14第十四章 DNA、RNA和蛋白质的生物合成.ppt

1、第十四章 DNA、RNA和蛋白质的生物合成,复制以原来的DNA分子为模板，合成出相同分子的过程。 转录在DNA分子上合成出与其核苷酸顺序相对应的RNA的过程。 翻译在RNA的控制下，根据核酸链上每三个核苷酸决定一个氨基酸的三联体密码规则，合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程。,14.1 DNA的复制,1953年，Watson和Crick在DNA双螺旋结构的基础上提出了半保留复制假说： DNA在复制过程中，首先碱基之间的氢键破裂，使两条链解旋并分开，然后以碱基互补的方式，以每条单链为 模板，按单链DNA的核苷酸顺序合成子链。在此过程中，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的

2、，这种复制方式称为半保留复制。,14.1.1 DNA的复制方式半保留复制,Radioisotope labelin（放射性同位素标记）and density gradient（密度梯度离心）centrifugation clearlydistinguishes replications of semiconservative from conservative.,14.1.2 参与DNA复制的酶类和蛋白质因子,1. DNA聚合酶（DNA-polymerase） DNA聚合酶能催化四种脱氧核糖核苷三磷酸合成DNA,单链DNA为模板,具有3-OH末端的低聚 多核苷酸为引物,Mg 2+或Mn 2+,

3、四种脱氧核苷 三磷酸为底物,Arthur Kornberg, 原核细胞的DNA聚合酶 DNA聚合酶I（pol I）Kornberg酶,pol I是一个多功能酶 DNA聚合酶活力：使DNA链沿5-3方向延伸； 3-5核酸外切酶活力：校对功能； 5-3核酸外切酶活力：水解掉引物,DNA聚合酶（pol ） DNA聚合酶活力； 3-5核酸外切酶活力 DNA聚合酶（pol ） DNA聚合酶活力； 3-5核酸外切酶活力； 5-3核酸外切酶活力,pol ,大肠杆菌中DNA聚合酶的性质比较, 真核细胞的DNA聚合酶,2.DNA松弛酶拓扑异构酶 解除DNA超螺旋状态,3.DNA解螺旋酶解链酶 促进双链DNA分子

4、局部解开双螺旋。,4.单链结合蛋白（SSB） 与已解开螺旋的单链DNA结合，防止两条链重新形成双螺旋。 5.引发酶（Primase）引物酶 促进引物合成的酶,6. 连接酶（ligase） 催化双链DNA中单链缺口部分的3-OH和它临近的DNA片段的5-磷酸基形成3，5-磷酸二酯键，将两个DNA片段连接起来。 连接反应需要能量（NAD+ or ATP ）。,DNA复制体,14.1.3 DNA的半不连续复制,冈崎提出DNA的不连续复制模型：3-5走向的DNA实际上是由许多5-3方向合成的DNA片段连接起来的。,Overall direction of progeny chain growth at

5、 a replicating fork: one in 5 3 and the other in 3 5 direction.,Both daughter strands at the replication fork are synthesized in 5- 3 direction, but one (the leading strand) is synthesized continuously and the other (the lagging strand) discontinuously (synthesized initially as Okazaki fragments).,冈

6、崎片段,14.1.4 DNA的复制过程,1. 合成起始 辨认起始点引物酶 模板DNA的解旋和解链松弛酶、解螺旋酶、SSB RNA引物的生成RNA聚合酶,三个阶段：合成起始、DNA片段的合成和链的延伸及合成终止。,Only one RNA primer is needed for synthesizing the leading strand.,RNA primers are repeatedly formed by the primase on the lagging strand.,2. DNA片段的合成和链的延伸,3. 合成的终止 包括：引物RNA的切除；空缺部位的填补；连接酶的连接；,D

7、NA polymerase I replaces the RNA primers by DNA sequences and DNA ligase seals the nicks,1. 引物酶识别复制起点，引导解螺旋酶到正确位点,2. 解螺旋酶解开双螺旋,DNA的复制过程,7-12. DNA片段的合成和链的延伸,16. DNA的复制,14.5.1 原核生物与真核生物DNA复制的特点比较,1. 复制的起点和单位 复制单位：复制子，生物体内能独立行使复制功能，进行独立复制的DNA单位。 原核生物 由一个复制子组成 双向复制 大肠杆菌，结构,大肠杆菌：结构,单相复制 噬菌体174滚环复制, 真核生物

8、线形双链DNA，含有多个复制子；双向复制。,2. 复制速度 3. 真核生物的DNA在全部复制完成之前，起点不再重新开始复制；原核生物中，起点可连续发动复制,14.1.6 在RNA指导下的DNA的合成,1970年Temin等在致癌RNA病毒中发现了一种特殊的DNA聚合酶，该酶以RNA为模板，根据碱基配对原则，按照RNA的核苷酸顺序(其中U与A配对)合成DNA。这一过程与一般遗传信息流转录的方向相反，故称为反转录。,反转录酶是一种多功能酶： RNA指导的DNA聚合酶活力； 核糖核酸酶H的活力： DNA指导的DNA聚合酶活力,反转录病毒的生活周期,反转录的生物学意义,如: HIV病毒,胞膜 蛋白,双

9、分子层,衣壳 蛋白,RNA (病毒基因）,破坏免疫识别机制，引起免疫系统失效！,反转录酶,辅助T细胞-给病原体加识别标记的血液细胞（免疫系统的眼目）,艾滋病毒专门攻击这种细胞,逆转录病毒DNA单链,病毒RNA被降解,单链病毒DNA复制互补链,异源重组,病毒RNA转录,免疫系统的敌我识别机制失效！免疫缺陷,切割形成病毒蛋白,组合成新病毒并攻击下一个目标,指导形成病毒蛋白原链,治疗原理（鸡尾酒疗法）,阻止逆转录DNA 阻止病毒蛋白原切割,14.1.7 DNA的损伤和修复,某些理化因素能作用于DNA，造成其结构的损伤和功能的破坏，引起生物突变和致死的作用。 如：紫外线照射引起的辐射损伤 使DNA分子

10、中，同一条链上相邻的两个嘧啶之间的C-C键相连，形成了二聚体。,细胞内的四种修复系统： 光复活作用（photoreactivation） 切除修复（exicision repair） 重组修复（recombination repair） 应急修复（response repair）SOS修复,T-T二聚体,光复活酶结合于损伤部位,光复活作用（photoreactivation） 受紫外线照射的微生物经强烈的可见光照射后，大部分损伤的细胞可以恢复，为光复活。,核酸酶,属于复制前的修复,切除修复（exicision repair） 在一系列酶作用下，将DNA分子中受损伤的部分切除，并以完整的那条链为

11、模板，合成切去的部分，使DNA恢复正常结构。,着色性干皮病：皮肤细胞中缺乏紫外线特异性核酸内切酶，对紫外线引起的DNA损伤不能修复。,复制同时的修复,*,DNA聚合酶、连接酶补缺,重组修复（recombination repair）,诱导校对能力差的DNA聚合酶形成，局部“乱配”,应急修复（response repair）SOS修复 是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，为求得生存而出现的应急效应。,14.2 RNA的生物合成,14.2.1 转录过程 转录（transcription）DNA分子中的遗传信息转移到RNA分子中的过程。,14.2.1.1 RNA聚合酶（RNA pol

12、ymerase）,RNA聚合酶有以下特点： 以DNA为模板，也称为依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP） 四种核苷三磷酸为底物 需要Mg2+或Mn2+离子 RNA 链的延长方向是53的连续合成 遵循DNA与RNA之间的碱基配对原则 不需要引物。 RNA聚合酶缺乏35外切酶活性，所以没有校正功能。,1. 细菌RNA聚合酶, ：与DNA模板结合，识别碱基 ： 催化形成磷酸二酯键 ：与DNA模板结合 ：识别起始点,全酶： 2 核心酶： 2 ,2. 真核细胞RNA聚合酶,14.2.1.2 转录过程,不对称转录：在DNA的两条多核苷酸链中只有其中一条链作为模板，这条链叫做模板链（template stra

13、nd），又叫做无意义链。 DNA双链中另一条不做为模板的链叫做编码链，又叫做有意义链。 可分为三个阶段：合成的起始、链的延长和合成的终止 1.RNA合成的起始 启动子（promoter）： RNA聚合酶识别、结合并开始转录的一段DNA序列。, 原核生物的启动子,-10序列（Pribnow框）：-TATAAT- RNA聚合酶牢固结合的位点，称为结合位点。 -35序列（Sextama框）：-TTGACA- RNA聚合酶初始结合的位点，称为识别位点。, 真核生物的启动子,TATA框（Hogness框） -25-30左右的序列：TATAA（T）AA （T） 决定起始点的选择 CAAT框 -75附近：G

14、GC（T）CAATCT 控制转录起始的频率,2. 链的延长,3. RNA合成的终止 终止子（terminator）：提供转录终止信号的DNA序列。,富含G-C,多个U,依赖因子的终止子,不依赖因子的终止子,RNA的合成过程,14.2.1.3 RNA的转录后加工,1.rRNA前体的转录后加工,真核生物,The processing of the primary tRNA transcripts include removal of the 5and 3 ends, addition of the CCA sequence at the 3 end, modification of many ba

15、ses, and splicing of introns (in eukaryotic cells).,2. tRNA前体的转录后加工,3. mRNA前体的转录后加工,A 5 cap is added to eukaryotic mRNAs Before transcription ends,A poly(A) tail is usually added at the 3 end of an mRNA molecule via a processing step.,hnRNA（核内不均一RNA）的剪接,mRNA前体的转录后加工,14.2.2 以RNA为模板合成RNA,在某些不含DNA，只含RN

16、A的病毒和噬菌体中，其RNA既是遗传信息载体，又是信使，在感染寄主时，本身要复制。 以RNA为模板合成RNA ，由RNA复制酶催化，以RNA为模板，四种核苷三磷酸为底物，也需要Mg2+或Mn2+,DNA 和RNA 合 成 的 比 较,DNA,复制,RNA,转录,蛋白质,翻译,?,中心法则,14.3 蛋白质的生物合成,14.3.1 RNA在蛋白质生物合成中的作用,1.mRNA的功能 mRNA带有由DNA转录来的遗传信息，是蛋白质合成的模板。 遗传密码（genetic codes） 遗传密码：指mRNA中碱基序列和蛋白质中氨基酸序列之间的相互关系。 1961年，Brenner和Crick证明：三个

17、相邻的核苷酸代表一种氨基酸，该三核苷酸序列称为密码子（codon），或三联密码（triplet code）,密码子的重要性质 密码子不重叠； 密码子的简并性； 密码的通用性； 密码子间无间隔,遗传密码,终止密码子 UAA、UGA、UAG 同义密码子（简并密码子） 起始密码子 AUG、GUG,2. tRNA的功能 tRNA起运输氨基酸的作用,反密码子（anticodon）： tRNA识别mRNA上的密码子的机构，可根据碱基配对规律识别相应的密码子。,3.rRNA与核糖体 rRNA与多种蛋白质组成核糖体，核糖体是蛋白质合成的加工厂。,Roles of the 3 types of RNAs in

18、translation,14.3.2 蛋白质生物合成过程,蛋白质的合成需要近200种生物大分子参与，由ATP、GTP提供能量。 蛋白质生物合成方向：由多肽链的氨基端开始，向羧基端方向逐步延伸。 合成过程分为： 氨基酸的活化与转移准备阶段 肽链合成的起始 肽链的延长 肽链的终止,1.氨基酸的活化与转运,AA+tRNA+ATP 氨酰-tRNA+AMP+PPi,细胞质中进行,2. 肽链合成的起始,mRNA上的起始密码子多为：AUG（决定Met的密码子） 携带Met的tRNA有两种： 甲硫氨酸tRNAm：tRNAmMet 甲硫氨酸tRNAf：tRNAfMet,蛋白质生物合成： 原核细胞以fMet- tRNAf为起点； 真核细胞以Met- tRNAm为起点,mRNA-30S-IF3复合物 30S起始复合物 （30S-mRNA-fMet-tRNAf-GTP-IF1-IF2） 70S起始复合物 （70S-mRNA-fMet-tRNAf ）,3 肽 链 的 延 长,核糖体 中进行,肽酰转移酶,4. 肽链合成的终止,释放因子： RF1：识别UAA、UAG RF2：识别UAA、UGA RF3：促进RF1及RF2的活性， 协助肽链释放,5. 多聚核糖体,每条mRNA链在蛋白质合成中，并不是只同一个核糖体相结合，而是同时与若干核糖体结合形成念珠状结构，