第十一章核酸與蛋白質的生物合成

內容提要第一節(jié)DNA的生物合成第二節(jié)RNA的合成第三節(jié)蛋白質的生物合成第四節(jié)基因工程簡介第一節(jié)DNA的生物合成

一、中心法則

在細胞內DNA的合成方式有兩種。半保留復制具有普遍意義。反轉錄以RNA為模板，只存在于反轉錄病毒中。二、DNA的半保留復制

1.DNA半保留復制的理論

1953年，Watson和Crick在提出DNA雙螺旋結構模型時曾推測∶DNA復制過程中，首先堿基間的氫鍵破裂使雙鏈解旋和分開；然后以每一條鏈為模板在其上合成新的互補鏈。于是，原來的一個親代DNA分子變成為核苷酸排列順序完全相同的兩個子代DNA分子，每個子代DNA分子的一條鏈來自親代，另一條則是新合成的，這樣的復制合成方式稱為半保留復制。二、DNA的半保留復制

二、DNA的半保留復制

①以四種脫氧核苷三磷酸為底物,稱dNTP；②反應需要接受模板的指導；③反應需要有3'-OH的引物存在；④DNA引物的伸長方向是5'-3'；⑤產(chǎn)物DNA的性質與模板相同。1.DNA聚合反應的特點

參與DNA聚合反應有關的酶和蛋白質共有30多種，其中主要有以下幾種。（1）解旋解鏈酶①拓撲異構酶（解超螺旋酶）：解開DNA超螺旋。②解鏈酶（解螺旋酶）：解開堿基對之間的氫鍵，形成

2股單鏈。③單鏈DNA結合蛋白：結合于單股DNA鏈，阻止DNA復性。（2）引物酶：合成一小段RNA引物，用于DNA聚合酶延長子鏈。（3）DNA聚合酶：5′端有有引物的前提下，延長DNA子鏈。（4）連接酶：在隨后連合成過程中，將不連續(xù)的DNA子鏈連接。2.參與DNA復制的酶①拓撲異構酶2.參與DNA復制的酶②解鏈酶2.參與DNA復制的酶③單鏈DNA結合蛋白2.參與DNA復制的酶ATCCA小段RNA引物引物酶3`OH5`PiPiPi3`OH5`PiPiPi2.參與DNA復制的酶（2）引物酶（3）DNA聚合酶

1956年，Kornberg等人首先發(fā)現(xiàn)了大腸桿菌中的DNA聚合酶。大腸桿菌共有三種不同的DNA聚合酶，它們分別是DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。2.參與DNA復制的酶2.參與DNA復制的酶2.參與DNA復制的酶2.參與DNA復制的酶2.參與DNA復制的酶2.參與DNA復制的酶（4）DNA連接酶該酶可使雙鏈DNA中的一條鏈上斷開的相鄰核苷酸間(斷口的一端為3‘-OH，另一端為5’-磷酸基)形成3，5-磷酸二酯鍵。但不能使游離的兩條鏈直接連接起來。動物和噬菌體由ATP供能，細菌由輔酶Ⅰ(NAD)提供。2.參與DNA復制的酶復制子基因組能進行獨立復制的單位，復制子一定含有復制起點（origin),可能也有復制終點（terminus),原核生物的DNA是環(huán)形的，通常具有一個復制起點，真核生物的DNA是線形的，通常具有多個復制起點。復制方式雙向復制：大多數(shù)復制從起點開始向連個方向同時復制，有兩個復制叉。單向復制：少數(shù)復制從起點向一個方向復制，只有一個復制叉。3.復制的起始點和方式3.復制的起始點和方式3.復制的起始點和方式對稱復制:兩條鏈同時進行的復制稱為對稱復制。不對稱復制:若一條鏈先復制，待一條鏈復制完成后，另一條鏈開始復制，這種復制過程稱為不對稱復制。3.復制的起始點和方式4.復制過程模板DNA的解鏈和解旋復制要求單鏈DNA為模板，所以，復制時DNA雙螺旋必須解鏈和解旋。邊解鏈、解旋，邊復制。①轉軸酶(又稱拓撲異構酶Ⅰ)

它能迅速切斷雙鏈中的一條鏈，斷鏈的末端會自動繞螺旋軸旋轉，釋放因解鏈造成的正超螺旋張力。超螺旋解除后，該酶可把斷口封閉。②旋轉酶(又稱拓撲異構酶Ⅱ)

它能利用其水解ATP提供的能量，將特定部位DNA雙鏈同時切斷，并向DNA分子引進負超螺旋，以抵消解鏈產(chǎn)生的正超螺旋張力，之后再將斷口封閉，從而使解鏈繼續(xù)進行。4.復制過程原核生物中岡奇片段的長度為1000～2000個核苷酸；真核生物中岡奇片段的長度為200個核苷酸。(2)半不連續(xù)復制(2)半不連續(xù)復制(2)半不連續(xù)復制(3)引物的合成

DNA聚合酶Ⅰ有5′→3′外切酶活力，可將RNA引物切除，然后，再以四種dNTP為原料補各缺口(3′-OH端)，再由DNA連接酶將裂縫連接起來。(4)合成終止1.復制的起始（1)DNA解旋、解鏈，形成復制叉：拓撲異構酶、解鏈酶及單鏈結合蛋白。（2）RNA引物合成：依賴于單戀模板，由引物酶催化合成一小段RNA引物。（3)特點：原核環(huán)形DNA通常只有一個起點，雙向復制；真核生物有多個起始點，形成多個復制叉。2.復制的延長（1）子鏈延長：引物合成后，由聚合酶Ⅲ催化，在引物3′-OH末端逐一添加與模板鏈對應互補的脫氧核苷三磷酸。（2）半不連續(xù)合成：a.先導鏈：鏈的延長方向與解鏈方向相同，為連續(xù)合成。b.滯后鏈：鏈的延長方向與解鏈方向相反，為不連續(xù)合成（產(chǎn)生岡崎片段）。4.復制過程總結4.復制過程總結3.復制的終止（1）水解引物及填補空隙：岡崎片段合成后，由聚合酶Ⅰ水解去除引物，并填補留下的空隙。（2)連接酶連接岡崎片段形成完整雙鏈DNA分子：空隙填補后，DNA片段之間的一個缺口由DNA連接酶催化連接，從而產(chǎn)生完整的雙鏈DNA分子。這是一種特殊的DNA復制方式，主要存在于逆轉錄病毒中。1.反轉錄酶的性質除以RNA為模板合成DNA外①以DNA為模板，合成互補的DNA鏈，形成DNA雙螺旋；②具有5'→3'，3'→5'外切酶的活力；③它還有核糖核酸酶H的活力；④專門水解RNA-DNA雜種分子中的RNA。二、DNA的反轉錄2.反轉錄過程所有已知的致癌RNA病毒本身都含有反轉錄酶，該類病毒侵染宿主細胞后，其攜帶的反轉錄酶對病毒RNA(正鏈)進行反轉錄。過程如下∶①以正鏈RNA為模板，tRNA為引物，反轉錄合成負鏈DNA。②由反轉錄酶的外切酶活力切除DNA-RNA雜交分子中的正鏈RNA。③以負鏈DNA為模板，合成正鏈DNA，形成的雙鏈DNA稱為前病毒。新合成的雙鏈DNA環(huán)化、整合到寄主的染色體DNA中。2.反轉錄過程2.反轉錄過程THANKYOUSUCCESS2023/12/1135可編輯反轉錄現(xiàn)象在生物學上的意義①它擴充了遺傳信息傳遞過程中由DNA→RNA的中心法則；②它對致癌病毒引起癌細胞產(chǎn)生的機制提供了解釋。病毒RNA→宿主細胞→整合到宿主的染色體DNA→轉錄→翻譯成蛋白質(異常)→細胞惡性增殖→形成癌腫。2.反轉錄的生物學意義第二節(jié)RNA的合成

以DNA為模板的RNA聚合反應，合成出與模板堿基順序互補的RNA鏈，這一過程稱轉錄。它是生物界RNA合成的主要方式。一、DNA指導的RNA合成

DNA指導的RNA合成是從模板DNA上特定點起始的，并在特定點上終止。每次只轉錄DNA分子上的一段序列、一個或幾個基因的長度。一、DNA指導的RNA合成

DNA兩條鏈中僅有一條鏈可以用于轉錄，或者在某些區(qū)域以這條鏈轉錄，而在另一些區(qū)域以另一條鏈轉錄，對應的鏈只有復制功能，無轉錄功能。轉錄生成的RNA鏈需要進一步加工修飾，才能成為有活性的(或者說是成熟的)RNA。一、DNA指導的RNA合成

原核生物大腸桿菌中只有一種RNA聚合酶，它能催化細胞中三種RNA的合成，相對分子量為40-50萬，含有兩個α、β、β'和σ五個亞基，沒有σ亞基的酶稱為核心酶。σ亞基的功能∶幫助核心酶識別轉錄起始位點。核心酶的功能∶是催化聚合反應。沒有σ亞基的核心酶只能使正在合成的RNA鏈延長，但不具起始合成RNA的能力。RNA聚合酶可以自行解旋、解鏈。1.RNA聚合酶(又稱轉錄酶)RNA聚合酶的特點①要求模板方向3′→5′；②不需要引物，可以從頭起始合成；③新鏈的延伸方向是5′→3′；④底物是四種NTP；⑤反應需要Mg2+或Mn2+參與。

1.RNA聚合酶(又稱轉錄酶)真核細胞中有多種RNA聚合酶

RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，它們分別催化rRNA、mRNA、和tRNA的合成。除RNA聚合酶外，還有其他蛋白因子參與RNA的轉錄過程。1.RNA聚合酶(又稱轉錄酶)轉錄過程可分為起始、延伸、終止三個階段。(1)轉錄起始

RNA的轉錄是從DNA模板上特定部位開始的，這個特定部位叫做啟動子(或稱啟動基因)。

RNA聚合酶識別啟動子，并與之結合，開始轉錄一段DNA序列。原核生物的啟動子約含40-60個堿基對。2.轉錄過程(以原核生物為例)啟動區(qū)域有三個功能部位①啟動部位∶此處有RNA鏈的第一個核苷酸。②Pribnow框∶也稱緊密結合部位。它位于轉錄起始點之10

位的一段富含AT的序列，又稱TAT盒。③識別部位∶位于轉錄起始點前35個堿基附近，其序列特征為TTGACA。2.轉錄過程(以原核生物為例)

轉錄開始時，RNA聚合酶的σ因子識別啟動子特殊堿基序列，導致RNA聚合酶全酶與啟動子特定部位緊密結合，并局部打開DNA雙螺旋，第一個核苷三磷酸底物插入轉錄起始部位，與模板配對結合使轉錄開始。2.轉錄過程(以原核生物為例)(2)RNA鏈的延伸模板上轉錄起始的第一個核苷酸一般是嘧啶核苷酸，故RNA上的第一個核苷酸是嘌呤核苷酸。

RNA的合成不需要引物。當與模板互補的第二個核苷三磷酸的5-磷酸基與第一個核苷酸的3-OH形成3，5-磷酸二酯鍵，并釋放出焦磷酸時，開始了RNA鏈的延伸。當新生的RNA鏈延伸到10-20個核苷酸后，σ亞基從全酶上脫落，核心酶繼續(xù)催化鏈的延伸。2.轉錄過程(以原核生物為例)(3)終止當核心酶沿模板3→5方向移動到終止信號區(qū)域時，轉錄終止。提供終止信號的DNA序列稱為終止子?，F(xiàn)已證明，所有原核生物的終止子在終止位點之前均有一個二重對稱序列(即回文序列)，在終止位點之后有一富含AT序列跟隨。2.轉錄過程(以原核生物為例)由于終止子結構不同，終止有兩種不同的機制∶①不需終止蛋白ρ因子幫助的終止；②需要ρ因子幫助的終止。需要ρ因子幫助的終止∶發(fā)夾結構使轉錄暫時停止，但RNA聚合酶不能自動脫落模板.ρ因子與暫停的RNA聚合酶結合，引起酶構象改變，致使其脫落模板，釋放RNA鏈，完成轉錄.ρ因子的作用需要ATP供能。 2.轉錄過程(以原核生物為例)3.轉錄后的加工

由RNA聚合酶轉錄生成的RNA分子稱為前體RNA。前體RNA一般需經(jīng)過加工才能變成為生物活性的RNA(即成熟RNA)。①在正常復制中，DNA鏈解開，兩條鏈分別作為新互補鏈合成的模板；而轉錄則是不對稱的，只有一條鏈作為模板。②復制時兩條鏈保持分開，DNA-DNA子螺旋穩(wěn)定；而轉錄時形成的DNA-RNA雜種雙鏈不穩(wěn)定，RNA鏈很快與DNA鏈分開移走。③DNA復制時，子代DNA分子大小與親代相同；而轉錄時，在一個DNA分子上可以合成許多個RNA分子，它們都比通常的

DNA模板小得多。4.DNA的復制與轉錄成RNA過程的不同點

某些RNA病毒，其遺傳物質是RNA，所以，其RNA的合成是通過RNA的復制方式來完成的。

RNA的復制是通過RNA復制酶來完成的。如∶噬菌體Qβ，它的RNA復制酶有四個亞基(α、β、γ、δ)，只有β亞基是由噬菌體Qβ本身編碼的，其余三個亞基則來自寄主。

RNA復制酶對模板有高度的專一性，它們只識別病毒自身的RNA，對宿主細胞和其它病毒RNA均無反應。二、RNA的復制合成第三節(jié)蛋白質的生物合成

本節(jié)主要介紹遺傳物質是如何指導蛋白質合成的。蛋白質的生物合成十分復雜，幾乎涉及到細胞中各種RNA和幾百中蛋白質。下面以大腸桿菌為例，來介紹蛋白質的生物合成有關的問題。

按照DNA分子中三個核苷酸(亦即三個堿基)組成來編碼的。三個核苷酸代表一個氨基酸，這種三個核苷酸結構的密碼單位叫做密碼子，或稱密碼三聯(lián)體。一、遺傳密碼遺傳密碼的特點∶①遺傳密碼不重迭、無標點。②密碼具有通用性∶遺傳密碼在各類生物中是通用的。密碼子的簡并性∶從密碼字典可以看出，大多數(shù)的氨基酸都有兩種以上的不同密碼子，它們稱同義密碼。一種氨基酸有多種同義密碼的現(xiàn)象稱為密碼簡并性。它對保持生物物種的遺傳穩(wěn)定性具有重要意義。一、遺傳密碼④起始密碼子和終止密碼子

64組密碼子中有兩種特殊的密碼子。一種是AUG，它即是Met的密碼子，又是肽鏈合成的起始密碼；另一種是UAG、UAA、UGA，這三組密碼子不編碼任何氨基酸，指示肽鏈合成的終止位點。⑤密碼子的擺動性∶

tRNA上的反密碼子與mRNA上的密碼子的堿基反響互補配對識別時，密碼子的第一、二位堿基與反密碼子的配對是標準的A-U、G-C配對，而密碼子的第三位堿基與反密碼子的配對不很嚴格，這種現(xiàn)象稱為密碼子的擺動性。一、遺傳密碼密碼子的擺動性大大提高了tRNA閱讀mRNA的能力，如∶反密碼子的G可以與C、U配對，I可以與U、C、A配對。一、遺傳密碼

核糖體是細胞內合成蛋白質的場所，在蛋白質合成的復雜過程中，它起到把tRNA、mRNA及多種酶和蛋白因子的作用協(xié)調起來的分子機器的作用。核糖體由rRNA和多種蛋白質組成，其中蛋白質占1/3(55種)，rRNA占2/3(3種，它們的沉降系數(shù)分別是5S、16～19S和23～29S)。二、核糖體

rRNA在核糖體中的作用可能是保持核糖核蛋白體具有特殊的三維空間結構，使mRNA和tRNA得以結合在適當?shù)奈恢蒙?。核糖體由大小兩個亞基組成，其結構模型∶

在細菌中，核糖體70S=大亞基50S+小亞基30S，在動物細胞中，核糖體80S=60S+40S二、核糖體

蛋白質合成的過程可分為三個階段

1)合成的準備階段

2)多肽鏈的合成

3)合成后的加工1.蛋白質合成前的準備①氨基酸的活化

三、蛋白質合成的過程

氨基酸在氨基酸-tRNA合成酶的作用下，活化成氨基酰-tRNA(氨基酸是以高能酯鍵與tRNA的3′-末端腺苷酸的2′或3′的羥基相連的)。AA+tRNA+ATPAA～tRNA+AMP+Ppi

該酶分子上有氨基酸和tRNA兩種底物的專一性結合點。每一種tRNA只專一攜帶一種氨基酸，而一種氨基酸可分別被幾種tRNA專一攜帶(因為有密碼簡并現(xiàn)象)。

tRNA憑借自身的反密碼子與mRNA上的密碼子相識別，而把所攜帶的氨基酸定位在肽鏈的一定位置上。1.蛋白質合成前的準備(1)起始氨基酸和起始tRNA

起始密碼為∶AUG(少數(shù)是GUG)原核生物肽鏈合成起始氨基酸都是甲酰蛋氨酸(fMet)。

fMet是由甲酰四氫葉酸提供甲?；?，甲?；复呋鞍彼岬摩?NH2甲?；a(chǎn)生的。攜帶fMet的tRNA用fMet-tRNAf來表示，以區(qū)別于Met-tRNAMet。起始復合物的形成∶2.肽鏈的合成過程fMet-tRNAfAA～tRNA2.肽鏈的合成過程