1、生物化学生物化学中心法则中心法则:第十一章第十一章 遗传信息的传递遗传信息的传递第一节第一节 DNA DNA的生物合成的生物合成一、一、DNADNA的复制的复制（一）（一）DNADNA的半保留复制的半保留复制 DNA DNA双链解开成为两条单链，分别以双链解开成为两条单链，分别以每条单链为模板，以每条单链为模板，以4 4种种dNTPdNTP（三磷酸脱氧（三磷酸脱氧核苷）为原料，按碱基配对原则，从核苷）为原料，按碱基配对原则，从5353方向合成新的方向合成新的DNADNA互补链，新合成互补链，新合成的的DNADNA与原来的完全一样，并且一条链来自与原来的完全一样，并且一条链来自亲代，一条链是新合
2、成的，这种复制方式亲代，一条链是新合成的，这种复制方式就叫做就叫做DNADNA的半保留复制。的半保留复制。（二）（二）参与参与DNADNA复制的酶类复制的酶类1 1DNADNA聚合酶聚合酶在合成中可发挥三种作用：在合成中可发挥三种作用：5353外切酶活性：切除引物外切酶活性：切除引物 35 35外切酶活性：可从外切酶活性：可从3535方方向识别和水解不配对的核苷酸，对生长中向识别和水解不配对的核苷酸，对生长中的碱基进行识别和校对。的碱基进行识别和校对。沿沿5353方向延长方向延长 ：依赖于：依赖于DNADNA的的DNADNA聚合酶功能。聚合酶功能。PPPPPPOHOH+OHOHPPPPPPOH
3、OHPPPPPPPPPPPPOHOHOHOH+P PDNADNA合成方向不可能是合成方向不可能是3535的解释的解释3535外切酶活性：对生长中外切酶活性：对生长中的碱基进行识别和校对的碱基进行识别和校对2 2DNADNA连接酶连接酶催化两个催化两个DNADNA片段之间形成片段之间形成33，5-5-磷酸二酯键，磷酸二酯键，连接连接DNADNA片段。片段。3 3引物酶引物酶 依赖于依赖于DNADNA的的RNARNA聚合酶，是以聚合酶，是以DNADNA为模为模板来合成板来合成RNARNA的酶，可识别复制起始点，以的酶，可识别复制起始点，以DNADNA为模板，四种为模板，四种NTPNTP为原料，按为
4、原料，按5353方方向，遵从碱基互补原则，合成向，遵从碱基互补原则，合成RNARNA引物，提引物，提供供DNADNA合成的合成的3-OH3-OH端。端。DNADNA聚合酶不能聚合酶不能“从无到有从无到有”地合成多核苷酸地合成多核苷酸链，只能从已有的多核苷酸链上延长，这个已有链，只能从已有的多核苷酸链上延长，这个已有的多核苷酸链就是引物，所以的多核苷酸链就是引物，所以DNADNA的合成必须要有的合成必须要有引物，体内的引物多数情况下是引物，体内的引物多数情况下是RNARNA，但也可利用，但也可利用体内原有的体内原有的DNADNA片段。片段。RNARNA引物是以单链引物是以单链DNADNA为模板，
5、沿为模板，沿5353方向方向合成小分子合成小分子RNARNA引物，在大肠杆菌中引物，在大肠杆菌中RNARNA引物（引物（RNA RNA primerprimer）由引发酶（）由引发酶（primaseprimase）催化，引物的长度）催化，引物的长度1 16060个核苷酸（引物的长度取决于物种）。个核苷酸（引物的长度取决于物种）。DNADNA的合成需要以的合成需要以RNARNA为引物为引物:4.4.解旋和解链酶类解旋和解链酶类:作用在作用在DNADNA的双链上，的双链上，使之解链和解旋，以形成两条单链。使之解链和解旋，以形成两条单链。5.5.拓扑异构酶类：缓解扭转应力拓扑异构酶类：缓解扭转应力
6、6.6.单链结合蛋白（单链结合蛋白（SSBSSB）：防止解旋酶一旦）：防止解旋酶一旦过去之后，螺旋又恢复原状过去之后，螺旋又恢复原状7 7DNADNA聚合酶聚合酶 依赖于依赖于DNADNA的的DNADNA聚合酶，以聚合酶，以DNADNA为模板，为模板，以四种以四种dNTPdNTP为原料，催化从引物为原料，催化从引物3-OH3-OH端，端，按碱基互补原则合成新的按碱基互补原则合成新的DNADNA。DNA DNA聚合酶聚合酶是催化是催化DNADNA合成（聚合反合成（聚合反应发生）的关键酶。应发生）的关键酶。真核生物真核生物DNA polDNA pol；有有DNA pol.DNA pol.、55种，
7、除种，除DNA pol rDNA pol r存在于线粒体内，其存在于线粒体内，其余均存在于细胞核中。它们的差别除了余均存在于细胞核中。它们的差别除了细胞定位外，主要在于动力学性质和对细胞定位外，主要在于动力学性质和对抑制剂的敏感性不同。其他性质基本上抑制剂的敏感性不同。其他性质基本上同同E coliE coli的聚合酶，也需要模板的聚合酶，也需要模板,带带3-OH3-OH的引物和的引物和4 4种脱氧核苷三磷酸，种脱氧核苷三磷酸，链的延伸方向为链的延伸方向为5353。大肠杆菌三种大肠杆菌三种DNADNA聚合酶的比较聚合酶的比较哺乳动物哺乳动物DNADNA聚合物聚合物（三）复制合成过程（三）复制合
8、成过程 三阶段三阶段 a a起始起始 包括解链、解旋和引发阶段包括解链、解旋和引发阶段 识别复制的特定起始位点（引物酶）；识别复制的特定起始位点（引物酶）；解开双螺旋，成为二条单链（解链解旋酶）；解开双螺旋，成为二条单链（解链解旋酶）；以以DNADNA单链为模板合成单链为模板合成RNARNA引物，提供引物，提供DNADNA合成合成的的3-OH3-OH端（引物酶），并形成复制叉，起始阶段端（引物酶），并形成复制叉，起始阶段结束。结束。b b延长：延长：DNADNA链的形成和延伸阶段链的形成和延伸阶段 在在DNADNA聚合酶聚合酶的作用下，从引物的作用下，从引物3-OH3-OH端开始端开始合成合成
9、DNADNA片段。片段。与复制叉移动方向一致的链进行连续合成，叫与复制叉移动方向一致的链进行连续合成，叫前导链前导链(领头链领头链)。与复制叉移动方向不一致链进行不连续合成，与复制叉移动方向不一致链进行不连续合成，合成小的合成小的DNADNA片段（冈崎片段），这条链叫后续片段（冈崎片段），这条链叫后续链链(随从链随从链)。这种复制方式也叫半不连续复制。这种复制方式也叫半不连续复制。c c终止终止 由由DNADNA聚合酶聚合酶切除引物，填切除引物，填补缺口，补缺口，DNADNA连接连接酶连接酶连接DNADNA片段，片段，得到完整的得到完整的DNADNA互互补链。补链。二、二、DNADNA损伤（突
10、变）与修复损伤（突变）与修复 基因突变：基因突变：DNADNA分子中的核苷核序列发生改变，导分子中的核苷核序列发生改变，导致遗传密码编码信息改变，造成基因表达产物蛋致遗传密码编码信息改变，造成基因表达产物蛋白质的氨基酸变化，从而引起表型的改变。白质的氨基酸变化，从而引起表型的改变。（一）引起突变的因素（一）引起突变的因素 物理：紫外线、各种辐射等；物理：紫外线、各种辐射等；化学：亚硝酸盐、烷化剂、芳香烃类等；化学：亚硝酸盐、烷化剂、芳香烃类等；生物因素：生物因素：RNARNA病毒感染等。病毒感染等。（二）（二）DNADNA的修复的修复1.1.光复活光复活 切除修复切除修复重组修复重组修复SOS
11、SOS修复修复1.1.损伤：损伤：形成嘧啶二聚体形成嘧啶二聚体2.2.形成酶形成酶DNADNA复合物：复合物：光复合酶结合于损伤部位光复合酶结合于损伤部位3.3.酶被可见光所激活酶被可见光所激活4.修复后释放酶修复后释放酶5533 5 5 33h h 2.2.切除修复（切除修复（excision repairexcision repair）3.3.重组修复（重组修复（recombination repairrecombination repair）转录转录(transcription)(transcription)生物体以生物体以DNADNA为模板合成为模板合成RNARNA的过程的过程 。转转
12、录录RNARNADNA DNA 第二节第二节 RNA RNA的转录的转录复制和转录的区别复制和转录的区别 A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶
13、NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制参与转录的物质参与转录的物质原料原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP):NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板模板:DNA:DNA酶酶:RNA:RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase,RNA-pol)(RNA polymerase,RNA-pol)其他蛋白质因子其他蛋白质因子一、转录模板一、转录模板不对称转录不对称转录(asymmetric transcription)(asymmetric transcription)1.DNA 1.DNA分子上转录出
14、分子上转录出RNARNA的区段，称为结构基因的区段，称为结构基因(structural gene)(structural gene)。2.DNA 2.DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNARNA的一股单链，称为模板链的一股单链，称为模板链(template strand)(template strand)，也称作有意义链或也称作有意义链或WatsonWatson链。相对的另一股单链链。相对的另一股单链是编码链是编码链(coding strand)(coding strand)，也称为反义链或，也称为反义链或CrickCrick链。链。5GCAGTACA
15、TGTC 5GCAGTACATGTC 333 c g t g a t g t a 3 c g t g a t g t a c a g 5c a g 55GCAGUACAUGUC 5GCAGUACAUGUC 33NAla Val NAla Val His Val CHis Val C编码链编码链模板链模板链mRNAmRNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链结构基因结构基因转录方向转录方向转录方向转录方向 3.3.不对称转录的含义不对称转录的含义 一是一是DNADNA链上只有部分的区段作为转录链上只有部分的区段作为转录模板模
16、板(有意义链或模板链有意义链或模板链),),二是模板链并非二是模板链并非自始至终位于同一股自始至终位于同一股DNADNA单链上。单链上。不是整个不是整个DNADNA分子的信息都被转录成一个分子的信息都被转录成一个RNARNA，而是某些基因以，而是某些基因以DNADNA的这一条链作为模板，而另一些基因以的这一条链作为模板，而另一些基因以DNADNA的另外一条链作为模板。的另外一条链作为模板。二、二、RNARNA聚合酶聚合酶（一）原核生物的（一）原核生物的RNARNA聚合酶聚合酶 36512 决决定定哪哪些些基基因因被被转转录录 150618 催催化化功功能能 155613 结结合合DNA模模板板
17、 70263 辨辨认认起起始始点点亚亚基基分分子子量量功功 能能核心酶核心酶(core enzyme)(core enzyme)全酶全酶 (holoenzyme)(holoenzyme)（二）真核生物的（二）真核生物的RNARNA聚合酶聚合酶 种类种类对鹅膏蕈碱对鹅膏蕈碱的反应的反应45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受耐受极敏感极敏感中度敏感中度敏感转录产物转录产物三、三、RNARNA转录转录 原核生物一个转录区段可视为一个原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子转录单位，称为操纵子(operon)(operon)，包括若，包括若干个结构基因及其上游干个结构
18、基因及其上游(upstream)(upstream)的调控的调控序列。序列。1.1.转录的一般原则转录的一般原则（4 4）第一个被转录的核苷酸通常是嘌呤核苷酸（约为）第一个被转录的核苷酸通常是嘌呤核苷酸（约为 90%90%），其中以乌嘌呤核苷酸最为常见。），其中以乌嘌呤核苷酸最为常见。（2 2）转录过程中需要模板，需要解链，但不需要引物）转录过程中需要模板，需要解链，但不需要引物 。（3 3）以）以4 4种核苷三磷酸为底物，并需要种核苷三磷酸为底物，并需要MgMg2+2+激活。激活。（5 5）转录的方向的）转录的方向的5353，这与，这与DNADNA的复制完全一致。的复制完全一致。（6 6）转
19、录具有高度的忠实性。）转录具有高度的忠实性。（7 7）转录受严格调控。）转录受严格调控。（1 1）模板）模板:体内体内DNADNA中的一条链被转录，体外中的一条链被转录，体外DNA DNA 的两条链都能被转录。的两条链都能被转录。why why？2.2.转录的起始转录的起始 （1 1）启动子（）启动子（promoterpromoter）的概念：）的概念：启动子是指启动子是指RNARNA聚合酶识别，结合并开始转录的一段聚合酶识别，结合并开始转录的一段DNADNA序列，它包括序列，它包括4 4个区域：个区域：转录的起始点，转录的起始点，-10-10区（区（pribnow boxpribnow bo
20、x，富含，富含ATAT，其一致序列为，其一致序列为TATAATTATAAT）-35-35区区 一致序列为一致序列为TTGACATTGACA，-10-10与与-35-35之间的序列。之间的序列。原核生物的原核生物的RNARNA聚合酶能直接识别启动子，并与启动子结合，从聚合酶能直接识别启动子，并与启动子结合，从而启动基因转录而启动基因转录DNADNA的转录过程：起始、延长和终止。的转录过程：起始、延长和终止。转录起始点（转录起始点（start pointstart point）为）为+1+1，位于它上游的序列为负，位于它上游的序列为负数，位于它下游的序列为正数，没有零。数，位于它下游的序列为正数，
21、没有零。（2 2）RNARNA聚合酶对启动子的识别、结合和起始复合物的形成聚合酶对启动子的识别、结合和起始复合物的形成 RNARNA合成不需要引物，按照合成不需要引物，按照DNADNA中一条链的碱基中一条链的碱基序列选择序列选择1st and 2nd 1st and 2nd 核苷三磷酸，合成第一个磷核苷三磷酸，合成第一个磷酸二酯键，酸二酯键，RNARNA链上参入的第一个核苷酸通常是嘌链上参入的第一个核苷酸通常是嘌呤，因此新生呤，因此新生RNARNA的的55端通常是端通常是pppA or pppGpppA or pppG。转录起始后，转录起始后，因子就从起始复合物中解离。因子就从起始复合物中解离
22、。3.3.链的延长：链的延长：因子释放后，进入链的延长阶段，核心酶的移动方因子释放后，进入链的延长阶段，核心酶的移动方向沿向沿DNA DNA 的的3535方向方向 RNARNA链的合成方向链的合成方向53 53 当核心酶沿模板当核心酶沿模板3535方向移动到终止信方向移动到终止信号区域时，转录就终止，提供终止信号的号区域时，转录就终止，提供终止信号的DNADNA序列序列称终止子。称终止子。终止有终止有2 2种类型：不依赖种类型：不依赖因子的终止，依赖因子的终止，依赖于于因子的终止。因子的终止。4.4.链的终止：链的终止：RNARNA合成的速度每秒种合成的速度每秒种4040个核苷酸，与蛋白质个核
23、苷酸，与蛋白质合成的速度相近（合成的速度相近（1515个个aa/secaa/sec），但比），但比DNADNA复制的复制的速度（速度（800bp/sec800bp/sec）要慢得多。）要慢得多。RNARNA聚合酶在聚合酶在DNADNA分分子上的运动不是匀速的，在经过富含子上的运动不是匀速的，在经过富含GCGC对的序列对的序列8 8至至1010个核苷酸后，会发生一次暂停，这与转录的终个核苷酸后，会发生一次暂停，这与转录的终止有关。止有关。不依赖于不依赖于因子的终止：这类终止子结构上有因子的终止：这类终止子结构上有2 2个特征个特征（2 2）发夹结构末端紧跟）发夹结构末端紧跟6 6个连续的个连续的U U，这，这 发夹结构阻碍了聚合酶的进一步延发夹结构阻碍了聚合酶的进一步延 伸，伸，RNARNA链的合成就终止，酶和链的合成就终止，酶和 mRNA mRNA就从模板就从模板DNADNA上释放。上释放。（1 1）DNADNA链的链的33端附近有回文结构，富端附近有回文结构，富 含含G-CG-C碱基，随后紧跟的是碱基，随后紧跟的是A-TA-T碱基，碱基，转录而形成的转录而形成的RNARNA具有茎环的发夹具有茎环的发夹 形结构（形结构（hairpin structurehairpin structure）。
