核酸的生物合成.ppt

第十四章核酸的生物合成第十四章核酸的生物合成第一节第一节DNA的生物合成的生物合成第二节第二节RNA的生物合成的生物合成1基因信息的传递基因信息的传递2基基 因（因（gene）l基因是基因是DNA分子的功能片段分子的功能片段l基因是为生物活性产物编码的基因是为生物活性产物编码的DNA功能片段，功能片段，这些产物主要是蛋白质或是各种这些产物主要是蛋白质或是各种RNA.lA gene is a sequence of DNA that codes for an RNA;in protein-coding gene,the RNA in turn codes for a protein.l编码序列、非编码序列编码序列、非编码序列3单细胞真核生物单细胞真核生物50005000条基因条基因多细胞真核生物多细胞真核生物1300013000条基因条基因高等植物高等植物2500025000条基因条基因哺乳动物哺乳动物40000条基因条基因人与黑猩猩的基因仅有人与黑猩猩的基因仅有2差异差异4l细胞或生物体中全部细胞或生物体中全部DNAl包括全部基因和基因间隔区域包括全部基因和基因间隔区域l人类基因组：核基因组（人类基因组：核基因组（22条常染色体条常染色体和和X/Y性染色体）、线粒体基因组性染色体）、线粒体基因组 基因组基因组62001/2/152001/2/16人类基因组（人类基因组（24条染色体）条染色体）：3.3109bp基因数目：基因数目：3000035000条条基因序列仅占总序列的基因序列仅占总序列的5%7一、复制一、复制(replication)以亲代以亲代DNA为模板合成子代为模板合成子代DNA，将遗传，将遗传信息准确地传递到子代信息准确地传递到子代DNA分子的过程。分子的过程。8(一一)DNA复制的基本特点复制的基本特点半保留复制半保留复制 子代子代DNA双链中的一条链来自母链，另双链中的一条链来自母链，另一条链重新合成。一条链重新合成。9AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+复制过程中复制过程中形成的复制叉形成的复制叉母链母链DNA子代子代DNA10复制叉：复制叉：DNA复制区复制区解链点解链点的结构呈的结构呈Y形形从起点从起点向两个方向解链向两个方向解链，形成两个复制叉，形成两个复制叉双向复制双向复制2个复制叉个复制叉单向复制单向复制1个复制叉个复制叉从复制起点双向复制从复制起点双向复制 11E.Coli 基因图基因图12oriter原核生物只有原核生物只有1 1个复制起点个复制起点13原核生物只有原核生物只有1 1个复制起点个复制起点1453oriorioriori535533真核生物的染色体有多个复制起点真核生物的染色体有多个复制起点153.3.半不连续复制半不连续复制 3 5 3 5 353解链方向解链方向5163 5 3 5 35335解链方向解链方向53.3.半不连续复制半不连续复制 173 5 3 5 35335前导链前导链后随链后随链解链方向解链方向冈崎片段冈崎片段 新链的延长只可沿新链的延长只可沿5 5 3 3 方向进行方向进行随从链的合成方向与解链方向相反随从链的合成方向与解链方向相反53.3.半不连续复制半不连续复制 184.DNA复制必须有引物复制必须有引物5.DNA复制具有高保真性复制具有高保真性 DNA复制的精确率极高，在细菌中其复制的精确率极高，在细菌中其误差率只有误差率只有10-810-1019参与参与DNA复制的主要物质复制的主要物质1.模板：解开成单链的模板：解开成单链的DNA母链母链2.底物：底物：dNTP（dATP，dGTP，dCTP，dTTP）3.RNA引物引物4.酶和蛋白质因子酶和蛋白质因子20(二二)参与参与DNA复制的主要酶类复制的主要酶类1、解链、解旋酶类、解链、解旋酶类2、引物酶和引物、引物酶和引物3、DNA连接酶连接酶4、DNA聚合酶（聚合酶（DNA-pol）211 1、解链、解旋酶类解链、解旋酶类（1）解旋酶）解旋酶(helicase)（2）拓扑异构酶（）拓扑异构酶（topoisomerase I、II）（3）单链）单链DNA结合蛋白结合蛋白(SSB)22（1）解旋酶）解旋酶(helicase)解螺旋酶解螺旋酶ATP23（2）拓扑异构酶）拓扑异构酶（Topo I、II）负超螺旋负超螺旋正超螺旋正超螺旋DNA双螺旋双螺旋盘绕过分盘绕过分盘绕不足盘绕不足24 切割切割DNA双链双链切割双链切割双链DNA中的中的一链一链Topo:Topo:Topo酶：酶：切割切割DNA链，使其松弛后再连接链，使其松弛后再连接26（3）单链单链DNA结合蛋白结合蛋白（SSB）作用：防止单链作用：防止单链DNA重新形成双链，重新形成双链，防止单链防止单链DNA被核酸酶水解。被核酸酶水解。272 2、引物酶、引物酶 5 5 RNA引物引物5 35 3283、DNA连接酶连接酶(DNA ligase)DNA连接酶连接酶ATP切口切口切口切口：双链：双链DNA一股上的一股上的 3，5-磷酸二酯键被水解磷酸二酯键被水解304、DNA聚合酶（聚合酶（DNA-pol）即依赖即依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶真核生物有多种：真核生物有多种：DNA-DNA-polpol 、原核生物至少有原核生物至少有3 3种：种：DNA-DNA-polpol、3155端端3端端CGAH底物：底物：dNTP32复制的化学反应复制的化学反应33DNA-pol 53聚合作用最强聚合作用最强3 5 5 3 3 5 DNA-pol5 3 OHP 53聚合作用聚合作用3435外切外切 5 3外切外切5 3 内切酶内切酶 5 3 35外切外切 5 3外切外切核酸外切酶与内切酶核酸外切酶与内切酶 35外切酶活性外切酶活性35DNA-pol 35外切酶活性与即时校读外切酶活性与即时校读37 DNA-pol I 5 3外切酶活性外切酶活性切除引物；切除突变片段切除引物；切除突变片段5 3 385 35 3外切酶活性外切酶活性聚合活性填补空隙聚合活性填补空隙DNA连接酶连接切口连接酶连接切口切切口口平平移移39大肠杆菌中大肠杆菌中DNADNA聚合酶聚合酶 DNA-pol 性质性质 5 3 聚合功能聚合功能 有有 有有 有有 5 3 聚合速度聚合速度 16-20 40 250-10005 3 外切酶活性外切酶活性 有有 无无 无无3 5 外切酶活性外切酶活性 有有 有有 有有 主要功能主要功能 校读校读,修复修复 修复修复 复制复制 切除引物切除引物 40 （三）（三）DNA复制过程复制过程1.1.起始起始2.2.延长延长3.3.终止终止41 DNA解成单链解成单链 特定蛋白质识别复制起点特定蛋白质识别复制起点解旋酶、解旋酶、Topo酶及酶及SSBDNA解链，解旋，形成复制叉解链，解旋，形成复制叉 倒倒Y1 1、复制的起始、复制的起始42（2）合成）合成 RNA引物引物 5 5 RNA引物引物5 35 3433 5 3 5 引物是由引物酶催化合成的短链引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。分子。引物引物3 HO5PrimasePrimase44 5 5 3 35 5dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH 33 3DNA-pol2 2、复制的延长、复制的延长465475 35 3外切酶活性水解引物外切酶活性水解引物聚合活性填补空隙聚合活性填补空隙DNA连接酶连接切口连接酶连接切口冈崎片段引物的消除和连接冈崎片段引物的消除和连接切口平移切口平移49原核生物复制原核生物复制有终止区：有终止区：和和Tus蛋白结合，蛋白结合，阻止解链酶发挥作用阻止解链酶发挥作用拓扑酶向拓扑酶向DNA分子引入超螺旋结构，进一分子引入超螺旋结构，进一步装配步装配3 3、复制的终止、复制的终止50E.Coli 基因图基因图51G1 SG2MG0 Growth and preparation forcell divisionQuiescent cellsphasephasephasephase哺乳动物的细胞周期哺乳动物的细胞周期DNA合成前期合成前期DNA合成期合成期 8hDNA合成后期合成后期有丝分裂期有丝分裂期52DAVID BALTIMORE,RENATO DULBECCO and HOWARD MARTIN TEMIN for their discoveries concerning the interaction between tumour viruses and the genetic material of the cell.改写中心法则改写中心法则 逆转录酶的发现逆转录酶的发现1975 Nobel二、逆转录二、逆转录54逆转录逆转录RNA 模板模板逆转录酶（逆转录酶（逆转录活性）逆转录活性）DNA-RNA 杂化双链杂化双链单链单链DNA逆转录酶（逆转录酶（DNA pol活性）活性）双链双链DNA逆转录酶（逆转录酶（RNase H活性）活性）逆转录酶没有逆转录酶没有35DNA外切酶活性，外切酶活性，没有校读功能，变异大没有校读功能，变异大 5556三、三、DNA损伤（突变）与修复损伤（突变）与修复 DNA损伤或突变：损伤或突变：DNA分子一级结构改变分子一级结构改变大多数突变属此类，原因不明大多数突变属此类，原因不明由理化及生物因素诱发由理化及生物因素诱发自发突变：自发突变：诱发突变：诱发突变：57 UV（一）引发突变的因素（一）引发突变的因素物理因素物理因素紫外线紫外线TT胸腺嘧啶二聚体胸腺嘧啶二聚体 58（二）突变的类型（二）突变的类型1.1.点突变点突变GAGGluGTGValHbA 肽链肽链HbA 基因基因HbS 基因基因HbS 肽链肽链60Sickle-Cell Anemia Is a Molecular Disease of Hemoglobin612.2.缺失、插入和移码突变缺失、插入和移码突变5.UCA CGA CAU AUG.3丝丝 精精 组组 蛋蛋 5.UCA GAC AUA UG.3丝丝 天天 异亮异亮 缺失缺失 正常正常移码突变移码突变 突变点以后的遗传密码全部改变，突变点以后的遗传密码全部改变，造成蛋白质的氨基酸组成和序列改变。造成蛋白质的氨基酸组成和序列改变。5.UCA GCG ACA UAU G.3丝丝 丙丙 苏苏 酪酪 插入插入 623.3.重排与重组重排与重组DNADNA分子发生较大片段的交换分子发生较大片段的交换63（三）（三）DNA损伤的修复损伤的修复 光复活酶光复活酶（可见光可见光）T-T1.1.光修复光修复TT642.2.切除修复切除修复切除切除DNA pol 修复修复DNA连接酶连接连接酶连接55335533553355335533切开切开内切酶内切酶外切酶外切酶65 由于由于DNA损伤范围较大、来不及修复就损伤范围较大、来不及修复就进行复制，复制后再修复进行复制，复制后再修复.3.3.重组修复重组修复 661.DNA损伤复制损伤复制2.recA蛋白识别蛋白识别并结合缺损链并结合缺损链3.链置换链置换4.母链修补母链修补recA复制复制链置换链置换母链修补母链修补121212674.SOS修复：修复：DNA损伤严重时的应急性修复损伤严重时的应急性修复细胞能继续生存，但细胞能继续生存，但引起引起DNA较长期的较长期的广泛的突变。广泛的突变。后果：后果：68 第二节第二节 RNA的生物合成的生物合成69 转录转录 生物体以生物体以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程的过程。TranscriptionRNADNA mRNA,tRNA,rRNA70一、参一、参与转录的主要物质与转录的主要物质原料原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板模板:DNA酶酶:RNA聚合酶聚合酶(RNA-pol)其他蛋白质因子其他蛋白质因子71（一）（一）转录模板转录模板2 结构基因结构基因 能转录出能转录出RNA的的DNA区段区段1 不对称转录不对称转录 DNA双链一股链转录，另一股链不转录双链一股链转录，另一股链不转录3 转录具有选择性转录具有选择性72人体：人体：1 1个受精卵个受精卵10101212细胞，细胞，10103 3细胞类型细胞类型 生命体的统一性源于基因组生命体的统一性源于基因组 生命体的复杂性基于蛋白质组生命体的复杂性基于蛋白质组 基因组相同 蛋白质组不同73 模板链模板链 编码链编码链5 3 5 3 RNA的合成方向总是的合成方向总是53745 5G C A G G C A G T T A C A A C A T T G G T T C C3 3 3 3C G T C A T G T A C A GC G T C A T G T A C A G5 5 DNAmRNAN Ala Val His Val C多肽链多肽链转录转录翻译翻译编码链编码链模板链模板链5 5G C A G G C A G U U A C A A C A U U G G U U C C3 3 75核心酶核心酶全酶全酶 1、原核生物、原核生物（E.Coli）的的RNA聚合酶聚合酶2 22 2 核心酶核心酶全酶全酶 亚基亚基+（二）（二）RNA聚合酶聚合酶(RNA pol)76 聚合功能聚合功能 识别转录起始点识别转录起始点 解链解链 大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶亚基的功能聚合酶亚基的功能 类型类型 主主 要要 功功 能能 决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 未知未知 772、真核生物的、真核生物的RNA聚合酶聚合酶 种类种类 转录产物转录产物 RNA pol RNA pol RNA pol mRNA snRNAtRNA、5S rRNA、snRNA 5.8S、18S和和28S rRNA783、原核、真核、原核、真核RNA聚合酶的共同特点聚合酶的共同特点不需要引物不需要引物；RNA合成方向均为合成方向均为53；能识别转录终止信号；能识别转录终止信号；只以只以1条链为模板；条链为模板；按模板的碱基顺序，遵守碱基互补原则，严格挑选正按模板的碱基顺序，遵守碱基互补原则，严格挑选正确底物，催化磷酸二酯键生成，从而把底物确底物，催化磷酸二酯键生成，从而把底物NTP聚合成聚合成RNA链；链；合成是连续进行的；合成是连续进行的；没有校读活性没有校读活性；与调节转录的多种蛋白因子相互作用，调节基因表达与调节转录的多种蛋白因子相互作用，调节基因表达79二、二、转录过程转录过程（一）原核生物：起始、延长、终止（一）原核生物：起始、延长、终止（二）真核生物：起始、延长、终止、（二）真核生物：起始、延长、终止、转录后加工转录后加工80一个转录区段一个转录区段（一）（一）原核生物转录过程原核生物转录过程 1 1、转录起始、转录起始5 3 3 5 结构基因结构基因调控序列调控序列 RNA-pol启动子启动子8110-10TTGACATATAAT转录开始转录开始0 0翻译开始翻译开始-35（Pribnow box）RNA-pol识别位点识别位点转录起始点转录起始点大肠杆菌基因的启动子大肠杆菌基因的启动子82原核生物的转录起始原核生物的转录起始亚基辨认亚基辨认-35区区RNA pol 全酶移向全酶移向-10区区合成第一个磷酸二酯键合成第一个磷酸二酯键 5-pppGpN-OH-3 亚基脱落亚基脱落（闭合复合物）（闭合复合物）（开放复合物）（开放复合物）转录起始不需引物！转录起始不需引物！83 TTGACATATAAT-35-10RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶在转录起始区的结合 84 原核生物的转录空泡原核生物的转录空泡 RNA2、转录延长、转录延长RNA聚合酶的核心酶聚合酶的核心酶-DNA-RNA85重新结合与卷曲活性中心解旋模板链RNA-DNA杂合区，含8碱基对RNARNA聚合酶非模板链转录空泡转录方向5DNA3873、转录终止、转录终止（1 1）不依赖）不依赖因子因子的转录终止的转录终止（2 2）依赖）依赖因子因子的转录终止的转录终止88RNA转录后，形成转录后，形成特殊的结构特殊的结构，以终止转录。，以终止转录。（1）不依赖不依赖因子的转录终止因子的转录终止茎环或发夹结构茎环或发夹结构8990（2）依赖依赖因子的转录终止因子的转录终止因子因子1.识别结合识别结合富含富含C的的RNA链链2.ATPase活性活性3.解螺旋酶活性解螺旋酶活性91因子因子+ATP53Polymerase富含富含C92DNA pol53RNA pol失活失活因子因子解螺旋，使解螺旋，使RNA脱落脱落935 3 DNARibosomeRNARNA Poll多个转录同时进行多个转录同时进行l转录延长与蛋白质合成同时进行转录延长与蛋白质合成同时进行原核生物原核生物94Electron micrograph of transcription95真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶 种类种类 转录产物转录产物 RNA pol RNA pol RNA pol mRNA snRNAtRNA、5S rRNA、snRNA 5.8S、18S和和28S rRNA（二）真核生物转录过程（二）真核生物转录过程96真核生物真核生物 RNA pol 识别的启动子共有序列识别的启动子共有序列调控序列调控序列 TATA盒盒 起始子起始子Y为嘧啶碱，为嘧啶碱，N为任意碱基为任意碱基98剪接剪接剪切剪切 修饰修饰添加添加三、转录后加工修饰三、转录后加工修饰99编码区编码区3非编码区非编码区5非编码区非编码区编码区编码区编码区编码区非编码区非编码区1、真核生物、真核生物mRNA前体前体（hnRNA）转录后加工转录后加工1001、真核生物、真核生物mRNA前体前体（hnRNA）转录后加工转录后加工首、尾的修饰首、尾的修饰在在hnRNA 5端加上端加上m7G在在hnRNA 3端加上端加上poly A101hnRNA 内含子内含子(intron)mRNA 外显子外显子(exon)编码序列编码序列非编码序列非编码序列剪接：剪接：剪去剪去内含子内含子，连接，连接外显子外显子103鸡卵清蛋白鸡卵清蛋白基因基因hnRNA首、尾修饰首、尾修饰hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA鸡鸡卵卵清清蛋蛋白白基基因因及及其其转转录录、转转录录后后修修饰饰编码编码386个氨基酸个氨基酸104鸡卵清蛋白成熟鸡卵清蛋白成熟mRNA与与DNA杂交电镜图杂交电镜图DNAmRNA105额外环额外环2、tRNA的转录后加工的转录后加工106tRNA的初级的初级转录产物转录产物 RNA pol IIIIntronExon2、tRNA的转录后加工的转录后加工107碱基修饰碱基修饰（2）还原反应）还原反应 如：如：U DHU （3）核苷内的转位反应）核苷内的转位反应 如：如：U （4）脱氨反应）脱氨反应 如：如：A I 如：如：A Am（1）甲基化）甲基化（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）1081093、rRNA的转录后加工的转录后加工111复制和转录的区别复制和转录的区别 112