生物化学第十二章核酸的生物合成.ppt
第十二章 核酸的生物合成,核苷酸,磷酸,戊糖(核糖、脱氧核糖),碱基（A、G、C、T/U）,核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是核苷酸。,DNA是基因遗传与表达的载体，是生物的主要遗传物质。,DNA的一级结构是指脱氧核苷酸之间的连接方式和排列顺序。连接方式：3，5-磷酸二酯键。,DNA的二级结构,1953年，Watson和 Crick 提出了著名的DNA双螺旋结构模型。,RNA是DNA的局部转录产物，RNA为单链分子，以3，5-磷酸二酯键相连。,根据RNA的功能，可以分为mRNA、tRNA 和 rRNA 三种。mRNA:编码氨基酸 t RNA:转运氨基酸 r RNA:构成蛋白质合成场所（核糖体）,复制,转录,翻译,逆转录,复制,1958年Crick提出中心法则(central dogma)，1971年完善。,中心法则揭示了生物体内遗传信息的传递方向。,遗传信息的传递包括：1.复制(replication)：以原DNA分子为模板，合成出相同DNA分子的过程。2.转录(transcription)：生物的遗传信息从DNA传递给mRNA的过程。3.翻译(translation)：根据mRNA链上的遗传信息合成蛋白质的过程。,核酸的生物合成包括：DNA的生物合成：DNA复制和逆转录 RNA的生物合成：转录和RNA复制,第一节 DNA的生物合成,1953年，Watson和Crick在提出DNA双螺旋结构模型时就推测DNA可能按照半保留机制进行自我复制。,一、DNA的复制,、DNA的半保留复制,半保留复制（semiconservative replication）在复制过程中，首先亲代双链解开，然后每条链作为模板，在其上合成互补的子代链，结果新形成的两个子代DNA与亲代DNA分子的碱基顺序完全一样，而且每个子代DNA分子中有一条链完全来自亲代DNA，另一条是新合成的。,1958年，Meselson和Stahl用15N标记E.coli.DNA，用密度梯度离心试验证明了DNA的复制是半保留复制。,半保留复制具有重要的生物学意义，DNA分子以半保留方式进行复制，亲代DNA分子中的一条链保留在子代DNA分子中，可使遗传信息准确的传递给子代细胞，保持其相对稳定性而不致发生进化上不能忍受的变化。,DNA聚合酶 DNA模板（反转录时用RNA模板）引物（DNA或RNA，提供游离3-OH）4种dNTP Mg2+,、大肠杆菌DNA聚合酶及其它复制相关的蛋白,1.DNA聚合发生的条件,目前已发现30多种酶及蛋白质因子参与DNA复制，DNA生物合成方向为53。,n1dATP+n2dGTP+n3dCTP+n4dTTP,DNA+（n1+n2+n3+n4）PPi,模板DNA,Mg2+,DNA聚合酶,2.原核生物DNA聚合酶的种类,DNA聚合酶,5，3，聚合酶活性：只能将脱氧核苷酸加于已存在的DNA或RNA链的3-OH 上，不是主要的聚合酶。3，5，外切酶活性：只对单链，起校对功能。5，3，外切酶活性：对双链，损伤修复作用，及切除RNA引物并填补其留下的缺口。,单体酶，分子量109Kd，含一个Zn2+，催化活性：,5 3 聚合酶,模板链,新生链,C(unable to pair with A),C removed,3 5 外切酶活性,5，3，外切酶活性,Arthur Kornberg won the 1959 Nobel Prize in Medicine for his discovery of the mechanism in the biological synthesis of deoxyribonucleic acid(before Watson and Crick won theirs!),DNA聚合酶（含量很少，忽略不计）,单体酶，分子量120Kd。催化活性：53聚合(活性很低)；3 5 外切。,寡聚酶，全酶由10种共22个亚基组成，、和三种亚基组成核心酶。催化活性：5 3 聚合酶活性：是主要的聚合酶 3 5 外切酶活性 5 3 外切酶活性,DNA聚合酶（主要作用的聚合酶）,3.其它主要蛋白,DNA旋转酶（gyrase）（剪断一小段再连接起来）,又称拓扑异构酶，有内切酶和连接酶活力，使DNA正超螺旋的紧张状态变为松弛状态。,解链酶（helicase）（解开氢键，）,使DNA双螺旋结构变成单链,单链结合蛋白（SSB）,结合在单链上，防止解开的单链DNA重新形成双链。,引物酶（primerase）,以DNA为模板，以4种核糖核苷酸（NTP）为底物，合成一小段RNA作为DNA复制的引物。引物的3-OH端是DNA聚合酶发挥活性所必需的。,催化DNA双链中的一条单链切口处游离的3-OH末端和5磷酸基末端形成 3,5-磷酸二酯键。,DNA连接酶（ligase）,4.原核生物DNA复制过程,DNA复制的起始,大肠杆菌复制原点起始复制所需蛋白质：dnaA 在原点处打开双螺旋 dnaB 使DNA解旋 引物酶 合成RNA引物 SSB 结合单链DNA 旋转酶 松驰DNA扭曲应力,20个DnaA结合在四组9bp重复区，形成起始复合物，DNA环绕此复合物。三组13bp重复区依次变性，产生开放型复合物。DnaB（在DnaC协助下）与开放复合物结合，进一步解链。,DNA的复制只能从一个特定位点开始，称为原点（origin），从原点开始同时向DNA链的两个方向进行，在复制的部分同时进行解链与合成，结果形成一个分叉，称为复制叉（replication fork），又称复制眼（replication eye）。,DNA复制的延长,滞后链合成的模板形成环，复制叉上的二聚体DNA聚合酶全酶同时合成两条子链。,前导链(leading strand):以亲代3 5 链为模板，子代能 连续合成。滞后链(lagging strand):以5 3为模板，不能连续合成。冈崎片段(Okazaki fragment):滞后链上的小片段。,半不连续复制（semidiscontinuous replication）：DNA复制过程中，新生的DNA链一条按5 3 方向（与复制叉移动方向一致）连续合成，另一条按5 3 方向（与复制叉移动方向相反）不连续合成。,4.DNA聚合酶,1.解链酶,2.单链结合蛋白,前导链,冈崎片段,3.引物酶,5.聚合酶,6.连接酶,复制叉,引物,DNA复制的终止,大肠杆菌环状DNA复制叉相遇即终止,DNA旋转酶引入负超螺旋，消除复制叉前进时带来的扭曲张力。DNA解链酶解开双链DNA。SSB结合于DNA单链。DNA引物酶(在引发体中)合成RNA引物。DNA 聚合酶在两条新生链上合成DNA。DNA 聚合酶切除RNA引物，并补上DNA。DNA ligase连接一个冈崎片段。,小 结,逆转录（reverse transcription）：以RNA为模板合成DNA的过程，与通常转录过程中遗传信息流从DNA到RNA的方向相反。,二、逆转录作用,逆转录酶（reverse transcriptase）：催化逆转录反应的酶。,许多具有RNA基因组的病毒含有这种酶，故这类病毒又称为逆转录病毒（retrovirus）。它们多是致癌病毒。,逆转录酶具有3种活性：,依赖RNA的DNA聚合酶活性,RNase H（核糖核酸酶H）活性,依赖DNA的DNA聚合酶活性,cDNA,反转录酶存在于所有致癌RNA病毒中，它的存在与RNA病毒引起细胞恶性转化有关。,艾滋病毒（AIDS）人类免疫缺陷病毒（HIV），也是一种反转录病毒，主要感染T4淋巴细胞和B淋巴细胞。,一些物理化学因子如紫外线、电离辐射和化学诱变剂均可引起DNA损伤，破坏其结构与功能。然而在一定条件下，生物机体能使这种损伤得到修复。,三、DNA的损伤、修复和突变,紫外线可使DNA分子中同一条链上两个相邻的胸腺嘧啶碱基之间形成二聚体（TT），两个T以共价键形成环丁烷结构。CT、CC间也可形成少量二聚体（CT、CC），使复制、转录受阻。,、DNA损伤,、DNA修复系统,细胞内具有一系列起修复作用的酶系统，可以除去DNA上的损伤，恢复DNA的双螺旋结构。目前已知有4种酶修复系统：光复活、切除修复、重组修复、SOS 修复，后三种不需要光，又称为暗修复。,1.光复活,可见光（400500 nm）可激活光裂合酶，此酶能分解由于紫外线形成的嘧啶二聚体。,2.切除修复,切开,切除,修复,连接,3.重组修复,切除修复发生在DNA复制之前，而当DNA发动复制时尚未修复的损伤部位，可以先复制，再重组修复。,4.SOS 修复,避免差错的修复（error free repair）：光复合、切除修复及重组修复对DNA损伤的修复都不导致DNA突变。倾向差错的修复（error prone repair）：SOS修复。在DNA损伤后，DNA复制过程以脱氧核苷酸的聚合发生差错为代价，强行合成完整子代链的一种挽救性修复。,光复合是利用光能，其余均利用ATP水解所释放的能量。光复合和切除修复是修复模板链；重组修复不是对损伤链直接修复，而是形成一条新的正常模板链。SOS修复是导致突变的修复。,、DNA突变,不能修复的损伤或修复过程带来的差错，将引起DNA序列的永久性改变。,突变有三种形式：置换、插入、缺失,DNA复制的真实性？生物体DNA复制具有高度真实性，复制108-1010碱基对，只有一个错误碱基。,聚合酶反应本身具有超常的忠实性 聚合酶、的3 5外切酶功能 dNTP的平衡 DNA的损伤修复系统 RNA引物的使用,第二节 RNA的生物合成,RNA的生物合成包括转录和RNA的复制,转录,复制,细胞内的各类RNA，包括mRNA、rRNA和tRNA，都是以DNA为模板，在RNA聚合酶的催化下合成的。此外，除逆转录病毒，其它的RNA病毒均以RNA为模板进行复制。,一、转录,转录（transcription）：以一段DNA的遗传信息为模板，在RNA聚合酶作用下，合成出对应的RNA的过程，或在DNA指导下合成RNA。,转录单位：RNA的转录是从DNA反义链上的一个特定位点开始，延伸到另一个位点处终止，此转录区域称为转录单位。,一个转录单位可以是一个基因（真核），也可以是多个基因（原核）。,转录单位的起点核苷酸为+1，起点右边为下游（转录区）；转录起点左侧为上游，用负数表示：-1，-2，-3,反义链（antisense strand）：转录的模板链，也可表示为负（-）链。正义链（sense strand）：编码链，也可表示 为正（+）链,（-）,（+）,RNA的转录只涉及DNA一条链的某一区段，故又叫不对称转录。,RNA合成的反应基本特征：RNA聚合酶 底物：NTP（ATP、GTP、CTP、UTP）DNA模板 不需要引物 RNA链生长方向：53,转录与DNA复制的异同：,相异：复制需要引物，转录不需引物。转录时，模板DNA的信息全保留，复制时模板信息是半保留。转录时，RNA聚合酶只有53聚合作用，无53及35外切活性。,相同：新链延伸方向53；延长时3,5-磷酸二酯键相连；焦磷酸水解放出能量推动合成反应。,、原核生物RNA聚合酶的结构与特性,大肠杆菌 RNA聚合酶全酶（holoenzyme）分子量50万Da，由五个亚基组成，a2bb s，另有两个Zn2+。无亚基的酶叫核心酶，核心酶只能使已开始合成的RNA链延长，而不具备起始合成活性，加入亚基后，全酶才具有起始合成RNA的能力，因此，亚基称为起始因子。,与DNA上启动子结合,催化中心,起始识别因子；一个细胞的因子的匹配决定着哪些基因被转录,RNA聚合酶没有校对功能，即没有53及35外切活性，因此，转录产物的序列忠实性大大低于复制（104）。但由于基因的重复转录，且遗传密码的简并性。所以RNA合成的低忠实性是可以容忍的。,基因的重复转录,、原核生物RNA的合成过程,转录的起始由DNA上的启动子区控制，转录的终止由DNA上的终止子控制，转录是通过DNA指导的RNA聚合酶来实现的。,启动子（promoter）：RNA聚合酶识别、结合并开始转录所必需的一段DNA序列。,-35序列,-10序列,(Pribnow box),1.亚基使RNA聚合酶识别启动子,-35序列提供RNA聚合酶识别信号-10序列有助于DNA局部双链解开,起始过程中，因子起关键作用，它能使聚合酶迅速地与DNA的启动子结合。,开放复合物,2.转录的起始,转录起始后，亚基释放，离开核心酶，使核心酶的亚基构象变化，与DNA模板亲和力下降，在DNA上移动速度加快，使RNA链不断延长。,3.转录链的延长,转录泡,模板链,编码链,正超螺旋,负超螺旋,4.转录链的终止,许多转录过程可被基因末端的一段特异的碱基序列所终止。提供转录停止信号的DNA序列称为终止子（terminator）。,所有原核生物的终止子在终止点之前都有一个回文结构，它转录出来的RNA可以形成一个颈环式的发夹结构。,发夹结构,十字形结构,不依赖于的终止子（简单终止子）简单终止子除具有发夹结构外，在终止点前有一寡聚U序列；回文对称区通常有一段富含GC的序列。,RNA的终止有两种方式：,依赖的终止子 依赖的终止子，必需在因子存在时，才发生终止作用。因子又称终止因子，可水解三磷酸核苷。,回文序列,茎环结构,寡聚U序列,不依赖于的终止子,依赖的终止子,转录终止后，RNA聚合酶从DNA链上脱离下来。,、真核生物RNA合成的特点,1.真核生物的RNA聚合酶,2.真核细胞新生RNA的加工,RNA聚合酶合成的原初转录产物（primary transcript），要经过剪切、修饰、拼接等过程，才能转变成成熟的RNA分子，此过程称RNA转录后的加工。,二、RNA的复制,有些RNA病毒，进入寄主细胞后，借助复制酶而进行RNA病毒的复制。RNA病毒的RNA复制酶具有很强的模板特异性，只识别病毒自身的RNA，它以病毒RNA为模板，合成与模板性质相同的RNA。,1、正链RNA病毒（mRNA）：噬菌体Q、灰质炎病毒等 进入寄主细胞后，利用寄主的翻译系统，首先合成复制酶及有关的蛋白质，然后进行病毒RNA的复制，最后由病毒RNA和蛋白质装配成病毒颗粒。,2、负链RNA病毒（带有复制酶）：狂犬病毒等 此类病毒带有复制酶，侵入后，复制酶首先合成出正链RNA（mRNA），再以正链RNA为模板，合成负链RNA及蛋白质，然后装配。,RNA病毒的复制方式：,3、双链RNA病毒（带有复制酶）：呼肠孤病毒等 以双链RNA为模板，在复制酶作用下先转录正链RNA（mRNA），从而翻译出蛋白质，然后合成负链RNA，形成双链RNA，再包装。,4、反转录病毒（含反转录酶）：白血病病毒、肉瘤病毒等致癌RNA病毒 正链RNA病毒，它们的复制需要经过DNA前病毒阶段。,1.名词解释,半保留复制、半不连续复制、复制子、冈崎片段、前导链、随后链、逆转录、转录、启动子、终止子、hnRNA,3.简述原核生物RNA转录的过程？,4、比较DNA复制与RNA转录的异同？,2.试述参与原核生物DNA复制的酶及蛋白因子，并说明功能。,
