第十一章核酸合成代謝資料祥解課件

第十一章核酸合成代謝第十一章核酸合成代謝1概述核酸是生物體遺傳的物質基礎。遺傳的基本單位是基因?；蚓幋a的生物活性產物主要是RNA和蛋白質。蛋白質的生命活動的執(zhí)行者。遺傳信息的傳遞遵循基本的法則，即從DNA→DNA（復制），從DNA→RNA（轉錄）,再由RNA→蛋白質（翻譯）。該法則就是著名的生物遺傳信息傳遞的“中心法則”。此法則代表絕大多數(shù)生物體內遺傳信息傳遞的方向和規(guī)律，成為生命科學研究的基本法則。概述核酸是生物體遺傳的物質基礎。2中心法則遺傳信息傳遞的規(guī)律(復制、轉錄、翻譯).

轉錄翻譯

DNARNA蛋白質

mRNAtRNA

反轉錄

rRNA

轉錄、翻譯

RNA（病毒）蛋白質（病毒）

復制復制中心法則遺傳信息傳遞的規(guī)律(復制、轉錄、翻譯).3第一節(jié)DNA的生物合成

生物體內DNA生物合成的方式主要是復制、修復和逆轉錄。一、NDA復制概念和主要物質（一）DNA復制概念及其特點

DNA復制：是親代雙鏈DNA按堿基配對原則，準確形成兩個相同核苷酸序列的子代DNA分子的過程。兩條DNA鏈都可作為復制的模板。第一節(jié)DNA的生物合成生物體內DNA生物合成的4DNA復制的特點1、半保留性2、高保真性3、半不連續(xù)性4、雙向性DNA復制的特點1、半保留性51、DNA的半保留復制DNA在復制時，兩條鏈分開，在DNA聚合酶的催化下按堿基配對方式按照單鏈DNA的核苷酸順序合成新鏈，以組成新的DNA分子。這樣新形成的兩個子代DNA分子堿基序列與親代分子完全一樣。一條鏈來自親代的DNA鏈，另一條鏈是新合成的，這種復制方式稱為半保留復制。1、DNA的半保留復制DNA在復制時，兩條鏈分開，在DNA聚6第十一章核酸合成代謝資料祥解課件72、高保真性DNA復制過程中維持高保真的機制至少有三種：①嚴格遵守堿基配對規(guī)律②DNA聚合酶在復制延長過程中對堿基的選擇功能③DNA聚合酶的校讀功能4、雙向性3、半不連續(xù)性2、高保真性DNA復制過程中維持高保真的機制至少有三種：8（二）

參與DNA復制的主要物質

原料：四種脫氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP)

模板：以DNA的兩條鏈為模板鏈，合成子代DNA。模板的利用方向是3‘－5’。

引物：一小段RNA(或DNA）為引物，在大腸桿菌中，DNA的合成需要一段RNA鏈作為引物。（二）參與DNA復制的主要物質原料：四種脫氧核苷三92.單鏈DNA結合蛋白3.拓撲異構酶1.解螺旋酶DNA復制4.引物酶5.DNA聚合酶6.DNA連接酶參與DNA復制的一些引物與酶類2.單鏈DNA結合蛋白3.拓撲異構酶1.解螺旋酶DNA復制4101、解螺旋酶解螺旋酶又稱解鏈酶或rep蛋白利用ATP供能，作用于氫鍵，使DNA雙鏈解開成為兩條單鏈。每解開一對堿基，需消耗2分子ATP。1、解螺旋酶解螺旋酶又稱解鏈酶或rep蛋白113、拓撲異構酶DNA復制時雙鏈DNA解開為單鏈，DNA分子繞雙螺旋軸反向旋轉。復制速度快，旋轉的速度也很快，將達100次/秒，造成DNA分子的打結、纏繞現(xiàn)象發(fā)生。需要DNA拓撲異構酶的作用，來理順DNA雙鏈，以配合復制過程。3、拓撲異構酶DNA復制時雙鏈DNA解開為單鏈，DNA分子12解鏈過程中，DNA分子會過度擰緊、打結、纏繞、連環(huán)等現(xiàn)象。3、拓撲異構酶解鏈過程中，DNA分子會過度擰緊、打結、纏繞、連環(huán)等現(xiàn)象。313拓撲異構酶作用特點既能水解、又能連接磷酸二酯鍵克服解鏈過程中的打結、纏繞現(xiàn)象

拓撲異構酶Ⅰ

拓撲異構酶Ⅱ分類3、拓撲異構酶拓撲異構酶作用特點拓撲異構酶Ⅰ分類3、拓撲異構酶14拓撲異構酶Ⅰ切斷DNA雙鏈中一股鏈，使DNA解鏈旋轉不致打結；適當時候封閉切口，DNA變?yōu)樗沙跔顟B(tài)。反應不需ATP。拓撲異構酶Ⅱ切斷DNA分子兩股鏈，斷端通過切口旋轉使超螺旋松弛。利用ATP供能，連接斷端，DNA分子進入負超螺旋狀態(tài)。（主要）作用機制拓撲異構酶Ⅰ切斷DNA雙鏈中一股鏈，使DNA解鏈旋轉不致打結15拓撲異構酶Ⅰ的作用拓撲異構酶Ⅰ的作用16拓撲異構酶Ⅱ的作用拓撲異構酶Ⅱ的作用176、DNA連接酶——催化雙鏈DNA中的切口處的相鄰5‘-磷酸基與3’-羥基之間形成磷酸酯鍵，從而把兩段相鄰的DNA鏈連接成一條完整的鏈?！荒軐蓷l游離的DNA單鏈連接起來。6、DNA連接酶——催化雙鏈DNA中的切口處的相鄰5‘-磷酸18HO5’3’3’5’DNA連接酶ATP（NAD+）AMP5’3’5’3’DNA連接酶：若雙鏈DNA中一條鏈有切口,一端是3′-OH,另一端是5′-磷酸基,連接酶可催化這兩端形成磷酸二酯鍵，而使切口連接。HO5’3’3’5’DNA連接酶ATP（NAD+）AMP5’19

在復制中起接合雙鏈中單鏈缺口的作用。在DNA復制、修復、重組中均起重要作用。是基因工程的重要工具酶之一。DNA連接酶的功能在復制中起接合雙鏈中單鏈缺口的作用。DNA連接酶的功能20二DNA復制的基本過程DNA復制是一個連續(xù)的階段。分為三個過程：（一）起始階段DNA分子的復制起始部位有其特殊的堿基序列，原核生物DNA分子較小，每一DNA分子只有一個復制原點，而真核生物DNA則有多個復制原點。PS:原核生物包括細菌,藍藻,原綠藻,特別要記住的是支原體,衣原體,和放線菌等細菌.真核生物包括原生生物,真菌,植物,動物。整個起始階段包括DNA解鏈、引發(fā)體的形成和引物的生成3個過程。二DNA復制的基本過程DNA復制是一個連續(xù)的階段。分為三211、復制叉的形成解鏈的蛋白有：DnaA、DnaB、DnaC3種蛋白，其中DnaB以前稱為復制蛋白，后來稱為解螺旋酶。單鏈DNA結合蛋白質的意義：①保持已解開的單鏈處于單鏈狀況，②保護已解開的單鏈不被核酸酶水解，③維持復制叉的適當長度以利于脫氧核苷酸依據(jù)模板參入。拓樸異構酶可以將打結的DNA鏈切斷，或者通過切斷與旋轉和再連續(xù)作用實現(xiàn)DNA超螺旋的轉型，把正超螺旋變?yōu)樨摮菪?，有利于解鏈的繼續(xù)。1、復制叉的形成解鏈的蛋白有：DnaA、DnaB、DnaC22復制原點由DnaA蛋白識別，在原點由DnaB蛋白（解螺旋酶）將雙螺旋解開成單鏈狀態(tài)，分別作為模板，合成其互補鏈(DNA雙鏈的解開還需DNA拓撲異構酶Π、SSB),在原點處形成一個眼狀結構，叫復制眼。

DNA復制進行時，在眼的兩側出現(xiàn)兩個叉子狀的生長點，叫復制叉。在復制叉上分布著各種與復制有關的酶和蛋白因子，它們構成的復合物稱為復制體復制叉復制叉復制原點由DnaA蛋白識別，在原點由DnaB蛋白（解螺旋酶232、引發(fā)體的形成

在復制叉結構形成并穩(wěn)定的基礎上，引物酶介入并與兩條DNA單鏈結合。此時，有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶等物質和DNA復制起始區(qū)域構成的復合結構稱為引發(fā)體。2、引發(fā)體的形成在復制叉結構形成并穩(wěn)定的基礎上24

引發(fā)體在復制叉上移動，DnaB蛋白活化引物合成酶,引發(fā)RNA引物的合成。領頭鏈先引發(fā)開始合成，以原來一條DNA單鏈為模板（3’

5’),按5’

3’的方向合成一段RNA引物鏈。領頭鏈開始合成后，后隨鏈也開始合成其引物。引物長度約為幾個至10個核苷酸，在引物的5’端含3個磷酸殘基（引物酶的底物是核苷三磷酸），3’端為游離的-OH。3、RNA引物的合成553領頭鏈(leadingstrand)后隨鏈(laggingstrand)引發(fā)體在復制叉上移動，DnaB蛋白活化引物合成酶,引發(fā)255353535326在DNA聚合酶的催化下，以四種脫氧核糖核苷5’-三磷酸為底物，在RNA引物的3’端以磷酸二酯鍵連接上脫氧核糖核苷酸并釋放出焦磷酸。DNA鏈的延伸同時進行,領頭鏈和后隨鏈兩條鏈的合成方向相反。（二）DNA鏈的延伸階段在DNA聚合酶的催化下，以四種脫氧核糖核苷5’-三磷酸27領頭鏈—在DNA復制時，合成方向與復制叉移動的方向一致并連續(xù)合成的鏈。隨后鏈—在DNA復制時，合成方向與復制叉移動的方向相反，形成許多不連續(xù)的片段，最后再連成一條完整的DNA鏈。半不連續(xù)復制—在DNA復制時，領頭鏈是連續(xù)合成的,而隨后鏈的合成是不連續(xù)的，這種復制方式稱為半不連續(xù)復制。半不連續(xù)復制的發(fā)現(xiàn)（1968）：同位素實驗，3H標記dT短時間內檢測為DNA小片段，片段的長度為1000～2000核苷酸殘基，后來稱為崗崎片段一段時間后檢測到DNA大片段。當用DNA連接酶的變異株時，檢測到大量小DNA片段的積累?！C明DNA復制中有小片段合成。領頭鏈—在DNA復制時，合成方向與復制叉移動的方向一致并連續(xù)28

岡崎片段在DNA復制過程中，領頭鏈能連續(xù)合成，而隨后鏈只能是斷續(xù)的合成5

3

的多個短片段，這些不連續(xù)的小片段以其發(fā)現(xiàn)者的名字命名為岡崎片段。

岡崎片段大小：真核生物：100-200個核苷酸（核小體的DNA單位）。原核生物：1000-2000個核苷酸（相當于一個順反子）。岡崎片段29當新形成的岡崎片段延長至一定長度，其3’-OH端遇到上一個岡崎片段時即停止合成。前導鏈合成隨復制叉移動到起始點即停止復制（大腸桿菌只有一個起始點）。（三）復制終止

－－切除RNA引物，填補缺口，連接相鄰的DNA片段當新形成的岡崎片段延長至一定長度，其3’-OH端遇到30這時會發(fā)生一系列變化：在DNA聚合酶Ⅰ催化下切除RNA引物；留下的空隙由DNA聚合酶Ⅰ催化合成一段DNA填補上；在DNA連接酶作用下，連接相鄰的DNA鏈；修復摻入DNA鏈的錯配堿基。這樣以兩條親代DNA鏈為模板，各自形成一條新的DNA互補鏈。結果是形成了兩個DNA雙股螺旋分子。這時會發(fā)生一系列變化：在DNA聚合酶Ⅰ催化下切除RN31真核生物中DNA的復制特點1、真核生物染色體有多個復制起點，多復制眼，呈雙向復制，多復制子。2、岡崎片段長約100－200bp.3、真核生物DNA復制速度比原核快。4、真核生物染色體在全部復制完之前起點不再重新開始復制；5、真核生物有多種DNA聚合酶。6、真核生物線性染色體兩端有端粒結構，防止染色體間的末端連接。由端粒酶負責新合成鏈5

RNA引物切除后的填補，亦保持端粒的一定長度。真核生物中DNA的復制特點1、真核生物染色體有多個復制起點，32定義:以RNA為模板，按照RNA中的核苷酸順序合成DNA稱為逆轉錄，由逆轉錄酶催化進行。1970年Temin和Baltimore同時分別從勞氏肉瘤病毒和小白鼠白血病病毒等致病RNA病毒中分離出逆轉錄酶，迄今已知的致癌RNA病毒都含有逆轉錄酶。

用特異抑制物（放線菌素D）能抑制致癌RNA病毒的復制，而對一般RNA病毒的復制無影響。已知放線菌素D專門抑制以DNA為模板的反應，可見致癌RNA病毒的復制過程必然涉及到DNA。所以Temin提出前病毒的假說。第二節(jié)逆轉錄過程定義:以RNA為模板，按照RNA中的核苷酸順序合成DNA稱為33+RNA+DNA-RNA+DNA-DNA+病毒RNA的逆轉錄過程

（以前病毒形式引起整合到宿主細胞DNA中而使細胞惡性轉化）

單鏈病毒RNA

RNA-DNA雜交分子雙鏈DNA（前病毒）

逆轉錄酶逆轉錄酶逆轉錄酶也和DNA聚合酶一樣，沿5’

3’方向合成DNA，并要求短鏈RNA作引物。+RNA+DNA-RNA+DNA-DNA+逆轉錄酶逆轉錄酶逆34

逆轉錄酶是多功能酶，兼有3種酶的活性：RNA指導的DNA聚合酶活性

DNA指導的DNA聚合酶活性

RNA酶活性逆轉錄酶是多功能酶，兼有3種酶的活性：35逆轉錄酶發(fā)現(xiàn)的理論和實踐意義：不能把“中心法則”絕對化，遺傳信息也可以從RNA傳遞到DNA。促進了分子生物學、生物化學和病毒學的研究，為腫瘤的防治提供了新的線索。目前逆轉錄酶已經成為研究這些學科的工具。1983年，發(fā)現(xiàn)人類免疫缺陷病毒（humanimmunedeficiencevirus,HIV）,感染T淋巴細胞后即殺死細胞，造成宿主機體免疫系統(tǒng)損傷，引起艾滋?。╝cquiredimmunodeficiencysyndrome,AIDS）逆轉錄酶發(fā)現(xiàn)的理論和實踐意義：1983年，發(fā)現(xiàn)人類免疫缺陷病36第三節(jié)RNA的生物合成1、DNA指導下RNA的合成——轉錄

以DNA的一條鏈為模板，在RNA聚合酶催化下，以四種核糖核苷磷酸為底物，按照堿基配對原則，形成3′,5′-磷酸二酯鍵，合成一條與DNA鏈的一定區(qū)段互補的RNA鏈的過程稱為轉錄。第三節(jié)RNA的生物合成1、DNA指導下RNA的合成——轉錄37相同點：1.都以DNA為模板

2.原料為核苷酸

3.合成方向均為5′→3′方向

4.都需要依賴DNA的聚合酶

5.遵守堿基互補配對規(guī)律

6.產物為多聚核苷酸鏈轉錄和復制的異同相同點：1.都以DNA為模板轉錄和復制的異同38

不同點：復制轉錄模板兩股鏈均作為模板模板鏈作為模板原料

dNTPNTP

聚合酶

DNA聚合酶RNA聚合酶產物子代DNA雙鏈mRNA;tRNA;rRNA

配對A-T；G-CA-U；T-A；G-C

引物需RNA引物不需要引物

方式(特點)

半保留復制不對稱轉錄轉錄和復制的異同不同點：復制39DNA分子中能轉錄出mRNA然后指導蛋白質合成的部分稱為結構基因。其余的DNA可能轉錄(rRNA,tRNA),也可能不轉錄。結構基因的雙鏈中，只有一股鏈可作為模板轉錄成RNA，稱為模板鏈（負鏈、反意義鏈）。DNA分子中能轉錄出mRNA然后指導蛋白質合成的部分稱為結構40與模板相對應的互補鏈，編碼區(qū)的堿基序列與mRNA的密碼序列相同，稱為編碼鏈（正鏈、有意義鏈）。不對稱轉錄:不同基因的模板鏈與編碼鏈在DNA分子上并不是固定在某一股鏈的現(xiàn)象。與模板相對應的互補鏈，編碼區(qū)的堿基序列與mRNA的密碼序列相41

轉錄是依賴DNA的RNA聚合酶，也稱為DNA指導的RNA聚合酶，簡稱為RNA聚合酶。

①σ因子：識別并結合啟動子的亞基，辨認轉錄起始點，但不能單獨與DNA模板結合；

②原核生物的RNA聚合酶

（大腸桿菌RNA聚合酶）分子量為450kDa，由四個亞基組成α2ββ′σ(全酶)去掉σ亞基稱為核心酶（1）參與轉錄的酶轉錄是依賴DNA的RNA聚合酶，也稱為DNA指導的R42大腸桿菌RNA聚合酶核心酶全酶

大腸桿菌RNA聚合酶核心酶全酶43

啟動子：被RNA聚合酶識別、結合并開始轉錄的模板DNA的部位，稱為啟動子。

終止子在一個基因的末端往往有一段特定順序，它具有轉錄終止的功能，這段終止信號的順序稱為終止子。啟動子：被RNA聚合酶識別、結合并開始轉錄的模板DNA的部44③真核生物的RNA聚合酶RNA聚合酶Ⅰ：存在核仁中，主要催化rRNA前體的轉錄

RNA聚合酶Ⅱ：存在于核質中，催化mRNA前體的轉錄

RNA聚合酶Ⅲ：存在于核質中，催化小分子量RNA的轉錄③真核生物的RNA聚合酶RNA聚合酶Ⅰ：存在核仁中，主要催45（2）RNA的轉錄過程RNA轉錄過程起始延伸終止（2）RNA的轉錄過程RNA轉錄過程起始