: 是一種自身攜帶模板是一種自身攜帶模板RNA的逆轉(zhuǎn)錄酶的逆轉(zhuǎn)錄酶端粒酶特殊的生物學功能：端粒酶特殊的生物學功能：1. 端粒酶活性與遺傳信息的穩(wěn)定性；端粒酶活性與遺傳信息的穩(wěn)定性；2. 端粒酶活性與細胞衰老；端粒酶活性與細胞衰老；3. 端粒酶活性與腫瘤端粒酶活性與腫瘤

10、(telomere、telomerase)http:/ 3-CUAGCCAAAACCCCAAAACAAA35DNA5-TTTTGGGGTTTTGGGGTTTT 3-G-OH(3)CUAGCCAAAACCCCAAAACAAA35DNA5-TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTG-OH(3) 3-Further polymerization端粒酶合成端粒的爬行模式端粒酶合成端粒的爬行模式四、四、DNA損傷（突變）與修復損傷（突變）與修復突變突變自發(fā)突變自發(fā)突變(spontaneous mutation)人工誘變?nèi)斯ふT變(induced mutation)（一）引起突變的因素一）引起突變的因素物理

11、因素：物理因素：紫外線、各種輻射紫外線、各種輻射化學因素：化學因素：亞硝酸鹽、烷化劑、芳香烴類亞硝酸鹽、烷化劑、芳香烴類生物因素：生物因素：RNA病毒等病毒等 （二）突變的類型（二）突變的類型v點突變點突變(point mutation) （ 錯配）錯配） 轉(zhuǎn)換(transition) ：A G 或 C T 顛換 (transversion)：嘌呤堿 嘧啶堿v框移突變框移突變(frameshift mutation) 缺失、插入1個堿基v重排重排(rearrangement)血紅蛋白中遺傳信息的異常血紅蛋白中遺傳信息的異常正常正常DNA TGTGGG CTTCTTTTTmRNA ACACCCG

12、AAGAA AAAHbA（鏈）鏈）（氨基末端）（氨基末端）蘇蘇脯脯谷谷6谷谷 賴賴異常異常DNA TGTGGG CATCTTTTTmRNA ACACCCGUAGAA AAAHbS（鏈）鏈）（氨基末端）（氨基末端）蘇蘇脯脯纈纈6谷谷 賴賴鐮刀形紅細胞性貧血鐮刀形紅細胞性貧血HbA與與HbS比較比較由基因重排引起的兩種地中海貧血基因型由基因重排引起的兩種地中海貧血基因型圖14-14 由基因重排引起的兩種地中海貧血基因型 1 2 位于11號染色體的Hb基因家族 1 2 1 2 N C 1 2 N C 1 2 1 2 （三）（三）DNA的損傷修復的損傷修復光復活光復活切除修復切除修復重組修復重組修復S

13、OS修復修復光修復光修復(photoreactivation)紫外輻射紫外輻射DNA鏈上兩個胸腺嘧鏈上兩個胸腺嘧啶殘基間形成二聚體啶殘基間形成二聚體光修復酶光修復酶切除修復切除修復核酸內(nèi)切酶核酸內(nèi)切酶DNApol ，DNA ligase(excision repair)重組修復重組修復(recombinational DNA repair）第二節(jié)第二節(jié) RNA的生物合成（轉(zhuǎn)錄）的生物合成（轉(zhuǎn)錄）(transcription)一、參與轉(zhuǎn)錄的主要物質(zhì)一、參與轉(zhuǎn)錄的主要物質(zhì)v轉(zhuǎn)錄模板轉(zhuǎn)錄模板vRNA聚合酶聚合酶v底物底物v終止因子終止因子（一）轉(zhuǎn)錄模板（一）轉(zhuǎn)錄模板v轉(zhuǎn)錄的模板：轉(zhuǎn)錄的模板：DNAD

14、NA雙鏈中的一條雙鏈中的一條v模板鏈：模板鏈：DNADNA雙鏈中具有轉(zhuǎn)錄功能的一條鏈雙鏈中具有轉(zhuǎn)錄功能的一條鏈（template strand）v編碼鏈：編碼鏈：貯存有遺傳信息與模板鏈互補的一條鏈貯存有遺傳信息與模板鏈互補的一條鏈（coding strand）5/3/3/5/不對稱轉(zhuǎn)錄：不對稱轉(zhuǎn)錄： 1 1、RNARNA分子上只有一條可轉(zhuǎn)錄分子上只有一條可轉(zhuǎn)錄 2 2、模板鏈并不總是在同一單鏈上、模板鏈并不總是在同一單鏈上RNA合成方向：合成方向：5/3/不對稱轉(zhuǎn)錄（不對稱轉(zhuǎn)錄（asymmetric transcription）DNA 5 G G A G T A C A T G T C 3 （

15、編碼鏈，編碼鏈，+, ） 3 C C T C A U G U A C A G 5 （模板鏈模板鏈，-，），） （轉(zhuǎn)錄）（轉(zhuǎn)錄） 5 G G A G U A C A U G U C 3 mRNA （翻譯）翻譯） N Ala Val His Val C 多肽多肽 （二）（二）RNA聚合酶聚合酶原核細胞原核細胞(RNA polymerase) 亞基亞基 功能功能 2 2 決定哪些基因被轉(zhuǎn)錄決定哪些基因被轉(zhuǎn)錄 與轉(zhuǎn)錄全過程有關與轉(zhuǎn)錄全過程有關 結合結合DNA模板模板 辨認起始點辨認起始點全酶：核心酶（全酶：核心酶（ 2 2 ） + + 起始因子（起始因子（ ）類型類型 細胞內(nèi)定位細胞內(nèi)定位 催化轉(zhuǎn)錄產(chǎn)

16、物催化轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物 對鵝膏蕈堿的反應對鵝膏蕈堿的反應 核仁核仁 rRNArRNA前體前體 耐受耐受 核質(zhì)核質(zhì) mRNAmRNA前體前體 極敏感極敏感 核質(zhì)核質(zhì) 5 5SrRNA SrRNA tRNA tRNA 中度敏感中度敏感（二）（二）RNA聚合酶聚合酶真核細胞真核細胞（三）底物（三）底物RNA聚合酶的底物（聚合酶的底物（RNA合成的原料）：合成的原料）： ATP、GTP、CTP、UTP二、轉(zhuǎn)錄過程二、轉(zhuǎn)錄過程1. 轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始2、轉(zhuǎn)錄延長、轉(zhuǎn)錄延長3、轉(zhuǎn)錄終止、轉(zhuǎn)錄終止（原核生物）（原核生物）形成第一個形成第一個3 / ，5/-磷酸二酯鍵，磷酸二酯鍵，因子脫離全酶因子脫離全酶（第一個核苷酸

17、：（第一個核苷酸：GTP或或ATP）RNA 聚合酶識別、結合啟動子聚合酶識別、結合啟動子-10核苷酸核苷酸TATAAT（Pribnow 盒）富含盒）富含AT-35核苷酸核苷酸TTGACA啟啟動動子子1. 轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始(transcription initiation)轉(zhuǎn)錄起始動畫轉(zhuǎn)錄起始動畫核心酶催化，在模板指導下沿核心酶催化，在模板指導下沿5/-3/方向延伸方向延伸RNA鏈鏈2、轉(zhuǎn)錄延長、轉(zhuǎn)錄延長(transcription elongation)轉(zhuǎn)錄空泡轉(zhuǎn)錄空泡終止子終止子非依賴于非依賴于因子的終止子因子的終止子依賴于依賴于因子的終止子因子的終止子terminator3、轉(zhuǎn)錄終止、轉(zhuǎn)錄

18、終止（transcription termination）非依賴非依賴因子的終止因子的終止1、GC豐富，重復序列豐富，重復序列2、形成發(fā)夾樣結構、形成發(fā)夾樣結構http:/ 轉(zhuǎn)錄過程中的轉(zhuǎn)錄過程中的5/端加帽端加帽與與3/端加尾端加尾的修飾的修飾mRNA的前體：的前體：核內(nèi)不均一核內(nèi)不均一RNA（hnRNA）2. 切除切除內(nèi)含子內(nèi)含子(intron)，拼接拼接外顯子外顯子(exon)非編碼序列非編碼序列編碼序列編碼序列(hetero nuclear RNA)m7GpppNmpoly A帽子結構帽子結構尾巴結構尾巴結構 DNA和和RNA生物合成的比較生物合成的比較(1) 復制復制 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄1. 原料原料 dNTP NTP2. 模板模板 DNA兩條鏈兩條鏈 DNA一條鏈一條鏈3. 引物引物 需要需要RNA引物引物 不需引物不需引物4. 新連延伸方向新連延伸方向 53 535. 主要酶類主要酶類 DNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶 解旋、解鏈酶類解旋、解鏈酶類 （2） 引物酶引物酶 終止因子終止因子() DNA連接酶連接酶DNA和和RNA生物合成的比較生物合成的比較(2) 復制過程復制過程 轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄過程1. 模板模板DNA解旋與解鏈，解旋與解鏈， 因子辨認