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第十四章 核酸和蛋白质的生物合成

第十四章 核酸和蛋白质的生物合成. 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. 预备知识. 核酸遗传性大分子；蛋白质功能性大分子； 基因 (gene)---- 生命体遗传信息的传递体，是编码生物活性产物（蛋白质或各种 RNA ）的 DNA 功能片段，其功能的体现遵循 中心法则 。 原核生物：每个细胞只有一个染色体 . 真核生物：每个细胞含有多条染色体 . 染色体以外的遗传因子：包括细菌的质粒 , 病毒 , 真核细胞的细胞器中 DNA 等。 DNA 的体外复制：分子克隆。. DNA 的双螺旋结构. RNA 的结构.

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第十四章 核酸和蛋白质的生物合成

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  1. 第十四章 核酸和蛋白质的生物合成 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

  2. 预备知识 • 核酸遗传性大分子；蛋白质功能性大分子； • 基因(gene)----生命体遗传信息的传递体，是编码生物活性产物（蛋白质或各种RNA）的DNA功能片段，其功能的体现遵循中心法则。 • 原核生物：每个细胞只有一个染色体. • 真核生物：每个细胞含有多条染色体. • 染色体以外的遗传因子：包括细菌的质粒,病毒,真核细胞的细胞器中DNA等。 • DNA的体外复制：分子克隆。

  3. DNA的双螺旋结构

  4. RNA的结构

  5. 蛋白质的结构

  6. 逆转录 RNA的复制 遗传中心法则 “复制” “转录” 1958年，F.Crick提出中心法则：复制、转录、翻译 中心法则的补充： 逆转录、RNA的复制。 “翻译”

  7. 第一节　DNA的生物合成 • DNA的复制 DNA－－－－－－－－DNA • RNA的逆转录 RNA－－－－－－－－－－DNA） DNA指导下的DNA聚合酶 RNA指导下的DNA聚合酶

  8. 一、DNA的复制 • 反应体系 • DNA的复制特点 • DNA复制过程

  9. 1.反应体系　　413页 • 底物：dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP) • 模板：单链的DNA母链 • 引物：寡核苷酸引物（RNA) • 酶和蛋白因子 • DNA聚合酶（DNA指导的DNA的聚合酶） • 另一种DNA聚合酶（切除引物并补上缺口的酶) • 引物酶或RNA聚合酶（引发酶） • 解螺旋酶 • DNA旋转酶（拓扑异构酶） • 单链DNA结合蛋白（原核SSB、真核RPA｝ • DNA连接酶（ligase)

  10. DNA聚合酶催化反应特点 • 以4种dNTP为底物 • 反应需要接受DNA模板的指导，不能催化游离的dNTP的聚合。 • 反应需有引物 3‘－OH的核酸链(RNA片段) • 链生长方向　5’ → 3‘ • 产物DNA的性质与模板相同

  11. 2.DNA的复制特点 • 复制子 • 半保留复制 • 半不连续复制 • 复制的保真性

  12. ①复制子(Replicon) • 复制子:基因组中能单独进行复制的单位。每个起始点到终止点的区域为一个复制子。各复制子发动复制的时间有先有后。 • 单复制子:　一般原核生物细胞 • 多复制子：真核生物细胞核DNA。 • 复制的方向：单向或双向

  13. 单向复制 双向复制 复制叉(生长点） 细菌复制叉移动速度50000bp/min 真核生物复制叉移动速度3000bp/min

  14. ②半保留复制

  15. 细菌 普通DNA 15 （含 N-DNA) 普通培养基 普通DNA 第一代 重DNA 普通培养基 第二代 重DNA 密度梯度离心 DNA的半保留复制的证明(1) • 1958年，Meselson和Stahl用普通培养基（14N）培养15N标记的大肠杆菌。用CsCl密度梯度离心法分析子代和二代DNA而推知。

  16. DNA的半保留复制的证明(2) • 1963年由Cairns用3H标记大肠杆菌DNA经过两代之后，用溶菌酶把细胞壁消化掉，使完整的染色体DNA释放出来，铺在一张透析膜上，用感光乳胶片感光，显影后在电子显微镜下观察。

  17. ③半不连续复制 • 冈崎片段： 1968年 • 细菌：1Kb-2Kb，相当 于一个顺反子的大小。 • 真核：100-200bp 前导连 风崎片段 引物RNA

  18. ④DNA复制的忠实性 • 聚合酶对dNTP的选择 • 3‘5’核酸外切酶活性以及碱基互补配对。 • 机体内对DNA损伤的修复。

  19. 3.DNA复制过程 (1)起始阶段　(2)复制的延伸　(3)复制的终止

  20. DNA复制为什么要用RNA引物？ • 从模板复制最初几个核酸时，碱基堆集力和氢键都　较弱，易发生错配。 • 复制的最初几个核苷酸，没有与模板形成稳定双链，DNA聚合酶的3‘5校对功能难发挥作用

  21. 二、RNA的逆转录（RNADNA） • 致癌RNA病毒 • 逆转录酶(reverse transcriptase, RT) • 逆转录活性： RNA指导的DNA聚合酶活性。 • RNase H 活性：水解RNA/DNA 杂交体上的RNA。 • DNA聚合酶活性： DNA指导的DNA聚合酶活性，合成互补DNA没有3`→5`外切酶活性。

  22. cDNA • 以mRNA为模板合成出的相应于一定mRNA的互补DNA。可代表某一特定基因。 • 反转录酶的发现对于遗传工程技术起了很大的推动作用，目前它已成为一种重要的工具酶。用组织细胞提取mRNA并以它为模板，在反转录酶的作用下，合成出互补的DNA(cDNA)，由此可构建出cDNA文库(cDNA library)，从中筛选特异的目的基因，这是在基因工程技术中最常用的获得目的基因的方法。

  23. 第三节　 RNA的生物合成和加工 • 转录——以DNA为模板，按碱基配对原则把DNA的序列信息抄录给RNA，在RNA聚合酶（依赖DNA的RNA聚合酶）的参与下合成RNA链。 • 复制——以RNA为模板，按碱基配对原则,在RNA复制酶的参与下合成RNA链。

  24. 一、在DNA指导下的RNA合成（转录） • 底物：NTP（ATP、GTP、CTP、UTP） • RNA链生长方向：5’→3’ • 不需引物 • 需DNA模板 • 需DNA指导的RNA聚合酶（无3‘－5’外切酶活性） • 转录过程： • 模板识别（真核生物为装配）； • 转录的起始； • 转录的延伸； • 转录终止

  25. 编码链与模板链 不同的基因使用不同的模板链

  26. 转录图示

  27. RNA转录后的加工473页 原核生物中RNA的加工　主要是rRNA和tRNA的加工 (1)rRNA前体的加工：甲基化修饰；RNaseⅢ切割 (2)tRNA前体的加工：基因成簇或混合存在。　 • 核酸内切酶（大肠杆菌RNAaseP，由RNA和蛋白质组成，其中RNA可独立完成催化）在tRNA的两端切开 • 核酸外切酶从3’端逐个切除附加序列，进行修剪 • 在tRNA的3’端加上－CCAOH（有些本身就有） • 核苷的修饰。 （3）mRNA前体的加工：大多不需加工，一经转录即可翻译，但也有少数需将多顺反子加工成较小单位。

  28. 真核生物中RNA的加工 (1)rRNA前体的加工(rRNA基因几十至几千，成簇存在） 自催化剪切：对有内含子的rRNA前体； 　　甲基化与切割：由核仁小RNA（snoRNA)指导。 　核仁：是rRNA合成、加工和装配成核糖体场所。 (2)tRNA前体的加工：tRNA的基因数目要比原核生物大得多。 (3)mRNA前体（hnRNA，核内不均一RNA)的加工

  29. 真核mRNA前体（hnRNA，核内不均一RNA)的加工 • 5’ 端形成特殊的帽子结构m7G5’ppp5’ Np- • 在3’ 端切断并加上一个poly(A)的尾巴； • 通过剪接除去转录来的内含子； • 拼接、编辑和再编码 • 链内部核酸的甲基化。

  30. 图示

  31. 组装成新病毒 二、RNA的复制（RNA病毒） 491页 • 个别噬菌体RNA病毒进入宿主细胞后，RNA以自身为模板，两次复制，形成病毒RNA 病毒RNA 复制 RNA复制酶 RNA互补链 复制 新病毒RNA 翻译 病毒蛋白

  32. 　小　结 • 复制子、冈崎片段、DNA的半保留复制与半不连续复制逆转录的概念。 • 原核生物DNA复制有关的酶及蛋白质因子 • DNA复制的忠实性由什么来决定？ • 逆转录酶的几个活性？ cDNA 思考题：第436页2,4，5,6，10,11,13,14 503页2,18

  33. 第三节　蛋白质的生物合成 一、遗传信息的传递 二、蛋白质合成的分子基础 三、翻译的步骤 四、翻译过程中GTP的作用 五、多核糖体 六、蛋白质合成的抑制剂 七、蛋白质的运输及翻译后修饰

  34. 蛋白质合成（Translation） • 以mRNA为直接模板，tRNA为氨基酸运载体,，核蛋白体为装配场所，共同协调完成蛋白质生物合成的过程。也就是把mRNA的碱基排列顺序转译成多肽链中氨基酸的排列顺序。

  35. 一、遗传信息的传递

  36. 转录 翻译 DNAmRNA蛋白质 A U G 1.遗传密码511页 • 密码子：mRNA从5‘  3’，每三个相邻的碱基形成三联体，即组成一个密码子。(1961年) • 读码框架：每一个氨基酸可通过mRNA上3个核苷酸序列组成的遗传密码来决定，这些密码以连续的方式连接，组成读码框架 翻译过程通过密码来沟通

  37. 图示

  38. 2.遗传密码的基本特性513页 • 终止密码子：UAG、UGA、UAA为，只被肽链释放因子阅读；起始密码子： AUG，也是甲硫氨酸的密码子。 • 多数生物的密码是不重叠的。 • 密码的简并性与同义密码： • 密码子通用性和变异性： • 密码的防错系统：可使基因突变造成的危害降至最低程度。 • 密码的变偶性：mRNA上密码子专一性取决于前两位碱基，且与tRNA上反密码子配对是严格的，第三位碱基“摆动碱基”可有一定的变动，此现象称。

  39. 密码子的摆动性

  40. 读码框架 AUG UAA 5‘帽子 3‘ 核糖体识别部位 　二、蛋白质合成的分子基础 • mRNA 、tRNA 、核糖体、氨基酸、GTP、ATP、非核糖体蛋白质( 起始因子、延伸因子、释放因子等)、Mg2+、K+等。 • 氨酰-tRNA合成酶等

  41. 读码框架 AUG UAA 5‘帽子 3‘ 核糖体识别部位 1.mRNA是蛋白质合成的模板 • 传递DNA上的信息、是一种不稳定的物质、分子大小不等。 真核生物mRNA

  42. 读码框架 读码框架 AUG UAA AUG UAA 3‘ 5‘ 核糖体识别部位 核糖体识别部位 原核生物mRNA • SD序列：在起始AUG序列上游10个碱基左右的位置，含有一段富含嘌呤碱基的序列，被称为SD序列。它能与细菌核糖体16SRNA3’端的7个嘧啶碱基互补性的识别，以帮助从起始AUG处开始翻译。

  43. Phe 5‘ 3‘ 1 2 3 5‘ 3‘ 3 2 1 2.tRNA转运活化的氨基酸至mRNA模板上 • 3‘端-CCA氨基酸接受位点 • 识别氨酰-tRNA合成酶位点 • 识别核糖体的位点 • 反密码子 (与密码子碱基互补) 书写：tRNA Phe

  44. 3.核糖体是蛋白质合成的工厂522页 • 核糖体ribosome：大、小亚基组成(蛋白质和rRNA)

  45. 核糖体结构特点 • 有容纳mRNA的通道 • 能结合起始、延长及终止因子等。 • A位（acceptor site氨酰结合位点) • P位(donor site 肽酰接受位). • 有转肽酶活性，催化肽键形成 • 大亚基上有延长因子依赖的GTP酶活性，可为转肽提供能量。 （四）

  46. 4.氨基酸、氨基酰tRNA合成酶、多种蛋白因子

  47. 三、翻译的步骤 1.氨基酸的激活(氨酰-tRNA的形成(准备)) 2.在核糖体上合成蛋白质 • 起始：起始复合物的形成，在起始密码处开始。 • 延长：进位、转肽、移位 • 终止：到终止密码释放肽链。 • mRNA上的阅读方向：是从mRNA的5’端－3’端进行的。 • 肽链延伸的方向：从N端－C端

  48. 原核翻译过程中能量（GTP）分析 • 1分子氨基酸的活化形成氨酰-tRNA的需要一个ATP中两个高能磷酸键。 • 在核糖体上合成蛋白质 • 起始：有一分子GTP水解成GDP。 • 肽链延伸 • 进位：有一分子GTP水解成GDP。 • 转肽： • 移位：又有一分子GTP水解成GDP。 • 终止：肽链合成终止肽链释放：需一分子GTP水解成GDP。

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