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1、第十一章 信息分子代谢,第一节 DNA的生物合成 第二节 RNA的生物合成 第三节 蛋白质的生物合成 第四节 基因突变和DNA损伤与修复 第五节 基因工程简介,本章主要内容,教学目标,1.掌握DNA的半保留复制； 2.理解DNA的半不连续复制； 3.掌握RNA的生物合成； 4.掌握遗传密码的含义及作用； 5.了解蛋白质生物合成的过程； 6.了解基因的概念、突变与损伤修复； 7.了解基因工程.,概 述,DNA是生物体内的主要遗传物质，生物体的遗传信息以密码的形式编码在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序，并通过DNA的复制由亲代传递给子代。,在后代的生长发育过程中，遗传信息自DNA转录给RN
2、A，然后翻译成特定的蛋白质，以执行各种生命功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状。,中心法则,由Crick于1958年提出，它极大地推动了遗传学、分子生物学等的发展。,DNA,蛋白质,RNA,第一节 DNA 的生物合成,DNA的合成方式有下列几种：,I、 DNA的复制：以DNA为模板合成DNA。 II、 逆转录：以RNA为模板合成DNA。 III、DNA损伤后的修复合成：,I、DNA的复制,DNA复制的要点有：,1） 半保留复制,2） 有起始点、终止点和方向性,3） 半不连续复制,4） 需要引物,5） 新链的合成都是从5向3端延伸。,一、DNA的半保留复制,由亲代DNA生成子代DNA时，每个新
3、形成的子代DNA双链中，只有一条链是新合成的，而另一条链来自亲代DNA，这种复制方式叫半保留复制.,实验证据是采用同位素15N标记大肠杆菌DNA获得的。,定义：,15N-DNA的密度大于14N-DNA的密度,DNA半保留复制实验依据,从而表明子代中，一条链来自亲代，一条新合成。,DNA复制的基本条件,1.底物：,dNTP (dATP，dGTP，dCTP，dTTP),2. DNA聚合酶：,依赖DNA的DNA聚合酶,3.模板：,DNA的双链,4.引物：,一小段RNA,5.其它酶和蛋白质因子：,解链酶，解旋酶，单链结合蛋白，连接酶等,与DNA复制有关的酶简介,切断并连接DNA双链中的一股或双股，改变
4、DNA分子拓扑构象，避免DNA分子打结、缠绕、连环，在复制全程中都起作用。,将DNA双链解开成为单链。,1拓扑异构酶,2解螺旋酶,3引物酶,4DNA聚合酶,5DNA连接酶,是一种RNA聚合酶，在复制的起始点处以DNA为模板，催化合成一小段互补的RNA。,以DNA为模板，dNTP为原料，催化DNA链自53 延长。DNA聚合酶的“校对”作用是DNA准确复制的重要保证。,连接双链中的单链缺口。,二、DNA的半不连续复制,DNA复制时以双链为模板，分别合成两条新的DNA子链。DNA的双链是反向平行的，一条链是53，另一条是35，DNA聚合酶只能沿着53方向催化DNA链的合成。,DNA解螺旋方向,二、D
5、NA的半不连续复制,而以53方向链为模板时，先沿53方向合成较短的DNA片段然后在DNA连接酶作用下，再将这些片段连接起来，形成完整的 DNA链，这条链的合成是不连续的，称为随后链，这些片段称为“冈崎片段”。,双链解开以后，以35方向链为模板，依据碱基互补配对原则可以顺利地按53方向合成新链。这条链的合成是连续的，称为前导链；,DNA半不连续复制几个基本概念,半不连续复制在DNA复制时，前导链是连续合成的,而随后链的合成是不连续的，这种复制方式称为半不连续复制。,冈崎片段DNA复制过程中，随后链的合成是先断续地合成一些53的短片段，这些不连续的小片段以其发现者的名字命名称为“冈崎片段”。,前导
6、链在DNA复制时，合成方向与复制叉移动的方向一致并连续合成的链。,随后链合成方向与复制叉移动的方向相反，先形成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的DNA链。,三、DNA的复制过程可分为下列三步：,（以原核生物大肠杆菌为例）,1）复制起始,2）RNA引物的合成,3）DNA链的延伸和终止,1）复制的起始,DNA的复制有固定的起始位点，叫做复制起点。 原核生物只有一个起点，真核生物有许多。,DNA双链解开后在原点处形成一个眼状结构，叫复制眼。,随着复制的进行，在显微镜下可看到一个叉状结构，叫复制叉。,起点,原核生物的双向复制示意图,2）引物合成 3）DNA链的延伸与终止,DNA的复制需要预先合成一
7、段RNA引物，即一个与模板DNA的碱基顺序互补的RNA短片段。,DNA链沿53方向延伸，前导链是连续合成的；随后链不连续合成，先形成许多冈崎片段，然后切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段形成一条完整的DNA链。,复制过程中各酶和蛋白质因子的作用,前导链,随后链,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,引物酶及引发体,DNA连接酶,DNA聚合酶,DNA的双向复制,DNA复制时，若从一个固定的起始点开始，同时向两个方向进行，称为双向复制。,II、逆转录,概念 反转录酶发现的意义：,3）这一发现在理论上完善发展了中心法则。,以RNA为模板合成DNA的过程。参与逆转录的酶是从致癌RNA病毒中发现，
8、是以RNA指导的DNA聚合酶又称为反转录酶 。,1）揭示了癌症发生的部分原因；,2）反转录酶在基因工程上具有重要的应用价值；,第二节 RNA的生物合成,一、转录,二、RNA复制,RNA的生物合成有两种途径：,1、概念,以DNA为模板合成mRNA的过程称为转录。,一、转录,2、转录具有不对称性,转录时用作模板的DNA链称为模板链或反义链； 不作为模板的DNA链称为编码链或有义链。,即： DNA分子只有一股链可转录,另一股不转录; 模板链并非永远在同一单链上.,mRNA,DNA转录示意图,转录的基本条件,四种核糖核苷三磷酸酸（ATP、GTP、CTP、UTP）,1、底物,2、模板,3、酶,以双链DN
9、A的一条链为模板。,依赖DNA的RNA聚合酶， 催化3,5 -磷酸二酯键的形成。,RNA聚合酶,大肠杆菌的RNA聚合酶，全酶由2 5个亚基组成；为核心酶， 亚基：识别起始位点。,真核细胞的RNA聚合酶有I、三类分别担负着不同的功能。,转录过程：原核生物的转录,1）起始：,RNA聚合酶的亚基识别起始位点（启动子），核心酶与其结合后局部解开DNA双螺旋，开始“起始反应” 。形成第一个磷酸二酯键后, 亚基即脱落。不需要引物。,2) 延长：,以局部解开的DNA双螺旋的一条单链为模板，沿5- 3方向连续合成RNA。,3）转录的终止：,转录至终止信号（终止子）时转录停止，在特定蛋白因子作用下，合成的RNA
10、链脱落下来。,真核生物的转录,与原核生物中的转录过程虽然大体上相似，也包括起始、延伸、终止三个阶段 ，但又有所不同：,2）转录产物往往需要经过加工才能成为有功能的RNA;,1）真核生物中转录不同的RNA需要不同的RNA聚合酶。,转录产物的“加工”,转录生成的前体RNA，一般要经过必要的加工修饰，才能成为有功能的RNA分子，这个过程称为“转录后加工”。,加工成熟的真核生物mRNA的5端有帽结构， 3端有poly(A)尾 。,真核生物的RNA转录后加工修饰比原生物复杂的多。原核生物的mRNA不需加工，可以边转录边翻译。,DNA复制与转录比较：,转录,DNA复制,1.模板：都是DNA； 2.原料：都
11、需要核苷酸； 3.合成方向：均为53方向； 4.酶：都需要依赖DNA的聚合酶； 5.都遵循碱基互补配对原则； 6.产物：为多聚核苷酸链。,复制和转录的相同点,复制和转录的不同点：,转录,模板 两股链均作为模板 仅一股链作为模板 原料 dNTP NTP 聚合酶 DNA聚合酶 RNA聚合酶 产物 子代DNA双链 mRNA;tRNA;rRNA 配对 A-T；G-C A-U；T-A；G-C 引物 需RNA引物 - 方式 半保留复制 不对称转录,复制,二、RNA的复制,以DNA为模板合成RNA是生物界RNA合成的主要方式，但有些生物如某些病毒、噬菌体它们的遗传物质是RNA。,当它们进入宿主细胞后，靠RN
12、A的复制繁衍后代，即以自身RNA为模板，在RNA复制酶作用下，沿53方向合成新的RNA分子。,RNA复制酶只能以病毒自身RNA为模板。,RNA,第三节 蛋白质生物合成翻译,蛋白质的生物合成过程就是将mRNA分子中由碱基序列组成的遗传信息，通过遗传密码破译的方式转变成为蛋白质中的氨基酸排列顺序，因而称为翻译。,mRNA,小亚基：具有结合模板mRNA的功能；,A位：,P位：,转肽酶：,肽基结合处(起始时是甲酰甲硫氨酰-tRNA) ，,氨酰-tRNA接受部位。,翻译场所核糖体,将P位的肽基连接到A位的氨酰-tRNA上。,mRNA,翻译模板mRNA,遗传密码表示mRNA上四种碱基顺序与蛋白质中20种氨
13、基酸顺序的一致关系,4种核苷酸共组成64个密码子，其中有1个起始密码子（AUG），3个终止密码子（UAG、UGA、UAA）。,mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每三个相邻的核苷酸为一组，在蛋白质合成中代表一种氨基酸或其他信息，称为遗传密码、三联体密码或密码子。,密码子的主要特点：,摆动性： 反密码子和密码子配对时，反密码子的第一位碱基与密码子的第三位碱基之间配对不严格，这种现象称为遗传密码的摆动。,不重叠： 两个三联体密码子之间核苷酸不重叠使用。,通用性： 遗传密码在各类生物中几乎是通用的。,简并性： 几种密码子为同一种氨基酸编码，这些密码子为同义密码子,无标点：相邻两碱基之间无空位。
14、,运载工具tRNA,反密码子,氨基酸臂,密码子,反密码子,tRNA是氨基酸的运载体，在翻译过程中起接合体作用。 氨基酸必须与特定的tRNA结合后才能用于蛋白质合成。,蛋白质的生物合成所涉及的元件,蛋白质的生物合成过程可分为四步：,第一步，氨基酸活化与转运,第二步，肽链（蛋白质）合成的起始,第三步，肽链（蛋白质）延长,第四步，肽链（蛋白质）合成的终止,第一步、氨基酸的活化与转运,氨基酸的活化由氨酰-tRNA合成酶催化，分两步进行：,氨酰-tRNA是蛋白质合成的直接底物。,氨酰-tRNA合成酶对tRNA具有专一性，保证了翻译的正确性；,密码子与反密码子严格配对，与tRNA上携带的氨基酸无关。换言之
15、，一旦氨基酸连接到特定的tRNA上其去向就由反密码子决定了。,A 、活化：氨基酸与ATP作用形成氨酰腺嘌呤核苷酸,B 、转移：将氨酰基转移到tRNA的3-OH上,第二步、多肽链合成的起始（原核生物）,3、 70S起始复合物的形成： 50S与30S前起始复合物结合，形成具有起始功能70S起始复合物，即70SmRNAfMet-tRNAfMet复合物。,1、核糖体30S小亚基附着于mRNA起始信号部位, 需起始因子 IF-3的参与;,2、30S前起始复合物的形成： 起始氨基酸fMet-tRNAfMet 与mRNA的AUG相结合，形成30SmRNAfMet-tRNAfMet ，需要GTP、起始因子IF-2的参与；,第三步，肽链（蛋白质）延长,多肽链的延长需要经过进位、转肽、脱落和移位四个步骤。,1）进位：氨酰tRNA结合到核糖体的A位点，起始时甲酰甲硫氨 酰-tRNA结合到P位点。,2）转肽：即P位上的肽基（起始时是甲酰甲硫氨酰-tRNAfMet ）被 转移到A位的氨基酸上，而tRNA留在P上。,3）脱落：P部位上的tRNA脱落；,4）移位：核糖体沿53移动，使原处于A上带有肽链的tRNA 随即转到P部位，空出A位点继续接受新的氨酰tRNA,核糖体在mRNA上移动，遇到终止密码子（UAA、UGA、UAG）时，释放因子R
