人衛(wèi)生物化學復制轉(zhuǎn)錄與蛋白質(zhì)合成

人衛(wèi)生物化學復制轉(zhuǎn)錄與蛋白質(zhì)合成第1頁/共114頁DNARNAPr復制轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄翻譯

分子遺傳學的中心法則DNARNAPr復制轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄翻譯第2頁/共114頁

第一節(jié)DNA的生物合成

第3頁/共114頁復制是指遺傳信息的傳遞，以母鏈DNA為模板合成子鏈DNA的過程。其實質(zhì)是在酶促作用下，單個的脫氧核苷酸通過3’，5’-磷酸二酯鍵聚合的過程。復制親代DNA子代DNA一、DNA的復制（1）DNA復制的特征第4頁/共114頁1.DNA復制方式:半保留復制*概念：在復制過程中，DNA雙螺旋解開成為兩條單鏈(親代鏈)，以每一條單鏈為模板，按照堿基配對規(guī)律，各自合成一條與之互補的新鏈（子代鏈），形成兩個結(jié)構(gòu)和堿基序列完全一致的子代DNA，其中每一個子代DNA分子中都保留一條來自親代的鏈。

復制親代DNA子代DNA第5頁/共114頁AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母鏈DNA

復制過程中形成的復制叉子代DNA

目錄第6頁/共114頁按半保留復制方式，子代DNA與親代DNA的堿基序列一致半保留復制的意義1.遺傳的保守2.物種的穩(wěn)定3.決定后代的生物學性狀和代謝類型.第7頁/共114頁2.復制的半不連續(xù)性3355解鏈方向3′5′3′5′前導鏈滯后鏈5′3′3.有特定的起始點4.雙向復制核酸鏈的合成方向：5`3`第8頁/共114頁1、模板：已解開的DNA單鏈2、底物(原料)：dATP,dGTP,dCTP,dTTP但在合成DNA鏈時以dNMP為基本結(jié)構(gòu)單位3、引物:

為一小段的RNA分子，提供3-OH

末端與進入模板的第一個底物相連（二）、參與DNA復制的物質(zhì)第9頁/共114頁（1）、DNA聚合酶（2）、引物酶（3）、DNA解旋酶（5）、單鏈DNA結(jié)合蛋白質(zhì)（4）、拓撲異構(gòu)酶（6）、DNA連接酶4、酶和蛋白因子第10頁/共114頁原核生物的DNA聚合酶DNA-polⅠDNA-polⅡDNA-polⅢ（1）DNA聚合酶催化底物dNTP聚合為新生DNA鏈的酶除具有催化DNA鏈生成外，還具有外切酶活性，可切除引物和校讀錯配的核苷酸。第11頁/共114頁功能是原核生物復制延長中真正起催化作用的酶。

DNA-polⅢ第12頁/共114頁真核生物的DNA聚合酶DNA-pol有引物酶活性，可以合成一段RNA引物。延長DNA子鏈的主要酶，校讀功能。在DNA損傷中起修復作用。在復制過程中起校讀、修復和填補缺口的作用。在線粒體DNA復制中起催化作用。DNA-polDNA-polDNA-polDNA-pol第13頁/共114頁（2）引物酶 是一種RNA聚合酶，復制起始時催化生成RNA引物。（3）DNA解旋酶

利用ATP供能，作用于氫鍵，使DNA雙鏈解開成為兩條單鏈（4）拓撲異構(gòu)酶

消除超螺旋第14頁/共114頁解鏈過程中正超螺旋的形成目錄第15頁/共114頁

（5）單鏈DNA結(jié)合蛋白(SSB)與解開的DNA單鏈結(jié)合

1.防止解開的DNA單鏈重新形成雙螺旋。2.避免核酸酶的水解作用。

第16頁/共114頁（6）DNA連接酶連接DNA鏈3-OH末端和相鄰DNA鏈5-P末端，使二者生成3,5-磷酸二酯鍵，從而把兩段相鄰的DNA鏈連接成一條完整的鏈。第17頁/共114頁（三）、DNA生物合成過程

以原核生物的DNA復制為例第18頁/共114頁1、復制的起始需要解決兩個問題：.DNA解開成單鏈，提供模板。.合成引物RNA，提供3-OH末端。原核生物的DNA生物合成

包括復制的起始，延長，終止三個階段第19頁/共114頁DnaADnaB、DnaCDNA拓撲異構(gòu)酶引物酶SSB3535由拓撲異構(gòu)酶和解旋酶將DNA雙鏈解開，并由SSB結(jié)合于解開的單鏈上，形成復制叉，引物酶合成RNA引物，結(jié)合于DNA復制起始點。解旋酶第20頁/共114頁3535引物是由引物酶催化合成的短鏈RNA分子。

引物3'HO5'引物酶SSB第21頁/共114頁2、復制的延長復制的延長指在DNA聚合酶催化下，以DNA母鏈為模板，將dNTP水解后以dNMP的方式逐個從RNA引物的3-OH端開始，通過3’,5’-磷酸二酯鍵的連接，不斷合成DNA子鏈的過程。需DNA聚合酶，4dNTP

第22頁/共114頁5'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA聚合酶Ⅲ目錄模板方向3，

5，合成方向5，

3，第23頁/共114頁3355解鏈方向3′5′3′5′前導鏈滯后鏈5′3′第24頁/共114頁順著解鏈方向生成的子鏈，復制是連續(xù)進行的，這股鏈稱為前導鏈或領(lǐng)頭鏈。另一股鏈因為復制的方向與解鏈方向相反，不能順著解鏈方向連續(xù)延長，這股不連續(xù)復制的鏈稱為滯后鏈或隨從鏈。復制中的不連續(xù)片段稱為岡崎片段。

前導鏈連續(xù)復制而滯后鏈不連續(xù)復制，就是復制的半不連續(xù)性。

第25頁/共114頁555RNA酶OHP5DNA-polⅠdNTP55PATPADP+Pi55DNA連接酶3、復制的終止第26頁/共114頁HO5’3’3’5’DNA連接酶ATPADP5’3’5’3’目錄第27頁/共114頁復制過程簡圖目錄第28頁/共114頁二、DNA損傷（突變）與修復第29頁/共114頁某些理化因素導致遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生改變，而引起的遺傳信息改變，均可稱為突變。DNA突變與損傷具體是指DNA分子上堿基的改變。

概述如堿基的缺失、插入，堿基替換等第30頁/共114頁（一）、引發(fā)突變的因素1、物理因素紫外線(ultraviolet,UV)、各種輻射

UV第31頁/共114頁2、化學因素目錄第32頁/共114頁3、自發(fā)因素如DNA復制時可能有1/30億的錯;自發(fā)性的脫嘌呤,脫嘧啶;自發(fā)脫氨基。4、生物因素如逆轉(zhuǎn)錄病毒感染。第33頁/共114頁①突變導致死亡②突變導致某些功能缺失③突變導致基因型改變,對表現(xiàn)型無影響④突變是進化、分化的分子基礎(chǔ)

（二）基因突變的后果與類型后果第34頁/共114頁突變的分子改變類型①點突變:一個堿基發(fā)生轉(zhuǎn)換、缺失、插入②復突變:兩個或以上堿基發(fā)生缺失、插入、倒位、移位、重排。

第35頁/共114頁缺失、插入缺失：一個堿基或一段核苷酸鏈從DNA大分子上消失。插入：原來沒有的一個堿基或一段核苷酸鏈插入到DNA大分子中間。移碼突變是指三聯(lián)體密碼的閱讀方式改變，造成蛋白質(zhì)氨基酸排列順序發(fā)生改變。

缺失或插入都可導致移碼突變

。第36頁/共114頁谷酪蛋絲5’……GCA

GUA

CAU

GUC……丙纈組纈正常5’……GAG

UAC

AUG

UC……缺失C缺失引起移碼突變第37頁/共114頁二、DNA損傷的修復修復主要類型1、直接修復（既光修復）2、切除修復(1).堿基切除修復(2).核苷酸切除修復(3).堿基錯配修復3、重組修復第38頁/共114頁光復活酶

UV1、直接修復（光修復）第39頁/共114頁UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶ⅠOHP2.切除修復是細胞內(nèi)最重要和有效的修復機制，主要由DNA-polⅠ和連接酶完成。DNA連接酶ATP目錄第40頁/共114頁3.重組修復DNA損傷較大，未能及時修復就進行復制的情況復制時，損傷部位不作為模板，造成子鏈上出現(xiàn)缺口，通過重組，將另一條正常的母鏈相應(yīng)部位填補到該缺口，DNA聚合酶、連接酶再將其復原。第41頁/共114頁三、逆轉(zhuǎn)錄ReverseTranscription第42頁/共114頁逆轉(zhuǎn)錄酶(reversetranscriptase)逆轉(zhuǎn)錄(reversetranscription)RNADNA

逆轉(zhuǎn)錄酶（一）逆轉(zhuǎn)錄病毒和逆轉(zhuǎn)錄酶

第43頁/共114頁逆轉(zhuǎn)錄酶的特點：1、催化RNA為模板指導的DNA合成反應(yīng)2、水解RNA-DNA雜化雙鏈3、催化DNA指導的DNA合成反應(yīng)4、沒有校對功能第44頁/共114頁逆轉(zhuǎn)錄病毒細胞內(nèi)的逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象RNA模板逆轉(zhuǎn)錄酶DNA-RNA雜化雙鏈逆轉(zhuǎn)錄酶單鏈DNA逆轉(zhuǎn)錄酶雙鏈DNA第45頁/共114頁第二節(jié)RNA的生物合成（轉(zhuǎn)錄）RNABiosynthesis,Transcription第46頁/共114頁轉(zhuǎn)錄生物體以DNA為模板合成RNA的過程。轉(zhuǎn)錄RNADNA

概述第47頁/共114頁參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)原料（底物）:

NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:

DNA酶:

RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白質(zhì)因子第48頁/共114頁（一）、轉(zhuǎn)錄模板

DNA分子上能轉(zhuǎn)錄出RNA的區(qū)段，稱為結(jié)構(gòu)基因。

DNA雙鏈中按堿基配對規(guī)律能指引轉(zhuǎn)錄生成RNA的一股單鏈，稱為模板鏈。相對的另一股單鏈是編碼鏈。一、不對稱轉(zhuǎn)錄第49頁/共114頁5′···GCAGTACATGTC···3′3′···CGTCATGTACAG···5′5′···GCAGUACAUGUC

···3′N······Ala·

Val

·His

·Val

······C編碼鏈模板鏈mRNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯第50頁/共114頁5335模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向第51頁/共114頁不對稱轉(zhuǎn)錄在DNA分子雙鏈上某一區(qū)段，一股鏈用作模板指引轉(zhuǎn)錄，另一股鏈不轉(zhuǎn)錄；模板鏈并非永遠在同一條單鏈上。第52頁/共114頁A、原核生物的RNA聚合酶（二）、RNA聚合酶第53頁/共114頁核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)第54頁/共114頁B、真核生物的RNA聚合酶hnRNA—mRNA的前體第55頁/共114頁二、轉(zhuǎn)錄過程TheProcessofTranscription（一）、轉(zhuǎn)錄的起始

（二）、轉(zhuǎn)錄的延伸（三）、轉(zhuǎn)錄的終止第56頁/共114頁（一）轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個問題：RNA聚合酶必須準確地結(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。以原核生物為例第57頁/共114頁RNA-Pol與模板辨認、結(jié)合5335結(jié)構(gòu)基因啟動子RNA-polRNA聚合酶結(jié)合模板DNA的部位，稱為啟動子。是位于結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄起始點之前的一些特殊核苷酸序列。第58頁/共114頁2.DNA雙鏈解開1.RNA聚合酶全酶(2)與模板結(jié)合3.在RNA聚合酶作用下開始發(fā)生聚合反應(yīng)，σ因子脫落。5-pppG-OH+

NTP5-pppGpN

-OH3+ppi轉(zhuǎn)錄起始過程第59頁/共114頁（二）轉(zhuǎn)錄延長1.亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶沿著DNA模板前移，邊移動邊解鏈。

2.在核心酶作用下，NTP不斷聚合，RNA鏈不斷延長。(NMP)n

+

NTP(NMP)n+1

+PPi第60頁/共114頁轉(zhuǎn)錄形成的DNA-RNA雜化雙鏈很不穩(wěn)定，RNA會從最初形成時的5`端開始脫落，而DNA雙鏈又恢復為了原來的狀態(tài)。目錄第61頁/共114頁53DNA原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象核糖體RNARNA聚合酶第62頁/共114頁依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止不依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止（三）轉(zhuǎn)錄終止指RNA聚合酶在DNA模板上停頓下來不再前進，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復合物上脫落下來。分類第63頁/共114頁ATP1.依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止第64頁/共114頁2.非依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止DNA模板上靠近轉(zhuǎn)錄終止處，有些特殊的堿基序列（終止子），轉(zhuǎn)錄出RNA后，RNA產(chǎn)物形成特殊的結(jié)構(gòu)會阻止RNA聚合酶繼續(xù)向前，從而使轉(zhuǎn)錄終止。第65頁/共114頁發(fā)卡結(jié)構(gòu)使轉(zhuǎn)錄終止的機理

使RNA聚合酶變構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停頓；使轉(zhuǎn)錄復合物趨于解離，RNA產(chǎn)物釋放。5′pppG5335RNA-pol第66頁/共114頁蛋白質(zhì)的生物合成

（翻譯）

ProteinBiosynthesis，Translation第三節(jié)第67頁/共114頁DNARNAPr復制轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄翻譯轉(zhuǎn)錄和復制

分子遺傳學的中心法則第68頁/共114頁蛋白質(zhì)的生物合成，即翻譯，就是將核酸RNA中密碼子破譯的方式解讀為蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)中20種氨基酸的排列順序。第69頁/共114頁一、參與蛋白質(zhì)合成的物質(zhì)

（一）、合成原料（20種AA）（二）、酶及蛋白因子

（三）、三種RNA(mRNA、tRNA、rRNA)

（四）、供能物質(zhì)及無機離子第70頁/共114頁（一）、合成原料：20種氨基酸（二）、酶及蛋白因子1、氨基酰tRNA合成酶在ATP存在下，能催化氨基酸活化以及與對應(yīng)的tRNA結(jié)合2、轉(zhuǎn)肽酶形成肽鍵3、蛋白因子如IF（起始因子）、EF（延長因子）、RF（釋放因子）第71頁/共114頁1、mRNA上與遺傳密碼mRNA分子上從5至3方向，由AUG開始，每3個核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個氨基酸的位置，稱為三聯(lián)體密碼。起始密碼：AUG（蛋氨酸）終止密碼：UAA，UAG，UGA共64個密碼子，代表氨基酸的是61個（三）RNA第72頁/共114頁從mRNA5端起始密碼子AUG到3端終止密碼子之間的核苷酸序列，各個三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一個蛋白質(zhì)多肽鏈，稱為開放閱讀框架。第73頁/共114頁5,3,AUGCAUACAC

..

..........................

5,3,

AUGUAAUGAUAG第74頁/共114頁（1）.連續(xù)性遺傳密碼子的特點編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。第75頁/共114頁基因損傷引起mRNA閱讀框架內(nèi)的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導致移碼突變。

第76頁/共114頁（2）.簡并性遺傳密碼中，除色氨酸和蛋氨酸僅有一個密碼子外，其余氨基酸有2-6個密碼子為其編碼。一般當密碼子的前兩個堿基相同，第三個不同時，所對應(yīng)的氨基酸也不會改變。因此在一定程度上減少了堿基突變引起的氨基酸序列的改變。目錄----UCU----

絲氨酸----UCC--------UCA--------UCG----絲氨酸絲氨酸絲氨酸第77頁/共114頁起始密碼子位于mRNA的5端，翻譯由5端到3端進行，直到遇到3端的終止密碼子，而多肽鏈合成是由N端向C端進行。（3）.方向性第78頁/共114頁（4）.通用性蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動物細胞的線粒體、植物細胞的葉綠體。密碼的通用性進一步證明各種生物進化自同一祖先。

第79頁/共114頁（5）.擺動性轉(zhuǎn)運氨基酸的tRNA的反密碼子需要通過堿基互補與mRNA上的遺傳密碼反向配對結(jié)合，但反密碼子與密碼子之間不嚴格遵守常見的堿基互補配對規(guī)律，稱為擺動配對。

第80頁/共114頁U擺動配對目錄第81頁/共114頁2、tRNA與氨基酸的活化反密碼環(huán)氨基酸臂第82頁/共114頁tRNA的三級結(jié)構(gòu)示意圖第83頁/共114頁氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶

氨基酸的活化每種氨基酸可有2—6種tRNA轉(zhuǎn)運第84頁/共114頁真核生物：Met-tRNAiMet原核生物：fMet-tRNAfMet*起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA起始蛋氨酰tRNA起始甲酰蛋氨酰tRNA第85頁/共114頁3、rRNA-核糖體是多肽鏈合成的場所目錄第86頁/共114頁核糖體的組成目錄第87頁/共114頁（1）與模板mRNA結(jié)合（2）結(jié)合起始tRNA（3）結(jié)合并水解ATP小亞基作用：大亞基作用：（1）提供三個tRNA結(jié)合位點（2）有轉(zhuǎn)肽酶的活性，可形成肽鍵（3）結(jié)合參與蛋白質(zhì)合成的三種蛋白因子第88頁/共114頁原核生物翻譯過程中核蛋白體結(jié)構(gòu)模式:A位：氨基酰位P位：肽酰位E位：排出位目錄大亞基上三個tRNA的結(jié)合位點第89頁/共114頁（四）供能物質(zhì)與無機離子供能物質(zhì)：ATP，GTP無機離子：Mg2+

，K+第90頁/共114頁二、蛋白質(zhì)生物合成過程

—翻譯

第91頁/共114頁翻譯的起始(initiation)翻譯的延長(elongation)翻譯的終止(termination)整個翻譯過程可分為：翻譯過程從5′-AUG開始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長肽鏈，直至終止密碼出現(xiàn)。第92頁/共114頁氨基酸的活化和轉(zhuǎn)運氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶

第93頁/共114頁1、肽鏈合成起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分別與核糖體結(jié)合而形成翻譯起始復合物。第94頁/共114頁原核生物翻譯起始復合物形成核糖體大小亞基分離；mRNA與小亞基定位結(jié)合；起始氨基酰-tRNA與小亞基的結(jié)合；核糖體大小亞基重新結(jié)合。以原核生物為例：第95頁/共114頁IF-3IF-1（1）.核蛋白體大小亞基分離目錄第96頁/共114頁AUG5'3'IF-3IF-1（2）.mRNA在小亞基定位結(jié)合目錄第97頁/共114頁S-D序列第98頁/共114頁IF-3IF-1IF-2GTP（3）.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)結(jié)合到小亞基AUG5'3'目錄第99頁/共114頁IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi（4）.大亞基重新結(jié)合，起始復合物形成AUG5'3'目錄第100頁/共114頁IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGD