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1、第9章核酸的生物合成第1页，此课件共55页哦第2页，此课件共55页哦 复制（replication）是指以原来DNA 分子为模板，合成出相同DNA 分子的过程；转录（transcription）是以DNA分子为模板合成出与其核苷酸顺序相对应的RNA 的过程；翻译（translation）是在由rRNA和蛋白质组成的核糖核蛋白体（简称核糖体）上，以mRNA 为模板，根据每3 个相邻核苷酸决定一种氨基酸的三联体密码规则，由tRNA 运送活化的氨基酸，GTP 提供所需能量，合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程。第3页，此课件共55页哦第一节DNA 的生物合成 以DNA 作为模板指导的DNA合成
2、作用，复制出新的DNA分子，如此将DNA携带的信息传递给子代DNA。第4页，此课件共55页哦一、半保留复制一、半保留复制在在DNA 复制时，亲代复制时，亲代DNA 的双螺的双螺旋先行解旋和分开，然后以每条链为模旋先行解旋和分开，然后以每条链为模板，按照碱基配对原则，在这两条链上板，按照碱基配对原则，在这两条链上各形成一条互补链。各形成一条互补链。这样，从亲代这样，从亲代DNA 的分子可以精确地复制成的分子可以精确地复制成2 个子代个子代DNA 分子。分子。每个子代每个子代DNA 分子中，有一条链分子中，有一条链是从亲代是从亲代DNA 来的，另一条则是新形成来的，另一条则是新形成的，这叫做半保留
3、复制。的，这叫做半保留复制。第5页，此课件共55页哦第6页，此课件共55页哦第7页，此课件共55页哦（一）复制的起始点与方向DNA 分子复制时，在亲代分子一个特定区域内双链打开，随之以两股链为模板复制生成两个子代DNA 双链分子。开始时，复制起始点呈现一叉形（或Y 形），称之为复制叉（replication fork）。复制进行中，复制叉乃向前移动。第8页，此课件共55页哦1复制的起始点DNA 复制要从DNA 分子的特定部位开始，此特定部位称为复制起始点（origin of replication），可以用ori 表示。在原核生物中复制起始点常位于染色体的一个特定部位，即只有一个起始点。真核生
4、物的染色体是在几个特定部位上进行DNA 复制的，有几个复制起始点的。第9页，此课件共55页哦2复制的方向第10页，此课件共55页哦（二）DNA 聚合反应有关的酶及相关蛋白因子DNA 的合成是以四种三磷酸脱氧核糖核苷为底物的聚合反应，该过程除了需要酶的催化之外，还需要适量的DNA 为模板，RNA（或DNA）为引物和镁离子的参与。第11页，此课件共55页哦1引物合成酶引物合成酶亦称引发酶(primerase)，此酶以DNA为模板合成一段RNA,这段RNA作为合成DNA 的引物（Primer）。第12页，此课件共55页哦2DNA 聚合酶在大肠杆菌中发现有3 种DNA 聚合酶，分别称为DNA 聚合酶、
5、。DNA 聚合酶是多功能酶，它具有53聚合酶，53外切酶及35外切酶的活性。它的主要功能是对DNA 损伤的修复，以及在DNA 复制时，RNA 引物切除后，填补其留下的空隙。第13页，此课件共55页哦 DNA 聚合酶极为复杂，具有53DNA 聚合酶活性。具有3外切酶的校对功能，提高DNA 复制的保真性。现在一般认为，DNA 聚合酶是原核生物DNA 复制的主要聚合酶。第14页，此课件共55页哦3真核细胞的DNA 聚合酶第15页，此课件共55页哦4DNA 连接酶作用是催化双链DNA 中的切口处的相邻5-磷酸基与3-羟基之间形成磷酸酯键。但是它不能将两条游离的DNA 单链连接起来。第16页，此课件共5
6、5页哦5拓扑异构酶 拓扑异构酶可减少负超螺旋；拓扑异构酶可引入负超螺旋，它们协同作用控制着DNA 的拓扑结构。拓扑异构酶在重组、修复和DNA 的其它转变方面起着重要的作用。第17页，此课件共55页哦6解螺旋酶通过水解ATP 将DNA 的两条链打开。ATP 水解活力要有单链DNA 存在。第18页，此课件共55页哦7其它蛋白因子（1）单链结合蛋白，它的功能是稳定已被解开的DNA 单链，阻止复性和保护单链不被核酸酶降解。（2）引发前体，与RNA 引物合成酶（引发酶）结合，组装成引发体。引发体结合到随后链的模板上，具有识别合成起始位点的功能。第19页，此课件共55页哦（三）DNA 的复制过程DNA 的
7、复制按一定的规律进行，双螺旋DNA 是边解开边合成新链的。复制从特定位点开始，可以单向或双向进行，但是以双向复制为主。由于DNA 双链的合成延伸均为53的方向，因此复制是以半不连续的方式进行，即其中一条链相对地连续合成，称之为领头链，另一条链的合成是不连续的，称为随后链。在DNA 复制叉上进行的基本活动包括双链的解开；RNA 引物的合成；DNA 链的延长；切除RNA 引物，填补缺口，连接相邻的DNA 片段。第20页，此课件共55页哦1双链的解开复制是从DNA 分子的特定位置开始的，这一位置叫复制原点，常用ori 表示。许多生物的复制原点都是富含A、T 的区段。第21页，此课件共55页哦2RNA
8、 引物的合成引发酶与引发前体结合形成引发体。引发体在复制叉上移动，识别合成的起始点，引发RNA 引物的合成。移动和引发均需要由ATP 提供能量。以DNA 为模板按53的方向，合成一段引物RNA链。引物长度约为几个至10 个核苷酸。在引物的5端含3 个磷酸残基，3端为游离的羟基。第22页，此课件共55页哦3DNA 链的延长当RNA 引物合成之后，在DNA 聚合酶的催化下，以四种脱氧核糖核苷5-三磷酸为底物，在RNA 引物的3端以磷酸二酯键连接上脱氧核糖核苷酸并释放出PPi。DNA链的合成是以两条亲代DNA 链为模板，按碱基配对原则进行复制的。第23页，此课件共55页哦 子链中有一条链沿着亲代DN
9、A单链的35方向（亦即新合成的DNA 沿53方向）不断延长。这条新链称为领头链。而另一条链的合成方向与复制叉的前进方向相反，只能断续地合成53的多个短片段。1968 年冈崎发现了这些片段故又称冈崎片段（Okazaki fragment）。它们随后连接成大片段，这条新链称为随后链。这种领头链是连续合成，随后链是断续合成的方式称为半不连续复制。第24页，此课件共55页哦4切除引物，填补缺口，连接修复在DNA 聚合酶的作用下，在引物RNA 与DNA 片段的连接处切断；切去RNA 引物后留下的空隙，由DNA 聚合酶催化合成一段DNA 填补上；在DNA 连接酶的作用下，连接相邻的DNA 链；修复掺入DN
10、A 链的错配碱基。第25页，此课件共55页哦第26页，此课件共55页哦二、逆向转录以RNA 为模板，按照RNA 中的核苷酸顺序合成DNA，这与通常转录过程中遗传信息流从DNA 到RNA 的方向相反，故称为逆转录（reversetranscription）。第27页，此课件共55页哦逆转录的生物学意义：逆转录过程的发现，不仅扩充了中心法则，还有其重要的生物学意义。它有助于人们对RNA 病毒致癌机制的了解，并对防治肿瘤提供了重要线索。逆转录酶已成为分子生物学和基因工程中常用的一种工具酶，利用它可以从mRNA 合成相应的cDNA，在基因结构研究、氨基酸序列预测以及基因工程中具有十分重要的意义。第28
11、页，此课件共55页哦三、DNA 突变四、DNA 损伤与修复（一）光复活（二）切除修复（三）重组修复（四）诱导修复第29页，此课件共55页哦(一一)光修复光修复修复是由细菌中的修复是由细菌中的DNA光解酶光解酶完成，此完成，此酶能特异性识别二聚体，并与其结合，结合酶能特异性识别二聚体，并与其结合，结合后如受后如受300600nm波长的光照射，则此酶波长的光照射，则此酶就被激活，将二聚体分解为两个正常的嘧啶就被激活，将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体。单体。第30页，此课件共55页哦(二二)切除修复切除修复 所谓切除修复，即是在一系列酶的作用下，将所谓切除修复，即是在一系列酶的作用下，将DNA分子中
12、受损伤部分子中受损伤部分切除掉，并以完整的那一条链为模板，合成出切去的部分，然后使分切除掉，并以完整的那一条链为模板，合成出切去的部分，然后使 DNA恢复正常结构的过程。恢复正常结构的过程。第31页，此课件共55页哦(三三)重组修复重组修复 受损伤的受损伤的DNA在进在进行复制时，跳过损行复制时，跳过损伤部位，在子代伤部位，在子代DNA链与损伤相对链与损伤相对应部位出现缺口。应部位出现缺口。通过分子间重组，通过分子间重组，从完整的母链上将从完整的母链上将相应的碱基顺序片相应的碱基顺序片段移至子链的缺口段移至子链的缺口处，然后再用合成处，然后再用合成的多核苷酸来补上的多核苷酸来补上母链的空缺，此
13、过母链的空缺，此过程即重复修复。并程即重复修复。并非完全校正。非完全校正。第32页，此课件共55页哦(四四)SOS修复修复SOS反应是指细胞反应是指细胞DNA受到损伤或复制系统受到损伤或复制系统受到抑制的情况下出现的应急效应。受到抑制的情况下出现的应急效应。修复结修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，导致较广泛、长期成率，但留下的错误较多，导致较广泛、长期的突变。的突变。第33页，此课件共55页哦第二节RNA 的生物合成 以DNA 的一条链为模板在RNA 聚合酶催化下，以四种核糖核苷磷酸为底物按照碱基配对原则，形成35磷酸
14、二酯键，合成一条与DNA 链的一定区段互补的RNA 链的过程称为转录（transcription）。第34页，此课件共55页哦一、转录一、转录RNA的转录合成从化学角度来讲类似于的转录合成从化学角度来讲类似于DNA的复制，的复制，多核苷酸链的多核苷酸链的合成都是以合成都是以53的方向的方向，在，在3-OH末端末端与加入的核苷酸磷酸二酯键，与加入的核苷酸磷酸二酯键，转录又具有其特点：（转录又具有其特点：（1）对于）对于一个基因组来说，转录只发生在一部分基因，而且每个基因一个基因组来说，转录只发生在一部分基因，而且每个基因的转录都受到相对独立的控制；（的转录都受到相对独立的控制；（2）转录是不对称
15、的。（）转录是不对称的。（3）转录时不需要引物，而且）转录时不需要引物，而且RNA链的合成是连续的。链的合成是连续的。第35页，此课件共55页哦5-GCAGTACATGTC-3编码链编码链DNA3-CGTCATGTACAG-5模板链模板链5-GCAGUACAUGUC-3 mRNAN -Ala-Val-His-Val-C 蛋白质蛋白质（一）依赖（一）依赖DNA的的RNA聚合酶聚合酶DDRP的有以下特点：的有以下特点：以以DNA为模板；在为模板；在DNA的两的两条多苷酸链中只有其中一条链作为模板，这条链叫做模板条多苷酸链中只有其中一条链作为模板，这条链叫做模板链（链（template strand
16、），又叫做无意义链。），又叫做无意义链。DNA双链中另双链中另一条不做为模板的链叫做编码链，又叫做有意义链。一条不做为模板的链叫做编码链，又叫做有意义链。第36页，此课件共55页哦不对称转录不对称转录 .DNA双链上，仅一股链转录，另一股不转录。双链上，仅一股链转录，另一股不转录。.有意义链与反意义链并非固定不变。有意义链与反意义链并非固定不变。.转录方向都是转录方向都是5 3模板链模板链第37页，此课件共55页哦都以四种三磷酸核苷的底物，原料；都以四种三磷酸核苷的底物，原料；都遵循都遵循DNA与与RNA之间的碱基配对原由，之间的碱基配对原由，A=U，T=A，C=G，合成与模板，合成与模板DN
17、A序列互补的序列互补的RNA链。链。RNA链的延长方向是链的延长方向是53的连续合成。的连续合成。需要需要Mg2+或或Mn2+离子。离子。并不需要引物。并不需要引物。RNA聚合酶缺乏聚合酶缺乏35外切酶活性，所以没有校正外切酶活性，所以没有校正功能。功能。第38页，此课件共55页哦DNA复制与转录的比较复制与转录的比较相相同同点点模板模板 两股链均复制两股链均复制 模板链转录模板链转录 合成方式合成方式 半保留复制半保留复制 不对称转录不对称转录 原原 料料 dNTP NTP 聚合酶聚合酶 DNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶 碱基配对碱基配对 A-T，G-C A-U，T-A，G-C 产物产
18、物 半保留的双链半保留的双链DNA 单链单链RNA不不同同点点以以DNA为模板为模板 遵循遵循碱基配对碱基配对原则原则 都需都需依赖依赖DNA的聚合酶的聚合酶 聚合过程都是生成聚合过程都是生成磷酸二酯键磷酸二酯键新链合成方向为新链合成方向为53 复制复制 转录转录第39页，此课件共55页哦大肠杆菌RNA聚合酶 亚单位分子量亚单位数目 功能 36512 15061815561370263 2 111 决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 与转录全过程有关与转录全过程有关结合结合DNADNA模板模板辨认起始点辨认起始点 第40页，此课件共55页哦真核生物的RNA聚合酶种类分布合成的RNA类型对-鹅
19、膏蕈碱的敏感性 Mt 核仁 核质核质线粒体 rRNA hnRNAtRNA，5sRNA线粒体RNAs 不敏感不敏感 低浓度敏感低浓度敏感高浓度敏感高浓度敏感不敏感不敏感 第41页，此课件共55页哦（二）RNA的转录过程可将RNA合成分为识别与起始、延识别与起始、延长和终止长和终止三个阶段。第42页，此课件共55页哦（1）识别转录是从转录是从DNA分子的特定部位开始分子的特定部位开始的，这个部位也是的，这个部位也是RNA聚合酶全酶结合聚合酶全酶结合的部位这就是启动子。的部位这就是启动子。启动子处的核苷酸序列具有特殊性，为了方便，人们将在DNA上开始转录的第一个碱基定为+1，沿转录方向顺流而下的核苷
20、酸序列均用正值表示；逆流而上的核苷酸序列均用负值表示。第43页，此课件共55页哦第44页，此课件共55页哦 除启动子外，真核生物转录起始点上游处还有一个称为增强子的序列，它能极大地增强启动子的活性，它的位置往往不固定，可存在于启动子上游或下游。第45页，此课件共55页哦（2）转录起始和延伸在原核生物中，当RNA聚合酶发现其识别位点时，形成全酶和启动子的开放性复合物。在开放性启动子复合物中起始位点和延长位点被相应的核苷酸前体充满，在RNA聚合酶亚基催化下形成RNA的第一个磷酸二酸键。RNA合成的第一个核苷酸总有GTP或ATP，以GTP常见。第46页，此课件共55页哦 RNA链的延长靠核心酶的催化
21、，在起始复合物上第一个GTP的核糖3-OH上与DNA模板能配对的第二个三磷酸核苷起反应形成磷酸二酯键。聚合进去的核苷酸又有核糖3-OH游离，这样就可按模板DNA的指引，一个接一个地延长下去。第47页，此课件共55页哦RNA链的延伸图解链的延伸图解33RNA-DNA杂交螺旋杂交螺旋聚合酶的移动方向聚合酶的移动方向新生新生RNA复链复链解链解链有义链有义链模板链（反义链）模板链（反义链）延长部位延长部位第48页，此课件共55页哦（3）转录的终止转录是在DNA模板某一位置上停止的，转录终止信号有两种情况，一类是不依赖于蛋白质因子而实现的终止作用，另一类是依赖蛋白质辅因子才能实现终止作用，这种蛋白质辅
22、因子称为释放因子，通常又称因子。第49页，此课件共55页哦起始起始双链双链DNA局部解开局部解开磷酸二酯磷酸二酯键形成键形成终止阶段终止阶段解链区到达基解链区到达基因终点因终点延长阶段延长阶段5 3 RNA启动子启动子Promoter 终止子终止子terminator5 RNA聚合酶聚合酶 5 3 5 3 5 5 3 离开离开第50页，此课件共55页哦二、RNA转录后的加工与修饰原核细胞的mRNA并无特殊的转录后加工过程，相反，真核生物转录和翻译在时间和空间上是分开的，刚转录出来的mRNA是分子很大的前体，即核内不均一RNA。hnRNA分子中大约只有10%的部分转变成成熟的mRNA，其余部分将在转录后的加工过程中被降解掉。第51页，此课件共55页哦（1）mRNA的加工修饰原核生物中转录生成的mRNA为多顺反子，即几个结构基因，利用共同的启动子和共同终止信号经转录生成一条mRNA，所以此mRNA分子编码几种不同的蛋白质。第52页，此课件共55页哦 真核生物转录生成的mRNA为单顺反子，即一个mRNA分子只为一种蛋白质分子编码。真核生物mRNA的加工修饰，主要包括对5端和3端的修饰以及对中间部分进行剪接。在5端加帽第53页，此课件共55页哦在3端加尾第54页，此课件共55页哦mRNA前体（hnRNA）的拼接 第55页，此课件共55页哦