核酸的生物合成(本)课件

12核酸的生物合成

复习转录：生物体可用碱基配对的方式合成与DNA核苷酸序列相对应的mRNA。信使RNA（mRNA)：载有DNA的遗传信息，进入蛋白质的合成基地，作为蛋白质合成的模板指导蛋白质的合成。翻译：mRNA的核苷酸序列决定蛋白质的氨基酸序列，由mRNA指导蛋白质合成的过程。核糖体RNA（rRNA）：是核糖体的RNA。转移RNA（tRNA）：其将氨基酸转运到核糖体的特定部位用于蛋白质合成。基因：DNA分子中最小的功能单位。基因组：某生物体所含的全部基因。12.1

DNA的生物合成12.1.1

DNA的半保留复制每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的。这种复制方式称为半保留复制。12.1.2

DNA复制的起始点和方向

DNA复制开始于染色体上固定的起始点。起始点是含有100～200个碱基对的一段DNA。

细胞内存在着能识别起始点的特种蛋白质。DNA复制可以朝一个方向，也可以朝两个相反的方向进行

12.1.3

原核细胞DNA的复制（DNA指导下的DNA的合成）1、

DNA聚合酶Ⅰ

DNA的复制是四种脱氧核苷酸的聚合反应。DNA新链合成时需要:四种脱氧核苷三磷酸、Mg2+、DNA模板、与模板DNA互补的一小段多核苷酸引物，酶的活性部位含有紧密结合的Zn2+。DNA聚合酶Ⅰ的功能

1.5‘→3’聚合功能

2.3‘→5’外切活性

3.5‘→3’外切活性

(1)切口平移

(2)链的置换；

(3)模板转换

5'3'

GT

A

AGTCG

·

·

·

·

·

C

TCAGC

5'

3'

3'－5'外切

核

酸酶水解部位图11-20DNA聚合酶Ⅰ的3'－5'外切酶活性

(仿D.Freifelder:

《MOLECULARBIOLOGY》

1983,Fig.8-16)

3'5'

GGA

CAAGA

·

·

·

·

·

GAC

GTTCT

5'3'

内切酸酶水解部位

图11-22

DNA聚合酶Ⅰ的内切酸活性

(仿D.Freifelder:

《MOLECULARBIOLOGY》

1983,Fig.8-20)DNA合成的方向是5’端到3’端。DNA聚合酶所催化的化学反应产物是碱基顺序与模板链碱基顺序互补的DNA链。

12.1.3.2

DNA聚合酶Ⅱ和DNA聚合酶Ⅲ

聚合酶Ⅱ没有外切酶5’→3’的活力DNA聚合酶Ⅱ的活力很低。DNA聚合酶Ⅲ的活力较强DNA聚合酶Ⅲ的全酶有好几个亚基。DNA聚合酶II：单链，以切口双链DNA为模板。活性极低DNA聚合酶Ⅲ:共10种亚基。功能与聚合酶I相似，起DNA复制作用。每秒可聚合1000个碱基。DNA聚合酶Ⅲ12.1.3.3

双链DNA复制的分子机制（1）半不连续复制过程新DNA的一条链是按5’→3’方向连续合成的，称为前导链。另一条链的合成则是不连续的，即先按5’→3’方向合成若干短片段（冈崎片段），再通过酶的作用将这些短片段连在一起构成第二条子链，称为后随链。（2）风崎片段的RNA引物RNA引物的合成称作“引发”。引物RNA一般只含少数核苷酸残基，通过DNA聚合酶Ⅲ，完成冈崎片段的合成。通过DNA聚合酶Ⅰ将RNA引物上的核苷酸单位逐个除去。每个核苷酸单位被切除后立即被与模板链相应位置碱基互补的脱氧核苷酸补上。冈崎片段只具有暂时的功能。在复制的后阶段起始部位即不再有任何意义。（3）DNA连接酶各冈崎片段通过DNA连接酶相互连接最终形成后随链。反应需要供给能量。

DNA后随链的生成共包含三个基本步骤：l

起始（RNA引物的合成）l

延长（向引物RNA3’-端添加DNA顺序，合成短的DNA片段）l

终止（RNA引物脱落并代以相应的DNA顺序，用共价键连接各DNA短片段）（4）母本DNA双链的分离①DNA解链酶或解螺旋酶。②DNA旋转酶或拓扑异构酶Ⅱ。（5）DNA聚合酶的“校对”作用12.1.4

真核细胞DNA的复制（DNA指导下的DNA合成）1．真核细胞DNA复制有许多起点。2．在较高等的生物中至少有5种DNA聚合酶，这5种酶都能在5’→3’方向上聚合DNA链。3．端粒的复制。线性染色体的末端DNA称为端粒。生物细胞DNA复制分子机制的基本特点是：

复制是半保留的。复制起始于细菌或病毒的特定位置，真核生物有多个起始点。复制可以朝一个方向，也可以向两个方向进行，后者更为常见。复制时，DNA的两条链都从5’端向3’延伸。

复制是半不连续的，前导链是连续合成的，后随链是不连续合成的。冈崎片段的合成始于一小段RNA引物，这一小段RNA以后被酶切除，缺口由脱氧核苷酸补满后再与新生DNA链连在一起。复制有多种机制，即使在同一个细胞里，也可因环境----酶的丰富程度、温度、营养条件等的不同而具有不同的起始机制和链延长的方式。12.1.5

反转录作用（RNA指导的DNA合成）反转录酶(逆转录酶)：这种酶以4种三磷酸脱氧核苷（dCTP,dGTP,dATP和dTTP）为底物能生成与病毒RNA（模板）碱基序列互补的DNA。它催化遗传信息从RNA流向DNA，与转录作用正好相反。病毒反转录酶作用时需要引物，生成DNA新链的方向是5’→3’。说明：如果某种真核细胞的天然基因不易分离，而其mRNA却容易获得时，就可以利用反转录酶制备合成该基因。测定其mRNA序列再反推出RNA的序列。12.1.6

DNA的损伤与修复紫外光照射可以使DNA链中相邻的嘧啶形成一个环形丁烷，主要产生胸腺嘧啶二体。光复活修复：光复活机制是可见光激活了光复活酶，使之能分解由于紫外光照射而产生的嘧啶二体。12.1.7

细菌的限制—修饰系统能识别DNA特定核苷酸序列的核酸内切酶，简称为限制酶。限制酶能在特定核苷酸序列处切开核苷酸之间的键，使DNA产生双链裂口，进而被脱氧核糖核酸酶水解。细菌DNA受到专一性密切相关的“修饰甲基化酶”和“限制酶”的保护。相应的限制酶将水解断裂任何具有未曾甲基化的同一序列的DNA两条链。12.1.8基因重组与DNA“克隆”12.1.9

聚合酶链式反应（PCR）技术与DNA扩增它以待扩增的两条DNA链为模板，由一对人工合成的寡聚核苷酸引物介导，通过DNA聚合酶促反应，快速体外扩增特异的DNA序列。

PCR

技术中每一循环包括变性、退火、和延伸三个阶段。

12.2

RNA的生物合成12.2.1

转录（DNA指导下的RNA合成）DNA分子中的遗传信息转移到RNA分子中的过程称为转录。转录产物mRNA、rRNA、tRNA。单顺反子：一条多肽链编码的mRNA。多顺反子：二条多肽链编码的mRNA。细菌5‘端不编码的多核苷酸序列约含25-150个核苷酸，称为前导序列。多顺反子mRNA可能也含有不翻译的间隔区转录产物。间隔区是基因之间的DNA片段，把各个基因分开，有的间隔区也转录，这些转录产物可能帮助调节翻译的速度。

基因的两条链都是转录所需要的，但只有一条直接作为转录的模板，另一条链可能对转录起调节作用。转录的模板DNA称为模板链或反义链，另一条链称为编码链或有义链。基因的转入是有选择性的。1、原核生物的转录转录需要:RNA聚合酶四种核苷三磷酸、Mg2+、DNA模板、说明：RNA合成不需要引物RNA聚合酶也没有校正功能2、

真核细胞的转录作用3、转录过程的选择性抑制放线菌素D、吖啶：能抑制原核和真核生物中RNA合成利福平：抑制原核生物RNA合成α-鹅蕈碱：抑制真核生物RNA合成4、转录产物的“加工”各种RNA合成时，先以DNA为模板生成分子量较大的RNA前体，然后在专一酶的作用下切去多余的部份或进行修饰，最后生成有活性的、成熟的RNA。这个过程称为转录后加工。

（1）rRNA前体的转录后加工

（2）tRNA前体的加工（3）真核细胞mRNA前体的加工真核细胞mRNA的结构特点：真核细胞mRNA一般是单顺反子；序列中无内含子，但其前体中含有内含子。大多数的真核细胞mRNA的3′末端有由100—200个腺苷酸连续排列所组成的“尾巴”mRNA的5′端有“帽子”结构。mRNA的转录后加工过程有下列步骤：5′端帽结构的生成3′端多聚A