第八章核酸与蛋白质的生物合成

1、 核酸与蛋白质的生物合成核酸与蛋白质的生物合成第一节第一节 DNADNA的生物合成（复制）的生物合成（复制）第二节第二节 RNARNA的生物合成（转录）的生物合成（转录）第三节第三节 蛋白质的生物合成（翻译）蛋白质的生物合成（翻译） DNA转录转录翻译翻译复制复制逆转录逆转录RNA复制复制RNA蛋白质蛋白质为什么子女与父母非常相象？为什么子女与父母非常相象？基因就是指基因就是指DNA中能编码蛋白质和功能中能编码蛋白质和功能RNA的特定核苷酸序列。的特定核苷酸序列。一、一、DNA复制方式复制方式二、参与二、参与DNA复制的因子复制的因子三、三、DNA复制过程复制过程四、逆转录四、逆转录五、五、D

2、NA损伤的修复损伤的修复一、一、DNADNA的复制方式的复制方式 半保留复制半保留复制(semiconservative replication)-在在 DNA复制过程复制过程中，双螺旋结构解开而成为单链，中，双螺旋结构解开而成为单链，分别以分别以DNA双螺旋中的一条链为双螺旋中的一条链为模板，按碱基互补配对的原则合模板，按碱基互补配对的原则合成两条新的互补链。这样新合成成两条新的互补链。这样新合成的的DNA双链中一股单链是从亲代双链中一股单链是从亲代完整地接受过来的，另一股单链完整地接受过来的，另一股单链完全重新合成。完全重新合成。DNA半保留复制的证据半保留复制的证据第一代第二代细菌（含1

3、5N-DNA)普通DNA普通DNA重DNA 重DNA普通培养基普通培养基细菌DNA双链密度梯度离心15N-DNA14N-DNA1.底物底物 dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)2.聚合酶聚合酶 DNA聚合酶聚合酶I 、II、III3.模板模板单链的单链的DNA母链母链4.引物引物寡核苷酸引物（寡核苷酸引物（RNA)5.其他酶和蛋白质因子其他酶和蛋白质因子 解链酶，解旋酶，解链酶，解旋酶， 单链结合蛋白，连接酶单链结合蛋白，连接酶（一）一）DNA聚合酶的活性聚合酶的活性 5至至3的聚合活性的聚合活性 5 3方向方向 核酸核酸 外切酶活性外切酶活性 5 3外切酶活性外切酶活性 3 5

4、外切酶活性外切酶活性 5至3的聚合活性（ 5 3 ）pp pp pppPPPOHOHOH55PPiN1N2N3N1N2N3533 核酸外切酶活性 35外切酶活性 53外切酶活性533535外切酶活性53外切酶活性（二）二）DNA拓扑异构酶拓扑异构酶(解旋酶）解旋酶）v既能水解，又能打断碱基互补配对的氢键既能水解，又能打断碱基互补配对的氢键v拓扑酶拓扑酶 切断切断DNA双链中的一股双链中的一股v拓扑酶拓扑酶 切断切断DNA双链双链 （三）单链（三）单链DNA结合蛋白（结合蛋白（SSB）v维持模板处于单链状态维持模板处于单链状态v保护单链的完整保护单链的完整（四）引物酶（四）引物酶v是是RNA聚合

5、酶，合成一段聚合酶，合成一段RNA引物引物 （五）（五） DNA连接酶（连接酶（ligase）v催化两段催化两段DNA之间的连接之间的连接35535353HOP DNA ligaseNADATPNMNAMP+PPi+POHP5533+53DNAligaseOOHPOOO-OOHPOOOPP-PPi（一）（一） 复制的起始复制的起始 （二）（二） 复制的延伸复制的延伸 （三）（三） 复制的终止复制的终止 1. DNA复制的起点复制的起点 原核生物从一个固定的原核生物从一个固定的起始点开始，同时向两个方向进行的，称起始点开始，同时向两个方向进行的，称为为双向复制双向复制起点起点起点复制复制原核生物

6、原核生物DNA的复制的复制（一）（一） 复制的起始复制的起始 2.复制叉的形成复制叉的形成 复制叉复制叉-复制复制开始后由于开始后由于DNA双链解开，在双链解开，在两股单链上进两股单链上进行复制，形成行复制，形成在显微镜下可在显微镜下可看到的叉状结看到的叉状结构。构。拓扑异构酶解链酶单链结合蛋白DNA聚合酶引物酶及引发体DNA连接酶引物领头链随从链冈崎片段55333.起始的过程起始的过程打开打开DNA超螺链超螺链打开双螺旋打开双螺旋防止复螺旋防止复螺旋单链结合蛋白单链结合蛋白解链酶解链酶引物复合体引物复合体引物酶引物酶拓扑异构酶拓扑异构酶合成合成DNA复制起始的过程复制起始的过程拓扑异构酶拓扑

7、异构酶解链酶解链酶单链结合蛋白单链结合蛋白DNA聚合酶聚合酶引物酶及引发体引物酶及引发体DNA连接酶连接酶引物引物DNA双链双链 5 3 5 3拓扑异构酶拓扑异构酶解链酶解链酶单链结合蛋白单链结合蛋白DNA聚合酶聚合酶引物酶及引发体引物酶及引发体DNA连接酶连接酶引物引物DNA复制起始的过程复制起始的过程拓扑异构酶拓扑异构酶与与DNA双链双链结合，解开结合，解开超螺旋。超螺旋。 5 3 5 3拓扑异构酶拓扑异构酶解链酶解链酶单链结合蛋白单链结合蛋白DNA聚合酶聚合酶引物酶及引发体引物酶及引发体DNA连接酶连接酶引物引物DNA复制起始的过程复制起始的过程解链酶解开解链酶解开DNA双螺旋双螺旋 5

8、 3 5 3拓扑异构酶拓扑异构酶解链酶解链酶单链结合蛋白单链结合蛋白DNA聚合酶聚合酶引物酶及引发体引物酶及引发体DNA连接酶连接酶引物引物单链结合蛋白单链结合蛋白防止复螺旋防止复螺旋 5 3 5 3DNA复制起始的过程复制起始的过程拓扑异构酶拓扑异构酶解链酶解链酶单链结合蛋白单链结合蛋白DNA聚合酶聚合酶引物酶及引发体引物酶及引发体DNA连接酶连接酶引物引物DNA复制起始的过程复制起始的过程引物酶合成引物引物酶合成引物 5 3 5 3二、二、DNA复制的延伸复制的延伸1. DNA聚合酶把新生链的第一个脱聚合酶把新生链的第一个脱氧核苷酸加到引物的氧核苷酸加到引物的3-OH上，开始上，开始新生链

9、的合成过程。新生链的合成过程。AG T AC T A A T DNA DNA 聚合酶聚合酶ACGACGTT引物引物AG T AC T A A T AGCGACGGTTT T 组成组成 DNA 的脱氧核糖核苷酸一个个连接起来的脱氧核糖核苷酸一个个连接起来3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键引物引物AG T AC T A A T GCGACGGTTTTA引物引物AG T AC T A A T GCGACGTTGTTA引物引物AG T AC T A A T GCGACGTGTTAA引物引物AG T AC T A A T GCGACGGTTAA T引物引物AG T AC T A A T GCGACGGTTAA

10、 TA引物引物AG T AC T A A T GCGCGGTTAA TA T引物引物AG T AC T A A T GGCGGTTAA TA T C引物引物AG T AC T A A T GGCGGTTAA TA T CDNADNA模板链模板链DNA新链新链引物引物335533553355DNA连接酶3355DNA聚合酶聚合酶DNA聚合酶聚合酶53352. 冈崎片段冈崎片段冈崎片段冈崎片段 冈崎用电冈崎用电子显微镜看到了子显微镜看到了DNA复制过程中出现一些复制过程中出现一些不连续片段，这些不不连续片段，这些不连续片段只存在与连续片段只存在与DNA复制叉上其中的复制叉上其中的一股。后来就把这些

11、一股。后来就把这些不连续的片段称为不连续的片段称为冈冈崎片段崎片段。DNA连接酶3.半不连续复制半不连续复制领头链领头链随从链随从链冈崎片段冈崎片段 5 3 5 3半不连续复制半不连续复制 DNA复复制时制时,一条链是连续的一条链是连续的,另一条链是不连续的另一条链是不连续的,称称为半为半不连续复制不连续复制。三三 复制的终止复制的终止复制有终止信号复制有终止信号 pol 5 3外切酶活性外切酶活性水解引物水解引物 pol聚合活性聚合活性填补空隙填补空隙 DNA连接酶连接酶连接缺口连接缺口。领头链领头链随从链随从链冈崎片段冈崎片段 5 3 5 3拓扑异构酶拓扑异构酶解链酶解链酶单链结合蛋白单链

12、结合蛋白DNA聚合酶聚合酶引物酶及引发体引物酶及引发体DNA连接酶连接酶引物引物课堂小结课堂小结四、逆转录四、逆转录1、逆转录：是以、逆转录：是以RNA为模板合成为模板合成DNA的过程。的过程。2、逆转录酶：是一种以、逆转录酶：是一种以RNA为模为模板的板的DNA聚合酶。聚合酶。 没有没有3 5外切酶的活性，外切酶的活性，所以没有校对功能，逆转录的所以没有校对功能，逆转录的错配率高。错配率高。突变突变可分为：可分为： 自发突变、人工诱变自发突变、人工诱变 突变的意义突变的意义 突变是进化、分化的分子基础突变是进化、分化的分子基础 只有基因型改变的突变只有基因型改变的突变 致死性的突变致死性的突

13、变 突变是某些疾病的发病基础突变是某些疾病的发病基础DNA 的损伤的损伤也称突变也称突变，是指是指DNA分子上分子上 碱基的改变。碱基的改变。二、引发突变的因素二、引发突变的因素 诱变因素 突变类型物理因素 紫外线照射 形成胸腺嘧啶二聚体 离子辐射 打断DNA分子上的共价键化学因素 5-溴尿嘧啶(5-BU) 5-BU取代A，并异构成G，结果是A-T配对变 为G-T配对，最后变为C-G配对 羟胺 转换T为C，结果是A-T配对改为C-G配对 亚硝酸盐 使C脱氨成U，原G-C配对变为G-U配对，最 后使G-C变为A-T 氮芥类 使G的N-7烷化后除去，成为无鸟嘌呤的链生物因素 肿瘤病毒 插入宿主细胞

14、基因组中，引起细胞癌变诱变因素及突变类型诱变因素及突变类型三三、突变分子改变的类型突变分子改变的类型错配 （点突变） 一个碱基改变缺失、插入和框移突变 片段插入或缺失重排 较大片段重组或重排四、四、 损伤的修复损伤的修复损伤损伤-复制过程中发生的复制过程中发生的DNA突变突变 光修复光修复 切除修复切除修复 重组修复重组修复 SOS修复修复（一）光修复一）光修复 紫外光照射可使相邻的两个紫外光照射可使相邻的两个T 形成二聚体形成二聚体 光修复酶光修复酶可使二聚体解聚为单体状态，可使二聚体解聚为单体状态，DNA完全恢完全恢复正常。光修复酶的激活需复正常。光修复酶的激活需300-600m波长的光。

15、波长的光。NNCH3OORHPHROOCH3NNNNCH3OORHHNNCH3OORPUVTT光修复酶（二）切除修复（二）切除修复参与的酶有参与的酶有 核酸内切酶核酸内切酶，pol,DNA连接酶连接酶特异核酸内切酶pol DNA连接酶 （三）重组修复重组蛋白RecA，pol，连接酶参与 损伤会保留下去（四）（四）SOS修复修复 DNA损伤面太大，复制难以继续。损伤面太大，复制难以继续。通过通过SOS修复，修复，复制有可能继续，细胞复制有可能继续，细胞 有可能存活，但有可能存活，但SOS修复机制修复机制的特异性低，的特异性低， 对碱基的识别、选择能力差、错误多。对碱基的识别、选择能力差、错误多。

16、 第二节第二节 RNARNA的生物合成的生物合成定义定义：RNA的生物合成就是转录，即以的生物合成就是转录，即以 DNA为模板，在依赖于为模板，在依赖于DNA的的RNA聚合酶聚合酶 的催化下，以的催化下，以4种种NTP（ATP、CTP、GTP 和和UTP为原料，合成为原料，合成RNA的过程。的过程。合成部位合成部位：细胞核：细胞核合成原料合成原料：四种：四种NTP转录与复制的相似点：转录与复制的相似点：都是酶促的核苷酸聚合过程都是酶促的核苷酸聚合过程都以都以DNA为模板为模板都需依赖都需依赖DNA的聚合酶的聚合酶聚合过程都是核苷酸之间生成磷酸聚合过程都是核苷酸之间生成磷酸二酯键二酯键5，至至3

17、，方向延伸方向延伸遵从碱基互补配对规律遵从碱基互补配对规律转录特点：转录特点：1、转录单位：、转录单位：启动子：转录过程中启动子：转录过程中RNA聚合酶结合的聚合酶结合的 DNA 区段的特定部位区段的特定部位 终止子终止子: 2 2、不对称转录：、不对称转录：两条两条DNADNA链不同时进行转录的现链不同时进行转录的现象。象。 编码链或有意义链；模板链或编码链或有意义链；模板链或反意义链反意义链3 3、RNARNA聚合酶：聚合酶： 全酶：有全酶：有 5个亚基组成作个亚基组成作 用用识别启动子，引发识别启动子，引发RNA的合成。的合成。 核心酶：不含核心酶：不含亚基，延长亚基，延长RNA转录过程

18、：转录过程：转录的起始转录的起始： RNA的延长：的延长：5 3 识别识别解链解链磷酸二酯键的形成磷酸二酯键的形成（ATP、GTP）转录的终止：转录的终止：遇到终止子，遇到终止子，RNA链停止延长，核心酶链停止延长，核心酶脱离，新脱离，新RNA释放。释放。AG T AC T A A T DNADNA的的一条链一条链AGCUGACGGUUU游离的核糖核苷酸游离的核糖核苷酸 (原料）原料）DNA DNA 解旋，以一条链为模板合成解旋，以一条链为模板合成RNARNA细胞核中细胞核中AG T AC T A A T AGCUGACGGUUU DNADNA与与RNARNA的碱基互补配对：的碱基互补配对：A

19、UAU； TA TA； CG CG； GC GCRNA RNA 聚合酶聚合酶细胞核中细胞核中AG T AC T A A T AGCGACGGUUU U 组成组成 RNA 的核糖核苷酸一个个连接起来的核糖核苷酸一个个连接起来细胞核中细胞核中AG T AC T A A T GCGACGGUUU UA细胞核中细胞核中AG T AC T A A T GCGACGUUGU UA细胞核中细胞核中AG T AC T A A T GCGACGUGU UAA细胞核中细胞核中AG T AC T A A T GCGACGGU UAA U细胞核中细胞核中AG T AC T A A T GCGACGGU UAA UA细

20、胞核中细胞核中AG T AC T A A T GCGCGGU UAA UA U细胞核中细胞核中AG T AC T A A T GGCGGU UAA UA U C细胞核中细胞核中AG T AC T A A T GGCGGU UAA UA U CDNADNA上的遗传信息就传递到上的遗传信息就传递到mRNAmRNA上上mmRNARNADNADNA细胞核中细胞核中AG T AC T A A T UCAUG A UUAmRNA 细胞质细胞质 细胞核细胞核 核孔核孔DNAmRNAmRNA在细胞核中合成在细胞核中合成AG T AC T A A T UCAUG A UUAmRNA 细胞质细胞质 细胞核细胞核m

21、RNAmRNA通过核孔进入细胞质通过核孔进入细胞质UCAUG A UUAmRNAAG T AC T A A T UCAUG A UUAmRNA 细胞质细胞质 细胞核细胞核mRNAmRNA通过核孔进入细胞质通过核孔进入细胞质UCAUG A UUAmRNA复制与转录的不同点：复制与转录的不同点： 复制 转录模板 两股链均复制 模板链转录原料 dNTP NTP酶 DNA聚合酶 RNA聚合酶产物 子代双链 单链配对 （不对称） 第三节第三节 蛋白质的生物合成（蛋白质的生物合成（翻译）翻译）在细胞质中,以mRNA为模板,合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。RNA在蛋白质合成中的作用：在蛋白质合成中的作

22、用：一、一、mRNA与遗传密码与遗传密码遗传密码：指排列在遗传密码：指排列在DNA或或mRNA链上为蛋链上为蛋 白质氨基酸编码的核苷酸序列。白质氨基酸编码的核苷酸序列。 密码子：在密码子：在mRNA分子中从分子中从5 3方向，方向， 以以AUG开始，每三个碱基组开始，每三个碱基组 成一组称为三联体，每个三成一组称为三联体，每个三 联体代表一种氨基酸，所以称联体代表一种氨基酸，所以称 之为密码子。之为密码子。UCAUG A UUAmRNA（模板）模板） 密码子密码子 密码子密码子 密码子密码子 密码子密码子 mRNAmRNA上上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基决定一个氨基酸的三个相邻的碱基密码子的

23、性质：密码子的性质：1、简并性、简并性(终止密码子终止密码子UAA,UAG,UGA)2、兼职性（起始密码子、兼职性（起始密码子AUG,GUG）3、密码子的连续性、密码子的连续性4、通用性与例外（或半通用性）、通用性与例外（或半通用性）5、阅读方向与、阅读方向与mRNA编码方向一致编码方向一致tRNA与解码系统与解码系统1、t RNA的特殊位点 氨基酸结合位点 反密码子位点2、氨酰转移RNA合成酶3、t RNA反密码子的摇摆性质A A UAC UAUG转运转运 RNARNA（tRNA)tRNA)（运载工具）（运载工具） 亮氨酸亮氨酸 天冬氨酸天冬氨酸 异亮氨酸异亮氨酸 氨基酸氨基酸（原料）（原料

24、）A A U 亮氨酸亮氨酸AC U天冬氨酸天冬氨酸AUG 异亮氨酸异亮氨酸 tRNAtRNA的一端运载着氨基酸的一端运载着氨基酸 反密码子反密码子核糖体与蛋白质的合成场所核糖体与蛋白质的合成场所1、核糖体的结构2、核糖体的功能部位1 1、核糖体的化学结构、核糖体的化学结构2 2、功能部位、功能部位 mRNAmRNA的结合部位的结合部位 氨酰转移氨酰转移RNARNA接受部位（接受部位（A A位点）位点） 肽基转移肽基转移RNARNA结合部位（结合部位（P P位点）位点） 形成肽键的部位形成肽键的部位一、氨基酸的活化一、氨基酸的活化氨基酸氨基酸 tRNA +ATP氨基酰氨基酰tRNA合成酶合成酶氨

25、基酰氨基酰tRNAAMPPPI氨基酰氨基酰tRNAtRNA合成酶对氨基酸和合成酶对氨基酸和tRNAtRNA有特意性有特意性肽链合成过程：肽链合成过程：（一）起始：（一）起始：1、形成30S起始复合物2、形成70S起始复合物 是指mRNA和起始氨基酰tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物的过程（二）肽链的延长：（二）肽链的延长：1、进位2、肽键的形成3、移位需延伸因子需延伸因子EF-Tu和和GTP的协助的协助UCAUG A UUAA A U 亮氨酸亮氨酸AC U 天冬氨天冬氨酸酸 核糖体核糖体细胞质中的细胞质中的mRNA 与核糖体结合与核糖体结合. .细胞质中细胞质中UCAUG A UUAA A U 亮氨酸亮氨酸AC U 天冬氨天冬氨酸酸 tRNA tRNA 上的反密码子与上的反密码子与 mRNAmRNA上的密码子互补配对上的密码子互补配对 .细胞质中细胞质中UCAUG A UUAA A U 亮氨酸亮氨酸AC U 天冬氨天冬氨酸酸AUG 异亮氨酸异亮氨酸细胞质中细胞质中 tRNA tRNA 将氨基酸转运到将氨基酸转运到 mRNAmRNA上的上的 相应位置相应位置 . .UCAUG A UUAA A U 亮氨酸亮氨酸AC U 天冬氨天冬氨酸酸AUG 异亮氨酸异亮氨酸缩合缩合细胞