2 核酸和蛋白质的生物合成

第九章　核酸和蛋白质的生物合成

教学目的：掌握中心法则的主要内容、掌握DNA的半保留复制、RNA的转录和蛋白质的生物合成过程，了解基因工程基础知识教学重点：DNA的半保留复制、RNA的转录、蛋白质的合成

核酸和蛋白质都是生命的物质基础。核酸是生物性状的内在决定因素，蛋白质则是其外在表现。

DNA是储存遗传信息的物质， DNA分子通过复制成完全相同的两个拷贝，亲代的遗传信息真实地传给子代；DNA分子中的遗传信息又如何表达呢？在生物的个体发育中，遗传信息由DNA通过转录传递到RNA，最后翻译成特异的蛋白质；在某些情况下RNA也能通过逆转录将信息传递到DNA。这就是中心法则的主要内容。

第一节　DNA的生物合成

一、半保留复制

Watson和Crick于1953年提出的DNA双螺旋模型，碱基互补配对的原则，为DNA分子的复制提供了理论基础，DNA复制时，亲代DNA 的双螺旋先行解旋和分开，然后以每条链为模板，按照碱基配对原则，在这两条链上各形成一条互补链，这样便形成了两个新的子代DNA分子。在新复制的DNA双链中，有一条是来自亲代DNA分子，另一条是新合成的，这种复制方式叫半保留复制。

这个半保留复制首先是由Meselson与Stahl在1958年用同位素15N 在大肠杆菌培养试验中发现的，后来在其他生物细胞内也证实了其存在。

二、DNA的复制过程

DNA复制按一定的程序进行，双螺旋的DNA是边解开边合成新链的。复制从特定位点开始双向进行。DNA双链的合成延伸均为

5’→3’的方向，所以复制是半不连续的方式进行，即其中一条链相对地连续合成，称之为前导链。另一条链的合成则是不连续的，称为滞后链。整个合成过程如下：

1、双链的解开

实验证明：DNA的复制都是从某一特定位置开始的，这一位置叫做复制原点。该区域一般富含A、T两种碱基。首先由单链结合蛋白与复制原点相结合，然后双链被解开，形成一个“眼”状结构，在眼的两端出现两个叉子状的生长点，叫复制叉。

原核生物基因组一般只有一个复制叉，而真核生物一般有多个，并且复制时可以在多个位点同时进行。

2、RNA引物的合成

在每一个复制原点，DNA的合成必须要一段RNA作为引物。引物是以亲代DNA的单链为模板，在RNA聚合酶的催化下，合成一段含有50－100个核苷酸的RNA短链。方向为5’→3’，与亲代DNA单链成逆向平行。

3、DNA链的合成和延长

亲代DNA双链分子是反向，一条链是沿5’→3’，而互补链则沿

3’→5’方向。当原始的双链DNA在复制叉处打开时，新生DNA逆着模板链产生，即一个子代DNA链的生成方向为5’→3’，而另一个则为

3’→5’。实际上，在以3’→5’链为模板时, 新生的DNA链以5’→3’方向连续合成,这条新生DNA链称为前导链。在另一条模板链（方向为

5’→3’）上, DNA聚合酶以5’→3’方向合成小片段DNA(长度约1000个核苷酸), 然后将这些片段连接起来。这些片段根据发现者命名为冈崎片段。不连续合成的DNA链称为滞后链。

3’

5’ 前导链

5’

冈崎片段

3’

滞后链

5’

4、切除引物、填补缺口，连接修复

当新形成的冈崎片段延长至一定长度，其上的RNA引物在核酸酶的催化下，先后被水解切掉。引物脱落后所留下的缺口，在DNA聚合酶催化下，用脱氧核苷酸配对填补上，再由DNA连接酶催化，把各短片段连接起来，并修复掺入DNA链的错配碱基。

这样以两条亲代DNA链为模板，各自形成了一条新的DNA互补链，结果是形成了两个DNA双螺旋分子，每个分子中一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，故称为半保留复制。

三、逆转录

一般情况下，遗传信息流传递的方向是从DNA到RNA，即通过转录以DNA为模板生成RNA分子。在一些病毒体内，如鸟类劳氏肉瘤病毒，小鼠白血病病毒等，在这些病毒中都存在有逆转录酶，可以以RNA为模板，按照RNA中的核苷酸顺序合成DNA，这个过程叫逆转录。逆转录酶除需要以RNA为模板外，另外还需要以4种dNTP为原料，以短链RNA或DNA为引物，此外还需要适当浓度的二价阳离子Mg2+和Mn2+，沿5’→3’方向合成DNA，形成RNA－DNA杂交分子。以后，再以RNA－DNA杂交分子中的DNA链为模板，在寄生细胞的DNA聚合酶作用下，可合成另一条DNA互补链，这样便形成了新的双链DNA分子。

几乎所有的真核生物的ｍRNA分子的3’末端都有一段多聚腺苷酸。当加入寡聚ｄT作引物时，ｍRNA就可以成为逆转录酶的模板，在体外合成与其互补的DNA，称为ｃDNA。这种方法已成为生物技术和分子生物学研究中最常见的方法之一，使逆转录酶得到广泛的应用。

四、基因突变和DNA的损伤修复

1、基因突变

基因突变是指DNA碱基顺序发生突然而永久性的变化。其结果使

DNA的转录和翻译也跟着转变，因而表现出异常的遗传特征。DNA的突变可以有以下几种形式：

（1）一个或几个碱基对被置换；

（2）插入一个或几个碱基对；

（3）一个或多个碱基对缺失。

最常见的突变形式是碱基对的置换。

突变有自发突变和诱发突变。自发突发主要发生在复制过程中，几率很低；诱发突变可以有物理、化学因素引起，如：电离辐射、紫外光、化学试剂脱氨剂和烷化剂等都可诱发突变。

2、DNA的损伤修复

由于复制差错或外来理化因素的作用，使DNA分子中的碱基对遭到破坏的现象，称为DNA分子的损伤。其结果必将阻碍DNA分子的复制和转录，引起错股合成，最终导致细胞死亡。然而在生物细胞内存在着许多修复机制，对DNA的损伤具有一定修复能力。目前已知有4种途径：

（1）光复活。这是一种高度专一的修复形式，其机制是利用光能激活光复活酶，切除嘧啶二聚体之间的C－C键，而恢复原来的状态。它只作用于紫外线照射形成的产物。

（2）切除修复。如果DNA损伤较严重，则必须进行切除修复，即在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损的部分切除掉，并以另一条完整的链为模板，合成切去的部分，使DNA恢复正常。

（3）重组修复。在重组修复酶的作用下，含有损伤的DNA仍可进行复制，但在子代DNA链与损伤链相对应部位出现缺口，通过分子间重组，从完整的亲代或子代DNA链将相应的碱基顺序片段移至缺口处，然后用再合成的多核苷酸补上缺口。

（4）诱导修复。许多能造成DNA损伤或抑制复制的处理，均能引起一系列复杂的诱导效应，称为应急反应（SOS反应）。它包括DNA 修复和导致变异两个方面。应急反应能诱导切除修复和重组修复中某