核酸的生物合成本主要讨论的生物合成即课件.ppt

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1、关于核酸的生物合成本主要讨论的生物合成即第1页，此课件共34页哦第一节第一节DNA的复制与修复的复制与修复研究DNA复制的目的就是要了解三个问题。第一、子代第一、子代DNA为什么能够直接地获得新为什么能够直接地获得新DNA的遗传信息的遗传信息?第二、复制是怎样进行的第二、复制是怎样进行的第三、生物体是怎样对第三、生物体是怎样对DNA复制进行调控的复制进行调控的?一、一、DNA的半保留复制的半保留复制(P321图图19-1P321图图19-1)在DNA复制过程中，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条则是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。实验证明见课本。生生物物意意义义：DNA的半保留复

2、制机制可以说明DNA在代谢上的稳定性。第2页，此课件共34页哦第3页，此课件共34页哦（一）、反应所需的条件及反应的特点：（一）、反应所需的条件及反应的特点：(1)原料原料(或底物或底物)：四种5三磷酸脱氧核苷(dNTP)，缺一不可。(2)模板及辅助因子模板及辅助因子：DNA模板、Mg2+(或Mn2+)或DNA二条链(一条链为模板，一条链为引物)(3)引物链引物链：具有自由3-OH的RNA或DNA片段(约10个核苷酸)(4)反应反应：由引物末端3-OH与进入的5三磷酸脱氧核苷的磷酸残基化合，生成酯键(35磷酸二酯键，并脱下焦磷酸)(5)方向方向：DNA链由53方向延长(6)能量能量：来自与之间

3、的高能磷酸键裂解(7)四种四种dNTP参加反应的先后顺序参加反应的先后顺序，由DNA模板决定，受碱基配对支配；而不受四种dNTP相对浓度的影响。(8)产物产物DNA的性质与模板相同的性质与模板相同。这说明DNA聚合酶是一种模板指导的酶。第4页，此课件共34页哦二、参加复制过程的主要酶及作用二、参加复制过程的主要酶及作用DNA是由脱氧核糖核苷酸聚合而成，参加聚合反应的酶包括多种DNA聚合酶以及DNA连接酶。（一）大肠杆菌中（一）大肠杆菌中DNA聚合酶：聚合酶：(含含Zn2+)（DDDP）(1)DNA聚合物聚合物(又称又称Kornberg酶酶)的特殊作用：的特殊作用：(是一个多功能酶是一个多功能酶

4、)去去除除引引物物及及填填补补间间隙隙作作用用：在DNA复制过程中，可将引物RNA水解下来，并催化合成DNA片段以填补间隙。DNA聚合酶作用：聚合酶作用：催化DNA链由53方向延长。校校正正错错误误作作用用：它可将DNA链的末端接上的错误核苷酸水解下来，然后再催化接上一个正确的核苷酸。即由3端水解DNA链，具有35核酸外切酶的作用。修修复复损损坏坏及及变变异异作作用用：即由5端水解DNA链，具有53核酸外切酶作用。(详见后面介绍)由由3端使端使DNA链发生焦磷酸解。链发生焦磷酸解。催化无机焦磷酸盐与脱氧核糖核苷三磷酸之间的焦磷酸基交换催化无机焦磷酸盐与脱氧核糖核苷三磷酸之间的焦磷酸基交换。第5

5、页，此课件共34页哦(2)DNA聚聚合合酶酶特特殊殊作作用用：目前尚不大清楚，可能在DNA修复中起作用。(3)DNA聚聚合合酶酶的的特特殊殊作作用用：主要参与绝大多数新的DNA的合成。DNA聚合酶M.W.109Kdal单一多肽链，聚合1000个核苷酸/分/分子DNA聚合酶M.W.120Kdal单一多肽链，聚合2000个核苷酸/分/分子DNA聚合酶M.W.180Kdal单一多肽链，聚合50000个核苷酸/分/分子第6页，此课件共34页哦(二二)DNA连连接接酶酶及及作作用用：DNA聚合酶能催化DNA片段及链的延长合成，但不能将DNA断片连接起来，这种连接反应是由DNA连接酶来催化的。DNA连接酶

6、不单是DNA复制所必需的，而且也是在DNA损伤修复及基因重组中不可缺少的酶。连接双股DNA中的一股存在的缺口，不能连接单股DNA。第7页，此课件共34页哦(三三)拓扑异构酶：拓扑异构酶：生物体内生物体内DNA分子通常处于负超螺旋状态分子通常处于负超螺旋状态.第8页，此课件共34页哦拓扑异构酶的作用第9页，此课件共34页哦拓扑异构酶的作用拓扑异构酶的作用是使DNA的超螺旋的圈数增加或者减少。此作用需要ATP分解提供能量。第10页，此课件共34页哦(四四)DNA解螺旋酶及单链结合蛋白解螺旋酶及单链结合蛋白(SSB)：第11页，此课件共34页哦(五五)引发酶引发酶(引物合成酶引物合成酶)又称特定的又

7、称特定的RNA聚合酶聚合酶根据DNA的顺序合成RNA引物，本质上是RNA聚合酶 RNA引物引物（约10个核苷酸的RAN片段）是由引 发酶（引发体）来合成的，合成时不需要引物，其碱基与一般模板DNA配对，合成的方向是53。第12页，此课件共34页哦三、三、DNA的半不连续复制的半不连续复制第13页，此课件共34页哦DNA解链后，DNA聚合酶即以分开了的两条多核苷酸链为模板进行复制。DNA两条链都能作为模板。以复制叉向前移动的方向为标准，走向为35的模板链上的DNA能以53方向连续合成，直到所需的长度，这条链能连续合成称为前导链前导链，而另一条走向为53的模板链却不能连续合成，称为滞后链滞后链。1

8、968年日本学者冈崎等提出了DNA的不连续复制模型，认为需先合成一些约为10002000个核苷酸(真核生物为100200个)DNA片段(称为冈崎片段冈崎片段)，其合成方向也是53，但与复制叉移动的方向相反，这些片段合成后可在DNA连接酶作用下拼接起来，直到其长度与前导链相等。DNA这一复制过程称为半不连续合成半不连续合成(Semidis-continous)。第14页，此课件共34页哦四、四、DNA复制的主要过程：（见复制的主要过程：（见P342图图19-17）1、拓扑异构酶可引入负超螺旋而造成DNA双链断裂，以便于解螺旋酶的作用。2、解螺旋酶将双股螺旋解开，形成复制岔口(复制叉)。3、单链结

9、合蛋白质(SSB)结合于每股链上，以维持两链处于分开状态。4、引物合成酶催化合成RNA引物。5、DNA聚合酶催化合成新的DNA的前导链及冈崎片断。6、DNA聚合酶切除引物，并合成DNA片段以填补空隙。7、DNA连接酶将冈崎片断拼接起来，以完成滞后链的合成。第15页，此课件共34页哦五、真核生物五、真核生物DNA的复制：的复制：复制条件、酶及因子复制条件、酶及因子 等均与原核生物相似。等均与原核生物相似。特点特点1、真核生物DNA复制的冈崎片断约为200bp，相当于一个核小体DNA的长度。（小于原核生物：10002000bp）2、复制速度比原核生物慢，基因组较大，但真核生物染色体DNA上有许多复

10、制起点，它们可以分段进行复制。细菌的DNA复制叉移动速度为5万bp/分；哺乳动物则为1千3千bp/分。3、真核生物一个复制起点一般发动一次复制过程，快速生长往往采用更多的复制起点。原核生物：一个起点可连续发动复制。4、真核生物在复制子上，由于其染色体是以核小体为结构单位组成，因此在其复制时涉及到亲代DNA链与组蛋白八聚体的解开和子代DNA与组蛋白的重新组装。第16页，此课件共34页哦六、六、DNA复制调控复制调控(了解了解)：1963年 Jacob等提出复制子模型（即一个复制单位）：（P 344）它的一个结构基因能产生一种蛋白质起始因子（initiator）,具有 感受细胞内信号、识别复制基因

11、、促使复制开始等作用。复制子中存在正、负调节系统，调控机制很复杂。第17页，此课件共34页哦七、七、DNA损伤及修复：损伤及修复：（一一）DNA损损伤伤：指DNA分子的一级结构的任何异常改变，包括异常修饰和顺序改变。可分为自发的损伤自发的损伤和环境因子引起的损伤环境因子引起的损伤。1、物理损伤物理损伤：V辐射、电离辐射。（放射性同位素粒子、x射线）可使DNA分子中出现：TT（二聚体）防碍复制、转录等。2、化学损伤化学损伤：主要有亚硝酸、亚硝基胺、甲基化试剂、碱基类似物等改变碱基配对顺序，影响DNA正常复制。如：亚硝酸（HNO2）可使A变成I（脱NH3）C变成U（脱NH3）第18页，此课件共34

12、页哦(二二)DNA修复：修复：目前已知细胞内有四种修复系统：光复活；切除修复(复制前修复)；重组修复(复制后修复)；诱导修复和应急反应（SOS），后三种又称为暗修复。修复工作相继由四种酶催化，分为四步进行：（参见参见P348，图图19-24右半部）右半部）切开（特异的核酸内切酶催化）切开（特异的核酸内切酶催化）：切开二聚体的5端一侧，切除（核酸外切酶催化）切除（核酸外切酶催化）：切除含二聚体的片断。修修复复（DNA聚聚合合酶酶催催化化）：在敞开的3-OH上逐个接上正确的脱氧核苷，形成与另一链有互补关系的短链。连连接接（DNA连连接接酶酶）：将新合成的正确片段3-OH与切去缺陷片断后而敞开的5-

13、P，拼接起来。生生物物学学意意义义：能使正常机体在内外环境因子高速度变化的条件下，保持遗传信息稳定和复制的准确性。第19页，此课件共34页哦第二节第二节RNA的生物合成与加工的生物合成与加工现已肯定：细胞内所有RNA都是以DNA为模板在胞核中合成，其绝大部分进入胞液中，发挥其指导蛋白质合成的功能，只有小部分留在胞核中起结构及调节作用。RNA：分分为为三三种种：mRNA(信信使使RNA)、tRNA(转转运运RNA)、rRNA(核糖体核糖体RNA)。mRNA：将从DNA转录来的遗传信息传递给蛋白质，作为蛋白质合成的直接模板。一分子mRNA，可表达一个或一组基因。tRNA：将活化了的AA运送到核蛋白

14、体供给合成蛋白质之用。rRNA：组成核蛋白体(核糖体)，作为细胞内蛋白质合成场所，细胞内RNA的合成可由DNA指导的RNA聚合酶、RNA指导的RNA聚合酶、多核苷酸磷酸化酶等催化。但但转转录录作作用用只只有有在在DNA指导的指导的RNA聚合酶的作用下才发生。聚合酶的作用下才发生。第20页，此课件共34页哦一、一、DNA指导的指导的RNA聚合酶的作用：（聚合酶的作用：（DDRP）第21页，此课件共34页哦（一）反应所需条件及反应特点：（一）反应所需条件及反应特点：1、原料、原料(或底物或底物)：四种5-三磷酸核苷(NTP)缺一不可。2、模模板板及及因因子子：DNA模板、Mg2+或Mn2+，一般双

15、链中只有一条链作为转录的模板链。3、反应进入的核苷酸的、反应进入的核苷酸的5-P与另一核苷酸的与另一核苷酸的3-OH形成磷酸二酯键。形成磷酸二酯键。4、反应方向：、反应方向：53。5、四四种种NTP参参加加的的先先后后顺顺序序：由DNA模板决定，受碱基配对支配，而不受四种NTP相对浓度影响。第22页，此课件共34页哦（二）与（二）与DNA聚合酶的不同之处聚合酶的不同之处1、不需要引物；不需要引物；2、作用方式不同；作用方式不同；DNA碱基顺序的转录是通过全保留方进行的。3、不具有核酸酶的活性不具有核酸酶的活性(RNase或或DNase的活性的活性)第23页，此课件共34页哦(三三)RNA聚合酶

16、的种类和组成：聚合酶的种类和组成：1、大肠杆菌的大肠杆菌的RNA聚合酶组成：聚合酶组成：全全酶酶分子量约为46万；它包括两条链链(2)、一条链链()、一条链链()、一分子因因子子（），其中因因子子的的功功能能是是识识别别模模板板上上特特殊殊起起始始点点，使DDRP结合到DNA启动子上，故在转录开始后即被释放，剩余2部分称为核核心心酶酶，催化转录继续进行。2 2、现真核细胞中有酶、现真核细胞中有酶(A)、酶酶(B)、酶酶(C)都是金属酶。都是金属酶。（含Zn2+、Mg2+、或.Mn2+）它们的结构分布部位及功能都不完全相同酶分布于核仁中，催化合成核仁的rRNA(18s、28s、5.8s)酶在核质

17、中催化合成mRNA的前体及病毒RNA酶在核质中催化合成5sRNA及tRNA。除了上述细胞核RNA聚合酶外，还分离到线粒体RNA聚合酶和叶绿RNA体聚合酶。其功能详见P362。第24页，此课件共34页哦二二、转转录录的的基基本本步步骤骤：有有四四个个步步骤骤(有有的的称称三三个个步步骤骤)：见见P361图图20-2识别识别：对双链DNA特定部位的识别。起始起始：聚合作用即转录的开始。延长延长：RNA链的延长。终止终止：聚合作用停止。（一）识别起始：（一）识别起始：1：识别：识别：原核细胞RNA聚合酶的因子能辨认DNA模板链上的起始位点。（该位点被叫作启动基因或启动子）。起始点约由611个核苷酸构

18、成，且具有一定的排列顺序，RNA聚合酶与起始点结合子前，DNA的两条链必须解开，具体是由于什么因子的作用尚不清楚。总之，识别可能是RNA聚合酶在一些辅助因素的协作下与DNAA链上起始点结合的步骤。2：起始：头：起始：头两个与DNA链上碱基配对的NTP依次进行聚合作用形成第一个磷酸二酯键。其中第一个核苷酸80%以上都是嘌呤，大多是GTP、（或ATP）。：DNA模板链走向：35RNA的合成方向：53第25页，此课件共34页哦（二）延长：（二）延长：当RNA链合成开始后，因子就脱落下来，可与另一核心酶结合而被重新使用。为了能沿模板移动，全酶必须放松对DNA的结合，这些变化使得：此时RNA聚合酶构象改

19、变：全酶核心酶+因子。参见P361。核心酶可沿DNA链滑行向前，利用NTP为原料，连续合成RNA，不断延长RNA链，延伸时所合成的多核苷酸链并不全保留在模板上，对一条RNA合成链而言，在任何时候只有一个连接点，该点沿DNA链移动，连续转录出相同的RNA产物。当核心酶滑向前时，已被转录的DNA前段分开的部分链又重新并合，形成双螺旋，这一开一合逐步不断进行，直到转录过程结束。第26页，此课件共34页哦（三）终止（三）终止 在DNA分子上有终止转录的特殊信号（终止子）终止子），这些信号一些可被RNA聚合酶自身识别，另一些则需因子帮助(终止辅助因子，又称终止因子终止因子)。不依赖于不依赖于的终止子的终

20、止子(简单终止子简单终止子)：现已弄清许多DNA分子的终止区域，发现在终止点之前有一双重对称的G与C丰富区，紧接着还有一A和T多的排列顺序。因此在些区域内转录的RNA能自身互补(GC)而形成发夹形结构，AT丰富区有一连串的AAAA，故新生RNA链终止末端带有多个U残基(UUUU),很可能在这些结构中一个或多个即是终止信号。依依赖赖于于的的终终止止子子：在某些终止点有种特殊蛋白质蛋白(rhoprotein)，其分子量为5.5万，能辩认终止信号，并与酶结合，以阻止核心酶再向前滑动，于是转录作用停止，并释放出产物RNA、因子、RNA聚合酶。在依赖因子的终止点处，RNA聚合酶只是在此暂停，但不终止，需

21、的帮助，才能停止转录。（1）E.Coli中存在两类终止子中存在两类终止子：不依赖于的终止子(简单终止子)。依赖于的终止子。第27页，此课件共34页哦（2）因子具有两种活性：因子具有两种活性：a、终止转录；b、依赖于RNA的核苷三磷酸酶(NTPase)。因此提出了一个终止转录模型。第28页，此课件共34页哦第29页，此课件共34页哦三、转录的不对称性：三、转录的不对称性：在转录过程中作为模板的DNA大多为双链的，实验证明，不管任何一个基因(DNA片断)，其DNA双股链中都只有一股被转录，即所谓的不对称转录。究竟DNA双链的哪一条上带有被转录的信息呢?目前认为没有一定的约束和规定四、一些名词：四、

22、一些名词：(一一)启动子（启动子（promoter）和转录因子；和转录因子；(二二)终止子终止子(terminator)和终止因子；和终止因子；(三三)操纵子操纵子(operon)详见详见P367转录过程的调节控制转录过程的调节控制第30页，此课件共34页哦五、五、RNA的转录后加工的转录后加工(RNA的成熟的成熟)：P369(一一)RNA前体的加工处理前体的加工处理(修饰作用修饰作用)主要包括：主要包括：1、剪切：5或3端的切除2、链的裂解：3、特殊结构的形成：如mRNA5帽子的形成。4、碱基或糖的修饰：如甲基化。5、拼接：切除内含子，拼接外显子。(二二)tTNA前体的加工：前体的加工：1、

23、切除：、切除：用核酸内切酶、核酸外切酶切除5端和3端的附加序列。2、碱基修饰：、碱基修饰：特异的修饰酶催化。第31页，此课件共34页哦3、加上、加上3-CCAOH结构结构，它对于接受氨酰基的活性是必要的，该反应是由tRNA核苷酰转移酶催化进行，由CTP和ATP供给胞苷酸和腺苷酸。成熟tRNA分子较小(MW2.4万3.1万)，沉降系数4s，具有二个功能部位(3-CCAOH即AA臂；反密码环)。tRNA种类多(50多种)，而体内AA只有20种，故可有几种tRNA转运同一种AA称为同功受体tRNA，如转运苯丙氨酸的二种tRNA可用tRNAphe表示。（三）（三）rRNA的前体加工：的前体加工：占细胞内RNA总量的80%，由于rRNA和prot结合存在，核蛋白体在功能上须反复使用，所以代谢比较稳定。，rRNA包括28s、18s、5.8srRNA，在核仁中合成；5srRNA在核质中合成。转录后rRNA前体的加工过程主要包括：拼接、断裂、甲基化等反应rRNA的功能主要是：组成核蛋白体，为prot合成的“装配机”。第32页，此课件共34页哦（四）（四）mRNA占细胞总量最少，真核生物的mRNA前体是核不均一RNA（HnRNA），），须经复杂的加工过程才能变成成熟mRNA，进入细胞质胞液中作为蛋白质合成模板。第33页，此课件共34页哦感谢大家观看第34页，此课件共34页哦