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第十四章核酸的生物合成

第十四章核酸的生物合成


(nucleic acid biosynthesis)

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第一节

DNA的生物合成(复制)

基因、基因组、基因表达

复 制

转录

DNA
逆转录

RNA

翻译

蛋白质

(亲代

子代)

2

遗传信息传递的“中心法则”

一、DNA的复制
(一)DNA复制的基本原则
1、半保留复制

C T A T G C T A T G G A T A C C T A T G G A T A C C T A T G G A T A C

G A T A C

3

半 保 留 复 制 证 据

4

Meselson-Stahl experiment

(复制的基本原则) 1. 半保留复制 2、复制起始点(ori)

3、双向复制
4、半不连续复制
(刚合成的一段一段的DNA片断)

领头链
5’ Replication fork
5’ 3’

Ori

冈崎片段
3’

3’

5’
随从链

5

(二)参加DNA复制过程的主要酶类
DNA拓扑异构酶( 拓扑酶,Topo )

1. 解旋、解链酶类 1) Topo :
改变超螺旋结构

解链酶类

单链DNA结合蛋白(SSB)
复制前 → 松弛超螺旋 复制后 → TopoII作用下,重新引入 超螺旋(需ATP供能)

2)解链酶 :
解开氢键,形成两条模板单链;

3)SSB
附着在解开的单链上,稳定单链构象。
6

2. 引物酶与引物
1) 在解链酶及其他蛋白因子参与下辨认复制起 始点,并结合引物酶形成引发体; 2) 引物酶催化合成引物RNA

(引物RNA3ˊ-OH末端作为DNA合成的起始点)

7

3.

DNA聚合酶(E.coli有3种DNA pol,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ) 3种DNA聚合酶的共性:

① 3种酶都有以DNA为模板、催化合成DNA的活性 ② 催化DNA合成具有方向性

模板链阅读方向: 3ˊ→ 5ˊ
新链延伸方向: 5ˊ→ 3ˊ

③ 3种酶都具有3ˊ→ 5ˊ核酸外切酶活性,以校正 复制错误。
8

3种DNA聚合酶的特性:
(1) DNA聚合酶Ⅰ(Pol.Ⅰ)是多功能性酶
① 依赖其5ˊ→3ˊ外切酶和5ˊ→3ˊ聚合酶活性,切除RNA引 物,填补空隙; ② DNA损伤时,起切除及修复损伤DNA的作用; ③ 在体外,具有“切口平移”作用;
3ˊ Pol Ⅰ的缺口平移



小结:
DNA Pol Ⅰ呈多功能性,不仅具有催化DNA合成活性,还具有校正错误、 切除引物、填补空隙、修复损伤DNA等作用。

9

(2)DNA聚合酶Ⅲ(Pol.Ⅲ)

是主要的复制酶。
(3)DNA聚合酶Ⅱ(Pol.Ⅱ) (不详)

4. DNA连接酶
将刚合成的、一段一段的DNA片段连接成长链。 5. 其它 1) 原料 (底物) 4种三磷酸脱氧核苷(dNTP) 2) 模板 以DNA两条链为模板 10

(三) DNA复制过程(示意图)
SSB 解链方向

3’
5’ 领头链

3’ 聚合酶Ⅲ
引物酶

3’ 5’
解链酶
引发体

随从链

5’

连接酶 冈崎片段 引物

拓扑酶

聚合酶Ⅰ 11
(切除引物,填补空隙)

(三) DNA复制过程(要点)
1. 模板DNA解旋与解链,形成复制叉; 2. 形成引发体,合成RNA引物; 3. 按A=T、G=C碱基配对规则,合成DNA; 4. 切除引物、填补空隙、形成冈崎片段; 5. DNA连接酶连接封口,形成长链DNA; 6. 在Tus蛋白参与下,终止复制。
12

二、逆转录
以RNA为模板合成DNA的过程。
RT RT RT

整合到宿主细胞 染色体中、表达 病毒蛋白。

RNA RNA-DNA DNA

cDNA

逆转录酶至少具有以下3种酶活性: ⑴ ⑵ ⑶ 13 RNA指导下的DNA聚合酶活性(逆转录酶); 水解RNA(RNA-DNA杂交链)的酶活性(RNase H 活性 ); DNA指导的DNA聚合酶活性

逆转录酶是分子生物学中一类重要的工具酶
1. 制备多肽类产品
IL-2(133aa) 推测、并体外合成mRNA E.coli中 根据3个碱基代表1个aa原则 逆转录酶 cDNA 整合到

表达IL-2产品;

2. 建立cDNA文库
从真核细胞分离总 mRNA 入载体内,构成重组DNA 隆(即为cDNA文库) 14
逆转录酶

cDNA

将其插 得到克

转化 E.coli
基因治疗 cDNA探针 基因诊断

三. DNA复制与端粒、端粒酶
DNA复制时,由于受DNA聚合酶特性限制,子代DNA链的最后一个片
断去除引物后,无法填补空隙,易造成子代DNA链的缩短。

端粒:
位于真核生物染色体末端(一条链的3?-OH),由蛋白质和DNA(人类: “TTAGGG”重复序列)紧密结合的结构。
端粒功能: 避免染色体DNA链的缩短;防止染色体的融合或降解;维持染色体结

构的稳定性和完整性。

15

端粒酶:
是一种自身携带RNA模板的逆转录酶,可以催化合成端粒
DNA(TTAGGG重复序列)。

端粒酶特殊的生物学功能:
1) 端粒酶活性提高?端粒序列延长?遗传信息稳定性增高; 2) 活化端粒酶?端粒DNA序列延长?细胞分裂旺盛?细胞寿 命延长; 3) 抑制端粒酶活性?可以限制转化细胞生长?抑制肿瘤的形 成。 16

端 粒 酶 合 成 端 粒 的 爬 行 模 式
17

DNA5’----TTTTGGGGTTTTG-OH(3’) 3’---GC C AAAACCCCAAAACA A A U A C

3’
DNA5’----TTTTGGGGTTTTGGGGTTTT 3’----

5’

G-OH(3’) GC C AAAACCCCAAAACA A A U A C

3’
DNA5’----TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTG-OH(3’) 3’----

5’

GC C AAAACCCCAAAACA A A U A C

3’
Further polymerization

5’

四、 基因突变和DNA的损伤与修复
自发突变; 诱发突变;

(一)引起突变的因素
(大剂量紫外线照射,电离辐射,化学诱变剂:亚硝胺类、多环芳香烃等)

(二) 基因突变的类型
1. 点突变(碱基置换)
转换: A ? G 或 C ? T ;

颠换 :
18

嘌呤碱 ? 嘧啶碱

A
U



2.

框移突变

缺失 或插入1个碱基
19

3.

基因重排
位于11号染色体的 Hbβ基因家族 γ1 γ2 δ β

ε

ε' ε

γ 1' γ1

γ 2' γ2

δ' δ

β' β β'

ε' ε γ1

γ 1' γ2

γ 2' δ

δ' βN δC'    β'   

ε'

γ 1'

γ 2'

δN' β C

图14-14 由基因重排引起的两种地中海贫血基因型

20

(三)损伤DNA的修复
1. 光复活

光修复酶

21

2 切 除 修 复

.
22

(DNA Pol Ⅰ)

(DNA Pol Ⅰ)

连接

3 重 组 修 复

23

.

复制

重组

再合成

4.

SOS修复
当DNA广泛损伤、难以修复时,

诱导产生一类特异性低、选择碱基能力差的DNA聚合 酶,进行错误复制——应急修复(SOS修复)

24

第二节

RNA的生物合成(转录)

一、参加转录的主要物质 (一)模板: (以DNA的一条链为模板)

DNA 5?……G G A G T A C A T G T C …3?(编码链,+ ) 3?……C C T C A U G U A C A G …5?(模板链,- ) ↓(转录) 5?…… G G A G U A C A U G U C ……3? ↓(翻译) N…… Ala …Val… His … Val … C 25
多肽链

mRNA

(二) RNA聚合酶 (E.coli )

σ因子:
辨认转录起始点,并与之结合,带 动全酶解开双链,促进转录启动;

RNA 聚 合 酶
(α2ββˊσ)

α2ββˊ(核心酶):
延着模板链3ˊ→ 5ˊ滑动,按A-U、 C-G碱基配对规则, 催化合成5ˊ→ 3ˊ 方向的RNA链。 26

真核生物的RNA聚合酶有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3种
RNA Pol Ⅰ 存在于核仁,催化大分子rRNA的合成; RNA Pol Ⅲ 存在于核质,催化tRNA和小分子 rRNA的合成;
*RNA Pol Ⅱ

存在于核质,催化hnRNA(mRNA前体分子)的合成。
加工

hnRNA 27

mRNA

(三)底物 : ----四种三磷酸核糖核苷(NTP)

(四)终止因子( ρ ) : ----识别终止信号。

28

二、RNA的转录过程
(一)转录过程 1. RNA聚合酶辨认和结合模板(起始阶段)

σ因子辨认转录起始点,带动全酶与启动序列(-10 ? 35bp)

结合,促使双链局部解开,启动转录 。

结合

转录起始点 启动序列

0

(Pribnow盒)

29

(一旦转录启动, σ因子脱落下来)

转录起始点 (-25 ? -30bp)

(-30 ? -110bp)

真核生物转录启动子
30

2. 延伸阶段
由核心酶沿着模板链3??5?方向滑动,按A=U、G≡C
碱基配对规则,合成5?? 3?方向的RNA链。

RNA polymerase

模板链

转录空泡

31

3.

终止阶段

1) 形成发夹结构,终止转录;
2) ρ识别、并结合终止信号区,终止转录

32

原核生物:

转录产物不需加工;

真核生物: 转录产物需要加工
5端加帽 mRNA 3端加尾

剪接(切除内含子、连接外显子)

包括:
tRNA—— 碱基修饰 rRNA—— 与蛋白质结合,形成核糖体

33

DNA和RNA生物合成的比较(1)
复制 1. 原料 dNTP 转录 NTP

2. 模板
3. 引物 4. 新连延伸方向 5. 主要酶类

DNA两条链
需要RNA引物 5ˊ→3ˊ

DNA一条链
不需引物 5ˊ→3ˊ

DNA聚合酶

RNA聚合酶

解旋、解链酶类
引物酶 DNA连接酶 34

(α2ββˊσ)
终止因子(ρ)

DNA和RNA生物合成的比较(2)
复制过程
1. 模板DNA解旋与解链,

转录过程
σ因子辨认起始点,

形成复制叉;
2. 形成引发体, 合成RNA引物; 3. 按A=T、G=C碱基配对 规则,合成DNA; 4. 切除引物、填补空隙、 形成冈崎片段;

带动全酶解开DNA双链,
促使转录起动; σ因子随之脱落下来; 在核心酶催化下, 使RNA链不断延长; ρ因子终止链延长。

5. DNA连接酶连接封口,形成长链DNA;

6. 在Tus蛋白参与下,终止复制

35

《核酸的生物合成》课堂练习
1. 基因表达包括下列过程
A. 复制 D. 逆转录 B. 转录 E. 以上都是 C. 翻译

2. DNA的半保留复制包括下列要点
A. 亲代DNA局部解开为两条单链 B. 以其中一条单链为模板

C. 严格遵守G ≡ C 、A = U碱基配对法则
D. 合成的子代DNA中,只有一条链是新合成的 E. 子代DNA中只有一条链的碱基排列顺序与亲代完全一样 36

3. DNA复制过程中发生下列酶促反应
A. 解链酶将DNA双链局部解开为两条单链
B. 引物酶催化合成RNA引物 C. DNA Pol Ⅲ催化合成DNA D. DNA Pol Ⅰ切除引物、填补空隙 E. DNA连接酶将冈崎片断连接成长链DNA

4. 文献刊登的基因序列,通常指的是
A. 模板链 D. mRNA B. E. 编码链 领头链 C. DNA两条链

5. 辨认转录起始位点的是
A. ?亚基 37 D. ??亚基 B. σ因子 E. 核心酶 C. ?亚基

6. DNA Pol Ⅰ具有下列功能,错误的是
A. 当复制发生错误时, 发挥校读(正)作用 B. 在复制过程中,发挥切除引物,填补空隙作用 C. DNA损伤时,可以发挥切除并修补损伤DNA的作用 D. 在体外,具有“切口平移”作用

E. DNA PolⅠ具有5?→3?、 3?→5?外切酶活性
和5?→3?、 3?→5?聚合酶活性

7.镰刀型红细胞贫血是由于?-珠蛋白基因发生下列突变
A. 点突变 C. 碱基插入 B. 碱基缺失 D. 框移突变

E. 胸腺嘧啶(T)被颠换为腺嘌呤(A) 38


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