生物化學第四章_核酸的生物合成

1、Nucleic acid Biosynthesis 第十章第十章 核酸的生物合成核酸的生物合成基基 因因 (gene)： 具有遺傳效應的DNA片段?；?因因 組組（genome)： 某某一物種擁有的全部遺傳物質(zhì)，從分子意義上說，一物種擁有的全部遺傳物質(zhì)，從分子意義上說，是指是指全部全部DNADNA序列序列。蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)翻譯翻譯轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄復制復制復制復制DNARNA 中心法則中心法則(the central dogma)(the central dogma)DNA Biosynthesis第一節(jié)第一節(jié) DNADNA的生物合成的生物合成 DNADNA的生物合成的生物合成復制復制（DNA

2、DNA指導下的指導下的DNADNA合成）合成）逆轉(zhuǎn)逆轉(zhuǎn)錄錄（RNARNA指導下的指導下的DNADNA的合成）的合成） 復制復制親代親代DNADNA子代子代DNADNA復制復制(replication)：以母鏈以母鏈DNADNA為模板合成子鏈為模板合成子鏈DNADNA的過程。的過程。一、一、復制復制的基本的基本規(guī)律規(guī)律 半保留復制半保留復制 雙向復制雙向復制 半不連續(xù)復制半不連續(xù)復制 方向性和高保真性方向性和高保真性（一）、半保留復制（一）、半保留復制 (semi-conservative replication)A TG CC GT A親代DNAA G C TTCGATCGAA G C T子代

3、DNA 全保留式全保留式 半保留式半保留式 混合式混合式 DNADNA復制的三種可能復制的三種可能方式：方式：DNADNA半保留復制實驗：半保留復制實驗： 按按半保留復制方式，半保留復制方式，子代子代DNADNA與親代與親代DNADNA的堿基序的堿基序列一致列一致，即子代保留了親代的全部遺傳信息，體現(xiàn)了，即子代保留了親代的全部遺傳信息，體現(xiàn)了遺傳的保守性遺傳的保守性。 遺傳的保守性，是物種穩(wěn)定性的分子基礎，但不遺傳的保守性，是物種穩(wěn)定性的分子基礎，但不是絕對的。是絕對的。半保留復制的半保留復制的意義：意義：（二）、雙向復制（二）、雙向復制 (bidirectional replication)

4、原核生物：原核生物： 基因組是環(huán)狀基因組是環(huán)狀DNADNA； 只有一個復制起始點只有一個復制起始點（origin） 。真核生物：真核生物： 基因組是線性的；基因組是線性的； 染色體染色體DNADNA有多個復制起始點；有多個復制起始點； 兩個起始點之間的兩個起始點之間的DNADNA片段稱為復制子片段稱為復制子(replicon)(replicon)。 在原核生物雙向復制中，在原核生物雙向復制中，DNADNA被描述為被描述為眼睛眼睛狀。為說明狀。為說明方便而做的圖為方便而做的圖為 形。形。oriC多多個起點復制個起點復制起起點點起起點點起起點點起起點點起起點點起起點點35353535解鏈方向解鏈方

5、向前導鏈前導鏈(leading strand)隨從鏈隨從鏈(lagging strand)35（三）、半不連續(xù)復制（三）、半不連續(xù)復制 (semi-discontinuous replication) 岡崎片段岡崎片段(Okazaki fragment) (Okazaki fragment) ： 19681968年日本生化學者岡崎用電鏡及放射自顯影技術，年日本生化學者岡崎用電鏡及放射自顯影技術，觀察到觀察到DNADNA復制中出現(xiàn)一些不連續(xù)的片段，將這些不復制中出現(xiàn)一些不連續(xù)的片段，將這些不連續(xù)的片段稱為連續(xù)的片段稱為岡崎片段岡崎片段。 原核生物原核生物: : 1000100020002000個

6、核苷酸個核苷酸 真核生物真核生物: : 100100200200個核苷酸個核苷酸（四）、高保真性（高度忠實性）（四）、高保真性（高度忠實性） 差錯率僅為差錯率僅為1010-9-9-10-10-10-101 1、新合成的子鏈與母鏈之間堿基配對嚴格性、新合成的子鏈與母鏈之間堿基配對嚴格性2 2、使用引物、使用引物RNARNA3 3、DNADNA聚合酶對底物專一性聚合酶對底物專一性4 4、DNADNA聚合酶的校對作用聚合酶的校對作用5 5、DNADNA修復機制修復機制 ？二、參與二、參與DNADNA復制的復制的主要酶類和蛋白質(zhì)主要酶類和蛋白質(zhì)DNADNA復制需要什么復制需要什么底物底物模板模板引物引

7、物酶酶？ （一）（一）DNA聚合酶聚合酶 （二）（二）DNA解旋酶解旋酶 （三）引物酶（三）引物酶 （四）（四）DNA連接酶連接酶 （五）單鏈結合蛋白（五）單鏈結合蛋白（SSBP） （六）拓撲異構酶（六）拓撲異構酶主要酶類和蛋白質(zhì)主要酶類和蛋白質(zhì) 解鏈解鏈過程中，過程中，DNADNA分子會過度擰緊、打結、纏繞、分子會過度擰緊、打結、纏繞、連環(huán)等現(xiàn)象。連環(huán)等現(xiàn)象。（一）、（一）、DNADNA拓撲異構酶拓撲異構酶（DNA topoisomerase）作用：改變作用：改變DNADNA分子構象，理順分子構象，理順DNADNA鏈，使復制能順利進行。鏈，使復制能順利進行。分類：拓撲酶分類：拓撲酶（切斷（切

8、斷DNADNA雙鏈中雙鏈中一股一股鏈）鏈） 拓撲酶拓撲酶（切斷（切斷DNADNA分子分子兩股兩股鏈）鏈）拓撲異構酶拓撲異構酶的作用的作用拓撲異構酶拓撲異構酶的作用的作用（二）、（二）、DNADNA解旋酶解旋酶( (helicase) 又稱解鏈酶或又稱解鏈酶或reprep蛋白蛋白 利用利用ATPATP供能，作用于供能，作用于氫鍵氫鍵，使，使DNADNA雙鏈雙鏈解開成為解開成為兩條單鏈兩條單鏈。 每解開一對堿基，需消耗每解開一對堿基，需消耗2 2分子分子ATPATP。Dna BDna C解鏈方向解鏈方向（三）、單鏈結合蛋白（三）、單鏈結合蛋白（SSBPSSBP） 在復制中維持模板處于在復制中維持模

9、板處于單鏈狀態(tài)單鏈狀態(tài)并保護單鏈的完整性。并保護單鏈的完整性。（四）、引物酶（四）、引物酶(primase) 作用：作用：它以單鏈它以單鏈DNADNA為模板，以為模板，以ATPATP、GTPGTP、CTPCTP、UTPUTP為為原料，從原料，從5 5 33 方向合成出方向合成出RNARNA片段片段，即引物。，即引物。 引物引物（primer）： 由由引物酶催化生成的短鏈引物酶催化生成的短鏈RNARNA，它可為，它可為DNADNA聚合聚合提供提供 3 3-OH-OH末端末端。合成合成RNARNA引物引物（五）、（五）、DNADNA聚合酶聚合酶(DNA polymerase)聚合反應的特點：聚合反

10、應的特點： DNA DNA 新鏈生成需新鏈生成需引物和模板引物和模板； 新鏈的延長只可沿新鏈的延長只可沿5 5 3 3 方向進行方向進行 。聚合反應機理聚合反應機理3535DNADNA聚合酶聚合酶 全稱全稱：依賴：依賴DNADNA的的DNADNA聚合酶聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase) 簡稱簡稱：DNA-pol 原核生物的原核生物的DNADNA聚合酶：聚合酶： DNA-pol DNA-pol DNA-pol 323323個個氨基酸氨基酸 604604個氨基酸個氨基酸小小片段片段 大片段大片段/Klenow 片段片段 5 5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性DNAD

11、NA聚合酶活性聚合酶活性 5 5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性N N 端端C C 端端木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶DNA-pol 1959 1959 年獲諾貝爾生理學或醫(yī)學獎年獲諾貝爾生理學或醫(yī)學獎 奧喬亞 科恩伯格 Severo Ochoa Arthur Kornberg5 A G C T T C A G G A T A 3 | | | | | | | | | | |3 T C G A A G T C C T A G C G A C 5 3 3 5 5 外切外切酶活性酶活性 5 5 3 3 外切酶活性外切酶活性 ?3 3 5 5 外切酶活性外切酶活性5 5 - 3- 3 外切酶活性外切酶活性5 5

12、- - 3 3 核酸外切核酸外切酶水解位點酶水解位點單鏈缺口單鏈缺口5 pol II分子量分子量每個細胞的分子統(tǒng)計數(shù)每個細胞的分子統(tǒng)計數(shù)5 5 -3 -3 聚合酶作用聚合酶作用3 3 -5 -5 核酸外切酶核酸外切酶5 5 -3 -3 核酸外切酶核酸外切酶轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率pol I109，000400+1120，000100+-0 .05400，00010-20+-50比較項目比較項目pol III切除切除引物引物修復修復修復修復復制復制功能功能DNA-pol DNA-pol 前導鏈和隨后鏈的合成方向相反，前導鏈和隨后鏈的合成方向相反，DNA-pol DNA-pol 是怎樣同時將兩條鏈復制出來是怎

13、樣同時將兩條鏈復制出來？前導鏈和隨后鏈同時合成的工作模型前導鏈和隨后鏈同時合成的工作模型（六）、（六）、DNADNA連接酶連接酶(DNA ligase) 在復制中起接合在復制中起接合雙鏈中單鏈缺口雙鏈中單鏈缺口的作用。的作用。POO-O-OHO5POO-O-O335DNADNA連接酶連接酶ATP（NAD+）AMP5353小結：小結：三、真核生物端粒的三、真核生物端粒的復制復制 端粒端粒（telomeretelomere）：）： 是指真核生物染色體線是指真核生物染色體線性性DNADNA分子分子末端的結構末端的結構部分，通常膨大成粒狀。部分，通常膨大成粒狀。功能：功能： 維持染色體的維持染色體的穩(wěn)

14、定性穩(wěn)定性 維持維持DNADNA復制的復制的完整性完整性TTTTGGGGTTTTGGGG端粒酶端粒酶(telomerase)(telomerase)： 一種一種RNA-RNA-蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)復合體復合體端粒酶的爬行端粒酶的爬行模型模型DNADNA聚合酶復制子鏈聚合酶復制子鏈進一步加工進一步加工抗腫瘤靶點抗腫瘤靶點端粒和端粒酶的生物學意義端粒和端粒酶的生物學意義 端粒端粒特別是特別是端粒酶端粒酶的活性與細胞的生長、繁殖、衰老凋的活性與細胞的生長、繁殖、衰老凋亡以及腫瘤的發(fā)生密切相關。亡以及腫瘤的發(fā)生密切相關。 體細胞體細胞幾乎沒有端粒酶活性，而端粒酶活性較高的幾乎沒有端粒酶活性，而端粒酶活性較高的

15、胚原胚原細胞細胞，端粒長度未縮短。，端粒長度未縮短。 腫瘤細胞腫瘤細胞端粒酶重新獲得活性，以維持端粒結構致使染端粒酶重新獲得活性，以維持端粒結構致使染色體穩(wěn)定而成為永生細胞。色體穩(wěn)定而成為永生細胞。 四、逆轉(zhuǎn)錄四、逆轉(zhuǎn)錄(reverse transcription) 逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄酶酶RNADNA 逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶 (reverse transcriptase) 有三種活性：有三種活性： RNARNA指導的指導的DNADNA聚合活性聚合活性 RNase HRNase H活性活性 DNADNA指導的指導的DNADNA聚合活性聚合活性依賴依賴RNARNA的的DNADNA聚合酶聚合酶核糖核酸核糖核酸酶

16、酶H H活力活力依賴依賴DNADNA的的DNADNA聚合酶聚合酶逆轉(zhuǎn)錄病毒的生活周期逆轉(zhuǎn)錄病毒的生活周期RNA衣殼衣殼被膜被膜逆轉(zhuǎn)逆轉(zhuǎn)錄酶錄酶轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)譯轉(zhuǎn)譯進入細胞進入細胞丟失被膜丟失被膜丟失衣殼丟失衣殼逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄RNARNAcDNA衣殼蛋白衣殼蛋白被膜蛋白被膜蛋白逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)逆轉(zhuǎn)錄研究的意義錄研究的意義 逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶和逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象，是和逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象，是分子生物學研究分子生物學研究中的重大中的重大發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)。 逆轉(zhuǎn)逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象說明：至少在某些生物，錄現(xiàn)象說明：至少在某些生物，RNARNA同樣兼有遺同樣兼有遺傳信息傳代與表達功能傳信息傳代與表達功能。 對對逆轉(zhuǎn)錄病毒的研究，拓寬了逆轉(zhuǎn)錄病

17、毒的研究，拓寬了2020世紀初已注意到的世紀初已注意到的病病毒致癌理論毒致癌理論。 五、五、 DNADNA損傷損傷( (突變突變) )與修復與修復 突變突變 (mutation)(mutation)： DNADNA損傷損傷 (DNA damage)(DNA damage)： （一）、（一）、突變的意義突變的意義 突變突變是是進化、分化進化、分化的分子基礎的分子基礎 突變突變導致導致基因型改變基因型改變 突變突變導致導致死亡死亡 突變突變是某些疾病的發(fā)病基礎是某些疾病的發(fā)病基礎（二）、（二）、引發(fā)突變的因素引發(fā)突變的因素 自發(fā)性自發(fā)性: : 自然錯配率約為自然錯配率約為1010-9-91010-

18、10-10 左右。左右。 物理物理因素因素: : 如如UV (ultra violet)UV (ultra violet)、各種輻射。、各種輻射。 化學化學因素因素: : 烷化劑、堿基類似物、以及其他一些人烷化劑、堿基類似物、以及其他一些人工合成或環(huán)境中存在的化學物質(zhì)，這些誘發(fā)突變的工合成或環(huán)境中存在的化學物質(zhì)，這些誘發(fā)突變的化學物質(zhì)化學物質(zhì), ,稱為稱為致癌劑致癌劑。 生物生物因素因素: : 抗菌素類、黃曲霉素和病毒等。抗菌素類、黃曲霉素和病毒等。NNOOCH3RPNNOOCH3RNNOOCH3RPNNORUVOCH3胸嘧啶二聚體( T T )物理因素物理因素（三）、（三）、突變的分子改變類

19、型突變的分子改變類型錯配錯配 (mismatch)(mismatch)缺失缺失 (deletion)(deletion)插入插入 (insertion)(insertion)重排重排 (rearrangement)(rearrangement)框框移移( (frame-shift)frame-shift) 鐮形紅細胞貧血病人鐮形紅細胞貧血病人Hb (HbS) Hb (HbS) 亞基亞基N-val his leu thr pro val glu C 肽鏈肽鏈CAC GTG基因基因正常成人正常成人Hb (HbA)Hb (HbA)亞基亞基N-val his leu thr pro glu glu C

20、 肽鏈肽鏈CTC GAG基因基因谷谷 酪酪 蛋蛋 絲絲5 G C A G U A C A U G U C 丙丙 纈纈 組組 纈纈正常正常5 G A G U A C A U G U C 缺失缺失C C缺失引起框移突變?nèi)笔б鹂蛞仆蛔兝豪海ㄋ模?、（四）、DNADNA損傷的損傷的修復修復(repairing) 光光修復修復(light repairing) 切除修復切除修復(excision repairing) 重組修復重組修復(recombination repairing) SOSSOS修復修復 修復的主要修復的主要類型：類型：NNOOCH3RPNNOOCH3RNNOOCH3RPNNORU

21、VOCH3胸嘧啶二聚體( T T )1 1、光、光修復修復2 2、切除修復、切除修復是細胞內(nèi)最重要和有是細胞內(nèi)最重要和有效的修復機制，主要由效的修復機制，主要由DNA-pol和和連接酶連接酶完成。完成。UvrAUvrBUvrCOHPDNADNA聚合酶聚合酶OHPDNADNA連接酶連接酶NAD+E.coli的切除修復機制的切除修復機制例：例：著色性干皮病著色性干皮病(xeroderma pigmentosis(xeroderma pigmentosis，XP)XP) 是是切除修復缺陷性切除修復缺陷性的遺傳病。的遺傳病。 XPXP病人細胞對病人細胞對嘧啶二聚體嘧啶二聚體和和烷基化烷基化的清除能力降

22、低，的清除能力降低，不能修復紫外線照射引起的不能修復紫外線照射引起的DNADNA損傷，因此易發(fā)生皮膚癌。損傷，因此易發(fā)生皮膚癌。3 3、重組修復、重組修復 這是這是DNADNA的復制的復制過程中所采用的過程中所采用的一種有差錯的修一種有差錯的修復方式。復方式。 RNA Biosynthesis第二節(jié)第二節(jié) RNARNA的生物合成的生物合成 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄 (transcription) (transcription) 生物體生物體以以DNADNA為模板合成為模板合成RNARNA的過程的過程 。 DNADNA的遺傳信息傳遞給的遺傳信息傳遞給RNARNA的過程。的過程。 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄RNADNA 5GCAG

23、TACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C編碼鏈編碼鏈模板鏈模板鏈mRNA蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄模板模板有義鏈有義鏈反義鏈反義鏈鏈鏈鏈鏈？ 對于整個對于整個DNADNA雙鏈，每條鏈上有的區(qū)段用作雙鏈，每條鏈上有的區(qū)段用作有義有義鏈鏈，有的區(qū)段用作，有的區(qū)段用作反義鏈反義鏈。所以，具有相對意義。所以，具有相對意義。 一、一、RNARNA轉(zhuǎn)錄合成的轉(zhuǎn)錄合成的特點：特點： 一、轉(zhuǎn)錄的一、轉(zhuǎn)錄的不對稱性不對稱性 二、轉(zhuǎn)錄的二、轉(zhuǎn)錄的連續(xù)性連續(xù)性 三、轉(zhuǎn)錄的三、轉(zhuǎn)錄的單向性單向性 四、有特定的

24、四、有特定的起始和終止位點起始和終止位點 二、二、RNARNA轉(zhuǎn)錄合成的轉(zhuǎn)錄合成的條件：條件：底物底物模板模板RNARNA聚合酶聚合酶亞RNARNA聚合酶聚合酶組成組成：a a2 2bbbbws ws = = a a2 2bbbbw w + + s s 全酶全酶 核心酶核心酶 核心酶核心酶：解開前方的：解開前方的DNADNA雙螺旋、雙螺旋、RNARNA鏈的延伸、恢鏈的延伸、恢復后面的復后面的DNADNA雙螺旋雙螺旋 s s 亞基亞基：識別：識別DNADNA上轉(zhuǎn)錄的起始部位，從而引導全酶上轉(zhuǎn)錄的起始部位，從而引導全酶結合上去結合上去大腸桿菌大腸桿菌RNARNA聚合酶全酶聚合酶全酶啟動子啟動子（p

25、romoter）： 三、轉(zhuǎn)錄三、轉(zhuǎn)錄合成的過程：合成的過程：RNA轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)區(qū)-10區(qū)區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列The nucleotide sequences of representative E. coli promoters 三、轉(zhuǎn)錄三、轉(zhuǎn)錄合成的過程合成的過程-啟動啟動 三、轉(zhuǎn)錄三、轉(zhuǎn)錄合成的過程合成的過程-延伸延伸 RNA

26、-DNARNA-DNA雜交區(qū)雜交區(qū)： 三、轉(zhuǎn)錄三、轉(zhuǎn)錄合成的過程合成的過程-終止終止機制：機制： 依賴依賴Rho ()因子的轉(zhuǎn)錄終止因子的轉(zhuǎn)錄終止 非依賴非依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止因子的轉(zhuǎn)錄終止A T P1 1、依賴、依賴 RhoRho因子的轉(zhuǎn)錄終止：因子的轉(zhuǎn)錄終止： Rho因子與因子與RNA3-OHRNA3-OH的的poly Cpoly C結合結合，抑制，抑制聚合酶活聚合酶活性，激活解螺旋活性。性，激活解螺旋活性。 2 2、非依賴、非依賴 RhoRho因子的轉(zhuǎn)錄終止：因子的轉(zhuǎn)錄終止： DNADNA模板近終止處，有模板近終止處，有特殊的堿基序列特殊的堿基序列，轉(zhuǎn)錄出，轉(zhuǎn)錄出RNARNA產(chǎn)物產(chǎn)物

27、形成特殊的結構形成特殊的結構終止轉(zhuǎn)錄。終止轉(zhuǎn)錄。發(fā)夾結構：發(fā)夾結構：反向堿基互補序列反向堿基互補序列末端末端PolyU：U:AU:A不穩(wěn)定不穩(wěn)定. .5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUU3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUU. UUUU.發(fā)夾發(fā)夾(hairpin)(hairpin)結構結構發(fā)夾結構終止轉(zhuǎn)錄的機理發(fā)夾結構終止轉(zhuǎn)錄的機理 使使RNARNA聚合酶聚合酶變構，轉(zhuǎn)錄停頓；變構，轉(zhuǎn)錄停頓； 末端末端poly

28、U polyU 使轉(zhuǎn)錄復合物趨于解離，使轉(zhuǎn)錄復合物趨于解離，RNARNA產(chǎn)物釋放。產(chǎn)物釋放。5 pppG5 3 3 5 RNA-pol例：例： 復制和轉(zhuǎn)錄的共同點復制和轉(zhuǎn)錄的共同點: : DNA DNA 模板模板 堿基配對堿基配對規(guī)律規(guī)律 生成生成磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵 鏈鏈延長方向延長方向535310-4-10-510-9-10-10差錯率差錯率無無有有校正功能校正功能全酶全酶9種酶和蛋白因子種酶和蛋白因子酶與蛋白因子酶與蛋白因子不需要不需要RNA為引物為引物引物引物DNA區(qū)段一條鏈不區(qū)段一條鏈不對稱轉(zhuǎn)錄對稱轉(zhuǎn)錄完整兩條鏈雙向復制完整兩條鏈雙向復制模板模板NTPdDNA原料原料DNA轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄DNADNA復制復制區(qū)別：區(qū)別： 三、三、真核生物的轉(zhuǎn)錄后修飾真核生物的轉(zhuǎn)錄后修飾（Post-transcriptional Modification）（一）、（一）、真核生物真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工的轉(zhuǎn)錄后加工 5 5 端形成端形成 帽子結構帽子結構(m7GpppGp