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1、,生物化学,DNA和RNA的生物合成,第 四 章,长沙卫生职业学院 方敏,DNA and RNA Biosynthesis,全国高职高专护理类专业第三轮规划教材,第一节 DNA的生物合成 一、DNA复制 二、 DNA的损伤与修复 三、反转录第二节 RNA的生物合成 一、不对称转录 二、RNA转录的体系 三、RNA转录的过程 四、转录后加工,目 录,知识性目标掌握DNA的复制特点与体系； RNA转录的特点与体系； 反转录的概念。 熟悉DNA的复制过程； DNA的损伤与修复；RNA转录终 止方式。 了解RNA的转录过程；反转录酶及反转录的意义。 技能性目标运用DNA和RNA生物合成的相关知识解释临
2、床及实际生 活现象，并能进行实际应用。 情感性目标 培养学生尊重伦理道德规范，勇于探索生命现象的职业 道德和职业素质。,学习目标,引 言,生物遗传信息以特定的核苷酸序列的形式编码在DNA分子上， DNA通过复制将遗传信息从亲代传递给子代。在后代的生长发育过程中，遗传信息从DNA转录给RNA，再通过RNA翻译成蛋白质，以执行各种生命功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状。某些病毒遗传信息储存在RNA分子中，再以RNA为模板逆转录合成DNA。,19世纪40年代，英国亚历山大德丽那维多利亚女王生下了四男五女共9个孩子，其中有3个男孩患有血友病，好在五个女儿都健康。而五个女儿嫁到欧洲的其它王室后，她们
3、的小王子却有很多都患上了血友病。 试问：血友病是从维多利亚女王是如何传给她的儿子以及外孙的？,导入情景,第一节 DNA的生物合成,DNA Biosynthesis,一、DNA复制,二、DNA的损伤与修复,三、反转录,第一节 DNA的生物合成,（一）DNA复制特点,DNA的半保留复制：,DNA复制中，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制的方式称为半保留复制。,一、DNA复制,2. DNA的半不连续复制 DNA复制中一条链是连续合成的，而另一条链是不连续的合成的，这种复制方式叫做半不连续复制 。,1. 模板 亲代DNA分子2. 底物 四种三磷酸脱氧核苷酸（dNTP）
4、3. 能量 ATP4. 引物 为DNA聚合酶提供3 -OH末端的小分子 寡核苷酸,（二）DNA复制体系,5. 酶类及蛋白因子,（1）解旋解链酶类 （2）引物酶（3）SSB（4） DNA聚合酶 （5）DNA连接酶,(1)解螺旋酶与拓扑异构酶 解螺旋酶：利用ATP供能，打开氢键，使DNA双 链解开成为 两条单链。,(2)引物酶 复制起始时催化生成RNA引物的酶。(3)单链DNA结合蛋白(SSB) 维持模板处于单链状态并保护单链的完整。,拓扑异构酶 切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，DNA变为松弛状态。反应不需ATP。,拓扑异构酶 切断DNA分子两股链，断端通过切口
5、旋转使超螺旋松弛。利用ATP供能连接断端， DNA分子进入负超螺旋状态。,DNA拓扑异构酶：理顺DNA链，改变超螺旋状态的酶 分为I型和II型。,(4)DNA聚合酶,全称为依赖DNA的DNA聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase)，简称DNA-pol。,真核生物的DNA聚合酶五种：、,大肠杆菌E.coli中的三种DNA聚合酶,DNA-pol ,DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活。它参与DNA损伤的应急状态修复。,功能：是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。,DNA-pol ,真核生物DNA聚合酶,+,+,+,-,-,3,5,外切酶活性,5,3,聚合活
6、性,250,170,160300,-,pol,功能,+,+,+,-,-,3,5,5,3,聚合活性,3638,300,分子大小（x 103),DNA,-,pol,+,+,+,+,+,细胞内定位,核,核,核,核,线粒体,引发,修复,复制,复制,修复,（引物酶，DNA聚合酶）,（链的延伸 填补空隙）,(5)DNA连接酶 连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。,（三）DNA复制的过程,2.复制的延长,1.复制的起始,3.复制的终止,1.复制的起始 DNA拓扑异构酶和解旋酶在DNA复制起始部位解开DNA超螺旋结构，使DNA双链
7、形成局部的DNA单链，然后形成复制叉。当两股单链暴露出足够数量碱基对时，引物酶识别起始部位，并以解开的一段DNA链为模板，按碱基配对规律，从5 3 方向合成引物RNA片段，引物的生成标志着复制的正式开始。,2.复制的延长,催化酶：DNA聚合酶原料：dNTP模板：DNA的两条链方向：5 3 方式：半不连续复制,DNA的两条链反向平行，而DNA聚合酶的合成方向都是 5 3 。3 5 走向的模板链，其上的DNA合成与解链方向相同，可以连续合成，称为前导链。另一条5 3 走向的模板链，其上合成DNA链与解链方向正好相反，故不能连续进行，称为随从链。随从链上形成许多不连续片段，称为冈崎片段。,半不连续复
8、制,领头链的合成,（1）领头链的延长,领头链沿着5 3 方向可以连续的延长。,（2）随从链的延长,3.复制的终止,（1） DNA聚合酶I切除引物并填补空隙。（2） DNA连接酶连接缺口生成子代DNA。,随从链上不连续性片段的连接,（一）DNA损伤的因素 1. 物理因素 常见的有紫外线和各种电离辐射。 2. 化学因素 化学诱变剂等 3. 生物因素 如反转录病毒等 4. 自发因素,一、DNA的损伤修复,（1）DNA损伤范围部位不同能导致不同程 度后果，如表现出基因多态性、导致 遗传性疾病甚至个体死亡。（2）进化,1.后果,（二）DNA损伤的后果与类型,2. DNA损伤的类型包括如下几种：点突变 指
9、DNA链上单一碱基的变异。缺失 指DNA链上一个或一段核苷酸的消失。插入 指原来不存在的一个碱基或一段核苷酸 链插入到DNA分子中。重排 指DNA分子内发生较大片段的交换。,1. 光修复 光修复过程是通过光修复酶催化完成，仅需 300-600nm波长照射即可活化，此方法普遍存 在于各种生物体中。,（三）DNA损伤的修复,人类着色性干皮病 人类着色性干皮病（xeroderma pigmentosum, XP）是一种罕见的常染色体隐性遗传病，患者主要的临床表现为皮肤对日光，特别是紫外线高度敏感，暴露部位皮肤出现色素沉着、干燥、角化、萎缩及癌变等，其皮肤和眼部肿瘤的发生率是正常人的1000倍。XP是
10、由于患者对紫外线照射造成的核苷酸损伤切除修复缺陷所致，该病具有多型性，且各型之间互补。目前为止已发现了7种互补型和1种变异型。,2. 切除修复 细胞内最重要和有效 的修复方式。 过程包括识别、切除、 填补和连接几个步骤。,3. 重组修复 RecA蛋白结合在子链的空缺处，引发对侧正常模板链与子链重组，将子链修复成完整的子链，对侧正常模板链上留下的空缺由DNA聚合酶合成DNA片段填补，最后由连接酶连接，使模板链重新成为一条完整的DNA链。,反转录概念：某些病毒如RNA病毒，其遗传信息则储存在RNA分子中，RNA病毒能以RNA为模板合成DNA，或逆转录。催化逆转录反应的酶是逆转录酶，又称依赖RNA的
11、DNA聚合酶,（一）概念与反转录酶,三、反转录,逆转录的发现 1910年，美国病理学家发现了病毒可以致癌后，人们开始深入探索病毒转化的机制。1956年，Termin提出前病毒假说，指出RNA病毒进入宿主细胞后，首先将RNA复制DNA（此时成为前病毒），然后病毒DNA与宿主细胞发生整合形成宿主的一部分，而增殖由病毒DNA通过转录过程完成。但这一假说违反了1958年提出的中心法则，而被多数人拒绝。直至1970年，Termin和助手Rous从肉瘤病毒中分离得到了一种RNA依赖的DNA聚合酶，与此同时，麻省理工学院的David Baltimore也从小鼠白血病病毒中分离得到了这种酶，才证明了前病毒假说
12、的正确性，逆转录得到认可，中心法则被重新修正。,（二）反转录的意义 1.补充和发展了中心法则 2.对反转录病毒的研究，拓宽了病毒致癌理论。 3.在基因工程中，可利用反转录酶将mRNA逆转 录形成cDNA，以获得目的基因。,人类免疫缺陷病毒 人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）是一种逆转录病毒，HIV-1的反转录酶分子有两个亚基（51 000和66 000），其中p66亚基有两个关键性结构域，分别具有DNA聚合活性和RNA降解活性，该酶能以RNA为模板合成DNA，并能降解RNA模板，合成的DNA单链能以自身为模板合成另外一条单链，形成完整的双链DN
13、A.，并能插入到人类细胞的基因组中，随细胞分裂而分裂。,第二节 RNA的生物合成,RNA Biosynthesis,一、不对称转录二、RNA转录的体系三、RNA转录的过程三、转录后加工,第二节 RNA的生物合成,RNA转录的特点不对称转录,在双链DNA分子中，各结构基因的模板链位于同一DNA分子的不同单链上，而RNA链的合成方向始终是5 3 方向，因此位于同一DNA分子不同的结构基因，其RNA转录方向不同。,一、不对称转录,1. 模板 DNA2. 底物 四种三磷酸核糖核苷（NTP）3. RNA聚合酶 (1) 原核生物只有一种RNA聚合酶 (2) 真核生物已发现有三种RNA聚合酶 4. 其它酶和
14、蛋白因子,二、RNA转录的体系,原核生物的RNA聚合酶,真核生物的RNA聚合酶,（一）转录起始 RNA聚合酶因子辨认并结合启动子，形成转录复合体，从而开始转录。转录几个核苷酸后，因子脱离转录复合体，后者离开启动子，起始阶段结束。,三、 RNA转录的过程,RNA链的延长反应由核心酶催化。核心酶沿模板DNA链以3 5 方向滑动，边解链边合成新RNA链。DNA链在核心酶经过后，即恢复双螺旋结构，新生成的RNA单链伸出DNA双链之外。,（二）转录延长,RNA链的合成方向：从5 3 方向,当RNA链延伸至转录终止位点时，转录泡瓦解，DNA恢复成双链，RNA聚合酶与RNA链都被从模板上释放出来，这就是转录
15、的终止。,原核生物的转录终止有两种类型：不依赖于因子的转录终止（强终止子） 2. 依赖于因子的转录终止,（三）转录终止,1.非依赖因子的转录终止 DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，可 转录出具有茎环结构的RNA，来终止转录。,2.依赖 (Rho)因子的转录终止 因子以六聚体形式存在，协助RNA-pol识别终止信号，与转录产物结合，RNA和RNA-pol一起从模板上脱落。,（一） mRNA的转录后加工 1. 5 -端加帽 2. 3 -端加多聚腺苷酸尾 3. mRNA的剪接,四、转录后加工,mRNA的剪接,(1) 断裂基因：真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌
16、而成，称为断裂基因。,(2)外显子(exon)：在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。(3)内含子(intron)：隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。,1. 剪切 tRNA前体分子的5 -端、3 -端及反密码环的部位的附加序列2. 3 -端加CCA-OH3. 碱基修饰,（二） tRNA的转录后加工,rRNA的转录和加工与核糖体的形成同时进行。真核细胞在转录过程中首先生成的是45S大分子rRNA前体，然后通过核酸酶作用，断裂成28S、5.8S及18S等不同rRNA。这些rRNA与多种蛋白质结合形成核糖体。rRNA成熟过程中也包括碱基的修饰，碱基的修饰以甲基化为主。,（三） rRNA的转录后加工,获得性免疫缺陷综合征，即艾滋病，能导致人免疫缺陷，并发一系列机会性感染及肿瘤，严重时导致死亡。艾滋病主要通过血液、性接触和母婴传播，导致该病的元凶是人类免疫缺陷病毒（HIV）。 试问：1.HIV的遗传物质载体是什么？HIV感染 活细胞后如何繁殖？ 2.我们应如何预防艾滋病？ 3.如何正确的对待艾滋病患者？,案例分析,
