RNA的生物合成轉(zhuǎn)錄.ppt

1、第八章 RNA的生物合成 (轉(zhuǎn)錄),許昌衛(wèi)生學(xué)校,本章內(nèi)容,第一節(jié) 轉(zhuǎn)錄的酶和模板 第二節(jié) 轉(zhuǎn)錄過程 第三節(jié) 真核生物的轉(zhuǎn)錄后修飾,轉(zhuǎn)錄 生物體以DNA為模板合成RNA的過程 。,轉(zhuǎn)錄,復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別,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 polymerase, RNA-pol) 其他蛋白質(zhì)因子,第一節(jié) 模板和酶,轉(zhuǎn)錄:以DNA為模板，在依賴于DNA的RNA多聚酶催化下合成與模板互補(bǔ)的mRNA鏈的過程。轉(zhuǎn)錄是基因?qū)崿F(xiàn)表達(dá)的第一步。 一、轉(zhuǎn)錄模板 轉(zhuǎn)錄的不對稱性就是指以雙鏈DNA中的一條鏈作為模板進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，從而將遺

2、傳信息由DNA傳遞給RNA。 能轉(zhuǎn)錄出RNA的DNA區(qū)段稱為結(jié)構(gòu)基因。,能夠轉(zhuǎn)錄RNA的那條DNA鏈稱為模板鏈，也稱作有意義鏈。 與模板鏈互補(bǔ)的另一條DNA鏈稱為編碼鏈，也稱為反義鏈。,5 3,3 5,模板鏈,編碼鏈,編碼鏈,模板鏈,結(jié)構(gòu)基因,5GCAGTACATGTC 3,3 c g t g a t g t a c a g 5,5GCAGUACAUGUC 3,NAla Val His Val C,編碼鏈,模板鏈,mRNA,蛋白質(zhì),轉(zhuǎn)錄,翻譯,模板鏈、編碼鏈與轉(zhuǎn)錄及翻譯的關(guān)系,轉(zhuǎn)錄的連續(xù)性：RNA轉(zhuǎn)錄合成時，以DNA作為模板，在RNA聚合酶的催化下，連續(xù)合成一段RNA鏈，各條RNA鏈之間無需再

3、進(jìn)行連接。 轉(zhuǎn)錄的單向性：RNA轉(zhuǎn)錄合成時，只能向一個方向進(jìn)行聚合，所依賴的模板DNA鏈的方向?yàn)?5，而RNA鏈的合成方向?yàn)?3。,二、參與轉(zhuǎn)錄合成的酶和蛋白因子,參與RNA轉(zhuǎn)錄合成的物質(zhì) 原料：NTP （ATP, UTP, GTP, CTP）。 模板：單鏈DNA。 酶：RNA聚合酶（DDRP，RNA-pol）。 其他蛋白質(zhì)因子：如轉(zhuǎn)錄因子、終止因子等。,RNA聚合酶（DDRP） 這是一種不同于引物酶的依賴DNA的RNA聚合酶（DDRP）。 該酶在單鏈DNA模板以及四種核糖核苷酸存在的條件下，不需要引物，即可從53聚合RNA。,原核生物中的RNA聚合酶全酶由五個亞基構(gòu)成，即2。 亞基與轉(zhuǎn)錄起始

4、點(diǎn)的識別有關(guān)，在轉(zhuǎn)錄合成開始后被釋放；余下的部分（2）被稱為核心酶，與RNA鏈的聚合有關(guān)。,真核細(xì)胞的RNA聚合酶有三種：分別是RNA聚合酶、RNA聚合酶和RNA聚合酶。 RNA聚合酶、RNA聚合酶分別負(fù)責(zé)合成rRNA和mRNA， RNA聚合酶則催化轉(zhuǎn)錄生成5srRNA和tRNA。,第二節(jié) 轉(zhuǎn)錄過程,RNA的轉(zhuǎn)錄過程大體可分為起始、延長和終止三個階段。轉(zhuǎn)錄全過程均需RNA聚合酶催化，原核生物轉(zhuǎn)錄起始需要核心酶加上因子即全酶參與。延長過程是核心酶催化下的核苷酸聚合。（Rho）因子參與轉(zhuǎn)錄的終止。,一起始階段 首先由RNA聚合酶的因子辨認(rèn)DNA的啟動子部位，并帶動RNA聚合酶的全酶與啟動子結(jié)合，形

5、成復(fù)合物，同時使DNA分子的局部構(gòu)象改變，結(jié)構(gòu)松馳，解開一段RNA雙鏈（約10幾個堿基對），暴露出DNA模板鏈。在DNA模板鏈轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)堿基的引導(dǎo)下，第一個核糖核苷酸進(jìn)入相應(yīng)的位置，配對結(jié)合。轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)的堿基多為T或C，因此第一個結(jié)合的NTP多為ATP或GTP。,二延長階段 RNA鏈的延長是由核心酶催化的。當(dāng)?shù)谝粋€核糖核苷酸結(jié)合后，因子便從全酶中脫落下來。并與另一個核心酶結(jié)合成RNA聚合酶全酶，起始另一次轉(zhuǎn)錄。脫落的因子可以反復(fù)使用。失去因子的核心酶發(fā)生構(gòu)象改變，與DNA模板的結(jié)合變得較為松馳，可以沿DNA模板鏈的下游方向（即35的方向）滑動。在核心酶的催化下，4種核糖核苷酸（NTP）按照模板鏈堿

6、基排列順序的指引依次進(jìn)入，按照U-A,A-T,C-G的堿基配對原則逐個地加到前一個核糖核苷酸的3-OH上，并形成磷酸二酯鍵。隨著核心酶不斷沿模板鏈方向滑動，DNA雙螺旋逐漸解開暴露模板鏈，RNA鏈沿53方向逐漸延長。此時，已合成的RNA鏈從5-端逐漸與模板鏈分離，而模板鏈與編碼鏈重新結(jié)合形成雙螺旋(圖)。,三終止階段 當(dāng)核心酶滑行到DNA模板鏈的終止部位即停頓下來不再前進(jìn)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫落下來，就是轉(zhuǎn)錄終止。原核生物轉(zhuǎn)錄終止有兩種類型：一種是依賴因子終止的轉(zhuǎn)錄，因子能與轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA結(jié)合，使RNA聚合酶停頓。因子還有ATP酶活性和解螺旋酶活性，它能利用ATP水解釋放的能量，使

7、RNA鏈從模板DNA鏈上拆開，并從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中釋放出來。另一種是不依賴因子終止的轉(zhuǎn)錄。在DNA模板鏈上靠近終止處有些特殊堿基序列，即較豐富的A-T配對區(qū)或G-C配對區(qū)，是轉(zhuǎn)錄終止信號。當(dāng)核心酶遇到終止信號后，RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物就形成特殊的發(fā)夾樣結(jié)構(gòu)，阻止核心酶的滑動，RNA鏈的延長便終止。 轉(zhuǎn)錄終止后，核心酶也從DNA模板鏈上脫落下來，與因子重新結(jié)合為全酶進(jìn)行下一次的轉(zhuǎn)錄。這樣合成的RNA是初級轉(zhuǎn)錄物，即RNA前體。 如前所述，某些抗生素如利福霉素和利福平能抑制細(xì)菌RNA聚合酶，因而能抑制細(xì)菌RNA的合成。,第三節(jié) 轉(zhuǎn)錄后的加工和修飾,真核細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄生成的RNA是初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，均需經(jīng)過一定程度的加

8、工才具有活性。原核細(xì)胞由于沒有細(xì)胞核，其結(jié)構(gòu)基因是連續(xù)的核苷酸序列，轉(zhuǎn)錄后產(chǎn)生的RNA很少需要加工處理（tRNA例外）就轉(zhuǎn)運(yùn)到核蛋白體上參與蛋白質(zhì)的合成。新生的無活性的RNA轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘腞NA的過程，稱為RNA的成熟（轉(zhuǎn)錄后的加工），包括鏈的斷裂、拼接和化學(xué)修飾等。,一、mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工 真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄后，需進(jìn)行5-端和 3-端的修飾以及對hnRNA進(jìn)行剪接。 （一）首尾修飾 指在mRNA的5-端加“帽”，3-端加“尾”。5-端加“帽”是在核內(nèi)進(jìn)行的，在hnRNA的5-末端加上一個m7GpppG“帽”結(jié)構(gòu)，其功能與蛋白質(zhì)生物合成的起始有關(guān)。mRNA3-末端接上一段約30200個po

9、lyA,該結(jié)構(gòu)稱為“尾”，其功能是引導(dǎo)mRNA由細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移。,（二）mRNA的剪接 真核細(xì)胞的mRNA前體稱核內(nèi)不均一RNA(hnRNA)，它是由斷裂基因轉(zhuǎn)錄的，包含有內(nèi)含子和外顯子的區(qū)段，所以其分子量比成熟的mRNA大幾倍，甚至數(shù)十倍。剪接就是把hnRNA中的內(nèi)含子除去，把外顯子拚接起來，成為具有翻譯功能的模板mRNA。,二、tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工 1、切除多余的核苷酸.2、剪切內(nèi)含子：核酸內(nèi)切酶切除內(nèi)含子,連接酶進(jìn)行連接。3、修飾與3末端加-CCA: 修飾包括甲基化,脫氨基,還原反應(yīng)等，在核苷酸基轉(zhuǎn)移酶催化下完成3末端添加CCA。,第九章 蛋白質(zhì)的生物合成（翻譯）,【目的與要求】 1

10、、掌握翻譯及蛋白質(zhì)合成體系中的基本概念，如密碼子、簡并性等。 2、掌握蛋白質(zhì)合成體系的組成及mRNA、tRNA和核蛋白體的作用原理。 3、復(fù)述蛋白質(zhì)合成的過程。 4、解釋分子病的概念，并舉例說明。 蛋白質(zhì)的生物合成過程，就是將DNA傳遞給mRNA的遺傳信息，再具體轉(zhuǎn)譯為蛋白質(zhì)中氨基酸排列順序的過程，這一過程被稱為翻譯。,第一節(jié) 參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì),一、合成原料：蛋白質(zhì)生物合成的原料是氨基酸。氨基酸在mRNA的指引下逐一聚合。聚合過程中，氨基酸需由tRNA攜帶。蛋白質(zhì)合成的全過程是在由rRNA和蛋白質(zhì)所組成的核蛋白體大分子上進(jìn)行的。也就是說，蛋白質(zhì)的生物合成，是需要mRNA為模板、tRNA

11、為運(yùn)載體、核蛋白體為裝配場所共同協(xié)調(diào)完成的。此外，翻譯過程還需眾多的蛋白質(zhì)因子和酶的參與。,二、RNA （一）mRNA mRNA是翻譯的直接模板。在mRNA分子中，核苷酸的排列順序包含有多肽鏈中氨基酸的排列順序。mRNA通過其模板作用傳遞DNA的遺傳信息，即引導(dǎo)蛋白質(zhì)多肽鏈的合成。 作為指導(dǎo)蛋白質(zhì)生物合成的模板，mRNA中每三個相鄰的核苷酸組成三聯(lián)體，代表一個氨基酸的信息，此三聯(lián)體就稱為密碼。 遺傳密碼共有64種，其中：,起始密碼: AUG 終止密碼: UAA，UAG，UGA,遺傳密碼具有以下特點(diǎn)： 1. 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。密碼的通用性進(jìn)一步證明各種生物

12、進(jìn)化自同一祖先。 2.連續(xù)性 指編碼蛋白質(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。 3. 簡并性同一氨基酸存在多個不同的遺傳密碼的現(xiàn)象稱為遺傳密碼的簡并性。 遺傳密碼的簡并性在保持遺傳穩(wěn)定性上具有重要意義。,4. 擺動性：轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的tRNA的反密碼需要通過堿基互補(bǔ)與mRNA上的遺傳密碼反平行配對結(jié)合，但反密碼與密碼之間常常不嚴(yán)格遵守堿基配對規(guī)律，稱為擺動配對。 （二） tRNA ：tRNA是轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的工具 所有tRNA的二級結(jié)構(gòu)均是三葉草形，其氨基酸臂的3-CCA-OH是氨基酸的結(jié)合位點(diǎn)，反密碼環(huán)頂端的反密碼子與mRNA上的密碼子配對結(jié)合。tRNA攜帶的氨基酸，是由mR

13、NA上三聯(lián)體密碼決定的，因此，tRNA可將氨基酸準(zhǔn)確地帶到指定的位置。,氨基酸臂,反密碼環(huán),tRNA,（三）rRNA與蛋白質(zhì)構(gòu)成核蛋白體是蛋白質(zhì)合成的場所 rRNA是一類分子量不等的非均一性RNA，它們與多種蛋白質(zhì)互相鑲嵌，結(jié)合成為顯微鏡下可見的核蛋白體顆粒，是氨基酸聚合成肽鏈的場所。核蛋白體由大、小亞基構(gòu)成。大亞基有轉(zhuǎn)肽酶活性和兩個tRNA結(jié)合部位，一個是結(jié)合肽酰-tRNA的部位（P位），另一個是結(jié)合氨基酰-tRNA的部位（A位）。小亞基有結(jié)合模板mRNA的功能，在大小亞基之間有容納mRNA的部位，核蛋白體能沿著mRNA53方向閱讀遺傳密碼。,三個與tRNA結(jié)合的位點(diǎn)： A位：又稱受位或氨酰

14、基位，可與新進(jìn)入的氨基酰tRNA結(jié)合；由大、小亞基成分構(gòu)成。 P位：又稱給位或肽酰基位，可與延伸中的肽?；鵷RNA結(jié)合；由大、小亞基成分構(gòu)成。 E位：又稱排出位，空載tRNA脫離核蛋白體前的結(jié)合位點(diǎn)；主要由大亞基成分構(gòu)成。,核蛋白體大、小亞基的功能,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,三、酶類和蛋白因子 （一）氨基酰-tRNA合成酶 氨基酸的活化與攜帶反應(yīng)由氨基酰tRNA合成酶催化。特定的tRNA與相應(yīng)的氨基酸結(jié)合，生成氨基酰tRNA，從而由tRNA攜帶活化的氨基酸參與蛋白質(zhì)的生物合成。每種氨基酸都有其特異的氨基酰-tRNA合成酶；該酶具有絕對專一性

15、，對其tRNA和氨基酸兩種底物能進(jìn)行高度特異性地識別。,（二）轉(zhuǎn)肽酶 該酶實(shí)際上是核蛋白體大亞基上的蛋白質(zhì)，能催化大亞基P位上的肽酰-tRNA的肽酰基轉(zhuǎn)移到A位上氨基酰-tRNA的氨基上，使酰基與氨基結(jié)合形成肽鍵，延長肽鏈。 （三）其它因子和供能物質(zhì) 1.蛋白因子起始因子（IF）與多肽鏈合成起始有關(guān)的蛋白因子稱為起始因子。 作用主要是促進(jìn)核蛋白體小亞基與起始tRNA及模板mRNA結(jié)合。,延長因子（EF）與多肽鏈合成的延伸過程有關(guān)的蛋白因子稱為延長因子。 EF的作用主要促使氨基酰tRNA進(jìn)入核蛋白的受體，并可促進(jìn)移位過程。 釋放因子（RF）與多肽鏈合成終止并使之從核蛋白體上釋放相關(guān)的蛋白因子稱為

16、釋放因子。,RF的生物學(xué)功能主要有： 識別終止密碼，如RF-1特異識別UAA、UAG；而RF-2可識別UAA、UGA。 誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶改變?yōu)轷ッ富钚裕喈?dāng)于催化肽?；D(zhuǎn)移到水分子-OH上，使肽鏈從核蛋白體上釋放。,多肽鏈合成時，需ATP、GTP作為供能物質(zhì)，并需Mg2+、K+參與。 氨基酸活化時需消耗2分子高能磷酸鍵，肽鍵形成時又消耗2分子高能磷酸鍵，故縮合一分子氨基酸殘基需消耗4分子高能磷酸鍵。,2.供能物質(zhì)和無機(jī)離子,第二節(jié) 蛋白質(zhì)生物合成的過程,蛋白質(zhì)生物合成過程包括三大步驟： 氨基酸的活化與搬運(yùn)； 活化氨基酸在核蛋白體上的縮合； 多肽鏈合成后的加工修飾。 本節(jié)主要介紹活化氨基酸在核蛋白體上

17、的縮合過程，這一過程包括多肽鏈合成的起始、延長和終止三個階段。,一、氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運(yùn) 在蛋白質(zhì)分子中，氨基酸借其氨基與羧基互相連接，形成肽鍵。但氨基與羧基的反應(yīng)性不強(qiáng)，必須經(jīng)過活化才能彼此相連。如前所述，在氨基酰-tRNA合成酶的催化下，氨基酸與tRNA結(jié)合成為氨基酰-tRNA的過程叫做氨基酸的活化。以氨基酰-tRNA形式存在的活化氨基酸即可投入氨基酸縮合成肽的過程。,二、肽鏈的合成 （一）肽鏈合成的起始. 1. 核蛋白體大、小亞基分離： IF-1和IF-3與小亞基結(jié)合，促進(jìn)核蛋白體大、小亞基拆離，為新一輪合成作準(zhǔn)備。,2mRNA與核蛋白體的小亞基結(jié)合 原核mRNA的起始部位由一段富含嘌呤的

18、特殊核苷酸順序組成，稱為S-D序列（核蛋白體結(jié)合位點(diǎn)，RBS）。 而原核16S rRNA存在一段富含嘧啶的序列，二者之間可通過堿基配對，使mRNA與核蛋白體小亞基結(jié)合。,3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )結(jié)合到小亞基,起始 fMet-tRNAimet以及IF2-GTP一起，識別結(jié)合小亞基P位，并對應(yīng)模板mRNA的起始密碼AUG。,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,-GDP,Pi,4. 核蛋白體大亞基結(jié)合，起始復(fù)合體形成：,IF2結(jié)合的GTP被水解，三種IF脫離，50S大亞基與30S小亞基、模板mRNA以及起始fMet-tRNAifMet構(gòu)成起始復(fù)合體。,（二）肽鏈

19、的延長 起始復(fù)合物形成后，隨即對mRNA上的遺傳密碼進(jìn)行連續(xù)地翻譯，即各種氨基酰-tRNA按照mRNA上三聯(lián)體密碼子的順序依次進(jìn)入核蛋白體上，使肽鏈延長。翻譯過程的肽鏈延長也稱為核蛋白體循環(huán)，每次循環(huán)可分為進(jìn)位（注冊）、成肽和轉(zhuǎn)位三個步驟。每循環(huán)一次，肽鏈延長一個氨基酸，如此不斷重復(fù)，直到肽鏈合成終止。這一過程需要肽鏈延長因子（EF）、GTP、Mg2和K的參與。,1. 進(jìn)位：,又稱注冊，指根據(jù)mRNA上遺傳密碼的指引，進(jìn)入核蛋白體大亞基的A位。在起始復(fù)合物中，大亞基上對應(yīng)于mRNA的第二位密碼子的A位是空著的。起始復(fù)合物形成后，由mRNA上的第二位密碼子決定的氨基酰-tRNA進(jìn)入A位，并通過其

20、反密碼子與密碼子互補(bǔ)結(jié)合。此步驟需GTP，Mg2+，和EF-T參與。,2轉(zhuǎn)肽 在大亞基上的轉(zhuǎn)肽酶的催化下，P位上的fmet-tRNAfmet中甲酰甲硫氨酸的?；D(zhuǎn)移到A位，與A位上的氨基酰-tRNA的氨基結(jié)合成第一個肽鍵，這樣就在A位上形成一個二肽酰-tRNA，P位上的tRNA隨之從大亞基上脫落下來。此時P位成為空位。成肽過程需要Mg2和K的參與。,3轉(zhuǎn)位 上述二肽形成之后，在轉(zhuǎn)位酶催化下，并在EF-G和Mg2的共同參與以及GTP供能的情況下，核蛋白體向mRNA的3端方向移動相當(dāng)于一個密碼子的距離，此時A位上的二肽酰-tRNA移至P位，A位留空，而mRNA上的第三個密碼子與空著的A位相對應(yīng)。至

21、此，第一循環(huán)完成，又回復(fù)到循環(huán)開始時的狀態(tài)，所不同的是，此時P位上由循環(huán)開始時的fmet-tRNAfmet變成了二肽酰-tRNA。接著，第三號氨基酸就按第三個密碼子的指引進(jìn)入A位注冊，開始下一輪 循環(huán)，形成三肽酰-tRNA。同樣地，按進(jìn)位-成肽-轉(zhuǎn)位循環(huán)一次，就在肽鏈上增加一個氨基酸殘基?？梢?，核蛋白體閱讀mRNA密碼子是從5向3方向進(jìn)行的，而肽鏈的合成是從N-端向C-端方向進(jìn)行的。蛋白質(zhì)多肽鏈合成的速度很快，據(jù)估算，每秒鐘可翻譯約40個密碼子，即每秒鐘可以使肽鏈延長40個左右氨基酸殘基。,核蛋白體循環(huán)的反應(yīng)過程,（三）翻譯的終止 翻譯的終止包括：終止密碼的辨認(rèn)，肽鏈從tRNA上水解釋出，mRNA脫離核蛋白體，大小亞基解聚。當(dāng)肽鏈延長直到A位出現(xiàn)終止密碼（UAA、UAG、UGA），無氨基酰-tRNA與之對應(yīng)，此時，釋放因子（RF）能識別終止密碼，進(jìn)入A位。RF與大亞基的結(jié)合，可誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶變構(gòu)，激活轉(zhuǎn)肽酶，使P位上的多肽鏈從tRNA上分離；然后由GTP供能，使