核酸的生物合成(IV).ppt
杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,生物化学,授课教师：李娟丽,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,第八章 核酸的生物合成,第一节 DNA的生物合成第二节 RNA的生物合成第三节 基因工程简介(自学）,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,第一节 DNA的生物合成,DNA是遗传信息的储存者和携带者。遗传信息在DNA中以密码（碱基排列顺序）的形式储存，表现为特定的核苷酸排列顺序。自我复制：即DNA可以以自身为模板来合成新的DNA分子，把遗传信息一代代传递下去，从而保证子代和亲代在遗传上的一致性。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,一、复制,复制：遗传信息以碱基排列顺序的方式储存在DNA分子中，以亲代DNA为模板合成子代DNA时，即将遗传信息准确地复制到子代DNA分子上，这一过程称为复制。在细胞分裂的过程中，通过DNA复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞，从而保证子代与亲代在遗传上的一致性。DNA复制方法：半保留复制（是DNA特有的生物合成方法）,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,（一）DNA的半保留复制,复制依据：DNA复制时，亲代DNA的双螺旋先行解旋和分开，然后以每条链为模板，按照碱基配对原则，在这两条链上各形成一条互补链，这样便形成了两个新的子代DNA分子。半保留复制：DNA在复制时首先两条链之间的氢键断裂两条链分开，然后以每一条链分别做模板各自合成一条新的DNA链，这样新合成的子代DNA分子中一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的，这种复制方式为半保留复制。发生部位：细胞核、线粒体、叶绿体。参与DNA复制的酶：DNA聚合酶、引物酶、DNA连接酶。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,DNA的半保留复制,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,（二）DNA的复制过程,复制的过程1.复制的起始 2.RNA引物的合成3.DNA链的合成 4.复制的终止,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,1.复制起始,复制起始点：DNA的复制都是从某一特定位置开始的，这一位置叫复制起始点。该区域一般富含A、T两种碱基。复制眼：由能识别起始点的单链结合蛋白与复制起始点相结合，然后DNA双链被解开所形成的“眼”状结构。复制叉：在复制眼的两端出现的两个叉状生长点。双向复制：即原核生物从一个固定的起始点上开始，向两个相反方向进行复制。区别：原核生物复制起始点只有一个，真核生物复制起始点有多个。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,复制起始,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,2.RNA引物的合成,引物：在每一个复制起始点，DNA的合成必须要一段RNA作为引物，即以亲代DNA的单链为模板，在引物酶（RNA聚合酶）的催化下，合成一段含有50100个核苷酸的RNA短链，方向为53，与亲代DNA单链成逆向平行。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,3.DNA链的合成,连续复制:不连续复制:冈崎片段：在以53链为模板时，在DNA聚合酶催化下所合成的不连续的DNA小片段(长度约1000-2000个核苷酸)，这些片段根据发现者命名为冈崎片段。前导链：在以35链为模板时，新生的DNA以53方向连续合成，这条新生DNA链称为前导链。后随链：在以53链为模板时，新生的DNA以35方向不连续合成，这条新生DNA链称为后随链。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,DNA的不连续复制,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,4.复制终止,DNA链的中断：当新形成的冈崎片段延长至一定长度，其上的RNA引物在核酸酶的催化下，先后被水解切除掉。DNA链的连接：引物脱落后所留下的缺口，在DNA聚合酶催化下，用脱氧核苷酸配对填补上，再由DNA连接酶催化，把各短片段连接起来，并修复掺入DNA链的错配碱基。这样以两条亲代DNA链为模板，各自形成了一条新的DNA互补链，构成了两个DNA双螺旋分子，每个分子中一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,二、逆转录作用,1.逆向转录,2.逆转录酶：催化逆转录反应的酶。,3.病毒逆转录的过程：以病毒RNA为模板，在逆转录酶和tRNA引物的作用下，合成RNA-DNA杂合链，随后以新合成的DNA链为模板形成DNA-DNA双链，同时降解释放出RNA链；新合成的DNA双链转入细胞核内，进入宿主细胞，并随寄主DNA一起复制传递至子代细胞。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,三、突变,突变：DNA分子中的核苷酸序列发生突然而稳定的改变，从而导致DNA的复制以及后来的转录和翻译产物随之发生变化，表现出异常的遗传特性，称为DNA的突变。突变的方式：1.碱基置换突变：由一个错误的碱基对替代一个正确的碱基对的突变叫碱基置换突变。2.插入突变：基因中插入一个或几个碱基对，会使DNA的阅读框架（读码框）发生改变，导致插入之后的所有密码子都跟着发生变化，结果产生一种异常的多肽链。3.缺失突变：基因中缺失一个或几个碱基对，会使DNA的阅读框架（读码框）发生改变，导致缺失部位之后的所有密码子都跟着发生变化，结果产生一种异常的多肽链。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,三、突变,自发突变：在自然条件下发生的，由生物体内固有的诱变剂引发的突变叫自发突变。诱发突变：由人工利用物理因素或化学药剂诱发的突变叫诱发突变。诱变剂：凡能提高突变率的任何理化因子都可称为诱变剂。常见的诱变剂：碱基类似物、亚硝酸、羟胺、紫外线、X 射线、射线、热处理等，还有一些来自于其他微生物的 DNA 片段、转座子等生物因子等都可诱发突变。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,DNA突变的类型,野生型基因,碱基对的置换,移码突变,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,四、DNA的损伤与修复,DNA分子的损伤：由于复制差错或某些理化因子，如紫外线、电离辐射和化学诱变剂等，引起生物突变和致死的作用，造成DNA分子结构和功能的破坏，称为DNA分子的损伤。紫外线对DNA分子损伤机理：紫外线主要作用在DNA上,因为用波长260nm紫外线照射细菌时,杀菌率和诱变率都有最强,而这个波长正是DNA的吸收峰。紫外线照射后使同一链上的两个邻接嘧啶核苷酸的共价联结,形成胸嘧啶二聚体（TT）、胞嘧啶二聚体腺(CC）以及胞嘧啶和胸嘧啶二聚体（CT）。这些嘧啶二聚体使双螺的两链的键减弱，使DNA结构局部变形，严重影响照射后DNA的复制和转录。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,DNA损伤修复的途径,（1）光修复：在损伤部位就地修复；（2）切除修复：取代损伤部位；（3）重组修复：越过损伤部位而进行修复。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,光修复,细菌经紫外线照射后，细胞内的光复合酶与紫外线照射所形成的嘧啶二聚体结合，形成酶和DNA 的复合物，但不能解开二聚体。修复机理：这时用可见光照射，使光复活酶激活，并利用可见光提供的能量，使二聚体解开成为单体，同时酶从复合物中释放出来，使DNA恢复正常。局限性：是一种高度专一的修复形式，只分解由于UV照射而形成的嘧啶二聚体。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,切除修复（暗修复）,这是一种比较普遍的修复机制，该修复过程具有更重要的意义，它并不表示修复过程只在黑暗中进行，而只是说，光不起任何作用。切除修复：即在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤的含 有二聚体的DNA 部分切除掉，然后通过新的核苷酸链的再合成切去的部分，所以又叫做切除修复。切除修复方式：一是先补后切，一是先切后补。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,重组修复（复制后修复）,重组修复：受损伤的DNA在进行复制时，跳过损伤部位，在子代DNA链与损伤相对应部位出现缺口。通过分子间重组，从完整的母链上将相应的碱基顺序片段移至子链的缺口处，然后再用DNA聚合酶和连接酶作用修复母链的空缺，此过程即重组修复。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,知识点,1.突变的方式2.DNA修复的方式3.转录与逆转录4.复制及其过程5.复制眼、复制叉6.连续复制、不连续复制7.前导链、后随链8.冈崎片断,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,第二节 RNA的生物合成,一、RNA的转录二、转录后加工三、RNA的复制,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,一、RNA的转录,转录：在生物细胞内以DNA为模板合成与DNA某段核苷酸顺序相对应的RNA分子，将遗传信息传递到RNA分子的过程，称为转录。转录的不对称性：在转录过程中，DNA的二条链中仅有一条链可作为转录的模板，这称为转录的不对称性。模板链：在转录过程中，DNA的二条链中用作模板的链称为模板链或反意义链。编码链：模板链互补的另一条链称为编码链或有意义链。转录方向：即RNA延伸方向53（见图8-8）转录部位：原核生物在含有DNA的拟核区 真核生物在细胞核（mRNA和tRNA在核质中，rRNA在核仁中),杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,编码链5-CCAGCCCGCCTAATGAGCGGGCTTTTTTTTGAACAAAA-3 模板链3-GGTCGGGCGGATTACTCGCCCGAAAAAAAACTTGTTTT-5RNA链 5-CCAGCCCGCCUAAUGAGCGGGCUUUUUUUUOH3,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,RNA聚合酶（转录酶),RNA聚合酶:以NTP为底物，以DNA为模板，按碱基配对规律，催化合成与DNA链互补的RNA链。RNA聚合酶结构：其活性形式为全酶，由5种不同的多肽链构成，按分子量大小排列分别为(155000)，(151000)，(7000)，(36500)和(11000)。核心酶：除了因子以外的亚基，用于催化RNA链的合成。因子的作用：就是识别转录的起始位置，并使RNA聚合酶结合在启动子部位。,亚基组成：a2bbws a2bbw+s 全酶 核心酶,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,真核细胞的三种RNA聚合酶,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,RNA的转录过程,1.转录的起动2.RNA链的延长3.转录的终止,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,1.转录的起动,与DNA合成的区别之一：RNA的合成不需要引物。转录起始点的识别：全酶中的亚基会选择正确的起点，RNA聚合酶先与DNA模板上的特殊启动子部位结合，使DNA双链打开。三元起始复合物：第一个核苷三磷酸结合到转录起始位点，便形成了启动子、全酶和核苷三磷酸复合物称为三元起始复合物，第一个核苷酸掺入的位置称为转录起始点。这时亚基被释放脱离核心酶。磷酸二酯键形成：第二个核苷酸进入，连接到第一个核苷酸的3羟基上，形成了第一个35-磷酸二酯键。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,2.RNA链的延长,从起始到延伸的转变过程，核心酶与DNA的结合松弛，核心酶可沿模板移动，并按模板序列选择下一个核苷酸，将核苷三磷酸加到生长的RNA链的3-OH端，催化形成磷酸二酯键。转录延伸方向：沿DNA模板链的35方向按碱基配对原则向53方向延长。原料：ATP、GTP、CTP、UTP4种三磷酸核苷酸,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,3.转录的终止,终止子：在DNA分子上具有使RNA聚合酶停止合成RNA和释放RNA链的特殊碱基顺序称为终止子。这些终止信号有的能被RNA聚合酶自身识别，而有的则需要有因子的帮助。因子：一个分子量很大的四聚体蛋白质，它能与RNA聚合酶结合但不是酶的组分。它的作用是识别终止信号并阻止RNA聚合酶向前移动，于是转录终止，并释放出已转录完成的RNA链。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,二、转录后加工,转录后加工：在转录中新合成的RNA往往是较大的前体分子，需要经过进一步的加工修饰，才转变为具有生物学活性的、成熟的RNA分子，这一过程称为转录后加工。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,rRNA前体的加工,1.剪切作用：需核酸酶参与。2.甲基化修饰：修饰在碱基上。3.自我剪接：一种核酶的作用。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,tRNA前体的加工,1.切除多余的核苷酸：RNase 切除5 端和3端多余的核苷酸；2.3末端加-CCA：在核苷酸基转移酶催化下完成3末端添加CCA。3.修饰:修饰包括甲基化,脱氨基,还原反应等。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,mRNA前体的加工,原核生物mRNA前体的加工：原核生物转录生成的初级转录本mRNA不需经过复杂的加工就表现有活性。真核生物mRNA前体的加工：要经过较复杂的过程，包括 5末端加帽：在甲基转移酶作用下，由腺苷蛋氨酸(SAM)提供甲基，在鸟嘌呤的N-7上甲基化，然后在连接于鸟苷酸的第一个（或第二个）核苷酸2OH上又进行甲基化，最后成为m7GpppNmp，这就是帽子生成。3端加尾：是先要在mRNA前体的3末端1130核苷酸处有一段AAUAA保守序列，核酸内切酶催化切除多余的核苷酸。随后，在多聚A聚合酶催化下，发生聚合反应形成了3末端多聚A尾。剪接作用：在核酸内切酶作用下剪切掉内含子；然后在连接酶作用下，将外显子各部分连接起来，成为成熟的mRNA。核苷酸编辑：即在转录产物中插入、删除或取代一些核苷酸残基，生成具有正确翻译功能的模板，甲基化修饰。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,三、RNA的复制,RNA的复制：RNA病毒的遗传信息全部储存在RNA分子中，它能通过复制合成与其自身相同的分子，这种以RNA作为模板复制RNA分子的过程称为RNA的复制。噬菌体RNA的复制：RNA病毒的繁殖方式：一是以病毒RNA直接作为复制的模板；二是以病毒RNA为逆转录为DNA，然后从DNA转录出病毒RNA。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,比较转录和复制的异同点,相同点：都以DNA为模板；遵循碱基互补配对原则。不同点：1.模板不同：转录以DNA单链为模版而复制以双链为模板 2.底物不同：复制是dATP、dGTP、dCTP、dTTP转录，ATP、GTP、CTP、UTP 3.引物不同：转录无引物；复制以一段特异的RNA为引物 4.酶体系不同：转录用的是RNA聚合酶，复制用的是DNA聚合酶、引物酶和DNA连接酶。5.碱基配对不完全一样：转录中A对U，而复制中A对T,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,知识点,1.DNA生物合成的方式？2.半保留复制、前导链、后随链、冈崎片断？3.DNA突变及其主要方式？4.引起DNA突变的理化因素通常有哪些？5.DNA分子的损伤及其修复方法?6.RNA生物合成的方式？7.什么是模板链、编码链？8.RNA聚合酶的结构和功能？什么是因子？9.复制和转录的区别？10.什么是转录后加工？,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,1.半保留复制2.复制叉3.逆转录4.冈崎片断5.突变6.修复7.损伤8.有意义链,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,1.突变的方式有（）、（）和（），引起突变的物理因素有（），化学因素有（）。2.RNA聚合酶是由（）和（）可逆结合组成。因子的作用是（），因子的作用是（）。3.病毒不含（），只含（），不能独立生活，只能依赖于（）繁殖。4.真核细胞RNA是在（）中进行转录，mRNA和tRNA是在（）被转录，rRNA是在（）被转录。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,1.DNA的生物合成主要是通过（）A.半保留复制 B.逆转录 C.连续复制 D.不连续复制2.下列关于RNA转录的叙述错误的是（）A.转录是以DNA为模板B.转录是以mRNA为模板C.真核细胞是在细胞核中进行转录D.DNA双链只有一条链被作为转录模板3.下列关于核酸的叙述正确地是（）A.核酸是遗传物质 B.核酸是生命的表现者和执行者C.核酸是营养物质 D.核酸只存在于细胞核中,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,1.DNA复制分为哪几个步骤？2.DNA损伤后有哪些修复步骤？3.简述RNA的转录过程。4.举例说明遗传与变异之间的关系。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,遗传与变异的关系,遗传与变异的关系是矛盾的对立统一关系。由于遗传而确保了生物和人类种族的稳定性和世代延续性，是相对“不变”的；而变异是绝对的“变”，它使生物或人类原有的特性发生改变，从而产生出新的生物性状或类型，为生物或人类的进化与发展提供动力。没有变异，遗传只能是简单的重复，生物和人类就无法进化。因此，在维持物种的稳定性上，遗传与变异是对立的。然而，没有遗传，变异就不能积累，新的变异就失去了意义，生物和人类同样也不能进化。所以，在进化方面，遗传和变异又是统一的。正确认识遗传与变异的关系，深入研究其实质和规律，并以此来能动地改造生物和人类自身，使遗传学更好地服务于人类,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,3大肠杆菌RNA聚合酶全酶由（）组成；核心酶的组成是（）。参与识别起始信号的是（）因子。4基因有两条链，作为模板指导转录的那条链称（）链。5以RNA为模板合成DNA称（），由（）酶催化。7基因突变形式分为：（）（）（）。9所有冈崎片段的延伸都是按（）方向进行的。10前导链的合成是（）的，其合成方向与复制叉移动方向（）；随后链的合成是（）的，其合成方向与复制叉移动方向（）。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,2参加DNA复制的酶类包括：（1）DNA聚合酶；（2）解链酶；（3）DNA聚合酶；（4）RNA聚合酶（引物酶）；（5）DNA连接酶。其作用顺序是：A（4）、（3）、（1）、（2）、（5）B（2）、（3）、（4）、（1）、（5）C（4）、（2）、（1）、（5）、（3）D（4）、（2）、（1）、（3）、（5）E（2）、（4）、（1）、（3）、（5）,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,在DNA真正能够开始复制之前，必须由解链酶使DNA双链结构局部解链。在每股单链DNA模板上，由RNA聚合酶（引物酶）催化合成一小段（大约1050个核苷酸）互补RNA引物。然后由DNA聚合酶向引物3端加入脱氧核苷5三磷酸，从53方向合成DNA片段（冈崎片段），直至另一RNA引物的5末端。接着在DNA聚合酶的作用下将RNA引物从5端逐步降解除去与之相邻的DNA片段由3端延长，以填补RNA除去后留下的空隙。最后由DNA连接酶将DNA片段连接成完整连续的DNA链。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,5DNA复制时，5TpApGpAp3序列产生的互补结构是下列哪一种：A5TpCpTpAp3 B5ApTpCpTp3C5UpCpUpAp3 D5GpCpGpAp3 E3 TpCpTpAp5 注意：DNA复制必需胸腺嘧啶（T）与腺嘌呤（A）配对，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）配对，从而使双螺旋两链之间部分地靠氨基与酮基间形成的氢键维系起来。链本身是反向平行方向合成的，即题中所述之磷酸二酯键的53顺序决定其沿35方向互补。,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,18关于DNA指导的RNA合成，下列叙述哪一项是错误的：A只有在DNA存在时，RNA聚合酶才能催化磷酸二酯键的生成B转录过程中，RNA聚合酶需要引物CRNA链的合成是从53端D大多数情况下只有一股DNA链作为模板E合成的RNA链从来没有环状的,杨凌职业技术学院生物工程系http:/,Biochemistry,19下列关于因子的叙述哪一项是正确的：A是RNA聚合酶的亚基，起辨认转录起始点的作用B是DNA聚合酶的亚基，容许按53和35双向合成C是50S核蛋白体亚基，催化肽链生成D是30S核蛋白体亚基，促进mRNA与之结合E在30S亚基和50S亚基之间起搭桥作用，构成70S核蛋白体,
