第十五章生物合成詳解

第十五章生物合成詳解演示文稿本文檔共74頁；當前第1頁；編輯于星期三\14點21分優(yōu)選第十五章生物合成本文檔共74頁；當前第2頁；編輯于星期三\14點21分轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄：生物體以DNA為模板、NTP為原料，在RNA聚合酶催化下合成單鏈RNA的過程。RNADNA

DNA復(fù)制

(dNMP)n+dNTP(dNMP)n+1+PPi(NTP)n(NMP)n+PPi本文檔共74頁；當前第3頁；編輯于星期三\14點21分轉(zhuǎn)錄的體系底物(substrate):

ATP,GTP,CTP,UTP；模板(template):DNA單鏈；聚合酶(polymerase):

依賴DNA的RNA聚合酶；RNA的延長只可沿5‘→3’方向進行；其他輔助因子:轉(zhuǎn)錄因子（真核生物），延長因子（真核生物）。本文檔共74頁；當前第4頁；編輯于星期三\14點21分一、轉(zhuǎn)錄的模板5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtcatgtacag···5′編碼鏈模板鏈5′···GCAGUACAUGUC···3′mRNAN······Ala·Val·His·Val······C蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯本文檔共74頁；當前第5頁；編輯于星期三\14點21分模板鏈與編碼鏈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(templatestrand)，也稱作有意義鏈或Watson鏈。與模板鏈進行堿基配對的另一股DNA單鏈稱為編碼鏈(codingstrand)，也稱為反義鏈或Crick鏈。本文檔共74頁；當前第6頁；編輯于星期三\14點21分二、RNA聚合酶RNA聚合酶（RNApolymerase,RNApol）：催化DNA轉(zhuǎn)錄合成RNA的酶，也稱DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶（DNAdependentRNApolymerase）。本文檔共74頁；當前第7頁；編輯于星期三\14點21分二、RNA聚合酶1.原核生物RNA聚合酶（只有一種）亞基分子量亞基數(shù)功能a365002識別特異性轉(zhuǎn)錄基因b1510001催化RNA合成b'1550001DNA結(jié)合s700001啟動子識別110001未知本文檔共74頁；當前第8頁；編輯于星期三\14點21分原核RNA聚合酶結(jié)構(gòu)示意圖核心酶

(coreenzyme)全酶

(holoenzyme)（轉(zhuǎn)錄起始階段）（轉(zhuǎn)錄延長階段）本文檔共74頁；當前第9頁；編輯于星期三\14點21分二、RNA聚合酶2.真核生物RNA聚合酶RNA聚合酶IRNA聚合酶IIRNA聚合酶III對鵝膏蕈堿的敏感性耐受很敏感中度敏感轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物45SrRNA不均一核RNA（hnRNA，即mRNA的前體)tRNA前體、5SrRNA、snRNA本文檔共74頁；當前第10頁；編輯于星期三\14點21分二、RNA聚合酶3.RNA的復(fù)制以RNA為模板，NTP為原料，在RNA復(fù)制酶的作用下合成新的RNA稱為RNA復(fù)制。RNA復(fù)制酶又稱為RNA指導(dǎo)的RNA聚合酶（RDRP）。本文檔共74頁；當前第11頁；編輯于星期三\14點21分RNA復(fù)制RNA復(fù)制酶RNA復(fù)制酶本文檔共74頁；當前第12頁；編輯于星期三\14點21分三、啟動子啟動子（promoter）：指的是RNA聚合酶識別、結(jié)合和開始轉(zhuǎn)錄的一段特定DNA序列，位于轉(zhuǎn)錄單位5’端上游區(qū)。

本文檔共74頁；當前第13頁；編輯于星期三\14點21分1．原核生物啟動子原核生物啟動子區(qū)域有3個功能部位：起始轉(zhuǎn)錄部位轉(zhuǎn)錄第一個核苷酸的堿基對（+1）、RNA聚合酶識別位點(-35)和結(jié)合位點（-10），其中后兩項為啟動子的核心區(qū)域。三、啟動子本文檔共74頁；當前第14頁；編輯于星期三\14點21分3開始轉(zhuǎn)錄TTGACAAACTGT-35區(qū)RNA-pol結(jié)合位點(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10區(qū)1-30-5010-10-40-205335RNA-pol辨認位點(Sextamabox)5RNA聚合酶保護區(qū)結(jié)構(gòu)基因53原核生物啟動子結(jié)構(gòu)本文檔共74頁；當前第15頁；編輯于星期三\14點21分三、啟動子2．真核生物啟動子

真核生物有三種RNA聚合酶，每一種都有自己的啟動子類型：RNA聚合酶I只轉(zhuǎn)錄rRNA，只有一種啟動子類型；RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄mRNA，其啟動子結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜；RNA聚合酶III負責轉(zhuǎn)錄tRNA和5SrRNA，其啟動子位于轉(zhuǎn)錄的DNA序列之內(nèi)，故稱下游啟動子。本文檔共74頁；當前第16頁；編輯于星期三\14點21分三、啟動子2．真核生物啟動子

真核生物RNA聚合酶II的啟動子是多部位結(jié)構(gòu)，主要有四個部位：帽子位點（capsite）：轉(zhuǎn)錄起始位點（+1）；TATA框:序列為TATA（A/T）A（A/T），決定了轉(zhuǎn)錄的起始點的選擇；CAAT框:其一致的序列為GG（C/T）CAATCT，控制轉(zhuǎn)錄起始的頻率；增強子（enhancer）：核心序列TGG（A/T）（A/T）（A/T），能使和它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加。本文檔共74頁；當前第17頁；編輯于星期三\14點21分真核生物啟動子結(jié)構(gòu)TATAbox（-25）CAATbox（-75）

增強子（>-100）

結(jié)構(gòu)基因------------CAAT---TATA--轉(zhuǎn)錄起始點（+1）啟動子轉(zhuǎn)錄方向本文檔共74頁；當前第18頁；編輯于星期三\14點21分四、轉(zhuǎn)錄過程（原核）（一）轉(zhuǎn)錄起始：1.RNA聚合酶通過識別位點并初步結(jié)合啟動子；2.移動定位并牢固結(jié)合在結(jié)合位點上；3.在起始位點上建立一個開鏈式啟動子復(fù)合物。本文檔共74頁；當前第19頁；編輯于星期三\14點21分轉(zhuǎn)錄起始過程閉鏈式二元復(fù)合物開鏈式二元復(fù)合物轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH3本文檔共74頁；當前第20頁；編輯于星期三\14點21分四、轉(zhuǎn)錄過程（原核）（二）轉(zhuǎn)錄延長1.亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變構(gòu)，與模板結(jié)合松弛，沿著DNA模板前移；

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本文檔共74頁；當前第21頁；編輯于星期三\14點21分轉(zhuǎn)錄延長示意圖編碼鏈模板鏈核心酶轉(zhuǎn)錄方向本文檔共74頁；當前第22頁；編輯于星期三\14點21分轉(zhuǎn)錄延長（全貌）轉(zhuǎn)錄方向本文檔共74頁；當前第23頁；編輯于星期三\14點21分四、轉(zhuǎn)錄過程（原核）（三）轉(zhuǎn)錄終止終止子：提供轉(zhuǎn)錄停止信號的DNA序列。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(fù)合物上脫落下來。

原核生物有兩種轉(zhuǎn)錄終止方式：依賴Rho(r)因子的轉(zhuǎn)錄終止非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止本文檔共74頁；當前第24頁；編輯于星期三\14點21分四、轉(zhuǎn)錄過程（原核）（三）轉(zhuǎn)錄終止1.依賴r因子的轉(zhuǎn)錄終止模式ATPρ因子具有ATP酶活性和解螺旋酶(helicase)的活性。本文檔共74頁；當前第25頁；編輯于星期三\14點21分四、轉(zhuǎn)錄過程（原核）（三）轉(zhuǎn)錄終止2.非依賴r因子的轉(zhuǎn)錄終止模式 在轉(zhuǎn)錄后期，轉(zhuǎn)錄生成的RNA產(chǎn)物可形成特殊的“發(fā)夾（hairpin）”結(jié)構(gòu)使RNA聚合酶變構(gòu)，喪失其RNA聚合酶活性，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄終止。本文檔共74頁；當前第26頁；編輯于星期三\14點21分非依賴r因子的轉(zhuǎn)錄終止模式反向重復(fù)序列反向重復(fù)序列使RNA聚合酶變構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停頓使轉(zhuǎn)錄復(fù)合物趨于解離，RNA產(chǎn)物釋放RNA-polRNA-pol本文檔共74頁；當前第27頁；編輯于星期三\14點21分原核生物轉(zhuǎn)錄過程總結(jié)1234567本文檔共74頁；當前第28頁；編輯于星期三\14點21分五、轉(zhuǎn)錄過程（真核）真核生物的轉(zhuǎn)錄過程也可以分為起始、延伸和終止三個階段。真核生物轉(zhuǎn)錄起始需要各種轉(zhuǎn)錄因子（TF）與順式作用元件相互結(jié)合，同時蛋白質(zhì)因子之間也要相互識別、結(jié)合。能直接、間接辨認和結(jié)合真核生物基因順式作用元件的蛋白質(zhì)，統(tǒng)稱為反式作用因子，直接或間接結(jié)合RNA聚合酶的反式作用因子，則稱為轉(zhuǎn)錄因子。本文檔共74頁；當前第29頁；編輯于星期三\14點21分參與RNA-polⅡ轉(zhuǎn)錄的TFⅡ*相應(yīng)于RNA-polI、II、III的轉(zhuǎn)錄因子，分別稱為TFI、TFII、TFIII。本文檔共74頁；當前第30頁；編輯于星期三\14點21分真核轉(zhuǎn)錄起始（動畫）本文檔共74頁；當前第31頁；編輯于星期三\14點21分真核轉(zhuǎn)錄延長（動畫）本文檔共74頁；當前第32頁；編輯于星期三\14點21分真核轉(zhuǎn)錄終止（動畫）本文檔共74頁；當前第33頁；編輯于星期三\14點21分主要內(nèi)容第一節(jié)、轉(zhuǎn)錄第二節(jié)、轉(zhuǎn)錄后的加工第二節(jié)、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控本文檔共74頁；當前第34頁；編輯于星期三\14點21分

基因轉(zhuǎn)錄的直接產(chǎn)物初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（primarytranscripts），必須經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工（post-transcriptionalprocessing），才會轉(zhuǎn)變?yōu)橛泄δ艿腞NA，即成熟RNA分子。一系列的加工修飾包括：RNA鏈的裂解5端與3端的切除特殊結(jié)構(gòu)的形成剪接（splicing）堿基修飾和糖苷鍵改變本文檔共74頁；當前第35頁；編輯于星期三\14點21分一、原核生物mRNA的加工mRNA通常沒有轉(zhuǎn)錄后的加工過程。rRNA需經(jīng)剪切和修飾加工。剪切：將初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物剪成16S、23S和5S三個片段修飾：核糖2’-羥基的甲基化tRNA的加工方式也是剪切和修飾。剪切：切除多余的核苷酸序列修飾：甲基化和3’-端加CCA本文檔共74頁；當前第36頁；編輯于星期三\14點21分二、真核生物mRNA的加工

真核生物的大多數(shù)基因都被插入序列（interveningsequence）即內(nèi)含子（intron）所分隔而成為間斷基因（interruptedgene）即外顯子（exon）。內(nèi)含子是真核細胞基因中的非編碼序列，而外顯子是指真核細胞基因中的編碼序列。轉(zhuǎn)錄后需通過剪接反應(yīng)去除非編碼區(qū)（內(nèi)含子）使編碼區(qū)（外顯子）成為連續(xù)序列。本文檔共74頁；當前第37頁；編輯于星期三\14點21分轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為hnRNA的真核基因結(jié)構(gòu)示意圖231轉(zhuǎn)錄起始點AATAAA切離加尾轉(zhuǎn)錄終止點修飾點外顯子翻譯起始點內(nèi)含子

順式作用元件結(jié)構(gòu)基因1223112非編碼序列非編碼序列5′3′轉(zhuǎn)錄hnRNA231非編碼序列非編碼序列5′3′加工mRNA本文檔共74頁；當前第38頁；編輯于星期三\14點21分二、真核生物mRNA的加工由hnRNA轉(zhuǎn)變成mRNA的加工修飾過程包括：（1）5’端形成特殊的帽子結(jié)構(gòu)；（2）在鏈的3’端切斷一段序列并加上多聚腺苷酸（polyA）尾巴；（3）通過剪接除去由內(nèi)含子轉(zhuǎn)錄來的序列。本文檔共74頁；當前第39頁；編輯于星期三\14點21分帽子結(jié)構(gòu)示意圖“帽子”結(jié)構(gòu)“帽子”結(jié)構(gòu)N7甲基鳥苷酸（m7GpppX）“帽子”結(jié)構(gòu)“帽子”結(jié)構(gòu)核糖的2’OH同樣可以被甲基化本文檔共74頁；當前第40頁；編輯于星期三\14點21分帽子結(jié)構(gòu)的生成過程5pppGp…5GpppGp…pppGppi鳥苷酸轉(zhuǎn)移酶5

m7GpppGp…甲基轉(zhuǎn)移酶SAM5ppGp…磷酸酶Pi本文檔共74頁；當前第41頁；編輯于星期三\14點21分真核生物3’多聚腺苷酸生成過程本文檔共74頁；當前第42頁；編輯于星期三\14點21分加帽和加尾的意義加帽可以使mRNA免遭核酸酶的攻擊；也能與帽結(jié)合蛋白質(zhì)復(fù)合體(cap-bindingcomplexofprotein)結(jié)合，并參與mRNA和核糖體的結(jié)合，啟動蛋白質(zhì)的生物合成。加尾可以維持mRNA作為翻譯模板的活性，以及增加mRNA本身的穩(wěn)定性。本文檔共74頁；當前第43頁；編輯于星期三\14點21分RNA剪接

mRNA的前體（hnRNA）經(jīng)過剪接體（spliceosome）加工處理，去除內(nèi)含子，并將相鄰?fù)怙@子連接起來，形成有功能mRAN(成熟mRNA)，這一過程稱為RNA剪接（RNAsplicing）。AB內(nèi)含子外顯子CDhnRNAABCD內(nèi)含子（snRNA）mRNA本文檔共74頁；當前第44頁；編輯于星期三\14點21分剪接過程內(nèi)含子外顯子1外顯子2hnRNA中間產(chǎn)物成熟mRNA降解第一次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)第二次轉(zhuǎn)酯反應(yīng)本文檔共74頁；當前第45頁；編輯于星期三\14點21分剪接體的生成

剪接體（spliceosome）：是由細胞核小分子核糖核蛋白顆粒（snRNP）與hnRNA結(jié)合，使內(nèi)含子形成套索并拉近上、下游外顯子距離的復(fù)合體。hnRNA蛋白snRNA【U1、U2、U4、U5、U6】snRNP剪接體（spliceosome）成熟mRNA剪接體組分套索切下的內(nèi)含子本文檔共74頁；當前第46頁；編輯于星期三\14點21分雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾hnRNA剪接、剪切及首尾修飾成熟的mRNA雞卵清蛋白基因本文檔共74頁；當前第47頁；編輯于星期三\14點21分RNA剪接（動畫）本文檔共74頁；當前第48頁；編輯于星期三\14點21分大鼠降鈣素基因的可變剪接甲狀腺大腦本文檔共74頁；當前第49頁；編輯于星期三\14點21分真核mRNA轉(zhuǎn)錄后加工（動畫）本文檔共74頁；當前第50頁；編輯于星期三\14點21分三、tRNA和rRNA加工（一）tRNA轉(zhuǎn)錄后的加工1.剪切與剪接RNase剪切剪接本文檔共74頁；當前第51頁；編輯于星期三\14點21分三、tRNA和rRNA加工（一）tRNA轉(zhuǎn)錄后的加工2.添加：添加3'氨基酸臂-CCAtRNA核苷酸轉(zhuǎn)移酶、連接酶本文檔共74頁；當前第52頁；編輯于星期三\14點21分①②③④三、tRNA和rRNA加工（一）tRNA轉(zhuǎn)錄后的加工3.修飾①甲基化：GmG②還原：U

DHU③脫氨:A

I④轉(zhuǎn)位:UΨ本文檔共74頁；當前第53頁；編輯于星期三\14點21分稀有堿基結(jié)構(gòu)示意圖本文檔共74頁；當前第54頁；編輯于星期三\14點21分三、tRNA和rRNA加工（二）rRNA轉(zhuǎn)錄后的加工1.甲基化：發(fā)生于45srRNA2.剪切：45S41S20S18S32S28S—5.8S28S5.8S（真核生物）DNA轉(zhuǎn)錄本文檔共74頁；當前第55頁；編輯于星期三\14點21分真核rRNA的加工過程甲基化甲基化群剪切45SrRNA成熟rRNA本文檔共74頁；當前第56頁；編輯于星期三\14點21分復(fù)制與轉(zhuǎn)錄的異同點相同點：需要DNA模板遵循堿基配對原則聚合反應(yīng)形成磷酸二酯鍵合成方向為5'3'本文檔共74頁；當前第57頁；編輯于星期三\14點21分七、復(fù)制與轉(zhuǎn)錄的異同點不同點：DNA復(fù)制RNA轉(zhuǎn)錄模板兩條鏈為模板其中一條鏈為模板合成方式半保留復(fù)制不對稱轉(zhuǎn)錄聚合酶DNA聚合酶RNA聚合酶原料dNTPNTP堿基配對A:T/G:CA:U/G:C引物需要不需要產(chǎn)物雙鏈DNA單鏈RNA本文檔共74頁；當前第58頁；編輯于星期三\14點21分主要內(nèi)容第一節(jié)、轉(zhuǎn)錄第二節(jié)、轉(zhuǎn)錄后的加工第二節(jié)、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控本文檔共74頁；當前第59頁；編輯于星期三\14點21分一些基本概念基因（gene）：負載特定遺傳信息的DNA片段，可以編碼單個具有生物功能的產(chǎn)物，如RNA和多肽鏈，其結(jié)構(gòu)包括由DNA編碼序列、非編碼調(diào)節(jié)序列和內(nèi)含子組成的DNA區(qū)域?；虮磉_（geneexpression）：指基因通過轉(zhuǎn)錄和翻譯而產(chǎn)生其蛋白質(zhì)產(chǎn)物，或轉(zhuǎn)錄后直接產(chǎn)生其RNA產(chǎn)物（如tRNA、rRNA等）的過程?；虮磉_調(diào)控（RegulationofGeneExpression）：指在不同時期和不同條件下，基因表達的開或關(guān)以及基因表達速率均受到調(diào)節(jié)和控制。本文檔共74頁；當前第60頁；編輯于星期三\14點21分一、原核細胞轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)—操縱子學(xué)說

操縱子（operon）：由幾個功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因及其調(diào)控區(qū)組成一個基因表達單位。調(diào)控區(qū)由上游的啟動子（promoter）和操縱區(qū)（operator）組成。操縱子有兩種類型：

一類是誘導(dǎo)操縱子，即誘導(dǎo)基因，這些基因能因環(huán)境中某些物質(zhì)的出現(xiàn)而被活化。

另一類是阻遏操縱子，即阻遏基因，一般情況下處于表達狀態(tài)，但當其產(chǎn)物大量出現(xiàn)時即關(guān)閉。本文檔共74頁；當前第61頁；編輯于星期三\14點21分（一）乳糖操縱子1.乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點啟動序列操縱序列

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNA本文檔共74頁；當前第62頁；編輯于星期三\14點21分（一）乳糖操縱子2.乳糖操縱子受到了阻遏蛋白的負性調(diào)控mRNA阻遏蛋白pol阻遏基因無乳糖存在時IDNAZYAOP本文檔共74頁；當前第63頁；編輯于星期三\14點21分（一）乳糖操縱子2.乳糖操縱子受到了阻遏蛋白的負性調(diào)控mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶IDNAZYAOP本文檔共74頁；當前第64頁；編輯于星期三\14點21分3.分解物基因激活蛋白（CAP）的正性調(diào)節(jié)有葡萄糖，cAMP濃度低，CAP未被激活，不能結(jié)合CAP位點無葡萄糖，cAMP濃度高，CAP被cAMP激活可結(jié)合CAP位點（一）乳糖操縱子++++

轉(zhuǎn)錄ZYAOPDNACAPCAPCAPsiteCAP本文檔共74頁；當前第65頁；編輯于星期三\14點21分CAP激活RNA聚合酶示意圖

沒有CAP結(jié)合CAP位點，RNA聚合酶僅具有低轉(zhuǎn)錄起始活性；但CAP結(jié)合CAP后，能顯著提高RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄起始活性。本文檔共74頁；當前第66頁；編輯于星期三\14點21分（一）乳糖操縱子4.阻遏蛋白與CAP的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)當阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對乳糖操縱子表達不起調(diào)控作用；當阻遏蛋白失活，基因開放時，無CAP的正性調(diào)控，乳糖操縱子僅處于低表達或不表達狀態(tài)；當阻遏蛋白失活，基因開放時，CAP的正性調(diào)控使乳糖操縱子處于高表達狀態(tài)。本文檔共74頁；當前第67頁；編輯于星期三\14點21分乳糖操縱子協(xié)調(diào)表達示意圖mRNA低乳糖時高乳糖時葡萄糖低cAMP濃度高