生物化学-核酸合成

1、生物化学之生物化学之核酸的生物合成核酸的生物合成上海理工大学上海理工大学医疗器械与食品学院医疗器械与食品学院任 课 教 师 ： 管 骁任 课 教 师 ： 管 骁本讲主要内容本讲主要内容1 1、DNA的生物合成（讲授）的生物合成（讲授）2 2、RNA的生物合成的生物合成( (自学为主）自学为主）1、复制：复制：以亲代以亲代DNA分子的双链为模板，按照碱基分子的双链为模板，按照碱基配对的原则，合成出与亲代配对的原则，合成出与亲代DNA分子相同的两个双链分子相同的两个双链DNA分子的过程。分子的过程。2、转录：转录：以以DNA分子中的一条链为模板，按碱基配分子中的一条链为模板，按碱基配对的原则，合成

2、出一条与模板对的原则，合成出一条与模板DNA互补的互补的RNA链的过程链的过程。3、翻译：翻译：将将DNA传递给传递给mRNA 的遗传信息，根据核的遗传信息，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，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的过程。合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质的过程。基本概念基本概念中心法则中心法则 19581958年，年，CrickCrick将生物遗传信息的这将生物遗传信息的这种种流动过程流动过程称为称为分子遗传的中分子遗传的中心法则。心法则。D N AR N A蛋白质转录反转录翻译复制复制？一一、DNA的生物合成的

3、生物合成DNA在复制时，以亲代在复制时，以亲代DNA的每一股作模板，合成完全相的每一股作模板，合成完全相同的两个双链子代同的两个双链子代DNA，每个，每个子代子代DNA中都含有一股亲代中都含有一股亲代DNA链，这种现象称为链，这种现象称为DNA的半保留复制的半保留复制(semi-conservative replication)。一、半保留复制一、半保留复制按半保留复制方式，子代按半保留复制方式，子代DNA与亲代与亲代DNA的的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息信息，体现了遗传的保守性。，体现了遗传的保守性。遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础

4、。遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础。半保留复制的意义半保留复制的意义1.1. 以四种以四种dNTP为底物为底物2.2. 需要模板指导需要模板指导3.3. 需要有引物需要有引物3 3- -羟基存在羟基存在4.4. DNA链的生长方向是链的生长方向是5 5-3-35. 5. 产物产物DNA的性质与模板相同的性质与模板相同 二、复制特点二、复制特点 DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起复制起始点始点(origin) 。 在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在在原核生物中，复制起始

5、点通常为一个，而在真核生物中则为多个。真核生物中则为多个。 习惯上把两个相邻习惯上把两个相邻DNA复制起始点之间的距离复制起始点之间的距离（或（或DNA片段）定为一个片段）定为一个复制子复制子(replicon) 。 复制子是独立完成复制的功能单位。复制子是独立完成复制的功能单位。 DNA复制时，局部双螺旋解开形成两条单链，复制时，局部双螺旋解开形成两条单链，这种叉状结构称为这种叉状结构称为复制叉复制叉。53oriorioriori535533553复制子复制子3复制起始点与复制子示意图复制起始点与复制子示意图复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）需需 要

6、要 引引 物物 参与参与DNA复制的复制的DNA聚合酶，必须以一段具聚合酶，必须以一段具有有3端自由羟基（端自由羟基（3-OH）的）的RNA作为引物作为引物(primer) ，才能开始聚合子代，才能开始聚合子代DNA链。链。 RNA引物的大小，在原核生物中通常为引物的大小，在原核生物中通常为50 100个核苷酸，而在真核生物中约为个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷个核苷酸。酸。RNA引物的碱基顺序，与其模板引物的碱基顺序，与其模板DNA的的碱基顺序相配对。碱基顺序相配对。 DNA复制时，以复制起始点复制时，以复制起始点(origin)为中心，为中心，向两个方向进行解链，形成两个延伸方向相反

7、向两个方向进行解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制的复制叉，称为双向复制(bidirectional replication)。 但在低等生物中，也可进行单向复制（如滚但在低等生物中，也可进行单向复制（如滚环复制）。环复制）。双向复制双向复制 DNA聚合酶只能以聚合酶只能以53方向聚合子代方向聚合子代DNA链，即模板链，即模板DNA链的方向必须是链的方向必须是35。 由于由于DNA分子中两条链的走向相反，因此分子中两条链的走向相反，因此当分别以两条亲代当分别以两条亲代DNA链作为模板聚合子代链作为模板聚合子代DNA链时，子代链的聚合方向也是不同的。链时，子代链的聚合方向也是不同的。

8、半不连续复制半不连续复制DNA的半不连续复制的半不连续复制3 5 3 5 解链方向解链方向3 5 3 5 3 5 前导链前导链(leading strand)滞后链滞后链(lagging strand) 以以35方向的亲代方向的亲代DNA链作模板的子代链在复链作模板的子代链在复制时基本上是连续进行的，其子代链的聚合方向制时基本上是连续进行的，其子代链的聚合方向为为53，这一条链被称为，这一条链被称为前导链前导链(leading strand)。 以以53方向的亲代方向的亲代DNA链为模板的子代链在复链为模板的子代链在复制时则是不连续的，其链的聚合方向也是制时则是不连续的，其链的聚合方向也是53

9、，这条链被称为这条链被称为滞后链滞后链(lagging strand)。 前导链连续复制而滞后链不连续复制，就是复制前导链连续复制而滞后链不连续复制，就是复制的的半不连续性半不连续性。 由于亲代由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因双链在复制时是逐步解开的，因此，滞后链的合成也是一段一段的。此，滞后链的合成也是一段一段的。DNA在复在复制时，由滞后链所形成的一些子代制时，由滞后链所形成的一些子代DNA短链称短链称为为冈崎片段冈崎片段(Okazaki fragment)。 冈崎片段的大小，在原核生物中约为冈崎片段的大小，在原核生物中约为10002000个核苷酸，而在真核生物中约为个核苷酸，而

10、在真核生物中约为100个核个核苷酸。苷酸。 三、参与三、参与DNA复制的酶类复制的酶类 DNA聚合酶聚合酶全称：全称：依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶 ( DNA-dependent DNA polymerase, DDDP )简称：简称：DNA-pol活性：活性：1. 53 的聚合酶活性的聚合酶活性 2. 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 DNADNA聚合酶的核酸外切酶活性聚合酶的核酸外切酶活性 5 A G C T T C A G G A T A 3 | | | | | | | | | | |3 T C G A A G T C C T A G C G A C 5 3 5 外切酶活性外切酶活性

11、 5 3 外切酶活性外切酶活性能切除突变的能切除突变的 DNA片段。片段。能辨认错配的碱基对，并将其水解。能辨认错配的碱基对，并将其水解。种类和生理功能：种类和生理功能： 在原核生物中，目前发现的在原核生物中，目前发现的DNA聚合酶有三种，聚合酶有三种，分别命名为分别命名为DNA聚合酶聚合酶（pol ），DNA聚聚合酶合酶（pol ），DNA聚合酶聚合酶（pol ），这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。 参与参与DNA复制的主要是复制的主要是pol 和和pol 。 原核生物中的三种原核生物中的三种DNADNA聚合酶聚合酶 在在真核生物真核生物中，目前

12、发现的中，目前发现的DNA聚合酶有五种聚合酶有五种:DNA-pol 起始引发，有引物酶活性。起始引发，有引物酶活性。参与低保真度的复制参与低保真度的复制 。DNA-pol 在线粒体在线粒体DNA复制中起催化作用。复制中起催化作用。DNA-pol 延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。DNA-pol 在复制过程中起校读、修复和填补缺在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。口的作用。DNA-pol 为了保证遗传的稳定，为了保证遗传的稳定，DNA的复制必须具有高的复制必须具有高保真性。保真性。DNA复制时的保真性主要与下列因素复制时的保真性主要与下列因素有关：有关：

13、1遵守严格的碱基配对规律；遵守严格的碱基配对规律； 2DNA聚合酶在复制时对碱基的正确选择；聚合酶在复制时对碱基的正确选择； 3对复制过程中出现的错误及时进行校正。对复制过程中出现的错误及时进行校正。 （二）（二）DNADNA复制的保真性复制的保真性(fidelity)(fidelity)：DNA连接酶连接酶 可催化两段可催化两段DNADNA片段之间磷酸二酯键的形成，而使两段片段之间磷酸二酯键的形成，而使两段DNADNA连接起来。连接起来。DNA 解螺旋酶解螺旋酶 在在ATPATP存在时使存在时使DNADNA双链间碱基对的氢键断裂，以使两双链间碱基对的氢键断裂，以使两 链分别作为模板进行复制。

14、每解开一对碱基，需消耗链分别作为模板进行复制。每解开一对碱基，需消耗2 2分子分子ATPATP。DNA拓扑异构酶拓扑异构酶 引发酶引发酶 在在DNADNA模板起始位点，按碱基配对原则沿模板起始位点，按碱基配对原则沿5533方向合方向合成成一段一段RNARNA短链引物短链引物, , 使子代使子代DNADNA链能够开始聚合。链能够开始聚合。1、Rep蛋白蛋白功能：能使功能：能使DNADNA双链间的氢键变弱，从而使双链分开，双链间的氢键变弱，从而使双链分开，但无酶活性。与解链酶不是同一种蛋白质但无酶活性。与解链酶不是同一种蛋白质四、参与四、参与DNA复制的蛋白质复制的蛋白质2、单链结合蛋白（、单链结

15、合蛋白（SSB） 作用：作用： 与分开的两条与分开的两条DNADNA单链结合，使解开双螺旋单链结合，使解开双螺旋后的后的DNADNA单链能够稳定存在，便于以其为模板复制子代单链能够稳定存在，便于以其为模板复制子代DNADNA； 保护单链保护单链DNADNA，避免核酸酶的降解。，避免核酸酶的降解。 3、引发体、引发体 引发体由引发前体与引物酶组装而成。引发体由引发前体与引物酶组装而成。 主要与引物预合成、复制起点的识别等有关。主要与引物预合成、复制起点的识别等有关。五、五、 DNA复制过程复制过程（一）、复制的起始（一）、复制的起始 1）解旋解链，形成复制叉：）解旋解链，形成复制叉：由拓扑异构酶

16、和解链酶作用，使由拓扑异构酶和解链酶作用，使DNADNA的超螺旋及双螺的超螺旋及双螺旋结构解开，碱基间氢键断裂，形成两条单链旋结构解开，碱基间氢键断裂，形成两条单链DNADNA。单链。单链DNADNA结合蛋白结合在两条单链结合蛋白结合在两条单链DNADNA上，形成复制叉。上，形成复制叉。 2）引发体组装：）引发体组装：由引发体识别复制起始点，并与其他蛋白因子以及由引发体识别复制起始点，并与其他蛋白因子以及引物酶一起组装形成引发体。引物酶一起组装形成引发体。 3）引物合成）引物合成在引物酶的催化下，以在引物酶的催化下，以DNADNA为模板，合成一段短的为模板，合成一段短的RNARNA片段，从而获

17、得片段，从而获得3-3-端自由羟基（端自由羟基（3-OH3-OH）引物。引物。（二）复制的延长（二）复制的延长 1、聚合子代、聚合子代DNA：由由DNA聚合酶催化，以聚合酶催化，以35方向的亲代方向的亲代DNA链为模链为模板，从板，从53方向方向聚合子代聚合子代DNA链。链。2、引发体移动：、引发体移动：引发体向前引发体向前移动，解开新的局部双螺旋，形成新的复移动，解开新的局部双螺旋，形成新的复制叉，滞后链重新合成制叉，滞后链重新合成RNA引物引物，继续进行链的延长。，继续进行链的延长。（三）（三） 复制的终止复制的终止（一）去除引物，填补缺口：（一）去除引物，填补缺口： 复制过程中形成的复制

18、过程中形成的RNA引物，需由引物，需由RNA酶水解去除；酶水解去除； RNA引物水解后遗留的缺口，由引物水解后遗留的缺口，由DNA聚合酶催化延长聚合酶催化延长缺口处的缺口处的DNA，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。（二）连接冈崎片段：（二）连接冈崎片段： 在在DNA连接酶的催化下，生成最后一个磷酸酯键，将冈连接酶的催化下，生成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完整的崎片段连接起来，形成完整的DNA长链。长链。 领头链的合成过程领头链的合成过程随从链的合成过程随从链的合成过程六、六、DNA的损伤与修复的损伤与修复一、一、DNA的损伤（突变）的损伤（突变）

19、 由自发的或环境的因素引起由自发的或环境的因素引起DNA一级结构一级结构的任何异常的改变称为的任何异常的改变称为DNA的损伤的损伤，也称为，也称为突突变变（mutation）。）。 常见的常见的DNA的损伤包括碱基脱落、碱基修的损伤包括碱基脱落、碱基修饰、交联，链的断裂，重组等。饰、交联，链的断裂，重组等。二、突变的意义二、突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础（一）突变是进化、分化的分子基础（二）突变导致基因型改变（二）突变导致基因型改变（三）突变导致死亡（三）突变导致死亡（四）突变是某些疾病的发病基础（四）突变是某些疾病的发病基础三、引起突变的因素：三、引起突变的因素：1自发因素：自发

20、因素：(1)自发脱碱基自发脱碱基(2)自发脱氨基自发脱氨基(3)复制错配复制错配2物理因素：物理因素： 由紫外线、电离辐射、由紫外线、电离辐射、X射线等引起的射线等引起的DNA损伤。损伤。其中，其中，X射线和电离辐射常常引起射线和电离辐射常常引起DNA链的断裂，而链的断裂，而常常引起常常引起的形成，如的形成，如TT，TC，CC等二聚体。这些嘧啶二聚体由于形成了共价键连接的等二聚体。这些嘧啶二聚体由于形成了共价键连接的环丁烷结构，因而会引起复制障碍。环丁烷结构，因而会引起复制障碍。 3化学因素：化学因素：(1) 脱氨剂：脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可加速C脱氨基生成U，A脱氨基生成H。 (2)

21、烷基化剂：烷基化剂：这是一类带有活性烷基的化合物，可提供甲基或其他烷基，引起碱基或磷酸基的烷基化，甚至可引起邻近碱基的交联。(3) DNA加合剂：加合剂：如苯并芘，在体内代谢后生成四羟苯并芘，与嘌呤共价结合引起损伤。(4) 碱基类似物碱基类似物(5) 断链剂断链剂（二）（二）DNA损伤修复的类型：损伤修复的类型： 1光复活光复活 光复活能够修复任何嘧啶二聚体的损伤。光复活能够修复任何嘧啶二聚体的损伤。 2转甲基作用转甲基作用 在转甲基酶的催化下，将在转甲基酶的催化下，将DNA上的被修饰上的被修饰的甲基去除。此时，转甲基酶自身被甲基化而的甲基去除。此时，转甲基酶自身被甲基化而失活。失活。 3直接

22、连接直接连接 DNA断裂形成的缺口，可以在断裂形成的缺口，可以在DNA连接酶连接酶的催化下，直接进行连接而封闭缺口。的催化下，直接进行连接而封闭缺口。1切除修复切除修复由两种不同的酶来发动，一种是由两种不同的酶来发动，一种是核酸内切核酸内切酶酶，另一种是，另一种是DNA糖苷酶糖苷酶。2重组修复重组修复这是这是DNA的复制过程中所采用的一种有差的复制过程中所采用的一种有差错的修复方式。错的修复方式。 3SOS修复：修复： 这是一种在这是一种在DNA分子受到较大范围损分子受到较大范围损伤并且使复制受到抑制时出现的修复机制，伤并且使复制受到抑制时出现的修复机制，以以SOS借喻细胞处于危急状态。借喻细

23、胞处于危急状态。 二二、RNA的生物合成的生物合成在生物界，在生物界，RNA合成有两种方式：一是合成有两种方式：一是DNA指导的指导的RNA合成，此为生物体内的主要合成，此为生物体内的主要合成方式。另一种是合成方式。另一种是RNA指导的指导的RNA合成，合成，此种方式常见于病毒。转录产生的初级转录此种方式常见于病毒。转录产生的初级转录本是本是RNA前体（前体（RNA precursor），需经加），需经加工过程（工过程（processing）方具有生物学）方具有生物学活性。活性。 反应体系：反应体系：DNADNA模板模板,NTP,NTP,酶，酶，Mg2+,Mn2+Mg2+,Mn2+，合成方向，

24、合成方向 5353。连接方式。连接方式- 3 , 5- 3 , 5磷酸二酯键。磷酸二酯键。转录特点：转录特点：不对称转录不对称转录-DNA-DNA片段转录时，双链片段转录时，双链DNADNA中只有中只有一条链作为转录的模板，这种转录方式称作一条链作为转录的模板，这种转录方式称作不对称转录不对称转录。模板链模板链(template strand)(template strand)及反意义链及反意义链(antisense (antisense strand):strand):指导指导RNARNA合成的合成的DNADNA链为模板链，又称反意义链。链为模板链，又称反意义链。编码链编码链(coding

25、strand)(coding strand)及有意义链及有意义链(sense strand)(sense strand)：不不作为转录的另一条作为转录的另一条DNADNA链为编码链，又称有意义链。由于链为编码链，又称有意义链。由于基因分布于不同的基因分布于不同的DNADNA单链中，即某条单链中，即某条DNADNA单链对某个基因单链对某个基因是模板链，而对另一个基因则是编码链。是模板链，而对另一个基因则是编码链。原料：原料：四种磷酸核苷四种磷酸核苷NTP,DNANTP,DNA中的中的T T在在RNARNA合成中变为合成中变为U U 合成过程合成过程: :连续连续，方向：方向：5 533从头合成从

26、头合成,5,5 末端的起始核苷酸常为末端的起始核苷酸常为GTPGTP或或ATPATP1、识别、识别 原核生物原核生物RNA聚合酶中的聚合酶中的因子识别转录起始点，因子识别转录起始点，并促使核心酶结合形成全酶复合物。并促使核心酶结合形成全酶复合物。 被辨认的区段就是位于转录起始点被辨认的区段就是位于转录起始点-35区的区的TTGACA序列。序列。 酶与该区结合后，即滑动至酶与该区结合后，即滑动至-10区的区的TATAATG序序列列（Pribnow盒）盒） ，并启动转录。，并启动转录。 真核生物的转录起始较为复杂。目前已知真核生物的转录起始较为复杂。目前已知RNA聚合酶聚合酶至少有六种不同的蛋白因

27、子参与至少有六种不同的蛋白因子参与转录复合体的形成。这些蛋白因子被称为转录转录复合体的形成。这些蛋白因子被称为转录因子（因子（transcriptional factor, TF)。转录因子转录因子功功 能能TFA TFB TFD TFETFF稳定稳定TFD结合结合促进促进pol 结合结合辨认辨认TATA盒盒ATPase 解旋酶解旋酶真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶转录因子及其功能转录因子及其功能2、起始、起始 RNA聚合酶全酶促使局部双链解开，并聚合酶全酶促使局部双链解开，并催化催化ATP或或GTP与另外一个三磷酸核苷聚与另外一个三磷酸核苷聚合，形成第一个合，形成第一个3,5-磷酸二酯键。磷酸二酯键。 3、延长、延长 因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿沿DNA链移动，按照碱基互补原则，不断链移动，按照碱基互补原则，不断聚合聚合RNA。 4、终止、终止 RNA转录合成的终止机制有两种：转录合成的终止机制有两种：1）自动终止：）自动终止：模