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1、2019/10/20,1,第十二章 核酸的生物合成,2019/10/20,2,核苷酸,磷酸,戊糖(核糖、脱氧核糖),碱基（A、G、C、T / U）, 核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是核苷酸。,2019/10/20,3, DNA是基因遗传与表达的载体，是生物的主要遗传物质。, DNA的一级结构是指脱氧核苷酸之间的连接方式和排列顺序。连接方式： 3，5-磷酸二酯键。,2019/10/20,4,DNA的二级结构,1953年，Watson和 Crick 提出了著名的DNA双螺旋结构模型。,2019/10/20,5, RNA是DNA的局部转录产物，RNA为单链分子，以3，5
2、-磷酸二酯键相连。, 根据RNA的功能，可以分为mRNA 、tRNA 和 rRNA 三种。 mRNA: 编码氨基酸 t RNA: 转运氨基酸 r RNA: 构成蛋白质合成场所（核糖体）,2019/10/20,6,复制,转录,翻译,逆转录,复制, 1958年Crick提出中心法则(central dogma)，1971年完善。,中心法则揭示了生物体内遗传信息的传递方向。,2019/10/20,7,DNA复制（ replication） 是指以亲代DNA分子的双链为模板，按照碱基配对的原则，合成出与亲代DNA分子相同的两个双链DNA分子的过程。,2019/10/20,8,转录（transcript
3、ion） 则是以DNA分子中的一条链为模板，按碱基配对原则，合成出一条与模板DNA链互补的RNA 分子的过程。,2019/10/20,9,翻译（translation）或称转译， 是以mRNA为模板，按照三个核苷酸（碱基三联体密码子）决定一个氨基酸的原则，把mRNA上的遗传信息转换成蛋白质分子中特定的氨基酸序列的过程.,2019/10/20,10,70年代人们发现，RNA病毒能以自己的RNA为模板复制出新的病毒RNA； 其中，逆病毒（retrovirus）在宿主细胞中能以其RNA为模板合成DNA，称为逆转录（reverse transcription）。,2019/10/20,11,2019/
4、10/20,12, 核酸的生物合成包括： DNA的生物合成：DNA复制和逆转录 RNA的生物合成：转录和RNA复制,2019/10/20,13,第一节 DNA的生物合成, 1953年，Watson和Crick在提出DNA双螺旋结构模型时就推测DNA可能按照半保留机制进行自我复制。,一、DNA的复制,、DNA的半保留复制,2019/10/20,14,半保留复制（semiconservative replication） 在复制过程中，首先亲代双链解开，然后每条链作为模板，在其上合成互补的子代链，结果新形成的两个子代DNA与亲代DNA分子的碱基顺序完全一样，而且每个子代DNA分子中有一条链完全来自
5、亲代DNA，另一条是新合成的。,2019/10/20,15, 1958年，Meselson和Stahl用15N标记E.coli. DNA，用密度梯度离心试验证明了DNA的复制是半保留复制。,2019/10/20,16, 半保留复制具有重要的生物学意义，DNA分子以半保留方式进行复制，亲代DNA分子中的一条链保留在子代DNA分子中，可使遗传信息准确的传递给子代细胞，保持其相对稳定性而不致发生进化上不能忍受的变化。,2019/10/20,17, DNA聚合酶 DNA模板（反转录时用RNA模板） 引物（DNA或RNA，提供游离3-OH） 4种dNTP Mg2+,、大肠杆菌DNA聚合酶及其它复制相关的
6、蛋白,1. DNA聚合发生的条件, 目前已发现30多种酶及蛋白质因子参与DNA复制，DNA生物合成方向为53 。,2019/10/20,18,n1dATP + n2dGTP + n3dCTP + n4dTTP,DNA +（n1+n2+n3+n4）PPi,模板DNA,Mg2+,DNA聚合酶,2019/10/20,19,2. 原核生物DNA聚合酶的种类, DNA聚合酶, 5， 3， 聚合酶活性：只能将脱氧核苷酸加于已存在的DNA或RNA链的3-OH 上，不是主要的聚合酶。 3， 5， 外切酶活性：只对单链，起校对功能。 5， 3， 外切酶活性：对双链，损伤修复作用，及切除RNA引物并填补其留下的缺
7、口。, 单体酶，分子量109Kd，含一个Zn2+ ，催化活性：,2019/10/20,20, 5 3 聚合酶,模板链,新生链,2019/10/20,21,C (unable to pair with A),C removed, 3 5 外切酶活性,2019/10/20,22, 5， 3， 外切酶活性,2019/10/20,23,Arthur Kornberg won the 1959 Nobel Prize in Medicine for his discovery of the mechanism in the biological synthesis of deoxyribonucleic
8、 acid (before Watson and Crick won theirs!),2019/10/20,24, DNA聚合酶, 单体酶，分子量120Kd。催化活性： 53聚合(活性很低) ； 3 5 外切。作用不详。, 寡聚酶，全酶由10种共22个亚基组成，、和三种亚基组成核心酶。催化活性： 5 3 聚合酶活性：是主要的聚合酶 3 5 外切酶活性 5 3 外切酶活性, DNA聚合酶,2019/10/20,25,2019/10/20,26,3. 其它主要酶蛋白, DNA旋转酶（gyrase）, 又称拓扑异构酶，有内切酶和连接酶活力，使DNA正超螺旋的紧张状态变为松弛状态。, 解链酶（hel
9、icase）(DnaA, DnaB, DnaC), 使DNA双螺旋结构变成单链, 单链结合蛋白（SSB）, 结合在单链上，防止解开的单链DNA重新形成双链。,2019/10/20,27,2019/10/20,28, 引物酶（primerase）, 以DNA为模板，以4种核糖核苷酸（NTP）为底物，合成一小段RNA作为DNA复制的引物。引物的3-OH端是DNA聚合酶发挥活性所必需的。,2019/10/20,29, 催化DNA双链中的一条单链切口处游离的3-OH末端和5磷酸基末端形成 3,5 - 磷酸二酯键。, DNA连接酶（ligase）,2019/10/20,30,2019/10/20,31,
10、4. 原核生物DNA复制过程, DNA复制的起始, 大肠杆菌复制原点起始复制所需蛋白质： dnaA 在原点处打开双螺旋 dnaB 使DNA解旋 引物酶 合成RNA引物 SSB 结合单链DNA 旋转酶 松驰DNA扭曲应力,2019/10/20,32, 20个DnaA结合在四组9bp重复区，形成起始复合物，DNA环绕此复合物。三组13bp重复区（富含AT）依次变性，产生开放型复合物。DnaB（在DnaC协助下）与开放复合物结合，进一步解链。,2019/10/20,33, DNA的复制只能从一个特定位点开始，称为原点（origin），从原点开始同时向DNA链的两个方向进行，在复制的部分同时进行解链与
11、合成，结果形成一个分叉，称为复制叉（replication fork），又称复制眼（replication eye）。,2019/10/20,34,2019/10/20,35,2019/10/20,36, DNA复制的延长,2019/10/20,37, 滞后链合成的模板形成环，复制叉上的二聚体DNA聚合酶全酶同时合成两条子链。,2019/10/20,38,前导链 (leading strand): 以亲代3 5 链为模板，子代能 连续合成。 滞后链 (lagging strand): 以5 3为模板，不能连续合成。 冈崎片段 (Okazaki fragment): 滞后链上的小片段。, 半不连
12、续复制（semidiscontinuous replication）：DNA复制过程中，新生的DNA链一条按5 3 方向（与复制叉移动方向一致）连续合成，另一条按5 3 方向（与复制叉移动方向相反）不连续合成。,2019/10/20,39,4. DNA聚合酶,1. 解链酶,2. 单链结合蛋白,前导链,冈崎片段,3. 引物酶,5. 聚合酶,6. 连接酶,复制叉,引物,2019/10/20,40, DNA复制的终止,大肠杆菌为环形DNA。 复制叉遇到多重拷贝Ter（20bp）后，Tus与Ter结合，复制叉停止前进。 由DNA聚合酶填补空白，由连接酶封口。,2019/10/20,41,2019/10
13、/20,42,2019/10/20,43, DNA旋转酶引入负超螺旋，消除复制叉前进时带来的扭曲张力。 DNA解链酶解开双链DNA。 SSB结合于DNA单链。 DNA引物酶(在引发体中)合成RNA引物。 DNA 聚合酶在两条新生链上合成DNA。 DNA 聚合酶切除RNA引物，并补上DNA。 DNA ligase连接一个冈崎片段。,小 结,2019/10/20,44,2019/10/20,45, 逆转录（reverse transcription）：以RNA为模板合成DNA的过程，与通常转录过程中遗传信息流从DNA到RNA的方向相反。,二、逆转录作用, 逆转录酶（reverse transcri
14、ptase）：催化逆转录反应的酶。, 许多具有RNA基因组的病毒含有这种酶，故这类病毒又称为逆转录病毒（retrovirus）。它们多是致癌病毒。,2019/10/20,46,逆转录酶具有3种活性：, 依赖RNA的DNA聚合酶活性, RNase H（核糖核酸酶H）活性, 依赖DNA的DNA聚合酶活性,2019/10/20,47, 反转录酶存在于所有致癌RNA病毒中，它的存在与RNA病毒引起细胞恶性转化有关。某些逆转录病毒上带有致癌基因。, 艾滋病毒（AIDS） 人类免疫缺陷病毒（HIV），也是一种反转录病毒，主要感染T4淋巴细胞和B淋巴细胞。,2019/10/20,48, 一些物理化学因子如紫
15、外线、电离辐射和化学诱变剂均可引起DNA损伤，破坏其结构与功能。然而在一定条件下，生物机体能使这种损伤得到修复。,三、DNA的损伤、修复和突变, 紫外线可使DNA分子中同一条链上两个相邻的胸腺嘧啶碱基之间形成二聚体（TT），两个T以共价键形成环丁烷结构。CT、CC间也可形成少量二聚体（CT、CC），使复制、转录受阻。,、DNA损伤,2019/10/20,49,、DNA修复系统, 细胞内具有一系列起修复作用的酶系统，可以除去DNA上的损伤，恢复DNA的双螺旋结构。目前已知有4种酶修复系统：光复活、切除修复、重组修复、SOS 修复，后三种不需要光，又称为暗修复。,2019/10/20,50,1. 光复活, 可见光（400500 nm）可激活光裂合酶，此酶能分解由于紫外线形成的嘧啶二聚体。,2019/10/20,51,2. 切除修复,切开,切除,修复,连接,2019/10/20,52,3. 重组修复, 切除修复发生在DNA复制之前，而当DNA发动复制时尚未修复的损伤部位，可以先复制，再重组修复。,2019/10/20,53,4. SOS 修复, 避免差错的修复（error free repair）：光复合、切除修复及重组修复对DNA损伤的修复都不导致DNA突变。 倾向差错的修复（error prone repair）：SOS修复。在DNA损伤后，DNA复制过程以脱氧核苷酸的聚合发
