生物化学--第十二章核酸的生物合成.ppt

第十二章 核酸的生物合成,核苷酸,磷酸,戊糖(核糖、脱氧核糖),碱基（A、G、C、T / U）, 核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是核苷酸。, DNA是基因遗传与表达的载体，是生物的主要遗传物质。, DNA的一级结构是指脱氧核苷酸之间的连接方式和排列顺序。连接方式： 3，5-磷酸二酯键。,DNA的二级结构,1953年，Watson和 Crick 提出了著名的DNA双螺旋结构模型。, RNA是DNA的局部转录产物，RNA为单链分子，以3，5-磷酸二酯键相连。, 根据RNA的功能，可以分为mRNA 、tRNA 和 rRNA 三种。 mRNA: 编码氨基酸 t RNA: 转运氨基酸 r RNA: 构成蛋白质合成场所（核糖体）,复制,转录,翻译,逆转录,复制, 1958年Crick提出中心法则(central dogma)，1971年完善。,中心法则揭示了生物体内遗传信息的传递方向。, 遗传信息的传递包括： 1. 复制(replication)：以原DNA分子为模板，合成出相同DNA分子的过程。 2. 转录(transcription)：生物的遗传信息从DNA传递给mRNA的过程。 3. 翻译(translation)：根据mRNA链上的遗传信息合成蛋白质的过程。, 核酸的生物合成包括： DNA的生物合成：DNA复制和逆转录 RNA的生物合成：转录和RNA复制,第一节 DNA的生物合成, 1953年，Watson和Crick在提出DNA双螺旋结构模型时就推测DNA可能按照半保留机制进行自我复制。,一、DNA的复制,、DNA的半保留复制,半保留复制（semiconservative replication） 在复制过程中，首先亲代双链解开，然后每条链作为模板，在其上合成互补的子代链，结果新形成的两个子代DNA与亲代DNA分子的碱基顺序完全一样，而且每个子代DNA分子中有一条链完全来自亲代DNA，另一条是新合成的。, 1958年，Meselson和Stahl用15N标记E.coli. DNA，用密度梯度离心试验证明了DNA的复制是半保留复制。, 半保留复制具有重要的生物学意义，DNA分子以半保留方式进行复制，亲代DNA分子中的一条链保留在子代DNA分子中，可使遗传信息准确的传递给子代细胞，保持其相对稳定性而不致发生进化上不能忍受的变化。, DNA聚合酶 DNA模板（反转录时用RNA模板） 引物（DNA或RNA，提供游离3-OH） 4种dNTP Mg2+,、大肠杆菌DNA聚合酶及其它复制相关的蛋白,1. DNA聚合发生的条件, 目前已发现30多种酶及蛋白质因子参与DNA复制，DNA生物合成方向为53 。,n1dATP + n2dGTP + n3dCTP + n4dTTP,DNA +（n1+n2+n3+n4）PPi,模板DNA,Mg2+,DNA聚合酶,2. 原核生物DNA聚合酶的种类, DNA聚合酶, 5， 3， 聚合酶活性：只能将脱氧核苷酸加于已存在的DNA或RNA链的3-OH 上，不是主要的聚合酶。 3， 5， 外切酶活性：只对单链，起校对功能。 5， 3， 外切酶活性：对双链，损伤修复作用，及切除RNA引物并填补其留下的缺口。, 单体酶，分子量109Kd，含一个Zn2+ ，催化活性：, 5 3 聚合酶,模板链,新生链,C (unable to pair with A),C removed, 3 5 外切酶活性, 5， 3， 外切酶活性,Arthur Kornberg won the 1959 Nobel Prize in Medicine for his discovery of the mechanism in the biological synthesis of deoxyribonucleic acid (before Watson and Crick won theirs!), DNA聚合酶（含量很少，忽略不计）, 单体酶，分子量120Kd。催化活性： 53聚合(活性很低) ； 3 5 外切。, 寡聚酶，全酶由10种共22个亚基组成，、和三种亚基组成核心酶。催化活性： 5 3 聚合酶活性：是主要的聚合酶 3 5 外切酶活性 5 3 外切酶活性, DNA聚合酶（主要作用的聚合酶）,3. 其它主要蛋白, DNA旋转酶（gyrase）（剪断一小段再连接起来）, 又称拓扑异构酶，有内切酶和连接酶活力，使DNA正超螺旋的紧张状态变为松弛状态。, 解链酶（helicase）（解开氢键，）, 使DNA双螺旋结构变成单链, 单链结合蛋白（SSB）, 结合在单链上，防止解开的单链DNA重新形成双链。, 引物酶（primerase）, 以DNA为模板，以4种核糖核苷酸（NTP）为底物，合成一小段RNA作为DNA复制的引物。引物的3-OH端是DNA聚合酶发挥活性所必需的。, 催化DNA双链中的一条单链切口处游离的3-OH末端和5磷酸基末端形成 3,5 - 磷酸二酯键。, DNA连接酶（ligase）,4. 原核生物DNA复制过程, DNA复制的起始, 大肠杆菌复制原点起始复制所需蛋白质： dnaA 在原点处打开双螺旋 dnaB 使DNA解旋 引物酶 合成RNA引物 SSB 结合单链DNA 旋转酶 松驰DNA扭曲应力, 20个DnaA结合在四组9bp重复区，形成起始复合物，DNA环绕此复合物。三组13bp重复区依次变性，产生开放型复合物。DnaB（在DnaC协助下）与开放复合物结合，进一步解链。, DNA的复制只能从一个特定位点开始，称为原点（origin），从原点开始同时向DNA链的两个方向进行，在复制的部分同时进行解链与合成，结果形成一个分叉，称为复制叉（replication fork），又称复制眼（replication eye）。, DNA复制的延长, 滞后链合成的模板形成环，复制叉上的二聚体DNA聚合酶全酶同时合成两条子链。,前导链 (leading strand): 以亲代3 5 链为模板，子代能 连续合成。 滞后链 (lagging strand): 以5 3为模板，不能连续合成。 冈崎片段 (Okazaki fragment): 滞后链上的小片段。, 半不连续复制（semidiscontinuous replication）：DNA复制过程中，新生的DNA链一条按5 3 方向（与复制叉移动方向一致）连续合成，另一条按5 3 方向（与复制叉移动方向相反）不连续合成。,4. DNA聚合酶,1. 解链酶,2. 单链结合蛋白,前导链,冈崎片段,3. 引物酶,5. 聚合酶,6. 连接酶,复制叉,引物, DNA复制的终止,大肠杆菌环状DNA复制叉相遇即终止, DNA旋转酶引入负超螺旋，消除复制叉前进时带来的扭曲张力。 DNA解链酶解开双链DNA。 SSB结合于DNA单链。 DNA引物酶(在引发体中)合成RNA引物。 DNA 聚合酶在两条新生链上合成DNA。 DNA 聚合酶切除RNA引物，并补上DNA。 DNA ligase连接一个冈崎片段。,小 结, 逆转录（reverse transcription）：以RNA为模板合成DNA的过程，与通常转录过程中遗传信息流从DNA到RNA的方向相反。,二、逆转录作用, 逆转录酶（reverse transcriptase）：催化逆转录反应的酶。, 许多具有RNA基因组的病毒含有这种酶，故这类病毒又称为逆转录病毒（retrovirus）。它们多是致癌病毒。,逆转录酶具有3种活性：, 依赖RNA的DNA聚合酶活性, RNase H（核糖核酸酶H）活性, 依赖DNA的DNA聚合酶活性,cDNA, 反转录酶存在于所有致癌RNA病毒中，它的存在与RNA病毒引起细胞恶性转化有关。, 艾滋病毒（AIDS） 人类免疫缺陷病毒（HIV），也是一种反转录病毒，主要感染T4淋巴细胞和B淋巴细胞。, 一些物理化学因子如紫外线、电离辐射和化学诱变剂均可引起DNA损伤，破坏其结构与功能。然而在一定条件下，生物机体能使这种损伤得到修复。,三、DNA的损伤、修复和突变, 紫外线可使DNA分子中同一条链上两个相邻的胸腺嘧啶碱基之间形成二聚体（TT），两个T以共价键形成环丁烷结构。CT、CC间也可形成少量二聚体（CT、CC），使复制、转录受阻。,、DNA损伤,、DNA修复系统, 细胞内具有一系列起修复作用的酶系统，可以除去DNA上的损伤，恢复DNA的双螺旋结构。目前已知有4种酶修复系统：光复活、切除修复、重组修复、SOS 修复，后三种不需要光，又称为暗修复。,1. 光复活, 可见光（400500 nm）可激活光裂合酶，此酶能分解由于紫外线形成的嘧啶二聚体。,2. 切除修复,切开,切除,修复,连接,3. 重组修复, 切除修复发生在DNA复制之前，而当DNA发动复制时尚未修复的损伤部位，可以先复制，再重组修复。,4. SOS 修复, 避免差错的修复（error free repair）：光复合、切除修复及重组修复对DNA损伤的修复都不导致DNA突变。 倾向差错的修复（error prone repair）：SOS修复。在DNA损伤后，DNA复制过程以脱氧核苷酸的聚合发生差错为代价，强行合成完整子代链的一种挽救性修复。, 光复合是利用光能，其余均利用ATP水解所释放的能量。 光复合和切除修复是修复模板链；重组修复不是对损伤链直接修复，而是形成一条新的正常模板链。 SOS修复是导致突变的修复。,、DNA突变, 不能修复的损伤或修复过程带来的差错，将引起DNA序列的永久性改变。, 突变有三种形式：置换、插入、缺失,DNA复制的真实性？ 生物体DNA复制具有高度真实性，复制108-1010碱基对，只有一个错误碱基。, 聚合酶反应本身具有超常的忠实性 聚合酶、的3 5外切酶功能 dNTP的平衡 DNA的损伤修复系统 RNA引物的使用,第二节 RNA的生物合成, RNA的生物合成包括转录和RNA的复制,转录,复制, 细胞内的各类RNA，包括mRNA、rRNA和tRNA，都是以DNA为模板，在RNA聚合酶的催化下合成的。 此外，除逆转录病毒，其它的RNA病毒均以RNA为模板进行复制。,一、转录, 转录（transcription）：以一段DNA的遗传信息为模板，在RNA聚合酶作用下，合成出对应的RNA的过程，或在DNA指导下合成RNA。,转录单位：RNA的转录是从DNA反义链上的一个特定位点开始，延伸到另一个位点处终止，此转录区域称为转录单位。, 一个转录单位可以是一个基因（真核），也可以是多个基因（原核）。, 转录单位的起点核苷酸为+1，起点右边为下游（转录区）；转录起点左侧为上游，用负数表示：-1，-2，-3,反义链（antisense strand）：转录的模板链， 也可表示为负（-）链。 正义链（sense strand）：编码链 ，也可表示 为正（+）链,（-）,（+）, RNA的转录只涉及DNA一条链的某一区段，故又叫不对称转录。,RNA合成的反应基本特征： RNA聚合酶 底物：NTP（ATP、GTP、CTP、UTP） DNA模板 不需要引物 RNA链生长方向：53, 转录与DNA复制的异同：,相异： 复制需要引物，转录不需引物。 转录时，模板DNA的信息全保留，复制时模板信息是半保留。 转录时，RNA聚合酶只有53聚合作用，无53及35外切活性。,相同：新链延伸方向53；延长时3,5-磷酸二酯键相连；焦磷酸水解放出能量推动合成反应。,、原核生物RNA聚合酶的结构与特性, 大肠杆菌 RNA聚合酶全酶（holoenzyme）分子量50万Da，由五个亚基组成， a2bb s ，另有两个Zn2+。 无亚基的酶叫核心酶，核心酶只能使已开始合成的RNA链延长，而不具备起始合成活性，加入亚基后，全酶才具有起始合成RNA的能力，因此，亚基称为起始因子。,与DNA上启动子结合,催化中心,起始识别因子；一个细胞的因子的匹配决定着哪些基因被转录, RNA聚合酶没有校对功能，即没有53及35外切活性，因此，转录产物的序列忠实性大大低于复制（104）。 但由于基因的重复转录，且遗传密码的简并性。所以RNA合成的低忠实性是可以容忍的。,基因的重复转录,、原核生物RNA的合成过程, 转录的起始由DNA上的启动子区控制，转录的终止由DNA上的终止子控制，转录是通过DNA指导的RNA聚合酶来实现的。,启动子（promoter）：RNA聚合酶识别、结合并开始转录所必需的一段DNA序列。,-35序列,-10序列,(Pribnow box),1. 亚基使RNA聚合酶识别启动子,-35序列提供RNA聚合酶识别信号 -10序列有助于DNA局部双链解开, 起始过程中，因子起关键作用，它能使聚合酶迅速地与DNA的启动子结合。,开放复合物,2. 转录的起始, 转录起始后，亚基释放，离开核心酶，使核心酶的亚基构象变化，与DNA模板亲和力下降，在DNA上移动速度加快，使RNA链不断延长。,3. 转录链的延长,转录泡,模板链,编码链,正超螺旋,负超螺旋,4. 转录链的终止, 许多转录过程可被基因末端的一段特异的碱基序列所终止。提供转录停止信号的DNA序列称为终止子（terminator）。,所有原核生物的终止子在终止点之前都有一个回文结构，它转录出来的RNA可以形成一个颈环式的发夹结构。,发夹结构,十字形结构, 不依赖于的终止子（简单终止子） 简单终止子除具有发夹结构外，在终止点前有一寡聚U序列；回文对称区通常有一段富含GC的序列。,RNA的终止有两种方式：, 依赖的终止子 依赖的终止子，必需在因子存在时，才发生终止作用。因子又称终止因子，可水解三磷酸核苷。,回文序列,茎环结构,寡聚U序列,不依赖于的终止子,依赖的终止子,转录终止后，RNA聚合酶从DNA链上脱离下来。,、真核生物RNA合成的特点,1. 真核生物的RNA聚合酶,2. 真核细胞新生RNA的加工, RNA聚合酶合成的原初转录产物（prim