生物化学 杭州职业技术学院

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。

OH PPP OH + PPP OH PPP PPP OH + P 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。

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 pol I pol II pol III 分子量 103Kd 88Kd 900Kd 不同种类亚基数目 1 ≥ 7 ≥ 10 每个细胞的分子数 400 100 10 生物学活性 0.05 15 5'→3'聚合酶活性 ＋ 3'→5'外切酶活性 5'→3'外切酶活性 － 功能 校正，修复，去除RNA引物 修复 复制（5'→3'聚合作用）

哺乳动物DNA聚合物 α β γ δ ε 定位 细胞核 线粒体 聚合方向：5'→3' ＋ 外切酶活性3'→5' － 功能 引物 合成 修复

（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）； （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

5' 3' 3' 5' hυ 1. 损伤： 形成嘧啶二聚体 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

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 ···5′ 模板链 转录 mRNA 5′···GCAGUACAUGUC ···3′ 翻译 N······Ala · Val · His · Val ······C 蛋白质

结构基因 转录方向 5 3 3 5 编码链 模板链 模板链 编码链 转录方向

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。 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

核心酶 (core enzyme) 全酶 (holoenzyme)       

（二）真核生物的RNA聚合酶

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

（2）转录过程中需要模板，需要解链，但不需要引物 。 （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 pppG。 转录起始后，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。