核酸与蛋白质的生物合成.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,以四种脱氧核苷三磷酸为底物,称,dNTP,；,反应需要接受模板的指导；,反应需要有,3-OH,的引物存在；,DNA,引物的伸长方向是,5-3,；,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,拓扑异构酶（解超螺旋酶）：解开,DNA,超螺旋。,解链酶（解螺旋酶）：解开碱基对之间的氢键，形成,2,股单链。,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,拓扑异构酶,2.,参与,DNA,复制的酶,解链酶,2.,参与,DNA,复制的酶,单链,DNA,结合蛋白,2.,参与,DNA,复制的酶,A,T,C,C,A,小段,RNA,引物,引物酶,3OH,5PiPiPi,3OH,5PiPiPi,2.,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,、,、,。,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,(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,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。,转轴酶,(,又称拓扑异构酶,),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。,旋转酶,(,又称拓扑异构酶,),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,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,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,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,以,DNA,为模板，合成互补的,DNA,链，形成,DNA,双螺旋；,具有,5 3,，,3 5,外切酶的活力；,它还有核糖核酸酶,H,的活力；,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,以正链,RNA,为模板，,tRNA,为引物，反转录合成负链,DNA,。,由反转录酶的外切酶活力切除,DNA-RNA,杂交分子中的正,链,RNA,。,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,THANK YOU,SUCCESS,2025/5/23 周五,35,可编辑,反转录现象在生物学上的意义,它扩充了遗传信息传递过程中由,DNARNA,的中心法则；,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,、,、,和,五个亚基，没有,亚基的酶称为核心酶。,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,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,要求模板方向,3,5,；,不需要引物，可以从头起始合成；,新链的延伸方向是,5,3,；,底物是四种,NTP,；,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,、,、,，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,启动部位此处有,RNA,链的第一个核苷酸。,Pribnow,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。,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,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，,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,35,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,不需终止蛋白,因子帮助的终止；,需要,因子帮助的终止。,需要,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,.,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,.,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),。,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。,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。,DNA,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,Q,，它的,RNA,复制酶有四个亚基,(,、,、,、,),，只有,亚基是由噬菌体,Q,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,遗传密码不重迭、无标点。,密码具有通用性遗传密码在各类生物中是通用的。,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,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。,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补配对识别时，密码子的第一、二位碱基与反密码子的配对是标准的,A-U,、,G-C,配对，而密码子的第三位碱基与反密码子的配对不很严格，这种现象称为密码子的摆动性。,一、遗传密码,密码子的摆动性大大提高了,tRNA,阅读,mRNA,的能力，如反密码子的,G,可以与,C,、,U,配对，,I,可以与,U,、,C,、,A,配对。,一、遗传密码,核糖体是细胞内合成蛋白质的场所，在蛋白质合成的复杂过程中，它起到把,tRNA,、,mRNA,及多种酶和蛋白因子的作用协调起来的分子机器的作用。,核糖体由,r RNA,和多种蛋白质组成，其中蛋白质占,1/3(55,种,),，,rRNA,占2/3(3种，它们的沉降系数分别是5,S,、,16,19S,和2329,S),。,二、核糖体,rRNA,在核糖体中的作用可能是保持核糖核蛋白体具有特殊的三维空间结构，使,mRNA,和,tRNA,得以结合在适当的位置上。核糖体由大小两个亚基组成，其结构模型,在细菌中，核糖体,70S=,大亚基,50S+,小亚基,30S,，在动物细胞中，核糖体,80S=60S+40S,二、核糖体,蛋白质合成的过程可分为三个阶段,1),合成的准备阶段,2),多肽链的合成,3),合成后的加工,1.,蛋白质合成前的准备,氨基酸的活化,三、蛋白质合成的过程,氨基酸在氨基酸,-tRNA,合成酶的作用下，活化成氨基酰,-tRNA(,氨基酸是以高能酯键与,tRNA,的,3,-,末端腺苷酸的,2,或,3,的羟基相连的,),。,AA+tRNA+ATP AA,tRNA+AMP+Ppi,该酶分子上有氨基酸和,tRNA,两种底物的专一性结合点。每一种,tRNA,只专一携带一种氨基酸，而一种氨基酸可分别被几种,tRNA,专一携带,(,因为有密码简并现象,),。,tRNA,凭借自身的反密码子与,mRNA,上的密码子相识别，而把所携带的氨基酸定位在肽链的一定位置上。,1.,蛋白质合成前的准备,(1),起始氨基酸和起始,tRNA,起始密码为,AUG(,少数是,GUG),原核生物肽链合成起始氨基酸都是甲酰蛋氨酸,(fMet),。,fMet,是由甲酰四氢叶酸提供甲酰基，甲酰化酶催化蛋氨酸的,-NH2,甲酰化产生的。携带,fMet,的,tRNA,用,fMet-tRNAf,来表示，以区别于,Met-tRNAMet,。,起始复合物的形成,2.,肽链的合成过程,fMet-tRNA,f,AA,tRNA,2.,肽链的合成过程,(2),肽链的延伸,此阶段包括氨基酰,-tRNA,的进入、肽键的形成和核糖体的移位三个步骤。,这三步每重复一次，肽链上就增加一个氨基酸，直到,mRNA,上的终止密码出现在核糖体的,A,位时为止。,2.,肽链的合成过程,2.,肽链的合成过程,(3),肽链合成的终止,肽链的合成过程同时也是核糖体沿,mRNA5,3,方向移动，并翻译,mRNA,上密码子的过程。当,核糖体移到终止密码时，没有相应终止密码的氨基酰,-tRNA,可以进入,A,位，肽链合成停止。,有三种终止因子,(RF1,、,RF2,、,RF3),参与终止步骤。,RF1,识别终止密码,UAG,、,UAA,；,RF2,识别,UAA,、,UGA,；,RF3,促进,RF1,、,RF2,的识别。,2.,肽链的合成过程,RF,1,、,RF,2,结合到核糖体后，使转肽酶构象转变，表现出水解酶活力，催化肽酰基与,tRNA,的酯键水解，合成的肽链便从核糖体上释放下来。,空载的,tRNA,接着从核糖体上脱落，核糖体便解离成,50S,和,30S,两个亚基离开,mRNA,，一条多肽链的合成便告结束。,2.,肽链的合成过程,(4),多核糖体结构,实验发现，细胞内一条,mRNA,可以结合多个核糖体，呈念珠状，这一结构称为多核糖体结构。,这是由于在蛋白质合成中，核糖体总是首先结合于,mRNA,的,5,-,端，从起始密码,AUG,开始，沿,5,3,方向翻译密码子，合成多肽链，当移动一段距离后，第二个核糖体又可以和空出来的,mRNA,的,5,-,端结合，沿,5,3,方向进行翻译。,多核糖体结构大大提高了,mRNA,的翻译效率。,2.,肽链的合成过程,2.,肽链的合成过程,THANK YOU,SUCCESS,2025/5/23 周五,69,可编辑,