核酸和蛋白質(zhì)的生物合成

第十章核酸和蛋白質(zhì)的生物合成第一節(jié)中心法則第二節(jié)DNA的生物合成第三節(jié)RNA的生物合成第四節(jié)蛋白質(zhì)的生物合成第一節(jié)中心法則中心法則（centraldogma）概念概念：遺傳信息貯存在DNA中，DNA被復制傳給子代細胞，之后轉(zhuǎn)錄成RNA，然后RNA翻譯成蛋白質(zhì)的過程。由于逆轉(zhuǎn)錄酶的反應(yīng)，也可以以RNA為模板合成DNA中心法則描述了基因到相應(yīng)蛋白質(zhì)的信息流動的途徑，也表明DNA、RNA和蛋白質(zhì)之間的關(guān)系遺傳信息傳遞的中心法則

蛋白質(zhì)翻譯轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄復制復制DNARNA生物的遺傳信息以密碼的形式儲存在DNA分子上，表現(xiàn)為特定的核苷酸排列順序。在細胞分裂的過程中，通過DNA復制把親代細胞所含的遺傳信息忠實地傳遞給兩個子代細胞。在子代細胞的生長發(fā)育過程中，這些遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄傳遞給RNA，再由RNA通過翻譯轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的蛋白質(zhì)多肽鏈上的氨基酸排列順序，由蛋白質(zhì)執(zhí)行各種各樣的生物學功能，使后代表現(xiàn)出與親代相似的遺傳特征。后來人們又發(fā)現(xiàn)，在宿主細胞中一些RNA病毒能以自己的RNA為模板復制出新的病毒RNA，還有一些RNA病毒能以其RNA為模板合成DNA，稱為逆轉(zhuǎn)錄這是中心法則的補充。

中心法則總結(jié)了生物體內(nèi)遺傳信息的流動規(guī)律，揭示遺傳的分子基礎(chǔ)，不僅使人們對細胞的生長、發(fā)育、遺傳、變異等生命現(xiàn)象有了更深刻的認識，而且以這方面的理論和技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展了基因工程，給人類的生產(chǎn)和生活帶來了深刻的革命。DNA是自身復制的模板DNA通過轉(zhuǎn)錄作用將遺傳信息傳遞給中間物質(zhì)RNARNA通過翻譯作用將遺傳信息表達成蛋白質(zhì)第二節(jié)DNA的生物合成一有關(guān)DNA復制的酶（一）DNA聚合酶(DNApolymerases)作用：以單鏈DNA為模板，以dNTP為原料，合成完整DNA分子催化合成DNA的四個條件模板(template)：解開的DNA單鏈引物(primer)：RNA片段合成方向：新鏈5’→3’方向底物：dNTP（Mg2+為輔助因子）DNA聚合酶催化的鏈延長反應(yīng)5′RNA引物子鏈3′3′5′5′3′3′5′5′3′3′5′模板鏈1原核生物DNA聚合酶三種：酶Ⅰ—含量多、聚合活力?。?’→5’外切，改正合成中出現(xiàn)的錯誤，消除錯配的堿基；5’→3’外切，去除引物酶Ⅱ—含量多、聚合活力?。幻涪蛟诿涪?、酶Ⅲ不存在時發(fā)揮作用酶Ⅲ—聚合作用大以DNA聚合酶I為代表說明三個酶的特性

DNA聚合酶I是一個模板指導酶需要打開的DNA單鏈作為模板才能合成子鏈底物必須是dNTP，并且只有當所有4種脫氧核苷三磷酸以及DNA模板存在時，才能實現(xiàn)DNA的合成

DNA聚合酶Ⅰ需要引物DNA聚合酶Ⅰ只能將脫氧核苷酸加于已存在的DNA或RNA鏈的3’-羥基上，缺少則不能合成。即需要一個有游離的3’-羥基作為“引物”才能合成DNA子鏈在有3‘-羥基引物存在時，脫氧核苷5’-三磷酸中α磷原子與3’-羥基結(jié)合，形成磷酸二酯鍵，放出一個焦磷酸（PPi）。焦磷酸水解驅(qū)動了聚合反應(yīng)。可見這是一個耗能反應(yīng)，每合成一個核苷酸消耗2分子ATP聚合反應(yīng)是延著5’→3’方向進行

DNA聚合酶I還具有水解作用DNA聚合酶除聚合作用外，還具有將DNA鏈從3’羥基端逐個水解成單核苷酸的作用；同時又具有從5’端對DNA進行水解的作用所以DNA聚合酶I是一個3’→5’核酸外切酶，又是5’→3’核酸外切酶。這兩種酶活性對DNA的復制都是十分重要的DNA聚合酶I具有外切活力的作用DNA復制過程中如果摻入的是一個錯誤的核苷酸時，將抑制DNA聚合酶I的聚合作用而引發(fā)3’→5’的外切活性，于是就從3’端移除最后面錯配的核苷酸，聚合酶再發(fā)揮聚合作用，用正確的互補核苷酸取代已被清除的核苷酸，這種修復稱為“校對”在復制中由于含有一段引物，只有將它除去，并代之以脫氧核苷酸才能連接成為連續(xù)的DNA分子。聚合酶的5’→3‘的核酸外切酶活性就擔負著從5’端切去引物RNA的功能DNA聚合酶的3′-5′外切活力3′3′5′5′錯配堿基3′-5′核酸外切酶水解位點DNA聚合酶的校對功能聚合酶錯配鹼基復制方向正確核苷酸5′5′5′3′3′3′切除錯配核苷酸DNA聚合酶5′-3′外切酶活力

5′-3′核酸外切酶水解位點單鏈缺口5′大腸桿菌三種DNA聚合酶比較DNA聚合酶Ⅱ分子量每個細胞的分子統(tǒng)計數(shù)5′-3′聚合酶作用3′-5′核酸外切酶作用5′-3′核酸外切酶作用催化DNA合成的速度DNA聚合酶Ⅰ109，000400+++1120，000100++-0.05400，00010-20++-50比較項目DNA聚合酶Ⅲ切除引物修復修復復制主要功能

1999年發(fā)現(xiàn)聚合酶和，它們涉及DNA的錯誤傾向修復希臘字母表α

Α

alpha['?lfa]β

Β

beta['bi:t?/'beit?]γ

Γ

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δ

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φ

Φ

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Χ

chi[kai]ψ

Ψ

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Ω

omega['oumig?/ou'mi:g?]大腸桿菌DNA聚合酶Ⅲ

全酶的結(jié)構(gòu)和功能

延長因子DNA聚合酶Ⅲ兩個亞基夾住DNADNA聚合酶Ⅲ異二聚體核心酶校對引物的結(jié)合和識別促使核心酶二聚化2真核生物DNA聚合酶有五種：α、β、γ、δ、ε在染色體DNA復制中所用的DNA聚合酶為α和δDNA聚合酶β、ε用于DNA修復

DNA聚合酶γ在線粒體中，用于復制線粒體DNA，其它DNA聚合酶均在核內(nèi)RNA引物由攜帶引物酶亞基的DNA聚合酶α合成DNA聚合酶δ有3’-5’外切酶活性，可以校對合成的DNA，并用于合成前導鏈（二）DNA連接酶功能：催化兩個相臨的DNA片段以3’，5’-磷酸二酯鍵連接起來要求：缺口處有一條鏈是連續(xù)的。連接酶連接切口Mg2+連接酶ATP或NAD＋AMP+PPi或NMN+AMPATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPPOHTGGATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPTGGP缺口3'3'5'5'5'5'3'3'模板鏈模板鏈（三）解旋酶和旋轉(zhuǎn)酶1解旋酶（helicase）：解開DNA雙螺旋，使其成為單鏈，做模板2旋轉(zhuǎn)酶（DNA拓撲異構(gòu)酶）：消除DNA超螺旋，有利于DNA雙鍵在復制叉處分開Ⅰ（dnab蛋白）無ATP供能：通過切口，再封口，放出超螺旋應(yīng)力Ⅱ有ATP供能：把松弛型封閉的環(huán)狀雙鏈DNA分子切開，引入負的超螺旋應(yīng)力再封口（四）其它1rep蛋白（解鏈酶）：解開DNA雙螺旋，并水解ATP，形成復制叉2單鏈結(jié)合蛋白（SSB，螺旋降穩(wěn)蛋白）：結(jié)合到解開的單鏈DNA分子上，起穩(wěn)定單鏈的作用3引物酶：合成RNA引物DNA聚合酶都要求一個有自由3’-OH的RNA引物來起始DNA的合成，這段RNA由一種特異的RNA聚合酶合成，此酶稱為引物酶（Primerase）起始時以RNA作為引物的作用

DNA復制為什么要合成一個RNA引物，而后又把這個引物消除呢？這是保證DNA聚合過程高度精確的又一措施。已知DNA聚合酶具有35外切酶功能校對復制過程中的核苷酸，也就是說聚合酶在開始形成一個新的磷酸二酯鍵前，總是檢查前一個堿基是否正確，這就決定了它不能從頭開始合成。因此先合成一條低忠實性的多核苷酸(RNA引物)來開始DNA的合成，并以核糖核苷酸來表示是“暫時”的，當DNA開始聚合以后再以53外切酶的功能切除，以高忠實性的脫氧核苷酸取而代之，確保復制的忠實性。已知復制的誤差率僅為十億分之一至百億分之一，即復制十億到一百億個堿基才可能出一個差錯二DNA的復制方式1復制原則—半保留復制(semi-conservativereplication)概念：親代DNA雙股鏈間的氫鍵斷裂，雙鏈分開，然后以每一條鏈為模板，分別復制出與其互補的子代鏈，從而使一個DNA分子轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之完全相同的兩個DNA分子

DNA復制是半保留復制復制中的大腸桿菌染色體放射自顯影圖

(Caims實驗)

將3H-胸苷標記大腸桿菌DNA，經(jīng)過近兩代的時間，3H-胸苷摻入大腸桿菌DNA。用溶菌酶把細胞壁消化掉，使完整的大腸桿菌染色體DNA釋放出來，放射自顯影，得到上圖。已復制部分（a、b）銀粒子密度較低，由一股放射性鏈和一股非放射性鏈構(gòu)成。未復制部分站整個染色體的三分之二，兩股鏈都是標記的，銀粒子密度為前二者的兩倍。染色體全長約為1100微米。cab環(huán)狀DNA的復制

ABC2半不連續(xù)復制—新鏈一條連續(xù)合成，一條不連續(xù)合成原因：DNA兩條鏈都作為模板，兩條模板鏈反平行，一條是5’→3’；另一條是3’→5’，但DNA聚合酶只能按5’→3’方向催化合成

三復制的過程（一）復制的起始1起始點原核生物從單一起始點（特定位點）開始，由兩個方向向外進行（即它是雙向的），與單一起始點相連的復制的DNA部分稱為復制泡或復制眼，并形成兩個在DNA上反向運動的復制叉(replicationfork)復制叉形成時需要有rep蛋白及單鏈結(jié)合蛋白的幫助，前進時需要有拓撲異構(gòu)酶II參與釋放應(yīng)力

DNA復制開始于特定的起點DNA的雙向和單向復制環(huán)狀

DNA復制時所形成的Q結(jié)構(gòu)起始點復制叉的推進復制叉起始點起始點起始點復制叉復制叉未復制DNA單向復制雙向復制真核生物有多個起始點，由一個起始點控制的復制DNA稱為一個復制子。DNA合成不斷進行之到復制泡融合在一起在染色體的某一部分可以存在很多復制眼，而另一部分卻一個也沒有。因此，復制起始點是成簇激活的，稱為復制單位。每個復制單位含有20-80個起始點真核細胞DNA復制的特點

多個起點復制起點起點起點起點起點起點2RNA引物的合成沒有引物就不能起始DNA的合成，引物是一小段RNA，由引物酶合成，此酶本身不需要引物合成的引物由DNA聚合酶III進行延長大腸桿菌三種DNA聚合酶比較DNA聚合酶Ⅱ分子量每個細胞的分子統(tǒng)計數(shù)5′-3′聚合酶作用3′-5′核酸外切酶作用5′-3′核酸外切酶作用轉(zhuǎn)化率DNA聚合酶Ⅰ109，000400+++1120，000100++-0.05400，00010-20++-50比較項目DNA聚合酶切除引物修復修復復制主要功能

回顧（二）延伸以3’-5’為模板，沿復制前行方向合成延續(xù)鏈—前導鏈(leadingstrand)以5’-3’為模板，復制合成不連續(xù)的與前行方向相逆的DNA片段—岡崎片段(Okazakifragment)在DNA連接酶的催化下，將小片段連接成完整的子代鏈，此鏈稱滯后鏈(后續(xù)鏈，laggingstrand)DNA復制的過程原核細胞DNA的半不連續(xù)復制復制過程

復制叉的移動方向解旋酶DNA聚合酶III解鏈酶RNA引物DNA聚合酶ISSB3′3′5′前導鏈隨后鏈3′5′復制的起始DNA鏈的延長DNA鏈終止5′RNA引物3′3′DNA連接酶（三）終止(termination)引物的去除：5’-3’外切作用缺口的填補：5’-3’聚合作用DNA片段的連接：DNA連接酶螺旋化：螺旋酶終止子位點：可能有多個大腸桿菌有6個，長度分別約為22bp四DNA的損傷和修復（一）DNA的損傷：某些化學、物理的因素可引起細胞DNA的損傷（化學結(jié)構(gòu)發(fā)生改變）化學因素：種類繁多，機制也很復雜物理因素：電離輻射、紫外線。例如形成胸腺嘧啶二聚體DNA的損傷包括：堿基改變或丟失、骨架中的磷酸二酯鍵可能斷裂，螺旋鏈可能形成交聯(lián)等紫外線引起DNA分子中同一條鏈上相鄰的兩個嘧啶核苷酸以共價鍵連接生成環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)，即嘧啶二聚體。最易見的是胸腺嘧啶二聚體。此種二聚體不能容納在雙螺旋結(jié)構(gòu)中，它不能與互補鏈上的腺嘌呤形成氫鍵配對，影響DNA的復制和基因表達（二）DNA損傷的修復光修復:光誘導的修復暗修復:不依賴光的修復，在高等動物體內(nèi)暗修復代替了光修復修復作用是一種普遍的功能。不論物理因素或化學因素所造成的損傷，只要DNA結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，就能被修復酶識別，而把不正常的部分切除。修復保護DNA的正常功能是非常重要的光修復暗修復切除修復（徹底修復）重組修復（不徹底修復）SOS修復（不徹底修復）DNA損傷的光修復1、形成嘧啶二聚體2、光復合酶結(jié)合于損傷部位3、酶被可見光激活4、修復后酶被釋放DNA損傷的切除修復

DNA的重組修復胸腺嘧啶二聚體復制修復復制DNA聚合酶DNA連接酶重組在重組修復過程中親代鏈上的嘧啶二聚體并未消除，因此在進行第二次復制時子代鏈中仍會出現(xiàn)缺口，還需通過重組修復來彌補但隨著復制的不斷進行，代數(shù)增多之后，雖然親代鏈中的嘧啶二聚體仍然存在，而損傷的這一條DNA鏈卻逐漸被稀釋，最后對正常生理過程沒有影響，損傷也就得到了修復DNA的SOS修復SOS修復是指DNA受到嚴重損傷、細胞處于危急狀態(tài)時所誘導的一種DNA修復方式，修復結(jié)果只是能維持基因組的完整性，提高細胞的生成率，但留下的錯誤較多，故又稱為錯誤傾向修復（error-pronerepair），使細胞有較高的突變率當DNA兩條鏈的損傷鄰近時，損傷不能被切除修復或重組修復，這時在核酸內(nèi)切酶、外切酶的作用下造成損傷處的DNA鏈空缺，再由損傷誘導產(chǎn)生的一整套的特殊DNA聚合酶──SOS修復酶類，催化空缺部位DNA的合成，這時補上去的核苷酸幾乎是隨機的，仍然終于保持了DNA雙鏈的完整性，使細胞得以生存。但這種修復帶給細胞很高的突變率DNA損傷修復與細胞突變、壽命、衰老、腫瘤發(fā)生、輻射效應(yīng)、某些毒物的作用都有密切的關(guān)系。人類遺傳性疾病已發(fā)現(xiàn)4000多種，其中不少與DNA修復缺陷有關(guān)，這些DNA修復缺陷的細胞表現(xiàn)出對輻射和致癌劑的敏感性增加著色性干皮病就是第一個發(fā)現(xiàn)的DNA修復缺陷性遺傳病，患者皮膚和眼睛對太陽光特別是紫外線十分敏感，身體暴光部位的皮膚干燥脫屑、色素沉著、容易發(fā)生潰瘍、皮膚癌發(fā)病率高，常伴有神經(jīng)系統(tǒng)障礙，智力低下等，病人的細胞對嘧啶二聚體和烷基化的清除能力降低五DNA突變及其類型DNA分子中的核苷酸序列發(fā)生突然而穩(wěn)定的改變，從而導致DNA的復制以及后來的轉(zhuǎn)錄和翻譯產(chǎn)物隨之發(fā)生變化，表現(xiàn)出異常的遺傳特性，稱為DNA的突變

DNA突變的類型-T-C-T-C-C-T-G-T-A-C-G--A-G-A-G-G-A-C-A-T-G-C-轉(zhuǎn)換野生型基因

-T-C-T-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-A-C-G-A-C-A-T-G-C-

-T-C-T-T-C-T-G-T-A-C-G--A-G-A-A-G-A-C-A-T-G-C-顛換堿基對的置換(substitution)移碼突變(framesshiftmutation)

-T-C-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-插入

-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失AT六逆（反）轉(zhuǎn)錄-RNA指導下的DNA合成概念：以RNA為模板合成DNA，這與通常轉(zhuǎn)錄過程中遺傳信息從DNA到RNA的方向相反，故稱為逆轉(zhuǎn)錄（reversetranscription）過程：逆轉(zhuǎn)錄酶以病毒RNA為模板，在引物參與下以四種dNTP為底物像DNA聚合酶一樣，按5’→3’方向催化合成一條與模板RNA互補的RNA-DNA雜交鏈，其中的DNA鏈稱為互補DNA鏈（complementalDNA，cDNA）。然后再以新合成的DNA鏈為模板，合成另一條互補的DNA鏈，形成雙鏈的DNA分子，并降解RNA鏈逆轉(zhuǎn)錄過程中cDNA的合成

依賴RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依賴DNA的DNA聚合酶第三節(jié)RNA的生物合成RNA的合成由RNA聚合酶（RNApolymerase）催化RNA聚合酶催化底物合成時是形成磷酸二酯鍵合成的方向是5’→3’，即RNA聚合酶是沿著模板鏈的3’→5’方向移動

啟動子（promoter)

終止子(terminator)模板鏈（templatestrand）反意義鏈(antisensestrand)有意義鏈(sensestrand)非信息區(qū)DNA5′5′3′3′一RNA聚合酶催化轉(zhuǎn)錄所需條件模板：即DNA，只需DNA分子中的一條鏈作為模板，稱模板鏈原料：NTP激活劑：Mg2+

不需引物RNA聚合酶催化的反應(yīng)ACGACGUU模板DNA5′3′5′3′新合成RNA二RNA聚合酶結(jié)構(gòu)原核生物大腸桿菌RNA聚合酶由5個（四種）亞基組成，為：2個α、β、β’、

稱為全酶(holoenzyme)(α2ββ’

)

結(jié)合松散，脫去

余下為核心酶(coreenzyme)(α2ββ’)，其作用是使RNA鏈延長大腸桿菌RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)示意圖

核心酶(α2ββ

)起始因子β

——和模板DNA結(jié)合β——起始和催化聚合反應(yīng)α——參與全酶和起始位點結(jié)合全酶(α2ββ

)希臘字母表α

Α

alpha['?lfa]β

Β

beta['bi:t?/'beit?]γ

Γ

gamma['g?m?]

δ

Δ

delta['delt?]ε

Ε

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Ζ

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Μ

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Ξ

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Ο

omicron[ou'maikr?n]π

Π

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Ρ

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Σ

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Τ

tau[tau]υ

Υ

upsilon[‘ju:psilon/ju:p’sail?n]

φ

Φ

phi[fai]χ

Χ

chi[kai]ψ

Ψ

psi[psi:]ω

Ω

omega['oumig?/ou'mi:g?]真核生物：酶Ⅰ：合成核糖體rRNA酶Ⅱ：合成mRNA的前體hnRNA（核不均一RNA）酶Ⅲ：合成tRNA三轉(zhuǎn)錄的過程轉(zhuǎn)錄概念：以DNA為模板，將DNA分子儲存的遺傳信息通過合成RNA而傳遞給RNA的過程轉(zhuǎn)錄的步驟起始(initiation)延伸(elongation)終止(termination)（一）啟動子和轉(zhuǎn)錄的起始啟動子：轉(zhuǎn)錄起始于與RNA聚合酶結(jié)合的被轉(zhuǎn)錄DNA區(qū)段上，DNA上與酶結(jié)合的特異部位稱為啟動子，它是20-200個堿基的特定序列通常將DNA上被轉(zhuǎn)錄的第一個核苷酸指定為+1，將+1以下的轉(zhuǎn)錄方向稱為“下游”，+1以前的序列稱為“上游”在原核生物啟動子順序中，存在兩個共同的序列，即-10序列和-35序列。與兩個序列完全吻合的稱強啟動子，否則為弱啟動子轉(zhuǎn)錄的第一個核苷酸總是G或A。合成第一個3’，5’磷酸二酯鍵后，

因子被釋放出來，核心酶催化RNA鏈的延長大腸桿菌啟動子共有序列××AGTCTTGACA××××××××××××××××××AAT××××××××××××××TTAAAT××××××AACTGT××××AAT××××××××××××××××Pribnow框-10-35識別區(qū)16-19bp5-9bp起點在RNA聚合酶后面的DNA重新卷成螺旋的速率和前面被酶解開速率是一樣的每加入一個核苷酸時RNA-DNA雜交雙鏈就旋轉(zhuǎn)一個角度，以便RNA的3’-OH始終停留在催化部位，而且雜交雙鏈12bp的長度恰好短于雙螺旋完整的一轉(zhuǎn)當形成完整的一轉(zhuǎn)前，RNA因彎曲很厲害即離開了DNA模板，防止了RNA5’-末端與DNA相互纏繞打結(jié)（二）延伸當轉(zhuǎn)錄起始步驟完成后，σ亞基離開聚合酶，形成的核心酶更牢固地結(jié)合于模板上，開始轉(zhuǎn)錄的延長延長是在轉(zhuǎn)錄泡里進行。轉(zhuǎn)錄泡是一個含有核心酶、DNA和新生RNA的區(qū)域，在這個區(qū)域里含有一段解鏈的DNA“泡”，所以稱為轉(zhuǎn)錄泡（transcriptionbubble）在“泡”里新合成的RNA與模板DNA鏈形成一雜交的雙螺旋。此段雙螺旋長約12bpRNA鏈的延伸圖解3′5′RNA-DNA雜交螺旋聚合酶的移動方向新生RNA復鏈解鏈有義鏈模板鏈（反義鏈）延長部位（三）終止停止RNA鏈的延長新生成的RNA鏈的釋放RNA聚合酶從DNA鏈上的釋放轉(zhuǎn)錄持續(xù)不斷進行直至遇到終止信號最簡單的終止信號是一段富含GC的回文區(qū)域和隨后的一段富含AT序列。在這段回文DNA上合成的RNA是自身互補的，故可在內(nèi)部堿基配對形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，后面跟隨的是一些U殘基。當RNA聚合酶遇到這種結(jié)構(gòu)時就會停止下來那些缺少這種結(jié)構(gòu)的終止位點另外需要一種稱為ρ的蛋白去識別終止信號并終止轉(zhuǎn)錄RNA合成過程起始雙鏈DNA局部解開磷酸二酯鍵形成終止階段解鏈區(qū)到達基因終點延長階段5

3

RNA

啟動子（promoter)

終止子(terminator)5

RNA聚合酶

5

3

5

3

5

5

3

離開原核細胞DNA的半不連續(xù)復制復制過程

復制叉的移動方向解旋酶DNA聚合酶III解鏈酶RNA引物DNA聚合酶ISSB3′3′5′前導鏈隨后鏈3′5′復制的起始DNA鏈的延長DNA鏈終止5′RNA引物3′3′DNA連接酶復習四轉(zhuǎn)錄的方式對稱轉(zhuǎn)錄—DNA兩條鏈都作為模板不對稱轉(zhuǎn)錄—DNA一條鏈作為模板，另一條鏈不作為模板反向轉(zhuǎn)錄—以RNA作為模板合成DNA五轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工修飾1轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物特點—先合成前體初步合成的RNA鏈不具有生物學功能需經(jīng)酶促加工(processing)或修飾(modification)mRNAtRNArRNA2加工修飾的共性和特點（1）原核生物mRNA—在轉(zhuǎn)錄后已具有充分的功能不用加工修飾原核生物的mRNA通常不用修飾，生成的mRNA高度不穩(wěn)定，3’末端合成尚未完成時，mRNA的5’末端已開始降解mRNA的轉(zhuǎn)錄和翻譯是同步發(fā)生的，mRNA僅僅合成一部分時，翻譯就開始了切除部分核苷酸鏈tRNA—包括切割與核苷酸的修飾多數(shù)tRNA的前體約比成熟分子大20%,在5’和3’端都含有多余的序列這些多余序列由特異的核酸酶RNaseO、RNaseP及RNaseQ等分別在5’和3’端進行切割所有tRNA分子中都含有百分率很高的所謂“稀有堿基”，這些稀有堿基的形成是在轉(zhuǎn)錄后與切割同時完成的。堿基的修飾是由酶催化的初級轉(zhuǎn)錄本成熟tRNA加工酵母酪氨酸t(yī)RNA前體的加工rRNA—包括切割與核苷酸的修飾rRNA前體先被切開形成tRNA和各rRNA前體各rRNA前體在3’和5’端又被剪切成為成熟的16SRNA、23SRNA、5SRNA原核生物中rRNA前體的加工

甲基化作用專一核酸外切酶30S前體17StRNA25S專一核酸外切酶16SrRNAtRNA23SrRNA5S

rRNA專一核酸外切酶（2）真核生物mRNA—在5’和3’兩個末端都要受到修飾（5’帽子與3’尾巴）5’末端要形成復雜的帽子（cap）結(jié)構(gòu)帽子在mRNA5’末端的核苷酸上通過焦磷酸鍵連接一個7-甲基鳥苷。此外，連接帽子的頭兩個核苷酸的核糖也被不同程度的甲基化

甲基化修飾對DNA和RNA都很重要在mRNA3’末端則要加上一段多聚腺嘌呤核苷酸poly（A）:（AAAAAAAAA-------）的順序，長度可達20至200個核苷酸真核細胞mRNA的加工5′

“帽子”PolyA

3′

m7G-5′ppp-N-3′pAAAAAAA-OH

5′端接上一個“帽子”(CAP)結(jié)構(gòu)

3′端添加PolyA“尾巴”,由RNA末端核苷酸轉(zhuǎn)移酶催化

剪接：剪去內(nèi)含子(intron)，拼接外顯子(extron)內(nèi)含子（intron）：在轉(zhuǎn)錄后的加工中，從最初的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物除去的內(nèi)部的核苷酸序列外顯子（exon）：既存在于最初的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中，也存在于成熟的RNA分子中的核苷酸序列大多數(shù)的真核基因都是斷裂基因，斷裂基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物產(chǎn)物需要通過拼接，去除插入部分（即內(nèi)含子，intron），使編碼區(qū)（即外含子，exon）成為連續(xù)序列，這是基因表達的一個重要環(huán)節(jié)RNA編碼序列的改變稱為編輯（editing），RNA編碼和讀碼方式的改變稱為再編碼（recoding）。由于存在選擇性的拼接、編輯和再編碼，一個基因可以產(chǎn)生多種蛋白質(zhì)真核生物中mRNA的加“帽子”和“尾巴”的生物學意義真核生物中mRNA的加“帽子”和“尾巴”的生物學意義尚不十分清楚。添加帽子發(fā)生在mRNA合成起始不久，其功能也許是保護mRNA免受核酸酶降解，以及為蛋白質(zhì)合成機器（核糖體）提供識別特征加“尾巴”可能增加mRNA的穩(wěn)定性，并對mRNA附著于細胞的內(nèi)膜上也可能有作用rRNA在典型動物細胞的核仁中有DNA編碼18S、5.8S和28SrRNA分子；5SrRNA處在另一個轉(zhuǎn)錄單位中所有的rRNA轉(zhuǎn)錄物都需要加工，過程與原核相似，即剪切5’和3’末端和切除轉(zhuǎn)錄物中不需要的區(qū)域個別rRNA可以催化自身剪接轉(zhuǎn)錄45srRNA前體RNA加工18s5.8s28s18s5.8s28s18s5.8s28srRNArRNArRNA不轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)5stRNA真核生物的tRNA也是一個大轉(zhuǎn)錄物（tRNA前體轉(zhuǎn)錄物），這些轉(zhuǎn)錄物可能含有一個或多個tRNA的順序成熟的tRNA也是在轉(zhuǎn)錄后經(jīng)剪切加工而成DNA和RNA合成的比較合成特點關(guān)于RNA的降解RNA降解是涉及到基因表達的一個重要環(huán)節(jié)，rRNA和tRNA是穩(wěn)定的RNA，其更新率低；mRNA是不穩(wěn)定的RNA，其更新率非常高因為mRNA于其編碼基因的表達活性直接有關(guān)，不同的RNA需要以不同的速度進行降解。脊椎動物細胞mRNA的平均半衰期約為3h,細胞每一世代中各類mRNA約周轉(zhuǎn)10次。細菌mRNA的半衰期大約只有1.5min，以適應(yīng)快速生長和對環(huán)境作出快速反應(yīng)的要求所有細胞中都存在各種核糖核酸酶，可以降解RNA。真核生物mRNA降解的主要途徑首先是poly(A)尾巴的縮短，去腺苷酸化能誘發(fā)脫去5

端帽子結(jié)構(gòu)，然后由5

3

方向和3

5

方向降解mRNADEPC能有效抑制核糖核酸酶第十章核酸和蛋白質(zhì)的生物合成第一節(jié)中心法則第二節(jié)DNA的生物合成第三節(jié)RNA的生物合成第四節(jié)蛋白質(zhì)的生物合成第四節(jié)蛋白質(zhì)的生物合成生物體每個蛋白質(zhì)的生物合成都受DNA的指導，但貯存遺傳信息的DNA并非蛋白質(zhì)合成的直接模板，而是轉(zhuǎn)錄了遺傳信息的mRNA以mRNA為模板合成蛋白的過程稱為翻譯（translation）或稱為表達（expression）一遺傳密碼：DNA（或mRNA）中的核苷酸序列與蛋白質(zhì)中氨基酸序列之間的對應(yīng)關(guān)系稱為遺傳密碼1密碼子(codon)：每3個相鄰的核苷酸編碼蛋白質(zhì)多肽鏈中的一個氨基酸，這三個核苷酸就稱為一個密碼子或三聯(lián)體密碼遺傳密碼的破譯

1954年Gamov確認核酸分子中三個堿基決定一個氨基酸

1961年Crick等用遺傳學方法也證實三聯(lián)體密碼子學說是正確的

Nirenberg尋找到了破譯遺傳密碼的途徑

Khorana以共聚物指導多肽的合成，加快了破譯遺傳密碼的步伐2密碼子的性質(zhì)（1）方向性：5’-3’。在相同的堿基順序上，從不同的堿基開始，可以解讀出不同的密碼（2）簡并性：一種氨基酸由幾種密碼子編碼的性質(zhì)。一個氨基酸有多個密碼子，彼此之間稱為同意義密碼，即代表一個氨基酸的不同密碼子。只有蛋氨酸和色氨酸有一個密碼子（3）通用性：此套密碼對于動物、植物、微生物均適用（4）兼職性：AUG同時代表蛋氨酸和起始密碼（5）不重疊性（6）無間隔性（7）偏愛性二核糖體的結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)：rRNA和蛋白質(zhì)功能：合成蛋白質(zhì)的場所核糖體的組成原核生物核糖體的組成34protein21protein23SRNA5SRNA16SRNA50Ssubunit70Sribosome30Ssubunit原核生物核糖體結(jié)構(gòu)示意圖30Ssubunit50Ssubunit多核糖體

蛋白質(zhì)合成過程中一個mRNA的分子上不止結(jié)合一個核糖體而是一群核糖體，稱多核糖體（polysome）多個核糖體同時翻譯一個mRNA分子，這顯著提高了mRNA的利用率。一條mRNA的最大利用率可達每80個核苷酸結(jié)合一個核糖體合成的多肽釋放后，核糖體即解離成30s和50s亞基。原核細胞70S核糖體的A位、P位及mRNA結(jié)合部位示意圖anticodoncodon30S與mRNA結(jié)合部位P位（結(jié)合或接受肽基的部位）A位（結(jié)合或接受AA-tRNA的部位）50S5

3

mRNA結(jié)合位點A位點：氨酰-tRNA結(jié)合位點P位點：肽酰-tRNA結(jié)合位點結(jié)合轉(zhuǎn)肽酶的結(jié)合位點小亞基可與mRNA結(jié)合，并沿其向前移動含有結(jié)合各種因子的部位各種因子起始因子-IF原核IF1、IF2確保第一個氨酰tRNA進入P位IF3：促進模板mRNA與小亞基30s相結(jié)合，

同時避免大小亞基的自身結(jié)合真核：EIF1、EIF2……EIF10延長因子-EF：原核EF-Tu、EF-Ts、EF-GEF-Tu：識別tRNA是否被氨基酸?；?，并與GTP形成三元復合物進入A位終止因子-RFRF1：識別密碼子UAA、UAGRF2：幫助識別密碼子UAA、UAGRF3：協(xié)助釋放肽鏈三蛋白質(zhì)合成過程（蛋白質(zhì)合成分子機制）（一）氨基酸的活化-氨酰tRNA的合成1過程tRNA結(jié)合AA成為氨酰tRNAAA+tRNA→AA-tRNA活化的氨基酸利于肽鍵形成tRNA可以攜帶氨基酸到mRNA的指定部位，以便摻入到多肽鏈的合適位置結(jié)合氨基酸是tRNA的最重要功能氨基酸的活化氨基酸的活化EEAAEAAtRNAAAEtRNAAAEtRNAAA氨基酸ATP+氨酰腺苷酸E-AMPPPi第一步AMP第二步E氨基酸的活化3-氨酰-tRNA2氨酰tRNA合成酶的特性專一性對氨基酸有極高的專一性：每種氨基酸都有專一的氨酰tRNA合成酶，只作用于L-氨基酸，不作用于D-氨基酸對tRNA具有極高專一性校對作用氨酰-tRNA合成酶的水解部位可以水解錯誤活化的氨基酸，防止誤配（二）蛋白質(zhì)的合成過程1合成的起始2肽鏈的延長3肽鏈合成的終止和釋放1合成的起始（1）甲酰甲硫氨酰-tRNA（fMet-tRNAfMet

）的合成起始密碼為AUG在原核細胞中，它代表N-甲酰甲硫氨酸（fMet）在真核細胞中，它代表甲硫氨酸Met的甲酰化是在Met-tRNAfMet合成后，由轉(zhuǎn)甲酰基酶催化，從N-10-甲酰四氫葉酸（fTHF）上將甲?；D(zhuǎn)移到甲硫氨酸的NH3+基上形成。但轉(zhuǎn)甲酰酶不會催化組成肽鏈中的甲硫氨酸甲酰化甲酰甲硫氨酰-tRNA

（fMet-tRNAfMet）的形成CHO-HN-CH-COO-tRNACH2CH2SCOO-

+H2N-CH-COO-tRNACH2CH2SCOO-Met-tRNAfMetfMet-tRNAfMetN10-甲酰-FH4FH4轉(zhuǎn)甲酰酶所生成的fMet-tRNAfMet可識別mRNA上的AUG，其它氨酰-tRNA不能fMet-tRNAfMet

能特異地攜帶著fMet直接進入核糖體的P位而不是先占A位點（通常氨酰-tRNA都先進入A位點，當肽鏈形成后才移到P位點）（2）起始復合物（initiationcomplex）形成30s復合物的形成：起始因子、mRNA與核糖體的小亞基及甲酰甲硫氨酰-tRNA

（fMet-tRNAfMet）形成30s復合體，70s復合物的形成：形成的30s復合體再與50s大亞基結(jié)合，在GTP供能的情況下，形成70s復合物，并釋放各種起始因子。此時，fMet-tRNAfMet結(jié)合在核糖體的P位，而A位空著肽鏈合成的起始30S亞基?mRNAIF3-IF1復合物30S?mRNA?GTP-fMet–tRNAfMet-IF2-IF1復合物70S起始復合物codonanticodonA位P位

mRNA

+30S亞基-IF3A位IF-35

3

IF2GTPP位IF3IF2IF1IF2-GTP-fMet-tRNAfMetIF350S亞基IF2+IF1+GDP+PiIF-1IF170S起始復合物翻譯起始信號作為起始密碼子的AUG通常離mRNA5’-末端約20-30個堿基，在這段前導順序中，具有一段特殊順序AGGAGGU，位于起始AUG之前的固定的位置上mRNA上的AGGAGGU區(qū)域稱為