-核酸和蛋白質(zhì)生物合成及調(diào)節(jié)課件

1、核酸的生物合成nucleic acid biosynthesis本章主要內(nèi)容DNA的生物合成RNA的生物合成第一節(jié) DNA的生物合成中心法則（ central dogma）遺傳信息傳遞方向的規(guī)律基因表達：是指將遺傳信息由DNA轉(zhuǎn)錄為RNA、再翻譯成蛋白質(zhì)的過程半保留復(fù)制復(fù)制起始點（ori)雙向復(fù)制半不連續(xù)復(fù)制一、復(fù)制（replication）（一）DNA復(fù)制的基本原則半保留復(fù)制semiconservative replicationAGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATC親代子代DNA半保留復(fù)制的實驗 從復(fù)制起始點向2個方向進

2、行雙向復(fù)制雙向復(fù)制半不連續(xù)復(fù)制（semidiscontinous replication)岡崎片段（二）參與DNA復(fù)制的主要酶類解旋、解鏈酶類DNA拓撲異構(gòu)酶解鏈酶單鏈結(jié)合蛋白引物酶DNA聚合酶DNA連接酶1、解旋、解鏈酶類 解鏈酶(helicase)解開DNA雙鏈中氫鍵，消耗ATP 單鏈結(jié)合蛋白（single-stranded DNA-binding protein）與單鏈DNA結(jié)合，保持模板處于單鏈狀態(tài)，保護復(fù)制中的DNA單鏈不被核酸酶降解。 DNA拓撲異構(gòu)酶（topoisomerase)復(fù)制前：松弛DNA超螺旋，克服扭結(jié)現(xiàn)象復(fù)制后：TopoII作用下，重新引入超螺旋（需ATP供能）解鏈酶

3、 DNA拓樸異構(gòu)酶 單鏈DNA結(jié)合蛋白 SSB解開、理順 DNA鏈、維持DNA單鏈狀2、引物酶(primase)DNA聚合酶合成新DNA時需要引物（一小段RNA）引物RNA3-OH末端作為DNA合成的起始點引物酶與多種起始蛋白結(jié)合形成引發(fā)體引物酶催化合成引物（primer)3、DNA聚合酶（DNA polymerase)DNA聚合酶的作用特點：模板：解開的DNA雙鏈催化底物（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）聚合形成3,5磷酸二酯鍵新鏈延長方向5 / 3 /具核酸外切酶活性原核DNA聚合酶pol： 35外切酶活性，參與DNA修復(fù)校正 53外切酶、聚合酶活性， 切除引物并填補空隙 具有切口

4、平移作用pol ：生理功能尚不清楚，無酶、時起作用pol ：復(fù)制延長中真正起復(fù)制作用的酶具3/-5/核酸外切酶活性，校正作用DNA復(fù)制高保真性的機制 DNA模板指導(dǎo) 正確選擇堿基配對 校讀功能4、DNA連接酶(DNA ligase) 通過3/，5/-磷酸二酯鍵連接互補鏈中DNA片段 不能連接單獨存在的DNA或RNA單鏈。（三）DNA的復(fù)制過程模板DNA解旋與解鏈，形成復(fù)制叉；形成引發(fā)體，合成RNA引物；按A=T、G=C堿基配對規(guī)則，合成DNA；切除引物、填補空隙、形成岡崎片段；DNA連接酶連接封口，形成長鏈DNA；6. 在Tus蛋白參與下，終止復(fù)制。(terminus utilization

5、substance)DNA復(fù)制示意圖拓撲異構(gòu)酶解鏈酶5/ 3/3/ 5/ 3/ 5/DNA聚合酶單鏈結(jié)合蛋白DNA聚合酶前導(dǎo)鏈 隨后鏈DNA連接酶岡崎片段引物酶二、逆轉(zhuǎn)錄(reverse transcription)概念：以RNA為模板合成DNA的過程酶：逆轉(zhuǎn)錄酶 依賴RNA的DNA聚合酶功能 RNaseH功能（水解RNA-DNA雜交鏈） 依賴DNA的DNA聚合酶功能逆轉(zhuǎn)錄酶-RNaseH-+-cDNA整合入宿主細胞DNA分子中病毒RNARNA-cDNA 雜交體cDNA雙股cDNA宿主細胞DNA分子整合了cDNA的宿主細胞DNA分子逆轉(zhuǎn)錄酶意義： 對中心法則的補充 有助于基因工程的實施 逆轉(zhuǎn)錄

6、過程HIV生活史三、DNA復(fù)制與端粒、端粒酶端粒: 是由蛋白質(zhì)和DNA緊密結(jié)合的結(jié)構(gòu)端粒酶: 是一種自身攜帶模板RNA的逆轉(zhuǎn)錄酶端粒酶特殊的生物學(xué)功能：1. 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；3. 端粒酶活性與腫瘤(telomere、telomerase)端粒（telomere）是指真核生物染色體線性DNA分子末端的結(jié)構(gòu)部分，通常膨大成粒狀。（一）真核生物端粒的形成：功能 維持染色體的穩(wěn)定性 保證DNA復(fù)制的完整性端粒的結(jié)構(gòu)特點 由末端單鏈DNA序列和蛋白質(zhì)構(gòu)成。 末端DNA序列是多次重復(fù)的富含G、T堿基的短 序列。TTTTGGGGTTTTGGGG線性DNA在復(fù)制完成后

7、，其末端由于引物RNA的水解而可能出現(xiàn)縮短。故需要在端粒酶（telomerase）的催化下，進行延長反應(yīng)。53355335端粒酶(telomerase)端粒酶是一種RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體，它可以其RNA為模板，通過逆轉(zhuǎn)錄過程對末端DNA鏈進行延長。端粒酶的分子結(jié)構(gòu)端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR)端粒酶協(xié)同蛋白(human telomerase associated protein 1, hTP1)端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(human telomerase reverse transcriptase, hTRT) 端粒酶的組成端粒酶的爬行模型（動畫演示）四、DNA損傷（突

8、變）與修復(fù)突變自發(fā)突變(spontaneous mutation)人工誘變(induced mutation)（一）引起突變的因素物理因素：紫外線、各種輻射化學(xué)因素：亞硝酸鹽、烷化劑、芳香烴類生物因素：RNA病毒等 （二）突變的類型點突變(point mutation) （ 錯配）轉(zhuǎn)換(transition) ：A G 或 C T 顛換 (transversion)：嘌呤堿 嘧啶堿框移突變(frameshift mutation)缺失、插入1個堿基重排(rearrangement)血紅蛋白中遺傳信息的異常正常DNA TGTGGGCTTCTTTTTmRNA ACACCCGAAGAAAAAHbA（

9、鏈）（氨基末端）蘇脯谷6谷 賴異常DNA TGTGGGCATCTTTTTmRNA ACACCCGUAGAAAAAHbS（鏈）（氨基末端）蘇脯纈6谷 賴鐮刀形紅細胞性貧血HbA與HbS比較由基因重排引起的兩種地中海貧血基因型（三）DNA的損傷修復(fù)光復(fù)活切除修復(fù)重組修復(fù)SOS修復(fù)光修復(fù)(photoreactivation)紫外輻射DNA鏈上兩個胸腺嘧啶殘基間形成二聚體光修復(fù)酶切除修復(fù)核酸內(nèi)切酶DNApol ，DNA ligase(excision repair)重組修復(fù)(recombinational DNA repair）第二節(jié) RNA的生物合成（轉(zhuǎn)錄）(transcription)一、參與轉(zhuǎn)錄

10、的主要物質(zhì)轉(zhuǎn)錄模板RNA聚合酶底物終止因子（一）轉(zhuǎn)錄模板轉(zhuǎn)錄的模板：DNA雙鏈中的一條模板鏈：DNA雙鏈中具有轉(zhuǎn)錄功能的一條鏈（template strand）編碼鏈：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： 1、RNA分子上只有一條可轉(zhuǎn)錄 2、模板鏈并不總是在同一單鏈上RNA合成方向：5/3/不對稱轉(zhuǎn)錄（asymmetric transcription）DNA 5G G A G T A C A T G T C 3（編碼鏈，+, ） 3C C T C A U G U A C A G 5（模板鏈，-，） （轉(zhuǎn)錄） 5 G G A G U A C

11、 A U G U C 3 mRNA （翻譯） N Ala Val His Val C 多肽 （二）RNA聚合酶原核細胞(RNA polymerase) 亞基 功能 2 決定哪些基因被轉(zhuǎn)錄 與轉(zhuǎn)錄全過程有關(guān) 結(jié)合DNA模板 辨認起始點全酶：核心酶（ 2 ） + 起始因子（）類型 細胞內(nèi)定位 催化轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物 對鵝膏蕈堿的反應(yīng) 核仁 rRNA前體 耐受 核質(zhì) mRNA前體 極敏感 核質(zhì) 5SrRNA tRNA 中度敏感（二）RNA聚合酶真核細胞（三）底物RNA聚合酶的底物（RNA合成的原料）： ATP、GTP、CTP、UTP二、轉(zhuǎn)錄過程 轉(zhuǎn)錄起始2、轉(zhuǎn)錄延長3、轉(zhuǎn)錄終止（原核生物）形成第一個3 / ，

12、5/-磷酸二酯鍵，因子脫離全酶（第一個核苷酸：GTP或ATP）RNA 聚合酶識別、結(jié)合啟動子-10核苷酸TATAAT（Pribnow 盒）富含AT-35核苷酸TTGACA啟動子 轉(zhuǎn)錄起始(transcription initiation)轉(zhuǎn)錄起始動畫核心酶催化，在模板指導(dǎo)下沿5/-3/方向延伸RNA鏈2、轉(zhuǎn)錄延長(transcription elongation)轉(zhuǎn)錄空泡終止子非依賴于因子的終止子依賴于因子的終止子terminator3、轉(zhuǎn)錄終止（transcription termination）非依賴因子的終止1、GC豐富，重復(fù)序列2、形成發(fā)夾樣結(jié)構(gòu)依賴與因子的終止轉(zhuǎn)錄全過程真核細胞mRN

13、A前體的加工 轉(zhuǎn)錄過程中的5/端加帽與3/端加尾的修飾mRNA的前體：核內(nèi)不均一RNA（hnRNA）2. 切除內(nèi)含子(intron)，拼接外顯子(exon)非編碼序列編碼序列(hetero nuclear RNA)m7GpppNmpoly A帽子結(jié)構(gòu)尾巴結(jié)構(gòu) DNA和RNA生物合成的比較(1) 復(fù)制 轉(zhuǎn)錄1. 原料 dNTP NTP2. 模板 DNA兩條鏈 DNA一條鏈3. 引物 需要RNA引物 不需引物4. 新連延伸方向 53 535. 主要酶類 DNA聚合酶 RNA聚合酶 解旋、解鏈酶類 （2） 引物酶 終止因子() DNA連接酶DNA和RNA生物合成的比較(2) 復(fù)制過程 轉(zhuǎn)錄過程模板D

14、NA解旋與解鏈， 因子辨認起始點, 形成復(fù)制叉； 帶動全酶解開DNA雙鏈,形成引發(fā)體， 促使轉(zhuǎn)錄起動； 合成RNA引物； 因子隨之脫落下來；3. 按A=T、G=C堿基配對 在核心酶催化下, 規(guī)則，合成DNA； 使RNA鏈不斷延長；切除引物、填補空隙、 因子終止鏈延長。 形成岡崎片段；DNA連接酶連接封口， 形成長鏈DNA；6. 在Tus蛋白參與下， 終止復(fù)制第十五章 蛋白質(zhì)的生物合成biosynthesis of protein本章主要內(nèi)容參與蛋白質(zhì)生物合成的主要物質(zhì)蛋白質(zhì)生物合成的過程翻譯后的加工蛋白質(zhì)生物合成體系n 氨基酸 蛋白質(zhì)mRNA、tRNA、rRNA酶、蛋白質(zhì)因子、ATP、GTP第

15、一節(jié) 參與蛋白質(zhì)生物合成的主要物質(zhì)mRNAtRNArRNA一、mRNA翻譯的模板CAACUGCAGACAUAUAUGAUACAAUUUGAUCAGUAU5/3/-Gln-Leu-Gln-Thr-Tyr-Met-Ile-Gln-Phe-Asp-Gln-Tyr- mRNA分子中，從5/-3/每三個相鄰的 堿基組成的三聯(lián)體，代表某個氨基酸 共有64種61種代表20中氨基酸3種UAA、UAG、UGA終止密碼(codon)AUG起始密碼蛋氨酸 密碼子：遺傳密碼表第一堿基（5/-端）第 二 堿 基第三堿基（3/-端）終止終止*在mRNA起始部位的AUG為起始信號 方向性 通用性 簡并性 連續(xù)性遺傳密碼的特

16、點同一氨基酸具有多種密碼子同義密碼第1、2位第3位決定密碼的特異性擺動 方向性：5/3/ 通用性：（在線粒體或葉綠體中特殊） 簡并性：沿5/-3/方向連續(xù)閱讀插入堿基缺失堿基移碼突變 連續(xù)性：二、tRNA搬運氨基酸Ser5Tyr5密碼子與反密碼子的配對I A、C、UU A、GG C、U反密碼子識別密碼子第1位（擺動配對）第3位（tRNA）（mRNA）氨基酸的活化氨基酸與tRNA的結(jié)合氨基酸 + ATP+ tRNA氨基酰-tRNA合成酶氨基酰-tRNA + AMP +PPi三、核糖體蛋白質(zhì)合成的場所rRNA + 蛋白質(zhì)核糖體（核蛋白體）大亞基 小亞基真核細胞：5S、 5.8S 、28S18S蛋白

17、質(zhì)大亞基（60S）小亞基（40S）原核細胞：5S、 23S16S蛋白質(zhì)大亞基（50S）小亞基（30S）核糖體大小亞基的組成80S70S小亞基與mRNA的結(jié)合S-D序列53小亞基大亞基P位：結(jié)合肽酰tRNA的部位A位：結(jié)合氨基酰tRNA的部位P位 A位第二節(jié) 蛋白質(zhì)生物合成的過程mRNA中堿基的排列順序蛋白質(zhì)中的AA的排列順序翻譯起始延長終止注冊成肽轉(zhuǎn)位一、起始階段起始復(fù)合體大亞基mRNAMet-tRNA(fMet-tRNA)小亞基IF-1，2，3GTP起始復(fù)合物的形成過程1 2二、肽鏈的延長階段進位 成肽 轉(zhuǎn)位1 延長因子（EF）條件：EF-TEF-GEF-TuEF-Ts過程：2 GTP肽鏈的

18、延長進位成肽轉(zhuǎn)位Tu-Ts三、終止階段A位上出現(xiàn)終止密碼子，在釋放因子RF-1、RF-2、RF-3、GTP及轉(zhuǎn)肽酶作用下，多肽鏈水解肽鏈合成的終止多核糖體第三節(jié) 翻譯后的加工一級結(jié)構(gòu)的修飾高級結(jié)構(gòu)的修飾靶向輸送蛋白質(zhì)的靶向輸送概念：蛋白質(zhì)合成后定向到達其功能部位的過程分泌性蛋白和細胞固有蛋白 mRNA 5/端有信號碼 編碼信號肽 決定靶向輸送分泌性蛋白質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運第十六章 基因表達的調(diào)控原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控 乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制色氨酸操縱子調(diào)節(jié)機制一、乳糖操縱子(lac operon)調(diào)節(jié)機制5/3/3/5/啟動子 操縱序列 3個結(jié)構(gòu)基因調(diào)控區(qū) 信息區(qū)乳糖操縱子操縱子：生物學(xué)功能相關(guān)的基因組合在一起 成為DNA中的1個轉(zhuǎn)錄單位（operon）調(diào)節(jié)基因阻遏蛋白POIZ Y ACAP結(jié)合點（一）阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)缺乏乳糖時：I基因阻遏蛋白與O序列結(jié)合阻止RNA聚合酶的結(jié)合阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白存在乳糖時：乳糖（誘導(dǎo)劑）阻遏蛋白+乳糖復(fù)合物阻止阻遏蛋白與O的結(jié)合結(jié)構(gòu)基因開放表達合成利用乳糖的酶誘導(dǎo)劑CAP-cAMP的正