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1、第十一章第十一章 核酸代谢核酸代谢Chapter 11 Metabolism of Nucleic Acids(3)2015-05-05主要内容主要内容第一节第一节 核酸的降解和核苷酸代谢核酸的降解和核苷酸代谢Degradationofnucleicacidsandmetabolismofnucleotides第二节第二节 DNA复制与修复复制与修复ReplicationandreparationofDNA第三节第三节 RNA的生物合成的生物合成BiosynthesisofRNA第四节第四节 核酸生物合成的抑制剂核酸生物合成的抑制剂Inhibitorsofnucleicacidsbiosynt
2、hesis第三节第三节 RNA的生物合成的生物合成BiosynthesisofRNAThe basics of transcriptionRNA的生物合成的生物合成uRNA的生物合成包括转录转录和RNA的复制的复制。u转转录录（transcription）：以一段DNA为模板，在RNA聚合酶作用下，合成出对应的RNA的过程 (DNA指导的RNA合成）。转录产物：mRNA 、rRNA、 tRNAu除某些病毒基因组RNA外，绝大多数RNA分子都来自DNA转录的产物。起主要作用的是RNA聚合酶聚合酶。转录转录RNADNARNA的生物合成过程的生物合成过程转录产生的初级链是转录产生的初级链是RNARN
3、A前体前体（RNA precursorRNA precursor），需），需经加工过程（经加工过程（processingprocessing）方具有生物学活性。）方具有生物学活性。RNA的的生物合成生物合成转录RNA复制对称转录逆转录RNA前体加工修饰RNA不对称转录一、一、RNA聚合酶聚合酶参与转录的物质参与转录的物质：l原料原料:NTP（ATP,UTP,GTP,CTP）l模板模板:DNAl酶酶:RNA聚合酶聚合酶（RNApolymerase,RNA-pol）l其他蛋白质因子其他蛋白质因子RNA聚合酶聚合酶是以DNA为模板，以四种核苷三磷酸为底物，并在二价阳离子（ Mg2+或Mn2+ ）参与
4、下催化RNA合成的酶。又称为依赖依赖DNADNA的的RNARNA聚合酶聚合酶（DNA-dependent RNA polymerase，DDRPDDRP）。u大肠杆菌的RNA聚合酶全酶全酶（holoenzyme）由五个亚基构成，即2 。全酶直径约为10nm，是已知的最大的酶分子之一。与RNA链的起始有关u不含亚基的全酶称为核心酶（core enzyme）（ 2 ）。与RNA链的延长有关。 原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶某些某些RNA聚合酶是由聚合酶是由6个亚基组成的六聚体（个亚基组成的六聚体（ 2 ）核心酶核心酶全酶全酶转录起始转录起始转录延长阶段转录延长阶段亚基脱落亚基脱落原核生物的
5、原核生物的RNA聚合酶聚合酶 E.coliRNA聚合酶组分聚合酶组分亚基分子量功 能36512决定哪些基因被转录150618催化功能，磷酸二酯键的形成155613结合DNA模板11000在体外为变性的RNA聚合酶成功复性所必需70263识别起始位点并与DNA形成稳定的复合物原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶 按其对按其对-鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱敏感性而分为三种；敏感性而分为三种； 均由均由10101212个大小不同的亚基所组成，结构非常复杂，其个大小不同的亚基所组成，结构非常复杂，其功能也不同。功能也不同。 真核生物真核生物RNA聚合酶聚合酶三种三种RNA由三种不同由三种不同RNA聚合酶催化：聚
6、合酶催化：类型类型转录产物转录产物rRNA:18S,5.8S,28SmRNAtRNA ,5S rRNA对鹅膏蕈碱的反应对鹅膏蕈碱的反应 不敏感不敏感 高度敏感高度敏感 中度敏感中度敏感分布分布核核 仁仁核核 质质核核 质质真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶二、基因转录的过程二、基因转录的过程u基因转录转录的过程就是以DNA为模板合成RNA的过程。u通过转录，将DNA储存的遗传信息传给RNA。u转录过程可分为起始、延伸和终止三个阶段，但不同于DNA的复制过程。(复制)转录翻译(复制)逆转录几个概念几个概念u模板链及反义链：模板链及反义链：DNA双链中作为模板作为模板指导RNA合成那条DNA链
7、（的部分片段）称为模板链模板链，又称反义链（负链）。其决定RNA的核苷酸排列顺序。u编码链及有义链：编码链及有义链：不作为转录的另一条DNA链为编码链编码链，又称有义链（正链）。u由于基因分布于不同的由于基因分布于不同的DNADNA单链中，即某条单链中，即某条DNADNA单链对某个基因单链对某个基因是模板链，而对另一个基因则是编码链。是模板链，而对另一个基因则是编码链。模板链模板链编码链编码链 (coding strand(coding strand）模板链模板链 (template strand)(template strand)编码链编码链 转录起点（起点（Initiation site）
8、：）：指与新生RNA链第一个核苷酸相对应DNA链上的碱基，通常为一个嘌呤呤。上游（上游（upstream）：）：起点前面，即5末端的序列。下游（下游（downstream）：）：起点后面即3末端序列。l碱基的位置一般用数字表示，起点（开始转录的第一个碱基）为1，下游依次为 2、3，上游依次为1、2几个概念几个概念启动子（启动子（promoter）u启动子（启动子（promoter）：指RNA聚合酶识别、结 合和开始转录的一段一段DNA序列，是DNA模板上的特异起始部位特异起始部位。A.原核生物原核生物开始识别部位：-35bp处，含TGTTGACA序列，因子因子的识别部位。牢固结合部位：-10b
9、p处，含TATAAT。（Pribnow box）盒，RNA-pol 的牢固结合部位。转录起始点：+1bp处，合成RNA链的第一个核苷酸位点。转录的第转录的第1 1个核苷酸常为嘌呤个核苷酸常为嘌呤-G,A-G,A（ATPATP或或GTPGTP）。一个典型的启动子典型的启动子由在-35区、-10 区和起始点的共有序列组成。序列长约20200bp不等。E.coli典型的启动子约为40bp。The nucleotide sequences of E. coli promoters启动子启动子基因转录基因转录35区区(识别区识别区) )10区区(结合区结合区)共同顺序起始点起始点启动子（启动子（prom
10、oter）B.真核生物l真核生物细胞内有三种酶，各有其启动子：lRNA聚合酶I：近启动子：40 +5bp部分，决定转录起始位置。远启动子： 165 40bp部分，影响转录频率。lRNA聚合酶II： 上游区域，GC盒（GC box），功能同原核生物。lRNA聚合酶III：内部启动子：启动子不在转录起始点上游，在基因编码区内。转录复合物：转录复合物：酶酶-DNA-RNA三元复合物：三元复合物：转录转录泡泡l转录泡（转录泡（transcription bubble）：在转录延长过程中，由局部打开的DNA双链双链、RNA聚合酶核心酶聚合酶核心酶及新生成的RNA三者结合在一起的复合体，为空泡状结构，又称
11、转录复合物又称转录复合物。它贯穿于延长过程的始终转录泡（转录泡（transcription bubble）lThree-step process： 1) Initiation起始起始识别过程DNA螺旋开链并形成“开放式”复合物（转录泡）（转录泡）基因转录开始和亚基释放 2) Elongation延伸延伸 3) Termination终止终止不依赖蛋白质因子 (因子)的转录终止依赖蛋白质因子 (因子)的转录终止RNA Transcription process转转录录全全过过程程(1) Initiation 起始起始识别过程识别过程首先RNA聚合酶依靠亚基辨认识别DNA模板上的-35区位点， 与
12、启动子形成“闭合式”复合体。DNA螺旋开链并形成螺旋开链并形成“开放式开放式”复合物（转录泡）复合物（转录泡）RNA-pol以全酶(2)形式向下移动，到达-10区，DNA双螺旋解开约11个bp，模板链暴露，形成酶-开链“开放式”复合物（转录泡）。基因转录开始和基因转录开始和亚基释放亚基释放第一个NTP （ATP或或GTP）进入“开放式”复合物（转录泡）中的 +1位点，开始转录，产生新RNA链的5-端，直至新生RNA达到一定长度（69个核苷酸链）、形成了稳定的酶-启动子-RNA三元复合物后，亚基从全酶解离下来。至此，RNA转录进入延伸阶段。Findingandbindingthepromoter
13、ClosedcomplexformationRNAPbound-40to+20OpencomplexformationRNAPunwindsfrom-10to+2Bindingof1stNTPRequireshighpurineNTPAdditionofnextNTPsRequireslowerNTPsDissociationofsigmaAfterRNAchainis6-9NTPslong (2) Elongation 延伸延伸u亚基脱落后，亚基脱落后，RNARNApolpol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着沿着DNADNA模板前移；模板前移； u在在
14、核心酶核心酶作用下，作用下，NTPNTP不断聚合，不断聚合，RNARNA链沿链沿5 3方向方向不断延长。不断延长。表现为表现为转录泡（转录泡（transcriptionbubble）的移动。）的移动。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi (2) Elongation 延伸延伸转录泡转录泡解螺旋解螺旋形成螺旋形成螺旋编码链编码链模板链模板链RNA聚合酶聚合酶活性点活性点转录反向转录反向新合成的新合成的RNA链链 (2) Elongation 延伸延伸53(3) Termination 终止终止基基因因转转录录的的终终止止指指RNARNA链链延延伸伸停停止止、转转录录产产物物
15、RNARNA链链从从转转录复合物上释放录复合物上释放出来及出来及RNARNA聚合酶与聚合酶与DNADNA模板的解离模板的解离。不依赖蛋白质因子不依赖蛋白质因子 (因子因子)的转录终止的转录终止依赖蛋白质因子依赖蛋白质因子 (因子因子)的转录终止的转录终止转录终止转录终止（transcription termination）Rho-independent transcription termination (depends on DNA sequence - NOT a protein factor)转录进行到转录进行到DNA模板的特定核苷酸序列时停止：模板的特定核苷酸序列时停止：G-C富集区；
16、富集区；A-T富集区（富集区（410个脱氧腺苷酸序列）个脱氧腺苷酸序列）Stem-loopstructureG-C富集区A-T富集区（410个脱氧腺苷酸序列）转录反向终点模板链转录的最后一个碱基转录(RNA产物形成特殊结构产物形成特殊结构) ) u因子沿着合成的RNA链5 3方向方向移动，达到依赖于因子的终止点时，因子与聚合酶结合并使三元复合物解体因子与聚合酶结合并使三元复合物解体，释放出RNA链，导致转录终止。Rho-dependent transcription termination 因子移动需要的能量由因子移动需要的能量由ATP提供。提供。三、基因转录的方式三、基因转录的方式对称转录对
17、称转录(symmetrictranscription)：l同时由许多不同的RNA聚合酶与DNA的两条单链两条单链识别并在每条单链DNA模板上按照方向35移动，合成新RNA链。RNA链的延长方向都是链的延长方向都是53。这种转录方式称为对称转录。非主要转录方式。不对称转录不对称转录 (asymmetric transcription)l基因转录时以双链DNA中的一条链一条链作为模板进行转录，从而将遗传信息由DNA传递给RNA。这种转录方式称为不对称转录。主要方式主要方式。l在此种转录中，作为模板的那条DNA链称为转录链，另一条称为非转录链，又称信息链。逆转录逆转录 (reverse transc
18、ription) u逆转录逆转录(reversetranscription)在逆转录酶的催化下，以RNA为模板合成DNA的过程，又称反转录。 逆转录酶u逆转录酶逆转录酶(reversetranscriptase)：催化逆转录反应的酶（依依赖赖于于RNA的的 DNA 聚聚合合酶酶）。1970年在鸡肉瘤病毒中首次发现。逆转录酶催化的DNA合成同样以四四种种脱脱氧氧核核糖糖三三磷磷酸酸核核苷苷为底物，引引物物为为 tRNA，按53方向进行合成。逆转录酶的发现逆转录酶的发现1975 Nobel PrizeRenatoDulbeccoDavidBaltimoreHowardM.Temin逆转录逆转录 (
19、reverse transcription) 37岁，风华正茂岁，风华正茂RNA模板模板逆转录酶逆转录酶DNA-RNA杂化双链杂化双链核糖核酸酶核糖核酸酶H单链单链DNA依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶双链双链DNA以亲代RNA为模板合成一条与RNA互补的DNADNA链链，形成RNA-DNA杂交分子；由核糖核酸酶H水解RNA-DNA杂交分子中的RNA链；以刚合成的DNA链为模板合成一条互补的DNA链，形成DNA-DNA分子。逆转录逆转录的全的全 过程过程这个全过程是病毒基因的感染化过程，也是致癌病毒基因在宿主细胞中形成的机理。四、转录产物的加工修饰四、转录产物的加工修饰u转录产物的加工修饰
20、：转录产物的加工修饰：转录过程中最初合成的RNA链都是不成熟的，一般不具有生理学功能，这种RNA链称为RNA前体（precursor），如HnRNA（mRNA前体）。这些前体一般需要经过一系列的酶促“加工”或修饰（modification），包括链的断裂和化学修饰等过程，才能转变为成熟的mRNA、tRNA和rRNA，这个过程也称为产物RNA的转录后加工和修饰 （Post-transcriptionalProcessingandModification）。 u加工修饰方式可达10种以上种以上，但其本质本质是是增减一些核苷酸序列或修饰某些特定的核苷酸。三种主要的RNA在原核和真核细胞中经历的加工修
21、饰并非完全相同，即使是同一种RNA前体也有不同的加工路线，可导致一种基因一种基因产生几种产物几种产物。转录产物的加工修饰转录产物的加工修饰u切除部分核苷酸切除部分核苷酸加工修饰的共性加工修饰的共性真核mRNA的前体是HnRNA（核不均一RNA），其分子中大约只有10%20%左右的部分转变为mRNA ，其余部分将在加工过程中被切除掉。rRNA的前体发生5端或3端切除，然后修饰转化为成熟的rRNA；tRNA前体中多余的核苷酸被专一性切除后才可变为成熟tRNA。mRNA的转录后加工的转录后加工（1）在RNA链的特异部位断裂，除去非结构信息部分；（2）在mRNA的3末端连接长约150-250个核苷酸的
22、多聚腺苷酸（poly A）片段“尾”结构(poly A tail)；（3）在mRNA的5末端形成“帽”状结构（m7G）。rRNA的转录后加工的转录后加工原核生物：原核生物：当16S、23S以及5S rRNA的前体被转录出来后，在5端和3端进行修剪，然后才成为成熟的rRNA。 真核生物：真核生物：在加工酶的作用下发生切割分开和切割间隔。个别rRNA可自我剪接。rRNA的转录后加工的转录后加工大肠杆菌大肠杆菌rRNA前体的加工前体的加工tRNA的转录后加工的转录后加工在在RNARNA链的链的55末端头部和末端头部和33末端尾部切去一定的核苷酸片末端尾部切去一定的核苷酸片段；段；在酶催化下，对核苷进
23、行修饰，如甲基化、假尿嘧啶的形在酶催化下，对核苷进行修饰，如甲基化、假尿嘧啶的形成等；成等；tRNAtRNA的的33末端连接上胞苷酸末端连接上胞苷酸- -胞苷酸胞苷酸- -腺苷（腺苷（CCA CCA ）。）。 五、五、RNA的复制合成的复制合成RNARNA的复制：的复制：以RNA为模板,在RNARNA复制酶复制酶（RNA ReplicaseRNA Replicase，RNARNA指导的指导的RNARNA聚合酶，聚合酶，RDRPRDRP）作用下,按53方向合成出互补RNA的过程。有些生物中，核糖核酸还可以是遗传信息的基本携带者，并能够通过复制合成出与自身相同的分子。如某些RNA病毒侵病毒侵入寄主
24、细胞后入寄主细胞后，能以RNA作模板，在有四种核苷三磷酸和镁离子存在时，合成出与模板性质相同的合成出与模板性质相同的RNA。RNA的复制的复制某些大肠杆菌某些大肠杆菌噬菌体噬菌体(f2、MS2、R17、Qetc)和和动物动物RNA病毒病毒的合成。的合成。艾滋病病毒。艾滋病病毒。狂犬病毒。狂犬病毒。艾滋病病毒艾滋病病毒RNA的复制过程的复制过程.（P254图图1119）DNA和和RNA合成的比较合成的比较第四节第四节 核酸生物合成的抑制剂核酸生物合成的抑制剂Inhibitorsofnucleicacidsbiosynthesis核酸生物合成的抑制剂核酸生物合成的抑制剂核苷酸合成抑制剂核苷酸合成抑
25、制剂作用于聚合酶的抑制剂作用于聚合酶的抑制剂与与DNADNA模板结合的抑制剂模板结合的抑制剂核酸生物合成的抑制剂u某些核酸的拮抗物和抗生素能够抑制核酸或核苷酸的合成，因而被广泛用于治疗疾病，特别是用作抗病毒和抗肿瘤的药物。一、核苷酸合成抑制刹一、核苷酸合成抑制刹此类抑制剂在结构上类似于核苷酸合成代谢底物或中间产物的化合物，即所谓的“抗代谢物抗代谢物”。主要有一下三类：1.1.氨基酸类似物氨基酸类似物u如重氮乙酰丝氨酸结构与谷氨酰胺类似，能抑制CTP的生成。2.2.叶酸类似物叶酸类似物u叶酸类似物如氨蝶呤、氨甲蝶呤使dUMP不能利用一碳单位甲基化成dTMP3. 3. 碱基和核苷酸类似物碱基和核苷
26、酸类似物u如6-巯基嘌呤(6MP)、 6-巯基鸟嘌呤、8-氮杂鸟嘌呤、阿糖胞苷等，可逆影响核酸功能，导致基因突变。二、与二、与DNA模板结合的抑制剂模板结合的抑制剂l此类化合物能与DNA结合，使DNA失去模板功能，从而抑制其复制与转录。1. 1. 嵌合剂嵌合剂能嵌入到DNA的碱基之间（如溴化乙啶、丫啶橙），使相邻的两个碱基对分开一定的距离。阻碍RNA延伸，或抑制转录开始和DNA复制。2. 2. 烷化剂烷化剂氮芥（二（氯乙基）胺的衍生物）、磺酸酯、氮丙啶、乙撑亚胺类。它们带有活性烷基，使DNA烷基化。烷基化后，碱基易被水解下来，留下的空隙可干扰DNA复制或引起错误碱基掺入。带有双功能基团的烷化剂
27、，可同时与DNA两条链结合，使双链DNA交联，从而失去模板功能。三、作用于聚合酶的抑制剂三、作用于聚合酶的抑制剂l包括包括DNADNA聚合酶抑制剂和聚合酶抑制剂和RNARNA聚合酶抑制。聚合酶抑制。例如：利福霉素（rifamycin B）及其衍生物利福平（rifampicin）是原核细胞原核细胞RNARNA聚合酶聚合酶的特异性抑制剂。鹅膏蕈碱（-amanitin）可以完全抑制真核细胞真核细胞中的RNARNA聚合酶聚合酶II和III的作用，阻断RNA的延伸，使转录不能进行。 某些常用的转录抑制剂某些常用的转录抑制剂 抑制剂抑制剂靶酶抑制作用利福霉素细菌的全酶与亚基结合，阻止起始链霉溶菌素细菌的核
28、心酶与亚基结合，阻止延长放线菌素D真核RNA聚合酶与DNA结合，阻止延长-鹅膏蕈碱真核RNA聚合酶与RNA聚合酶结合作用于聚合酶的抑制剂作用于聚合酶的抑制剂几个基本概念几个基本概念Replication（复复制制）:The sequence of bases in DNA encodes genetic information. The duplication of DNA, giving rise to a new DNA molecule with the same base sequence as the original, is necessary whenever a cell di
29、vides to produce daughter cells. This duplication process is called replication. Transcription（转转录录）: The actual formation of gene products requires RNA; the production of RNA on a DNA template is called transcription.Translation（翻翻译译）: The base sequence of DNA is reflected in the base sequence of R
30、NA. Three kinds of RNA are involved in the biosynthesis of proteins. Of the three, messenger RNA (mRNA) is particularly important. A sequence of three bases in mRNA specifies the identity of one amino acid in a manner directed by the genetic code. The process by which the base sequence directs the amino acid sequence is called translation.几个基本概念几个基本概念谢谢！谢谢！本本PPT的相关内容仅供的相关内容仅供教学使用，图片及文字教学使用，图片及文字内容为原出版社或原作内容为原出版社或原作者所有，请勿随意拷贝、者所有，请勿随意拷贝、传播。如要使用，请追传播。如要使用，请追溯并注明其原始出处。溯并注明其原始出处。
