（中職）生物化學基礎第十二章教學課件高教版

生物化學基礎第十二章第十二章DNA和RNA的生物合成從遺傳學的中心法則可知，生物遺傳信息以特定的核苷酸序列形式編碼在DNA分子上，通過復制、轉錄，再翻譯成蛋白質，以執(zhí)行各種生命功能，使后代表現出與親代相似的遺傳性狀。此外，還有些病毒能通過RNA反轉錄的方式將遺傳信息傳遞給DNA。知識小課堂1.掌握DNA的復制特點與體系、RNA轉錄的特點與體系、反轉錄的概念。2.熟悉DNA的復制過程、DNA的損傷與修復、RNA轉錄終止方式。3.了解RNA的轉錄過程、反轉錄酶及反轉錄的意義。學習目標12.1DNA的生物合成DNA生物合成的方式主要包括DNA復制和反轉錄。DNA復制是體內合成DNA的主要方式。一些RNA病毒可以RNA為模板，通過反轉錄合成DNA。此外，在DNA分子損傷后，體內可通過特殊的修復機制對DNA進行修補合成，以保持DNA的穩(wěn)定。DNA是遺傳信息的載體。因此，親代DNA必須以自身為模板來合成新的DNA分子，并分配到兩個子代細胞去，這樣才能完成其遺傳信息載體的使命。1.DNA復制的特點（1）DNA的半保留復制。沃森和克里克在提出DNA雙螺旋結構模型時就對DNA的復制過程進行了討論。由于DNA分子由兩條多核苷酸鏈組成，兩條鏈上的堿基互補配對。因此，每個子代DNA分子的一條鏈來自親代DNA，而另一條鏈則是新合成的，這種復制方式稱為半保留復制，如圖12-1所示。（2）DNA的半不連續(xù)復制。DNA復制時，一條鏈是連續(xù)合成的，而另一條鏈是不連續(xù)合成的，這種復制方式稱為半不連續(xù)復制。12.1.1DNA復制圖12-1DNA的半保留復制基因的認識發(fā)展基因是具有遺傳效應的DNA片段。人們對基因的認識是不斷發(fā)展的，19世紀60年代，遺傳學家孟德爾通過豌豆實驗提出了生物的性狀是由“遺傳因子”控制的。20世紀初期，遺傳學家摩爾根通過果蠅的遺傳實驗認識到基因存在于染色體上，得出了染色體是基因載體的結論。20世紀50年代以后，隨著分子遺傳學的發(fā)展，尤其是沃森和克里克提出DNA雙螺旋結構后，人們才認識到基因的本質，即具有遺傳效應的DNA片段。知識鏈接2.DNA復制體系DNA復制是復雜的脫氧核糖核苷酸聚合的酶促反應過程。這一過程需要模板、原料、酶和蛋白質因子、RNA引物等多種物質參與，并由ATP、GTP提供能量。（1）模板。DNA復制的模板是親代DNA分子，親代DNA的兩條鏈均可作為模板指導DNA合成。（2）底物。DNA復制在模板存在的前提下，以4種三磷酸脫氧核苷。（3）能量。DNA復制主要依靠ATP供能，其次原料本身也可提供能量。（4）引物。DNA聚合酶的5′→3′聚合酶活性不能催化兩個游離的dNTP直接進行聚合，因此，第一個dNTP需添加到已有的小分子RNA（原核）或小分子RNA和DNA（真核）分子的3′-OH末端上，然后再繼續(xù)延長。（5）酶類及蛋白因子。參與DNA復制的酶和蛋白因子主要有解旋解鏈酶、DNA聚合酶、引物酶及DNA連接酶等。①解旋解鏈酶類。細胞內DNA復制時，首先需要松弛超螺旋和解開雙鏈結構。DNA解旋酶。此酶的作用是利用ATP解開DNA雙鏈間的氫鍵，形成單股DNA鏈，此過程需要ATP作為能量。拓撲異構酶。拓撲異構酶具有松解DNA超螺旋結構的作用，可分為Ⅰ型和Ⅱ型兩類。Ⅰ型拓撲異構酶斷開DNA雙鏈中的一股，使DNA鏈末端沿螺旋松解的方向轉動，DNA分子變?yōu)樗沙趹B(tài)，再將切口封閉，此過程不需要ATP。單鏈DNA結合蛋白。DNA解開成單鏈后容易被細胞內廣泛存在的核酸酶水解，也有重新形成雙鏈的傾向。②引物酶。催化RNA引物合成的酶稱為引物酶。引物酶是一種特殊的RNA聚合酶，它以4種NTP為原料，以解開的DNA鏈為模板，按5′→3′方向合成短片段的RNA作為引物。③DNA聚合酶。DNA聚合酶是復制中最重要的酶，又稱依賴DNA的DNA聚合酶，它能催化4種dNTP通過與模板鏈的堿基互補配對，聚合成新的DNA互補鏈?，F已發(fā)現了多種類型的生物體DNA聚合酶，原核生物如大腸埃希菌（E.coli）主要有3種DNA聚合酶，即DNA聚合酶Ⅰ（DNApolⅠ）、DNA聚合酶Ⅱ（DNApolⅡ）和DNA聚合酶Ⅲ（DNApolⅢ）。④DNA連接酶。DNA連接酶催化雙鏈DNA中一股鏈缺口上的3′-OH與5′-磷酸基形成3′，5′-磷酸二酯鍵，從而使相鄰的DNA片段的斷端連接起來，形成一條DNA長鏈，連接反應中的能量來自ATP。3.DNA復制過程DNA復制過程分為3個階段即起始、延長和終止，如圖12-2所示。（1）復制的起始。DNA復制從特定的部位開始，原核生物的環(huán)狀DNA一般只有一個復制起始點，真核生物細胞線狀DNA有多個復制起始點。DNA拓撲異構酶和解旋酶在DNA復制起始部位解開DNA超螺旋結構，使DNA雙鏈形成局部的DNA單鏈，然后單鏈DNA結合蛋白參與進來，起到保護和穩(wěn)定DNA單鏈的作用，各復制點所形成的“Y”字形結構，稱為復制叉。當兩股單鏈暴露出足夠數量堿基時，引物酶識別起始部位，并以解開的一段DNA鏈為模板，按堿基配對規(guī)律從5′→3′方向合成引物RNA片段。圖12-2DNA復制過程（2）復制的延長。DNA復制的延長是在DNA聚合酶催化下，以4種dNTP為原料進行的聚合反應。DNA的兩條鏈都可以作為模板，同時合成出兩條新的互補鏈。由于DNA分子的兩條鏈是反向平行的，一條走向為5′→3′，另一條走向為3′→5′，而所有DNA聚合酶的合成方向都是5′→3′，這就使得3′→5′走向的模板鏈上合成的DNA子代鏈延長的方向與復制叉前進的方向相同，可以順利地按5′→3′方向連續(xù)合成，這條鏈稱為前導鏈。（3）復制的終止。DNA復制的終止是指由DNA聚合酶Ⅰ切除引物并填補空隙，DNA連接酶連接缺口生成子代DNA的階段。當復制延長到具有特定堿基序列的復制終止區(qū)時，在DNA聚合酶Ⅰ的作用下，切除前導鏈和隨從鏈的RNA引物，并以5′→3′方向延長DNA以填補引物水解留下的空隙。在一些理化因素作用下，生物體DNA的結構與功能可發(fā)生改變，這種改變稱為DNA損傷或DNA突變，其實質是DNA分子中堿基序列的改變。12.1.2DNA的損傷與修復1.致DNA損傷的因素（1）物理因素。常見的損傷DNA的物理因素有紫外線和各種電離輻射。紫外線照射能引起DNA分子中相鄰嘧啶堿發(fā)生共價結合，生成嘧啶二聚體。（2）化學因素?；瘜W誘變劑大多數是致癌物質，包括化工原料、化工產品、等，且每年還以上千新品種的速度增加。（3）生物因素。反轉錄病毒等。（4）自發(fā)因素。堿基自發(fā)水解脫落、脫氨基等。2.DNA損傷的后果及類型DNA損傷根據其范圍及部位的不同可造成不同程度的后果。有些部位的DNA突變只造成基因型改變，而表現型不變，從而體現出基因多態(tài)性；有些部位損傷則會造成遺傳性疾?。ㄈ缪巡〉龋┗蜻z傳傾向疾?。ㄈ缣悄虿〉龋?；有些關鍵基因的損傷甚至能造成個體死亡。DNA損傷的類型包括以下幾種：（1）點突變。點突變是指DNA鏈上單一堿基的變異。同類堿基間的替換稱為轉換，異類堿基間的替換稱為顛換。（2）缺失。缺失是指DNA鏈上一個或一段核苷酸的消失。（3）插入。插入是指原來不存在的一個堿基或一段核苷酸鏈插入DNA分子中。（4）重排。重排是指DNA分子內發(fā)生較大片段的交換。3.DNA損傷的修復DNA的損傷與修復是細胞內同時存在的兩個過程。修復是針對已發(fā)生的損傷施行的補救措施，可能使DNA結構恢復原樣，從而保持DNA的正常功能，但有時也并非能完全消除DNA損傷，DNA無法恢復正常功能而導致基因突變，引起生物遺傳變異。修復的類型主要有以下4種：（1）光修復。光修復過程是通過光修復酶催化完成的，僅需300～600nm波長照射即可活化，此方法普遍存在于各種生物體中。（2）切除修復。這是細胞內最重要和有效的修復方式。其過程包括識別、切除、填補和連接幾個步驟，如圖12-3所示。特異性的核酸內切酶識別并切除損傷的DNA，同時以另一條正常DNA鏈為模板，在DNA聚合酶Ⅰ催化下按5′→3′方向進行空隙填補，最后由DNA連接酶連接兩個片段。（3）重組修復。損傷面積太大又不能及時修復的DNA可以通過重組過程修復。其機制是RecA蛋白結合在子鏈的空缺處，引發(fā)對側正常模板鏈與子鏈重組，將子鏈修復成完整的子鏈，對側正常模板鏈上留下的空缺由DNA聚合酶Ⅰ合成DNA片段填補，最后由連接酶連接，使模板鏈重新成為一條完整的DNA鏈，如圖12-4所示。（4）SOS修復。SOS修復又稱緊急呼救修復，是在DNA分子受到嚴重損傷，細胞處于危險狀態(tài)，正常修復機制均被抑制時進行的急救措施。SOS系統(tǒng)包括切除、重組修復系統(tǒng)。圖12-3DNA損傷的切除修復圖12-4DNA損傷的重組修復1.反轉錄概念與反轉錄酶大多數生物體的遺傳信息儲存在DNA分子中，而某些病毒（如RNA病毒）的遺傳信息則儲存在RNA分子中。RNA病毒能以RNA為模板合成DNA，這個過程稱為反轉錄或逆轉錄。催化反轉錄反應的酶是反轉錄酶，又稱依賴RNA的DNA聚合酶。1970年，美國科學家特明（Termin）在Rous肉瘤病毒中發(fā)現了反轉錄酶，之后發(fā)現所有RNA腫瘤病毒中都含有反轉錄酶。2.反轉錄的意義反轉錄與反轉錄酶的發(fā)現具有重要意義，它補充和發(fā)展了中心法則，使人們認識到RNA也兼有遺傳信息的傳代功能。對反轉錄病毒的研究拓寬了病毒致癌理論。12.1.3反轉錄人類免疫缺陷病毒人類免疫缺陷病毒（humanimmunodeficiencyvirus，HIV）是一種反轉錄病毒。HIV-1的反轉錄酶分子有兩個亞基（51000和66000），其中p66亞基有兩個關鍵性結構域，分別具有DNA聚合活性和RNA降解活性。該酶能以RNA為模板合成DNA，并能降解RNA模板，合成的DNA單鏈能以自身為模板合成另外一條單鏈，形成完整的雙鏈DNA，并能插入到人類細胞的基因組中，隨細胞分裂而復制。知識鏈接生物體內DNA分子攜帶的基因信息最終要表達為各種蛋白質，參與機體的各種生命活動過程，這個過程需要RNA的參與才能實現。因此，RNA在基因信息的傳遞和表達過程中起重要作用。12.2RNA的生物合成1.轉錄的概念以DNA為模板合成RNA，遺傳信息從DNA傳遞到RNA，這一過程稱為轉錄。在基因表達過程中，轉錄是第一步，也是最關鍵的一步，經轉錄后生成的初級轉錄產物通常還需要經過一系列的加工修飾過程最終才能成為成熟的RNA分子。2.轉錄的體系（1）模板。因RNA是單鏈，故轉錄只以DNA的一條鏈為模板，依據堿基互補配對原則指導合成與其互補的RNA分子，而各個基因的模板鏈不都在同一條鏈上，這種現象稱為不對稱轉錄（見圖12-5）。12.2.1RNA的轉錄體系轉錄是不連續(xù)、分區(qū)段進行的，每個轉錄區(qū)段稱為一個轉錄單位，由結構基因與調節(jié)組件兩部分組成。（2）RNA聚合酶。RNA聚合酶又稱DNA指導的RNA聚合酶（DDRP）。該酶以DNA為模板，以NTP為底物，遵從堿基互補配對原則，并按5′→3′方向，催化RNA鏈的合成。①原核生物RNA聚合酶。目前，在原核生物中只發(fā)現了一種RNA聚合酶，兼有合成各種RNA的功能。σ因子可以識別DNA模板上的啟動子，協助轉錄的起始，故又稱起始因子。②真核生物RNA聚合酶。真核生物RNA聚合酶比原核生物RNA聚合酶更復雜，現已發(fā)現有3種類型，分別稱為RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。DNA復制是一個連續(xù)過程，為了便于認識，人們將轉錄過程分為起始、延長和終止3個階段。這里以原核生物為例進行介紹。1.轉錄的起始轉錄是從DNA特定部位開始的，這個部位是RNA聚合酶全酶結合的部位，稱為啟動子。RNA聚合酶的σ因子首先辨認DNA的啟動子部位，并帶動RNA聚合酶全酶與啟動子結合，同時使DNA分子的構象改變，結構松弛，DNA的雙螺旋結構局部解開，暴露出DNA模板。第1個NTP加入，按堿基互補配對原則，以氫鍵結合于DNA模板上，第2個NTP按照相同的方式繼續(xù)加入，并與第1個NTP的3′-OH脫水縮合形成第1個磷酸二酯鍵，從而形成轉錄起始復合物。12.2.2RNA的轉錄過程2.鏈的延伸轉錄起始復合物形成后，σ因子脫落，RNA聚合酶核心酶在模板上滑動。在模板鏈的指導下，核心酶催化相應的核苷酸按堿基互補配對原則沿5′→3′方向合成與模板鏈互補的RNA鏈。圖12-6RNA聚合酶全酶與模板的結合3.轉錄的終止當RNA聚合酶沿DNA模板鏈滑行至終止信號區(qū)域時，RNA聚合酶和新合成的RNA鏈從DNA模板上脫落，轉錄過程終止。原核生物轉錄終止有兩種機制：不依賴ρ因子的轉錄終止和依賴ρ因子的轉錄終止。（1）不依賴ρ因子的轉錄終止。DNA模板鏈上的終止信號包括GC富集區(qū)組成的反向重復序列和一連串A結構，又稱終止子，其轉錄生成RNA產物中有特殊的發(fā)夾結構，其后帶有寡聚U（4~6個核苷酸）。（2）依賴ρ因子的轉錄終止。ρ因子依賴ATP的解旋酶，主要作用是協助RNA聚合酶識別某些特殊的終止信號以停止轉錄，故又稱為終止因子。ρ因子首先識別終止序列并與單鏈RNA轉錄產物結合，結合后的ρ因子具有水解ATP酶的活性，并與核心酶相互作用。轉錄生成的初級轉錄產物是RNA的前體，沒有活性，需要經一系列的加工修飾才能形成各種具有生物活性的RNA分子，這一過程稱為RNA的成熟過程。12.2.3轉錄后的加工與修飾1.mRNA的轉錄后加工原核mRNA的初級轉錄產物一般可直接用于翻譯，真核mRNA的前體是核內分子量較大而不均一的RNA。mRNA前體的加工包括以下4個方面：（1）5′-端加帽。真核生物mRNA的5′-端有一個特殊的結構，如圖12-7所示。帽子結構的主要功能有3點：①穩(wěn)定mRNA結構，使mRNA免遭核酸外切酶的降解。②有助于mRNA轉移至細胞質中。③參與mRNA與特異性蛋白質結合，作為翻譯起始所必需的一種因子。圖12-7真核生物的帽子結構和polyA結構（2）3′-端加多聚A“尾”。生物真核轉錄產物的3′-端通常有一段多聚腺苷酸尾巴（polyA）結構，長度為50~200個核苷酸。（3）剪接。真核生物的基因通常是斷裂基因，由幾個編碼區(qū)與非編碼區(qū)間隔排列而成。圖12-8真核生物hnRNA的剪接有時一種相同的初級轉錄產物在不同組織中因剪接作用的