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1、第十一章,核酸合成代谢,概 述,核酸是生物体遗传的物质基础。遗传的基本单位是基因。基因编码的生物活性产物主要是RNA和蛋白质。蛋白质的生命活动的执行者。遗传信息的传递遵循基本的法则，即从DNADNA（复制），从DNARNA（转录）,再由RNA蛋白质（翻译）。该法则就是著名的生物遗传信息传递的“中心法则”。此法则代表绝大多数生物体内遗传信息传递的方向和规律，成为生命科学研究的基本法则。,中心法则,遗传信息传递的规律(复制、转录、翻译).,转录 翻译 DNA RNA 蛋白质 mRNA tRNA 反转录 rRNA 转录、翻译 RNA（病毒）蛋白质（病毒）,复制,复制,第一节 DNA的生物合成,生物体
2、内DNA生物合成的方式主要是复制、修复和逆转录。一、DNA复制概念和主要物质（一）DNA 复制概念及其特点 DNA复制：是亲代双链DNA按碱基配对原则，准确形成两个相同核苷酸序列的子代DNA分子的过程。两条DNA链都可作为复制的模板。,DNA复制的特点,1、半保留性2、高保真性3、半不连续性4、双向性,1、DNA的半保留复制,DNA在复制时，两条链分开，在DNA聚合酶的催化下按碱基配对方式按照单链DNA的核苷酸顺序合成新链，以组成新的DNA分子。,这样新形成的两个子代DNA分子碱基序列与亲代分子完全一样。一条链来自亲代的DNA链，另一条链是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。,（二）参与DN
3、A 复制的主要物质,原料：四种脱氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP)模板：以DNA的两条链为模板链，合成子代DNA。模板的利用方向是35。引物：一小段RNA(或DNA）为引物，在大肠杆菌中，DNA的合成需要一段RNA链作为引物。,2.单链DNA结合蛋白,3.拓扑异构酶,1.解螺旋酶DNA复制,4.引物酶,5.DNA聚合酶,6.DNA连接酶,（二）参与DNA复制的一些引物与酶类,解螺旋酶,解螺旋酶又称解链酶或rep蛋白利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链。每解开一对碱基，需消耗2分子ATP。,单链DNA结合蛋白（single strand DNA bindi
4、ng protein,SSB)稳定单链、防止降解,拓扑异构酶,DNA复制时双链DNA解开为单链，DNA分子绕双螺旋轴反向旋转。复制速度快，旋转的速度也很快，将达100次/秒，造成DNA分子的打结、缠绕现象发生。需要DNA拓扑异构酶的作用，来理顺DNA双链，以配合复制过程。,解链过程中，DNA分子会过度拧紧、打结、缠绕、连环等现象。,拓扑异构酶,拓扑异构酶作用特点既能水解、又能连接磷酸二酯键克服解链过程中的打结、缠绕现象,拓扑异构酶 拓扑异构酶,分 类,拓扑异构酶,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
5、断DNA分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。利用ATP供能，连接断端，DNA分子进入负超螺旋状态。（主要）,作用机制,拓扑异构酶的作用,拓扑异构酶的作用,3 T-T-A-C-A-G-C-T-A-G-G-T-C 5,5A-A-U-G-OH 3 RNA引物,5.引物酶(primase),DNA复制开始时，需要一个小分子的RNA片段作引物,DNA连接酶,催化双链DNA中的切口处的相邻5-磷酸基与3-羟基之间形成磷酸酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。不能将两条游离的DNA单链连接起来。,DNA连接酶：若双链DNA中一条链有切口,一端是3-OH,另一端是5-磷酸基,连接酶可催化这两
6、端形成磷酸二酯键，而使切口连接。,在复制中起接合双链中单链缺口的作用。在DNA复制、修复、重组中均起重要作用。是基因工程的重要工具酶之一。,DNA连接酶的功能,二 DNA复制的基本过程,DNA复制是一个连续的阶段。分为三个过程：（一）起始阶段 DNA分子的复制起始部位有其特殊的碱基序列，原核生物DNA分子较小，每一DNA分子只有一个复制原点，而真核生物DNA则有多个复制原点。PS:原核生物包括细菌,蓝藻,原绿藻,特别要记住的是支原体,衣原体,和放线菌等细菌.真核生物包括原生生物,真菌,植物,动物。整个起始阶段包括DNA解链、引发体的形成和引物的生成3个过程。,复制原点由DnaA蛋白识别，在原点
7、由DnaB蛋白（解螺旋酶）将双螺旋解开成单链状态，分别作为模板，合成其互补链(DNA双链的解开还需DNA拓扑异构酶、SSB),在原点处形成一个眼状结构，叫复制眼。DNA复制进行时，在眼的两侧出现两个叉子状的生长点，叫复制叉。在复制叉上分布着各种与复制有关的酶和蛋白因子，它们构成的复合物称为复制体,1、复制叉的形成,解链的蛋白有：DnaA、DnaB、DnaC 3种蛋白，其中DnaB以前称为复制蛋白，后来称为解螺旋酶。单链DNA结合蛋白质的意义：保持已解开的单链处于单链状况，保护已解开的单链不被核酸酶水解，维持复制叉的适当长度以利于脱氧核苷酸依据模板参入。拓朴异构酶可以将打结的DNA链切断，或者通
8、过切断与旋转和再连续作用实现DNA超螺旋的转型，把正超螺旋变为负超螺旋，有利于解链的继续。,2、引发体的形成,在复制叉结构形成并稳定的基础上，引物酶介入并与两条DNA单链结合。此时，有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶等物质和DNA复制起始区域构成的复合结构称为引发体。,引发体在复制叉上移动，DnaB蛋白活化引物合成酶,引发RNA引物的合成。领头链先引发开始合成，以原来一条DNA单链为模板（3 5),按5 3的方向合成一段RNA引物链。领头链开始合成后，后随链也开始合成其引物。引物长度约为几个至10个核苷酸，在引物的5端含3个磷酸残基（引物酶的底物是核苷三磷酸），3端为游离的-OH。,3、RNA引
9、物的合成,领头链(leading strand),后随链(lagging strand),引物酶合成引物，提供3-OH末端。,在DNA聚合酶的催化下，以四种脱氧核糖核苷5-三磷酸为底物，在RNA引物的3端以磷酸二酯键连接上脱氧核糖核苷酸并释放出焦磷酸。DNA链的延伸同时进行,领头链和后随链两条链的合成方向相反。,（二）DNA链的延伸阶段,领头链在DNA复制时，合成方向与复制叉移动的方向一致并连续合成的链。随从链在DNA复制时，合成方向与复制叉移动的方向相反，形成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的DNA链。半不连续复制在DNA复制时，领头链是连续合成的,而随后链的合成是不连续的，这种复制方式
10、称为半不连续复制。,半不连续复制的发现（1968）：同位素实验，3H标记dT 短时间内检测为DNA小片段，片段的长度为10002000核苷酸残基，后来称为岗崎片段 一段时间后 检测到 DNA大片段。当用DNA连接酶的变异株时，检测到大量小DNA片段的积累。证明DNA复制中有小片段合成。,冈崎片段 在DNA复制过程中，领头链能连续合成，而随后链只能是断续的合成53 的多个短片段，这些不连续的小片段以其发现者的名字命名为冈崎片段。冈崎片段大小：真核生物：100-200个核苷酸（核小体的DNA单位）。原核生物：1000-2000个核苷酸（相当于一个顺反子）。,当新形成的冈崎片段延长至一定长度，其3-
11、OH端遇到上一个冈崎片段时即停止合成。前导链合成随复制叉移动到起始点即停止复制（大肠杆菌只有一个起始点）。,（三）复制终止 切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段,这时会发生一系列变化：在DNA聚合酶催化下切除RNA引物；留下的空隙由DNA聚合酶催化合成一段DNA填补上；在DNA连接酶作用下，连接相邻的DNA链；修复掺入DNA链的错配碱基。这样以两条亲代DNA链为模板，各自形成一条新的DNA互补链。结果是形成了两个DNA双股螺旋分子。,真核生物中DNA的复制特点,1、真核生物染色体有多个复制起点，呈双向复制，多复制子。2、冈崎片段长约100200bp.3、真核生物DNA复制速度比原核快
12、。4、真核生物染色体在全部复制完之前起点不再重新开始复制；5、真核生物有多种DNA聚合酶。6、真核生物线性染色体两端有端粒结构，防止染色体间的末端连接。由端粒酶负责新合成链5RNA引物切除后的填补，亦保持端粒的一定长度。,定义:以RNA为模板，按照RNA中的核苷酸顺序合成DNA称为逆转录，由逆转录酶催化进行。1970年Temin和Baltimore同时分别从劳氏肉瘤病毒和小白鼠白血病病毒等致病RNA病毒中分离出逆转录酶，迄今已知的致癌RNA病毒都含有逆转录酶。用特异抑制物（放线菌素D）能抑制致癌RNA病毒的复制，而对一般RNA病毒的复制无影响。已知放线菌素D专门抑制以DNA为模板的反应，可见致
13、癌RNA病毒的复制过程必然涉及到DNA。所以Temin提出前病毒的假说。,第二节 逆转录过程,病毒RNA的逆转录过程（以前病毒形式引起整合到宿主细胞DNA中而使细胞恶性转化）单链病毒RNA RNA-DNA杂交分子 双链DNA（前病毒）,逆转录酶也和DNA聚合酶一样，沿53方向合成DNA，并要求短链RNA作引物。,逆转录酶是多功能酶，兼有3种酶的活性：RNA指导的DNA聚合酶活性 DNA指导的DNA聚合酶活性 RNA酶活性,逆转录酶发现的理论和实践意义：不能把“中心法则”绝对化，遗传信息也可以从RNA传递到DNA。促进了分子生物学、生物化学和病毒学的研究，为肿瘤的防治提供了新的线索。目前逆转录酶
14、已经成为研究这些学科的工具。,1983年，发现人类免疫缺陷病毒（human immune deficience virus,HIV）,感染T淋巴细胞后即杀死细胞，造成宿主机体免疫系统损伤，引起艾滋病（acquired immunodeficiency syndrome,AIDS）,第三节 RNA的生物合成,1、DNA指导下RNA的合成转录,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，形成3,5-磷酸二酯键，合成一条与DNA链的一定区段互补的RNA链的过程称为转录。,相同点：1.都以DNA为模板 2.原料为核苷酸 3.合成方向均为53方向 4.都需要
15、依赖DNA的聚合酶 5.遵守碱基互补配对规律 6.产物为多聚核苷酸链,转录和复制的异同,不同点：复制 转录 模板 两股链均作为模板 模板链作为模板 原料 dNTP NTP 聚合酶 DNA聚合酶 RNA聚合酶 产物 子代DNA双链 mRNA;tRNA;rRNA 配对 A-T；G-C A-U；T-A；G-C 引物 需RNA引物 不需要引物 方式(特点)半保留复制 不对称转录,转录和复制的异同,DNA分子中能转录出mRNA然后指导蛋白质合成的部分称为结构基因。其余的DNA可能转录(rRNA,tRNA),也可能不转录。结构基因的双链中，只有一股链可作为模板转录成RNA，称为模板链（负链、反意义链）。,
16、与模板相对应的互补链，编码区的碱基序列与mRNA的密码序列相同，称为编码链（正链、有意义链）。不对称转录:不同基因的模板链与编码链在DNA分子上并不是固定在某一股链的现象。,转录是依赖DNA的RNA聚合酶，也称为DNA指导的RNA聚合酶，简称为RNA聚合酶。因子：识别并结合启动子的亚基，辨认转录起始点，但不能单独与DNA模板结合；原核生物的RNA聚合酶（大肠杆菌RNA聚合酶）分子量为450kDa，由四个亚基组成2(全酶)去掉亚基称为核心酶,（1）参与转录的酶,大肠杆菌RNA聚合酶,核心酶,全酶,启动子：被RNA聚合酶识别、结合并开始转录的模板DNA的部位，称为启动子。,终止子在一个基因的末端往
17、往有一段特定顺序，它具有转录终止的功能，这段终止信号的顺序称为终止子。,真核生物的RNA聚合酶,RNA聚合酶：存在核仁中，主要催化rRNA前体的转录 RNA聚合酶：存在于核质中，催化mRNA前体的转录 RNA聚合酶：存在于核质中，催化小分子量RNA的转录,（2）RNA的转录过程,RNA转录过程,起始延伸终止,在亚基作用下帮助全酶找到启动子，并与启动子结合生成较松弛的封闭型启动子复合物，识别部位大约在启动子的-3，5位点处；DNA构象改变活化，得到开放型的启动子复合物，在10位点处解开双链，识别其中的模板链；在起始位点的全酶结合第一个核苷三磷酸，第一个磷酸二酯键形成后,亚基即被释放脱离核心酶。,
18、起 始,延 伸,DNA分子和酶分子构象改变，核心酶与DNA的结合松弛，沿模板移动，并按模板序列选择下一个核苷酸，将核苷三磷酸加到生长的RNA链的3-OH端，催化形成磷酸二酯键。转录延伸的方向是沿DNA模板链的35方向按碱基配对原则生成53的RNA产物。当新生的RNA链离开模板DNA后，两条DNA链则重新形成双股螺旋结构。,终 止,在DNA分子上有终止转录的特殊碱基顺序称为终止子，它具有使RNA聚合酶停止合成RNA和释放RNA链的作用。原核生物转录的终止有两种机制：依赖因子的转录终止(因子能与转录中的RNA结合)不依赖因子的转录终止,转录后加工,在转录中新合成的RNA是较大的前体分子，需要经过进
19、一步的加工修饰，才转变为具有生物学活性的、成熟的RNA分子，这个过程称为转录后的加工，主要包括剪接、剪切和化学修饰。,一、真核生物mRNA的转录后加工(一)首尾的修饰1.5-端加帽：m7GpppG2.3-端加尾：多聚腺苷酸(poly A),5 pppGp,5 GpppGp,pppG,PPi,鸟苷酸转移酶,5 m7GpppGp,甲基转移酶,SAM,1.5-帽子结构(m7GpppG)的生成,5 ppGp,磷酸酶,Pi,5,5,加帽过程,帽子结构的意义：,可以使mRNA免遭核酸酶的攻击；也能与帽结合蛋白质复合体(cap-binding complex of protein)结合，并参与mRNA和核糖
20、体的结合，启动蛋白质的生物合成。,2.3-端加尾,polyA的有无与长短，是维持mRNA作为翻译模板的活性，以及增加mRNA本身稳定性的因素。,mRNA的剪接,1.hnRNA 和 snRNA,核内的初级mRNA称为非均一核RNA(hetero-nuclear RNA,hnRNA)snRNA(small nuclear RNA),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而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。,断裂基因(splite gene),非编码区 AG,编码区17,2.外显子(exon)和内含子(intron),外显
21、子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。内含子隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。,3.mRNA的剪接,除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。,snRNP与hnRNA结合成为剪接体,mRNA的剪接过程（动画）,鸡卵清蛋白基因,hnRNA,首、尾修饰,hnRNA剪接,成熟的mRNA,鸡卵清蛋白基因及其转 录、转录后修饰,4.mRNA的编辑(mRNA editing),胞嘧啶核苷脱氨酶,mRNA 上的一些序列经过编辑发生改变。,二、tRNA的转录后加工,tRNA前体,RNA pol 催化合成,成熟tRNA,连接酶,tRNA核苷酸转移酶,碱基修饰,三、rRNA的转录后加工,5.8S和28S-rRNA,rDNA,内含子,内含子,28S,5.8S,18S,45S-rRNA,RNA pol催化合成,Thanks,
