DNA和RNA的生物合成

DNA和RNA的生物合成第一页，共52页。本章节学习目标1、DNA复制特点、体系2、RNA转录特点、体系3、反转录概念1、DNA复制过程2、DNA的损伤与修复3、RNA转录终止方式1、RNA的转录过程2、反转录酶学习目标掌握熟悉了解第一页第二页，共52页。19世纪40年代，英国亚历山大·德丽那·维多利亚女王生下了四男五女共9个孩子，其中有3个男孩患有血友病，好在五个女儿都健康。而五个女儿嫁到欧洲的其它王室后，她们的小王子却有很多都患上了血友病。试问：血友病是从维多利亚女王是如何传给她的儿子以及外孙的？导入情景第二页第三页，共52页。分子生物学(分子遗传学)中心法则

反映了从DNA-RNA-蛋白质的遗传信息主流，揭示了生物体内遗传信息的贮存、传递和表达的规律。转录RNA翻译蛋白质DNARNA（病毒）复制复制翻译蛋白质（病毒）反转录第三页第四页，共52页。第一节

DNA的生物合成DNABiosynthesis第四页第五页，共52页。第一节DNA的生物合成复制的特点复制体系复制过程DNA损伤（突变）与修复反转录第五页第六页，共52页。复制(replication)是指遗传物质的传代，以亲代DNA为模板，按照碱基互补配对原则合成子代DNA的过程。复制亲代DNA子代DNA复制定义

一、DNA复制第六页第七页，共52页。（一）DNA复制特点

DNA的半保留复制：DNA复制中，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制的方式称为半保留复制。一、DNA复制第七页第八页，共52页。AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母链DNA复制过程中形成的复制叉子代DNA第八页第九页，共52页。按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。半保留复制的意义:遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。第九页第十页，共52页。2.DNA的半不连续复制

DNA复制中一条链是连续合成的，而另一条链是不连续的合成的，这种复制方式叫做半不连续复制。第十页第十一页，共52页。顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链(leadingstrand)

。另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链(laggingstrand)

。复制中的不连续片段称为岡崎片段(okazakifragment)。领头链连续复制，而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。第十一页第十二页，共52页。1.模板亲代DNA分子2.底物四种三磷酸脱氧核苷酸（dNTP）3.能量ATP4.引物为DNA聚合酶提供3

’

-OH末端的短片段RNA，使dNTP可以依次聚合5.酶类及蛋白因子（1）解旋解链酶类（2）引物酶（3）SSB（4）DNA聚合酶（5）DNA连接酶第十二页第十三页，共52页。(1)解螺旋酶与拓扑异构酶

解螺旋酶：利用ATP供能，打开氢键，使DNA双链解开成为两条单链。(2)引物酶复制起始时催化生成RNA引物的酶。(3)单链DNA结合蛋白(SSB)

维持模板处于单链状态并保护单链的完整。第十三页第十四页，共52页。10

8

局部解链后①拓扑异构酶Ⅰ

切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，DNA变为松弛状态。反应不需ATP。②拓扑异构酶Ⅱ

切断DNA分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。利用ATP供能连接断端，DNA分子进入负超螺旋状态。DNA拓扑异构酶：理顺DNA链，改变超螺旋状态的酶分为I型和II型。第十四页第十五页，共52页。(4)DNA聚合酶

全称为依赖DNA的DNA聚合酶

(DNA-dependentDNApolymerase)，简称DNA-pol。原核生物的DNA聚合酶DNA-polⅠDNA-polⅡDNA-polⅢ真核生物的DNA聚合酶五种：α、β、γ、δ、ε第十五页第十六页，共52页。大肠杆菌E.coli中的三种DNA聚合酶分类DNA聚合酶IDNA聚合酶IIDNA聚合酶III分子量(KD)109120900聚合速率(核苷酸/分)1000—600005ˊ→3ˊ聚合酶活性+++3ˊ→5ˊ外切酶活性+++5ˊ→3ˊ外切酶活性+——生物学功能切除引物延长冈崎片段DNA损伤修复延长子链校读作用校读作用DNA损伤修复第十六页第十七页，共52页。②DNA-polⅡDNA-polII基因发生突变，细菌依然能存活。它参与DNA损伤的应急状态修复。

功能：是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。

③DNA-polⅢ第十七页第十八页，共52页。真核生物DNA聚合酶+++--3¢→5¢外切酶活性5¢→3¢聚合活性250170160~300εδγβα-pol功能+++--3¢→5¢5¢→3¢聚合活性36~38300分子大小（x103)εδγβαDNA-pol+++++细胞内定位核核核核线粒体引发修复复制复制修复（引物酶，DNA聚合酶）（链的延伸填补空隙）第十八页第十九页，共52页。(5)DNA连接酶连接DNA链3

-OH末端和相邻DNA链5

-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。3’HO5’3’3’5’DNA连接酶ATPADP5’3’5’第十九页第二十页，共52页。（三）DNA复制的过程

2.复制的延长1.复制的起始3.复制的终止第二十页第二十一页，共52页。1.复制的起始

DNA拓扑异构酶和解旋酶在DNA复制起始部位解开DNA超螺旋结构，使DNA双链形成局部的DNA单链，然后形成复制叉。当两股单链暴露出足够数量碱基对时，引物酶识别起始部位，并以解开的一段DNA链为模板，按碱基配对规律，从5

→3

方向合成引物RNA片段，引物的生成标志着复制的正式开始。第二十一页第二十二页，共52页。2.复制的延长催化酶：DNA聚合酶原料：dNTP模板：DNA的两条链方向：5

→3

方式：半不连续复制

第二十二页第二十三页，共52页。DNA的两条链反向平行，而DNA聚合酶的合成方向都是

5

→3

。3

→5

走向的模板链，其上的DNA合成与解链方向相同，可以连续合成，称为前导链。另一条5

→3

走向的模板链，其上合成DNA链与解链方向正好相反，故不能连续进行，称为随从链。随从链上形成许多不连续片段，称为冈崎片段。半不连续复制第二十三页第二十四页，共52页。领头链的合成（1）领头链的延长领头链沿着5

→3

方向可以连续的延长。第二十四页第二十五页，共52页。（2）随从链的延长第二十五页第二十六页，共52页。3.复制的终止（1）DNA聚合酶I切除引物并填补空隙。（2）DNA连接酶连接缺口生成子代DNA。第二十六页第二十七页，共52页。随从链上不连续性片段的连接第二十七页第二十八页，共52页。（一）DNA损伤的因素

1.物理因素常见的有紫外线和各种电离辐射。

2.化学因素化学诱变剂等

3.生物因素如反转录病毒等

4.自发因素

一、DNA的损伤修复第二十八页第二十九页，共52页。（1）DNA损伤范围部位不同能导致不同程度后果，如表现出基因多态性、导致遗传性疾病甚至个体死亡。（2）进化1.后果（二）DNA损伤的后果与类型第二十九页第三十页，共52页。2.DNA损伤的类型包括如下几种：点突变指DNA链上单一碱基的变异。缺失指DNA链上一个或一段核苷酸的消失。插入指原来不存在的一个碱基或一段核苷酸链插入到DNA分子中。④重排指DNA分子内发生较大片段的交换。第三十页第三十一页，共52页。1.光修复光修复过程是通过光修复酶催化完成，仅需

300-600nm波长照射即可活化，此方法普遍存在于各种生物体中。（三）DNA损伤的修复第三十一页第三十二页，共52页。人类着色性干皮病人类着色性干皮病（xerodermapigmentosum,XP）是一种罕见的常染色体隐性遗传病，患者主要的临床表现为皮肤对日光，特别是紫外线高度敏感，暴露部位皮肤出现色素沉着、干燥、角化、萎缩及癌变等，其皮肤和眼部肿瘤的发生率是正常人的1000倍。XP是由于患者对紫外线照射造成的核苷酸损伤切除修复缺陷所致，该病具有多型性，且各型之间互补。目前为止已发现了7种互补型和1种变异型。第三十二页第三十三页，共52页。2.切除修复细胞内最重要和有效的修复方式。过程包括识别、切除、填补和连接几个步骤。第三十三页第三十四页，共52页。3.重组修复

RecA蛋白结合在子链的空缺处，引发对侧正常模板链与子链重组，将子链修复成完整的子链，对侧正常模板链上留下的空缺由DNA聚合酶Ⅰ合成DNA片段填补，最后由连接酶连接，使模板链重新成为一条完整的DNA链。第三十四页第三十五页，共52页。反转录概念：某些病毒如RNA病毒，其遗传信息则储存在RNA分子中，RNA病毒能以RNA为模板合成DNA，或逆转录。催化逆转录反应的酶是逆转录酶，又称依赖RNA的DNA聚合酶（一）概念与反转录酶三、反转录第三十五页第三十六页，共52页。

逆转录的发现

1910年，美国病理学家发现了病毒可以致癌后，人们开始深入探索病毒转化的机制。1956年，Termin提出前病毒假说，指出RNA病毒进入宿主细胞后，首先将RNA复制DNA（此时成为前病毒），然后病毒DNA与宿主细胞发生整合形成宿主的一部分，而增殖由病毒DNA通过转录过程完成。但这一假说违反了1958年提出的中心法则，而被多数人拒绝。直至1970年，Termin和助手Rous从肉瘤病毒中分离得到了一种RNA依赖的DNA聚合酶，与此同时，麻省理工学院的DavidBaltimore也从小鼠白血病病毒中分离得到了这种酶，才证明了前病毒假说的正确性，逆转录得到认可，中心法则被重新修正。第三十六页第三十七页，共52页。（二）反转录的意义

1.补充和发展了中心法则

2.对反转录病毒的研究，拓宽了病毒致癌理论。

3.在基因工程中，可利用反转录酶将mRNA逆转录形成cDNA，以获得目的基因。第三十七页第三十八页，共52页。

人类免疫缺陷病毒人类免疫缺陷病毒（humanimmunodeficiencyvirus，HIV）是一种逆转录病毒，HIV-1的反转录酶分子有两个亚基（51000和66000），其中p66亚基有两个关键性结构域，分别具有DNA聚合活性和RNA降解活性，该酶能以RNA为模板合成DNA，并能降解RNA模板，合成的DNA单链能以自身为模板合成另外一条单链，形成完整的双链DNA.，并能插入到人类细胞的基因组中，随细胞分裂而分裂。第三十八页第三十九页，共52页。第二节

RNA的生物合成RNABiosynthesis第三十九页第四十页，共52页。一、不对称转录二、RNA转录的体系三、RNA转录的过程三、转录后加工第二节RNA的生物合成第四十页第四十一页，共52页。

RNA转录的特点——不对称转录

在双链DNA分子中，各结构基因的模板链位于同一DNA分子的不同单链上，而RNA链的合成方向始终是5

→3

方向，因此位于同一DNA分子不同的结构基因，其RNA转录方向不同。一、不对称转录第四十一页第四十二页，共52页。1.模板DNA2.底物四种三磷酸核糖核苷（NTP）3.RNA聚合酶

(1)原核生物只有一种RNA聚合酶

(2)真核生物已发现有三种RNA聚合酶4.其它酶和蛋白因子二、RNA转录的体系第四十二页第四十三页，共52页。原核生物的RNA聚合酶核心酶全酶

a36512决定哪些基因被转录b150618催化功能b¢155613结合DNA模板s70263辨认起始点亚基分子量功能第四十三页第四十四页，共52页。真核生物的RNA聚合酶种类ⅠⅡⅢ对鹅膏蕈碱的反应45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受极敏感中度敏感转录产物第四十四页第四十五页，共52页。（一）转录起始

RNA聚合酶σ因子辨认并结合启动子，形成转录复合体，从而开始转录。转录几个核苷酸后，σ因子脱离转录复合体，后者离开启动子