1、Chapter 9 Transmission of genetic information,第九章 核酸的生物合成,第一节 概述,Section 1 Overview,DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分子，从而决定生物的表现型。DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则。,在RNA病毒中，其遗传信息贮存在RNA分子中。因此，在这些生物体中，遗传信息的流向是RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代，通过反转录将遗传信息传递给DNA，再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质。,第二节 DNA的生物合成,Section 1 Biosynthes
2、is of DNA,DNA生物合成的方式主要包括DNA复制、修复及逆转录。 DNA复制是指在生物体内以亲代DNA分子的两条链为模板，合成两个子代DNA分子的过程。逆转录是指利用RNA为模板。指导DNA合成的过程，这是RNA病毒特有的一种遗传信息传递的特征。,DNA在复制时，亲代DNA双螺旋解开成为两条单链，各自作为模板，按碱基配对规律，合成与模板互补的新链。形成两个子代DNA分子，每一子代DNA分子中都保留有一条来自亲代的链，另一条单链则完全从新合成。这 种DNA的复制方式称为半保留复制。,一、半保留复制,DNA半保留复制示意图,AGGTACTGCCACTGG,TCCATGACGGTGACC,
3、CCACTGG,GGTGACC,AGGTACTG,TCCATGAC,TCCATGAC,AGGTACTG,AGGTACTGCCACTGG,TCCATGACGGTGACC,AGGTACTGCCACTGG,TCCATGACGGTGACC,+,母链DNA,复制过程中形成的复制叉,子代DNA,DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起始点(origin) 。 DNA 的复制是一个复杂的核苷酸聚合过程，需要多种酶体系、蛋白因子及相关物质的参与。主要有：底物、模板、引物、DNA聚合酶、引物酶、DNA连接酶、拓扑异构酶、解旋酶及DNA单链结合蛋白（SSB）。,二、参与复
4、制的酶及蛋白因子,以四种三磷酸酸脱氧核苷为底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP （ dNTP ）。,（一）底物,DNA复制是模板依赖性的，必须要以亲代DNA链作为模板。亲代DNA的两股链解开后，可分别作为模板进行复制。,（二）模板(template),（三）DNA聚合酶,全称：依赖DNA的DNA聚合酶 活性：1. 53 的聚合酶活性 2. 53及35核酸外切酶活性,3 5外切酶活性,5 3外切酶活性,?,DNA聚合酶的活性,53 的聚合酶活性,在原核生物中，目前发现的DNA聚合酶有三种，分别命名为DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），这三种酶都
5、属于具有多种酶活性的多功能酶。参与DNA复制的主要是pol 。,DNA聚合酶催化反应的特点,以单链DNA为模板，dNTP作为底物；严格遵循碱基配对规律；催化dNMP以3，5-磷酸二酯键相连；需要引物来延伸DNA链。,引物酶(primerase)本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶，该酶以DNA为模板，聚合一段RNA短链引物，以提供自由的3-OH，使子代DNA链聚合延长。,（四）引物酶,（五）DNA拓扑异构酶,能够松解DNA超螺旋结构的酶。,解链过程中正超螺旋的形成,DNA拓扑异构酶的作用机制,解螺旋酶(helicase) ，又称解链酶或rep蛋白，是用于解开DNA双链的酶蛋白。,（六）解螺旋酶
6、,单链DNA结合蛋白（SSB），又称螺旋反稳蛋白(HDP)，是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子。,（七）单链DNA结合蛋白,SSB的生理作用,使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在，即稳定单链DNA，便于其作为模板复制子代DNA；保护单链DNA，避免核酸酶的降解。,DNA连接酶(DNA ligase)可催化两段DNA片段之间磷酸二酯键的形成，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。,（八）DNA连接酶,HO,5,3,5,3,3,5,5,3,DNA连接酶的连接作用,P,DNA复制是一个复杂的过程，可分为三个阶段：起始延伸终止,三、DNA生物合成过程,DNA复制过程简图,由于DNA分子的两
7、条链反向平行，而新链的合成总是按53方向进行，因此新合成的链中有一条链延伸的方向与复制叉前进的方向一致，能连续合成，称领头链；而另一条链延伸方向与复制叉前进方向相反，只能分段合成DNA短片段再连接，称随从链。DNA的合成是半不连续复制。冈崎片段：DNA复制过程中不连续的DNA片段。,复制的终止,（一）由 RNA酶去除引物，DNA聚合酶I填补缺口,（二）在DNA连接酶的催化下连接冈崎片段,5,5,随从链上不连续性片段的连接,四、DNA突变与修复,DNA突变或基因突变是指由自发的或环境的因素，引起DNA分子中碱基的改变，也称DNA损伤。,（一）突变的意义,（一）突变是进化、分化的分子基础（二）突变
8、导致死亡（三）突变是某些疾病的发病基础,1.物理因素：由紫外线、电离辐射、X射线等。 紫外线引起DNA分子结构中出现嘧 啶二聚体。2.化学因素：主要有烷化剂、苯类、亚硝酸盐和 抗生素及类似物。3. 生物因素：病毒和噬菌体的感染，导致基因突 变。,（二）引起突变的因素,五、逆转录,DNA合成的另一种方式是，在RNA病毒体内，以RNA为模板合成DNA，由于遗传信息的流向与转录相反，故称逆转录，由逆转录酶催化。,第三节 RNA的生物合成 (转录),Section 3 RNA Biosynthesis, Transcription,在RNA聚合酶的催化下，以一段DNA链为模板合成RNA，从而将DNA所
9、携带的遗传信息传递给RNA的过程称为转录（transcription）。,原料：NTP （ATP, UTP, GTP, CTP）。模板：单链DNA。酶：RNA聚合酶（DDRP，RNA-pol）。其他蛋白质因子：如转录因子、终止因子等。,一、参与转录合成的物质,5GCAGTACATGTC 3,3 c g t g a t g t a c a g 5,编码链（反义链）,模板链（有意义链）,结构基因的单股DNA链作为模板，能转录生产RNA的DNA区段，称为结构基因。,（一）转录的模板,又称为依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP）。该酶在单链DNA模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下，不需要引物，即可从53
10、聚合RNA。,（二）RNA聚合酶（DDRP）,原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构成，即2。亚基与转录起始点的识别有关，在转录合成开始后被释放；余下的部分（2）被称为核心酶，与RNA链的聚合有关。,原核生物的RNA聚合酶,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),原核生物RNA聚合酶的核心酶和全酶,（一）转录起始 RNA 聚合酶的因子识别启动子，并以全酶形式与启动子结合； RNA 聚合酶将DNA双链局部解开，使模板暴露； RNA 聚合酶全酶催化两个游离的三磷酸核苷形成第一个磷酸二酯键； 因子从全酶上脱落下来。,二、原核生物的转录过程,RNA聚合酶全酶在转录起始区的
11、结合,因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿DNA链移动，按照碱基互补原则，以53方向进行延伸，不断聚合RNA。 延伸的过程中，DNA继续解链，以暴露出模板。,（二）转录延长,RNA转录的延长,RNA转录合成的终止机制有两种： 1依赖因子的转录终止 2不依赖的转录终止,（三）转录终止,真核生物转录生成的RNA分子是初级RNA转录物，称为核不均一RNA（hnRNA），几乎所有的初级RNA转录物都要经过加工，才能成为具有功能的成熟的RNA。 主要方式有：剪切、剪接、碱基修饰、编辑和添加等反应。,三、真核生物mRNA的转录后加工,1. 5-端帽子结构的形成： 5 m7GpppGp- 2. 3-端多聚A
12、尾的加入 3. hnRNA 的剪接 4. RNA 的编辑,mRNA的转录后加工,编码区 A、B、C、D（外显子）,非编码区（内含子）,真核生物结构基因，由若干个编码区（外显子）和非编码区（内含子）互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质。,外显子结构基因中能够指导多肽链合成的编码顺序。内含子不能指导多肽链合成的非编码顺序。,都以DNA为模板；都需依赖DNA的聚合酶；聚合过程每次都只延长一个核苷酸，以3, 5-磷酸二酯键相连；链的延长方向都是5 3。,复制和转录的相同点,复制和转录的区别,引物 需要合成引物 不需要合成引物,第四节 蛋白质的生物合成
13、(翻译),Section 4 Protein Biosynthesis，Translation,基因表达：是指基因通过转录、翻译等过程合成具有生物活性蛋白质的过程。翻译：将DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体转译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程。,一、蛋白质的生物合成体系,蛋白质的生物合成体系包括：原料：氨基酸模板：mRNA 运载氨基酸的各种tRNA核糖体（由rRNA和核糖体蛋白构成）活化氨基酸的酶：氨基酰- tRNA合成酶催化肽键形成的酶：转肽酶各种蛋白因子,（一）mRNA模板及遗传密码,作为指导蛋白质生物合成的模板，mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称
14、为密码（codon）。遗传密码共有64种，其中：,起始密码: AUG终止密码: UAA，UAG，UGA,5.A U G G C A G U A C A U U A A 3,遗传密码表,遗传密码具有以下特点：方向性：mRNA 中的密码子按5 3方向排列；连续性：两个密码子之间没有任何间隔；简并性：一种氨基酸具有两个或两个以上密码 子的现象；摆动性：mRNA密码子的第三位碱基与tRNA的反密码子 第一位碱基辨认配对时，不完全遵守碱基配对原 则；通用性：一般来说，所有生物公用一套遗传密码子。,连续性(non-punctuated),编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基
15、之间既无间隔也无交叉。,摆动性(wobble),反密码子与密码子之间的配对有时并不严格遵守常见的碱基配对规律，这种现象称为摆动配对(wobble base pairing)。,U,3 2 1,1 2 3,摆动配对,（二）核糖体,核糖体由大小两个亚基组成。核蛋白体是多肽链合成的场所，是由多种rRNA与蛋白质组装形成的复合体。大亚基上有两个主要的结合位点，这两个相邻的位点与mRNA上相邻的两个密码子位置对应。 A位：又称受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合； P位：又称给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合； E位：又称排出位，空载tRNA脱离核蛋白体前的结合位点；,原核生物翻译
16、过程中核蛋白体结构模式,A位：氨基酰位(aminoacyl site),P位：肽酰位(peptidyl site),E位：排出位(exit site),（二）蛋白质因子,起始因子（initiation factor，IF）延长因子（elongation factor，EF）释放因子（release factor，RF）,参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能,（一）氨基酸的活化（二）肽链的生物合成（三）肽链形成后的加工和靶向输送,二、反应过程,（一）氨基酸的活化,在蛋白质的生物合成中，tRNA是氨基酸的活化和运输的工具：氨基酸的活化是指氨基酸与特异tRNA结合形成氨基酰-tRNA的过程
17、，由氨基酰-tRNA合成酶催化。,（二）肽链的生物合成,蛋白质肽链的生物合成包括起始、延长及终止三个阶段。1、mRNA的密码子是从5 3方向阅读；2、肽链的氨基酸序列是从N端C端合成。3、肽链合成的第一个起始氨基酸是甲酰甲硫氨酰-tRNA (甲酰蛋氨酰-tRNA）。,起始,1. 核蛋白体大小亚基分离；2. mRNA在小亚基定位结合；3. 起始氨基酰-tRNA的结合； 4. 核蛋白体大亚基结合。,IF-3,IF-1,1.核蛋白体大小亚基分离,IF-3,IF-1,2.mRNA在小亚基定位结合,IF-3,IF-1,起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAfMet )结合到小亚基,IF-3,IF-1,I
18、F-2,GTP,GDP,Pi,4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,起始复合物形成过程,1. 进位/注册2. 成肽3. 转位,延长（通过核糖体循环实现）,每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,进位,fMet,fMet,成肽转位下一轮进位,肽链合成延长(核蛋白体循环)过程,终止,指核蛋白体A位出现mRNA的终止密码子后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体大、小亚基等分离的过程。,原核肽链合成终止过程,多肽链合成终止演示,RF,（三）肽链形成后的加工和靶向输送,1、多
19、肽链的折叠与蛋白质空间结构的形成；2、N-端甲酰甲硫氨酰残基的切除；3、个别氨基酸的修饰；4、部分肽段的切除；5、辅基的连接和亚基的聚合。,四、蛋白质生物合成与医学,蛋白质生物合成是很多抗生素和某些毒素的作用靶点，它们通过阻断蛋白质生物合成体系某些组分的功能，干扰和抑制真核、原核生物蛋白质合成过程发挥作用。,蛋白质生物合成的干扰和抑制,抗生素(antibiotics)是一类由某些真菌、细菌等微生物产生的药物，有抑制其他微生物生长或杀死其他微生物的能力，对宿主无毒性的抗生素可用于预防和治疗人、动物和植物的感染性疾病。,常用抗生素抑制蛋白质生物合成的原理与应用,一、名词解释：半保留复制 转录 翻译 模板链与编码链 遗传密码 二、填空：1DNA复制时，连续合成的链称为_链；不连续合成的链称为_链。2DNA合成的原料是_；复制中所需要的引物是_。3DNA的半保留复制是指复制生成两个子代DNA分子中，其中一条链是_，另有一条链是_。4以DNA为模板合成RNA的过程为_，催化此过程的酶是_。5RNA的转录过程分为_、_和_三个阶段。 6.翻译时多肽链的延伸方向是从 端到 端。 8.核蛋白体循环过程分为 、 和 三个阶段。9.核蛋白体大亚基上结合 部位称为受位,结合 的部位称为给位。10.mRNA分子上起始密码总位于 端，终止密码总位于 端。,
