第十一章 核酸的生物合成

Nucleicacid

Biosynthesis

第十一章核酸的生物合成基因(gene)：

为蛋白质或RNA编码的DNA功能片段，是以碱基排列顺序的方式储存的遗传信息。基因组（genome)：

某一物种所有的全部遗传物质，从分子意义上说，是指全部DNA序列。蛋白质翻译转录逆转录复制复制DNARNA

中心法则(thecentraldogma)▪第一节、DNA的生物合成▪第二节、RNA的生物合成▪第三节、PCR技术简介本章主要内容：DNABiosynthesis第一节、DNA的生物合成

DNA的生物合成复制（DNA指导下的DNA合成）逆转录（RNA指导下的DNA的合成）复制亲代DNA子代DNA复制(replication)：

以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。一、复制的基本规律▪半保留复制▪有复制起点：单向或双向复制▪半不连续复制▪高保真性（一）、半保留复制(semi-conservativereplication)

全保留式半保留式混合式DNA复制的三种可能方式：DNA半保留复制实验：▪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。▪遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。半保留复制的意义：（二）、双向复制(bidirectionalreplication)原核生物：

♦基因组是环状DNA；

♦只有一个复制起始点（origin）。真核生物：

♦基因组是线性的；

♦染色体DNA有多个复制起始点；

♦两个起始点之间的DNA片段称为复制子(replicon)。

在原核生物双向复制中，DNA被描述为眼睛状。为说明方便而做的图为形。orioriC多个起点复制起点起点起点起点起点起点3

5

3

5

3´5´3´5´解链方向领头链(leadingstrand)随从链(laggingstrand)3´5´（三）、半不连续复制(semi-discontinuousreplication)冈崎片段(Okazakifragment)：

♦1968年日本生化学者冈崎用电镜及放射自显影技术，观察到DNA复制中出现一些不连续的片段，将这些不连续的片段称为冈崎片段。

♦原核生物:1000~2000个核苷酸

♦真核生物:100~200个核苷酸（四）、高保真性（高度忠实性）▪差错率仅为10-9-10-101、新合成的子链与母链之间碱基配对严格性2、使用引物RNA3、DNA聚合酶对底物专一性4、DNA聚合酶的校对作用5、DNA修复机制

？二、参与DNA复制的主要酶类和蛋白质DNA复制需要什么底物模板引物酶？♦（一）DNA聚合酶♦（二）DNA解旋酶♦（三）引物酶♦（四）DNA连接酶♦（五）单链结合蛋白（SSBP）♦（六）拓扑异构酶主要酶类和蛋白质

解链过程中，DNA分子会过度拧紧、打结、缠绕、连环等现象。（一）、DNA拓扑异构酶（DNAtopoisomerase）作用：改变DNA分子构象，理顺DNA链，使复制能顺利进行。分类：拓扑酶Ⅰ（切断DNA双链中一股链）

拓扑酶Ⅱ（切断DNA分子两股链）拓扑异构酶Ⅰ的作用拓扑异构酶Ⅱ的作用（二）、DNA解旋酶(helicase)▪又称解链酶或rep蛋白▪利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链。▪每解开一对碱基，需消耗2分子ATP。DnaBDnaC解链方向（三）、单链结合蛋白（SSBP）▪在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整性。（四）、引物酶(primase)

▪作用：它以单链DNA为模板，以ATP、GTP、CTP、UTP为原料，从5

→3

方向合成出RNA片段，即引物。▪引物（primer）：

由引物酶催化生成的短链RNA，它可为DNA聚合提供3'-OH末端。合成RNA引物（五）、DNA聚合酶(DNApolymerase)聚合反应的特点：

▪DNA新链生成需引物和模板；

▪新链的延长只可沿5→3

方向进行。聚合反应机理3

5

3

5

DNA聚合酶▪全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase)▪简称：DNA-pol▪原核生物的DNA聚合酶：

•DNA-polⅠ•DNA-polⅡ•DNA-polⅢ323个氨基酸604个氨基酸小片段大片段/Klenow片段5

核酸外切酶活性DNA聚合酶活性

5核酸外切酶活性N端C端木瓜蛋白酶DNA-polⅠ▪1959年获诺贝尔生理学或医学奖

奥乔亚科恩伯格

SeveroOchoa

ArthurKornberg5´AGCTTCAGGATA(C)

3´

|||||||||||3´TCGAAGTCCTAGCGAC5´▪3

5

外切酶活性▪5

3

外切酶活性

?3

5

外切酶活性5´-3´外切酶活性

5´-3´核酸外切酶水解位点单链缺口5´polII分子量每个细胞的分子统计数5´-3´聚合酶作用3´-5´核酸外切酶5´-3´核酸外切酶转化率polI109，000400+++1120，000100++-0.05400，00010-20++-50比较项目polIII切除引物修复修复复制功能DNA-polⅢDNA-polⅢ前导链和随后链的合成方向相反，DNA-polⅢ是怎样同时将两条链复制出来？前导链和随后链同时合成的工作模型（六）、DNA连接酶(DNAligase)▪在复制中起接合双链中单链切口的作用。HO5’3’3’5’DNA连接酶ATP（NAD+）AMP5’3’5’3’小结：三、真核生物端粒的复制▪端粒（telomere）：

是指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构部分，通常膨大成粒状。功能：•维持染色体的稳定性•维持DNA复制的完整性TTTTGGGGTTTTGGGG…端粒酶(telomerase)：

一种RNA-蛋白质复合体

端粒酶的爬行模型DNA聚合酶复制子链进一步加工细胞分裂细胞分裂细胞衰老端粒酶永生化抗肿瘤靶点端粒和端粒酶的生物学意义▪端粒特别是端粒酶的活性与细胞的生长、繁殖、衰老凋亡以及肿瘤的发生密切相关。▪体细胞几乎没有端粒酶活性，而端粒酶活性较高的胚原细胞，端粒长度未缩短。▪肿瘤细胞端粒酶重新获得活性，以维持端粒结构致使染色体稳定而成为永生细胞。

正常细胞细胞分裂细胞分裂

衰老死亡

细胞年轻化

端粒酶重新引入抗衰老四、逆转录(reversetranscription)

逆转录酶RNADNA▪逆转录酶(reversetranscriptase)

有三种活性：▪RNA指导的DNA聚合活性▪RNaseH活性▪DNA指导的DNA聚合活性逆转录过程中cDNA的合成

依赖RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依赖DNA的DNA聚合酶逆转录病毒的生活周期RNA衣壳被膜逆转录酶转录转译进入细胞丢失被膜丢失衣壳逆转录RNARNAcDNA衣壳蛋白被膜蛋白逆转录酶逆转录研究的意义▪逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中的重大发现。▪逆转录现象说明：至少在某些生物，RNA同样兼有遗传信息传代与表达功能。▪对逆转录病毒的研究，拓宽了20世纪初已注意到的病毒致癌理论。

五、

DNA损伤(突变)与修复▪突变(mutation)：▪DNA损伤(DNAdamage)：（一）、突变的意义▪突变是进化、分化的分子基础▪突变导致基因型改变▪突变导致死亡▪突变是某些疾病的发病基础（二）、引发突变的因素▪自发性:自然错配率约为10-9～10-10

左右。▪物理因素:如UV(ultraviolet)、各种辐射。▪化学因素:烷化剂、碱基类似物、以及其他一些人工合成或环境中存在的化学物质，这些诱发突变的化学物质,称为致癌剂。▪生物因素:抗菌素类、黄曲霉素和病毒等。物理因素（三）、突变的分子改变类型错配(mismatch)缺失(deletion)插入(insertion)重排(rearrangement)框移(frame-shift)

镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)β亚基N-val

·

his

·

leu

·

thr

·

pro·

val

·

glu

·

·

·

·

·

·

C肽链CACGTG基因正常成人Hb(HbA)β亚基N-val

·

his

·

leu

·

thr

·

pro·

glu

·

glu

·

·

·

·

·

·

C肽链CTCGAG基因

▪1949年，波林发现镰刀型细胞贫血症与血红蛋白结构异常相关。谷酪蛋丝5’……GCA

GUA

CAU

GUC……丙缬组缬正常5’……GAG

UAC

AUG

UC……缺失C缺失引起框移突变例：（四）、DNA损伤的修复(repairing)▪光修复(lightrepairing)▪切除修复(excisionrepairing)▪重组修复(recombinationrepairing)▪SOS修复

修复的主要类型：光修复酶1、光修复2、切除修复是细胞内最重要和有效的修复机制，主要由DNA-polⅠ和连接酶完成。UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶ⅠOHPDNA连接酶NAD+E.coli的切除修复机制例：着色性干皮病(xerodermapigmentosis，XP)

是切除修复缺陷性的遗传病。

XP病人细胞对嘧啶二聚体和烷基化的清除能力降低，不能修复紫外线照射引起的DNA损伤，因此易发生皮肤癌。3、重组修复▪这是DNA的复制过程中所采用的一种有差错的修复方式。RNABiosynthesis第二节RNA的生物合成

转录(transcription)

生物体以DNA为模板合成RNA的过程。

DNA的遗传信息传递给RNA的过程。转录RNADNA

5′···GCAGTACATGTC···3′3′···CGTCATGTACAG···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C编码链模板链mRNA蛋白质转录翻译转录模板基本概念5′···GCA

GTA

CAT···3′（+）编码链有义链3′···CGT

CAT

GTA···5′（－）模板链反义链

转录5′···GCA

GUA

CAU···3′

mRNA5′···GCA

GTA

CAT···3′

（－）模板链反义链3′···CGT

CAT

GTA···5′

（+）编码链有义链

转录3′···CGU

CAU

GUA···5′

mRNA5′···

AUG

UAC

UGC

···3′

mRNA有义链反义链＋链－链？

对于整个DNA双链，每条链上有的区段用作有义链，有的区段用作反义链。所以，具有相对意义。

一、RNA转录合成的特点：▪一、转录的不对称性▪二、转录的连续性▪三、转录的单向性▪四、有特定的起始和终止位点

二、RNA转录合成的条件：底物模板RNA聚合酶亚RNA聚合酶组成：a2bb'ws=a2bb'w+s

全酶核心酶

▪核心酶：解开前方的DNA双螺旋、RNA链的延伸、恢复后面的DNA双螺旋▪

s

亚基：识别DNA上转录的起始部位，从而引导全酶结合上去大肠杆菌RNA聚合酶全酶启动子（promoter）：

三、转录合成的过程：RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7