酶工程 第二章 酶生物合成的基本理论 2013-3
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34/50
常见tRNA中的修饰核苷酸
Xo5U
(5-羟基尿苷)
m7G
Cmnm5U (5-羧甲基氨甲基尿苷) m5C
mCm5U （5-甲氧基羰甲基尿苷） m6A
Xm5s2U （5-甲基-2硫代尿苷） s2C
K2C
（2-赖氨酸胞苷）
ψ
Com5U （5(2)-羟羧甲基尿苷） Um
I
（Inosine次黄嘌呤） Q
3' AAA……An
5'非翻译区
3'非翻译区
47/50
遗传密码的特点
① 连续性 commaless：三联体密码连续阅读，既无间 断也无交叉
② 简并性 degeneracy：一个氨基酸有1或几个密码子 ③ 通用性 universal：从原核生物到人类都通用（例外：
动物线粒体、叶绿体） ④ 方向性 direction：只能沿5’→3’方向进行 ⑤ 摆动性 wobble ：反密码与密码之间常常不严格遵守
RNA internal methylation tRNAhis的 5′-端比其他tRNA多一个鸟苷酸
33/50
4、核苷酸修饰 （Nucleotide modifຫໍສະໝຸດ Baiducation）
在RNA前体的一些专一部位的碱基需要通过甲基化酶， 硫醇酶，假尿嘧啶核苷化酶等的作用进行修饰成为特殊的 碱基。
修饰位置: 碱基或核糖 核糖 2-OH上甲基化（methylation） tRNA中的核苷酸修饰（various） 二氢尿嘧啶、假尿嘧啶、4-硫尿嘧啶、1-甲基鸟嘌呤
15/50
1. 非依赖ρ因子的转录终止
在模板链终止点前有4-6个dA，即poly dA结构； polyA上游有一段GC富集区，并形成回文序列。
合成出终止子对 应的GC区时， RNA形成发夹结 构，核心酶停止 转录。
16/50
17/50
2. 依赖ρ因子的转录终止
在终止部位，ρ因 子沿新生RNA链 到达依赖ρ的终止 点（无寡聚U和 GC区），ρ因子 与RNA聚合酶结 合，使三元复合 体解体.
（2）有助于mRNA从核到细胞质转运
29/50
（3）mRNA的3′-端加polyA尾(tailing)
① 识别因子识别 AAUAAA（加尾信号）
② 剪切因子(CF)在加尾位 点AAUAAA下游11－ 30nt处剪切RNA；
③ poly(A)聚合酶合成 poly(A)尾巴；
30/50
（4）tRNA的5′-端加上甲基鸟苷酸
28/50
（3）mRNA的3′-端加polyA尾(tailing)
poly(A)聚合酶--Poly(A) polymerase(PAP)
poly(A)＋ ：大部分真核mRNA有poly(A)尾巴
poly(A)－ ：无poly(A)尾巴，如组蛋白的mRNA
作用： （1）稳定mRNA
Polyadenylation聚腺苷酸化
所获得的遗传信息，在转录作用后又发生了变化。
19/50
1、剪切 反应cleavage
从RNA前体的末端切去一定大小的RNA片段，而得到成 熟RNA分子的加工过程。
3′端、5′端都可以进行 自我剪切酶、RNA剪切酶、3′-内切核酸酶、3′-外切核酸
酶、5′-内切核酸酶、5′-外切核酸酶、
20/50
依赖于ATP的解旋 酶活性
18/50
（四）RNA前体的加工（RNA Processing）
将各种前体RNA分子加工成成熟的、有活性的RNA的过程 RNA加工的类型：
1、剪切反应：就是剪去部分序列； 2、剪接反应：是指剪切后又将某些片段连接起来。 3、末端连接反应：如 3′-端添加-CCA，5′端加“帽子” 4、核苷酸修饰：在碱基及核糖分子进行化学修饰。 5、RNA编辑：某些RNA，特别是mRNA自DNA模板上
13/50
DNA
5 3
RNA
RNA聚合酶 核糖体
原核生物转录过程中的羽毛状现象
（三）RNA链合成的终止 Termination
转录的终止—RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来，转录 产物RNA链从转录复合物上脱落下来。
转录终止的两种机制： 1. 非依赖ρ因子的转录终止 终止子(terminator):为RNA转录提供终止信号的一 段DNA序列。 2. 依赖ρ因子的转录终止 终止因子(termination factor ):协助RNA聚合酶识 别终止子信号的辅助因子。
E. coli 7个rRNA转录单位分散在基因组中；转录单位由
16S、23S、5SrRNA以及tRNA基因组成，rrnA~rrnG.
tRNAIle tRNAAla
tRNAAsp tRNATrp
16S RNaseIII
RNaseIII
23S
5S RNaseIII
RNaseIII
RNaseR
RNaseR
42/50
43/50
遗传密码 genetic code
mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3个核苷酸 为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、 终止信号，称为三联体密码(triplet coden)。 数量：64（43） 起始密码(initiation coden): AUG 终止密码(termination coden): UAA，UAG，UGA
41/50
mRNA是翻译的直接模板
遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子（cistron）。 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生
成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子 （polycistron）。
真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子（single cistron）。
45/50
46/50
开放阅读框架 open reading frame (ORF)
从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止密码子之间的 核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一条多肽链， 称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。
5' m7Gppp
AUG
编码区
UAA
36/50
5、RNA编辑 （editing）
是指在mRNA水平上改变遗传信息的过程。 是某些RNA，特别是mRNA前体的一种加工方式，如插
入、删除或取代一些核苷酸残基（包括U→C，A→U；U 的插入或缺失、多个G或C的插入等），因为经过编辑的 mRNA序列发生了不同于模板DNA的变化，导致DNA所 编码的遗传信息的改变。
37/50
38/50
迄今为止,在真核生物的tRNA、rRNA 和mRNA 中都发 现了RNA 编辑的现象。
生物学意义： 改变和补充遗传信息； 增加基因产物的多样性； 基因表达调控的一种重要方式； 可能使基因产物获得新的结构和功能，有利于复杂的生 物进化； 很可能与学习和记忆有关。
39/50
酶工程 Enzyme Engineering
林范学fanxuelin@gmail.com
1/50
第二章 酶生物合成的基本理论 ——酶的生物合成及其调节
transcription
translation
DNA
RNA
Protein
加工、组装 完整酶分子
2/50
第一节 RNA的生物合成——转录 第二节 蛋白质的生物合成——翻译 第三节 酶生物合成的调节
23/50
tRNA前体的切断和剪接加工
24/50
3、 末端连接反应
在RNA分子的3′-端或5′-端连接上特定的寡核苷酸，而形 成成熟RNA分子的加工过程。 （1）tRNA的3′-端加上CCA-OH （2）mRNA的5′-端加“帽子”（capping） （3）mRNA的3′-端加polyA尾巴 ( tailing ) （4）tRNA的5′-端加上甲基鸟苷酸
2. RNA聚合酶(全酶)与启动子结合形成“闭合型复合体” 结合位点TATAAT（-10bp）—— Pribnow box （富含 A.T.DNA易解旋）
3. DNA双链解开一个短的区域，转录酶与模板链成“开放型复 合物” 4. 核苷酸被引入，至产生一定长度后（6-9nt），σ因子被释放。
转录起始点 酶-promoter-GTP (ATP)
7/50
转录过程 转录的起始 Initiation RNA链的延伸 Elongation RNA链合成的终止 Termination
RNA前体的加工
9/50
（一）转录的起始 Initiation
起始—启动子promoter是基因转录的起点
1. σ因子识别DNA的启动子 -35序列附近，具有TTGACA－识别区 σ因子识别该部位
(7-甲基鸟苷) （5-甲基胞苷） （6-甲基腺苷） （2-硫代胞苷）
(假尿苷） (2’-O-甲基尿苷) （Queuosine）
*/3550/50
（2） （1）
tRNA的碱基修饰
（1）甲基化
（1）
如：A →Am
（2）还原反应 如：U → DHU
（3） （4）
（3）核苷内的转位反应 如：U → ψ
（4）脱氨反应 如：A → I
10/50
σ识别部位
结合部位 RNA转录开始+1 （GTP，ATP)
11/50
12/50
（二）RNA链的延伸 Elongation
1. 核心酶沿模板移动方向：3’→5’ 2. RNA延长方向：5’→3’（+1→+n） 3. 当5’端RNA离开DNA后，DNA重新恢复双螺旋，RNA以自由单链
形式被释放。
第二节 蛋白质的生物合成——翻译
Protein Biosynthesis ——Translation 以mRNA为模板，以各种氨基酸为底物，在核糖核蛋白
体上通过各种tRNA、酶和辅助因子的作用，合成多肽链 的过程称为翻译。
central dogma
40/50
蛋白质合成体系
三种RNA mRNA（messenger RNA, 信使RNA） rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白体RNA） tRNA（transfer RNA, 转移RNA）
25/50
（1）在tRNA的3′-端加上CCA-OH
RNaseP是tRNA的5‘端成熟酶； RNaseD是tRNA的3‘端成熟酶；
26/50
（2）mRNA的5′-端加“帽子”（capping）
剪接前加帽： 如呼肠病毒， 牛豆病毒
剪切后加帽： 如疱疹病毒和 口炎病毒
27/50
5′ mRNA Cap
RNaseR
RNaseR RNaseR
rRNA的加工 图 13- rRNA 的加工
21/50
2、剪接 反应splicing
将RNA前体中间的间插序列除去，并把两端的外显子连接 起来，形成成熟RNA分子的加工过程。
真核生物RNA前体有外显子、内含子 自我剪接酶、内切核酸酶+RNA连接酶
22/50
碱基配对规律，称为摆动配对
48/50
蛋白质合成过程
（一）氨基酸活化 （二）肽链合成的起始 （三）肽链的延伸 （四）肽链合成的终止 （五）蛋白质前体的加工
49/50
（一）氨基酸活生成氨基酰-tRNA
氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase） 催化氨基酸与tRNA结合生成氨基酰-tRNA
氨基酰-tRNA合成酶
氨基酸 + tRNA
20种氨基酸(AA)作为原料 酶及众多蛋白因子，如氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、IF、
EF、RF 起始因子（initiation factor, IF） 延长因子（elongation factor，EF） 释放因子（release factor，RF） 供能物质（ATP、GTP）、无机离子
5/50
E.coli 的RNA聚合酶
核心酶（α2ββ’ω） core enzyme
起始因子
全酶（ α2ββ’ω ） holoenzyme
β’：和模板DNA结合 β：与NTP结合并催化聚合反应 α：二聚体参与RNA聚合酶的组装 ω：？
：起始因子，识别启动子
RNA聚合酶没有3’-5’外 切酶活性，缺少校对功能， 可被利福平和利福霉素抑制
3/50
第一节 RNA的生物合成——转录
RNA的种类及功能 ① dsRNA、ssRNA：在RNA病毒中作为遗传信息载体 ② tRNA、mRNA、rRNA：蛋白质生物合成 ③ 催化活性RNA：核酶，如丁型肝炎病毒（HDV） preRNA ④ 小分子RNA（sRNA）：分子修饰和代谢调节
4/50
转录（transcription） 以DNA为模版，以核苷三磷酸为底物，在依赖DNA的 RNA聚合酶（转录酶，transcriptase）的作用下，生 成RNA的过程
常见tRNA中的修饰核苷酸
Xo5U
(5-羟基尿苷)
m7G
Cmnm5U (5-羧甲基氨甲基尿苷) m5C
mCm5U （5-甲氧基羰甲基尿苷） m6A
Xm5s2U （5-甲基-2硫代尿苷） s2C
K2C
（2-赖氨酸胞苷）
ψ
Com5U （5(2)-羟羧甲基尿苷） Um
I
（Inosine次黄嘌呤） Q
3' AAA……An
5'非翻译区
3'非翻译区
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遗传密码的特点
① 连续性 commaless：三联体密码连续阅读，既无间 断也无交叉
② 简并性 degeneracy：一个氨基酸有1或几个密码子 ③ 通用性 universal：从原核生物到人类都通用（例外：
动物线粒体、叶绿体） ④ 方向性 direction：只能沿5’→3’方向进行 ⑤ 摆动性 wobble ：反密码与密码之间常常不严格遵守
RNA internal methylation tRNAhis的 5′-端比其他tRNA多一个鸟苷酸
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4、核苷酸修饰 （Nucleotide modifຫໍສະໝຸດ Baiducation）
在RNA前体的一些专一部位的碱基需要通过甲基化酶， 硫醇酶，假尿嘧啶核苷化酶等的作用进行修饰成为特殊的 碱基。
修饰位置: 碱基或核糖 核糖 2-OH上甲基化（methylation） tRNA中的核苷酸修饰（various） 二氢尿嘧啶、假尿嘧啶、4-硫尿嘧啶、1-甲基鸟嘌呤
15/50
1. 非依赖ρ因子的转录终止
在模板链终止点前有4-6个dA，即poly dA结构； polyA上游有一段GC富集区，并形成回文序列。
合成出终止子对 应的GC区时， RNA形成发夹结 构，核心酶停止 转录。
16/50
17/50
2. 依赖ρ因子的转录终止
在终止部位，ρ因 子沿新生RNA链 到达依赖ρ的终止 点（无寡聚U和 GC区），ρ因子 与RNA聚合酶结 合，使三元复合 体解体.
（2）有助于mRNA从核到细胞质转运
29/50
（3）mRNA的3′-端加polyA尾(tailing)
① 识别因子识别 AAUAAA（加尾信号）
② 剪切因子(CF)在加尾位 点AAUAAA下游11－ 30nt处剪切RNA；
③ poly(A)聚合酶合成 poly(A)尾巴；
30/50
（4）tRNA的5′-端加上甲基鸟苷酸
28/50
（3）mRNA的3′-端加polyA尾(tailing)
poly(A)聚合酶--Poly(A) polymerase(PAP)
poly(A)＋ ：大部分真核mRNA有poly(A)尾巴
poly(A)－ ：无poly(A)尾巴，如组蛋白的mRNA
作用： （1）稳定mRNA
Polyadenylation聚腺苷酸化
所获得的遗传信息，在转录作用后又发生了变化。
19/50
1、剪切 反应cleavage
从RNA前体的末端切去一定大小的RNA片段，而得到成 熟RNA分子的加工过程。
3′端、5′端都可以进行 自我剪切酶、RNA剪切酶、3′-内切核酸酶、3′-外切核酸
酶、5′-内切核酸酶、5′-外切核酸酶、
20/50
依赖于ATP的解旋 酶活性
18/50
（四）RNA前体的加工（RNA Processing）
将各种前体RNA分子加工成成熟的、有活性的RNA的过程 RNA加工的类型：
1、剪切反应：就是剪去部分序列； 2、剪接反应：是指剪切后又将某些片段连接起来。 3、末端连接反应：如 3′-端添加-CCA，5′端加“帽子” 4、核苷酸修饰：在碱基及核糖分子进行化学修饰。 5、RNA编辑：某些RNA，特别是mRNA自DNA模板上
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DNA
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RNA
RNA聚合酶 核糖体
原核生物转录过程中的羽毛状现象
（三）RNA链合成的终止 Termination
转录的终止—RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来，转录 产物RNA链从转录复合物上脱落下来。
转录终止的两种机制： 1. 非依赖ρ因子的转录终止 终止子(terminator):为RNA转录提供终止信号的一 段DNA序列。 2. 依赖ρ因子的转录终止 终止因子(termination factor ):协助RNA聚合酶识 别终止子信号的辅助因子。
E. coli 7个rRNA转录单位分散在基因组中；转录单位由
16S、23S、5SrRNA以及tRNA基因组成，rrnA~rrnG.
tRNAIle tRNAAla
tRNAAsp tRNATrp
16S RNaseIII
RNaseIII
23S
5S RNaseIII
RNaseIII
RNaseR
RNaseR
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遗传密码 genetic code
mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3个核苷酸 为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、 终止信号，称为三联体密码(triplet coden)。 数量：64（43） 起始密码(initiation coden): AUG 终止密码(termination coden): UAA，UAG，UGA
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mRNA是翻译的直接模板
遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子（cistron）。 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生
成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子 （polycistron）。
真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子（single cistron）。
45/50
46/50
开放阅读框架 open reading frame (ORF)
从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止密码子之间的 核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一条多肽链， 称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。
5' m7Gppp
AUG
编码区
UAA
36/50
5、RNA编辑 （editing）
是指在mRNA水平上改变遗传信息的过程。 是某些RNA，特别是mRNA前体的一种加工方式，如插
入、删除或取代一些核苷酸残基（包括U→C，A→U；U 的插入或缺失、多个G或C的插入等），因为经过编辑的 mRNA序列发生了不同于模板DNA的变化，导致DNA所 编码的遗传信息的改变。
37/50
38/50
迄今为止,在真核生物的tRNA、rRNA 和mRNA 中都发 现了RNA 编辑的现象。
生物学意义： 改变和补充遗传信息； 增加基因产物的多样性； 基因表达调控的一种重要方式； 可能使基因产物获得新的结构和功能，有利于复杂的生 物进化； 很可能与学习和记忆有关。
39/50
酶工程 Enzyme Engineering
林范学fanxuelin@gmail.com
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第二章 酶生物合成的基本理论 ——酶的生物合成及其调节
transcription
translation
DNA
RNA
Protein
加工、组装 完整酶分子
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第一节 RNA的生物合成——转录 第二节 蛋白质的生物合成——翻译 第三节 酶生物合成的调节
23/50
tRNA前体的切断和剪接加工
24/50
3、 末端连接反应
在RNA分子的3′-端或5′-端连接上特定的寡核苷酸，而形 成成熟RNA分子的加工过程。 （1）tRNA的3′-端加上CCA-OH （2）mRNA的5′-端加“帽子”（capping） （3）mRNA的3′-端加polyA尾巴 ( tailing ) （4）tRNA的5′-端加上甲基鸟苷酸
2. RNA聚合酶(全酶)与启动子结合形成“闭合型复合体” 结合位点TATAAT（-10bp）—— Pribnow box （富含 A.T.DNA易解旋）
3. DNA双链解开一个短的区域，转录酶与模板链成“开放型复 合物” 4. 核苷酸被引入，至产生一定长度后（6-9nt），σ因子被释放。
转录起始点 酶-promoter-GTP (ATP)
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转录过程 转录的起始 Initiation RNA链的延伸 Elongation RNA链合成的终止 Termination
RNA前体的加工
9/50
（一）转录的起始 Initiation
起始—启动子promoter是基因转录的起点
1. σ因子识别DNA的启动子 -35序列附近，具有TTGACA－识别区 σ因子识别该部位
(7-甲基鸟苷) （5-甲基胞苷） （6-甲基腺苷） （2-硫代胞苷）
(假尿苷） (2’-O-甲基尿苷) （Queuosine）
*/3550/50
（2） （1）
tRNA的碱基修饰
（1）甲基化
（1）
如：A →Am
（2）还原反应 如：U → DHU
（3） （4）
（3）核苷内的转位反应 如：U → ψ
（4）脱氨反应 如：A → I
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σ识别部位
结合部位 RNA转录开始+1 （GTP，ATP)
11/50
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（二）RNA链的延伸 Elongation
1. 核心酶沿模板移动方向：3’→5’ 2. RNA延长方向：5’→3’（+1→+n） 3. 当5’端RNA离开DNA后，DNA重新恢复双螺旋，RNA以自由单链
形式被释放。
第二节 蛋白质的生物合成——翻译
Protein Biosynthesis ——Translation 以mRNA为模板，以各种氨基酸为底物，在核糖核蛋白
体上通过各种tRNA、酶和辅助因子的作用，合成多肽链 的过程称为翻译。
central dogma
40/50
蛋白质合成体系
三种RNA mRNA（messenger RNA, 信使RNA） rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白体RNA） tRNA（transfer RNA, 转移RNA）
25/50
（1）在tRNA的3′-端加上CCA-OH
RNaseP是tRNA的5‘端成熟酶； RNaseD是tRNA的3‘端成熟酶；
26/50
（2）mRNA的5′-端加“帽子”（capping）
剪接前加帽： 如呼肠病毒， 牛豆病毒
剪切后加帽： 如疱疹病毒和 口炎病毒
27/50
5′ mRNA Cap
RNaseR
RNaseR RNaseR
rRNA的加工 图 13- rRNA 的加工
21/50
2、剪接 反应splicing
将RNA前体中间的间插序列除去，并把两端的外显子连接 起来，形成成熟RNA分子的加工过程。
真核生物RNA前体有外显子、内含子 自我剪接酶、内切核酸酶+RNA连接酶
22/50
碱基配对规律，称为摆动配对
48/50
蛋白质合成过程
（一）氨基酸活化 （二）肽链合成的起始 （三）肽链的延伸 （四）肽链合成的终止 （五）蛋白质前体的加工
49/50
（一）氨基酸活生成氨基酰-tRNA
氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase） 催化氨基酸与tRNA结合生成氨基酰-tRNA
氨基酰-tRNA合成酶
氨基酸 + tRNA
20种氨基酸(AA)作为原料 酶及众多蛋白因子，如氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、IF、
EF、RF 起始因子（initiation factor, IF） 延长因子（elongation factor，EF） 释放因子（release factor，RF） 供能物质（ATP、GTP）、无机离子
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E.coli 的RNA聚合酶
核心酶（α2ββ’ω） core enzyme
起始因子
全酶（ α2ββ’ω ） holoenzyme
β’：和模板DNA结合 β：与NTP结合并催化聚合反应 α：二聚体参与RNA聚合酶的组装 ω：？
：起始因子，识别启动子
RNA聚合酶没有3’-5’外 切酶活性，缺少校对功能， 可被利福平和利福霉素抑制
3/50
第一节 RNA的生物合成——转录
RNA的种类及功能 ① dsRNA、ssRNA：在RNA病毒中作为遗传信息载体 ② tRNA、mRNA、rRNA：蛋白质生物合成 ③ 催化活性RNA：核酶，如丁型肝炎病毒（HDV） preRNA ④ 小分子RNA（sRNA）：分子修饰和代谢调节
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转录（transcription） 以DNA为模版，以核苷三磷酸为底物，在依赖DNA的 RNA聚合酶（转录酶，transcriptase）的作用下，生 成RNA的过程