第八章RNA的生物合成转录PPT课件

1、本章内容本章内容第一节第一节 转录的酶和模板转录的酶和模板第二节第二节 转录过程转录过程第三节第三节 真核生物的转录后修饰真核生物的转录后修饰第1页/共60页转录转录生物体以生物体以DNADNA为模板合成为模板合成RNARNA的过程的过程 。 转转录录RNADNA 第2页/共60页复制和转录的区别复制和转录的区别 A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模

2、板模板转录转录复制复制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制第3页/共60页参与转录的物质参与转录的物质原料原料: : NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板模板: : DNA DNA酶酶: : RNA RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase, RNA-p

3、ol)(RNA polymerase, RNA-pol)其他蛋白质因子其他蛋白质因子第4页/共60页第一节第一节 模板和酶模板和酶转录转录: :以以DNADNA为模板，在依赖于为模板，在依赖于DNADNA的的RNARNA多聚酶催化下合成与模板互补的多聚酶催化下合成与模板互补的mRNAmRNA链的过程。转录是基因实现表达的第一步。链的过程。转录是基因实现表达的第一步。一、转录模板转录的不对称性就是指以双链转录的不对称性就是指以双链DNADNA中的一条链作为模板进行转录，从而将遗传信息中的一条链作为模板进行转录，从而将遗传信息由由DNADNA传递给传递给RNARNA。能转录出能转录出RNARNA的

4、的DNADNA区段称为结构基因。区段称为结构基因。第5页/共60页 能够转录能够转录RNARNA的那条的那条DNADNA链称为链称为模板链模板链，也称作有意义链。，也称作有意义链。 与模板链互补的另一条与模板链互补的另一条DNADNA链称为链称为编码链编码链，也称为反义链。，也称为反义链。 55335模板链模板链编码链编码链5第6页/共60页5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链结构基因结构基因转录方向转录方向第7页/共60页5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Va

5、l His Val C编码链模板链mRNA蛋白质转录翻译模板链、编码链与转录及翻译的关系模板链、编码链与转录及翻译的关系第8页/共60页转录的连续性：转录的连续性：RNARNA转录合成时，以转录合成时，以DNADNA作为模板，在作为模板，在RNARNA聚合酶的催化聚合酶的催化下，连续合成一段下，连续合成一段RNARNA链，各条链，各条RNARNA链之间无需再进行连接。链之间无需再进行连接。转录的单向性：转录的单向性：RNARNA转录合成时，只转录合成时，只能向一个方向进行聚合，所依赖的模板能向一个方向进行聚合，所依赖的模板DNADNA链的方向为链的方向为3535，而，而RNARNA链的合链的合

6、成方向为成方向为5353。 第9页/共60页二二、参与转录合成的酶和蛋白因子参与转录合成的酶和蛋白因子参与参与RNARNA转录转录合成合成的物质的物质原料：原料：NTP NTP （ATP, UTP, GTP, CTPATP, UTP, GTP, CTP）。）。模板：模板：单链单链DNADNA。酶：酶：RNARNA聚合酶（聚合酶（DDRPDDRP，RNA-polRNA-pol）。）。其他蛋白质因子：其他蛋白质因子：如转录因子、终止因子等。如转录因子、终止因子等。第10页/共60页 RNARNA聚合酶（聚合酶（DDRPDDRP） 这是一种不同于引物酶的依赖这是一种不同于引物酶的依赖DNADNA的的

7、RNARNA聚合酶（聚合酶（DDRPDDRP）。）。 该酶在单链该酶在单链DNADNA模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下，不需要引物，即可从模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下，不需要引物，即可从5353聚合聚合RNARNA。 第11页/共60页 原核生物中的原核生物中的RNARNA聚合酶全酶由五个亚基构成，即聚合酶全酶由五个亚基构成，即 2 2 。 亚基亚基与与转录起始点的识别转录起始点的识别有关，在转录合成开始后被释放；余下的部分（有关，在转录合成开始后被释放；余下的部分（ 2 2）被称为被称为核心酶核心酶，与与RNARNA链的聚合链的聚合有关。有关。 第12页/共60页真核细胞的RNA聚合

8、酶有三种：分别是RNA聚合酶、RNA聚合酶和RNA聚合酶。RNA聚合酶、RNA聚合酶分别负责合成rRNA和mRNA， RNA聚合酶则催化转录生成5srRNA和tRNA。第13页/共60页第二节第二节 转录过程转录过程 RNARNA的转录过程大体可分为起始、延长和终止三个阶段。转录全过程均需的转录过程大体可分为起始、延长和终止三个阶段。转录全过程均需RNARNA聚合酶催化，原核生物转录聚合酶催化，原核生物转录起始需要核心酶加上起始需要核心酶加上因子即全酶参与。延长过程是核心酶催化下的核苷酸聚合。因子即全酶参与。延长过程是核心酶催化下的核苷酸聚合。（RhoRho）因子参与转）因子参与转录的终止。录

9、的终止。第14页/共60页一起始阶段一起始阶段 首先由首先由RNARNA聚合酶的聚合酶的因子辨认因子辨认DNADNA的启动子部位，并带动的启动子部位，并带动RNARNA聚合酶的全酶与启动子结合，形聚合酶的全酶与启动子结合，形成复合物，同时使成复合物，同时使DNADNA分子的局部构分子的局部构象改变，结构松驰，解开一段象改变，结构松驰，解开一段RNARNA双双链（约链（约1010几个碱基对），暴露出几个碱基对），暴露出DNADNA模板链。在模板链。在DNADNA模板链转录起点碱基模板链转录起点碱基的引导下，第一个核糖核苷酸进入相应的引导下，第一个核糖核苷酸进入相应的位置，配对结合。转录起点的碱基

10、多的位置，配对结合。转录起点的碱基多为为T T或或C C，因此第一个结合的，因此第一个结合的NTPNTP多为多为ATPATP或或GTPGTP。第15页/共60页 二延长阶段二延长阶段 RNARNA链的延长是由核心酶催化的。链的延长是由核心酶催化的。当第一个核糖核苷酸结合后，当第一个核糖核苷酸结合后，因子便从全酶中因子便从全酶中脱落下来。并与另一个核心酶结合成脱落下来。并与另一个核心酶结合成RNARNA聚合酶聚合酶全酶，起始另一次转录。脱落的全酶，起始另一次转录。脱落的因子可以反复因子可以反复使用。失去使用。失去因子的核心酶发生构象改变，与因子的核心酶发生构象改变，与DNADNA模板的结合变得较

11、为松驰，可以沿模板的结合变得较为松驰，可以沿DNADNA模板模板链的下游方向（即链的下游方向（即3535的方向）滑动。在核的方向）滑动。在核心酶的催化下，心酶的催化下，4 4种核糖核苷酸（种核糖核苷酸（NTPNTP）按照模板）按照模板链碱基排列顺序的指引依次进入，按照链碱基排列顺序的指引依次进入，按照U-A,A-U-A,A-T,C-GT,C-G的碱基配对原则逐个地加到前一个核糖核的碱基配对原则逐个地加到前一个核糖核苷酸的苷酸的3-OH3-OH上，并形成磷酸二酯键。随着核心上，并形成磷酸二酯键。随着核心酶不断沿模板链方向滑动，酶不断沿模板链方向滑动，DNADNA双螺旋逐渐解开双螺旋逐渐解开暴露模

12、板链，暴露模板链，RNARNA链沿链沿5353方向逐渐延长。方向逐渐延长。此时，已合成的此时，已合成的RNARNA链从链从5-5-端逐渐与模板链分端逐渐与模板链分离，而模板链与编码链重新结合形成双螺旋离，而模板链与编码链重新结合形成双螺旋( (图图) )。第16页/共60页第17页/共60页 三终止阶段三终止阶段 当核心酶滑行到当核心酶滑行到DNADNA模板链的终模板链的终止部位即停顿下来不再前进，转录产物止部位即停顿下来不再前进，转录产物RNARNA链从链从转录复合物上脱落下来，就是转录终止。原核生转录复合物上脱落下来，就是转录终止。原核生物转录终止有两种类型：物转录终止有两种类型：一种是依

13、赖一种是依赖因子终止因子终止的转录的转录，因子能与转录产物因子能与转录产物RNARNA结合，使结合，使RNARNA聚合酶停顿。聚合酶停顿。因子还有因子还有ATPATP酶活性和解螺旋酶酶活性和解螺旋酶活性，它能利用活性，它能利用ATPATP水解释放的能量，使水解释放的能量，使RNARNA链链从模板从模板DNADNA链上拆开，并从转录复合物中释放出链上拆开，并从转录复合物中释放出来。来。另一种是不依赖另一种是不依赖因子终止的转录因子终止的转录。在。在DNADNA模板链上靠近终止处有些特殊碱基序列，即较丰模板链上靠近终止处有些特殊碱基序列，即较丰富的富的A-TA-T配对区或配对区或G-CG-C配对区

14、，是转录终止信号。配对区，是转录终止信号。当核心酶遇到终止信号后，当核心酶遇到终止信号后，RNARNA转录产物就形成转录产物就形成特殊的发夹样结构，阻止核心酶的滑动，特殊的发夹样结构，阻止核心酶的滑动，RNARNA链链的延长便终止。的延长便终止。 转录终止后，核心酶也从转录终止后，核心酶也从DNADNA模板链上脱落下来，模板链上脱落下来，与与因子重新结合为全酶进行下一次的转录。这因子重新结合为全酶进行下一次的转录。这样合成的样合成的RNARNA是初级转录物，即是初级转录物，即RNARNA前体。前体。 如前所述，某些抗生素如利福霉素和利福平能抑如前所述，某些抗生素如利福霉素和利福平能抑制细菌制细

15、菌RNARNA聚合酶，因而能抑制细菌聚合酶，因而能抑制细菌RNARNA的合成。的合成。第18页/共60页第三节第三节 转录后的加工和修饰转录后的加工和修饰 真核细胞中转录生成的RNA是初级转录产物，均需经过一定程度的加工才具有活性。原核细胞由于没有细胞核，其结构基因是连续的核苷酸序列，转录后产生的RNA很少需要加工处理（tRNA例外）就转运到核蛋白体上参与蛋白质的合成。新生的无活性的RNA转变为有活性的RNA的过程，称为RNA的成熟（转录后的加工），包括链的断裂、拼接和化学修饰等。第19页/共60页一、mRNA的转录后加工真核生物mRNA转录后，需进行5-端和3-端的修饰以及对hnRNA进行剪

16、接。（一）首尾修饰 指在mRNA的5-端加“帽”，3-端加“尾”。5-端加“帽”是在核内进行的，在hnRNA的5-末端加上一个m7GpppG“帽”结构，其功能与蛋白质生物合成的起始有关。mRNA3-末端接上一段约30200个polyA,该结构称为“尾”，其功能是引导mRNA由细胞核向细胞质转移。第20页/共60页 （二）mRNA的剪接 真核细胞的mRNA前体称核内不均一RNA(hnRNA)，它是由断裂基因转录的，包含有内含子和外显子的区段，所以其分子量比成熟的mRNA大几倍，甚至数十倍。剪接就是把hnRNA中的内含子除去，把外显子拚接起来，成为具有翻译功能的模板mRNA。第21页/共60页 二

17、、tRNA的转录后加工 1、切除多余的核苷酸.2、剪切内含子：核酸内切酶切除内含子,连接酶进行连接。3、修饰与3末端加-CCA: 修饰包括甲基化,脱氨基,还原反应等，在核苷酸基转移酶催化下完成3末端添加CCA。 第22页/共60页 1 1、掌握翻译及蛋白质合成体系中的基本概念，如密码子、简并性等。、掌握翻译及蛋白质合成体系中的基本概念，如密码子、简并性等。 2 2、掌握蛋白质合成体系的组成及、掌握蛋白质合成体系的组成及mRNAmRNA、tRNAtRNA和核蛋白体的作用原理。和核蛋白体的作用原理。 3 3、复述蛋白质合成的过程。、复述蛋白质合成的过程。 4 4、解释分子病的概念，并举例说明。、解

18、释分子病的概念，并举例说明。 蛋白质的生物合成过程，就是将蛋白质的生物合成过程，就是将DNADNA传递给传递给mRNAmRNA的遗传信息，再具体转译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过的遗传信息，再具体转译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为程被称为翻译。翻译。第23页/共60页第一节第一节 参与蛋白质生物合成的物质参与蛋白质生物合成的物质 一、合成原料：蛋白质生物合成的原料是氨基酸。氨基酸在mRNA的指引下逐一聚合。聚合过程中，氨基酸需由tRNA携带。蛋白质合成的全过程是在由rRNA和蛋白质所组成的核蛋白体大分子上进行的。也就是说，蛋白质的生物合成，是需要mRNA为模板、tRNA

19、为运载体、核蛋白体为装配场所共同协调完成的。此外，翻译过程还需众多的蛋白质因子和酶的参与。第24页/共60页 二、RNA （一）mRNA mRNAmRNA是翻译的直接模板。是翻译的直接模板。在mRNA分子中，核苷酸的排列顺序包含有多肽链中氨基酸的排列顺序。mRNA通过其模板作用传递DNA的遗传信息，即引导蛋白质多肽链的合成。 作为指导蛋白质生物合成的模板，作为指导蛋白质生物合成的模板，mRNAmRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为一个氨基酸的信息，此三联体就称为密码密码。 遗传密码共有遗传密码共有6464种，其中：种，其

20、中：第25页/共60页 起始密码起始密码: AUG: AUG 终止密码终止密码: UAA: UAA，UAGUAG，UGAUGA第26页/共60页密码子的第二位密码子的第二位 密密码码子子的的第第一一位位(5端端UCAG密密码码子子的的第第三三位位(3）端端UUCAGCUCAGAUCAGGUCAG第27页/共60页 遗传密码具有以下特点：遗传密码具有以下特点： 1. 1. 通用性通用性 蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。密码的通用性进蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。一步证明各种生物进化自同一祖先。 2.2.连续性连续

21、性 指编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也指编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。无交叉。 3. 3. 简并性简并性同一氨基酸存在多个不同的遗传密码的现象称为遗传密码的同一氨基酸存在多个不同的遗传密码的现象称为遗传密码的简并性简并性。 遗传密码的简并性在保持遗传稳定性上具有重要意义。遗传密码的简并性在保持遗传稳定性上具有重要意义。第28页/共60页 4. 4. 摆动性摆动性：转运氨基酸的转运氨基酸的tRNAtRNA的反密码需要通过碱基互补与的反密码需要通过碱基互补与mRNAmRNA上的遗传密码上的遗传密码反平行配对反平行配对结合，但反密

22、码与密码之间常常不严格遵守碱基配对规律，称为结合，但反密码与密码之间常常不严格遵守碱基配对规律，称为摆动配摆动配对对。 （二）（二） tRNAtRNA ：tRNAtRNA是转运氨基酸的工具是转运氨基酸的工具 所有所有tRNAtRNA的二级结构均是三叶草形，的二级结构均是三叶草形，其氨基酸臂的其氨基酸臂的3-CCA-OH3-CCA-OH是氨基酸的结合位点，反密码环顶端的反密码子与是氨基酸的结合位点，反密码环顶端的反密码子与mRNAmRNA上的密码子配对结合。上的密码子配对结合。tRNAtRNA携带的氨基酸，是由携带的氨基酸，是由mRNAmRNA上三联体密码决定上三联体密码决定的，因此，的，因此，

23、tRNAtRNA可将氨基酸准确地带到指定的位置。可将氨基酸准确地带到指定的位置。第29页/共60页氨基酸臂氨基酸臂反密码环反密码环tRNAtRNA第30页/共60页 （三）rRNA与蛋白质构成核蛋白体是蛋白质合成的场所 rRNA是一类分子量不等的非均一性RNA，它们与多种蛋白质互相镶嵌，结合成为显微镜下可见的核蛋白体颗粒，是氨基酸聚合成肽链的场所。核蛋白体由大、小亚基构成。大亚基有转肽酶活性和两个tRNA结合部位，一个是结合肽酰-tRNA的部位（P位），另一个是结合氨基酰-tRNA的部位（A位）。小亚基有结合模板mRNA的功能，在大小亚基之间有容纳mRNA的部位，核蛋白体能沿着mRNA53方向

24、阅读遗传密码。第31页/共60页三个与三个与tRNAtRNA结合的位点：结合的位点： A A位：又称受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰位：又称受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNAtRNA结合；由大、小结合；由大、小亚基成分构成。亚基成分构成。 P P位：又称给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基位：又称给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNAtRNA结合；由大、小结合；由大、小亚基成分构成。亚基成分构成。 E E位：又称排出位，空载位：又称排出位，空载tRNAtRNA脱离核蛋白体前的结合位点；主要由大亚脱离核蛋白体前的结合位点；主要由大亚基成分构成。基成分构成。核蛋白体大、小亚基的功能核蛋

25、白体大、小亚基的功能第32页/共60页原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式A位：氨基酰位位：氨基酰位P位：肽酰位位：肽酰位E位：排出位位：排出位第33页/共60页（一）氨基酰-tRNA合成酶 氨基酸的氨基酸的活活化化与与携带携带反应由反应由氨基酰氨基酰tRNAtRNA合成酶合成酶催化。催化。特定的特定的tRNAtRNA与相应的氨基酸与相应的氨基酸结合，生成氨基酰结合，生成氨基酰tRNAtRNA，从而由，从而由tRNAtRNA携带活化的氨基酸参与蛋白质携带活化的氨基酸参与蛋白质的生物合成。的生物合成。每种氨基酸都有其特异的氨基酰-tRNA合成酶；该酶具有绝对专一性

26、，对其tRNA和氨基酸两种底物能进行高度特异性地识别。第34页/共60页 （二）转肽酶（二）转肽酶 该酶实际上是核蛋白体大亚基上的该酶实际上是核蛋白体大亚基上的蛋白质，能催化大亚基蛋白质，能催化大亚基P P位上的肽酰位上的肽酰-tRNA-tRNA的肽酰的肽酰基转移到基转移到A A位上氨基酰位上氨基酰-tRNA-tRNA的氨基上，使酰基与的氨基上，使酰基与氨基结合形成肽键，延长肽链。氨基结合形成肽键，延长肽链。 （三）其它因子和供能物质（三）其它因子和供能物质 1. 1.蛋白因子蛋白因子起始因子（起始因子（IFIF）与多肽链合成起始有与多肽链合成起始有关的蛋白因子称为关的蛋白因子称为起始因子。起

27、始因子。 作用主要是促进核蛋白体小亚基与起始作用主要是促进核蛋白体小亚基与起始tRNAtRNA及模及模板板mRNAmRNA结合。结合。 第35页/共60页 延长因子（延长因子（EFEF）与多肽链合成的延伸过程有关的蛋白因子称为与多肽链合成的延伸过程有关的蛋白因子称为延长因子。延长因子。 EFEF的作用主要促使氨基酰的作用主要促使氨基酰tRNAtRNA进入核蛋白的受体，并可促进移位过程。进入核蛋白的受体，并可促进移位过程。 释放因子（释放因子（RFRF）与多肽链合成终止并使之从核蛋白体上释放相关的蛋白因子称与多肽链合成终止并使之从核蛋白体上释放相关的蛋白因子称为为释放因子。释放因子。第36页/共

28、60页RFRF的生物学功能主要有：的生物学功能主要有： 识别终止密码，如识别终止密码，如RF-1RF-1特异识别特异识别UAAUAA、UAGUAG；而；而RF-2RF-2可识别可识别UAAUAA、UGAUGA。 诱导转肽酶改变为酯酶活性，相当于诱导转肽酶改变为酯酶活性，相当于催化肽酰基转移到水分子催化肽酰基转移到水分子-OH-OH上，使上，使肽链从核蛋白体上释放。肽链从核蛋白体上释放。 第37页/共60页多肽链合成时，需多肽链合成时，需ATPATP、GTPGTP作为供能物质，并需作为供能物质，并需MgMg2+2+、K K+ +参与。参与。氨基酸活化时需消耗氨基酸活化时需消耗2 2分子高能磷酸键

29、，肽键形成时又消耗分子高能磷酸键，肽键形成时又消耗2 2分子高能磷酸键，分子高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基需消耗故缩合一分子氨基酸残基需消耗4 4分子高能磷酸键分子高能磷酸键。 2.2.供能物质和无机离子供能物质和无机离子第38页/共60页第二节第二节 蛋白质生物合成的过程蛋白质生物合成的过程 蛋白质生物合成过程包括三大步骤：蛋白质生物合成过程包括三大步骤：氨基酸的活化与搬运；氨基酸的活化与搬运；活化氨基酸在核蛋白体上的缩合；活化氨基酸在核蛋白体上的缩合；多肽链合成后的加工修饰。多肽链合成后的加工修饰。 本节主要介绍活化氨基酸在核蛋白体上的缩合过程，这一过程包括多肽链合成的本节主要介绍活化

30、氨基酸在核蛋白体上的缩合过程，这一过程包括多肽链合成的起起始、延长和终止始、延长和终止三个阶段。三个阶段。 第39页/共60页氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶第40页/共60页第41页/共60页小亚基结合。小亚基结合。 IF-3IF-1A U G53第42页/共60页IF-2GTP3. 3. 起始氨基酰起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAtRNA( fMet-tRNAi imetmet ) )结合到小亚基结合到小亚基IF-3IF-1A U G53起始起始 fMet-tRNAfMet-tRNAi imetmet以及以及IFIF2 2-GTP-GTP一起，识别结合一起，识别结合小亚基小亚基P P位，并对应模板位，并对应模板mRNAmRNA的起始密码的起始密码AUGAUG。第43页/共60页IF-3IF-1IF-2-GTP-GDPPi4. 4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合体形成：核蛋白体大亚基结合，起