核酸与蛋白质的生物合成 (1)

生物化学主讲老师：吕文平江南大学食品学院第十一章核酸与蛋白质的生物合成内容提要第一节DNA的生物合成第二节RNA的合成第三节蛋白质的生物合成第四节基因工程简介第一节DNA的生物合成一、中心法则在细胞内DNA的合成方式有两种。半保留复制具有普遍意义。反转录以RNA为模板，只存在于反转录病毒中。二、DNA的半保留复制1.DNA半保留复制的理论1953年，Watson和Crick在提出DNA双螺旋结构模型时曾推测∶DNA复制过程中，首先碱基间的氢键破裂使双链解旋和分开；然后以每一条链为模板在其上合成新的互补链。于是，原来的一个亲代DNA分子变成为核苷酸排列顺序完全相同的两个子代DNA分子，每个子代DNA分子的一条链来自亲代，另一条则是新合成的，这样的复制合成方式称为半保留复制。二、DNA的半保留复制二、DNA的半保留复制①以四种脱氧核苷三磷酸为底物,称dNTP；②反应需要接受模板的指导；③反应需要有3'-OH的引物存在；④DNA引物的伸长方向是5'-3'；⑤产物DNA的性质与模板相同。1.DNA聚合反应的特点参与DNA聚合反应有关的酶和蛋白质共有30多种，其中主要有以下几种。（1）解旋解链酶①拓扑异构酶（解超螺旋酶）：解开DNA超螺旋。②解链酶（解螺旋酶）：解开碱基对之间的氢键，形成2股单链。③单链DNA结合蛋白：结合于单股DNA链，阻止DNA复性。（2）引物酶：合成一小段RNA引物，用于DNA聚合酶延长子链。（3）DNA聚合酶：5´端有有引物的前提下，延长DNA子链。（4）连接酶：在随后连合成过程中，将不连续的DNA子链连接。2.参与DNA复制的酶①拓扑异构酶2.参与DNA复制的酶②解链酶2.参与DNA复制的酶③单链DNA结合蛋白2.参与DNA复制的酶ATCCA小段RNA引物引物酶3`OH5`PiPiPi3`OH5`PiPiPi2.参与DNA复制的酶（2）引物酶（3）DNA聚合酶1956年，Kornberg等人首先发现了大肠杆菌中的DNA聚合酶。大肠杆菌共有三种不同的DNA聚合酶，它们分别是DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。2.参与DNA复制的酶2.参与DNA复制的酶2.参与DNA复制的酶2.参与DNA复制的酶2.参与DNA复制的酶2.参与DNA复制的酶（4）DNA连接酶该酶可使双链DNA中的一条链上断开的相邻核苷酸间(断口的一端为3‘-OH，另一端为5’-磷酸基)形成3，5-磷酸二酯键。但不能使游离的两条链直接连接起来。动物和噬菌体由ATP供能，细菌由辅酶Ⅰ(NAD)提供。2.参与DNA复制的酶复制子基因组能进行独立复制的单位，复制子一定含有复制起点（origin),可能也有复制终点（terminus),原核生物的DNA是环形的，通常具有一个复制起点，真核生物的DNA是线形的，通常具有多个复制起点。复制方式双向复制：大多数复制从起点开始向连个方向同时复制，有两个复制叉。单向复制：少数复制从起点向一个方向复制，只有一个复制叉。3.复制的起始点和方式3.复制的起始点和方式3.复制的起始点和方式对称复制:两条链同时进行的复制称为对称复制。不对称复制:若一条链先复制，待一条链复制完成后，另一条链开始复制，这种复制过程称为不对称复制。3.复制的起始点和方式4.复制过程(1)模板DNA的解链和解旋复制要求单链DNA为模板，所以，复制时DNA双螺旋必须解链和解旋。边解链、解旋，边复制。①转轴酶(又称拓扑异构酶Ⅰ)它能迅速切断双链中的一条链，断链的末端会自动绕螺旋轴旋转，释放因解链造成的正超螺旋张力。超螺旋解除后，该酶可把断口封闭。②旋转酶(又称拓扑异构酶Ⅱ)它能利用其水解ATP提供的能量，将特定部位DNA双链同时切断，并向DNA分子引进负超螺旋，以抵消解链产生的正超螺旋张力，之后再将断口封闭，从而使解链继续进行。4.复制过程原核生物中冈奇片段的长度为1000～2000个核苷酸；真核生物中冈奇片段的长度为200个核苷酸。(2)半不连续复制(2)半不连续复制(2)半不连续复制(3)引物的合成DNA聚合酶Ⅰ有5´→3´外切酶活力，可将RNA引物切除，然后，再以四种dNTP为原料补各缺口(3´-OH端)，再由DNA连接酶将裂缝连接起来。(4)合成终止1.复制的起始（1)DNA解旋、解链，形成复制叉：拓扑异构酶、解链酶及单链结合蛋白。（2）RNA引物合成：依赖于单恋模板，由引物酶催化合成一小段RNA引物。（3)特点：原核环形DNA通常只有一个起点，双向复制；真核生物有多个起始点，形成多个复制叉。2.复制的延长（1）子链延长：引物合成后，由聚合酶Ⅲ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三磷酸。（2）半不连续合成：a.先导链：链的延长方向与解链方向相同，为连续合成。b.滞后链：链的延长方向与解链方向相反，为不连续合成（产生冈崎片段）。4.复制过程总结4.复制过程总结3.复制的终止（1）水解引物及填补空隙：冈崎片段合成后，由聚合酶Ⅰ水解去除引物，并填补留下的空隙。（2)连接酶连接冈崎片段形成完整双链DNA分子：空隙填补后，DNA片段之间的一个缺口由DNA连接酶催化连接，从而产生完整的双链DNA分子。这是一种特殊的DNA复制方式，主要存在于逆转录病毒中。1.反转录酶的性质除以RNA为模板合成DNA外①以DNA为模板，合成互补的DNA链，形成DNA双螺旋；②具有5'→3'，3'→5'外切酶的活力；③它还有核糖核酸酶H的活力；④专门水解RNA-DNA杂种分子中的RNA。二、DNA的反转录2.反转录过程所有已知的致癌RNA病毒本身都含有反转录酶，该类病毒侵染宿主细胞后，其携带的反转录酶对病毒RNA(正链)进行反转录。过程如下∶①以正链RNA为模板，tRNA为引物，反转录合成负链DNA。②由反转录酶的外切酶活力切除DNA-RNA杂交分子中的正链RNA。③以负链DNA为模板，合成正链DNA，形成的双链DNA称为前病毒。新合成的双链DNA环化、整合到寄主的染色体DNA中。2.反转录过程2.反转录过程反转录现象在生物学上的意义①它扩充了遗传信息传递过程中由DNA→RNA的中心法则；②它对致癌病毒引起癌细胞产生的机制提供了解释。病毒RNA→宿主细胞→整合到宿主的染色体DNA→转录→翻译成蛋白质(异常)→细胞恶性增殖→形成癌肿。2.反转录的生物学意义第二节RNA的合成以DNA为模板的RNA聚合反应，合成出与模板碱基顺序互补的RNA链，这一过程称转录。它是生物界RNA合成的主要方式。一、DNA指导的RNA合成DNA指导的RNA合成是从模板DNA上特定点起始的，并在特定点上终止。每次只转录DNA分子上的一段序列、一个或几个基因的长度。一、DNA指导的RNA合成DNA两条链中仅有一条链可以用于转录，或者在某些区域以这条链转录，而在另一些区域以另一条链转录，对应的链只有复制功能，无转录功能。转录生成的RNA链需要进一步加工修饰，才能成为有活性的(或者说是成熟的)RNA。一、DNA指导的RNA合成原核生物大肠杆菌中只有一种RNA聚合酶，它能催化细胞中三种RNA的合成，相对分子量为40-50万，含有两个α、β、β'和σ五个亚基，没有σ亚基的酶称为核心酶。σ亚基的功能∶帮助核心酶识别转录起始位点。核心酶的功能∶是催化聚合反应。没有σ亚基的核心酶只能使正在合成的RNA链延长，但不具起始合成RNA的能力。RNA聚合酶可以自行解旋、解链。1.RNA聚合酶(又称转录酶)RNA聚合酶的特点①要求模板方向3´→5´；②不需要引物，可以从头起始合成；③新链的延伸方向是5´→3´；④底物是四种NTP；⑤反应需要Mg2+或Mn2+参与。1.RNA聚合酶(又称转录酶)真核细胞中有多种RNA聚合酶RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，它们分别催化rRNA、mRNA、和tRNA的合成。除RNA聚合酶外，还有其他蛋白因子参与RNA的转录过程。1.RNA聚合酶(又称转录酶)转录过程可分为起始、延伸、终止三个阶段。(1)转录起始RNA的转录是从DNA模板上特定部位开始的，这个特定部位叫做启动子(或称启动基因)。RNA聚合酶识别启动子，并与之结合，开始转录一段DNA序列。原核生物的启动子约含40-60个碱基对。2.转录过程(以原核生物为例)启动区域有三个功能部位①启动部位∶此处有RNA链的第一个核苷酸。②Pribnow框∶也称紧密结合部位。它位于转录起始点之10位的一段富含AT的序列，又称TAT盒。③识别部位∶位于转录起始点前35个碱基附近，其序列特征为TTGACA。2.转录过程(以原核生物为例)转录开始时，RNA聚合酶的σ因子识别启动子特殊碱基序列，导致RNA聚合酶全酶与启动子特定部位紧密结合，并局部打开DNA双螺旋，第一个核苷三磷酸底物插入转录起始部位，与模板配对结合使转录开始。2.转录过程(以原核生物为例)(2)RNA链的延伸模板上转录起始的第一个核苷酸一般是嘧啶核苷酸，故RNA上的第一个核苷酸是嘌呤核苷酸。RNA的合成不需要引物。当与模板互补的第二个核苷三磷酸的5-磷酸基与第一个核苷酸的3-OH形成3，5-磷酸二酯键，并释放出焦磷酸时，开始了RNA链的延伸。当新生的RNA链延伸到10-20个核苷酸后，σ亚基从全酶上脱落，核心酶继续催化链的延伸。2.转录过程(以原核生物为例)(3)终止当核心酶沿模板3→5方向移动到终止信号区域时，转录终止。提供终止信号的DNA序列称为终止子。现已证明，所有原核生物的终止子在终止位点之前均有一个二重对称序列(即回文序列)，在终止位点之后有一富含AT序列跟随。2.转录过程(以原核生物为例)由于终止子结构不同，终止有两种不同的机制∶①不需终止蛋白ρ因子帮助的终止；②需要ρ因子帮助的终止。需要ρ因子帮助的终止∶发夹结构使转录暂时停止，但RNA聚合酶不能自动脱落模板.ρ因子与暂停的RNA聚合酶结合，引起酶构象改变，致使其脱落模板，释放RNA链，完成转录.ρ因子的作用需要ATP供能。2.转录过程(以原核生物为例)3.转录后的加工由RNA聚合酶转录生成的RNA分子称为前体RNA。前体RNA一般需经过加工才能变成为生物活性的RNA(即成熟RNA)。①在正常复制中，DNA链解开，两条链分别作为新互补链合成的模板；而转录则是不对称的，只有一条链作为模板。②复制时两条链保持分开，DNA-DNA子螺旋稳定；而转录时形成的DNA-RNA杂种双链不稳定，RNA链很快与DNA链分开移走。③DNA复制时，子代DNA分子大小与亲代相同；而转录时，在一个DNA分子上可以合成许多个RNA分子，它们都比通常的DNA模板小得多。4.DNA的复制与转录成RNA过程的不同点某些RNA病毒，其遗传物质是RNA，所以，其RNA的合成是通过RNA的复制方式来完成的。RNA的复制是通过RNA复制酶来完成的。如∶噬菌体Qβ，它的RNA复制酶有四个亚基(α、β、γ、δ)，只有β亚基是由噬菌体Qβ本身编码的，其余三个亚基则来自寄主。RNA复制酶对模板有高度的专一性，它们只识别病毒自身的RNA，对宿主细胞和其它病毒RNA均无反应。二、RNA的复制合成第三节蛋白质的生物合成本节主要介绍遗传物质是如何指导蛋白质合成的。蛋白质的生物合成十分复杂，几乎涉及到细胞中各种RNA和几百中蛋白质。下面以大肠杆菌为例，来介绍蛋白质的生物合成有关的问题。按照DNA分子中三个核苷酸(亦即三个碱基)组成来编码的。三个核苷酸代表一个氨基酸，这种三个核苷酸结构的密码单位叫做密码子，或称密码三联体。一、遗传密码遗传密码的特点∶①遗传密码不重迭、无标点。②密码具有通用性∶遗传密码在各类生物中是通用的。③密码子的简并性∶从密码字典可以看出，大多数的氨基酸都有两种以上的不同密码子，它们称同义密码。一种氨基酸有多种同义密码的现象称为密码简并性。它对保持生物物种的遗传稳定性具有重要意义。一、遗传密码④起始密码子和终止密码子64组密码子中有两种特殊的密码子。一种是AUG，它即是Met的密码子，又是肽链合成的起始密码；另一种是UAG、UAA、UGA，这三组密码子不编码任何氨基酸，指示肽链合成的终止位点。⑤密码子的摆动性∶tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子的碱基反响互