2 核酸和蛋白质的生物合成

第九章　核酸和蛋白质的生物合成教学目的：掌握中心法则的主要内容、掌握DNA的半保留复制、RNA的转录和蛋白质的生物合成过程，了解基因工程基础知识教学重点：DNA的半保留复制、RNA的转录、蛋白质的合成核酸和蛋白质都是生命的物质基础。

核酸是生物性状的内在决定因素，蛋白质则是其外在表现。

DNA是储存遗传信息的物质， DNA分子通过复制成完全相同的两个拷贝，亲代的遗传信息真实地传给子代；DNA分子中的遗传信息又如何表达呢？在生物的个体发育中，遗传信息由DNA通过转录传递到RNA，最后翻译成特异的蛋白质；在某些情况下RNA也能通过逆转录将信息传递到DNA。

这就是中心法则的主要内容。

第一节　DNA的生物合成一、半保留复制Watson和Crick于1953年提出的DNA双螺旋模型，碱基互补配对的原则，为DNA分子的复制提供了理论基础，DNA复制时，亲代DNA 的双螺旋先行解旋和分开，然后以每条链为模板，按照碱基配对原则，在这两条链上各形成一条互补链，这样便形成了两个新的子代DNA分子。

在新复制的DNA双链中，有一条是来自亲代DNA分子，另一条是新合成的，这种复制方式叫半保留复制。

这个半保留复制首先是由Meselson与Stahl在1958年用同位素15N 在大肠杆菌培养试验中发现的，后来在其他生物细胞内也证实了其存在。

二、DNA的复制过程DNA复制按一定的程序进行，双螺旋的DNA是边解开边合成新链的。

复制从特定位点开始双向进行。

DNA双链的合成延伸均为5’→3’的方向，所以复制是半不连续的方式进行，即其中一条链相对地连续合成，称之为前导链。

另一条链的合成则是不连续的，称为滞后链。

整个合成过程如下：1、双链的解开实验证明：DNA的复制都是从某一特定位置开始的，这一位置叫做复制原点。

该区域一般富含A、T两种碱基。

首先由单链结合蛋白与复制原点相结合，然后双链被解开，形成一个“眼”状结构，在眼的两端出现两个叉子状的生长点，叫复制叉。

原核生物基因组一般只有一个复制叉，而真核生物一般有多个，并且复制时可以在多个位点同时进行。

2、RNA引物的合成在每一个复制原点，DNA的合成必须要一段RNA作为引物。

引物是以亲代DNA的单链为模板，在RNA聚合酶的催化下，合成一段含有50－100个核苷酸的RNA短链。

方向为5’→3’，与亲代DNA单链成逆向平行。

3、DNA链的合成和延长亲代DNA双链分子是反向，一条链是沿5’→3’，而互补链则沿3’→5’方向。

当原始的双链DNA在复制叉处打开时，新生DNA逆着模板链产生，即一个子代DNA链的生成方向为5’→3’，而另一个则为3’→5’。

实际上，在以3’→5’链为模板时, 新生的DNA链以5’→3’方向连续合成,这条新生DNA链称为前导链。

在另一条模板链（方向为5’→3’）上, DNA聚合酶以5’→3’方向合成小片段DNA(长度约1000个核苷酸), 然后将这些片段连接起来。

这些片段根据发现者命名为冈崎片段。

不连续合成的DNA链称为滞后链。

3’5’ 前导链5’冈崎片段3’滞后链5’4、切除引物、填补缺口，连接修复当新形成的冈崎片段延长至一定长度，其上的RNA引物在核酸酶的催化下，先后被水解切掉。

引物脱落后所留下的缺口，在DNA聚合酶催化下，用脱氧核苷酸配对填补上，再由DNA连接酶催化，把各短片段连接起来，并修复掺入DNA链的错配碱基。

这样以两条亲代DNA链为模板，各自形成了一条新的DNA互补链，结果是形成了两个DNA双螺旋分子，每个分子中一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，故称为半保留复制。

三、逆转录一般情况下，遗传信息流传递的方向是从DNA到RNA，即通过转录以DNA为模板生成RNA分子。

在一些病毒体内，如鸟类劳氏肉瘤病毒，小鼠白血病病毒等，在这些病毒中都存在有逆转录酶，可以以RNA为模板，按照RNA中的核苷酸顺序合成DNA，这个过程叫逆转录。

逆转录酶除需要以RNA为模板外，另外还需要以4种dNTP为原料，以短链RNA或DNA为引物，此外还需要适当浓度的二价阳离子Mg2+和Mn2+，沿5’→3’方向合成DNA，形成RNA－DNA杂交分子。

以后，再以RNA－DNA杂交分子中的DNA链为模板，在寄生细胞的DNA聚合酶作用下，可合成另一条DNA互补链，这样便形成了新的双链DNA分子。

几乎所有的真核生物的ｍRNA分子的3’末端都有一段多聚腺苷酸。

当加入寡聚ｄT作引物时，ｍRNA就可以成为逆转录酶的模板，在体外合成与其互补的DNA，称为ｃDNA。

这种方法已成为生物技术和分子生物学研究中最常见的方法之一，使逆转录酶得到广泛的应用。

四、基因突变和DNA的损伤修复1、基因突变基因突变是指DNA碱基顺序发生突然而永久性的变化。

其结果使DNA的转录和翻译也跟着转变，因而表现出异常的遗传特征。

DNA的突变可以有以下几种形式：（1）一个或几个碱基对被置换；（2）插入一个或几个碱基对；（3）一个或多个碱基对缺失。

最常见的突变形式是碱基对的置换。

突变有自发突变和诱发突变。

自发突发主要发生在复制过程中，几率很低；诱发突变可以有物理、化学因素引起，如：电离辐射、紫外光、化学试剂脱氨剂和烷化剂等都可诱发突变。

2、DNA的损伤修复由于复制差错或外来理化因素的作用，使DNA分子中的碱基对遭到破坏的现象，称为DNA分子的损伤。

其结果必将阻碍DNA分子的复制和转录，引起错股合成，最终导致细胞死亡。

然而在生物细胞内存在着许多修复机制，对DNA的损伤具有一定修复能力。

目前已知有4种途径：（1）光复活。

这是一种高度专一的修复形式，其机制是利用光能激活光复活酶，切除嘧啶二聚体之间的C－C键，而恢复原来的状态。

它只作用于紫外线照射形成的产物。

（2）切除修复。

如果DNA损伤较严重，则必须进行切除修复，即在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损的部分切除掉，并以另一条完整的链为模板，合成切去的部分，使DNA恢复正常。

（3）重组修复。

在重组修复酶的作用下，含有损伤的DNA仍可进行复制，但在子代DNA链与损伤链相对应部位出现缺口，通过分子间重组，从完整的亲代或子代DNA链将相应的碱基顺序片段移至缺口处，然后用再合成的多核苷酸补上缺口。

（4）诱导修复。

许多能造成DNA损伤或抑制复制的处理，均能引起一系列复杂的诱导效应，称为应急反应（SOS反应）。

它包括DNA 修复和导致变异两个方面。

应急反应能诱导切除修复和重组修复中某些关健酶和蛋白质的产生，加强修复能力。

此外应急还能诱导产物缺乏校对功能的DNA聚合酶，它能在DNA损伤部位进行复制而避免了死亡，但却带来了高的变异率。

以上几种修复系统只有光复活是利用光能，其余均利用ATP水解释放的能量。

第二节　DNA指导下RNA的生物合成1、概述DNA指导的RNA合成，即转录，RNA链的转录起始于模板DNA链的一个特定起点，并在另一终点处终止。

此转录区域称为转录单位，一个转录单位可以是一个基因，也可以是多个基因。

真核细胞是在细胞核中进行转录的，其中ｍRNA和ｔRNA在核质中被转录，ｒRNA在核仁中被转录。

原核细胞中没有细胞核，它是在含有DNA的拟核区进行转录的。

在转录时，DNA双链中仅有一条链可作为转录的模板，其中用作模板的链称为反义链，另一条链则称为有义链，因为有义链的DNA序列正好与转录出的RNA的序列相同（只是T和U的区别），所以也被称为编码链。

但各个基因的有义链不一定在同一条DNA链上。

RNA的合成沿5’→3’方向进行，催化转录的酶主要是RNA聚合酶，它由核心酶与σ因子可逆地结合为全酶。

核心酶＋σ因子─→全酶核心酶主要催化RNA链的合成，而σ因子则起着在DNA上识别起始位点的作用。

转录的反应物是四种三磷酸核苷，它们之间以磷酸二酯键相结合。

2、转录过程（以原核细胞为例）（1）转录的启动。

RNA的转录是从DNA模板上的特定部位开始的。

RNA聚合酶的σ因子识别启动子特殊碱基顺序，导致RNA聚合酶与启动子特殊部位紧密结合，并局部打开DNA双螺旋，第一个核苷三磷酸底物插入转录起点部位，与模板配对结合，转录从此开始。

所谓启动子，是指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列。

（2）RNA链的延伸。

模板上转录起始点第一位碱基一般是嘧啶，RNA新链5’端第一个掺入的核苷酸则多为嘌呤核苷三磷酸，当与模板碱基互补的第二个核苷三磷酸的5’－磷酸基与第一个核苷酸的3’－羟基形成3’，5’磷酸二酯键，并释放出焦磷酸则开始了RNA链的延伸。

随着RNA聚合酶沿模板3’→5’方向移动，DNA双链不断解开，与模板碱基互补的核苷三磷酸不断掺入，新生的RNA链就不断延伸。

当新生的RNA延长到10－20个核苷酸后，σ亚基从全酶上脱落，核心酶继续催化链的延伸。

新生RNA链与模板DNA链形成的RNA－DNA杂交双链不稳定，核心酶移动过后留下的两条单链DNA有更强的复性能力，从而取代了杂交链中的新生RNA链，双链DNA模板恢复原来的双螺旋，RNA新生链便游离出来。

（3）转录终止。

在DNA分子上（基因末端）有终止转录的特殊碱基顺序称为终止子，它具有使RNA聚合酶停止合成RNA和释放RNA链的作用。

所有原核生物的终止子在终止点之前均有一个回文结构，其产物的RNA可形成由茎环构成的发夹结构，该结构可使聚合酶减慢移动或暂停RNA的合成。

大肠杆菌的终止子有两类：一类称依赖于ρ因子的终止子；另一类是不依赖于ρ因子的终止子；ρ因子能与RNA聚合酶结合但不是酶的组分。

它的作用是阻止RNA聚合酶向前移动，于是转录终止，并释放出合成的RNA链。

对于不依赖于ρ因子的终止子，它转录的RNA链的末端为一边串的U。

寡聚U可能提供信号使RNA聚合酶脱离模板，并使RNA链释放。

3、mRNA的转录后加工原核生物中，多基因的mRNA生成后，绝大部分直接作为模板去翻译各个基因所编码的蛋白质，不再需要加工。

真核生物编码蛋白质的基因以单个基因作为转录单位，不像原核生物那样组成操纵子，其转录产物为单顺反子，而不是多顺反子。

真核生物里转录和翻译的时间和空间都不相同，mRNA的合成是在细胞核内，而蛋白质的翻译是在胞质中进行，而且许多真核生物的基因是不连续的。

不边续基因中的不编码蛋白质部分，称为内含子；被内含子隔开的部分称为外显子。

外显子和内含子一起被转录在一条很大的原初转录物RNA分子中，在核内加工过程中形成分子大小不等的中间物，因此它们被称为核内不均一RNA（hnRNA），其中至少有一部分可转变为细胞质的成熟mRNA。

真核细胞mRNA的加工包括：（1）hnRNA被剪接，除去由内含子转录来的序列，将外显子的转录序列连接起来。

（2）在3’末端连接上一段约有20－30个腺苷酸的多聚腺苷酸（polyA）的“尾巴”结构。

（3）在5’末端连接上一个“帽子”结构m7GpppmNp。