高中生物竞赛课件生物化学RNA的合成

RNA的生物合成1储存于DNA中的遗传信息需通过转录和翻译而得到表达。转录的产物有：

信使RNA（messengerRNA,mRNA）核糖体RNA（ribosomeRNA,rRNA）转移RNA（transferRNA,tRNA）2转录研究的主要问题①RNA聚合酶②转录过程③转录后加工④转录的调控①~③是基本内容，④是目前研究的焦点，转录调控是基因调控的核心。3一、转录的概述：（一）转录与复制的异同:1、转录与DNA复制的相似之处：均以DNA为模板；聚合酶都需依赖DNA；都是生成3’，5’磷酸二酯键；合成的方向都是5’→3’；遵从碱基配对规律。42、相异之处：①DNA复制需要引物，转录不需引物。②DNA复制时，dsDNA的两条链都为模板；转录时，dsDNA中的一条链作为模板。③转录时，RNA聚合酶只有5’→3’聚合作用，无5’→3’和3’→5’外切活性。5（二）模板：1、模板链(templatestrand)：

DNA双链中只一条链可做转录模板(拷贝)，此链称~或正(+)链或有义链(sensestrand)

。

2、编码链(CodingStrand)

：

无转录功能的DNA链称为~或负(-)链或反义链(anti-sensestrand)

。6（三）转录的不对称：即转录的可选择性。包括：①一条链可转录，另一条链不能转录；②模板链并不总是在同一单链上；③按细胞需要“开放”或“关闭”（细胞不同生长发育阶段和细胞环境条件的改变）。5/3/3/7（四）RNA聚合酶（RNApolymerase,RNApol):1、RNApol的催化活性：

1）作用条件：

4种NTP为底物；

Mg2+或Zn2+的存在；

DNA模板；

2）反应方向：5’→3’，无校对功能。3）催化的反应：不需引物，在单核苷酸的3’-OH上逐个加核苷酸。82、原核细胞的RNA聚合酶5种亚基组成，各亚基功能不同；同一酶可催化3种RNA的合成。亚基每分子酶所含数目分子量（KD）功能大肠杆菌RNA聚合酶组分α237结合调控序列，决定特定基因的转录β1151结合底物，形成磷酸二酯键β’1155结合DNA模板σ170识别起始点启动子，发动合成全酶的装配ω19未知9原核生物的RNApol全酶与DNA的结合全酶：具有αββ’σω亚基的RNApol。核心酶：α2ββ’，有聚合功能。σ亚基：起始因子，特异识别启动子。另有两个Zn2+。10σ亚基的特点与功能：①不同的原核生物，β’、β、α亚基分子量变化不大,σ亚基分子量变化较大，32KD~92KD,σ亚基的差别决定了原核基因表达的选择性。②σ亚基影响核心酶的构象，使核心酶与DNA一般序列和启动子序列的亲和力有很大不同。③不同的σ因子识别不同的启动子，从而表达不同的基因。④σ因子负责识别启动子的UP元件，起始转录。113、真核细胞的RNApol3种酶，亚基复杂。不同酶催化不同RNA的合成。真核生物RNA聚合酶类型部位转录产物对鹅膏蕈碱的敏感度Ⅰ核仁28S,18S,5.8SrRNA不敏感Ⅱ核质mRNA,snRNA,hnRNA高度敏感Ⅲ核质tRNA,5SrRNA,一种snRNA,中度敏感

scRNA12二、原核细胞的转录过程包括：起始、延伸、终止13（一）起始：1、启动子：

RNApol识别、结合并开始转录所必需的一段DNA序列，为转录开始的位点。包括两段保守序列：上游的-35序列（TTGACA，

Sextama

box）、-10序列—（TATAAT（Pribnowbox）富含AT）。图中+1为DNA模板上被转录成RNA的第一个核苷酸，即转录起始位点。＋1+114（1）UP元件（upstreamelement）上游元件：存在于某些高度表达基因－40到－60位置的启动子中，富含AT的识别元件。功能：RNApolσ亚基与UP元件结合位点。RNApol结合到启动子上并引发转录的效率取决于这些序列、序列的间距以及它们与转录起始位点的距离。15（2）－35序列（Sexfamabox)只含-10序列的DNA不能转录，在-10序列上游约-35位置,称为-35序列,为RNpol的识别区域。各碱基出现频率如下：T85T83G81A61C69A52

，其中TTG十分保守。-35序列的功能：它是原核RNApol全酶依靠σ因子的初始识别位点。对RNApol全酶有很高的亲和性。其核苷酸结构可决定启动子的强度，RNApol易识别强的启动子。-35序列提供RNApol识别信号。16（3）-10序列（Pribnow框）转录起点上游约-10处，有一个6bp的保守序列TATAAT，称Pribnow框。频度：T89A89T50A65A65T100据预测，Pribnow框中，开始的TA和第6位最保守的T在结合RNApol时起十分重要的作用。目前认为，Pribnow框决定转录方向。酶在此部位与DNA结合形成稳定的复合物，Pribnow框中DNA序列在转录方向上解开，形成开放型起始结构，它是RNApol牢固结合的位点，是启动子的关键部位。RNApol的结合，诱导富含AT的Pribnow框的双链解开，然后进一步扩大成17个核苷酸长度的泡状物，在泡状物中RNApol从模板链开始转录RNA产物。17由含

70RNApol全酶识别的典型大肠杆菌启动子182.起始过程：（1）全酶与启动子结合：先σ亚基；后核心酶。基因起点DNARNA聚合酶19（2）DNA局部解开双螺旋形成转录泡；

核心酶覆盖60bp的DNA区域，其中解链部分17bp左右，RNA-DNA杂合链约12bp。20（3）形成磷酸二酯键

通常5’端第1个核苷酸是ATP或GTP(pppA或pppG）

，在全酶作用下与第2个NTP间形成磷酸二酯键。

21(二）延伸：（1）合成开始后,σ亚基释放，然后都由核心酶催化。（2）核心酶沿模板移动，选择NTP与模板碱基配对，暂时形成DNA-RNA杂交链。22（3）RNApol向前移动，DNA解链向前推进，

RNA链延长。因为：G=C＞A=T＞A=U

故DNA互补链取代杂交链中的RNA，恢复DNA双螺旋结构。RNA链的延长合成方向5’3’23RNA转录延伸期转录泡模型24拓扑异构酶可以解除超螺旋，使转录泡移动25（4）方向：RNpol沿模板链3’→5’,RNA合成方向5’→3’;速度：25-50b/s。26（三）终止：终止子：DNA上提供终止信号的一段序列（回文对称序列），致使合成的RNA因自身碱基互补形成发夹结构。终止因子：NusA，帮助RNpol识别终止信号，聚合反应停止。酶与RNA链离开模板，DNA恢复双螺旋。释放RNA分子RNA聚合酶脱离27281.不需ρ因子的终止a、富含GC的回文序列；b、发夹结构的形成RNpol停止前进；c、产物的寡聚U序列促进RNA从DNA上脱落：

(dA-u弱键结合），polyU促使RNA与模板分离29大肠杆菌终止子碱基顺序302.需ρ因子终止ρ因子是一个46KD的6聚体蛋白，其功能：①终止因子；②NTPase活性：可水解三磷酸核苷。③解旋酶活性。31过程①在RNA存在下，ρ因子水解NTP产能，使其与RNApol结合并沿RNA链移动；

②解旋酶活性使DNA-RNA杂合链拆开，释放RNA，酶和ρ因子一起从DNA上脱落下来。32需ρ因子终止33转录全过程8634Transcriptionanimation35大肠杆菌RNA聚合酶中能辨认起始点的是A、а亚基B、β亚基

C、β′亚基D、σ因子关于启动子的描述下列正确的是A、是阻遏蛋白结合的部位B、是mRNA开始被翻译的DNA序列C、是RNA聚合酶识别结合的DNA序列D、是开始转录生成mRNA的DNA序列36ρ因子的功能是A、参与转录的启动过程

B、参与转录的终止过程C、参与转录的延伸过程

D、对错配的核苷酸有校读作用大肠杆菌的RNA聚合酶的全酶由（）组成，其核心酶的组成是（）。37三、真核细胞的转录作用特点：1、其基因家族是多拷贝的基因重复组成，故一个基因上可同时进行多个转录过程，产生多条RNA链。38多起点转录南非爪蟾的卵母细胞rRNA的合成392、蛋白质编码基因多是不连续的，编码部分（外显子）被不编码基因（内含子）隔断。403、真核生物的启动子：三类聚合酶的启动子各有其结构特点：1)RNA聚合酶II启动子：有三个保守区：TATA框(Hogness框)位于起始点上游25-30bp上游调控元件

(UpstreamRegulatoryElement，URE)包括：GCbox和CAATbox

等。41（1）

TATA框（Glodberg-Hogness框）中心在-25至-30，长度7bp左右。碱基频率：

T82A97A85A63

（T37

）A83A50（T37

）此序列功能：与RNApol的定位有关,是装配polⅡ起始前复合物的位点；

Inr：起始点，＋1附近，DNA双链在此解开。42（2）

CAAT框中心在-75处，9bp，共有序列:GGT（G）CAATCT功能：与RNA聚合酶结合。（3）

GC框在CAAT框上游，序列GGGCGG，与某些转录因子结合。CAAT和GC框均为上游元件，对转录的起始效率有较大影响。432）RNA聚合酶Ⅰ启动子由隔开约70bp的两个保守区域构成。443）RNApolⅢ的启动子：位于+55bp位置。(腺病毒)454.转录因子(transcriptionfactor,TF)：协助RNA聚合酶起始转录的一些辅助因子。由多种蛋白质组成，与启动子装配成复合物，协助RNA聚合酶结合，起始转录；在RNApolⅡ启动子上作用的TF称为基本转录因子（basaltranscriptionfactor，TFⅡ)，功能有：1）参与解旋、解链、ATP酶帮助组装起始复合物；2）激酶活性使RNApol多位点磷酸化，促进转录；3）参与DNA损伤切除修复；4）参与延伸。46真核生物的转录过程47（二）转录过程：1、起始：1）启动子：具-25的TATA框（TATAbox）;

有些无TATA框，以看家基因

（housekeepinggenes)起始转录。2）转录因子(transcriptionfactorⅡ,TFⅡ)：

协助RNA聚合酶起始转录的一些辅助因子.由多种蛋白质组成，与启动子装配成复合物，协助聚合酶Ⅱ结合，起始转录。483）起始过程：TF与启动子结合；各种TF辨认拼接；与RNpolⅡ结合，形成起始前复合物（PIC

）。顺序：TATA→→→→→PICDAB酶/FE492、延伸；与原核类似：以负链为模板；RNApolⅡ催化以5’→3’合成；TFⅡF、延长因子参与；产物称原始转录产物。新链mRNA老链mRNARNA聚合酶503、终止转录终止与转录后修饰密切相关。51四、转录过程中的选择性抑制放线菌素D放线菌素D利福平α－鹅膏蕈碱原核抑制抑制不抑制真核抑制不抑制抑制RNA聚合酶Ⅱ52真核生物RNA聚合酶Ⅱ催化合成的是A、hnRNAB、tRMNAC、rRNAD、18SrRNA在真核生物中tRNA和5SrRNA的转录是由下列哪种酶催化的A、RNA聚合酶ⅠB、逆转录酶C、RNA聚合酶ⅡD、RNA聚合酶Ⅲ53五、转录产物的加工：在专一酶作用下，切除多余部分或修饰，才成为“成熟的”RNA。此过程称为转录后加工。涉及：

修饰:帽化、聚腺苷酸化、碱基修饰等；

拼接:去除内含子；剪辑：插入或删除若干核苷酸。54RNA的加工类型1.Cleavage（切断）

2.Splicing（拼接）

3.Editing（编辑）

4.Modification（修饰）55转录产物结构特点：5’端、3’端有非编码区；有前导序列、间隔区、调节序列。56（一）核糖体RNA前体的加工：1.原核rRNA加工：30S前体甲基化；断裂生成17S、25S、15S中间产物；RNA酶切除形成16S、23S

、5SrRNA。细菌rRNA前体的加工572、真核rRNA加工1）直接加工：甲基化剪切（需核仁小RNA:snRNA)2）内含子自我剪接：58

哺乳动物45SrRNA前体加工59（二）tRNA前体的加工不同tRNA的加工方式不同，一般经：1）除去3’、5’多余核苷酸；2）有些在3’加上CCA序列；3）碱基修饰：10%，如：假尿嘧啶、双氢尿嘧啶、次黄嘌呤、甲基化等。60（三）mRNA的加工：（一）mRNA的加工：1、mRNA结构特点：1）原核生物：

多顺反子（含一个起始位点和编码2条以上肽链合成的mRNA）；

3’端、5’端有非编码区；

5’端有前导序列；有不编码的间隔区；一般原核细胞的mRNA不需加工。102612）真核生物：单顺反子（只包含一个起始位点和仅编码一条肽链合成的mRNA）；

5’端有帽子结构；3’端有polyA尾巴，有不编码的间隔区；62原核生物和真核生物mRNA结构的比较63hnRNA：真核mRNA初始转录物是分子量很大的前体，称为核内不均一RNA（hnRNA），经核内加工形成分子大小不等的中间产物，其中约有25%可转变为成熟的mRNA。hnRNA加工成mRNA

加工过程主要包括：

1）5’末端形成帽子结构2）3’末端切断并加上polyA3）剪接除去内含子对应的序列4）甲基化6465鸡卵清蛋白前体mRNA到成熟mRNA的过程66真核基因转录后加工的总示意图67RNA的剪接(splicing):断裂基因转录出包含全部顺序的初始转录物,称为前体mRNA。通过剪接作用除去内含子，外显子连接成为成熟mRNA.剪接：即精确切除内含子序列的过程，不同RNA有不同拼接方式。剪接方式：主要有四种。68（一）鸟苷酸介导的自我拼接：1.某些核、线粒体、叶绿体基因所编码的rRNA前体中存在,需鸟苷或鸟苷酸作为辅助因子，鸟苷酸3’-OH作为亲核供体.69702.特点：①内含子（核酶）催化的反应，需鸟苷酸和1、2价阳离子。②第一次转酯：GMP作为辅因子，提供3’-OH攻击内含子5’–磷酸而与之连接；③第二次转酯：外显子1的3’-OH攻击外显子2的5’–磷酸而与之连接。④转酯不发生水解，不需GMP提供能量。715）Ⅰ型内含子具有特殊序列和结构：内含子指导序列(intronguidesequence,IGS):GGAGGG,可与靠近左侧外显子末端的序列配对。包括IGS在内，有9个碱基配对区，其中有4个保守序列，其核酶活性与其形成的特定折叠有关。结构：在二级结构上具有反向互补序列，可形成局部双螺旋。7273四膜虫rRNA的自我剪接具有催化功能转酯转酯切割转酯74L-19体外可缩短或延长RNA链75核酶的意义：对研究生命起源和进化有重大意义：RNA既是信息分子，又是功能分子。发展了酶的概念；可人工设计酶。核酶的用途：用于核酸剪切；用于破坏RNA病毒；破坏对人类不利的基因。76（二）内含子自我拼接：1.线粒体和叶绿体mRNA的前体中存在,内含子中腺苷酸残基2’-羟基作为亲核供体,去除的内含子形成套马索（Lariat）结构.2.特点：1)方式1、2中，内含子有自我剪接功能;剪接包括两步转酯反应.77套索拼接2’，5’磷酸二酯键形成，内含子形成套索，释放外显子1。外显子1的3’-OH亲核攻击外显子2的5’-P，形成磷酸二酯键，释放套索。此为二次转酯反应，无能量消耗。782)Ⅱ型内含子的结构特点：内含子中有6个双螺旋区，其中第一个螺旋区上有外显子结合位点（EBS)，此与左侧外显子的内含子结合位点（IBS)配对，形成二级结构上的进一步折叠；内含子3’端有保守序列CUGAC,其中A的2’－OH对内含子5’-P发动攻击。Ⅱ型内含子的自我剪接活性有赖于三级结构（二级结构的进一步折叠）。79（三）剪接体拼接核小mRNA中发现，剪接需要核内小核糖核蛋白（smallnuclearribonucleoprotein，snRNP)snRNP：含snRNA的蛋白质复合物。

snRNA：小核RNA，富含u。部分序列与剪接点处序列互补，可识别剪接点。

每个snRNA可与数个辅助蛋白结合，分别命名为U1,U2…..。除U3与rRNA前体加工有关外，余参与hnRNA的剪接。

剪接体（Spliceosome)：snRNP与RNA前体组成，剪接反应在“剪接体”中发生。80真核生物内含子5’剪接位点和3’剪接位点的保守顺序hnRNA中内含子剪接有特殊的顺序作为剪接信号，几乎所有内含子5’端有顺序5’-GU-3’，而3’末端通常是5’-AG-3’.81RNA剪接体拼接机制:U1snRNA的5’端的序列与内含子5’端碱基互补;U2snRNA与内含子中间的含A的区段形成配对，产生的凸环暴露并激活了A。同套索拼接一样，A的2’-OH作为亲核基团。Ψ有助于确定5’剪切点82在ATP供能下，U4、U5、U6参与;释放U1和U4；U5识别两个外显子，U6、U2催化转酯反应，以套索的方式进行拼接。10883（四）酶促拼接：这种内含子剪接方式在某些tRNA中发现。剪接需多种酶：内切核酸酶，环化核苷酸二酯酶，激酶，连接酶和磷酸酯酶。剪接需要ATP。84过程1.内切酶切开内含子，外显子1的3’端为2’,3’-环磷酸基，外显子2的5’端为-OH.2.在ATP和激酶作用下,外显子2的5’–OH成5’–P;环磷酸二酯酶打开外显子1的3’端环磷酸基,产生3’–OH.3.ATP活化连接酶形成AMP-E,连接酶将AMP与5’–P连接,再由3’–OH攻击取代AMP,形成3’,5’磷酸二酯键.磷酸酶除去2’-磷酸.85(五)真核生物中转录物的选择性拼接不同位点的多聚腺苷酸化选择性剪接模式86一个基因的转录产物在不同发育阶段、分化和生理状态下，通过不同的RNA加工，可产生多种产物。不同加工模式使单个基因产生不同功能蛋白质，大鼠的一个RNA初级转录物经不同加工产生两种不同激素：降钙素（Calcitonin）在甲状腺中降钙素基因相关肽(Calcitonin-gene-relatedpeptideCGRP）在脑中87