生物化學(xué)課件核酸的生物合成

上海市精品課程系列----生物化學(xué)第十一章

核酸的生物合成第十一章核酸的生物合成11.1核苷酸的生物合成11.2DNA的生物合成11.3DNA損傷、修復(fù)與疾病11.4

RNA的生物合成和加工11.1

核苷酸的生物合成核苷酸的生物學(xué)功能核苷酸合成的基本途徑嘌呤核苷酸的合成嘧啶核苷酸的合成脫氧核糖核苷酸的合成核苷酸的生物學(xué)功能11.1

核苷酸的生物合成是構(gòu)成核酸的基本單位儲(chǔ)存能量（ATP、GTP）形成活化中間產(chǎn)物（UDPG、ADPG）組成輔酶（NAD+、FAD、CoA）參與代謝和生理調(diào)節(jié)（cAMP）11.1

核苷酸的生物合成核苷酸合成的基本途徑主要途徑補(bǔ)救途徑利用核糖磷酸，某些氨基酸、CO2和NH3等簡(jiǎn)單物質(zhì)為原料，經(jīng)一系列酶促反應(yīng)合成核苷酸的途徑，又稱“從頭合成途徑”或“從無(wú)到有途徑”利用體內(nèi)游離的堿基或核苷合成核苷酸的途徑11.1

核苷酸的生物合成嘌呤核苷酸的合成從頭合成途徑一碳單位一碳單位嘌呤環(huán)合成原料的來(lái)源11.1

核苷酸的生物合成AMP+ATP2ADP腺苷激酶GMP+ATPGDP+ADP鳥(niǎo)苷激酶ATP+GDPADP+GTP鳥(niǎo)苷二磷酸激酶磷酸核糖IMPGMPAMP在磷酸核糖基礎(chǔ)上逐步合成嘌呤核苷酸，主要在胞液中進(jìn)行11.1

核苷酸的生物合成補(bǔ)救合成途徑利用體內(nèi)游離嘌呤或嘌呤核苷，經(jīng)簡(jiǎn)單反應(yīng)過(guò)程生成嘌呤核苷酸的過(guò)程。過(guò)程較簡(jiǎn)單，耗能較少A+PRPPAMP+PPi腺嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶G+PRPPGMP+PPi次黃嘌呤-鳥(niǎo)嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶AR+ATPAMP+ADP腺苷激酶11.1

核苷酸的生物合成嘧啶核苷酸的合成從頭合成途徑嘧啶環(huán)合成原料的來(lái)源天冬氨酸谷氨酰胺CO211.1

核苷酸的生物合成先合成嘧啶環(huán)，然后再與磷酸核糖相連而成UMP+ATPUDP+ADPUDP+ATPUTP+ADPUTP+NH3+ATPCTP+ADP+Pi三磷酸胞苷合成酶

Asp

Gln+CO2

氨甲酰磷酸N-氨甲酰天冬氨酸

二氫乳清酸乳清酸

乳清酸核苷酸UMP

PRPP11.1

核苷酸的生物合成脫氧核糖核苷酸的合成脫氧核糖核苷酸的合成脫氧胸腺嘧啶核苷酸的合成dUTP+H2OdUMP+PPi

dTMP甲基化還原型硫氧還蛋白氧化型硫氧還蛋白NADP+NADPH+H+N5,N10-甲烯基四氫葉酸11.2

DNA的生物合成核酸生物合成的一般規(guī)則DNA的復(fù)制逆轉(zhuǎn)錄PCR技術(shù)11.2

DNA的生物合成核酸生物合成的一般規(guī)則絕大多數(shù)細(xì)胞核酸的合成，都是按照Watson-Crick堿基互補(bǔ)的原則，通過(guò)拷貝預(yù)先存在的DNA鏈（模板鏈）來(lái)產(chǎn)生。（中心法則）逆轉(zhuǎn)錄中心法則復(fù)制復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯

復(fù)制：以親代DNA或RNA為模板，根據(jù)堿基配對(duì)原則，合成與親代相同的子代DNA或RNA的過(guò)程

轉(zhuǎn)錄：以DNA為模板，按照堿基配對(duì)原則合成RNA，即將DNA所含的遺傳信息傳給RNA，形成一條與DNA鏈互補(bǔ)的RNA的過(guò)程

翻譯：也叫轉(zhuǎn)譯，以mRNA為模板，將mRNA的密碼解讀成蛋白質(zhì)氨基酸序列的過(guò)程

逆轉(zhuǎn)錄：以RNA為模板，在逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下，生成DNA的過(guò)程11.2

DNA的生物合成核酸鏈的合成方向只有一個(gè)：5'→3'

特異的聚合酶催化合成DNA或RNA3’,5’-磷酸二酯鍵延伸部位11.2

DNA的生物合成DNA的復(fù)制復(fù)制的部位復(fù)制的反應(yīng)真核生物：細(xì)胞核

原核生物：核質(zhì)區(qū)n1dATP

n2dGTPDNA聚合酶

n3dCTPDNA

n4dTTPDNA

+(n1+n2+n3+n4)PPi底物或原料酶模板產(chǎn)物能量11.2

DNA的生物合成復(fù)制的方式模板鏈新鏈半保留復(fù)制親代DNA的雙螺旋先解旋和分開(kāi)，然后以每條鏈為模板，按照堿基配對(duì)原則，各形成一條互補(bǔ)鏈的復(fù)制方式。每個(gè)子代DNA分子中有一條鏈來(lái)自親代DNA，另一條則是新合成的11.2

DNA的生物合成DNA復(fù)制的忠實(shí)性DNA聚合酶與模板結(jié)合后構(gòu)象發(fā)生改變，從而精確選擇dNTP（具有高度精確性）DNA聚合酶還對(duì)新?lián)饺氲暮塑账徇M(jìn)行校對(duì)，一旦堿基錯(cuò)配，則通過(guò)其3'→5'核酸外切酶的活性進(jìn)行切除DNA合成都是從先合成的一小段RNA引物的3’-OH開(kāi)始，然后再切除引物DNA的損傷修復(fù)系統(tǒng)錯(cuò)誤率為10-9~10-1011.2

DNA的生物合成參與復(fù)制的酶和蛋白質(zhì)DNA聚合酶大腸桿菌DNA聚合酶IDNA聚合酶II

DNA聚合酶III基本活性

5'→3'聚合活性

3'→5'核酸外切活性

以DNA為模板的DNA合成酶以四種脫氧核苷三磷酸為底物反應(yīng)需要有模板的指導(dǎo)反應(yīng)需要有3'-OH存在DNA鏈的合成方向?yàn)?'→3'11.2

DNA的生物合成DNA聚合酶的5'→3'聚合活性11.2

DNA的生物合成DNA聚合酶I催化的反應(yīng)

（3'→5'外切酶活性）11.2

DNA的生物合成大腸桿菌DNA聚合酶的催化活性和功能DNA聚合酶催化活性功能DNA聚合酶I5'→3'核酸聚合酶活性催化DNA鏈沿5'→3'方向延長(zhǎng)5'→3'核酸外切酶活性切去引物RNA或損傷的DNA片段，補(bǔ)上正確的DNA片段3'→5'核酸外切酶活性切除單鏈DNA的3'末端，“校對(duì)”功能，對(duì)DNA復(fù)制的忠實(shí)性極為重要DNA聚合酶II5'→3'核酸聚合酶活性與DNA修復(fù)有關(guān)3'→5'核酸外切酶活性DNA聚合酶III5'→3'核酸聚合酶活性3'→5'核酸外切酶活性真正負(fù)責(zé)從新合成DNA的復(fù)制酶11.2

DNA的生物合成DNA連接酶催化DNA雙鏈中一條鏈上的切口（3'-OH與它下游相鄰的核苷酸的5'-磷酸之間）共價(jià)連接形成磷酸二酯鍵AMP11.2

DNA的生物合成引物酶以單鏈DNA為模板，以ATP、GTP、CTP、UTP為原料，從5'→3'方向合成出RNA片段，即引物使DNA雙螺旋解開(kāi)的酶和蛋白質(zhì)解螺旋酶單鏈結(jié)合蛋白（SSB）拓?fù)洚悩?gòu)酶11.2

DNA的生物合成DNA聚合酶III引物酶解旋酶DNA聚合酶III

單鏈結(jié)合蛋白參與復(fù)制的酶與蛋白質(zhì)11.2

DNA的生物合成大腸桿菌DNA復(fù)制的過(guò)程

解旋：拓?fù)洚悩?gòu)酶解除DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)

解鏈：解螺旋酶解開(kāi)雙鏈DNA，再由單鏈結(jié)合蛋白與之結(jié)合，防止氫鍵形成

識(shí)別起點(diǎn)：由DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶即引物酶完成

生成引物：以DNA為模板在引物酶催化下由DNA轉(zhuǎn)錄生成

DNA的合成：在RNA引物3’末端上按堿基互補(bǔ)原則經(jīng)DNA聚合酶III催化生成

切除引物：DNA聚合酶I催化切除引物即得岡崎片段

補(bǔ)齊封口：DNA聚合酶I按堿基互補(bǔ)原則沿5’→3’填補(bǔ)兩個(gè)岡崎片段之間的缺口。其3’末端羥基與下一個(gè)DNA片段5’末端磷酸基，在DNA連接酶催化下形成磷酸二酯鍵而被連結(jié)起來(lái)，最終形成DNA模板鏈的互補(bǔ)鏈11.2

DNA的生物合成復(fù)制的啟動(dòng)復(fù)制眼的形成復(fù)制起點(diǎn)（ori）原核生物：一般只有一個(gè)真核生物：多個(gè)復(fù)制叉復(fù)制叉復(fù)制叉：復(fù)制眼形成后，其兩端的叉子狀結(jié)構(gòu)，是DNA新鏈的生長(zhǎng)點(diǎn)11.2

DNA的生物合成復(fù)制叉的推進(jìn)復(fù)制叉推進(jìn)的方式——半不連續(xù)復(fù)制前導(dǎo)鏈：合成方向和復(fù)制叉前進(jìn)方向相同，可連續(xù)復(fù)制滯后鏈：合成方向和復(fù)制叉前進(jìn)方向相反，不能連續(xù)復(fù)制，只能分成幾個(gè)片段合成11.2

DNA的生物合成半不連續(xù)復(fù)制：DNA雙螺旋的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?，而合成方向只能?’→3’。所以在DNA復(fù)制時(shí)，一條鏈可連續(xù)復(fù)制，而另一條鏈不能連續(xù)復(fù)制，只能先合成岡崎片段后再連接起來(lái)岡崎片段：滯后鏈中合成的多個(gè)DNA片段11.2

DNA的生物合成引物合成前導(dǎo)鏈的合成滯后鏈的合成岡崎片段岡崎片段引物合成復(fù)制叉推進(jìn)的過(guò)程新形成岡崎片段延長(zhǎng)至下游岡崎片段的RNA引物11.2

DNA的生物合成復(fù)制眼的增大雙向復(fù)制：兩個(gè)復(fù)制叉都是生長(zhǎng)點(diǎn)每條新合成的DNA鏈中既有前導(dǎo)鏈，又有滯后鏈11.2

DNA的生物合成復(fù)制的結(jié)束切口引物切除缺口填補(bǔ)切口連接11.2

DNA的生物合成原核生物：環(huán)狀的DNA從單點(diǎn)開(kāi)始雙向復(fù)制，使兩個(gè)復(fù)制叉在復(fù)制原點(diǎn)的對(duì)面處相遇并合并，從而結(jié)束復(fù)制，形成兩個(gè)環(huán)狀DNA分子11.2

DNA的生物合成真核生物：線狀DNA上有多個(gè)復(fù)制起點(diǎn)，因此形成多個(gè)復(fù)制眼，復(fù)制叉的推進(jìn)使復(fù)制眼增大，直至各個(gè)復(fù)制眼融合復(fù)制終止，形成兩個(gè)線狀DNA分子11.2

DNA的生物合成逆轉(zhuǎn)錄依賴RNA的DNA聚合酶RNA酶H活力依賴DNA的DNA聚合酶逆轉(zhuǎn)錄酶5'3'5'引物5'3'5'3'逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶在逆轉(zhuǎn)錄酶催化下，以RNA為模板，以dNTP為底物，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則合成DNA的過(guò)程cDNA逆轉(zhuǎn)錄病毒生命周期11.2

DNA的生物合成病毒侵入細(xì)胞病毒的RNA基因組在細(xì)胞質(zhì)中逆轉(zhuǎn)錄形成雙鏈的前病毒DNA前病毒DNA轉(zhuǎn)送到細(xì)胞核，并整合到宿主染色體上結(jié)合后的原病毒使用宿主細(xì)胞的RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄其自己部分轉(zhuǎn)錄的信息被翻譯成病毒蛋白質(zhì)，組裝成新病毒釋放自學(xué)11.2

DNA的生物合成PCR技術(shù)即聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，指在引物指導(dǎo)下由酶催化的對(duì)特定模板（克隆或基因組DNA）的擴(kuò)增反應(yīng)，是模擬體內(nèi)DNA復(fù)制過(guò)程，在體外特異性擴(kuò)增DNA片段的一種技術(shù)自學(xué)11.2

DNA的生物合成PCR反應(yīng)的基本過(guò)程模板DNA的變性模板DNA與引物的退火引物的延伸PCR反應(yīng)的五個(gè)元素：引物、酶、dNTP、模板和Mg2+循環(huán)11.2

DNA的生物合成PCR反應(yīng)的特點(diǎn)

強(qiáng)特異性

高靈敏度

快速簡(jiǎn)便

低純度模板瓊脂糖凝膠電泳觀察PCR反應(yīng)產(chǎn)物點(diǎn)樣孔－

＋標(biāo)準(zhǔn)分子量產(chǎn)物條帶DNA損傷的類型細(xì)胞內(nèi)的DNA可能因物理或化學(xué)因素而受到損傷，例如射線輻射、化學(xué)誘變劑和受熱等。此外，DNA復(fù)制產(chǎn)生的誤差也可能造成DNA損傷11.3

DNA損傷、修復(fù)與疾病

堿基改變堿基丟失

核苷酸插入或缺失DNA鏈斷裂DNA鏈間共價(jià)交聯(lián)DNA損傷的修復(fù)機(jī)制11.3

DNA損傷、修復(fù)與疾病光復(fù)活可見(jiàn)光（400nm）能激活細(xì)胞內(nèi)的光復(fù)活酶、光裂合酶，可分解因紫外線照射而形成的嘧啶二聚體11.3

DNA損傷、修復(fù)與疾病切除修復(fù)切開(kāi)（切）切除（切）合成（補(bǔ)）連接（縫）最普遍11.3

DNA損傷、修復(fù)與疾病重組修復(fù)受損傷的DNA在復(fù)制時(shí)，跳過(guò)損傷部位，在子代DNA鏈與損傷相對(duì)應(yīng)部位出現(xiàn)缺口。通過(guò)分子間重組，從完整的母鏈上將相應(yīng)的堿基順序片段移至子鏈的缺口處，然后再用合成的多核苷酸來(lái)補(bǔ)上子鏈的空缺，此過(guò)程即重組修復(fù)，并非完全校正11.3

DNA損傷、修復(fù)與疾病SOS修復(fù)DNA受到嚴(yán)重?fù)p傷、細(xì)胞處于危急狀態(tài)時(shí)所誘導(dǎo)的一種DNA修復(fù)方式，修復(fù)結(jié)果只是能維持基因組的完整性，提高細(xì)胞的生存率，但留下的錯(cuò)誤較多DNA損傷與疾病11.3

DNA損傷、修復(fù)與疾病先天性代謝缺陷由于基因突變?cè)斐蛇z傳性酶缺陷，影響生化反應(yīng)，導(dǎo)致代謝中止或紊亂，從而患病分子病由于基因突變導(dǎo)致非酶蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)或數(shù)量發(fā)生異常，引起一系列病理生理變化造成疾病-鏈N端氨基酸排列順序12345678

Hb-A（正常人）Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…

Hb-S（患者）Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys…11.4

RNA的生物合成和加工RNA生物合成的方式轉(zhuǎn)錄的概念轉(zhuǎn)錄的過(guò)程RNA轉(zhuǎn)錄后的加工與修飾RNA生物合成的方式DNA指導(dǎo)的RNA合成（轉(zhuǎn)錄）生物體內(nèi)主要的合成方式RNA指導(dǎo)的RNA合成（RNA復(fù)制）常見(jiàn)于病毒11.4

RNA的生物合成和加工轉(zhuǎn)錄的概念11.4

RNA的生物合成和加工以DNA分子中一條鏈的部分片段為模板，按照堿基配對(duì)原則，按5’→3’方向合成出一條與模板DNA鏈互補(bǔ)的RNA分子的過(guò)程11.4

RNA的生物合成和加工真核生物：細(xì)胞核

原核生物：核質(zhì)區(qū)核仁：rRNA

核質(zhì)：mRNA，tRNA原料：NTP模板：DNA

酶：RNA聚合酶其它蛋白質(zhì)因子參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)轉(zhuǎn)錄的部位11.4

RNA的生物合成和加工n1ATP

n2GTPRNA聚合酶

n3CTPDNA

n4UTPRNA

+(n1+n2+n3+n4)PPi底物或原料酶模板產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄的反應(yīng)能量11.4

RNA的生物合成和加工轉(zhuǎn)錄的方式不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄：轉(zhuǎn)錄區(qū)只有一小段DNA的一條鏈作為模板鏈進(jìn)行轉(zhuǎn)錄11.4

RNA的生物合成和加工模板鏈（反義鏈、負(fù)鏈）：可作為轉(zhuǎn)錄模板的DNA的一條鏈，與轉(zhuǎn)錄的RNA反義，編碼鏈?zhǔn)轻槍?duì)某一基因而言編碼鏈（有義鏈、正鏈）：不參與轉(zhuǎn)錄的DNA的一條鏈，其序列與轉(zhuǎn)錄的RNA相同，只是編碼鏈中的T在RNA中為U11.4

RNA的生物合成和加工模板鏈不固定在DNA的某一條鏈上，而是兩條鏈中交互出現(xiàn)，使轉(zhuǎn)錄也交替出現(xiàn)轉(zhuǎn)錄單位：DNA鏈上從啟動(dòng)子直到終止子為止的序列。一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位包括一個(gè)或幾個(gè)基因RNA聚合酶11.4

RNA的生物合成和加工特點(diǎn)以DNA為模板都以四種三磷酸核苷為底物和原料都遵循DNA與RNA之間的堿基配對(duì)原則RNA鏈的延長(zhǎng)方向是5’→3’的連續(xù)合成需要Mg2+或Mn2+離子不需要引物缺乏3’→5’外切酶活性11.4

RNA的生物合成和加工大腸桿菌RNA聚合酶啟動(dòng)子

a2bb’s（全酶）=a2bb’（核心酶）+

s

識(shí)別DNA上轉(zhuǎn)錄起始信號(hào)的堿基序列（啟動(dòng)子），引導(dǎo)核心酶結(jié)合到啟動(dòng)子

與啟動(dòng)子結(jié)合，決定哪個(gè)基因被轉(zhuǎn)錄與DNA模板結(jié)合催化磷酸二酯鍵的形成，與轉(zhuǎn)錄全過(guò)程有關(guān)11.4

RNA的生物合成和加工真核生物RNA聚合酶種類分布合成的RNA類型對(duì)a-鵝膏蕈堿的敏感性I核仁

rRNA

不敏感

II核質(zhì)

hnRNA低濃度敏感III核質(zhì)

tRNA，5SrRNA

高濃度敏感Mt線粒體線粒體RNAs

不敏感與RNA聚合酶II特異性結(jié)合，從而抑制磷酸二酯鍵的形成。用于真核細(xì)胞RNA聚合酶的識(shí)別或RNA聚合酶II的定量等11.4

RNA的生物合成和加工轉(zhuǎn)錄與復(fù)制的比較比較點(diǎn)復(fù)制轉(zhuǎn)錄模板兩條母鏈DNADNA雙鏈中反義的一條鏈，只發(fā)生在一部分基因上合成原料

dNTP（A、G、C、T）NTP（A、G、C、U）合成產(chǎn)物

DNAmRNA、tRNA、rRNA等引物需要一段RNA引物不需要引物配對(duì)

A—T，C—GA—U，T—A，G—C調(diào)控區(qū)存在復(fù)制產(chǎn)物序列中存在轉(zhuǎn)錄開(kāi)始位點(diǎn)的上游聚合酶

DNA聚合酶RNA聚合酶（無(wú)校對(duì)功能）共同點(diǎn)①都以DNA作模板；②都需核苷酸作原料，都從5’向3’延長(zhǎng)；③產(chǎn)物都是長(zhǎng)長(zhǎng)的聚核苷酸鏈；④都遵從堿基配對(duì)規(guī)律；⑤都需要依賴DNA的聚合酶11.4

RNA的生物合成和加工負(fù)超螺旋正超螺旋轉(zhuǎn)錄泡3’5’轉(zhuǎn)錄的過(guò)程啟動(dòng)起始延伸

終止11.4

RNA的生物合成和加工轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)啟動(dòng)子：RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合的DNA上一段特殊的核苷酸序列由RNA聚合酶全酶結(jié)合于啟動(dòng)子而被啟動(dòng)11.4

RNA的生物合成和加工轉(zhuǎn)錄的起始局部解鏈（約17個(gè)堿基對(duì)）第一個(gè)核苷三磷酸結(jié)合到全酶上“啟動(dòng)子-全酶-核