生物化學(xué)核酸的生物合成第1頁/共82頁DNA是基因遺傳與表達(dá)的載體，是生物的主要遺傳物質(zhì)。DNA的一級結(jié)構(gòu)是指脫氧核苷酸之間的連接方式和排列順序。連接方式：3’，5’-磷酸二酯鍵。第2頁/共82頁DNA的二級結(jié)構(gòu)1953年，Watson和Crick提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。第3頁/共82頁RNA是DNA的局部轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，RNA為單鏈分子，以3’，5’-磷酸二酯鍵相連。

根據(jù)RNA的功能，可以分為mRNA、tRNA和rRNA

三種。

mRNA:編碼氨基酸

tRNA:轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸

rRNA:構(gòu)成蛋白質(zhì)合成場所（核糖體）第4頁/共82頁復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制1958年Crick提出中心法則(centraldogma)，1971年完善。中心法則揭示了生物體內(nèi)遺傳信息的傳遞方向。第5頁/共82頁遺傳信息的傳遞包括：1.復(fù)制(replication)：以原DNA分子為模板，合成出相同DNA分子的過程。2.轉(zhuǎn)錄(transcription)：生物的遺傳信息從DNA傳遞給mRNA的過程。3.翻譯(translation)：根據(jù)mRNA鏈上的遺傳信息合成蛋白質(zhì)的過程。第6頁/共82頁核酸的生物合成包括：

DNA的生物合成：DNA復(fù)制和逆轉(zhuǎn)錄

RNA的生物合成：轉(zhuǎn)錄和RNA復(fù)制第7頁/共82頁第一節(jié)DNA的生物合成1953年，Watson和Crick在提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型時就推測DNA可能按照半保留機(jī)制進(jìn)行自我復(fù)制。一、DNA的復(fù)制㈠、DNA的半保留復(fù)制第8頁/共82頁半保留復(fù)制（semiconservativereplication）在復(fù)制過程中，首先親代雙鏈解開，然后每條鏈作為模板，在其上合成互補(bǔ)的子代鏈，結(jié)果新形成的兩個子代DNA與親代DNA分子的堿基順序完全一樣，而且每個子代DNA分子中有一條鏈完全來自親代DNA，另一條是新合成的。第9頁/共82頁1958年，Meselson和Stahl用15N標(biāo)記E.coli.DNA，用密度梯度離心試驗(yàn)證明了DNA的復(fù)制是半保留復(fù)制。第10頁/共82頁

半保留復(fù)制具有重要的生物學(xué)意義，DNA分子以半保留方式進(jìn)行復(fù)制，親代DNA分子中的一條鏈保留在子代DNA分子中，可使遺傳信息準(zhǔn)確的傳遞給子代細(xì)胞，保持其相對穩(wěn)定性而不致發(fā)生進(jìn)化上不能忍受的變化。第11頁/共82頁⑴DNA聚合酶⑵DNA模板（反轉(zhuǎn)錄時用RNA模板）⑶引物（DNA或RNA，提供游離3’-OH）⑷4種dNTP⑸Mg2+

㈡、大腸桿菌DNA聚合酶及其它復(fù)制相關(guān)的蛋白1.DNA聚合發(fā)生的條件目前已發(fā)現(xiàn)30多種酶及蛋白質(zhì)因子參與DNA復(fù)制，DNA生物合成方向?yàn)?’→3’

。第12頁/共82頁n1dATP+n2dGTP+n3dCTP+n4dTTPDNA+（n1+n2+n3+n4）PPi模板DNAMg2+DNA聚合酶第13頁/共82頁2.原核生物DNA聚合酶的種類⑴DNA聚合酶Ⅰ①5，→3，聚合酶活性：只能將脫氧核苷酸加于已存在的DNA或RNA鏈的3′-OH上，不是主要的聚合酶。②

3，→5，外切酶活性：只對單鏈，起校對功能。③

5，→3，外切酶活性：對雙鏈，損傷修復(fù)作用，及切除RNA引物并填補(bǔ)其留下的缺口。單體酶，分子量109Kd，含一個Zn2+，催化活性：第14頁/共82頁①5’→3’聚合酶模板鏈新生鏈第15頁/共82頁C(unabletopairwithA)Cremoved②3’→5’外切酶活性第16頁/共82頁③5，→3，外切酶活性第17頁/共82頁ArthurKornberg

wonthe1959NobelPrizeinMedicineforhisdiscoveryofthemechanisminthebiologicalsynthesisofdeoxyribonucleicacid(beforeWatsonandCrickwontheirs!)第18頁/共82頁⑵DNA聚合酶Ⅱ（含量很少，忽略不計）單體酶，分子量120Kd。催化活性：①

5’→3’聚合(活性很低)；②

3’→5’

外切。寡聚酶，全酶由10種共22個亞基組成，α、ε和θ三種亞基組成核心酶。催化活性：①5’→3’

聚合酶活性：是主要的聚合酶

②3’→5’

外切酶活性③5’→3’

外切酶活性⑶DNA聚合酶Ⅲ（主要作用的聚合酶）第19頁/共82頁原核生物DNA-polⅠDNA-polⅡDNA-polⅢ功能5′→3′聚合活性+++3′→5′外切酶活性+++5′→3′外切酶活性+-+分子量109000120000140000每個菌體中所含的酶分子數(shù)4004020聚合速率（核苷酸數(shù)/分/酶）100060000第20頁/共82頁3.其它主要蛋白⑴DNA旋轉(zhuǎn)酶（gyrase）（剪斷一小段再連接起來）又稱拓?fù)洚悩?gòu)酶，有內(nèi)切酶和連接酶活力，使DNA正超螺旋的緊張狀態(tài)變?yōu)樗沙跔顟B(tài)。⑵解鏈酶（helicase）（解開氫鍵，）使DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)變成單鏈⑶單鏈結(jié)合蛋白（SSB）結(jié)合在單鏈上，防止解開的單鏈DNA重新形成雙鏈。第21頁/共82頁第22頁/共82頁⑷引物酶（primerase）

以DNA為模板，以4種核糖核苷酸（NTP）為底物，合成一小段RNA作為DNA復(fù)制的引物。引物的3’-OH端是DNA聚合酶發(fā)揮活性所必需的。第23頁/共82頁催化DNA雙鏈中的一條單鏈切口處游離的3’-OH末端和5’磷酸基末端形成3’,5’-磷酸二酯鍵。⑸DNA連接酶（ligase）第24頁/共82頁4.原核生物DNA復(fù)制過程⑴DNA復(fù)制的起始大腸桿菌復(fù)制原點(diǎn)起始復(fù)制所需蛋白質(zhì)：

dnaA在原點(diǎn)處打開雙螺旋

dnaB使DNA解旋引物酶合成RNA引物

SSB結(jié)合單鏈DNA

旋轉(zhuǎn)酶松馳DNA扭曲應(yīng)力第25頁/共82頁20個DnaA結(jié)合在四組9bp重復(fù)區(qū)，形成起始復(fù)合物，DNA環(huán)繞此復(fù)合物。三組13bp重復(fù)區(qū)依次變性，產(chǎn)生開放型復(fù)合物。DnaB（在DnaC協(xié)助下）與開放復(fù)合物結(jié)合，進(jìn)一步解鏈。第26頁/共82頁

DNA的復(fù)制只能從一個特定位點(diǎn)開始，稱為原點(diǎn)（origin），從原點(diǎn)開始同時向DNA鏈的兩個方向進(jìn)行，在復(fù)制的部分同時進(jìn)行解鏈與合成，結(jié)果形成一個分叉，稱為復(fù)制叉（replicationfork），又稱復(fù)制眼（replicationeye）。第27頁/共82頁⑵DNA復(fù)制的延長第28頁/共82頁滯后鏈合成的模板形成環(huán)，復(fù)制叉上的二聚體DNA聚合酶Ⅲ全酶同時合成兩條子鏈。第29頁/共82頁前導(dǎo)鏈(leadingstrand):

以親代3’→5’

鏈為模板，子代能連續(xù)合成。滯后鏈(laggingstrand):

以5’→3’為模板，不能連續(xù)合成。岡崎片段(Okazakifragment):

滯后鏈上的小片段。半不連續(xù)復(fù)制（semidiscontinuousreplication）：DNA復(fù)制過程中，新生的DNA鏈一條按5’→3’

方向（與復(fù)制叉移動方向一致）連續(xù)合成，另一條按5’→3’

方向（與復(fù)制叉移動方向相反）不連續(xù)合成。第30頁/共82頁4.DNA聚合酶Ⅲ1.解鏈酶2.單鏈結(jié)合蛋白前導(dǎo)鏈岡崎片段3.引物酶5.聚合酶Ⅰ6.連接酶復(fù)制叉引物第31頁/共82頁⑶DNA復(fù)制的終止大腸桿菌環(huán)狀DNA復(fù)制叉相遇即終止第32頁/共82頁⑴DNA旋轉(zhuǎn)酶引入負(fù)超螺旋，消除復(fù)制叉前進(jìn)時帶來的扭曲張力。⑵DNA解鏈酶解開雙鏈DNA。⑶SSB結(jié)合于DNA單鏈。⑷DNA引物酶(在引發(fā)體中)合成RNA引物。⑸DNA聚合酶Ⅲ在兩條新生鏈上合成DNA。⑹DNA聚合酶Ⅰ切除RNA引物，并補(bǔ)上DNA。⑺DNAligase連接一個岡崎片段。小結(jié)第33頁/共82頁第34頁/共82頁逆轉(zhuǎn)錄（reversetranscription）：以RNA為模板合成DNA的過程，與通常轉(zhuǎn)錄過程中遺傳信息流從DNA到RNA的方向相反。二、逆轉(zhuǎn)錄作用逆轉(zhuǎn)錄酶（reversetranscriptase）：催化逆轉(zhuǎn)錄反應(yīng)的酶。許多具有RNA基因組的病毒含有這種酶，故這類病毒又稱為逆轉(zhuǎn)錄病毒（retrovirus）。它們多是致癌病毒。第35頁/共82頁逆轉(zhuǎn)錄酶具有3種活性：①依賴RNA的DNA聚合酶活性②RNaseH（核糖核酸酶H）活性③依賴DNA的DNA聚合酶活性cDNA第36頁/共82頁反轉(zhuǎn)錄酶存在于所有致癌RNA病毒中，它的存在與RNA病毒引起細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化有關(guān)。艾滋病毒（AIDS）人類免疫缺陷病毒（HIV），也是一種反轉(zhuǎn)錄病毒，主要感染T4淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞。第37頁/共82頁

一些物理化學(xué)因子如紫外線、電離輻射和化學(xué)誘變劑均可引起DNA損傷，破壞其結(jié)構(gòu)與功能。然而在一定條件下，生物機(jī)體能使這種損傷得到修復(fù)。

三、DNA的損傷、修復(fù)和突變

紫外線可使DNA分子中同一條鏈上兩個相鄰的胸腺嘧啶堿基之間形成二聚體（TT），兩個T以共價鍵形成環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)。CT、CC間也可形成少量二聚體（CT、CC），使復(fù)制、轉(zhuǎn)錄受阻。㈠、DNA損傷第38頁/共82頁㈡、DNA修復(fù)系統(tǒng)細(xì)胞內(nèi)具有一系列起修復(fù)作用的酶系統(tǒng)，可以除去DNA上的損傷，恢復(fù)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。目前已知有4種酶修復(fù)系統(tǒng)：光復(fù)活、切除修復(fù)、重組修復(fù)、SOS修復(fù)，后三種不需要光，又稱為暗修復(fù)。第39頁/共82頁1.光復(fù)活可見光（400～500nm）可激活光裂合酶，此酶能分解由于紫外線形成的嘧啶二聚體。第40頁/共82頁2.切除修復(fù)切開切除修復(fù)連接第41頁/共82頁3.重組修復(fù)切除修復(fù)發(fā)生在DNA復(fù)制之前，而當(dāng)DNA發(fā)動復(fù)制時尚未修復(fù)的損傷部位，可以先復(fù)制，再重組修復(fù)。第42頁/共82頁4.SOS修復(fù)避免差錯的修復(fù)（errorfreerepair）：光復(fù)合、切除修復(fù)及重組修復(fù)對DNA損傷的修復(fù)都不導(dǎo)致DNA突變。傾向差錯的修復(fù)（errorpronerepair）：SOS修復(fù)。在DNA損傷后，DNA復(fù)制過程以脫氧核苷酸的聚合發(fā)生差錯為代價，強(qiáng)行合成完整子代鏈的一種挽救性修復(fù)。第43頁/共82頁光復(fù)合是利用光能，其余均利用ATP水解所釋放的能量。光復(fù)合和切除修復(fù)是修復(fù)模板鏈；重組修復(fù)不是對損傷鏈直接修復(fù)，而是形成一條新的正常模板鏈。SOS修復(fù)是導(dǎo)致突變的修復(fù)。第44頁/共82頁㈢、DNA突變不能修復(fù)的損傷或修復(fù)過程帶來的差錯，將引起DNA序列的永久性改變。突變有三種形式：置換、插入、缺失第45頁/共82頁DNA復(fù)制的真實(shí)性？生物體DNA復(fù)制具有高度真實(shí)性，復(fù)制108-1010堿基對，只有一個錯誤堿基。①聚合酶反應(yīng)本身具有超常的忠實(shí)性②聚合酶Ⅰ、Ⅲ的3’→5’外切酶功能③dNTP的平衡④DNA的損傷修復(fù)系統(tǒng)⑤RNA引物的使用第46頁/共82頁第二節(jié)RNA的生物合成RNA的生物合成包括轉(zhuǎn)錄和RNA的復(fù)制轉(zhuǎn)錄復(fù)制第47頁/共82頁細(xì)胞內(nèi)的各類RNA，包括mRNA、rRNA和tRNA，都是以DNA為模板，在RNA聚合酶的催化下合成的。此外，除逆轉(zhuǎn)錄病毒，其它的RNA病毒均以RNA為模板進(jìn)行復(fù)制。第48頁/共82頁一、轉(zhuǎn)錄

轉(zhuǎn)錄（transcription）：以一段DNA的遺傳信息為模板，在RNA聚合酶作用下，合成出對應(yīng)的RNA的過程，或在DNA指導(dǎo)下合成RNA。第49頁/共82頁轉(zhuǎn)錄單位：RNA的轉(zhuǎn)錄是從DNA反義鏈上的一個特定位點(diǎn)開始，延伸到另一個位點(diǎn)處終止，此轉(zhuǎn)錄區(qū)域稱為轉(zhuǎn)錄單位。

一個轉(zhuǎn)錄單位可以是一個基因（真核），也可以是多個基因（原核）。轉(zhuǎn)錄單位的起點(diǎn)核苷酸為+1，起點(diǎn)右邊為下游（轉(zhuǎn)錄區(qū)）；轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)左側(cè)為上游，用負(fù)數(shù)表示：-1，-2，-3第50頁/共82頁反義鏈（antisensestrand）：轉(zhuǎn)錄的模板鏈，也可表示為負(fù)（-）鏈。

正義鏈（sensestrand）：編碼鏈，也可表示為正（+）鏈（-）（+）第51頁/共82頁RNA的轉(zhuǎn)錄只涉及DNA一條鏈的某一區(qū)段，故又叫不對稱轉(zhuǎn)錄。第52頁/共82頁RNA合成的反應(yīng)基本特征：①RNA聚合酶②底物：NTP（ATP、GTP、CTP、UTP）③DNA模板④不需要引物⑤RNA鏈生長方向：5’→3’第53頁/共82頁轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制的異同：相異：①復(fù)制需要引物，轉(zhuǎn)錄不需引物。

②轉(zhuǎn)錄時，模板DNA的信息全保留，復(fù)制時模板信息是半保留。

③轉(zhuǎn)錄時，RNA聚合酶只有5’→3’聚合作用，無5’→3’及3’→5’外切活性。相同：新鏈延伸方向5’→3’；延長時3’,5’-磷酸二酯鍵相連；焦磷酸水解放出能量推動合成反應(yīng)。第54頁/共82頁㈠、原核生物RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)與特性大腸桿菌RNA聚合酶全酶（holoenzyme）分子量50萬Da，由五個亞基組成，a2bb’s

，另有兩個Zn2+。無σ亞基的酶叫核心酶，核心酶只能使已開始合成的RNA鏈延長，而不具備起始合成活性，加入σ亞基后，全酶才具有起始合成RNA的能力，因此，σ亞基稱為起始因子。第55頁/共82頁第56頁/共82頁與DNA上啟動子結(jié)合催化中心起始識別因子；一個細(xì)胞的σ因子的匹配決定著哪些基因被轉(zhuǎn)錄第57頁/共82頁

RNA聚合酶沒有校對功能，即沒有5’→3’及3’→5’外切活性，因此，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的序列忠實(shí)性大大低于復(fù)制（104）。但由于基因的重復(fù)轉(zhuǎn)錄，且遺傳密碼的簡并性。所以RNA合成的低忠實(shí)性是可以容忍的?；虻闹貜?fù)轉(zhuǎn)錄第58頁/共82頁㈡、原核生物RNA的合成過程轉(zhuǎn)錄的起始由DNA上的啟動子區(qū)控制，轉(zhuǎn)錄的終止由DNA上的終止子控制，轉(zhuǎn)錄是通過DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶來實(shí)現(xiàn)的。啟動子（promoter）：RNA聚合酶識別、結(jié)合并開始轉(zhuǎn)錄所必需的一段DNA序列。第59頁/共82頁-35序列-10序列(Pribnowbox)1.σ亞基使RNA聚合酶識別啟動子第60頁/共82頁-35序列提供RNA聚合酶識別信號-10序列有助于DNA局部雙鏈解開第61頁/共82頁起始過程中，σ因子起關(guān)鍵作用，它能使聚合酶迅速地與DNA的啟動子結(jié)合。開放復(fù)合物第62頁/共82頁2.轉(zhuǎn)錄的起始轉(zhuǎn)錄起始后，σ亞基釋放，離開核心酶，使核心酶的β’亞基構(gòu)象變化，與DNA模板親和力下降，在DNA上移動速度加快，使RNA鏈不斷延長。第63頁/共82頁第64頁/共82頁3.轉(zhuǎn)錄鏈的延長轉(zhuǎn)錄泡模板鏈編碼鏈第65頁/共82頁正超螺旋負(fù)超螺旋第66頁/共82頁4.轉(zhuǎn)錄鏈的終止許多轉(zhuǎn)錄過程可被基因末端的一段特異的堿基序列所終止。提供轉(zhuǎn)錄停止信號的DNA序列稱為終止子（terminator）。

所有原核生物的終止子在終止點(diǎn)之前都有一個回文結(jié)構(gòu)，它轉(zhuǎn)錄出來的RNA可以形成一個頸環(huán)式的發(fā)夾結(jié)構(gòu)。第67頁/共82頁發(fā)夾結(jié)構(gòu)十字形結(jié)構(gòu)第68頁/共82頁⑴

不依賴于ρ的終止子（簡單終止子）簡單終止子除具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)外，在終止點(diǎn)前有一寡聚U序列；回文對稱區(qū)通常有一段富含GC的序列。RNA的終止有兩種方式：⑵

依賴ρ的終止子依賴ρ的終止子，必需在ρ因子存在時，才發(fā)生終止作用。ρ因子又稱終止因子，可水解三磷酸核苷。第69頁/共82頁回文序列莖環(huán)結(jié)構(gòu)寡聚U序列不依賴于ρ的終止子第70頁/共82頁第71頁/共82頁依賴ρ的終止子第72頁/共82頁轉(zhuǎn)錄終止后，RNA聚合酶從DNA鏈上脫離下來。第73頁/共82頁第74頁/共82頁㈢、真核生物RNA合成的特點(diǎn)1.真核生物的RNA聚合酶第75頁/共82頁