DNA、RNA和蛋白质的生物合成

第十四章

DNA、RNA和

蛋白质的生物合成目前一页\总数五十八页\编于十二点复制—以原来的DNA分子为模板，合成出相同分子的过程。转录—在DNA分子上合成出与其核苷酸顺序相对应的RNA的过程。翻译—在RNA的控制下，根据核酸链上每三个核苷酸决定一个氨基酸的三联体密码规则，合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程。目前二页\总数五十八页\编于十二点14.1DNA的复制1953年，Watson和Crick在DNA双螺旋结构的基础上提出了半保留复制假说：DNA在复制过程中，首先碱基之间的氢键破裂，使两条链解旋并分开，然后以碱基互补的方式，以每条单链为模板，按单链DNA的核苷酸顺序合成子链。在此过程中，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。14.1.1DNA的复制方式—半保留复制目前三页\总数五十八页\编于十二点Radioisotopelabelin（放射性同位素标记）anddensitygradient（密度梯度离心）centrifugationclearlydistinguishesreplicationsofsemiconservativefromconservative.目前四页\总数五十八页\编于十二点14.1.2参与DNA复制的酶类和蛋白质因子1.DNA聚合酶（DNA-polymerase）DNA聚合酶能催化四种脱氧核糖核苷三磷酸合成DNA单链DNA为模板具有3`-OH末端的低聚多核苷酸为引物Mg2+或Mn2+四种脱氧核苷三磷酸为底物ArthurKornberg阿瑟·科恩伯格目前五页\总数五十八页\编于十二点①原核细胞的DNA聚合酶DNA聚合酶I（polI）—Kornberg酶

polI是一个多功能酶DNA聚合酶活力：使DNA链沿5`-3`方向延伸；目前六页\总数五十八页\编于十二点DNA聚合酶Ⅱ（polⅡ）DNA聚合酶活力；3`-5`核酸外切酶活力DNA聚合酶Ⅲ（polⅢ）DNA聚合酶活力；3`-5`核酸外切酶活力；5`-3`核酸外切酶活力polⅢ目前七页\总数五十八页\编于十二点大肠杆菌中DNA聚合酶的性质比较polIpolⅡpolIII功能DNA聚合酶5`-3`外切酶3`-5`外切酶++++-++（+）+分子量109000120000140000酶分子数/细胞40010010-20转化率10.0550主要功能复制、修复修复复制目前八页\总数五十八页\编于十二点②真核细胞的DNA聚合酶αβγδ分子量120000-22000045000160000122000分布细胞核细胞核线粒体细胞核酶活力80%10-15%2-15%10-25%核酸外切酶活力无无无3`-5`主要功能复制修复复制（线粒体）？目前九页\总数五十八页\编于十二点6.连接酶（ligase）催化双链DNA中单链缺口部分的3`-OH和它临近的DNA片段的5`-磷酸基形成3`，5`-磷酸二酯键，将两个DNA片段连接起来。连接反应需要能量（NAD+orATP）。目前十页\总数五十八页\编于十二点DNA复制体目前十一页\总数五十八页\编于十二点14.1.3DNA的半不连续复制冈崎提出DNA的不连续复制模型：3`-5`走向的DNA实际上是由许多5`-3`方向合成的DNA片段连接起来的。Overalldirectionofprogenychaingrowthatareplicatingfork:onein5’3’andtheotherin3’5’direction.Bothdaughterstrandsatthereplicationforkaresynthesizedin5’-3’direction,butone(theleadingstrand)issynthesizedcontinuouslyandtheother(thelaggingstrand)discontinuously(synthesizedinitiallyasOkazakifragments).前导链后随链冈崎片段目前十二页\总数五十八页\编于十二点OnlyoneRNAprimerisneededforsynthesizingtheleadingstrand.RNAprimersarerepeatedlyformedbytheprimaseonthelaggingstrand.2.DNA片段的合成和链的延伸目前十三页\总数五十八页\编于十二点1.引物酶识别复制起点，引导解螺旋酶到正确位点2.解螺旋酶解开双螺旋引发酶解螺旋酶聚合酶修复酶松弛酶单链结合蛋白连接酶DNA的复制过程目前十四页\总数五十八页\编于十二点3.DNA聚合酶合成新的DNA链4.按碱基互补原理合成DNA链5.四种脱氧核苷三磷酸为底物6.释放焦磷酸目前十五页\总数五十八页\编于十二点7-12.DNA片段的合成和链的延伸目前十六页\总数五十八页\编于十二点13.连接酶14.单链结合蛋白15.松弛酶16.DNA的复制目前十七页\总数五十八页\编于十二点14.5.1原核生物与真核生物

DNA复制的特点比较1.复制的起点和单位复制单位：复制子，生物体内能独立行使复制功能，进行独立复制的DNA单位。①原核生物由一个复制子组成双向复制大肠杆菌，θ结构ori目前十八页\总数五十八页\编于十二点大肠杆菌：θ结构

单相复制噬菌体Φ×174—滚环复制目前十九页\总数五十八页\编于十二点②真核生物线形双链DNA，含有多个复制子；双向复制。复制子2.复制速度3.真核生物的DNA在全部复制完成之前，起点不再重新开始复制；原核生物中，起点可连续发动复制目前二十页\总数五十八页\编于十二点14.1.6在RNA指导下的DNA的合成1970年Temin等在致癌RNA病毒中发现了一种特殊的DNA聚合酶，该酶以RNA为模板，根据碱基配对原则，按照RNA的核苷酸顺序(其中U与A配对)合成DNA。这一过程与一般遗传信息流转录的方向相反，故称为反转录。反转录酶是一种多功能酶：RNA指导的DNA聚合酶活力；核糖核酸酶H的活力：

DNA指导的DNA聚合酶活力目前二十一页\总数五十八页\编于十二点反转录病毒的生活周期目前二十二页\总数五十八页\编于十二点14.2RNA的生物合成

14.2.1转录过程转录（transcription）——DNA分子中的遗传信息转移到RNA分子中的过程。目前二十三页\总数五十八页\编于十二点14.2.1.1RNA聚合酶（RNApolymerase）RNA聚合酶有以下特点：以DNA为模板，也称为依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP）四种核苷三磷酸为底物需要Mg2+或Mn2+离子RNA链的延长方向是5’→3’的连续合成遵循DNA与RNA之间的碱基配对原则不需要引物。RNA聚合酶缺乏3’→5’外切酶活性，所以没有校正功能。目前二十四页\总数五十八页\编于十二点1.细菌RNA聚合酶α：与DNA模板结合，识别碱基β：

催化形成磷酸二酯键β`：与DNA模板结合σ：识别起始点全酶：α

2

β

β’σ

核心酶：α

2β

β’目前二十五页\总数五十八页\编于十二点2.真核细胞RNA聚合酶类型分布催化转录产物对鹅膏蕈碱的敏感性IIIIII核仁核质核质rRNA前体HnRNA（mRNA前体）5SrRNA、tRNA前体不敏感低浓度抑制较高浓度抑制目前二十六页\总数五十八页\编于十二点14.2.1.2转录过程不对称转录：在DNA的两条多核苷酸链中只有其中一条链作为模板，这条链叫做模板链（templatestrand），又叫做无意义链。DNA双链中另一条不做为模板的链叫做编码链，又叫做有意义链。可分为三个阶段：合成的起始、链的延长和合成的终止1.RNA合成的起始启动子（promoter）：RNA聚合酶识别、结合并开始转录的一段DNA序列。目前二十七页\总数五十八页\编于十二点①原核生物的启动子-10序列（Pribnow框）：-TATAAT-RNA聚合酶牢固结合的位点，称为结合位点。-35序列（Sextama框）：-TTGACA-RNA聚合酶初始结合的位点，称为识别位点。目前二十八页\总数五十八页\编于十二点②真核生物的启动子TATA框（Hogness框）-25~-30左右的序列：TATAA（T）AA（T）决定起始点的选择CAAT框-75附近：GGC（T）CAATCT控制转录起始的频率目前二十九页\总数五十八页\编于十二点2.链的延长目前三十页\总数五十八页\编于十二点3.RNA合成的终止终止子（terminator）：提供转录终止信号的DNA序列。富含G-C多个U目前三十一页\总数五十八页\编于十二点依赖ρ因子的终止子不依赖ρ因子的终止子目前三十二页\总数五十八页\编于十二点RNA的合成过程目前三十三页\总数五十八页\编于十二点14.2.1.3RNA的转录后加工1.rRNA前体的转录后加工真核生物甲基化剪切原核生物目前三十四页\总数五十八页\编于十二点TheprocessingoftheprimarytRNAtranscriptsincluderemovalofthe5`and3`ends,additionoftheCCAsequenceatthe3`end,modificationofmanybases,andsplicingofintrons(ineukaryoticcells).

2.tRNA前体的转录后加工剪切核苷修饰接-CCA剪切目前三十五页\总数五十八页\编于十二点3.mRNA前体的转录后加工A5`capisaddedtoeukaryoticmRNAsBeforetranscriptionends目前三十六页\总数五十八页\编于十二点Apoly(A)tailisusuallyaddedatthe3`endofanmRNAmoleculeviaaprocessingstep.目前三十七页\总数五十八页\编于十二点hnRNA（核内不均一RNA）的剪接内含子外显子目前三十八页\总数五十八页\编于十二点mRNA前体的转录后加工目前三十九页\总数五十八页\编于十二点DNA复制RNA转录蛋白质翻译?逆转录复制中心法则目前四十页\总数五十八页\编于十二点14.3蛋白质的生物合成目前四十一页\总数五十八页\编于十二点14.3.1RNA在蛋白质生物合成中的作用1.mRNA的功能mRNA带有由DNA转录来的遗传信息，是蛋白质合成的模板。遗传密码（geneticcodes）遗传密码：指mRNA中碱基序列和蛋白质中氨基酸序列之间的相互关系。1961年，Brenner和Crick证明：三个相邻的核苷酸代表一种氨基酸，该三核苷酸序列称为密码子（codon），或三联密码（tripletcode）目前四十二页\总数五十八页\编于十二点密码子的重要性质密码子不重叠；密码子的简并性；密码的通用性；密码子间无间隔遗传密码终止密码子UAA、UGA、UAG同义密码子（简并密码子）起始密码子AUG、GUG目前四十三页\总数五十八页\编于十二点2.tRNA的功能tRNA起运输氨基酸的作用反密码子（anticodon）：tRNA识别mRNA上的密码子的机构，可根据碱基配对规律识别相应的密码子。目前四十四页\总数五十八页\编于十二点3.rRNA与核糖体

rRNA与多种蛋白质组成核糖体，核糖体是蛋白质合成的加工厂。目前四十五页\总数五十八页\编于十二点Rolesofthe3typesofRNAsintranslationA位点（氨酰基位点）P位点（肽酰基位点）目前四十六页\总数五十八页\编于十二点目前四十七页\总数五十八页\编于十二点14.3.2蛋白质生物合成过程蛋白质的合成需要近200种生物大分子参与，由ATP、GTP提供能量。蛋白质生物合成方向：由多肽链的氨基端开始，向羧基端方向逐步延伸。合成过程分为：氨基酸的活化与转移——准备阶段肽链合成的起始肽链的延长肽链的终止目前四十八页\总数五十八页\编于十二点1.氨基酸的活化与转运AA+tRNA+ATP↓氨酰-tRNA+AMP+PPi细胞质中进行氨酰-tRNA合成酶氨酰基腺苷酸∣↓↘AMPtRNA氨酰-tRNA目前四十九页\总数五十八页\编于十二点2.肽链合成的起始mRNA上的起始密码子多为：AUG（决定Met的密码子）携带Met的tRNA有两种：甲硫氨酸tRNAm：tRNAmMet甲硫氨酸tRNAf：tRNAfMet甲酰甲硫氨酰tRNAf甲酰FH4甲酰基转移酶蛋白质生物合成：原核细胞以fMet-tRNAf为起点；真核细胞以Met-tRNAm为起点目前五十页\总数五十八页\编于十二点mRNA-30S-IF3复合物↓30S起始复合物（30S-mRNA-fMet-tRNAf-GTP-IF1-IF2）↓70S起始复合物（70S-mRNA-fMet-tRNAf）目前五十一页\总数五十八页\编于十二点3肽链的延长核糖体中进行延长因子：EF-TuEF