生物化学:核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系 第1页共14页 第九章核酸的生物合成 中心法则 第一节DNA的生物合成 第二节RNA的生物合成 第三节基因工程简介
生物化学: 核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系 第 1 页 共 14 页 1 第九章 核酸的生物合成 中心法则 第一节 DNA 的生物合成 第二节 RNA 的生物合成 第三节 基因工程简介
生物化学:核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系 第2页共14页 生物与非生物的根本区别在于生物能进行新陈代谢和具有繁殖能力。新陈代谢 为生物个体的生长发育提供了必要的物质和能量,而繁殖和遗传则使生物群体得以 繁衍生息、不断进化。现代科学已经充分证明,核酸是生物遗传的物质基础。除少 数RNA病毒外,几乎所有的生物均以DNA为遗传信息载体。生物的遗传信息以密 码的形式贮存在DNA分子上,表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂过程中, 通过DNA复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞 的生长发育过程中,这些遗传信息通过转录传递给RNA,再由RNA通过翻译转变 成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸序列,由蛋白质执行各种各样的生物学功能,使 后代表现出与亲代极其相似的遗传特征。 中心法则 复制 DNA 复 翻译 制 RNA 蛋白质 中心法则:遗传信息的传递规律(路线) 复制:以亲代DNA双链中的每一股链为模板,按照碱基配对原则,合成出与 亲代完全相同的两个双链DNA分子的过程。 转录:以DNA为模板,按照碱基配对原则,将DNA分子的遗传信息转移到 RNA分子上的过程 翻译:以RNA为模板,根据三个碱基决定一个AA的原则,合成具有特定AA 顺序的蛋白质的过程。 逆转录:逆转录病毒能以其RNA为模板,合成DNA,称为逆转录。 第一节DNA的生物合成 、DNA的复制 (-)DNA的半保留复制(复制方式)
生物化学: 核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系 第 2 页 共 14 页 2 生物与非生物的根本区别在于生物能进行新陈代谢和具有繁殖能力。新陈代谢 为生物个体的生长发育提供了必要的物质和能量，而繁殖和遗传则使生物群体得以 繁衍生息、不断进化。现代科学已经充分证明，核酸是生物遗传的物质基础。除少 数 RNA 病毒外，几乎所有的生物均以 DNA 为遗传信息载体。生物的遗传信息以密 码的形式贮存在 DNA 分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂过程中， 通过 DNA 复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞 的生长发育过程中，这些遗传信息通过转录传递给 RNA，再由 RNA 通过翻译转变 成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸序列，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使 后代表现出与亲代极其相似的遗传特征。 中心法则 中心法则：遗传信息的传递规律（路线） 复制：以亲代 DNA 双链中的每一股链为模板，按照碱基配对原则，合成出与 亲代完全相同的两个双链 DNA 分子的过程。 转录：以 DNA 为模板，按照碱基配对原则，将 DNA 分子的遗传信息转移到 RNA 分子上的过程。 翻译：以 RNA 为模板，根据三个碱基决定一个 AA 的原则，合成具有特定 AA 顺序的蛋白质的过程。 逆转录：逆转录病毒能以其 RNA 为模板，合成 DNA，称为逆转录。 第一节 DNA 的生物合成 一、DNA 的复制 （一）DNA 的半保留复制（复制方式） R N A D N A 翻译 蛋白质 复制 复制 转 录 逆转录 ?
生物化学:核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系 第3页共14页 1、半保留复制的概念: Watson和 Crick于1953年提出DNA双螺旋结构模型时,就 对其复制的分子机制作出科学的预测。即 在DNA复制过程中,亲代的一个DNA双螺旋分子通过复制形成了两个与原先 的碱基序列完全相同的子代DNA分子,每个子代分子中有一条链来自亲代DNA, 另一条链是新合成的。这样的复制方式,称为半保留复制。 双链DNA复制模型。 半保留复制的证据 1958年M. Meselson和F.MStl利用同位素标记大肠杆菌,首先证明了DNA 半保留复制。P3ll 3、半保留复制的生物学意义 使生物的遗传性保持了相对稳定性。 (二)参与大肠杆菌DNA复制的酶类及有关因子 除模板、四种dNTP、底物、Mg2外,在起始、延长、终止各阶段都需酶及蛋 白因子 l、DNA聚合酶 大肠杆菌中至少有5种,分别命为DNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ、Ⅲ、Ⅳ、V。 ①DNA聚合酶I(单体酶:单肽链) 主要功能:负责DNA的损伤修复及在DNA复制中,切除引物,填补空隙的作用 要负责DNA的损伤修复。 若用枯草杆菌蛋白酶处理此酶,可得两个片段 a.分子量76KD,有5→3聚合酶和3→5外切酶活力,叫 Klenow片段。3→5 外切活性能及时切除错配核苷酸(发生错配时,此E活性提高),与53→33聚 合活性共同保证DNA复制的过程中的高保真度。广泛用于DNA序列分析和其它 究 b.分子量34kD,5→3外切酶活力 作用于双链DNA的碱基配对部分,从5'端切下单核苷酸或寡核苷酸 在DNA损伤修复和切除RNA引物中发挥作用 ②DNA聚合酶Ⅱ(单体酶 主要功能参于DNA的损伤修复
生物化学: 核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系 第 3 页 共 14 页 3 1、半保留复制的概念：Watson 和 Crick 于 1953 年提出 DNA 双螺旋结构模型时，就 对其复制的分子机制作出科学的预测。即 在 DNA 复制过程中，亲代的一个 DNA 双螺旋分子通过复制形成了两个与原先 的碱基序列完全相同的子代 DNA 分子，每个子代分子中有一条链来自亲代 DNA， 另一条链是新合成的。这样的复制方式，称为半保留复制。 双链 DNA 复制模型。 2、半保留复制的证据 1958 年 M. Meselson 和 F. M. Stall 利用同位素标记大肠杆菌，首先证明了 DNA 半保留复制。P311 3、 半保留复制的生物学意义 使生物的遗传性保持了相对稳定性。 （二）参与大肠杆菌 DNA 复制的酶类及有关因子 除模板、四种 dNTP、底物、Mg2+外，在起始、延长、终止各阶段都需酶及蛋 白因子。 1、DNA 聚合酶 大肠杆菌中至少有 5 种，分别命为 DNA 聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。 ①DNA 聚合酶 I（单体酶：单肽链） 主要功能：负责 DNA 的损伤修复及在 DNA 复制中，切除引物，填补空隙的作用。 主要负责 DNA 的损伤修复。 若用枯草杆菌蛋白酶处理此酶，可得两个片段： a.分子量 76KD，有 5’→3’聚合酶和 3’→5’外切酶活力，叫 Klenow 片段。3’ →5’ 外切活性能及时切除错配核苷酸（发生错配时，此 E 活性提高），与 5’→3’聚 合活性共同保证 DNA 复制的过程中的高保真度。广泛用于 DNA 序列分析和其它 研究。 b.分子量 34kD，5’→3’外切酶活力。 作用于双链 DNA 的碱基配对部分，从 5’端切下单核苷酸或寡核苷酸。 在 DNA 损伤修复和切除 RNA 引物中发挥作用。 ②DNA 聚合酶Ⅱ（单体酶） 主要功能参于 DNA 的损伤修复
生物化学:核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系第4页共14页 具有5→3聚合活力,较弱,3→5外切活性。但无5→3外切活性 ⑧DNA聚合酶Ⅲ(寡聚酶) 是催化大肠杆菌DNA复制的主酶 全酶有10种亚基,含Zn a亚基有5→3聚合活力 e亚基有3’→5’外切活性 形成 →>低活性的核心或 polly 0刺激e的3’→5外切活力 β亚基大约把酶的核心夹于模板上,从而提高全酶的工作能力。 ④DNA聚合酶IV和V 与DNA的修复有关。(1999鉴定) 2、引发酶和引发体 所有DNA聚合E都只能在模板链指令下,在引物(通常为RNA)3′-OH端添加 新核苷酸(延伸新链)功能,没有从头合成活力。 引发酶合成一小段RNA引物(有游离的3′-0H),作为DNA合成的引物 引发酶为一条单链多肽,单独存在时相当不活泼,只有与几种辅助蛋白组装成 引发体,才有合成引物活性。 3、DNA连接藤 催化双链DNA中一条链上缺口的共价连接,形成3′,5′—一磷酸二酯键。缺 口上的3′一0H,5′一磷酰基必须相邻。如果缺少一个或几个核苷酸残基,连接酶 不能将缺口弥合。也不能将两条游离的单链连接起来。需要消耗能量,大肠杆菌 NAD’,真核细胞ATP。 4、DNA解螺旋酶 DNA双螺旋在复制和修复中都必须解链,以便提供单链DNA模板。催化DNA双 螺旋解链,都有依赖双链DNA的 ATPase活性。水解ATP提供解链所需能量。 5、单链DNA结合蛋白 SSB结合蛋白的作用: DNA双螺旋经解螺旋酶解链形成的单链很快被SB所覆盖。 ①保护单链DNA免遭核酸的降解,使单链DNA保持伸展态,以便作为模板。 ②降低DMA的Tm,促进DNA解链。原核细胞SSB有协同效应,真核细胞无 协同效应:先结合到已存在的单链区,其后的SSB的结合能力可提高10倍,表现出协同效应
生物化学: 核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系 第 4 页 共 14 页 4 具有 5’→3’聚合活力，较弱，3’→5’外切活性。但无 5’→3’外切活性。 ③DNA 聚合酶 Ⅲ（寡聚酶） 是催化大肠杆菌 DNA 复制的主酶 全酶有 10 种亚基，含 Zn2+ β亚基大约把酶的核心夹于模板上，从而提高全酶的工作能力。 ④DNA 聚合酶 IV 和 V 与 DNA 的修复有关。 （1999 鉴定） 2、引发酶和引发体 所有 DNA 聚合 E 都只能在模板链指令下，在引物（通常为 RNA）3′－OH 端添加 新核苷酸（延伸新链）功能，没有从头合成活力。 引发酶合成一小段 RNA 引物（有游离的 3′－OH），作为 DNA 合成的引物。 引发酶为一条单链多肽，单独存在时相当不活泼，只有与几 种辅助蛋白组装成 引发体，才有合成引物活性。 3、DNA 连接酶 催化双链 DNA 中一条链上缺口的共价连接，形成 3ˊ，5ˊ－－磷酸二酯键。缺 口上的 3′－OH，5ˊ－磷酰基必须相邻。如果缺少一个或几个核苷酸残基，连接酶 不能将缺口弥合。也不能将两条游离的单链连接起来。需要消耗能量，大肠杆菌 NAD+ ，真核细胞 ATP。 4、DNA 解螺旋酶 DNA 双螺旋在复制和修复中都必须解链，以便提供单链 DNA 模板。催化 DNA 双 螺旋解链，都有依赖双链 DNA 的 ATPase 活性。水解 ATP 提供解链所需能量。 5、单链 DNA 结合蛋白 SSB 结合蛋白的作用： DNA 双螺旋经解螺旋酶解链形成的单链很快被 SSB 所覆盖。 ①保护单链 DNA 免遭核酸的降解，使单链 DNA 保持伸展态，以便作为模板。 ②降低 DNA 的 Tm，促进 DNA 解链。原核细胞 SSB 有协同效应，真核细胞无。 协同效应：先结合到已存在的单链区，其后的 SSB 的结合能力可提高 103 倍，表现出协同效应。 ΠΙ → → → ⎯⎯ →⎯ ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ 低活性的核心或pol 形成 θ刺激ε的3' 5'外切活力 ε亚基有3' 5'外切活性 a亚基有5' 3'聚合活力
生物化学:核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系 第5页共14页 6、拓扑异构E 大肠杆菌(原核生物)DNA为双链环形,其三级结构为麻花状超螺旋形式,连 环数是表示超螺旋的一个参数。大小和一级结构完全相同的DNA分子,可因连环数 不同而形成一系列拓扑异构体 引起拓扑异构反应的E,亦称旋转酶。有两种类型 拓扑异构酶Ⅰ,松解螺旋,能切开一条DNA链在复制叉前面的一段DNA的一个 磷酸二酯键,允许该DNA链绕着另一条完整的DNA链自由旋转,而后由拓扑异构 酶重新形成磷酸二酯键。(不需ATP,可切无DMA双螺旋中的一条链) 拓扑异构酶Ⅱ(旋转E)细菌环形DNA复制后,两个DNA分子是互锁的。该酶结 合到一双链DNA环上,造成一暂时性的双链断裂,另一DNA环正好从这一断裂处穿 过,然后拓扑异构酶重新封上这个链的断口。(引入负超螺旋,需ATP,消除复制叉 前进时产生的扭曲张力。在无ATP时,可松解负超螺旋。可同时切断DNA双链。) 三)原核生物DNA复制 nIdATP dgtP dNA+ DN聚合E,DNA+(n1+n+n+n4)PPi n3dCTP n4dTTP 以四种dNTP为底物在DNA模板指令下,按碱基配对的原则,由DNA聚合酶催化,向 DNA的3′-0H端添加核苷酸,以5→3的方向合成与模板互补的新链 1、复制的起始 原核生物:特定位点开始,特定位点终止,只有一个复制子。(基因组能独立进 行复制的单位)。 真核生物:多个位点起始,多复制子。 大肠杆菌复制起始点:oriC 终止点:ter 些特殊的Pr可以识别并结合到复制起点,随即使DNA双螺旋局部解链,形成 复制眼,在其两端的DNA的两股链呈丫字状,称为复制叉。分别向两侧进行复制 通常复制叉双向等速前进,某些质粒,病毒和细胞器DNA的复制可以单向或是不等 速的或是先合成一条链后再合成另一条链
生物化学: 核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系 第 5 页 共 14 页 5 6、拓扑异构 E 大肠杆菌（原核生物）DNA 为双链环形，其三级结构为麻花状超螺旋形式，连 环数是表示超螺旋的一个参数。大小和一级结构完全相同的 DNA 分子，可因连环数 不同而形成一系列拓扑异构体。 引起拓扑异构反应的 E，亦称旋转酶。有两种类型： 拓扑异构酶Ⅰ，松解螺旋，能切开一条 DNA 链在复制叉前面的一段 DNA 的一个 磷酸二酯键，允许该 DNA 链绕着另一条完整的 DNA 链自由旋转，而后由拓扑异构 酶重新形成磷酸二酯键。（不需 ATP，可切无 DNA 双螺旋中的一条链） 拓扑异构酶Ⅱ（旋转 E）细菌环形 DNA 复制后，两个 DNA 分子是互锁的。该酶结 合到一双链 DNA 环上，造成一暂时性的双链断裂，另一 DNA 环正好从这一断裂处穿 过，然后拓扑异构酶重新封上这个链的断口。（引入负超螺旋，需 ATP，消除复制叉 前进时产生的扭曲张力。在无 ATP 时，可松解负超螺旋。可同时切断 DNA 双链。） （三）原核生物 DNA 复制 以四种 dNTP 为底物在 DNA 模板指令下，按碱基配对的原则，由 DNA 聚合酶催化，向 DNA 的 3′－OH 端添加核苷酸，以 5’→3’的方向合成与模板互补的新链。 1、复制的起始 原核生物：特定位点开始，特定位点终止，只有一个复制子。（基因组能独立进 行复制的单位）。 真核生物：多个位点起始，多复制子。 大肠杆菌复制起始点：oriC 终止点：ter 一些特殊的 Pr 可以识别并结合到复制起点，随即使 DNA 双螺旋局部解链，形成 复制眼，在其两端的 DNA 的两股链呈丫字状，称为复制叉。分别向两侧进行复制， 通常复制叉双向等速前进，某些质粒，病毒和细胞器 DNA 的复制可以单向或是不等 速的或是先合成一条链后再合成另一条链。 ⎯DNA ⎯ → ⎯聚合⎯⎯E 2+ Mg n1dATP n2dGTP n3dCTP n4dTTP DNA + DNA+(n1+n2+n3+n4)PPi
物化学:核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系 第6页共14页 迅速生长的细菌,第一轮复制未完成就启动第二次复制 DNA链的合成与延伸 (1)在引发的复制叉上,DNA聚合酶Ⅲ组装形成,然后按照DNA模板链的指令, 自RNA引物33-OH末端依次添加新的脱氧核苷酸残基,新生成的DNA链按5→33方 向不断延伸,同时新链与模板链反向平行,碱基配对 (2)由于两条模板链反向平行,若以走向3→5的亲代链为模板,子代链就能 连续合成,称为前导链,若以走向5→3的亲代链为模板时,DNA聚合酶Ⅲ只能按5 的方向合成许多小片段(称为冈崎片段),然后由DNA聚合酶I切除片段上的引 物,填补片段之间的空缺,最后由连接酶把它们连接成一条完整的子代链,称为滞 后链 (3)半不连续复制 象这样,在复制叉上新生的DNA链一条按5→3'的方向(与复制叉移动方向 致)连续合成;另一条则按5→3°的方向(与复制叉移动方向相反)不连续合成 称为半不连续复制。 终止 复制叉从两端进入ter位点后,复制终止。由DNA聚合酶Ⅰ填补空隙,连接 DNA复制的高保真度主要是靠DNA聚合酶实现的。 (1)53→3ˆ聚合活性部位对底物的选择性,添加的新dNTP碱基必须与模板链碱基 正确匹配 (2)3→5外切活性具有校对或编辑功能,可及时切除参入新链3-末端的错误 另外,U-糖苷酸,脱碱基核酸内切酶(AP内切酶)等也参于校对。 综上所述:大肠杆菌复制是在几十种酶和蛋白质因子精确配合下完成的,定点起 始,两个复制叉双向等速前进,进行半保留,半不连续的复制。 (四)真核细胞DNA的复制 1、染色质复制 (1)真核细胞染色体DNA分子为线性的。比原核细胞DNA分子大,复制更为复 杂。也包括不同的DNA聚合酶、拓扑异构酶、解螺旋酶、连接酶、单链结合蛋白和
生物化学: 核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系 第 6 页 共 14 页 6 迅速生长的细菌，第一轮复制未完成就启动第二次复制。 2、DNA 链的合成与延伸 （1）在引发的复制叉上，DNA 聚合酶Ⅲ组装形成，然后按照 DNA 模板链的指令， 自 RNA 引物 3’-OH 末端依次添加新的脱氧核苷酸残基，新生成的 DNA 链按 5’→3’方 向不断延伸，同时新链与模板链反向平行，碱基配对。 （2）由于两条模板链反向平行，若以走向 3’→5’的亲代链为模板，子代链就能 连续合成，称为前导链，若以走向 5’→3’的亲代链为模板时，DNA 聚合酶Ⅲ只能按 5’ →3’的方向合成许多小片段（称为冈崎片段），然后由 DNA 聚合酶 I 切除片段上的引 物，填补片段之间的空缺，最后由连接酶把它们连接成一条完整的子代链，称为滞 后链。 （3）半不连续复制 象这样，在复制叉上新生的 DNA 链一条按 5’→3’的方向（与复制叉移动方向一 致）连续合成；另一条则按 5’→3’的方向（与复制叉移动方向相反）不连续合成， 称为半不连续复制。 3、终止 复制叉从两端进入 ter 位点后，复制终止。由 DNA 聚合酶Ⅰ填补空隙，连接 E 封口。 DNA 复制的高保真度主要是靠 DNA 聚合酶实现的。 （1）5’→3’聚合活性部位对底物的选择性，添加的新 dNTP 碱基必须与模板链碱基 正确匹配。 （2）3’→5’外切活性具有校对或编辑功能，可及时切除参入新链 3’-末端的错误 残基。 另外，U-糖苷酸，脱碱基核酸内切酶（AP 内切酶）等也参于校对。 综上所述：大肠杆菌复制是在几十种酶和蛋白质因子精确配合下完成的，定点起 始，两个复制叉双向等速前进，进行半保留，半不连续的复制。 （四）真核细胞 DNA 的复制 1、染色质复制 （1）真核细胞染色体 DNA 分子为线性的。比原核细胞 DNA 分子大，复制更为复 杂。也包括不同的 DNA 聚合酶、拓扑异构酶、解螺旋酶、连接酶、单链结合蛋白和
生物化学:核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系 第7页共14页 多蛋白质因子 (2)为多复制子复制(多起点双向复制),在全部染色体复制完成前,各复制 子不能再开始新一轮复制。 (3)在DNA复制的同时另外还要组装成核小体。 2、端粒复制 真核生物染色体DNA为线性分子,按DNA复制机制,其滞后链模板5′不能被 复制,使已复制出来的新链缩短,从而使染色体端部随复制次数增加而不断缩短。 多数生物是通过端粒酶专司端粒的复制,而端粒只有在生殖细胞及受精卵中才有较 高的活性 端粒酶作用的具体机制尚不清楚,其可能的模式:端粒酶的RNA分子与端粒末 端形成氢键,接着,RNA分子作为模板,通过逆转录在DNA3′末端添加6个核苷酸, 随后,端粒酶从DNA分子上解离。新延伸出来的DNA链就可以作为复制模板形成双 染色体DNA 、逆转录 以RNA为模板,由RNA指导的DNA聚合酶(逆转录E)催化,合成DNA的过程 1、逆转录酶的性质 ①寡聚E ②兼具有三种酶的活力,具有RNA指导的DNA聚合E活力,DNA指导的DNA聚 合酶活力和 RNaseh(核糖核酸酶H)活力。 RNaseh:具有5′→3′和3′→5′外切 酶活力,可除去DNA、RNA杂交分子中的RNA,同时还具有逆转录酶的活力。是一个 酶分子同时具有两种活性。 ③要求有模板和短链RNA引物,dNTP为底物,二价阳离子、和保护_SH的酶。 逆转录病毒逆转录过程 RNA(+)→RNA(+)/cDNA(-)→DNA(+)/cDNA(-)→RNA(+) 3、逆转录的生物学意义 逆转录过程的发现,不仅扩充了中心法则,还有其重要的生物学意义。它有助 于人们对RNA病毒致癌机制的了解,并对防治肿瘤提供了重要线索。20世纪80年 代初发现的一种对人类健康威胁极大的传染病一爱滋病,现已证明它也是一种逆转 录病毒引起的,为了了解爱滋病的起因以及寻找防治途径,都需要深入研究这类病 7
生物化学: 核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系 第 7 页 共 14 页 7 许多蛋白质因子。 （2）为多复制子复制（多起点双向复制），在全部染色体复制完成前，各复制 子不能再开始新一轮复制。 （3）在 DNA 复制的同时另外还要组装成核小体。 2、端粒复制 真核生物染色体 DNA 为线性分子，按 DNA 复制机制，其滞后链模板 5′不能被 复制，使已复制出来的新链缩短，从而使染色体端部随复制次数增加而不断缩短。 多数生物是通过端粒酶专司端粒的复制，而端粒只有在生殖细胞及受精卵中才有较 高的活性。 端粒酶作用的具体机制尚不清楚，其可能的模式：端粒酶的 RNA 分子与端粒末 端形成氢键，接着，RNA 分子作为模板，通过逆转录在 DNA3′末端添加 6 个核苷酸， 随后，端粒酶从 DNA 分子上解离。新延伸出来的 DNA 链就可以作为复制模板形成双 链染色体 DNA。 二、逆转录 以 RNA 为模板，由 RNA 指导的 DNA 聚合酶（逆转录 E）催化，合成 DNA 的过程。 1、逆转录酶的性质 ①寡聚 E ②兼具有三种酶的活力，具有 RNA 指导的 DNA 聚合 E 活力，DNA 指导的 DNA 聚 合酶活力和 RNaseH（核糖核酸酶 H）活力。RNaseH：具有 5′→3′和 3′→5′外切 酶活力，可除去 DNA、RNA 杂交分子中的 RNA，同时还具有逆转录酶的活力。是一个 酶分子同时具有两种活性。 ③要求有模板和短链 RNA 引物，dNTP 为底物，二价阳离子、和保护—SH 的酶。 2、逆转录病毒逆转录过程 RNA（+）→RNA（+）/cDNA（-）→DNA（+）/cDNA（-）→RNA（+） 3、逆转录的生物学意义 逆转录过程的发现，不仅扩充了中心法则，还有其重要的生物学意义。它有助 于人们对 RNA 病毒致癌机制的了解，并对防治肿瘤提供了重要线索。20 世纪 80 年 代初发现的一种对人类健康威胁极大的传染病—爱滋病，现已证明它也是一种逆转 录病毒引起的，为了了解爱滋病的起因以及寻找防治途径，都需要深入研究这类病
生物化学:核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系 第8页共14页 毒的生活周期 另外,逆转录酶已成为分子生物学和基因工程中常用的一种工具酶,利用它可 以从mRNA合成相应的cDNA,在基因结构研究、氨基酸序列预测以及基因工程中具 有十分重要的意义。 、DMA突变 1、概念:碱基顺序发生突然而稳定的改变,复制、转录、翻译也发生变化,表 现出异常的遗传特性。 2、突变的类型 ①置换(转换、颠换)→点突变。一个或几个碱基的置换 转换:同一类碱基之间的置换。 颠换:异类碱基之间的置换。 ②插入:DNA链中插入一个或几个碱基对。 ③缺失:丢失一个或几个碱基对 移码突变:在DNA链中插入或缺失一个或几个碱基对,将导致遗传密码解 读框架的改变,从而突变位点以后的密码都可能发生错误,称为移码突变。 点突变→个别密码子→个别氨基酸改变 移码突变→全部→后果严重将导致染色体结构畸变。 四、DNA的损伤修复 (一)DNA的损伤 X一射线、紫外线照射DNA,引起损伤。如形成胸腺嘧啶二聚体。 (二)损伤后的修复 1、光裂合酶修复:这种修复作用需要光,也称为光修复作用(光复活作用) 可见光(400-500m)激活光裂合酶,将嘧啶二聚体分开,恢复成单独的嘧 啶碱基,对单细胞生物比较重要,人无。 2、切除修复 修复酶识别损伤部位,切除包括损伤部位的单链DNA片段,然后由DNA聚合酶 和连接酶以另一条完整链为模板进行修补 (1)切断:专一性的内切酶在靠近二聚体处切断单链DNA (2)修复合成:DMA聚合酶在断口处进行局部修复合成
生物化学: 核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系 第 8 页 共 14 页 8 毒的生活周期。 另外，逆转录酶已成为分子生物学和基因工程中常用的一种工具酶，利用它可 以从 mRNA 合成相应的 cDNA，在基因结构研究、氨基酸序列预测以及基因工程中具 有十分重要的意义。 三、DNA 突变 1、概念：碱基顺序发生突然而稳定的改变，复制、转录、翻译也发生变化，表 现出异常的遗传特性。 2、突变的类型 ①置换（转换、颠换）→点突变。一个或几个碱基的置换 转换：同一类碱基之间的置换。 颠换：异类碱基之间的置换。 ②插入：DNA 链中插入一个或几个碱基对。 ③缺失：丢失一个或几个碱基对。 点突变→个别密码子→个别氨基酸改变 移码突变→全部→后果严重 将导致染色体结构畸变。 四、DNA 的损伤修复 （一）DNA 的损伤 X－射线、紫外线照射 DNA，引起损伤。如形成胸腺嘧啶二聚体。 （二）损伤后的修复 1、光裂合酶修复：这种修复作用需要光，也称为光修复作用（光复活作用） 可见光（400－500nm ）激活光裂合酶，将嘧啶二聚体分开，恢复成单独的嘧 啶碱基，对单细胞生物比较重要，人无。 2、切除修复 修复酶识别损伤部位，切除包括损伤部位的单链 DNA 片段，然后由 DNA 聚合酶 和连接酶以另一条完整链为模板进行修补。 （1） 切断：专一性的内切酶在靠近二聚体处切断单链 DNA。 （2） 修复合成：DNA 聚合酶在断口处进行局部修复合成。 移码突变：在 DNA 链中插入或缺失一个或几个碱基对，将导致遗传密码解 读框架的改变，从而突变位点以后的密码都可能发生错误，称为移码突变
生物化学:核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系 第9页共14页 (3)切除:5′—核酸外切酶切去嘧啶二聚体片段。 (4)连接:连接酶将新合成的DNA链与原来的DNA链连在一起。 3、重组修复 有结构损伤的DNA没修复,仍可进行复制。只是在新合成的子链中与模板损 失部位相对应的地方因受阻而留下缺口,在重组酶作用,带缺口的DNA与完整的娣 妹双链进行重组交换,用相应的DNA片段填补小链缺口 实质:损伤的DNA链没有得到修复,只是在生物体内得到了“稀释” 后两种机制不需要光照,因此又称为暗修复 第二节RNA的生物合成 根据分子遗传的中心法则,RMA处于信息代谢的中心环节:贮存在DNA分子上 的遗传信息必须转录到mRNA分子中,才能用来指导蛋白质的合成。同时,rRNA、tRNA 和具有特殊功能的小RNA都是以DNA为模板、在RMNA聚合酶催化下合成的。此外 除逆转录病毒,其他RNA病毒均以RNA为模板进行复制。 转录 在DNA指导下的RNA聚合酶催化下,以DNA的一条链为模板,接照碱基互补配 对的原则,以四种MTP为底物,按5′-3′方向合成一条与模板DNA链互补的RNA 链的过程 转录为不对称转录:即以一条DNA链一段为模板进行转录。 转录起始于DNA模板的一个特定位点,并在一定位点处终止,此转录区域称为 转录单位。一个转录单位可以是一个基因,也可以是多个基因。转录的起始是由DNA 的启动子区控制的,而控制终止的部位则称为终止子 基因:是遗传物质的最小功能单位。是特定的DNA片段,这些片段中有些是为 种或几种蛋白质(酶)的全部AA编码的核苷酸顺序,称为基因或基因组, NA的有意义链和反意义链:在转录中,双股DNA只有一条是模板,称为 模板DNA链非编码链反意义链(-)链 另一条链则称为非模板DNA链编码链有意义链+)链 实验证明:DNA分子上编码链和非编码链是相对的,在同一DNA分子的某些部 分基因以这条链作为模板链,而在另一区域别的基因中则以另一条链为模板链。即 存在着一组基因与另一组基因模板的改链
生物化学: 核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系 第 9 页 共 14 页 9 （3） 切除：5′—核酸外切酶切去嘧啶二聚体片段。 （4） 连接：连接酶将新合成的 DNA 链与原来的 DNA 链连在一起。 3、重组修复 有结构损伤的 DNA 没修复，仍可进行复制。只是在新合成的子链中与模板损 失部位相对应的地方因受阻而留下缺口，在重组酶作用，带缺口的 DNA 与完整的娣 妹双链进行重组交换，用相应的 DNA 片段填补小链缺口。 实质：损伤的 DNA 链没有得到修复，只是在生物体内得到了“稀释”。 后两种机制不需要光照，因此又称为暗修复。 第二节 RNA 的生物合成 根据分子遗传的中心法则，RNA 处于信息代谢的中心环节：贮存在 DNA 分子上 的遗传信息必须转录到 mRNA 分子中，才能用来指导蛋白质的合成。同时，rRNA、tRNA 和具有特殊功能的小 RNA 都是以 DNA 为模板、在 RNA 聚合酶催化下合成的。此外， 除逆转录病毒，其他 RNA 病毒均以 RNA 为模板进行复制。 一、转录 在 DNA 指导下的 RNA 聚合酶催化下，以 DNA 的一条链为模板，接照碱基互补配 对的原则，以四种 NTP 为底物，按 5′－3′方向合成一条与模板 DNA 链互补的 RNA 链的过程。 转录为不对称转录：即以一条 DNA 链一段为模板进行转录。 转录起始于 DNA 模板的一个特定位点，并在一定位点处终止，此转录区域称为 转录单位。一个转录单位可以是一个基因，也可以是多个基因。转录的起始是由 DNA 的启动子区控制的，而控制终止的部位则称为终止子。 基因：是遗传物质的最小功能单位。是特定的 DNA 片段，这些片段中有些是为 一种或几种蛋白质（酶）的全部 AA 编码的核苷酸顺序，称为基因或基因组， DNA 的有意义链和反意义链：在转录中，双股 DNA 只有一条是模板，称为 模板 DNA 链 非编码链 反意义链 （-）链 另一条链则称为 非模板 DNA 链 编码链 有意义链 （+）链 实验证明：DNA 分子上编码链和非编码链是相对的，在同一 DNA 分子的某些部 分基因以这条链作为模板链，而在另一区域别的基因中则以另一条链为模板链。即 存在着一组基因与另一组基因模板的改链
生物化学:核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系 第10页共14页 转录成的mRNA是(+)链。由于RNA产物和正链都与模板链反向平行,碱基互 补,所以二者的碱基序列相同,虽然在DMA正链中的T在RNA中被U代替,通常用 正链DNA的碱基序列来表示基因的一级结构,转录起点为+1(与RNA产物中第一个 残基相对应),其上游(5′侧)残基为-1,依此类推 (一)RNA聚合醇 原核生物RNA聚合酶:(由5个亚基构成) 核心酶a2BB 全酶还含有两个Zn,不含6亚基的酶称为核心酶。 6-因子 6因子:与启动子结合,参与基因转录的起始,一旦引发RNA的合成,就与核 酶a2BB分离 原核生物只有一种酶,转录三种RNA(mRNA、rRNA、tRNA)前体。 真核生物RNA聚合酶: 三种,分别转录不同的RNA 类型 I(或A) Ⅱ(或B) Ⅲ(或C) 别名 rRNA聚合酶 hnRNA聚合酶 小分子RNA聚合酶 转录产物 rRNA前体 hnRNA(mRNA前体)tRMA和5 S rRNA前体 对a一鹅膏蕈碱的 不敏感抑制(高度敏感)抑制(中度敏感) 繁感性 RA聚合酶缺乏核酸外切酶活性,不具备校对功能,因此RNA转录的保真度比 DNA复制低的多。 (二)转录过程 RNA的转录为不对称转录,因为转录仅以DNA一条链的某一区段为模板。 1、转录的起始 启动子:在基因上由RNA聚合酶识别、结合并确定转录起始位点的特定序列。 般位于转录起点的上游,约包括40个碱基对。根据对100多个基因碱基序列 的分析,大肠杆菌启动子至少有两处共同顺序:-35顺序(RNA聚合酶全酶识别部 位,约含12bp)和-10顺序(或TATA框或 pribnow box,富含AT,有助于DNA双 螺旋的局部解链,全酶结合部位)。 目前普遍认为,RNA聚合酶全酶先识别_35顺序,并与DNA结合形成不稳定的
生物化学: 核酸的生物合成 山农大生物化学与分子生物学系 第 10 页 共 14 页 10 转录成的 mRNA 是（+）链。由于 RNA 产物和正链都与模板链反向平行，碱基互 补，所以二者的碱基序列相同，虽然在 DNA 正链中的 T 在 RNA 中被 U 代替，通常用 正链 DNA 的碱基序列来表示基因的一级结构，转录起点为+1（与 RNA 产物中第一个 残基相对应），其上游（5′侧）残基为-1，依此类推。 （一）RNA 聚合酶 原核生物 RNA 聚合酶：（由 5 个亚基构成） 核心酶 a2ββˊ 全酶 还含有两个 Zn+ ，不含 6 亚基的酶称为核心酶。 6-因子 6 因子：与启动子结合，参与基因转录的起始，一旦引发 RNA 的合成，就与核 心酶 a2ββˊ分离。 原核生物只有一种酶，转录三种 RNA（mRNA、rRNA、tRNA）前体。 真核生物 RNA 聚合酶： 三种，分别转录不同的 RNA。 类 型 Ⅰ（或 A） Ⅱ（或 B） Ⅲ（或 C） 别 名 rRNA 聚合酶 hnRNA 聚合酶 小分子 RNA 聚合酶 转 录 产 物 rRNA 前体 hnRNA（mRNA 前体） tRNA 和 5S rRNA 前体 对 a－鹅膏蕈碱的 繁感性 不敏感 抑制（高度敏感） 抑制（中度敏感） RNA 聚合酶缺乏核酸外切酶活性，不具备校对功能，因此 RNA 转录的保真度比 DNA 复制低的多。 （二）转录过程 RNA 的转录为不对称转录，因为转录仅以 DNA 一条链的某一区段为模板。 1、转录的起始 启动子：在基因上由 RNA 聚合酶识别、结合并确定转录起始位点的特定序列。 一般位于转录起点的上游，约包括 40 个碱基对。根据对 100 多个基因碱基序列 的分析，大肠杆菌启动子至少有两处共同顺序：－35 顺序（RNA 聚合酶全酶识别部 位，约含 12bp）和－10 顺序（或 TATA 框或 pribnow box，富含 AT，有助于 DNA 双 螺旋的局部解链，全酶结合部位）。 目前普遍认为，RNA 聚合酶全酶先识别—35 顺序，并与 DNA 结合形成不稳定的
