[理学]第九章 核酸代谢.ppt

一 核酸的酶促降解P283 根据对底物的专一性分为 核糖核酸酶 RNase 和脱氧核糖核酸酶 DNase 根据切割位点分为 核酸外切酶和核酸内切酶 第九章核酸代谢NucleicAcidMetabolism 限制性内切酶 能够识别双链DNA上特定核苷酸序列并进行切割的核酸内切酶 P285 1 核苷酸的生物合成P289 动植物 微生物可合成嘌呤或嘧啶的核苷酸 基本途径有 利用核糖 磷酸 Aa CO2 NH3合成核苷酸 不经过碱基 核苷的中间阶段 称为 从头合成 途径或 从无到有 途径 利用体内游离的碱基或核苷合成核苷酸 称为补救途径 二 DNA的生物合成 2 基本概念P300 DNA复制 replication 在亲代DNA双链的每一条链上 按照碱基配对准确地形成一条新的互补链 结果生成两个与亲代链相同的DNA分子的过程 转录 transcription 以DNA链为模板 通过碱基配对的方式将其中所含的遗传信息传给RNA链 合成与DNA互补的mRNA链的过程 翻译 translation 以mRNA链为模板 按照mRNA分子上三个核苷酸决定一种Aa的规则 合成具有特定Aa顺序的蛋白质的过程 中心法则 TheCentralDogma 由DNA决定RNA的碱基顺序 又由RNA决定蛋白质中的Aa顺序 这叫中心法则 也叫信息流 P301 一 DNA的复制 概念 复制时 DNA两条链解开 分别以每条链为模板合成互补链 形成的两个子代DNA中均有一条链来自亲代DNA 另一条链是新合成的 1 DNA的半保留复制 SemiconservativeReplication P302 全保留复制 半保留复制 分散复制 实验依据 1958年Meselson StahlE coli同位素标记 15N 结合密度梯度离心法 2 DNA的半不连续复制P318 Semidiscontinuousreplication DNA的两条链方向是相反的 5 3 3 5 DNA合成需要DNA聚合酶 它只能使DNA链从5 3 合成 所以复制是半不连续的 5 3 5 5 5 5 5 3 3 3 3 3 要点 沿着复制叉 replicationfork 移动的方向 先合成前导链 leadingstrand 前导链复制是连续的 其复制方向与复制叉移动方向一致 复制时双链打开 分开成两股 新链沿着张开的模板生成 复制中形成的这种Y字形的结构称为复制叉P308 复制方向 复制叉 另外一条链 随后链 laggingstrand 的合成是不连续的 复制叉打开后 也是按5 3 方向即母链的3 5 方向 与复制叉方向相反 合成若干个短片段 然后通过连接酶连接起来 所以整个过程是半不连续的 复制方向 冈崎片段 Okazakifragment 冈崎片段P308 1968年日本生化学者冈崎用电镜及放射自显影技术 观察到DNA复制中出现一些不连续的片段 因而将这些不连续的片段称为冈崎片段 2 条件P303 306 底物 dNTP dATP dGTP dCTP dTTP 聚合酶 polymerase 依赖DNA的DNA聚合酶 简写为DNA pol 模板 template 解开成单链的DNA母链 引物 primer 提供3 OH末端的寡核苷酸 其他的酶和蛋白质因子 DNA解链酶 helicase DNA旋转酶 gyrase 引物酶 primase 和引发体 primosome DNA连接酶 ligase 单链结合蛋白 single strandbindingprotein SSB 1 引物酶 已知的任何一种DNA聚合酶都不能从头合成一条新DNA链 DNA的合成需要一段引物 大多数细胞中引物为RNA 合成这些引物的酶称为引物酶 引物酶以单链DNA为模板 NTP为底物合成RNA 2 DNA聚合酶 以四种dNTP为底物 在DNA模板的指令下 按照碱基互补配对的原则 把dNTP逐个添加到引物或延伸链的3 OH末端 形成3 5 磷酸二酯键 新合成的链按5 3 方向进行延伸 DNA聚合酶 可以催化DNA链的延长 5 3 聚合 由5 端水解DNA链 5 3 核酸外切酶活性 由3 端水解DNA链 3 5 核酸外切活性 校对 DNA聚合酶 多亚基酶 聚合作用 但聚合活力很低 具有3 5 外切酶活性 DNA聚合酶 真正起复制作用的酶由10种亚基组成的不对称二聚体 和 构成核心酶 亚基有聚合活性 亚基有3 5 外切酶活性 3 连接酶 催化双链DNA切口上5 P与3 OH的共价连接 连接反应需要能量 不催化两条游离DNA单链的结合 DNA连接酶在DNA复制 修复和重组过程均起重要作用 4 解螺旋酶 解链酶 利用水解ATP释放的能量 催化双链DNA解开形成单链 解链酶一般是多聚体的 最常见的是六聚体的形式 5 单链结合蛋白 SSB 稳定已被解开的DNA单链 阻止复性和保护单链不被核酸酶降解 6 拓扑异构酶 旋转酶 兼有内切酶和连接酶的活力 既能水解 又能连接磷酸二酯键 型拓扑异构酶 使DNA一条链断裂和再连接 型拓扑异构酶 使DNA两条链断裂和再连接 旋转酶 3 规律 DNA复制是半保留的 DNA复制必须在特定的位点开始 这样的位点称为复制起始点 origin ori 原核生物只有一个复制起始点 真核生物染色体DNA有多个复制起始点 同时形成多个复制单位 两个起始点之间的DNA片段称为复制子 replicon P317 复制子 DNA复制可以是单向的 也可以是双向的 后者更常见 原核生物的复制从一个起始点开始 同时向两个方向进行 称为双向复制 复制中的DNA成为 状 两条DNA链的合成都是朝5 3 方向进行 DNA复制严格遵守碱基互补配对原则 准确复制 ori 复制是半不连续的 前导链是连续合成的 随后链是不连续合成的 通过连接酶把若干片段连接起来 各个短片段开始复制时 都需要RNA引物 复制有多种机制 会因环境的不同 酶的丰度 温度 营养条件等 而有不同的起始机制及链的延长方式 5 复制过程 大肠杆菌 P307 分为三个阶段 1 起始 initiation RNA引物的合成 2 延长 elongation 向RNA引物3 端添加dNTP 合成DNA短的片段 3 终止 termination RNA引物脱落 代替相应的DNA序列 通过共价键连接短片段 形成DNA片段 1 起始 DNA解成单链 由旋转酶松弛超螺旋 解链酶解开双链 SSB结合到单链上使其稳定 解链酶 引物合成 引发体引导引物酶到达适当的位置合成引物 旋转酶 2 延长 在DNApol 催化下 以解开的单链为模板 以四种dNTP为原料 进行聚合作用 即新进入的dNTP与引物3 OH形成磷酸二酯键 由5 3 方向延长子链 随后链的模板绕DNA聚合酶向后回折成环 复制叉上的DNA聚合酶III全酶同时合成前导链和随后链 3 终止 不连续片段的连接 DNA聚合酶I DNA聚合酶I 4 真核生物的DNA复制P310 基本过程类似于原核生物的DNA复制 但有不同 真核生物有多个复制起点 真核生物有五种DNA聚合酶 真核生物线性染色体末端的DNA叫端粒 telomere 端粒的复制是由端粒酶 telomerase 催化的 真核生物复制的终止 染色体DNA呈线性 复制在末端停止 二 逆转录作用P312 概念 以RNA为模板合成DNA 这个过程与转录相反 故叫逆转录 由逆转录酶催化 依赖RNA的DNA聚合酶 核糖核酸酶H 依赖DNA的DNA聚合酶 逆转录过程中cDNA的合成 前病毒学说 Temin 逆转录过程生物学意义 扩充了中心法则 有助于致癌机制 艾滋病起因的研究 与真核细胞分裂和胚胎发育有关 逆转录酶是分子生物学重要工具酶 逆转录病毒的生活周期 逆转录过程中cDNA的合成 7 DNA的损伤与修复P312 紫外线 辐射可引起DNA损伤 使DNA链中相邻的嘧啶形成一个环形丁烷 主要是胸腺嘧啶二聚体 可通过两种修复系统除去 一种是光复活修复系统 光复活酶 蓝光 另一种是暗修复系统 T T二聚体 只有高等哺乳动物该功能退化掉了 例对细菌紫外诱变或杀灭时尽量保持暗环境 光复活酶结合于损伤部位 1 光复活修复 2 DNA的切除修复 3 DNA的重组修复 胸腺嘧啶二聚体 复制 核酸酶及重组蛋白 修复复制 DNA聚合酶 DNA连接酶 重组 提问 原损伤部位没有修复 对后代影响大吗 8 突变 Mutation P315 DNA上的碱基序列发生突然而稳定的变化叫突变 突变的形式有 插入 插入一个或几个碱基 置换 常见 一个或几个碱基的置换 包括转换 嘌呤或嘧啶之间的置换 和颠换 嘌呤与嘧啶之间的置换 缺失 一个或几个碱基的缺失 不可逆 突变可以是自发的 也可以是诱发的 紫外线 射线 叠氮物 亚硝酸等物化因素 二 RNA的生物合成 在DNA指导的RNA聚合酶催化下 生物体以DNA的一条链为模板 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 这个过程称为转录 1 概念 转录 转录与复制的区别主要有 材料 4种NTP 复制为4种dNTP mRNA中由U代替了T 复制是两条链同时进行 而转录只以其中的一条DNA链为模板进行转录 不对称转录 这条链叫模板链 负链或无意义链 另一条链叫编码链 正链或有意义链 P316 DNA分子是整个被复制 而转录是局部的 有选择性的 2 RNA聚合酶 转录酶 n1ATPDNA指导的RNA聚合酶n2GTPRNA前体 n3CTPDNA Mg2 Mn2 n1 n2 n3 n4 PPin4UTP反应不需引物 直接在DNA模板上合成RNA合成方向5 3 RNA链的延长方向 大肠杆菌RNA聚合酶组成与功能P327 2个 亚基 结合启动子核心酶 亚基 催化RNA合成全酶 亚基 结合DNA 因子 负责识别启动子 3 RNA的转录过程 大肠杆菌 P317 319 分为三个阶段 1 起始阶段 转录因子识别起始位点 使RNA聚合酶结合到启动子 promoter 上 在起始区产生开放复合体 2 延长阶段 RNA聚合酶沿着DNA模板链3 5 方向滑动 催化RNA的合成 方向是5 3 3 终止阶段 当RNA聚合酶到达终止信号时 它和合成的RNA链一起从DNA上脱落下来 启动子 指RNA聚合酶识别 结合和开始转录的一段DNA序列 P317转录因子 RNA聚合酶在进行转录时常需一些辅助因子 蛋白质 参与作用 称之为转录因子 终止子 terminator 提供转录停止信号的DNA序列称终止子 终止因子 协助RNA聚合酶识别终止信号的辅助因子 蛋白质 5 5 3 3 1 起始阶段 转录酶全酶松弛地结合到DNA上 转录酶沿DNA滑行至启动子 由 因子识别并紧密结合 形成闭合复合体 在 10区解链 形成开放复合体 催化ATP或GTP与另外一个核苷酸聚合 形成第一个3 5 磷酸二酯键 因子脱离 2 延长阶段 转录酶沿模板链3 5 方向移动 开放复合体 保持约17bp长 随之前移 RNA链沿5 3 方向延伸 速度约为45核苷酸 秒 3 终止阶段 当转录酶到达终止信号时 RNA DNA杂交区被迫分离 酶和RNA均脱离DNA 转录结束 有两种转录终止方式 不依赖于 因子的终止 自发终止 依赖于 因子的终止 因子依赖型终止 AT富集区 GC富集区 不依赖 因子的终止 依赖于 因子的终止 因子识别RNA上的rut位点 与之结合 然后向转录酶移动 当转录酶到达终止序列时 则停止合成RNA 于是 因子赶上转录酶 使RNA DNA杂交链解开 从而RNA和转录酶脱离 转录结束 真核生物的RNA合成比原核生物复杂得多 RNA聚合酶有三种 A 核仁 rRNA前体 B 核质 mRNA前体 C 核质 tRNA和5sRNA前体 DNA模板功能抑制剂 放线菌素D 烷化剂 嵌入染料 P325RNA聚合酶的抑制剂 利福平 与原核生物RNA聚合酶的 亚基结合 阻止RNA合成 P325 鹅膏覃碱 抑制真核生物RNA聚合酶 和 的活性 阻断mRNA的合成 P321 4 转录过程的选择性抑制 5 转录后的加工 原核 特定位点进行甲基化 产生甲基化修饰成分 核酸内切酶切除间隔区 P320 1 rRNA前体的加工 30S 真核 100多个核苷酸残基被甲基化修饰 多数在核糖2 OH上 RNase 及其它核酸内切酶裁切 2 tRNA前体的加工P320 核酸内切酶切断tRNA前体的两端 核酸外切酶从端部逐个切去附加的顺序 进行修剪 3 端加上 CCAOH 有一类tRNA本身就有 切去附加序列则露出 核苷的修饰 甲基化 脱氨基和还原作用等 3 mRNA前体的加工 原核 mRNA大多不需加工 一经转录即可直接进行翻译 但也有少数多顺反子mRNA须通过核酸内切酶切成较小的单位 然后再进行翻译 真核 5 端形成特殊的帽子结构 m7G5 PPP5 NpNp 3 端切断并加上polyA尾巴 mRNA前体剪接除去内含子 连接外显子 有时链内部核苷被甲基化 P322 磷酸酶 鸟苷酸转移酶 甲基转移酶 5 端加帽 DNA hnRNA 6 RNA指导下的RNA的合成 RNA复制 P324 噬菌体Q 的复制 以Q 病毒的RNA 正链 为模板 在Q 复制酶指导下合成互补链 负链 再以负链为模板合成正链 病毒RNA复制的主要方式 以病毒的RNA为模板进行复制 Q 病毒 以病毒的RNA为模板 反向转录成DNA 再以DNA为模板 转录成病毒RNA 劳氏肉瘤病毒 四 基因工程简介P325 1 概念亦称遗传工程 即利