生物化学DNA复制、转录、翻译.ppt

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1、遗传信息的传递,DNA、RNA、蛋白质的生物合成,中心法则,第一节 DNA的生物合成 DNA的复制,-概念：,-时期：,以亲代DNA分子为模板，合成子代DNA分子的过程。,-场所：,有丝分裂间期、减数第一次分裂间期,细胞核(主要)、叶绿体、线粒体,-碱基互补配对原则：,AT GC,第一节 DNA的生物合成 DNA的复制,-原料：,四种 dNTP：dATP、dTTP、dGTP、dCTP,（dNMP）ndNTP（dNMP）n+l ppi,3,5-磷酸二酯键,3,5,一、DNA复制的特点,1、半保留复制,3、半不连续复制,2、DNA复制的起点和方向,1、DNA的半保留复制,亲代DNA,子代,子代,(

2、1)“半保留复制假说”的提出：1953年，Watson&Crick在DNA双螺旋基础上提出。,科学家提出的三种DNA复制模型,(2)“半保留复制假说”的实验证明：,将E.Coli培养在以15NH4Cl为唯一氮源的培养基中生长；提取其DNA 进行密度梯度离心。再移至14N培养基中生长；在不同时期提取DNA，进行密度梯度离心。,Meselson和Stahl 实验,Meselson和Stahl 实验,2、DNA复制的起点和方向,复制的起始点：DNA复制要从DNA分子的特定部位开始。原核生物中DNA(环形)的复制只有一个起始点。真核生物染色体DNA(线形)的复制有多个起始点。,DNA的双向复制：,DN

3、A从起始点向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉。,原核生物的双向复制,真核生物的双向复制,3、半不连续复制,体内仅存在5 3的DNA聚合酶；新链延伸的方向只能是53。,前导链：以35方向的母链作为模板，新合成的以53为方向连续合成的链。（复制方向与解链方向一致）,随从链(滞后链):以53方向的母链作为模板，沿53方向合成一些10002000个核苷酸不连续的小片段，由小片段连接成随从链。（复制方向与解链方向相反),冈崎片段：以53方向的母链作为模板，沿53方向合成的一些10002000个核苷酸不连续的小片段。,半不连续复制：领头链连续复制而随从链不连续复制。,二、参与DNA复制的酶和蛋白

4、质,1、原核生物的DNA聚合酶2、真核生物的DNA聚合酶3、解链、解旋酶类4、DNA拓扑异构酶5、引发体6、DNA连接酶,DNA聚合酶5 3外切酶 3 5外切酶 5 3聚合酶,DNA聚合酶与5 3聚合酶 3 5外切酶,1、原核生物的DNA聚合酶,DNA聚合酶 DNA 复制的主要酶。DNA聚合酶用于切除RNA引物，损伤后修复。DNA聚合酶只是在无pol I及pol 的情况下才起作用。,3 5 5 3 外切酶 聚合酶,N,C,5 3外切酶,小片段,大片段（klenow片段）,（常用的工具酶）,DNA聚合酶,DNA聚合酶的校对作用,依赖于3个聚合酶的3末端外切酶活性，进行校对和纠错。多种蛋白质参与，

5、从而保证了复制的准确性。,2、真核细胞的DNA聚合酶,DNApol，DNApo1：延长领头链和随从链；DNApoI：合成RNA引物；DNApol：校读、修复和填补缺口。DNApol：在没有其他DNApol时发挥催化功能。DNApo1：催化线粒体DNA的合成。,4、解链、解旋酶类,DNA解链酶单DNA结合蛋白(SSB）,解开DNA双链每个bp消耗2个ATP与单链DNA结合,维持单链状态(“镇纸”)使其不受核酸酶水解，保持完整性。,拓扑异构酶 转轴酶拓扑异构酶 旋转酶,切断DNA双螺旋中的一股，张力下降后封闭。切断DNA双链，使另一双链经过此缺口，再封闭。,4、DNA拓扑异构酶,改变DNA分子构象

6、，理顺DNA链，使复制能顺利进行。,5、引发体,蛋白质DnaA蛋白DnaB蛋白引物酶,结合到DNA双链复制起始部位 解链酶的作用合成RNA引物,RNA引物的合成和复制的起始必需。,6、DNA连接酶,催化二段DNA链之间3,5 磷酸二酯键的形成,3OH,5,5,3,OO-P O O-,有缺口的DNA链,DNA连接酶,ATP,AMP+PPi,OO P O O-,5,3,缺口封闭,缺口填补:连接双股DNA分子中一链的缺口双链DNA分子中双链的缺口不能连接二分子单链DNA,DNA连接酶的应用:1.岗崎片段之间的连接.2.DNA损伤修复中的连接.3.一种重要的工具酶:限制性内切酶切割后形成的粘性末端或平

7、头末端的连接.,三、原核细胞DNA的复制,1、合成所需材料：模板DNA原料：合成引物所需NTP 合成DNA所需的dNTP酶：2、合成方向：53；模板链解读方向：3 5,3、合成步骤：,(1)解旋：由拓扑异构酶解除超螺旋；(2)解链：由DNA解螺旋酶催化，SSB与单链DNA结合，防止双链间氢键再形成；(3)识别起点：由DNA指导的引物酶完成；(4)RNA引物合成：以DNA为模板，在引物酶催化下由DNA转录生成5-10个核糖核苷酸链；(5)DNA链延长：在引物3-OH基上，按碱基互补原则经DNA聚合酶（主要是酶）催化DNA链从53延伸。前导链为连续的；后滞链为不连续的冈崎片段。,(6)切除引物，补

8、齐缺口：由DNA聚合酶（主要是酶）催化，切去RNA引物；按碱基互补原则，沿53方向，补齐缺口。(7)连接封口：由DNA连接酶催化，将补齐缺口的3-OH基与下一个冈崎片段的5-P以磷酸二酯键连接起来，最终形成完整的、与模板互补的DNA新链。(8)校正并修复DNA：由DNA聚合酶校正并切除错配，再按53方向加上正确核苷酸。,4）母本DNA双链的分离,四、真核细胞DNA的复制：,1、DNA模板上有多个起点，即真核细胞 DNA复制由多个复制子共同完成。,真核生物与原核类似，但更复杂，不同之处：,复制子,2、端粒的复制：,端粒：线形染色体末端的核苷酸序列。,染色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物，去

9、除后留下空隙。留下的空隙如没法填补，细胞染色体DNA将面临复制一次就缩短一些的问题。事实上染色体虽经多次复制，却不会越来越短的。因为真核生物染色体线性DNA分子末端存在着特殊的结构称为端粒。,端粒酶：催化端粒复制的一种RNA-蛋白质复合物，携带RNA模板（与端粒互补）的逆转录酶。功能：1）起模板作用；2）有逆转录酶的作用。,端粒复制:,1）借RNA与末端DNA互补；2）以酶上RNA为模板合成一段DNA；3）延长的DNA反折为双链。是不依赖模板DNA的复制来补偿切除引物引起的末端缩短。,端粒、端粒酶意义,与细胞衰老、凋亡有关；端粒的平均长度随细胞分裂次数的增多及年龄的增长而逐渐变短至消失，可导致

10、染色体稳定性下降，导致细胞衰老凋亡。正常：体细胞端粒酶活性丧失，端粒的长度不断缩短。异常：肿瘤细胞端粒酶活性恢复，端粒复制，细胞恶性增殖抑制端粒酶活性可防治肿瘤。,转录的产物：,第二节 RNA的生物合成 转录,转录：DNA指导下的RNA合成。,转录的场所：,信使RNA（mRNA）核糖体RNA（rRNA）转运移RNA（tRNA）,转录的原料：,（NMP）nNTP（NMP）n+l ppi,四种 NTP：ATP、UTP、GTP、CTP,细胞核,均以DNA为模板；都是生成3，5 磷酸二酯键；合成的方向都是5 3；遵从碱基配对规律。,一、转录与DNA复制的相似之处：,复制和转录的区别,二、转录的模板：,

11、模板链：DNA双链中只一条链可做转录模板，又称为“Watson链”。编码链：无转录功能的DNA链，又称为“Crick链”。二者可在同一条链上。,转录是以结构基因作为单位的。,5GCAGTACATGTC 3,3 c g t g a t g t a c a g 5,5GCAGUACAUGUC 3,NAla Val His Val C,编码链,模板链,mRNA,蛋白质,转录,翻译,不对称转录,53,35,模板链,编码链,编码链,模板链,结构基因,模板链并非永远在同一条单链上。,三、RNA聚合酶,不需引物,在单核苷酸的3-OH上逐个加核苷酸。,（一）原核生物的RNA聚合酶,2，,核心酶,全酶,全酶：具

12、有亚基核心酶：没有亚基,RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,3种：,（二）真核生物的RNA聚合酶,(一)原核细胞的转录,四、转录的过程,起始延伸 终止,原核生物一个转录单位称为操纵子，包括若干个结构基因及其上游的调控序列。,1、起始,启动子：与RNA聚合酶结合启动基因转录的DNA序列，为转录开始的位点(上游的-35序列和-10序列)。,A、全酶与启动子结合；B、DNA局部解开双螺旋；,起始的过程：,C、在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物,RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH 3,转录起始复合物:,5-pppG-OH+NTP 5-pppGpN-OH 3+ppi,

13、A、合成开始后,亚基释放，然后都由核心酶催化。B、核心酶沿模板移动，选择NTP，暂时形成DNA-RNA杂交链。,2、延伸,(NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPi,C、RNA向前移动，DNA解链酶向前推进，RNA链延长。DNA互补链取代杂交链中的RNA，恢复双螺旋结构。,2、延伸,5,3,DNA,原核生物转录过程中的羽毛状现象,核糖体,RNA,RNA聚合酶,RNA聚合酶到达终止位点，聚合反应停止。,3、终止,依赖因子（终止子）的转录终止非依赖因子的转录终止,分类：,A、不需因子（终止子）的终止,a、发夹结构的形成：DNA上的回文序列使RNA产物3 端自身碱基互补，形成发夹结构，杂合链趋于解

14、体。b、产物的寡聚U片段促进RNA 从DNA上脱落：杂交链中A-U间氢键相对较弱，新生RNA易从模板上脱落，不需因子即可终止。,不需因子的终止,发夹结构,寡聚U片段,B、需因子终止,因子是一个6聚体蛋白，其功能：1）终止因子；2）NTPase活性：3）解旋酶活性。过程：1）在RNA存在下，水解NTP产能，使因子与 RNApol结合；2）解旋酶活性使RNA：DNA杂合链拆开，释放RNA，酶和因子一起从DNA上脱落下来。,A T P,需因子终止,特点：-因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。-一个基因上可同时进行多个转录过程，产生多条RNA链。-蛋白质编码基因多是不连续的，编码部分（外显子）被不

15、编码基因（内含子）隔断。,(二)真核细胞的转录,细菌中合成的mRNA大多不需要加工；真核细胞合成的mRNA需要加工。,五、转录产物的加工,在专一酶作用下，切除多余部分或修饰，才成为“成熟的”RNA。,涉及：(1)5-端的帽化（甲基化的鸟苷酸）(2)3-端的聚腺苷酸化（polyA)(3)hnRNA、snRNA的剪接(4)碱基修饰,帽子结构,鸡卵清蛋白基因,hnRNA,首、尾修饰,hnRNA剪接,成熟的mRNA,鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰,第三节 蛋白质的生物合成 翻译,-概念：,-场所：,细胞质基质,-碱基互补配对原则：,将核酸中由 4 种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式

16、解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序。,-条件：,-原料：,氨基酸,-模板：,mRNA,AUGC,核糖体、rRNA、酶,一、蛋白质的合成体系,(一)翻译模板mRNA及遗传密码(二)核蛋白体是多肽链合成的装置(三)tRNA是转运氨基酸的工具,(一)翻译模板mRNA及遗传密码,遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子。原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子mRNA。真核一个mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子mRNA。,原核生物的多顺反子,真核生物的单顺反子,遗传密码：mRNA分子中相邻的三个核苷酸编成一组代表某种氨基酸或其他信

17、息，是按53方向编码、不重叠、无标点的三联体密码子。,起始密码:AUG 甲硫氨酸,终止密码:UAA，UAG，UGA,从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架。,遗传密码表,1、连续性：编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。,遗传密码无标点符号：通常从一个正确起点(AUG)开始，3个一组，一个不漏的读下去至终止密码。若删/增，即引起突变(移码突变）。,遗传密码的特性,移码突变,2、简并性：同一种氨基酸有两个或更多密码子的现象。对应于同一种氨基酸的不同密码子称为同义密码子。色氨酸与

18、甲硫氨酸仅有一个密码子。,意义：DNA碱基有较大变化时，仍保持多肽 链中aa顺序不变。减少有害突变，保证了物种的稳定性。,2.简并性,3、变偶性（摆动性）转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。意义：降低了由于第3个碱基发生突变造成的误差。,U,摆动配对,U,密码子、反密码子配对的摆动现象,4.半通用性,蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。,(二)核蛋白体(核糖体)是多肽链合成的装置,形态：球形颗粒位置：细胞质(原核细胞、真核细胞)、

19、叶绿体和线粒体内部成分：蛋白质+rRNA结构：大亚基+小亚基.,核糖体大亚基X-衍射图,核蛋白体的类别,70S：原核细胞 线粒体 叶绿体,的核糖体,80S：真核细胞的核糖体,核蛋白体的类别,核蛋白体的功能位点：,1）mRNA结合位点：大小亚基的结合面上，为蛋白质合成处。2）P位点：肽酰基tRNA结合位点3）A位点：氨酰基tRNA结合位点,原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:,E位：排出位,(三)tRNA是转运氨基酸的工具,反密码环,氨基酸接受位点（aa共价结合到A残基上）,密码子与反密码子配对的方式,U,摆动配对,U,密码子、反密码子配对的摆动现象,二、蛋白质的生物合成过程,（一）氨基酸的活化

20、（氨酰-tRNA的合成）,氨酰-tRNA合成酶具高度专一性，表现在：1）对氨基酸；2）对tRNA从而保证了蛋白质合成的忠实性。,场所？,tRNA与酶结合模型,第一步反应,氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E PPi,第二步反应,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E,氨酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet,真核生物：Met-tRNAiMet原核生物：fMet-tRNAifMet(fMet:N-甲酰甲硫氨酸),起始氨酰-tRNA的表示：,细胞中有两种tRNA可携带甲硫氨酸:（1）起始tRNA，可简写为:tRNAiMet

21、（2）携带甲硫氨酸掺入到蛋白质内部的tRNA,写作:tRNAMet,（二）在核糖体上合成肽链 起始 延长终止,1、起始：指mRNA和起始氨酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物。,A.核蛋白体大小亚基分离；B.mRNA在小亚基定位结合；C.起始氨基酰-tRNA的结合；D.核蛋白体大亚基结合。,A、核蛋白体大小亚基分离,以E.coli为例,起始因子（IF3促使大小亚基分离，IF1占据A位点）,IF-3,IF-1,IF-3,IF-1,B、mRNA在小亚基定位结合,以E.coli为例,IF-3,IF-1,C、起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基,以E.coli为例

22、,起始因子（IF2促使起始rRNA与P小亚基结合）由 GTP 分解提供能量,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,D、核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,以E.coli为例,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,以E.coli为例,2、延伸：(核蛋白体循环)指根据mRNA密码序列的指导，次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。,包括以下三步：进位 成肽 转位,（一）进位,指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨酰-tRNA进入核蛋白体A位。,（二）成肽,由转肽酶催化的肽键形成过程。,无负载,转肽酶（肽酰转移酶）,（三）移位,延长因子EF-G有转位

23、酶(translocase)活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3侧移动。,移位酶,核糖体沿着mRNA53方向移动一个密码子的距离。,fMet,fMet,重复进位、转肽、移位三个步骤，每重复一次肽链即增长一个氨基酸。,当mRNA上终止密码子出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离。,3、终止：,终止相关的蛋白因子称为释放因子(RF),一是识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。二是诱导转肽酶变为酯酶活性，使肽链从核蛋白体上释放。,释放因子的功能:,原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核

24、生物释放因子：eRF,原核肽链合成终止过程,RF,多聚核蛋白体,使蛋白质合成高速、高效进行。,电镜下的多聚核蛋白体现象,肽链合成后，经若干加工后，才能使合成的肽链具一定的空间结构和生物学活性。真核生物的加工部位在高尔基体。,蛋白质的合成、修饰和成熟,（三）肽链折叠和加工,后处理类型如下：,(1)切除氨基末端的fMet：去甲酰化酶、氨肽酶催化下，切去1或几个aa。(2)个别aa的修饰：羟基化、磷酸化、甲基化、乙酰化、糖化、酯化等。(3)二硫键的形成胰岛素：,(4)切除一段肽链：酶原激活;分泌蛋白信号肽(内质网)的切除。,(5)肽链与辅助成分的缔合：与脂类、核酸或血红素等相缔合，形成一定结构、具有活性的结合蛋白。,(6)在辅助蛋白参与下，新生肽折叠成有活性的构象：蛋白质的二级、三级及四级结构的形成都直接由其蛋白质或亚基的一级结构决定。,后处理类型如下：,三、蛋白质合成的抑制剂,抗生素：嘌呤霉素（发生在转肽过程）毒素：白喉毒素是一种蛋白质（抑制肽链的移位）干扰素,嘌呤霉素作用示意图,THEEND，THANKYOU！,