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1、第十一章 核酸及蛋白质的生物合成,生物化学,中心法则的建立和发展核酸的生物合成蛋白质的生物合成,教学内容,第一节 中心法则的建立和发展,中心法则的建立中心法则的发展,教学内容,一、中心法则的建立,DNA是生物遗传的主要物质基础。DNA分子上含有生物体生长发育所需要的全部遗传信息，在细胞分裂前通过DNA的复制，将其由亲代传递给子代，在后代的个体发育过程中，遗传信息自DNA转录给RNA，并指导蛋白质合成。 1958年，Crick将其概括为遗传信息传递的中心法则。,二、中心法则的发展,80年代以后在某些致癌RNA病毒中发现遗传信息也可存在于RNA分子中，由RNA通过逆转录的方式将遗传信息传递给DNA
2、。这为中心法则加入了新的内容。因此，1971年，Crick对中心法则作了进一步补正与完善。,第二节 核酸的生物合成,DNA的复制反转录RNA的转录RNA的复制,教学内容,一、DNA的半保留复制,1953年Watson和crick提出DNA双螺旋结构模型时推测，在DNA复制时，亲代DNA的双螺旋先行解旋和分开，然后以每条链为模板，按照碱基配对原则，在这两条链上各形成一条互补链。这样，从亲代DNA的分子可以精确地复制成2个子代DNA分子。每个子代DNA分子中，有一条链是从亲代DNA来的，另一条则是新形成的，这叫做半保留复制。,证实DNA半保留复制机制的著名实验 1958年Meselson和Stah
3、l利用氮标记技术在大肠杆菌中首次证实了DNA的半保留复制。 他们将大肠杆菌放在含有15N标记的NH4Cl培养基中繁殖了15代，使所有的大肠杆菌DNA被15N所标记，可以得到15N-DNA。然后将细菌转移到含有14N标记的NH4Cl培养基中进行培养，在培养不同代数时，收集细菌，裂介细胞，用氯化铯(CsCl)密度梯度离心法观察DNA所处的位置。由于15NDNA的密度比普通DNA(14N-DNA)的密度大，在氯化铯密度梯度离心时，两种密度不同的DNA分布在不同的区带。,Meselson和Stahl密度梯度离心试验,半保留复制的概念 在DNA复制时，亲代DNA的双螺旋先行解旋和分开，然后以每条链为模板
4、，按照碱基配对原则，在这两条链上各形成一条互补链。这样，从亲代DNA的分子可以精确地复制成2个子代DNA分子。 每个子代DNA分子中，有一条链是从亲代DNA来的，另一条则是新形成的，这种复制方式叫做半保留复制。,DNA聚合酶 DNA聚合酶是复制中最主要的酶之一，它可以在模板上催化四种5-三磷酸脱氧核糖核苷(5-dNTP)在模板上聚合，形成新的DNA多核苷酸链。,大肠杆菌DNA聚合酶 1957年，美国 斯丹福大学医学中心kornberg报道在大肠杆菌的培养液中发现了能催化DNA合成的酶，根据发现者的名字被称为kornberg酶。此酶发现后，人们曾一度认为它就是我们要找的复制酶。但,后来科学家们又
5、在E.coli中相继发现了另外两种DNA聚合酶，kornberg就把kornberg酶称为DNA聚合酶I。,每个大肠杆菌细胞中含有约400个分子，每个分子每分钟在37下能催化667个核苷酸掺入正在生长的DNA链。,三种DNA聚合酶的共同性质 1957年，Arthur kornberg首次在大肠杆菌中发现DNA聚合酶(简写DNA pol)后来又相继发现了DNA聚合酶和DNA聚合酶(简写DNA pol,DNA pol)。三种酶的共同性质是： 需要DNA模板，因此这类酶又称为依赖DNA的DNA聚合酶。 需要RNA或DNA做为引物，即DNA聚合酶不能从头催化DNA的起始。 催化dNTP加到引物的3-O
6、H末端，因而DNA合成的方向是53。 三种DNA聚合酶都属于多功能酶，它们在DNA复制和修复过程的不同阶段发挥作用。,大肠杆菌三种DNA聚合酶比较,真核细胞内有五种DNA聚合酶,二、反转录(RNA指导下的DNA合成),以RNA为模板，按照RNA中的核苷酸顺序合成DNA，这与通常转录过程中遗传信息流从DNA到RNA的方向相反，故称为反转录或逆转录。 逆转录酶需要模板，以四种dNTP为原料，要求短链RNA或DNA）作为引物，沿53方向合成DNA 。,DNA是遗传信息的载体，遗传信息的作用通常是由蛋白质的功能来实现。然而，分子遗传学的研究表明，DNA作为蛋白质的合成的模板并不是直接参与蛋白质的合成，
7、而是通过一个中介物RNA来起作用的。 转录是指以DNA的一条链为模板在RNA聚合酶催化下，以四种核糖核苷磷酸为底物按照碱基配对原则，合成一条与DNA链的一定区段互补的RNA链的过程。,三、转录(DNA指导下的RNA合成),RNA聚合酶 催化转录作用的酶是RNA聚合酶，也称DNA指导的RNA聚合酶。,原核生物RNA聚合酶 大肠杆菌RNA聚合酶是由五个亚基组成，分子量为500kD。五个亚基为二亚基，一亚基，一亚基和一因子。四个亚基组成核心酶，加上因子后成为全酶。因子与核心酶的结合不紧密，容易脱落。,RNA聚合酶亚基有促进聚合反应中磷酸二酯键生成的的作用。亚基是酶与模板结合时的主要部分。因子没有催化
8、活性，它可以识别DNA模板上转录的起始部位。而亚基可能参与全酶和启动子的牢固结合。,真核生物RNA聚合酶 真核生物RNA聚合酶比原核生物RNA聚合酶要复杂，有I、II、III几种类型，又称A、B、C型；以后又发现有Mt型等。,有许多RNA病毒，例如噬菌体Q，不含任何DNA，只有单链的RNA作为它们的遗传物质。 当Q侵染大肠杆菌时，噬菌体RNA通过复制产生新的噬菌体RNA，就是以原来的RNA作为模板来合成新的RNA。这个过程被一个高度专一的酶所催化，称为RNA复制酶，或者叫依赖于RNA的RNA聚合酶。,四、RNA的复制(RNA指导下的RNA的合成),RNA复制的过程： 当噬菌体侵染细胞后，Q的单
9、链RNA(+)直接作为mRNA起作用，通过RNA复制酶的催化而合成互补的RNA链(-)；(-)链然后从(+)链模板上释放出来并作为新的病毒(+)链合成的模板。合成的底物是相应的核苷三磷酸。(+)链和(-)链的合成都取53的方向。,+,+,(+),复制中间体,(+),(+),(-),(-),(-),第三节 蛋白质的生物合成,mRNA与遗传密码核糖体蛋白质的制造工厂tRNA氨基酸的运转工具蛋白质生物合成过程,教学内容,一、mRNA与遗传密码,mRNA带有由DNA转录来的遗传信息，接着它再将此遗传信息传递给蛋白质，也即以mRNA为模板合成蛋白质。,将mRNA中核苷酸顺序转变为蛋白质分子中氨基酸顺序，
10、就需要将4个字母的核苷酸文字翻译成20个字母的蛋白质文字，这种翻译过程通过密码来沟通。,三联体密码 密码实际上是指mRNA上53的核苷酸排列顺序。RNA中的核苷酸有4种，而氨基酸有20种，4种核甘酸如何排列组合才足以代表这20种氨基酸？实验证明是由mRNA中三个相邻的核苷酸代表一种氨基酸，并将此三核苷酸序列称为三联密码或直称为密码子。,遗传密码表,遗传密码的主要特征密码的方向性和连续性 一般情形下遗传密码是不重叠的 密码的简并性密码的变偶性(摆动性)密码的相对通用性,密码的方向性和连续性 密码子是指mRNA中53连续排列的三个碱基，两密码子之间没有任何起标点符号作用的密码子加以隔开。因此要正确
11、阅读密码必须按一定的读码框架，从一个正确的起点开始，一个不漏地挨着读下去，直至碰到终止信号为止。 若插入或删去一个碱基，就会使这以后的读码发生错误，这称移码。由于移码引起的突变称移码突变。,一般情况下密码是不重叠的 遗传密码的不重叠性 是指每三个碱基编码一个氨基酸，碱基不重复使用。 目前已经证明，在绝大多数生物中读码规则是不重叠的。但是在少数大肠杆菌噬菌体(如R17、Q等)的RNA基因组中，部分基因的遗传密码却是重叠的。,密码的简并性 在组成蛋白质的二十种氨基酸中，除色氨酸和甲硫氨酸外大多数氨基酸都可以具有两种或两种以上的密码子编码，这种现象称为遗传密码的简并性。 编码同一个氨基酸的一组密码称
12、为同义密码子(或称简并密码子)。 密码的简并性具有重要的生物学意义，它可以减少有害的突变。 一方面，如果每个氨基酸只有一个密码子，20组密码子就可以应付20种氨基酸的编码了，那么剩下的44组密码子都将会导致肽链合成的终止。 另一方面，密码简并使DNA的碱基组成有较大的变化余地，而仍保持多肽的氨基酸序列不变。,简并密码子,密码的通用性 遗传密码是在大肠杆菌的无细胞蛋白质合成体系中研究出来的，但它同样适用于植物、动物，也适用于我们人类。 所谓密码的通用性是指各种高等和低等的生物(包括病毒、细胞及真核生物等)都共同使用同一套密码字典。 较早时，曾认为密码是完全通用的。但是1979年的发现对此提出了挑
13、战。线粒体DNA中的编码情形显然违背了遗传密码的通用性。如人线粒体中UGA不再是终止密码子，而编码色氨酸。,人线粒体DNA中密码编制特点,一、tRNA是氨基酸运转的工具,蛋白质分子中氨基酸的排列顺序以遗传密码的形式贮存在mRNA分子中，但氨基酸本身并不能识别其本身的密码子，它需要另外一种小分子的核酸tRNA的帮助。 组成蛋白质的氨基酸有20种，但细胞中的tRNA一般有50余种以上，甚至在有些真核生物中tRNA的种类可以多达100多种。 可见，一种氨基酸都可以有一种或一种以上的tRNA运转。,所tRNA都是单链小分子，一般由7493个核苷酸组成，大部分为76个核苷酸；若以76b的tRNA为标准，
14、超过76btRNA分子，增加的核苷酸分别位于第17、20和47位。除个另例外，单链的tRNA的通过碱基配对折叠成三叶草形的二级结构；所有tRNA的3-末端都含有-CCA三个末成对的核苷酸；tRNA的稀有碱基含量非常丰富，约有70余种。每个tRNA中修饰碱基的数目通常为2 19个，它们都是在转录后被修饰的。,tRNA的结构特点：,tRNA三叶草形二级结构模型,氨基酸臂：tRNA的5端和3端配对(常为7bp)形成茎区，称为受体臂或称基酸臂 。在3端永远是4个碱基(XCCA)的单链区，在其末端有2-OH或3-OH，是被氨基酰化位点；TC臂：常由5bp的茎和7b的环(TC环)组成，存在着特殊的碱基(假
15、尿嘧啶)得名。反密码子臂：由5bp的茎区和7b的环区(反密码子环)组成，在环的中央存在着反密码子，可与mRNA上的密码子的相互识别；D(DHU)臂：D臂也是茎环结构，茎区长度常为4bp，环区有4个碱基不恒定，含有特殊的碱基D(双氢尿嘧啶)，故称为双氢尿嘧啶环。额外臂：此臂可变性大，从4 b到21 b不等。,tRNA的倒L型三级结构 在tRNA倒L形的分子中，保留了二级结构中由于碱基互补而产生的双螺旋结构，又通过分子重排创造了另一个双螺旋。受体臂和TC臂的成了第一个双螺旋，D臂和反密码子臂形成了第二个双螺旋，两个双螺旋上各有一个缺口。TC环和D环位于“L”的转折点。所以，受体臂顶端的碱基位于“L
16、”的一个端点，反密码环生成了“L”的另一个端点。,三、rRNA与核糖体,核糖体是蛋白质合成的装配机，由几十种蛋白质和几种RNA组成的亚细胞颗粒，其中蛋白质与RNA的重量比约为12，是tRNA、mRNA和蛋白质相互作用的场所。,核糖体是一个巨大的核糖体蛋白体。在原核细胞中，它可以游离形式存在，也可以与mRNA结合形成串状的多核糖体。平均每个细胞约有2000个核糖体。真核细胞中的核糖体既可游离存在，也可以与内质网相结合，形成粗糙内质网。每个真核细胞所含核糖体的数目可达106107个,核糖体的组成和结构 核糖体都是由大小2个亚基组成。2个亚基均含有RNA和蛋白质。其中rRNA在蛋白质合成中起决定性作
17、用，而核糖体蛋白质具有稳定rRNA功能位点构象的作用，以促进rRNA生物学功能的发挥。,原核和真核生物核糖体的组成,核糖体的功能 核糖体必须包括至少5个活性部位，即mRNA结合部位、结合或接受AA-tRNA部位(A位)、接合或接受肽基-tRNA的部位、肽基转移部位(P位)及形成肽链的部位(转肽酶中心)，此外还有负责队链延伸的各种延伸因子的结合位点。,氨基酸的活化 氨基酸与tRNA连接形成氨酰-tRNA即是氨基酸的活化，由氨酰-tRNA合成酶(aaRS)的催化。,在正常情况下，AA-AMP中间物仍然紧密地结合在酶上。直到与该氨基酸专一的tRNA分子碰撞时为止。随后同一酶将氨基酸转移至tRNA的末
18、端腺苷酸残基上。氨基酸先被氨酰-tRNA合成酶活化，生成氨酰腺苷酸(AA-AMP)，其中氨基酸的羧基是以高能键连接于腺苷酸上，同时放出焦磷酸。,总反应为,四、蛋白质生物合成过程,氨酰-tRNA合成酶,氨酰-tRNA合成酶的作用是将氨基酸接合于tRNA。酶分子中有三个结合位点，图表示一个氨酰-tRNA合成酶将氨基到装载到tRNA的过程。,氨酰-tRNA 合成酶将tRNA 和氨基酸分成相应的组，每种合成酶识别一种氨基酸和所有能携带它的tRNA。通常每种氨基酸都可被多于一种的tRNA识别，除了几种识别同义密码子的tRNA，还存在识别同一种密码子的多种tRNA。携带同种氨基酸的不同tRNA 称为同功tRNA。,蛋白多肽链在核糖体上的合成 蛋白质的生物合成过程是在核糖体上进行的，肽链的延伸是从N端向C端进行的。蛋白质多肽链在核糖体上的合成过程分为三个主要过程：肽链合成的起始、延伸、终止。 起始:包括蛋白质起始的两个氨基酸之间形成肽键之前的反应。这需要核糖体与mRNA 结合，形成起始复合物，其中含有第一个氨酰-tRNA。 延伸:包括从第一个肽键形成到最后一个氨基酸掺入过程中所有的反应。氨基酸的掺入非常迅速，是蛋白质合成中最快的步骤。 终止:包括释放完整的多肽链及核糖体与mRNA 分离。,
