第十四章 核酸的生物合成 nucleic acid biosynthesis

二、思考题 1、区分下列各对术语： 　　a) DNA聚合酶I/DNA聚合酶III 　　b) 前导链/后随链 　　c) 切除修复/直接修复 　　d) 5'-3'外切酶/3'-5'外切酶 　　e) DNA解旋酶/DNA连接酶 　　f) 正链病毒/负链病毒

2、简述Meselson－Stahl的实验，并解释其如何证明了 DNA是半保留复制的 3、有哪些因素可以导致DNA的损伤，机体通过什么机制 对其进行修复？ 4、简述真核生物进行不连续DNA复制时，在复制叉处发 生的一系列步骤。 5、在E.coli中进行DNA复制至少需要哪些蛋白？每个蛋 白的功能是什么？

本章主要内容 DNA的生物合成 RNA的生物合成 蛋白质的生物合成

第一节 DNA的生物合成(复制) 遗传信息传递 中心法则（ central dogma）: 基因表达： 将遗传信息由DNA转录为RNA、再翻译成蛋白质的过程

反中心法则 在RNA病毒中，其遗传信息贮存在RNA分子中。 这类生物体，遗传信息的流向是RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代，反转录将遗传信息传递给DNA，再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为反中心法则。

一、复制（replication） DNA复制的基本原则 复制的方式 ——半保留复制(semi-conservative replication) 复制的高保真性(high fidelity) 双向复制(bidirectional replication) 半不连续复制(semi-discontinuous replication)

（一）半保留复制 AGAACTTAG TCTTGAATC 亲代 半保留复制：DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板(template)按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全从新合成。两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。 AGAACTTAG TCTTGAATC AGAACTTAG TCTTGAATC 子代 1958年Meselson和Stahl首次用同位素标记法得到证实。

半保留复制的意义 按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。 遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。

（二）DNA复制的起始点、方向和方式 1. 起始点 是含有100-200个碱基的一段DNA。 复制叉 DNA的两条链在起始点分开形成叉子样 的“复制叉” （replication fork），也叫 “生长点” （growing point）, 随着复制叉的移动完成DNA的复制过程。 细胞内存在能识别起始点的特种蛋白质。

2. 方向 DNA复制朝一个方向（单向复制，unidirectional）， 两个相反方向进行（双向复制，bidirectional，主要） origin DNA复制一般是对称的，两条链同时进行， 也有不对称的，一条链复制完后再进行另一条链的复制

3、方式 全保留与全新复制 分散复制 半保留复制

复制子(replicon)两个相邻复制原点间的距离。 真核生物染色体: 是多复制子的复制。 复制子是能够独立完成复制的功能单位。 复制子(replicon)两个相邻复制原点间的距离。 5’ 3’ ori 复制子 5’ 3’

半不连续复制 前导链连续复制，而后随链不连续复制 。 前导链：从5’→3’ 端连续复制的链子代链 后随链：从5’→3’端，但是不连续复制子代链 冈崎片段: 解链方向 引物 模板链 由后随链所形成 的子代DNA短链 冈崎片段的大小: 原核生物 1000～2000个核苷酸 真核生物 100个核苷酸

引物——RNA RNA引物的大小:; 在原核生物: 50～100个核苷酸， 而在真核生物: 10个核苷酸。 在原核生物: 50～100个核苷酸， 而在真核生物: 10个核苷酸。 RNA引物的碱基顺序，与模板DNA的碱基顺序相配对

（三）、参与DNA复制的主要酶类 1. 解旋、解链酶类 2. 引物酶 3. DNA聚合酶 4. DNA连接酶 解链酶 DNA拓扑异构酶 单链结合蛋白（SSB） 2. 引物酶 3. DNA聚合酶 4. DNA连接酶

1解链酶（解螺旋酶） (helicase) 1）解螺旋酶，又称rep蛋白

1）解链酶（解螺旋酶）示意图

2） DNA拓扑异构酶(DNA topoisomerase) 拓扑异构酶Ⅱ（旋转酶）：剪断正超螺旋DNA两条链，使变为松弛状态并再连接。由ATP提供能量引入负超螺旋中和正超螺旋。

3）单链DNA结合蛋白 (single-stranded DNA-binding protein SSB）

2、引物酶(primase) 本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶(DDRP） 该酶以DNA为模板，催化合成一段RNA短链引物, 引物RNA3’-OH末端作为DNA合成的起始点, 使子代DNA链能够开始聚合。 引物酶与多种起始蛋白（ dnaA、dnaB、 dnaC、n、n’、n’’和i）结合形成引发体 2、引物酶(primase) 本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶(DDRP）

3、DNA聚合酶（DNA polymerase) 5′→3′外切酶、聚合酶活性，切除引物并 填补空隙； 具有切口平移作用 ①polⅠ ②pol Ⅱ 生理功能尚不清楚，无酶Ⅰ、Ⅱ时起作用 复制延长中真正起复制作用的酶 具3′ -5′核酸外切酶活性，校正作用 ③pol Ⅲ： 参与DNA复制的主要是pol Ⅲ和pol Ⅰ。

DNA聚合酶： 外切（校对）作用

DNA聚合酶： 链延长（聚合）反应 3´ 5´ 3´ 5´ 5´ RNA引物 3´ 子链

子链DNA 亲链DNA 延长链 模板链 互补链

真核生物DNA聚合酶 DNA-pol  起始引发，有引物酶活性。 参与低保真度的复制 。 DNA-pol  在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。 DNA-pol  延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。 DNA-pol 

4）DNA连接酶 催化两段DNA片段之间磷酸二酯键的形成，使连接成一条完整的链。 原核生物 NAD+供能 真核生物 ATP供能 -3' HO 5’ 3’ -3' DNA连接酶 ATP（NAD+） ADP+Pi 3’ 5’

DNA连接酶功能 在复制中起最后接合缺口的作用。 在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。 也是基因工程的重要工具酶之一。

复制、转录和翻译的失误会产生的后果？ 复制的准确性不高：会改变生物的遗传性能， 易 引起突变或致死。 若转录和翻译的失误：一般只涉及细胞中某种 RNA或蛋白质的产生，不会改变生物的遗传性能 因此，DNA聚合酶的校正作用是保证复制准确性 的数种途径之一。

DNA高保真性复制主要与下列因素有关 1、碱基的配对规律：模板链与新生链之间的碱基 配对保证碱基配错几率约为1/104～1/105。 1、碱基的配对规律：模板链与新生链之间的碱基 配对保证碱基配错几率约为1/104～1/105。 2、DNA聚合酶的3’→5’外切酶活性的校对功能， 使碱基的错配几率又降低100～1000倍。 3、DNA的损伤修复系统。 大肠杆菌的复制中，每聚合109-1010核苷酸仅有一个误差。

（四）、DNA的复制过程 识别复制起始点 解螺旋 SSB蛋白固定 引物合成 DNA合成 去除引物 DNA连接 （1）复制的起始

DNA复制的过程 (1)复制的起始 复制从特定的位置(复制原点Ori)开始，该位置常是富含A、T区段。

前导链的合成过程

后随链的合成过程

DNA聚合酶Ⅲ催化前导链和后随链同时合成

后随 前导

(2)、复制的终止 在DNA连接酶的催化连接。 1）去除引物，填补缺口： 2.）连接冈崎片段： 在复制过程中形成的RNA引物，需由RNA酶来水解去除； RNA引物水解后遗留的缺口，由DNA聚合酶Ⅰ（原核生物）或DNA聚合酶（真核生物）催化延长缺口处的DNA，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。 2.）连接冈崎片段： 在DNA连接酶的催化连接。

(3) 完成子代DNA分子的形成 两条子链分别与两条亲链重新形成双螺旋结构， 生成两个与亲代DNA完全相同的子代DNA。

真核生物的DNA复制（ DNA指导下的DNA合成） 复制有多个起始点，是由多“复制子”共同完成。 DNA聚合酶至少有5种以上，命名为α、β、γ、δ和ε 端粒的复制： 线性染色体的末端DNA称为端粒（telomere）。 端粒的复制是由一种特殊的酶------端粒酶所催化 端粒酶： 一种核糖核蛋白，由RNA和蛋白质成分组成 生物学意义：1、合成端区，保证染色体复制的完整性。 2、保护DNA末段降解及相互融合。

二、反转录作用（ RNA指导下的DNA合成） 1970年Temin和Baltimore同时从肉瘤病毒中发现发现 “反转录酶”,此酶催化RNA合成DNA，合成方向53’， 即RNA指导下的DNA聚合酶; 此酶催化遗传信息从RNA流向DNA,与转录作用正好相反; 此酶以dCTP、dGTP、dATP、dTTP为底物,催化生成与病 毒RNA（模板）碱基序列互补的DNA。

[反转录酶]： 作用：1、 RNA指导的DNA合成。 2、 RNA水解反应。 3、 DNA指导的DNA合成。 特点：无外切酶活性，转录错误率高2X104。 [反转录酶病毒（retrovirus）] 性质：一类RNA病毒，含反转录酶，因致癌又称RNA肿瘤病毒。如HIV-人类免疫缺陷病毒，可引起AIDS。 1、组成：核心RNA，蛋白外壳。 [反转录酶]：

反转录具体过程： 1、病毒RNA与cDNA形成杂交体： 病毒 进入宿主细胞后脱去外壳， 以病毒RNA为模板，胞内dDNT为底物， ——cDNA 一条与病毒RNA链互补的DNA链。 2、反转录酶催化释放出cDNA ， 再以cDNA为模板合成一条互补DNA链， ——形成双股cDNA。 3、双股cDNA整合到宿主细胞的染色体DNA中。

逆转录病毒细胞内的逆转录现象： ---- ---- -- -- ---- -- -- -- ---- ---- -- -- ---- cDNA整合入宿主细胞DNA分子中 ---- -- -- ---- -- -- -- ---- ---- -- -- ---- ---- -- -- 逆转录酶 ---- ---- 逆转录酶 -- -- ---- ---- RNaseH -- -- + ---- ---- -- -- ---- ---- -- -- ---- ---- -- -- ---- ---- -- -- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- 病毒RNA RNA-cDNA 杂交体 cDNA 双股cDNA 宿主细胞 DNA分子 ---- ---- 整合了cDNA的宿主 细胞DNA分子 意义： 对中心法则的补充 有助于基因工程的实施

HIV生活史 主要靶细胞: T淋巴细胞 单核-巨噬细胞

DNA的损伤（突变）与修复 DNA Damage （Mutation）and Repair DNA的损伤：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（mutation）。 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。

三、 DNA损伤（突变）与修复 DNA的损伤：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（mutation）。 损伤包括: 碱基脱落、碱基修饰、交联，链的断裂，重组等。

（一） 、引起突变的因素 1. 自发因素： 自发脱碱基：由于N-糖苷键的自发断裂，引起嘌呤或嘧啶碱 基的脱落,每日可达近万个核苷酸残基。 自发脱氨基：胞嘧啶 脱氨基 可生成 尿嘧啶， 腺嘌呤 脱氨基 可生成 次黄嘌呤， 每日 可达几十到几百个核苷酸残基。 复制错配： 碱基配对错误引起的损伤，发生频率较低

2. 物理因素：由紫外线、电离辐射、X射线等引起DNA损伤 紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成，如TT，TC， CC等二聚体, 因而会引起复制障碍。 UV

3. 化学因素： 脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可加速 A脱氨基生成I, C脱氨基生成U 。

烷基化剂： 这是一类带有活性烷基的化合物， 可提供甲基或其他烷基，引起碱基 或磷酸基的烷基化，甚至可引起 邻近碱基的交联。 DNA加合剂 如苯并芘，体内代谢后生成四羟苯 并芘，与嘌呤共价结合引起损伤。 碱基类似物 如5-FU，6-MP等，可掺入到DNA分 子中引起损伤或突变。 断链剂： 如过氧化物，含巯基化合物等， 可引起DNA链的断裂。

FU FU

（二）突变的类型 点突变(point mutation) （碱基错配） 框移突变(frameshift mutation) 转换(transition) ：A  G 或 C  T 颠换 (transversion)：嘌呤碱  嘧啶碱 框移突变(frameshift mutation) 缺失、插入1个碱基, 造成蛋白质氨基酸顺序发生改变 重排(rearrangement) DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排

镰刀形红细胞性贫血 血红蛋白中遗传信息的异常 正常 DNA …TGT GGG CTT TTT… mRNA …ACA CCC GAA AAA… HbA（β链） （氨基末端）苏 脯 谷6 谷 赖 异常 CAT GUA HbS（β链） 缬6

缺失引起框移突变 正常 缺失C 5’ ……G C A G U A C A U G U C …… 丙 缬 组 缬 谷 酪 蛋 丝 5’ ……G C A G U A C A U G U C …… 丙 缬 组 缬 正常 5’ ……G A G U A C A U G U C …… 缺失C

（三）DNA的损伤修复 光复活 (light repair) 切除修复(excision repair) 重组修复(recombination repair) SOS修复 无差错修复 有差错倾向修复

（三）DNA损伤的修复 直接修复：如光复活酶,普遍存在在生物机体中,可以把嘧啶 二聚体恢复正常状态。 切除修复：找出损伤位置并切除，进行修复合成并连接。 重组修复：先复制再修复。子代链在对应模板链的损伤处 留下缺口，先将同源母链DNA上相应的核苷酸片 段转移替补，然后再合成一段序列填充缺口。 SOS系统：复杂的应急反应。既有避免差错的修复又有引起 差错的修复，有高变异率但也增加了生存机会。

直接修复： 光修复酶(photolyase) 识别嘧啶二聚体并与之结合形成复合物。 在300～600nm可见光照射下，酶获得能量，将嘧啶二聚体的丁酰环打开。 光修复酶从DNA上解离。

2. 切除修复(excision repair)： 是一种广泛存在的修复机制，适用于多种DNA损伤的修复。 切除修复机制：将受损的DNA片段切除，然后再以对侧链为模板，重新合成新链进行修复。

3. 重组修复(recombination repair)： 这是DNA的复制过程中所采用的一种有差错的修复方式。 修复时，利用重组蛋白RecA的核酸酶活性，将另一股健康亲链与损伤缺口相互交换。 RecA的分子结构

重组修复(recombinational DNA repair）

4. SOS修复（SOS Repair） SOS反应：细胞DNA受到严重损伤或DNA复制系统受到抑制的紧急状态下，为求生存而出现的应急反应。 是生物在不利环境中求得生存的一种基本功能。对原核生物它产生高变异，对高等动物则是致癌的。 SOS反应包括: 避免差错的修复能力增强 诱导产生无校正功能的DNA聚合酶合成 抑制细胞分裂 这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差。 但毕竟可以提高细胞存活率，不失为一种紧急补救措施。 然而DNA保留的错误较多，导致较广泛、长期的突变。

第二节 RNA的生物合成 （转录） (transcription) 基因表达： 把遗传信息从DNA通过RNA传递到蛋白质的过程。

DNA指导下的RNA合成

转录过程中的相关术语 启动子：指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列。 转录因子： RNA聚合酶起始转录需要的辅助因子（蛋白质） （真核：TATAAT） 转录因子： RNA聚合酶起始转录需要的辅助因子（蛋白质） （真核：GC丰富区、AT丰富区) 终止子：提供转录停止信号的DNA序列 终止因子：协助RNA聚合酶识别终止信号的辅助因子（蛋白质） 通读： 使RNA聚合酶得以越过终止子继续转录的行为 抗终止因子：能够引起抗终止作用的蛋白质

一、参与转录的主要物质 转录模板 RNA聚合酶 底物 终止因子

（一）转录模板 3’ 模板链(有意义链 ) ：能够转录出互补RNA的DNA链 编码链(反意义链 ) ：与之模板链互补的另一条DNA链 模板链 5’ 3’ 5’ 3’ 编码链 5’ 结构基因 能转录出RNA的DNA区段 转录的不对称性：对于不同的基因来说，其转录信息可以 存在于两条不同的DNA链上。

DNA 5´……G G A G T A C A T G T C …3´（编码链，+, ） 3´……C C T C A U G U A C A G …5´（模板链，-，） ↓（转录） 5´…… G G A G U A C A U G U C ……3´ mRNA ↓（翻译） N…… Ala …Val… His… Val … C 多肽

（二） RNA聚合酶（DDRP） 1）原核生物的RNA聚合酶 全酶由五个亚基 2‘ 构成的五聚体蛋白质。 亚基（因子） 核心酶（2‘） 亚基：与转录起始点的识别有关。在转录合成开 始后被释放； 核心酶: 与RNA链的聚合有关。 RNA聚合酶

1）原核生物RNA聚合酶的全酶和核心酶 核心酶 (core enzyme) 全酶 (holoenzyme)       

RNA聚合酶亚基的功能分别为：     2α亚基：与启动子结合，决定哪些基因被转录。 β亚基：催化功能，催化形成磷酸二酯键。 β’亚基：与DNA模板结合功能。 σ亚基：识别起始位点。 亚基： 在全酶中存在，功能不清楚。

2）真核生物的RNA聚合酶 真核生物中的RNA聚合酶可分为三种，由10～12个大小不同的亚基组成，结构复杂，功能也不同。 （mRNA前体）

（三）底物 RNA合成的原料： ATP、GTP、CTP、UTP RNA聚合酶催化方式： 按照碱基配对原则，将相应的NTP的5′磷酸与 上一个核苷酸的3 ′羟基形成3′-5′磷酸二酯键. 合成方向：5 ′→3′ 聚合反应不需要引物。

RNA聚合酶催化作用 A G T C U OH HO RNA 模板DNA 5′ 3′ – OH OH G GTP A G T C U OH

二、原核生物转录过程： 1、识别：RNA聚合酶在σ亚基的引导下结合于启动子上； 2、DNA双链局部解开； 6、RNA和RNA聚合酶从DNA上脱落。

1. 起始：起始区在转录单位的启动子部位。 启动子— 转录起始过程中，RNA聚合酶识别、结合并开 始转录DNA序列。 开始转录位点。 识别序列 结合序列 起始位点 启动子

转录起始动画

识别序列 结合序列 起始位点 启动子 RNA聚合酶（全酶） 识别 结合 转录开始 转录起始

RNA合成过程 离开 起始  双链DNA局部解开  5  磷酸二酯键形成  3 5 延长阶段 5 3  3 5  启动子（promoter) 终止子(terminator) RNA聚合酶 起始  双链DNA局部解开  5  磷酸二酯键形成  离开 3 5 延长阶段 5 3  3 5  解链区到达基因终点  终止阶段 5 3 RNA

2. 延长阶段 编码链 模板链 RNA聚合酶 RNA 亚基脱落，RNA聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛， 沿着DNA模板前移； 5’ 3’ 起 终 3’ T C G A G T A C A G C T C A T G 模板链 RNA聚合酶 C G A G U A C G C A U 3’ UTP PPi ATP RNA GTP 5’ UTP CTP (NMP) n + NTP  (NMP) n+1 + PPi

3. 终止阶段 大肠杆菌有两类终止子: 1) 不依赖于ρ因子的为简单终止子，能形成发夹区，其中常有一段富含G-C区，终点前有一段寡聚U，可能提供RNA聚合酶脱离模板的信号。

RNA RNA聚合酶 终止的方式： 1).不依赖于因子的转录终止

2）依赖因子的终止——需要因子才能停止转录, 并释放RNA和RNA聚合酶的终止方式。 因子——小分子蛋白质，有ATP酶活性 机理： 因子结合于新合成的RNA链，借助水解ATP沿RNA 链运动，当RNA 聚合酶遇终止子停止， 因子追上酶使转录终止。

三、RNA转录后的加工 (一)、真核细胞mRNA前体的加工 mRNA的前体：核内不均一RNA（hnRNA） (hetero –nuclear RNA) 转录过程中的5’端加帽与3’端加尾的修饰 2. 切除内含子(intron)，拼接外显子(exon) 非编码序列 编码序列

帽子结构的生成 5 pppGp… 5 ppGp… 5 GpppGp… 5 m7GpppGp… Pi ppi 磷酸酶 鸟苷酸转移酶 甲基转移酶 SAM

加尾(adding tail)： 核酸内切酶识别mRNA 3’-端保守序列,11-30核苷酸后切去过剩核苷酸，然后再加入polyA。 polyA结构与mRNA的半寿期、活性及增加其稳定性有关。

剪接（splicing) C A B D 去除新生RNA的内含子，连接外显子, 外显子：能够指导多肽链合成的编码顺序 内含子：不能指导多肽链合成的非编码顺序 C A B D 1 2 3 4 非编码区 编码区 1、2、3、4

鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰 鸡卵清蛋白基因 hnRNA 首、尾修饰 hnRNA剪接 成熟的mRNA

（二）、tRNA的转录后加工 1、剪接和剪切

2、3’端添加CCA tRNA核苷酸转移酶、连接酶 ATP ADP

3、化学修饰 （1）甲基化 如：A  Am （2）还原反应 如：U  DHU （3）核苷内的转位反应 如：U  ψ （4）脱氨反应 如：A  I （4）

（三）、rRNA的转录后加工 1. rRNA加工 （1）剪切：如原核细胞 rRNA前体的加工 （2）修饰：主要是甲基化 16S rRNA tRNA III E III: RNaseIII E: RNaseE M16: 16S rRNA成熟酶 M23: 23S rRNA成熟酶 M5: 5S rRNA成熟酶 M16 M23 M5 16S rRNA tRNA 23S rRNA 5S rRNA （2）修饰：主要是甲基化

第三节 蛋白质的生物合成 （翻译） Protein Biosynthesis (Translation)