生物化学13核酸的生物合成课件

2.
3.
教学内容
第一节 概述 第二节 DNA的生物合成 第三节 逆转录 第四节 DNA的损伤与修复 第五节 RNA的生物合成
第一节 概 述
基因(gene)
核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位，是指贮存有 功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息及表达这些
信息所必需的全部核苷酸序列。
基因组（genome）
具有5′→3′聚合酶 活性
具有3′→5′外切酶活性
DNAPol II基因发生突变时, 细菌依然能存活。 参与DNA损伤的特殊修复作用
DNA pol III (250kD)
功能 具有高活性的5′→3′聚合酶作用 ，是原核生物 复制延长中真正起催化作用的酶。 3′→5′外切酶 活性, 能切除错配的碱基 ，具有校读功能。
人类免疫缺陷病毒 （HIV）
其侵入细胞后，即杀死宿主细胞（主要是淋巴 细胞），造成宿主机体免疫系统抑制引起艾滋病 （AIDS）。
第三节
DNA的损伤与修复
一、DNA突变
DNA核苷酸序列永久的改变称为突变（mutation） 从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改变 在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤(DNA
（四） DNA连接酶(DNA ligase)
DNA连接酶的作用方式
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。
作用于双链DNA分子一条链上的缺口，不能连接两
分子单链DNA。
半不连续复制（semidiscontinuous replication）
transcriptase, hTRT)
端 粒 酶 催 化 作 用 的 爬 行 模 式
第二节 逆转录
一、逆转录酶催化合成cDNA
逆转录(reverse transcription)
逆转录酶(reverse transcriptase)
逆转录酶
逆转录病毒细胞内的逆转录现象
cDNA complementary DNA
以亲代DNA为模板合成子代DNA，将遗传 信息准确地从亲代传递给子代。
复制
亲代DNA
子代DNA
转录 (transcription)
生物体以DNA为模板合成RNA的过程 转 录
DNA
RNA
翻译（translation）
由mRNA中的核苷酸序列所组成的遗传密码决定
蛋白质中的氨基酸排列顺序。
5’……UCA GAG GUG AAA UGC UAU GGU……3’ mRNA
镰刀型红细胞贫血患者DNA分子的点突变
健康人 DNA
mRNA
CAA GTA A A T TGT GGG CTT CT T T TT
GUU CAU UUA ACA CCC GAA GAA AAA
肽链N端
患者 DNA mRNA 肽链 N端
缬
组
亮
苏
脯
谷
谷
赖
C端
CAA GTA AAT TGT GGG CAT CTT TTT GUU CAU UUA ACA CCC GUA GAA AAA 缬 组 亮 苏 脯 缬 谷 赖 C端
前导链：新合成链延伸方向与复制叉前进方向一
致 。
随后链：新合成链延伸方向与复制叉前进方向相反
冈崎片段 ：随后链刚刚合成的一段一段的核苷酸
小片段
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。
二 、DNA复制的过程
DNA复制过程大致可以分为复制的起始， 延长 与终止三个阶段。
细胞或生物体中一套完整单倍体的遗传物质的总 和。
一、遗传信息传递的中心法则
复制（replication） 转录（transcription） 翻译（translation） 基因表达（gene expression） 逆转录（reverse transcriptase）
复制(replication)
半保留复制的意义
保证了DNA在传代中的稳定性，经过许多代的复制，
DNA多核苷酸链仍可完整地存在于后代而不被分解 掉，体现了DNA的遗传的保守性。
遗传的保守性,是物种稳定的分子基础,但不是绝对
的。
第二节
DNA的生物合成
参与DNA复制的物质
底物(substrate):
dATP, dGTP, dCTP, dTTP
原核生物的DNA聚合酶
DNA-pol Ⅰ DNA-pol Ⅱ DNA-pol Ⅲ
DNA-pol Ⅰ （109kD）
功能：对复制中的错误进行校读，切除引物填补 空隙，切除并修复损伤DNA ，在体外还可以进 行缺口平移（nick translation） 。
DNA-pol Ⅱ（120kD）
聚合酶(polymerase): 依赖DNA的DNA聚合酶 模板(template) : 解开成单链的DNA母链
引物(primer):
提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合
其他的酶和蛋白质因子
复制的化学反应
(dNMP)n + dNTP → (dNMP)n+1 + Ppi
一、 参与DNA复制的主要酶类
ori
0
ori
50
82
32
ter
SV40
ter
E.coli
三、 真核生物DNA复制的特点
真核生物每条染色质上可以有多个复制起始点
5’ 3’ ori ori ori ori 3’ 5’
5’
3’
3’
5’
复制子
真核生物的DNA聚合酶
DNA-pol ：起始引发，有引物酶活性。 DNA-pol ：参与低保真度的复制 。 DNA-pol ：在线粒体DNA复制中起催化作用。 DNA-pol ：延长子链的主要酶，有持续合成 DNA
（二）框移突变

框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造成 蛋白质ห้องสมุดไป่ตู้基酸排列顺序发生改变。 缺失或插入都可导致框移突变 。


缺失（deletion）：一个碱基或一段核苷酸链从 DNA大分子上消失。 插入（insertion）：原来没有的一个碱基或一段 核苷酸链插入到DNA大分子中间。
链。
（二）复制的延长
在RNA引物的3′-OH上，DNA pol III催化四种dNTP，
分别以DNA的两条链为模板，由5′→3′方向聚合 生成DNA互补链。
双向复制：即一个复制起始点解开后形成两个复制
叉，同时向两个方向行进。
（三）复制的终止
• 原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制片段在 复制的终止点(ter)处汇合。
DNA解链酶（DNA helicase）
复制前，DNA超螺旋结构被拓扑异构酶松弛后，还
需要解链酶在ori部位解开双链碱基对之间的氢键形 成两股单链，
解链过程需要DnaA、 DnaB、DnaC等多种解链蛋
白参与。
解链酶即为DnaB蛋白。
单链DNA结合蛋白（single stranded DNA binding protein, SSB）
E．coli三种DNA聚合酶的比较
DNA Pol I
5′→3′聚合酶 活性 3′→5′核酸外 切酶活性
DNA Pol II +
+
DNA Pol III +
+
+
+
5′→3′核酸外 切酶活性
+
-
主要复制酶， 校读作用
功能
切除引物 ，填 特殊的 DNA 补空缺，校读 损伤修复 作用 ， DNA 损伤修复。
复制起始点上，进而结合引物酶形成引发体 （primosome）。
（三）DNA聚合酶 (DNA polymerase,DNA pol )
全称：依赖DNA的DNA聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase)
简称：DNA-pol
活性： 1. 53 的聚合活性 2. 核酸外切酶活性： 3 5外切酶活性 5 3外切酶活性
端粒酶（telomerase）
端粒酶是蛋白质和RNA的复合物 组成:
端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR) 端粒酶协同蛋白(human telomerase associated protein 1, hTP1)
端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse
解旋、解链酶类
DNA拓扑异构酶（DNA topoisomerase） DNA解链酶（DNA helicase） 单链DNA结合蛋白（single stranded DNA binding protein, SSB） 引物酶 （primase） DNA聚合酶 (DNA polymerase，DNA pol ) DNA连接酶(DNA ligase)
translation
N……丝— 谷—缬—赖—半胱—酪—甘……C
peptide chain
基因表达(gene expression)
通过转录和翻译过程，基因的遗传信息在细胞内
合成有功能意义的各种蛋白质
翻译
DNA
转录
转录
mRNA
protein
tRNA、rRNA
逆转录（reverse transcriptase）
原核生物的DNA生物合成
（一）复制的起始
需要解决两个问题： 1.DNA双链解开为复制叉 2.形成引发体并合成RNA引物
含有DnaB蛋白（解链酶）、DnaC蛋白、引物 酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体
需拓扑异构酶不断地进行切断、旋转和再连结作用
而消除解链酶产生的拓扑张力。
单链结合蛋白（SSB）稳定单链DNA并防止恢复双
（一）解旋、解链酶类
DNA分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把DNA解成
单链，它才能起模板作用。
多种酶和辅助蛋白质因子的协同作用，共同解开、
理顺DNA双链，并维持DNA分子在一段时间内处于 单链状态。
DNA拓扑异构酶（DNA topoisomerase）
拓扑异构酶作用特点
既能水解 、又能连接磷酸二酯键
链的活性又有校读功能 。
DNA-pol ：具有去除RNA引物、填补空隙、和修
复损伤DNA 的功能。
四、端粒（telomere）与端粒酶（telomerase）
真核生物线性染色体的两个末端称为端粒。 结构特点：
（1）由末端单链DNA序列和蛋白质构成。 （2）末端DNA序列是多次重复的富含G、C碱基的 短 序列。 功能：维持染色体的稳定性 维持DNA复制的完整性
第十三章 核酸的生物合成
Nucleic Acid Biosynthesis
导学
1.
掌握遗传信息传递的中心法则，复制和转录的基 本过程。
熟悉半保留复制、逆转录、DNA突变、点突变和 切除修复概念。 了解半保留复制的实验依据；真核生物DNA复制 的特点；端粒和端粒酶；DNA重组修复和SDS修 复；转录后加工。
以mRNA为模板，经逆转录合成的与mRNA碱基 序列互补的DNA链。
分子生物学研究用逆转录酶，作为获取基因工程 目的基因的重要方法之一，此法称为cDNA法。
二、逆转录酶与病毒
致癌RNA病毒
病毒的RNA通过逆转录先形成DNA（前病毒）， 然后整合到宿主细胞染色体DNA中去，并可被表达 成蛋白质，这些病毒蛋白质能使正常的细胞转变成 癌细胞。
以RNA为模板指导DNA的合成
逆转录酶
二、 半保留复制
新形成的子代分子中的一条链来自亲代
DNA保留下来的，另一条链是新合成的，这样
生成的子代DNA分子与亲代DNA分子的碱基排列
顺序完全相同，像一个复制品，因此这种复制
方式被称为半保留复制。
三、半保留复制的实验依据
哈佛大学生物系教授Mathew Ｍeselson 和他的学生Franklin Stahl通过实验对半保 留复制进行验证，实验结果于1958年发表。
在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整
在复制中SSB不是沿着复制方向移动，而是不断脱
离，又不断与新解开的单链结合。
（二）引物酶（primase）
复制起始时催化生成RNA引物的酶 引物酶由dnaG基因编码，故引物酶又称DnaG蛋白。 在 DnaB 、DnaC 等蛋白因子参与下辨认并结合于
damage)。
二、突变的类型

点突变 框移突变 重排
（一）点突变（point mutation）
点突变：是DNA分子上一个碱基的变异 类型：
转换（transition）：同型碱基变异 ，即嘌呤 代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。 颠换（transversion）：异型碱基变异，即嘌 呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。
分类
拓扑异构酶Ⅰ 拓扑异构酶Ⅱ
作用机制 ：
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。 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。