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生物化学第十一章遗传信息的传递共55页文档_图文


生物化学

第十一章 遗传信息的传递 中心法则:

第一节 DNA的生物合成
一、DNA的复制
(一)DNA的半保留复制
DNA双链解开成为两条单链,分别以每 条单链为模板,以4种dNTP(三磷酸脱氧 核苷)为原料,按碱基配对原则,从 5’→3’方向合成新的DNA互补链,新合 成的DNA与原来的完全一样,并且一条链 来自亲代,一条链是新合成的,这种复制 方式就叫做DNA的半保留复制。

(二) 参与DNA复制的酶类
1.DNA聚合酶Ⅰ 在合成中可发挥三种作用: ①5’→3’外切酶活性:切除引物
② 3’→5’外切酶活性:可从3’→5’方 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。
③ 沿 5’→3’ 方 向 延 长 : 依 赖 于 DNA 的 DNA聚合酶功能。

PPP OH +

PPP

OH

PPP

OH

PPP OH + P

OH

DNA合成方向不可能是3′→5′的解释

3’→5’外切酶活性:对生长中 的碱基进行识别和校对

2.DNA连接酶
催化两个DNA片段之间形成3’, 5’-磷酸二酯键, 连接DNA片段。

3.引物酶
依赖于DNA的RNA聚合酶,是以DNA为 模板来合成RNA的酶,可识别复制起始点, 以DNA为模板,四种NTP为原料,按 5’→3’方向,遵从碱基互补原则,合成 RNA引物,提供DNA合成的3’-OH端。

DNA的合成需要以RNA为引物: DNA聚合酶不能“从无到有”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 的多核苷酸链就是引物,所以DNA的合成必须要 有引物,体内的引物多数情况下是RNA,但也可 利用体内原有的DNA片段。
RNA引物是以单链DNA为模板,沿5′→3′方 向合成小分子RNA引物,在大肠杆菌中RNA引物 (RNA primer)由引发酶(primase)催化,引 物的长度1~60个核苷酸(引物的长度取决于物 种)。

4.解旋和解链酶类:作用在DNA的双链上, 使之解链和解旋,以形成两条单链。
5.拓扑异构酶类:缓解扭转应力
6.单链结合蛋白(SSB):防止解旋酶一旦 过去之后,螺旋又恢复原状

7.DNA聚合酶Ⅲ
依赖于DNA的DNA聚合酶,以DNA为 模板,以四种dNTP为原料,催化从引物 3’-OH 端 , 按 碱 基 互 补 原 则 合 成 新 的 DNA。
DNA聚合酶Ⅲ是催化DNA合成(聚合 反应发生)的关键酶。

真核生物DNA pol; 有DNA pol.α、β、γ、δ、ε5种,除
DNA pol r存在于线粒体内,其余均存 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抑制剂 的敏感性不同。其他性质基本上同E coli的聚合酶,也需要模板, 带3′-OH的 引物和4种脱氧核苷三磷酸,链的延伸 方向为5′→3′。

大肠杆菌三种DNA聚合酶的比较

哺乳动物DNA聚合物

(三)复制合成过程 三阶段
a.起始 包括解链、解旋和引发阶段
Ⅰ.识别复制的特定起始位点(引物酶);
Ⅱ.解开双螺旋,成为二条单链(解链解旋酶);
Ⅲ.以DNA单链为模板合成RNA引物,提供DNA 合成的3’-OH端(引物酶),并形成复制叉,起始 阶段结束。

b.延长:DNA链的形成和延伸阶 段
在DNA聚合酶Ⅲ的作用下,从引物3’-OH端开 始合成DNA片段。 与复制叉移动方向一致的链进行连续合成,叫前 导链(领头链)。 与复制叉移动方向不一致链进行不连续合成,合 成小的DNA片段(冈崎片段),这条链叫后续 链(随从链)。 这种复制方式也叫半不连续复制。

c.终止
由DNA聚合酶 Ⅰ切除引物,填 补缺口,DNA连 接酶连接DNA片 段,得到完整的 DNA互补链。

二、DNA损伤(突变)与修复
基因突变:DNA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 物理:紫外线、各种辐射等; 化学:亚硝酸盐、烷化剂、芳香烃类等; 生物因素:RNA病毒感染等。

(二)DNA的修复
1.光复活 ②切除修复 ③重组修复 ④SOS修复

1. 损伤:

5'

3'

形成嘧啶二聚体

3'

5'

2. 形成酶-DNA复合物: 光复合酶结合于损伤部位

3. 酶被可见光所激活

4. 修复后释放酶

2.切除修复(excision repair)

3. 重组修复(recombination repair)

第二节 RNA的转录
转录 (transcription)
生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。

转 录

DNA

RNA

复制和转录的区别

模板 原料 酶 产物
配对

复制

转录

两股链均复制 模板链转录(不对称转录)

dNTP

NTP

DNA聚合酶

RNA聚合酶(RNA-pol)

子代双链DNA mRNA,tRNA,rRNA (半保留复制)

A-T,G-C

A-U,T-A,G-C

参与转录的物质
原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: DNA 酶: RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol) 其他蛋白质因子

一、转录模板
不对称转录(asymmetric transcription) 1.DNA分子上转录出RNA的区段,称为结构基 因(structural gene)。 2.DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成 RNA的一股单链,称为模板链(template strand),也称作有意义链或Watson链。相对的 另一股单链是编码链(coding strand),也称为 反义链或Crick链。

5′···GCAGTACATGTC ···3′ 编码链

3′··· c g t g a t g t a c a g 模板链

···5′

转录

5′···GCAGUACAUGUC ···3′ mRNA

翻译

N······Ala · Val · His · Val ······C

蛋白质

结构基因

5?

编码链

3?

模板链

转录方向

转录方向

模板链

3?

编码链

5?

3.不对称转录的含义 一是DNA链上只有部分的区段作为转录
模板(有意义链或模板链),二是模板链并非 自始至终位于同一股DNA单链上。
不是整个DNA分子的信息都被转录成一个RNA,而是某些基因以 DNA的这一条链作为模板,而另一些基因以DNA的另外一条链作 为模板。

二、RNA聚合酶
(一)原核生物的RNA聚合酶

亚基
? ? ?? ?

分子量
36512 150618 155613 70263

功能
决定哪些基因被转录 催化功能
结合DNA模板 辨认起始点

核心酶 (core enzyme) 全酶 (holoenzyme)

?? ?
??

?? ??
??

(二)真核生物的RNA聚合酶

种类 转录产物

Ⅰ 45S-rRNA

对鹅膏蕈碱 的反应

耐受

Ⅱ hnRNA
极敏感

Ⅲ 5S-rRNA
tRNA snRNA 中度敏感

三、RNA转录
原核生物一个转录区段可视为一个 转录单位,称为操纵子(operon),包括 若干个结构基因及其上游(upstream)的 调控序列。
1.转录的一般原则

(1)模板 : 体内DNA中的一条链被转录,体外DNA 的两条链都能被转录。 why?
(2)转录过程中需要模板,需要解链,但不需要引物 。 (3)以4种核苷三磷酸为底物,并需要Mg2+激活。 (4)第一个被转录的核苷酸通常是嘌呤核苷酸(约为
90%),其中以乌嘌呤核苷酸最为常见。
(5)转录的方向的5′→3′,这与DNA的复制完全一致。
(6)转录具有高度的忠实性。 (7)转录受严格调控。

DNA的转录过程:起始、延长和终止。 2. 转录的起始
(1)启动子(promoter)的概念: 启动子是指RNA聚合酶识别,结合并开始转录的一段
DNA序列,它包括4个区域: 转录的起始点, -10区(pribnow box,富含AT,其一致序列为TATAAT) -35区 一致序列为TTGACA, -10与-35之间的序列。
原核生物的RNA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

转录起始点(start point)为+1,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。

(2)RNA聚合酶对启动子的识别、结合和起始复合物的形成

RNA合成不需要引物,按照DNA中一条链的 碱基序列选择1st and 2nd 核苷三磷酸,合成第一 个磷酸二酯键,RNA链上参入的第一个核苷酸通常 是嘌呤,因此新生RNA的5′端通常是pppA or pp转pG录。起始后,σ因子就从起始复合物中解离。
3.链的延长:
σ因子释放后,进入链的延长阶段,核心酶的移动方向 沿DNA 的3′→5′方向

RNA链的合成方向5′→3′

RNA合成的速度每秒种40个核苷酸,与蛋白质 合成的速度相近(15个aa/sec),但比DNA复制 的速度(800bp/sec)要慢得多。RNA聚合酶在 DNA分子上的运动不是匀速的,在经过富含GC对 的序列8至10个核苷酸后,会发生一次暂停,这与 转录的终止有关。
4.链的终止:
当核心酶沿模板3′→5′方向移动到终止信号区 域时,转录就终止,提供终止信号的DNA序列称 终止子。
终止有2种类型:不依赖ρ因子的终止,依赖于 ρ因子的终止。

不依赖于ρ因子的终止:这类终止子结构上有2个特征
(1)DNA链的3′端附近有回文结构,富 含G-C碱基,随后紧跟的是A-T碱基, 转录而形成的RNA具有茎环的发夹 形结构(hairpin structure) 。
(2)发夹结构末端紧跟6个连续的U,这 发夹结构阻碍了聚合酶的进一步延 伸,RNA链的合成就终止,酶和 mRNA就从模板DNA上释放。

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