核酸和蛋白質(zhì)的生物合成

第十二章核酸的生物合成一、DNA的生物合成二、RNA的生物合成中心法則一、DNA的生物合成（一）DNA的半保留復(fù)制（二）DNA復(fù)制的起始點(diǎn)和方向（三）原核細(xì)胞DNA的復(fù)制（四）真核細(xì)胞DNA的復(fù)制（五）反轉(zhuǎn)錄作用（RNA指導(dǎo)的DNA合成）（六）DNA的損傷與修復(fù)復(fù)制(replication)是指遺傳物質(zhì)的傳代，以母鏈DNA為模板合成子鏈DNA的過程。復(fù)制親代DNA子代DNA（一）DNA的半保留復(fù)制DNA生物合成時(shí)，母鏈DNA解開為兩股單鏈，各自作為模板，按堿基配對(duì)規(guī)律，合成與模板互補(bǔ)的子鏈。子代細(xì)胞的DNA，一股單鏈從親代完整接受過來，另一股單鏈則完全重新合成，兩個(gè)子細(xì)胞的DNA都和親代DNA堿基序列一致，這種復(fù)制方式為半保留復(fù)制。保證遺傳信息傳遞的忠實(shí)性；遺傳和變異的統(tǒng)一（二）DNA復(fù)制的起始點(diǎn)和方向DNA復(fù)制是從DNA上一個(gè)固定點(diǎn)開始的；DNA復(fù)制起始點(diǎn)稱為原點(diǎn)；它的復(fù)制從原點(diǎn)開始可雙向同時(shí)進(jìn)行，也可以單向進(jìn)行；DNA復(fù)制是邊解鏈邊復(fù)制，復(fù)制中的DNA在復(fù)制點(diǎn)呈叉狀，這個(gè)分叉點(diǎn)稱為復(fù)制叉。5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’復(fù)制子3’真核生物DNA多復(fù)制子復(fù)制半不連續(xù)復(fù)制順著解鏈方向生成的子鏈，復(fù)制是連續(xù)進(jìn)行的，這股鏈稱為領(lǐng)頭鏈。復(fù)制方向與解鏈方向相反，不能順著解鏈方向連續(xù)延長(zhǎng)，這股不連續(xù)復(fù)制的鏈稱為隨從鏈。復(fù)制中的不連續(xù)片段稱為岡崎片段。3535解鏈方向3′5′3′3′5′領(lǐng)頭鏈(leadingstrand)隨從鏈(laggingstrand)岡崎片段(okazakifragment)

領(lǐng)頭鏈連續(xù)復(fù)制而隨從鏈不連續(xù)復(fù)制

——復(fù)制的半不連續(xù)性DNA復(fù)制的特點(diǎn)固定的起始點(diǎn)邊解鏈邊復(fù)制單向或雙向沿53

方向復(fù)制半保留復(fù)制半不連續(xù)參與DNA復(fù)制的物質(zhì)模板：解開成單鏈的DNA母鏈底物：dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)引物：提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合聚合酶：依賴DNA的DNA聚合酶，簡(jiǎn)寫為DNA-pol其他的酶和蛋白質(zhì)因子（三）原核細(xì)胞DNA的復(fù)制復(fù)制的起始延長(zhǎng)終止5'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA-poldNMP引物:短鏈RNA分子領(lǐng)頭鏈的合成領(lǐng)頭鏈：順著解鏈方向生成的子鏈，復(fù)制是連續(xù)進(jìn)行的，這股鏈稱為領(lǐng)頭鏈。隨從鏈的合成隨從鏈：復(fù)制方向與解鏈方向相反，為不連續(xù)復(fù)制，這股不連續(xù)復(fù)制的鏈稱為隨從鏈。復(fù)制中位于隨從鏈上的不連續(xù)片段稱為岡崎片段(okazakifragment)。（四）真核生物的DNA生物合成

?多復(fù)制子復(fù)制子(replicon)：相鄰兩個(gè)復(fù)制起點(diǎn)之間的距離。復(fù)制子是獨(dú)立完成復(fù)制的功能單位。復(fù)制有時(shí)序性，即復(fù)制子以分組方式激活而不是同步起動(dòng)。

復(fù)制的起始3553領(lǐng)頭鏈3535親代DNA隨從鏈引物核小體復(fù)制的延長(zhǎng)DNA-polδDNA-polα353355335+5333555′復(fù)制的終止染色體DNA呈線狀，復(fù)制在末端停止。1、親代DNA為模板嚴(yán)格遵守堿基配對(duì)規(guī)律2、復(fù)制延長(zhǎng)時(shí)聚合酶對(duì)堿基的選擇功能3、復(fù)制出錯(cuò)時(shí)DNA-pol的即時(shí)校讀功能4、錯(cuò)配修復(fù)機(jī)制DNA復(fù)制具有保真性（五）反轉(zhuǎn)錄作用（RNA指導(dǎo)的DNA合成）

指遺傳信息從RNA流向DNA，是RNA指導(dǎo)下的DNA合成過程，即以RNA為模板，四種dNTP為原料，合成與RNA互補(bǔ)的DNA單鏈。RNADNA

逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶(reversetranscriptase)

催化逆轉(zhuǎn)錄過程的酶稱逆轉(zhuǎn)錄酶，RNA病毒中都含有此酶。具有三種酶活性：

RNA指導(dǎo)的DNA聚合酶

RNA酶

DNA指導(dǎo)的DNA聚合酶逆轉(zhuǎn)錄過程RNA模板逆轉(zhuǎn)錄酶（RNA指導(dǎo)的DNA聚合酶）DNA-RNA雜化雙鏈逆轉(zhuǎn)錄酶（RNA酶）單鏈DNA逆轉(zhuǎn)錄酶（DNA指導(dǎo)的DNA聚合酶）雙鏈DNA（六）DNA的損傷與修復(fù)DNADamage(Mutation)andRepair遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)改變而引起的遺傳信息改變，均可稱為突變。在復(fù)制過程中發(fā)生的DNA突變稱為DNA損傷(DNAdamage)。從分子水平來看，突變就是DNA分子上堿基的改變。

引發(fā)突變的因素物理因素如紫外線(ultraviolet,UV)、各種輻射UV胸腺嘧啶二體化學(xué)因素DNA損傷的修復(fù)修復(fù)(repairing)

是對(duì)已發(fā)生分子改變的補(bǔ)償措施，使其回復(fù)為原有的天然狀態(tài)。光修復(fù)(lightrepairing)切除修復(fù)(excisionrepairing)重組修復(fù)(recombinationrepairing)SOS修復(fù)

修復(fù)的主要類型二、RNA的生物合成轉(zhuǎn)錄(transcription)

生物體以DNA為模板合成RNA的過程

DNA

RNA轉(zhuǎn)錄（一）參與轉(zhuǎn)錄的物質(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

結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）：能轉(zhuǎn)錄生成RNA的DNA區(qū)段。

模板鏈（templatestrand）：

DNA雙鏈中按堿基配對(duì)規(guī)律能指引轉(zhuǎn)錄生成RNA的一股鏈。

編碼鏈（codingstrand）：

DNA雙鏈中與模板鏈相對(duì)應(yīng)的另一條鏈1、模板不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄：在DNA分子雙鏈上，一股鏈用作模板指導(dǎo)轉(zhuǎn)錄，另一股鏈不轉(zhuǎn)錄；模板鏈并非總是在同一條鏈上。

2、原料4種核糖核苷三磷酸：

ATP、GTP、CTP、UTP

作為RNA聚合酶的底物3、RNA聚合酶全稱：依賴DNA的RNA聚合酶

(DNA-dependentRNApolymerase)簡(jiǎn)稱：RNA-pol它以DNA為模板，4種NTP為原料，按A=U、CG堿基配對(duì)規(guī)則，催化合成5′→3′方向的RNA鏈。原核生物的RNA聚合酶真核生物的RNA聚合酶4、終止因子（ρ）其作用是協(xié)助RNA聚合酶辨認(rèn)終止點(diǎn)并終止轉(zhuǎn)錄（二）轉(zhuǎn)錄的過程

轉(zhuǎn)錄是以DNA為模板合成RNA的過程包括起始、延長(zhǎng)和終止三個(gè)階段1、起始階段

轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個(gè)問題：RNA聚合酶必須準(zhǔn)確地結(jié)合在轉(zhuǎn)錄模板的起始區(qū)域。DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉(zhuǎn)錄的模板。2、延長(zhǎng)階段RNA–pol聚合酶核心酶沿著DNA模板鏈3′→5′方向，催化合成5′→3′方向的RNA鏈。(NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPi（三）終止階段RNA聚合酶在DNA模板鏈上停止滑動(dòng)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈停止延長(zhǎng)并從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫落下來分類依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止依賴莖環(huán)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄全過程（三）轉(zhuǎn)錄后加工真核生物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA都要經(jīng)過一系列改變才能成為有生物活性的RNA分子。1、mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工mRNA的前體分子被稱為核內(nèi)不均一RNA（hnRNA）

hnRNA需進(jìn)行5′端（形成帽子結(jié)構(gòu)m7GpppGp—）和3′端（加多聚腺苷酸尾巴polyA）的修飾，再進(jìn)行剪接加工，才能成為成熟mRNA。mRNA的剪接外顯子(exon)：能編碼多肽鏈中氨基酸的序列的被稱為外顯子。內(nèi)含子(intron)：不被翻譯的插入序列被稱為內(nèi)含子。

mRNA的剪接：除去hnRNA中的內(nèi)含子，將外顯子連接。2、tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工3、rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工第十三章蛋白質(zhì)的生物合成一、遺傳密碼二、核糖體三、轉(zhuǎn)移RNA的功能四、蛋白質(zhì)生物合成的分子機(jī)制五、真核生物與原核生物蛋白質(zhì)合成的差異mRNA分子中的遺傳信息轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)的氨基酸排列順序的過程稱為翻譯（translation）蛋白質(zhì)的生物合成體系

原料：20種氨基酸模板：mRNA

場(chǎng)所：核蛋白體氨基酸的“搬運(yùn)工具”：tRNA

酶與蛋白質(zhì)因子：?jiǎn)?dòng)、延長(zhǎng)、終止因子能量：ATP、GTP

無機(jī)離子

起始密碼(initiationcoden):5′端第一個(gè)AUG表示起動(dòng)信號(hào)，并代表甲酰甲硫氨酸(細(xì)菌)或甲硫氨酸(高等動(dòng)物)

密碼子（codon）：mRNA從5′端→3′端，每3個(gè)核苷酸組成一組，代表相應(yīng)的氨基酸或翻譯起始、終止信號(hào)。

終止密碼(terminationcoden)

：UAA、UAG或UGA（不編碼氨基酸）

一、遺傳密碼遺傳密碼表UCUCUCUCAGAGAGAG第三個(gè)字母密碼子的特點(diǎn)1、不重疊性2、簡(jiǎn)并性3、通用性4、連續(xù)性二、核糖體核糖體（核蛋白體）是多肽鏈合成的裝置核糖體可游離存在，真核中，也可同內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合，形成粗糙的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。原核中，與mRNA形成串狀——多核糖體。原核生物真核生物核糖體小亞基大亞基核糖體小亞基大亞基S值70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白質(zhì)rpS21種rpL36種rpS33種rpL49種

不同細(xì)胞核糖體的組成蛋白質(zhì)rRNA原核生物翻譯過程中核糖體結(jié)構(gòu)與功能A位：氨基酰位(結(jié)合AA-tRNA)P位：肽酰位(結(jié)合肽酰-tRNA和起始Met-tRNA)E位：排出位(轉(zhuǎn)肽酶、GTP酶)三、轉(zhuǎn)移RNA的功能一種tRNA可攜帶一種氨基酸；而一種氨基酸可由數(shù)種tRNA攜帶。

搬運(yùn)工具—tRNA與氨基酸結(jié)合與氨酰-tRNA合成酶結(jié)合識(shí)別密碼子與核糖體結(jié)合四、蛋白質(zhì)生物合成的分子機(jī)制蛋白質(zhì)合成的過程大致分為五個(gè)階段：氨基酸的激活；肽鏈合成的起動(dòng)；肽鏈的延長(zhǎng)；肽鏈合成的終止和釋放；肽鏈的折疊和加工處理。（一）氨基酸的激活（1）氨酰-tRNA合成酶：高度特異識(shí)別氨基酸、tRNA；校對(duì)活性（2）能量：1個(gè)ATP（2個(gè)高能鍵）氨基酸+tRNA氨酰-tRNAATPAMP＋PPi氨酰-tRNA合成酶（二）在核糖體上合成多肽1、起始復(fù)合物的生成（1）起始因子

3種IF（原核）：IF1、IF2、IF3

多種eIF（真核）：eIF2是合成調(diào)控的關(guān)鍵物質(zhì)（2）能量：GTP（真核體系還需ATP）（3）起始AA-tRNAfMet-tRNAfmet

（原核）

Met-tRNAmet

（真核）（4）起始復(fù)合物組成：大、小亞基、mRNA、起始因子、起始AA-tRNA小亞基先與起始AA-tRNA結(jié)合（真核）起始復(fù)合物形成過程核蛋白體的拆離、mRNA就位、起始tRNA結(jié)合、大亞基結(jié)合小亞基先與mRNA結(jié)合（原核）2、肽鏈延長(zhǎng)

（1）延長(zhǎng)因子EF-T：真核為EF-T1與T2，原核為EF-Tu、Ts與EF-G

（2）能量：GTP

方向：N端→C端（肽鏈）；5′端→3′端（mRNA）

（3）過程

進(jìn)位：EF-Tu、Ts或T1、GTP；進(jìn)入A位轉(zhuǎn)肽：轉(zhuǎn)肽酶；P位?；cA位氨基反應(yīng)

轉(zhuǎn)位、脫落、移位：EF-G（轉(zhuǎn)位酶）或T2、GTP

；由A位移至P位，A位留空肽鏈的延長(zhǎng)12122323進(jìn)位肽鍵形成移位進(jìn)位(Tu\Ts)GTPGTPN-端235′3′C-端肽鍵形成15′3′（EF-G）

（1）釋放因子RF：原核：3種真核：1種（2）能量：GTP（3）轉(zhuǎn)肽酶活性轉(zhuǎn)變：轉(zhuǎn)肽酶→酯酶（水解酶）3、終止參與翻譯的蛋白質(zhì)因子

階段原核真核功能

IF1

IF2

eIF2參與起始復(fù)合物的形成

IF3

eIF3、eIF4C

起始CBPI與mRNA帽子結(jié)合

eIF4ABF參與尋找第一個(gè)AUG

eIF5協(xié)助eIF2、eIF3、eIF4C的釋放

eIF6協(xié)助60S亞基從無活性的核糖體上解離

EF-Tu

eEF1

協(xié)助氨酰-tRNA進(jìn)入核糖體延長(zhǎng)EF-Ts

eEF1

幫助EF-Tu、eEF1周轉(zhuǎn)

EF-G

eEF2移位因子終止RF-1eRF釋放完整的肽鏈

RF-2因子前加“e”表示真核生物(eukaryotic)（三）翻譯后加工1、去除N-甲酰基（原核）或N-蛋氨酸（真核）2、二硫鍵形成：生成胱氨酸5、水解修剪

3、氨基酸側(cè)鏈修飾：羥化（生成羥脯氨酸、羥賴氨酸）、乙?；⒘姿峄?、甲基化與羥甲基化、加糖、加脂，等

6、亞基聚合

4、輔基結(jié)合

多肽鏈折疊為天然三維結(jié)構(gòu)肽鏈一級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾空間結(jié)構(gòu)的修飾IF-3IF-11.核蛋白體大小亞基分離AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亞基定位結(jié)合IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)結(jié)合到小亞基AUG5'3'IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白體大亞基結(jié)合，起始復(fù)合物形成AUG5'3'IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi核蛋白體大小亞基分離；起始氨基酰-tRNA結(jié)合；mRNA在核蛋白體小亞基準(zhǔn)確就位；核蛋白體大亞基結(jié)合。met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6①elF-3②GDP+Pi各種elF釋放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAiMet-elF-2

-GTP真核生物翻譯起始復(fù)合物形成過程又稱注冊(cè)(registration)1、進(jìn)位指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導(dǎo)，使相應(yīng)氨基酰-tRNA進(jìn)入核蛋白體A位。

延長(zhǎng)因子EF-T催化進(jìn)位（原核生物）

TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP2、轉(zhuǎn)肽由轉(zhuǎn)肽酶催化的肽鍵形成過程3、移位延長(zhǎng)因子EF-G有移位酶(translocase)活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，促進(jìn)核蛋白體向mRNA的3'側(cè)移動(dòng)。進(jìn)位移位轉(zhuǎn)肽原核肽鏈合成終止過程UAG5'3'RFCOO-多核蛋白體1個(gè)mRNA和多個(gè)核蛋白體的聚合物，體現(xiàn)了蛋白質(zhì)合成的高速、高效性。每個(gè)核糖體都獨(dú)立完成一條多肽鏈的合成，所以這種多核糖體可以在一條mRNA鏈上同時(shí)合成多條相同的多肽鏈，大大提高了翻譯的效率。（四）蛋白質(zhì)合成所需的能量