DNA复制、RNA转录、蛋白质翻译

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1、第十一章 DNA复制、RNA转录、 蛋白质翻译 l第一节 DNA的复制与修复 l第二节 RNA的生物合成和加工 l第三节蛋白质的生物合成 第一节 DNA的复制与修复 lDNA是由四种脱氧核糖核酸所组成的长链大分子，是遗传信息的携带者。l生物体的遗传信息就贮存在DNA的四 种脱氧核糖核酸的排列顺序中。 lDNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子 代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给 蛋白质分子，从而决定生物的表现型。 DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗 传学的中心法则。 一 . DNA的复制 （一）、半保留复制lDNA在复制时，以亲代DNA的每一股作模 板，合成完全相同的两个双链子代DNA ，

2、每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链 ，这种现象称为DNA的半保留复制。 （二）、 DNA复制的起始点和方式 l复制子是DNA能独立进行复制的单位。 需在特定的位点起始，可能还有终点。 l在原核生物中，复制起始点通常为一个 ，复制方向大多是双向的，也有单向的 ， 而在真核生物中则为多个复制起始 点。 （三）、DNA聚合反应有关的酶1.DNA1.DNA聚合反应聚合反应DNA聚合反应的特点： （1） 以4种dNTP为底物； （2） DNA模板； Mg2+ （3）带3-OH末端的引物； （4）延长方向5 3； （5）产物DNA的性质与模板相同。DNA聚合酶Mg2+2.DNA聚合酶l在原核生物（大肠

3、杆菌）中，目前发现 的DNA聚合酶有五种，研究较多的有三 种，分别命名为DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），DNA聚合 酶（pol ），这三种酶都属于具有 多种酶活性的多功能酶。参与DNA复制 的主要是pol 和pol 。 lpol 为单一肽链的大分子蛋白质,可 被特异的蛋白酶水解为两个片段，其中 的大片段称为Klenow片段，具有 53聚合酶活性和35外切酶 的活性。 另一小片段有53外切 酶的活性。 lpol 由十种亚基组成，其中亚 基具有53聚合DNA的酶活性 ，因而具有复制DNA的功能；而 亚基具有35外切酶的活性， 因而与DNA复制的校正功能有关。lDNA- pol和

4、DNA- pol 为修复 酶，DNA- pol 真正起复制作用 的酶，为复制酶。原核生物中的三种DNA聚合酶 核酸外切酶活性 35外切酶活性 53外切酶活性3、DNA连接酶催化一条DNA链的3末端与相邻的另一条DNA链的 5末端之间的磷酸二酯键的合成。与同一互补链结 合并相邻。 （双链DNA切口）条件： 需一段DNA片段具有3-OH，而另一段DNA 片段具有5-Pi基； 未封闭的缺口位于双链DNA 中，即其中有一条链是完整的； 需要消耗能量。（四）DNA的半不连续复制半不连续复制：双链DNA分子的两条链是反向平 行的。而DNA聚合酶的方向都是5 3。当DNA复制 时，一条链是连续合成的，称前导

5、链，而另一条在 5 3方向合成小片段DNA（冈崎片段），然后通过 酶将这些片段连接起来，这不连续合成的DNA 链为 滞后链。 冈崎用电子显微镜看到了DNA复制过程中出现一些 不连续片段，这些不连续片段只存在与DNA复制叉 上其中的一股。后来就把这些不连续的片段称为冈 崎片段。前导滞后1、复制的起始由蛋白因子识别复制起始点 解旋解链，形成复制叉： 由拓扑异构酶和解链酶作用，使DNA的超螺旋及双螺旋结构解 开，碱基间氢键断裂，形成两条单链DNA。单链DNA结合蛋 白（SSB）结合在两条单链DNA上，形成复制叉。 DNA复制时，局部双螺旋解开形成两条单链，这种叉状结构称 为复制叉。 引发体组装：蛋白

6、因子以及引物酶一起组装形成引发体。 引发：在引物酶的催化下，以DNA为模板，合成一段短的RNA片 段，从而获得3端自由羟基（3-OH）。（五）DNA复制的过程（原核生物）起始、延长、终止拓扑异构酶（又称DNA旋转酶） 拓扑异构酶可使DNA双链中的一条链切断，松开双 螺旋后再将DNA链连接起来，从而避免出现链的缠绕 。 拓扑异构酶可切断DNA双链，使DNA的超螺旋松解 后，再将其连接起来。解螺旋酶 又称解链酶或rep蛋白，是用于解开DNA双链的酶蛋白 ，每解开一对碱基，需消耗两分子ATP。单链DNA结合蛋白（SSB） 这是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子。其作 用为： 使解开双螺旋后的DNA

7、单链能够稳定存 在，即稳定单链DNA，便于以其为模板复制子代 DNA； 保护单链DNA，避免核酸酶的降解。引物酶(合成RNA) 引物酶本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶，该酶 以DNA为模板，聚合一段RNA短链引物，以提供自 由的3-OH，使子代DNA链能够开始聚合。 2.2.复制的延长复制的延长 由DNA聚合酶催化，以35方向的亲代DNA链为模 板，从53方向聚合子代DNA链。在原核生物中， 参与DNA复制延长的是DNA聚合酶。 引发体向前移动，解开新的局部双螺旋，形成新的复 制叉，滞后链重新合成RNA引物，继续进行链的延长。解3.3.复制的终止复制的终止 去除引物，填补缺口；连接冈崎片段

8、； 在原核生物中，由DNA聚合酶来水解去除RNA 引物，并由该酶催化延长引物缺口处的DNA， 直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。在DNA连 接酶的催化下，形成最后一个磷酸酯键，将冈 崎片段连接起来，形成完整的DNA长链。前导滞后拓扑异构酶解链酶单链结合蛋白DNA聚合酶引物酶DNA连接酶引物前导链滞后链冈崎片段5533DNA复制过程模式图DNA旋转酶 ATP ADP+Pi DNA结合蛋白 引物RNA 引物酶DNA聚合酶DNA聚合酶DNA连 接 酶RNA引物解旋酶DNA聚合酶复制叉移动方向5， 3，3， 5，3， 5，真核生物端粒的形成：端粒是指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构部分，通常膨 大

9、成粒状。线性DNA在复制完成后，其末端由于引物RNA的水解而可能出现 缩短。故需要在端粒酶的催化下，进行延长反应。 端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体，它可以其RNA为模板，通过逆 转录过程对末端DNA链进行延长。（既有模板，又有逆转录酶）以自 身的RNA为模板延长DNA单链，然后反折为双链。端粒酶与生物体的衰老、肿瘤的发生有关。 端粒酶的作用机制端粒酶的作用机制DNA复制的保真性： 为了保证遗传的稳定，DNA的复制必须具有 高保真性。DNA复制时的保真性主要与下 列因素有关：1遵守严格的碱基配对规律；2DNA聚合酶在复制时对碱基的正确选 择；3对复制过程中出现的错误及时进行校 正。 二、DNA

10、的损伤与修复 （一）、DNA的损伤（突变）l由自发的或环境的因素引起DNA一级结 构的任何异常的改变称为DNA的损伤， 也称为突变。 l常见的DNA的损伤包括碱基脱落、碱基 修饰、交联，链的断裂，重组等。 引起突变的因素：1自发因素：2物理因素： l由紫外线、电离辐射、X射线等引起的DNA损 伤。 3化学因素：如亚硝酸与亚硝酸盐。DNA突变的效应：1同义突变：基因突变导致mRNA密码子第 三位碱基的改变但不引起密码子意义的改变， 其翻译产物中的氨基酸残基顺序不变，但有时 可引起翻译效率降低。2误义突变：基因突变导致mRNA密码子碱 基被置换，其意义发生改变，翻译产物中的氨 基酸残基顺序发生改变

11、。3无义突变：基因突变导致mRNA密码子碱 基被置换而改变成终止密码子，引起多肽链合 成的终止。4移码突变：基因突变导致mRNA密码子碱 基被置换，引起突变点之后的氨基酸残基顺序 全部发生改变。 （二）、DNA损伤的修复 lDNA损伤的修复方式可分为直接修复和 取代修复两大类。 错配修复（一）直接修复：1光复活： l这是一种广泛存在的修 复作用。光复活能够修 复任何嘧啶二聚体的损 伤。其修复过程为：光 复活酶识别嘧啶二聚体 并与之结合形成复合物 在300600nm可见光 照射下，酶获得能量， 将嘧啶二聚体的丁酰环 打开，使之完全修复 光复活酶从DNA上解离 。 2转甲基作用： l在转甲基酶的催

12、化下，将DNA上的被修 饰的甲基去除。此时，转甲基酶自身被 甲基化而失活。3直接连接： lDNA断裂形成的缺口，可以在DNA连接酶 的催化下，直接进行连接而封闭缺口。 （二）取代修复：1切除修复： l这也是一种广泛存在的修复机制，可适 用于多种DNA损伤的修复。该修复机制 可以分别由两种不同的酶来发动，一种 是核酸内切酶，另一种是DNA糖苷酶。 内2重组修复： l这是DNA的复制 过程中所采用 的一种有差错 的修复方式。 3.错配修复DNA 在复制过程中发生错配，如果新合成的 链被矫正，基因编码信息可得到恢复；但如果模 板链被矫正，基因突变就被固定。第二节 RNA的生物合成和加工 一、DNA指

13、导下的RNA 合成l转录： DNA指导下的RNA 合成在RNA聚合酶的催化下，以一段DNA链为模板合成RNA，从而将DNA所携带的遗传信息传递给RNA的过程称为转录。lRNA转录合成时，只能以DNA分子中 的某一段作为模板，故存在特定的起始 位点和特定的终止位点.特定起始点和 特定终止点之间的DNA链构成一个转录 单位。 l启动子 l终止子DNA指导的RNA聚合酶l单链DNA为模板，Mg2+ l四种核糖核苷三磷酸（NTP）为底物l不需要引物 l从53聚合RNAl无校正功能转录的不对称性l转录的不对称性就是指以双链DNA 中的一条链作为模板进行转录，从 而将遗传信息由DNA传递给RNA 。l 对

14、于不同的基因来说，其转录信息可以存在 于两条不同的DNA链上。能够转录RNA的那 条DNA链称为负链(模板链），而与之互补 的另一条DNA链称为正链（编码链）。模板链编码链553 355lRNA转录合成时，只能向一个方向 进行聚合，所依赖的模板DNA链的 方向为35，而RNA链的合成方 向为53。l合成的RNA中，如只含一个基 因的遗传信息，称为单顺反子 ；如含有几个基因的遗传信息 ，则称为多顺反子。l 原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构 成，即2。l 亚基与转录起始点的识别有关，而在转录 合成开始后被释放，余下的部分（2） 被称为核心酶，与RNA链的聚合有关。 l真核生物中的RNA聚合

15、酶可按其对-鹅膏 蕈碱敏感性而分为三种，它们均由1012个 大小不同的亚基所组成，结构非常复杂，其 功能也不同。 RNA转录合成的基本过程 1、识别l原核生物RNA聚合酶中的因子识别转录 起始点，并促使核心酶结合形成全酶复合 物。 位于基因上游，与RNA聚合酶识别、结合 并起始转录有关的一些DNA顺序称为启动 子 原核生物的两个启动子：-10序列和-35序列 。 RNA聚合酶与启动子结合后，可开始转 录。原核生物启动子TGTTGACATATAAT-10区-35区启动子转录起始部位+1基因转录区5 RNA 产物5 533编码链模板链l真核生物的转录起始区上游也存在一段 富含TA的顺序，被称为Hogness盒或 TATA盒。除此之外，在真核生物中还 可见到其他带共性的序列，如CAAT盒 及GC盒等。 l 真核生物的转录起始较为复杂。l 真核生物的转录起 始较为复杂。目前 已知RNA聚合酶 至少有六种不同 的蛋白因子参与转 录复合体的形成。 这些蛋白因子被称 为转录因子（ trans-criptional factor, TF)。包括 TFA，TFB， TFD，TFE， TFF，TF-I。 转录因子 功 能TFA 稳定TFD结合 TFB 促进pol 结合 TFD