生物化学 核酸生物合成

Biosynthesisofnucleicacid第十二章核酸的生物合成分子生物学(分子遗传学)中心法则反映了从DNARNA蛋白质的遗传信息主流，揭示了生物体内遗传信息的贮存、传递和表达的规律。转录RNA翻译蛋白质DNARNA（病毒）复制翻译蛋白质（病毒）反转录复制ATGC第一节DNA的生物合成BiosynthesisofDNADNA→DNADNA复制RNA→DNA反转录两种方式一、DNA的复制基本概念以参与反应的要素进行定义必须具备的基本条件模板：母链DNA原料：dNTP(包括dATP、dGTP、dCTP、dTTP)酶和蛋白质因子：引物：一小段RNA能量（ATP）及某些无机离子DNA的复制的方式------1958,MesselsonandStahl实验证实DNA半保留复制Watson和Crick提出的DNA双螺旋复制模型含15N-DNA的细菌培养于普通培养液第一代重DNA普通DNA普通DNA细菌的DNA双链(黄线的代表含15N)DNA半保留复制的证据可排除全保留式Why?母链全保留式半保留式混合式重DNA普通DNA排除全保留式培养第一代结果重DNA普通DNA参与DNA复制的酶类与蛋白质因子及其主要作用1.拓扑异构酶（topoisomerase,Topo）无ATP时：作用相当于TopoⅠ,但切割的是双链DNA某一部位(断双链)。有ATP时：使带断口、松弛状的DNA分子旋紧转变成负超螺旋结构，再连接断端。不需耗能(ATP)，切割(断)双链DNA中的一链，松解螺旋,封闭切口。又称切割封口酶。TopoⅠ的作用TopoⅡ(又称旋转酶)的作用2.解链酶(又称解螺旋酶或螺旋酶,helicase)解链酶作用：断裂互补碱基间的氢键,使DNA双链分离形成“复制叉”。具有这种功能的是一类酶[如复制蛋白(rep蛋白)、解链酶II等]。3.单链DNA结合蛋白(DNA结合蛋白)(singlestrandedDNA-bindingprotein,SSB)作用：防止重新形成双链和防止单链模板被核酸酶水解,维持DNA单链状态和完整性.4.引物酶(Primase)RNA的合成：需引物酶，它是一种特殊的RNA聚合酶。DNA不能从无→有合成，需在一小段RNA基础上合成DNA5´3´5´5´5´3´原核生物（E.coli）迄今已知只有3种：DNApolⅠ、DNApolⅡ、DNApolⅢ。真核生物亦发现有多种DDDP：DDDP、、、、。其性质与功能见表12-1P293和表12-2P2975.DNA聚合酶（DNApolymerase,DNApol）即依赖于DNA的DNA聚合酶（DDDP）3´模板链5´DDDP5´3´聚合作用示意图5´3´6.DNA连接酶(DNALigase)作用：在有模板指导的条件下，催化2个DNA片段(两片段间的距离为1个3',5'-磷酸二酯键的键长)的连接。原理：在一个DNA片段的3'-OH末端和另一个DNA片段的5'-P末端形成3',5'-磷酸二酯键，从而实现连接。特点：原核细胞:需辅助因子NAD+真核细胞:不需辅助因子NAD+,但需耗能(ATP)参与DNA复制的酶及蛋白质─────────────────────酶或蛋白质主要作用─────────────────────拓扑异构酶类克服解链时打结及缠绕、松驰或引进负超螺旋解链酶类解开DNA双链单链DNA结合蛋白维持已解开单链DNA的稳定引物酶合成RNA引物DNA聚合酶ⅢDNA复制DNA聚合酶Ⅰ水解引物、填补空隙、修复作用DNA连接酶催化双链DNA中单链缺口的连接─────────────────────DNA的复制过程复制的起始链的延长复制的终止复制的起始1.在拓扑异构酶、解链酶及单链DNA结合蛋白的共同作用下，DNA解旋、解链，形成复制叉。2.依赖于单链模板，由引物酶催化按碱基配对规律合成一小段RNA引物(原核细胞引物长50-100个碱基，真核约10个碱基)。复制起始阶段的特点真核细胞：具有多个起始位点原核细胞：仅有一个复制起始位点，但往往是双向复制链的延长引物合成后，由DNApolⅢ（真核细胞为DNA聚合酶或)催化，在引物3'-OH末端逐一添加与模板链对应互补的脱氧核苷磷酸,使新合成的链不断延长。领头链:链的延长方向(5'3')与解链方向(复制叉移动方向)相同,为连续合成。随从链:链的延长方向(5'3')与解链方向(复制叉移动方向)相反，为不连续合成。分段合成的DNA片段,最初被命名为冈崎片段复制的终止1.水解引物及填补空隙冈崎片段合成后，由DNApolⅠ(真核细胞可能是DNA聚合酶)水解去除RNA引物，并填补留下的空隙(5'3')聚合。2.完整双链DNA分子的形成填补空隙后，DNA片段与片段之间还有一个缺口(一个3',5'-磷酸二酯键的长度),由DNA连接酶催化连接成完整的链，从而产生完整的双链DNA分子。二、反转录(reversetranscription)概念以RNA为模板，dNTP为原料，反转录酶催化，按碱基配对规律合成DNA的过程。反转录酶,又称为依赖RNA的DNA聚合酶(RNA-dependentDNApolymerase,RDDP)DNA转录RNARNA(病毒)....................RDDP引物,4种dNTPRDDPRNaseH4种dNTPRDDP或DDDP病毒RNARNA-DNA杂化分子cDNA前病毒(双链DNA)酶催化反应示意图反向转录酶存在于所有致癌RNA病毒中,其功能可能与病毒的恶性转化作用有关;但它也存在于某些正常细胞中，在细胞分化与胚胎发生中可能起某些作用。反转录病毒和反转录酶的发现,提出了一个重要的医学问题──病毒致癌及癌基因。反转录的医学意义反转录的医学意义癌基因(oncogene):能在体外引起细胞恶性转化,在体内诱发肿瘤的基因.细胞癌基因(c-onc)或原癌基因(pro-onc):存在于生物正常细胞基因组中的癌基因.正常情况下基因处于静止或低表达的状态.当受到致癌刺激被活化并发生异常时则可发生细胞癌变.病毒癌基因(v-onc):存在于致瘤病毒中的能使靶细胞发生恶性转化的基因.用三个小写字母表示癌基因名称,如myc,fos,ras,src等抑癌基因:是一类抑制细胞过度生长,增殖从而遏制肿瘤形成的基因.如Rb,P53,P16等癌基因与抑癌基因之间一般处于动态平衡状态是一种反转录病毒,可引起获得性免疫缺陷综合征(AIDS,艾滋病).反转录酶在基因工程,分子病的基因治疗方面也有重要作用.人类免疫缺陷病毒(HIV)反转录的医学意义DNA的损伤与修复一、DNA损伤(DNAdamage)生物体受某些理化和生物等外源性因素或机体内环境改变的影响，引起DNA分子结构的任何异常改变称为DNA损伤概念ONHNOCH3RPONHNOCH3RONHNOCH3RPNHNOROCH3UV引起DNA损伤的因素紫外线(常产生嘧啶二聚体)电离辐射(断磷酸二酯键)物理因素胸腺嘧啶二聚体的产生化学因素：均能干扰复制与转录功能▲烷化剂：(如氮芥类,CTX)，使鸟嘌呤的N7烷基化后脱落，成为无鸟嘌呤的位点▲亚硝酸盐：使碱基脱氨原G-C配对最终变为A-T配对，导致错配C→UA→IG→X▲丝裂霉素：与DNA共价连接引起链交联COHNCCHCHNOUCONCCHCHNNH2CANNH2NNNNOHNNNI（次黄嘌呤）NOHNNNHH2NGNOHNNNHHOX（黄嘌呤）NOHNNNI（次黄嘌呤）糖苷键自行断裂；自发脱氨基作用,CU，AI。生物因素：目前多指病毒生理因素：机率极低突变(mutation)：有机体基因组可遗传的改变，即DNA序列的改变.根据引发的原因，可将突变分为：诱发突变和自发突变。缺失根据DNA分子的改变，突变可分为4类：点突变颠换：异型碱基间变异,PuPy转换：同型碱基间变异,PuPuPyPy缺失或插入的碱基数不是3的整倍数时，则引起移码突变插入倒位(或易位)转换：同型碱基间变异,PuPuPyPy转换：同型碱基间变异,PuPuPyPy转换：同型碱基间变异,PuPuPyPy转换：同型碱基间变异,PuPuPyPy转换：同型碱基间变异,PuPuPyPy基因突变可能出现的后果•生物体致死•生物体某些功能丧失•仅改变基因型，表现型不受影响•改变生物物种，出现新的生物特征DNA复制过程所发生的突变(碱基配对错误)，由核内DNA聚合酶Ⅰ以其校读功能予以纠正.若碱基错配频频发生或损伤范围大，则需采用以下修复方式进行修复.二、DNA损伤的修复TT光复活酶（可见光）T+TDNA修复方式1.光修复:2.切除修复：由3种酶共同参与完成。特异性核酸内切酶DNApolIDNA连接酶5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'复制重组DDDPIDNA连接酶过程3.重组修复：亦称复制后修复4.SOS修复：DNA分子受到较大范围的损伤，细胞对危急状态所作出的反应。机制引起DNA较长期的、广泛的突变。SOS调节网诱导产生的DNA聚合酶特异性低，识别碱基能力差,使修复部位仍存在较多错配的碱基，但细胞能继续生存。后果第二节RNA的生物合成（BiosynthesisofRNA）转录（transcription）生物体以DNA的一条链为模板，以NTP为原料合成RNA的过程转录RNADNAA-U，T-A，G-CA-T，G-C配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链DNA（半保留复制）产物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板链转录（不对称转录）两股链均复制模板转录复制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链DNA（半保留复制）产物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板链转录（不对称转录）两股链均复制模板转录复制复制和转录的区别转录的模板和酶转录以在DNA的一条链为模板，另一条链为编码链（不转录），这样模板链不总在同一条链上，这种转录方式称为不对称转录DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链，也称作有意义链或Watson链。相对的另一股单链是编码链，也称为反义链或Crick链5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C编码链模板链mRNA蛋白质转录翻译5335模板链编码链编码链模板链结构基因转录方向转录方向结构基因RNA聚合酶36512决定哪些基因被转录150618催化功能155613结合DNA模板70263辨认起始点亚基分子量功能（一）原核生物的RNA聚合酶核心酶全酶转录起始转录延长阶段σ亚基脱落RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合（二）真核生物的RNA聚合酶种类ⅠⅡⅢ对鹅膏蕈碱的反应45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受极敏感中度敏感转录产物模板与酶的辨认结合原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子，包括若干个结构基因及其上游的调控序列5335结构基因调控序列RNA-polRNA聚合酶结合模板DNA的部位，称为启动子开始转录TTGACAAACTGT-35区(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10区1-30-5010-10-40-205335原核生物启动子保守序列RNA-pol辨认位点55RNA聚合酶保护区结构基因33转录过程一、原核生物的转录过程（一）转录起始1.RNA聚合酶全酶(2)与模板结合-35区，酶移向－10区，跨入转录起始点2.DNA双链解开，20bp以下，通常是（17±1）bp转录起始过程3.在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物（5-端GTP、ATP）RNApol(