核酸合成主题医学知识

遗传信息传递的中心法则

蛋白质翻译转录逆转录复制复制DNARNA

中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。目录第四节基因工程及分子生物学技术简介第一节DNA的生物合成第二节RNA的生物合成第三节核酸合成的抑制剂第一节DNA的生物合成

一、DNA的复制（DNA指导下的DNA合成）三、DNA突变四、DNA的损伤与修复二、逆转录作用（RNA指导下的DNA的合成）一、DNA的半保留复制

1、概念和实验依据

2、原核生物DNA聚合反应有关的酶类

3、原核细胞DNA的复制的起始点和方式5、DNA复制的忠实性6、真核细胞DNA的复制

4、原核细胞DNA的复制过程（半不连续复制）DNA的半保留复制的概念

DNA在复制时，两条链解开分别作为模板，在DNA聚合酶的催化下按碱基互补的原则合成两条与模板链互补的新链，以组成新的DNA分子。这样新形成的两个DNA分子与亲代DNA分子的碱基顺序完全一样。由于子代DNA分子中一条链来自亲代，另一条链是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。

DNA的半保留复制实验依据

1958年Meselson&stahl用同位素示踪标记加密度梯度离心技术实验,证明了DNA是采取半保留的方式进行复制.[15N]DNA[14N-15N]DNA[14N]DNA[14N-15N]DNA二、DNA复制的起始点和方向起始点含100－200pb，能被特殊的蛋白质识别。复制方向有单方向和双方向。通常细菌、病毒、线粒体的DNA分子，只有一个复制起点，复制时一个DNA是以一个复制单位（复制子）完成复制。真核细胞一个DNA分子上有多个复制起点，双向复制，也就是说一个DNA分子上有多个复制单位。大肠杆菌复制起点成串排列的重复序列

GATCTNTTNTTT成串排列的三个13bp序列共有序列共有序列TTATCCACADnaA蛋白结合位点四个9bp序列DnaADnaB(解螺旋酶)SSB大肠杆菌DNA复制起点在起始阶段的结构模型起始DNA复制的方向环状DNA复制时所形成的θ结构起始点复制叉的推进复制叉起始点起始点起始点复制叉复制叉未复制DNA单向复制双向复制原核生物DNA聚合反应有关的酶类

（1）DNA聚合酶(DNApolymetases)（2）引物酶(peimase)和引发体(primosome)：启动RNA引物链的合成。(3）DNA连接酶（DNAligase）

(4)解链酶(DNAhelicase):水解ATP，使DNA双链打开。解旋酶DNA聚合酶III解链酶RNA引物引物酶和引发体DNA聚合酶ISSB3´3´5´3´5´5´RNA引物

(5）单链结合蛋白(single-strandbindingprotein,SSB)：结合在解开的DNA单链上，防止重新形成双螺旋。(6）拓扑异构酶(topoisomerase):兼具内切酶和连接酶活力，能迅速将DNA超螺旋或双螺旋紧张状态变成松驰状态，便于解链。

拓扑异构酶I:使双链DNA中一条链断裂，减少负超螺旋

拓扑异构酶II:使双链DNA中两条链断裂，引入负超螺旋大肠杆菌三种DNA聚合酶比较DNA聚合酶Ⅱ分子量每个细胞的分子统计数5´-3´聚合酶作用3´-5´核酸外切酶作用5´-3´核酸外切酶作用活性（370C每个酶分子每分钟聚合的核苷酸数）主要功能DNA聚合酶ⅠDNA聚合酶Ⅲ（复合物）109，000400+++600切除引物补缺\校正120，000100++-30校正400，00010-20+++9000聚合比较项目DNA聚合酶Ⅲ全酶

核心酶PolIII

PolIII延长因子识别引物并使DNA与引物结合DNA聚合酶Ⅲ二聚体聚合校正DNA聚合酶催化的链延长反应3´5´模板链5´RNA引物子链3´3´5´5´3´3´5´5´3´DNA聚合酶的3

-5

外切酶水解位点3´3´5´5´错配碱基3´-5´核酸外切酶水解位点DNA聚合酶的校对功能

5´-核酸外切酶3´-核酸外切酶裂缝聚合中心裂缝内部DNA聚合酶的校对功能聚合酶错配硷基复制方向正确核苷酸5´5´5´3´3´3´切除错配核苷酸原核细胞DNA的半不连续复制复制过程

复制叉的移动方向解旋酶DNA聚合酶III解链酶RNA引物引物体DNA聚合酶ISSB3´3´5´前导链随后链3´5´复制的起始DNA链的合成与延长DNA链合成的终止5´RNA引物3´3´DNA连接酶复制叉处前导链和随后链同时合成的工作模型聚合酶III全酶引物聚合酶III全酶引物引物体引物体解旋酶解旋酶连接酶连接切口Mg2+连接酶ATP或NAD＋PPi或NMNATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPPOHTGGATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPTGGP缺口3'3'5'5'5'5'3'3'模板链模板链复制的忠实性

DNA复制过程是一个高度精确的过程，据估计，大肠杆菌DNA复制109-1010碱基对仅出现一个误差，保证复制忠实性的原因主要有以下三点:a、DNA聚合酶的高度专一性（严格遵循碱基配对原则）b、DNA聚合酶的校对功能（错配碱基被3’-5’外切酶切除）c、起始时以RNA作为引物起始时以RNA作为引物的作用

DNA复制为什么要合成一个RNA引物，而后又把这个引物消除呢？这是保证DNA聚合过程高度精确的又一措施。已知DNA聚合酶具有35外切酶功能校对复制过程中的核苷酸，也就是说聚合酶在开始形成一个新的磷酸二酯键前，总是检查前一个碱基是否正确，这就决定了它不能从头开始合成。因此先合成一条低忠实性的多核苷酸来开始DNA的合成，并以核糖核苷酸来表示是“暂时”的，当DNA开始聚合以后再以53外切酶的功能切除，以高忠实性的脱氧核苷酸取而代之，确保复制的忠实性。真核细胞DNA复制的特点

多个起点复制起点起点起点起点起点起点端粒（telemere）复制DNA聚合酶：至少有5种。α、β、γ、δ、ε真核生物的DNA聚合酶DNA聚合酶

分子量亚基数细胞内分布酶活力百分比外切酶活力功能合成后随链、具引发酶活性DNA聚合酶

165-175，000多个细胞核～80%无150，000一个线粒体2～15%无-400，000二个细胞核+10～25%3

-5

外切酶合成前导链具解旋酶活性DNA聚合酶

DNA聚合酶

43，000一个细胞核10～15%无修复端粒酶（telomerase）DNA复制需要引物，但在线形DNA分子末端不可能通过正常的机制在引物被降解后合成相应的片段.如果没有特殊的机制合成末端序列，染色体就会在细胞传代中变得越来越短。这一难题是通过端粒酶的发现才得到了澄清，端粒酶是一种含RNA的蛋白复合物，实质上是一种逆转录酶，它能催化互补于RNA模板的DNA片段的合成，使复制以后的线形DNA分子的末端保持不变。

初步研究表明，人体中生殖细胞的端粒长度保持不变，而体细胞的端粒长度则随个体的老化而逐步缩短。对此的一个推论是：人的生殖细胞具端粒酶的活力，体细胞则否。这一问题的解决无疑会有助于对生命衰老的认识。5´3´AAAACCCCAAAACCCCCCA端粒酶端粒合成的一种模型3´5´TTTTGGGGTTTTG5´3´AAAACCCCAAAACCCCCCAAA3´5´TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTG5´3´AAAACCCCAAAACCCCCCAAATTGGGTGGGT3´5´AATTTTG5´3´AAAACCCCAAAACCCCCCAGTTTTG整合和杂交移位和再杂交端粒合成的完成TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGGTTTT5´3´nAA3´TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGGT5´3´TTCCCCTnAA3´TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGGT5´3´TTAAAACCCCAAAACCCCAAAACCCCTn进一步加工继续延伸真核和原核DNA细胞复制比较二、逆转录作用1、概念2、逆转录酶3、病毒逆转录过程4、逆转录的生物学意义扩充了中心法则有助于对病毒致癌机制的了解与真核细胞分裂和胚胎发育有关逆转录酶是分子生物学重要工具酶三种功能依赖DNA指导下的DNA聚合酶活力依赖RNA的DNA聚合酶活力核糖核酸酶H活力

以RNA为模板合成DNA，这与通常转录过程中遗传信息从DNA到RNA的方向相反，故称为逆转录作用。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聚合酶逆逆转录病毒的生活周期

生活周期RNA衣壳被膜逆转录酶转录转译整合入宿主细胞染色体DNA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

三、DNA的突变

DNA分子中的核苷酸序列发生突然而稳定的改变，从而导致DNA的复制以及后来的转录和翻译产物随之发生变化，表现出异常的遗传特性，称为DNA的突变。它包括由于DNA损伤和错配得不到修复而引起的突变，以及由于不同DNA分子之间的交换而引起的遗传重组。二、诱变剂的作用

碱基类似物(baseanalog)

碱基修饰剂(basemodifier)

嵌入染料(intercalationdye)

紫外线(ultraviolet)和电离辐射(ionizingradiation)一、突变的类型

碱基对的置换(substitution)

移码突变(framesshiftmutation)

DNA突变的类型

-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-转换

-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-插入A

-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失T野生型基因

-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-

-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-颠换碱基对的置换(substitution)移码突变(framesshiftmutation)四、DNA的损伤与修复

某些物理化学因子，如紫外线、电离辐射和化学诱变剂等，都有引起生物突变和致死的作用，其机理是作用于DNA，造成DNA结构和功能的破坏，称为DNA的损伤.DNA的修复主要有以下类型:暗修复（4）诱导修复（SOS修复）（1）光裂合酶修复活（2）切除修复（3）重组修复

DNA紫外线损伤的光裂合酶修复1、形成嘧啶二聚体2、光复合酶结合于损伤部位3、酶被可见光激活4、修复后酶被释放DNA的损伤和切除修复碱基丢失碱基缺陷或错配结构缺陷切开核酸内切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA连接酶AP核酸内切酶核酸外切酶切开切除修复连接糖苷酶插入酶碱基取代DNA的重组修复胸腺嘧啶二聚体复制核酸酶及重组蛋白修复复制DNA聚合酶DNA连接酶重组SOS反应的机制靶基因表达lexA靶基因表达但产物被分解recA大量表达RecA促使分解LexA未诱导的细胞诱导的细胞靶基因lexA基因被LexA

蛋白质部分阻遏recA基因被LexA

蛋白质部分阻遏（40个不同的位点被阻遏）LexA(阻遏物)RecA(辅蛋白酶)单链DNAATP第二节

RNA的生物合成一、DNA指导下RNA的合成（转录）二、RNA指导下RNA的合成(RNA的复制)三、RNA和DNA合成比较一、DNA指导下RNA的合成（转录）1、概念及DNA的有义链和反义链2、RNA聚合酶及催化反应3、RNA合成过程4、RNA转录后的加工5、真核生物的RNA合成转录的概念和DNA的有义链和反义链

转录是在DNA的指导下的RNA聚合酶的催化下，按照硷基配对的原则，以四种核苷酸为原料合成一条与模板DNA互补的RNA的过程。RNA的转录从DNA模板的特定位点开始，并在一定的位点终止。此转录区域为一个转录单位。

启动子（promoter)

终止子(terminator)模板链（templattestrand）反意义链(antisensestrand)编码链有意义链(sensestrand)非信息区DNA5´5´3´3´原核生物启动子的结构（+）链有意义链编码链（-）链无意义链模板链转录形成的mRNA与编码链（有意义链）相同Pribnow框(盒）大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图

核心酶(α2ββ

)起始因子β

——和模板DNA结合β——起始和催化聚合反应α——？全酶(αββ

)RNA聚合酶催化的反应ACGACGUU模板DNA5´3´5´3´新合成RNARNA合成过程起始双链DNA局部解开磷酸二酯键形成终止阶段解链区到达基因终点延长阶段5

3

RNA

启动子（promoter)

终止子(terminator)5

RNA聚合酶

5

3

5

3

5

5

3

离开RNA链的延伸图解3´3´RNA-DNA杂交螺旋聚合酶的移动方向新生RNA复链解链有义链模板链（反义链）延长部位原核生物中rRNA前体的加工

甲基化作用专一核酸内切酶30S前体17StRNA25S专一核酸外切酶16SrRNAtRNA23SrRNA5S

rRNA专一核酸外切酶tRNA前体分子的加工a、切除tRNA前体两端多余的序列：5’—端切除几到10个核苷酸。b、末端添加：3’-端添加CCA序列。c、修饰：形成稀有碱基如DH2。RNAasePRNAaseFRNAasePRNAaseFRNAaseDRNAaseDACC

表示核酸内切酶的作用表示核苷酸转移酶的作用表示核酸外切酶的作用

表示异构化酶的作用

酵母酪氨酸tRNA前体的加工早转录本成熟tRNA加工真核细胞mRNA的加工5´

“帽子”PolyA

3´

顺反子(cistron)

m7G-5´ppp-N-3´pAAAAAAA-OH

5′端接上一个“帽子”(CAP)结构

3′端添加PolyA“尾巴”,由RNA末端核苷酸转移酶催化

剪接：剪去内含子(intron)，拼接外显子(extron)真核细胞mRNA的结构特点

5´

“帽子”PolyA

3´

顺反子m7G-5´ppp-N-3´p帽子结构功能使mRNA免遭核酸酶的破坏使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合成。Poly(A)尾巴的功能是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式它大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性

AAAAAAA-OH真核生物和原核生物转录的差别

DNA核核糖体新生蛋白质真核生物原核生物mRNA前体转运加工mRNAmRNA

真核生物中转录与复制在不同的区域

RNA聚合酶不相同

启动子不同

转录后RNA加工修饰不同噬菌体Q

的合成

A.负链的合成B.正链的合成病毒的正链复制中间体复制中间体新合成的正链新合成的负链负链DNA和RNA合成的比较a、操纵子——基因表达的协同单位操纵子结构基因（编码蛋白质，S）控制部位操纵基因（operator,O）启动子（premotor,P）b、酶合成的诱导和阻遏原核生物酶合成调节的遗传机制

操纵子学说

实例：诱导型操纵子

乳糖操纵子阻遏型操纵子色氨酸操纵子（自学）酶的诱导和阻遏操纵子模型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性阻遏蛋白C.无活性阻遏蛋白D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂操纵基因启动基因调节基因结构基因阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达诱导物诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操纵基因结合,结构基因可以表达阻遏蛋白(无活性)酶蛋白mRNA代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因,结构基因不表达代谢产物乳糖操纵子的正调控RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基因表达CAP基因结构基因TCAPOCAP结合部位RNA聚合酶TcAMP-CAPP葡萄糖分解代谢产物腺苷酸环化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制激活葡萄糖降解物与cAMP的关系cAMPCAP：降解物基因活化蛋白（catabolicgeneactivationprotein）降低cAMP浓度使CAP呈失活状态真核生物基因表达调控DNA转录初产物RNAmRNA蛋白质前体mRNA降解物活性蛋白质DNA水平调节转录水平调节转录后加工的调节翻译调节mRNA降解调节翻译后加工的调节核细胞质

真核基因表达调控的五个水平

DNA水平调节转录水平调节转录后加工的调节翻译水平调节翻译后加工的调节

真核基因调控主要是正调控

顺式作用元件和反式作用因子

转录因子的相互作用控制转录第三节核酸合成的抑制剂

核苷酸合成抑制剂氨基酸类似物叶酸类似物碱基和核苷酸类似物嵌合剂烷化剂

与DNA模板结合的抑制剂

作用于DNA聚合酶或RNA集合酶的抑制剂抗菌素:如利福平、曲张霉素有机化合物：如磷羧基乙酸第四节基因工程及分子生物学技术简介

一、基因工程二、体细胞克隆技术三、聚合酶键式反应（polymerasechainreaction,PCR）一、基因工程简介

基因工程亦称遗传工程，即利用DNA重组技术的方法，把DNA作为组件，在细胞外将一种外源DNA（目的基因）和载体DNA重新组合连接（重组），最后将重组体转入宿