DNA、RNA和蛋白质的生物合成
核酸和蛋白质的生物合成
（一）DNA聚合酶(DNA polymerases) 作用：以单链DNA为模板，以dNTP为原料， 合成完整DNA分子 催化合成DNA的四个条件 模板(template)：解开的DNA单链 引物(primer)：RNA片段 合成方向：新链5’ →3’方向 底物：dNTP（Mg2+为辅助因子）
细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技
术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。
• DNA是自身复制的模
板
• DNA通过转录作用将
遗传信息传递给中间 物质RNA • RNA通过翻译作用将 遗传信息表达成蛋白 质
第二节 DNA的生物合成
以DNA聚合酶I为代表说明三个酶的特性
• DNA聚合酶I是一个模板指导酶
– 需要打开的DNA单链作为模板才能合成子链 – 底物必须是dNTP，并且只有当所有4种脱氧 核苷三磷酸以及DNA模板存在时，才能实现 DNA的合成
• DNA聚合酶Ⅰ 需要引物
– DNA聚合酶Ⅰ只能将脱氧核苷酸加于已存在的 DNA或RNA链的3’-羟基上，缺少则不能合成。即 需要一个有游离的3’-羟基作为“引物”才能合成 DNA子链 – 在有3‘-羟基引物存在时，脱氧核苷5’-三磷酸中α 磷原子与3’-羟基结合，形成磷酸二酯键，放出一 个焦磷酸（PPi）。焦磷酸水解驱动了聚合反应。 可见这是一个耗能反应，每合成一个核苷酸消耗2 分子ATP – 聚合反应是延着5’→3’方向进行
第十章 核酸和蛋白质的生物合成
第一节 中心法则 第二节 DNA的生物合成 第三节 RNA的生物合成 第四节 蛋白质的生物合成
第一节 中心法则
中心法则（central dogma）概念
RNA的生物合成和功能在蛋白质合成中的作用
RNA的生物合成和功能在蛋白质合成中的作用RNA（核糖核酸）是生物体内一类重要的核酸分子，它在细胞中起着多种功能。
其中，RNA的生物合成和功能在蛋白质合成中起到至关重要的作用。
本文将深入探讨RNA的生物合成和功能以及它们在蛋白质合成中的具体作用。
一、RNA的生物合成RNA的生物合成是指RNA的合成过程，也称为转录过程。
在细胞质内，RNA通过与DNA模板链发生碱基互补配对形成的碱基序列，由酶类通过一系列步骤逆转录合成。
RNA的合成过程主要包括三步：启动、延伸和终止。
首先是启动阶段，即RNA的合成初始阶段。
在这个阶段，RNA聚合酶从基因启动子处结合到DNA的双链上，形成一个闭合的结构。
这个过程需要多种转录因子的参与，转录因子能够识别和结合到基因启动子上。
接下来是延伸阶段，即RNA链的延伸过程。
在这个阶段，RNA聚合酶通过对DNA模板链的读取，沿着模板链逆向合成RNA链。
这个过程中，RNA聚合酶读取DNA模板上的碱基序列，并根据碱基互补规则选择正确的核苷酸，将其加入到RNA链中。
这样，RNA链会与DNA模板链互补，并最终形成完整的RNA分子。
最后是终止阶段，即RNA合成的结束阶段。
在这个阶段，RNA聚合酶读取到终止信号，停止合成RNA链，并与DNA分离。
随后，RNA链会经过一系列的后修饰过程，包括剪切、加帽和加尾，最终形成成熟的RNA分子。
二、RNA的功能RNA的功能主要包括信息传递、催化反应和调控基因表达等多个方面。
在这些功能中，RNA在蛋白质合成中起到了关键的作用。
1. 信息传递RNA在生物体内起着重要的信息传递功能。
在蛋白质合成中，RNA通过将DNA上的基因信息转录成RNA，然后再将RNA信息翻译成蛋白质。
这个过程中，RNA作为DNA和蛋白质之间的桥梁，发挥着信息传递的重要作用。
2. 催化反应某些RNA分子具有催化反应的能力，这类RNA被称为催化RNA或酶RNA（ribozyme）。
催化RNA可以在特定的条件下催化某些生物体内化学反应的进行。
DNARNA和蛋白质解释这些分子之间的关系
DNARNA和蛋白质解释这些分子之间的关系DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）以及蛋白质是生命活动中非常重要的分子。
它们在遗传信息的传递、蛋白质合成以及基因调控等方面扮演着不可或缺的角色。
在本文中，我们将探讨DNARNA 和蛋白质之间的关系。
一、DNA的作用DNA是一种巨大的分子，由四种碱基（腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶）的排列组合而成。
DNA主要存在于细胞核中，它承载着遗传信息，决定了细胞的特征和功能。
DNA具有双螺旋结构，其中两条单链通过碱基间的氢键连接在一起。
DNA的重要作用之一是作为模板参与蛋白质的合成。
二、RNA的作用RNA和DNA在结构上有一些相似之处，都由核苷酸组成。
然而，RNA具有单链结构，而不像DNA那样具有双链结构。
RNA有多种类型，包括信使RNA（mRNA）、转运RNA（tRNA）和核糖体RNA （rRNA）等。
RNA在细胞中具有多种功能，其中最重要的是参与蛋白质的合成过程。
三、蛋白质的合成蛋白质是由氨基酸组成的。
氨基酸通过形成肽键而连接在一起，形成多肽链，最终折叠成特定的三维结构。
蛋白质合成是一个复杂的过程，涉及到DNA、RNA和各种酶的参与。
具体而言，DNA中的基因在转录过程中生成mRNA，mRNA携带着从DNA中复制的遗传信息，通过核糖体上的rRNA指导tRNA将特定的氨基酸带入多肽链的生长中。
四、DNARNA与蛋白质的关系DNARNA和蛋白质之间存在着密切的联系。
DNA是生物体内最重要的遗传物质，它保存着生物体的全部遗传信息。
而RNA作为DNA的复制品，在蛋白质合成过程中发挥着关键的作用。
DNA通过转录过程生成的mRNA携带着从DNA中获得的信息，它通过核糖体上的rRNA与tRNA相互配对，控制了氨基酸的选择和氨基酸的带入，进而实现蛋白质的合成。
此外，DNARNA还参与到基因调控的过程中。
一些特定的RNA分子，如微小RNA（miRNA）和小干扰RNA（siRNA），可以与mRNA 配对，从而影响mRNA的稳定性和翻译过程，进而影响蛋白质的表达水平。
简述蛋白质在核酸生物合成中的作用。
简述蛋白质在核酸生物合成中的作用。
蛋白质在核酸生物合成中发挥着至关重要的作用。
首先，许多蛋白质是核酸合成的直接参与者。
例如，DNA聚合酶是DNA复制过程中的关键酶，它负责将单个脱氧核苷酸添加到正在生长的DNA链上。
此外，RNA聚合酶是RNA转录过程中的关键酶，它负责催化RNA链的合成。
这些酶不仅加速了反应速度，还确保了核酸合成的准确性和保真度。
其次，蛋白质还参与核酸结构的形成和稳定性。
例如，组蛋白是染色质的重要组成部分，它与DNA紧密结合，维持其结构并影响基因的表达。
此外，蛋白质可以与核酸结合形成复合物，如核糖体和剪接体，这些复合物对于RNA的合成和加工是必不可少的。
此外，一些蛋白质可以调节核酸的合成。
它们作为转录因子或翻译因子，可以与核酸结合并改变其结构或功能。
例如，一些转录因子可以与特定的DNA序列结合，调控特定基因的表达。
最后，蛋白质还参与核酸的降解和修复。
例如，核酸外切酶可以识别并切除错误的核酸碱基，而DNA修复酶则可以修复DNA损伤。
综上所述，蛋白质在核酸生物合成中发挥着至关重要的作用，从合成、结构、调节到降解和修复，蛋白质都扮演着不可或缺的角色。
蛋白质合成过程四个步骤
蛋白质合成是生物体内一项非常重要的生物化学过程，也被称为蛋白质生物合成。
该过程包括转录和翻译两个主要阶段，涉及到DNA、RNA和蛋白质等多种生物分子的参与。
下面我将详细介绍蛋白质合成的四个步骤，以便更好地理解这一复杂而精密的生物学过程。
步骤一：转录（Transcription）转录是蛋白质合成的第一步，它发生在细胞核内。
在这一过程中，DNA的信息将被复制到一种名为mRNA（信使RNA）的分子上。
具体来说，转录的步骤包括：1. 启动子结合：转录过程开始于启动子，启动子是DNA上的一个特定区域，其特殊序列能够与RNA聚合酶结合，从而启动转录。
2. RNA聚合酶合成mRNA：一旦启动子与RNA聚合酶结合，RNA 聚合酶将会沿着DNA模板链合成mRNA，这一过程包括RNA的合成和剪切修饰等步骤。
3. 终止：当RNA聚合酶到达终止子时，转录过程将结束，mRNA 分子从DNA模板上分离出来。
步骤二：前期mRNA处理（Pre-mRNA Processing）在转录完成后，产生的mRNA并不是立即可以被翻译成蛋白质的成熟mRNA，还需要经过一系列的前期处理。
这些处理包括：1. 剪接（Splicing）：mRNA中会存在一些被称为内含子的非编码序列，而真正编码蛋白质的序列被称为外显子。
剪接过程将内含子从mRNA中切除，将外显子连接起来，形成成熟的mRNA。
2. 5'端盖（5' Cap）的添加：在mRNA的5'端，会添加一种名为7-甲基鸟苷酸（m7G）的化合物，用于保护mRNA不受降解，同时有助于mRNA与核糖体的结合。
3. 3'端聚腺苷酸（Polyadenylation）的添加：在mRNA的3'端，会添加一系列腺苷酸，形成所谓的聚腺苷酸尾巴，同样用于保护mRNA不受降解。
步骤三：翻译（Translation）翻译是蛋白质合成的第二个主要步骤，它发生在细胞质中的核糖体内。
在翻译过程中，mRNA上携带的遗传密码将被翻译成氨基酸序列，从而合成特定的蛋白质。
蛋白生物合成途径
蛋白生物合成途径蛋白质是生命体内最重要的大分子，它们在细胞的结构和功能中起着关键作用。
蛋白质的合成是一个复杂的过程，涉及到多个生物化学途径和分子机制。
本文将介绍蛋白质生物合成的主要途径。
蛋白质生物合成的过程可以分为三个主要步骤：转录、转译和后转录修饰。
转录是指在细胞核中将DNA转录成RNA的过程。
在这个过程中，DNA的双链解开，其中的一个链作为模板合成mRNA，mRNA是一种将基因信息转移到细胞质中的分子。
转录的过程是由RNA聚合酶酶催化的，它能够将RNA的核苷酸单元与DNA的模板链上的互补碱基配对。
转录过程完成后，mRNA进入细胞质中的核糖体，开始转译过程。
转译是指将mRNA上的遗传信息转化为氨基酸序列的过程，从而合成蛋白质。
转译是由tRNA和核糖体共同参与的。
tRNA是一种能够与mRNA上的三个碱基序列互补配对的RNA分子，它携带着特定的氨基酸，通过与mRNA上的密码子配对，将氨基酸顺序添加到正在合成的蛋白质链上。
转译过程中，核糖体会识别mRNA上的起始密码子，并将第一个氨基酸添加到蛋白质链上。
然后，核糖体会依次识别mRNA上的密码子，通过与tRNA配对，将相应的氨基酸添加到蛋白质链上。
这个过程持续进行，直到遇到终止密码子，核糖体停止合成蛋白质，新合成的蛋白质被释放出来。
转译过程完成后，新合成的蛋白质还需要经过后转录修饰。
后转录修饰是指对蛋白质进行化学修饰或结构调整的过程，以使其获得特定的功能。
后转录修饰的方式多种多样，包括磷酸化、甲基化、酰化等。
这些修饰可以改变蛋白质的电荷性质，或者与其他分子相互作用，从而调节蛋白质的活性、稳定性或定位。
总结起来，蛋白质生物合成的途径包括转录、转译和后转录修饰。
转录是将DNA转录成mRNA的过程，转译是将mRNA上的遗传信息转化为氨基酸序列的过程，后转录修饰是对新合成的蛋白质进行化学修饰或结构调整的过程。
这些步骤在细胞中密切协调，共同完成蛋白质的合成。
蛋白质的合成过程是生命体的基础，对于理解细胞的结构和功能，以及研究疾病的发生机制具有重要的意义。
DNA、RNA和蛋白质合成
DNA复制（DNA生物合成）√2．什么叫DNA的半保留复制？有何证据？答：在复制过程中首先碱基间氢键需破裂并使双链解旋和愤慨，然后每条链可作为模板在其上合成新的互补链，结果由一条链可以形成互补的两条链。
这样新形成的两个DNA分子与原来的DNA分子的碱基顺序完全一样。
在此过程中，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，这种方式称为半保留复制。
证据：氮的同位素15N标记大肠杆菌DNA的实验以及Cairns用反射自显影的方法第一次观察到正在复制的大肠杆菌染色体DNA都证明DNA的半保留复制。
√9．原核生物DNA复制如何进行的，请阐述复制过程答：原核生物DNA复制可分为三个阶段：起始、延伸和终止。
复制的起始：复制的起点上四个9bp重复序列为DnaA蛋白的结合位点，大约20~40个DnaA蛋白各带一个ATP结合在此位点上，并聚集在一起，DNA缠绕其上，形成起始复合物。
HU蛋白可与DNA结合，促使双链DNA弯曲。
受其影响，邻近三个成串富含AT的13bp序列被变性，称为开链复合物，所需能量由ATP 供给。
Dna B六聚体随即在Dna C的帮助下结合于解链区。
Dna B借助水解ATP产生的能量，眼DNA链5’3’方向移动，解开DNA的双链，此时称为前引发复合物。
DNA双链的解开还需要DNA旋转酶和单链结合蛋白，前者可消除解旋酶产生的拓扑张力，后者保护单链并防止恢复双链。
至此即可由引物合成酶合成RNA 引物，并开始DNA复制。
复制的延伸：复制的延伸阶段同时进行前导链和滞后链的合成。
这两条链合成的基本反应相同，并且都由DNA聚合酶III所催化；但两条链的合成已有显著差别，前者持续合成，后者分段合成，因此参与的蛋白质因子也有不同。
亲代DNA首先必须由DNA解螺旋酶将双链解开，其产生的拓扑张力由拓扑异构酶释放。
分开的链被单链结合蛋白所稳定。
自此之后前导链与滞后链的合成便有所不同。
复制起点解开后形成两个复制叉，即可进行双向复制。
DNA复制及蛋白质合成过程
DNA复制及蛋白质合成过程DNA复制和蛋白质合成是生物体内两个重要的生物化学过程。
DNA复制是指DNA分子通过复制过程产生两个完全相同的复制体，而蛋白质合成则是指RNA分子通过翻译过程合成蛋白质。
这两个过程对于生物体维持遗传信息的稳定性和正常的生命活动都至关重要。
首先，我们来探讨DNA复制的过程。
DNA复制发生在细胞分裂的前期，确保每个新生细胞都具有与母细胞完全相同的遗传信息。
DNA复制是一个精确且有序的过程，它发生在细胞核内。
DNA复制的过程通常分为三个主要步骤：解旋、复制和连接。
首先，双链DNA中的两条链被酶分子解旋，并暴露出复制起点。
然后，在DNA链的起始位点上，RNA引物被合成并与DNA模板配对形成初级转录复合物。
然后，DNA聚合酶继续从RNA引物开始合成新的DNA链，这称为连续复制。
在另一条DNA链上，DNA聚合酶需要合成片段，然后由DNA 连接酶将片段连接在一起，这称为间断复制。
DNA复制的精确性得益于许多酶和蛋白质的协同作用。
DNA聚合酶是最重要的酶之一，它能将碱基按照互补配对的规则添加到新的DNA链上。
此外，蛋白质复制因子还起到辅助DNA聚合酶的作用，确保DNA复制的顺畅进行。
细胞还借助一种称为DNA修复酶的机制来修复复制过程中可能出现的错误。
接下来，让我们了解蛋白质合成的过程。
蛋白质合成发生在细胞质的核糖体内，是一种将RNA信息转化为蛋白质的过程，这个过程称为翻译。
翻译的过程可以分为三个主要步骤：起始、延伸和终止。
首先，RNA聚合酶将DNA信息转录为RNA分子，其中的信号序列指导RNA分子到达核糖体。
在核糖体上，起始复合物会将RNA分子与特定的起始tRNA结合起来。
然后，核糖体会将氨基酸根据RNA上的密码子进行配对，合成蛋白质的氨基酸序列，这称为延伸阶段。
最后，当核糖体达到RNA的终止密码子时，蛋白质合成停止。
蛋白质合成的过程中，多个辅助蛋白质和酶也参与其中。
例如，氨基酸连接酶将tRNA上的氨基酸与mRNA上的密码子配对，将氨基酸逐渐加到蛋白质链上。
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13. 连接酶
14. 单链结合蛋白
15. 松弛酶
16. DNA的复制
14.5.1 原核生物与真核生物 DNA复制的特点比较
1. 复制的起点和单位
复制单位：复制子，生物体内能独立行使复制 功能，进行独立复制的DNA单位。
ori
① 原核生物
由一个复制子组成 双向复制
大肠杆菌，θ结构
大肠杆菌：θ结构
1. DNA聚合酶（DNA-polymerase）
DNA聚合酶能催化四种脱氧核糖核苷三 磷酸合成DNA
四种脱氧核苷 三磷酸为底物
具有3`-OH末端的低聚 多核苷酸为引物
Arthur Kornberg 阿瑟·科恩伯格
单链DNA为模板
Mg 2+或Mn 2+
① 原核细胞的DNA聚合酶
DNA聚合酶I（pol I）—Kornberg酶
Radioisotope labelin（放 射性同位素标记）and density gradient（密度梯度 离心）centrifugation clearlydistinguishes replications of semiconservative from conservative.
14.1.2 参与DNA复制的酶类和蛋白质因子
第十四章 DNA、RNA和 蛋白质的生物合成
复制
DNA 转录 RNA 翻译 蛋白质
复制—以原来的DNA分子为模板，合成出相同分子的过 程。
转录—在DNA分子上合成出与其核苷酸顺序相对应的 RNA的过程。
翻译—在RNA的控制下，根据核酸链上每三个核苷酸决 定一个氨基酸的三联体密码规则，合成出具有特定氨基 酸顺序的蛋白质肽链的过程。
功 DNA聚合酶 能 5`-3`外切酶
3`-5`外切酶
分子量
酶分子数/细胞
转化率 主要功能
pol I
+ + + 109000
400
1 复制、修复
pol Ⅱ
+ + 120000
100
0.05 修复
pol III
+ （+）
+ 140000
10-20
50 复制
② 真核细胞的DNA聚合酶
α
β
γ
δ
分子量 120000-220000 45000
单相复制
噬菌体Φ×174—滚环复制
3'
33''
5'
5' 5'
② 真核生物
线形双链DNA，含有多个复制子；双向复制。
2. 复制速度 3. 真核生物的DNA在全部复制完成之前，起点不再 重新开始复制；原核生物中，起点可连续发动复制
14.1.6 在RNA指导下的DNA的合成
1970年Temin等在致癌RNA病毒中发现了一种特殊的DNA聚合 酶，该酶以RNA为模板，根据碱基配对原则，按照RNA的核 苷酸顺序(其中U与A配对)合成DNA。这一过程与一般遗传信 息流转录的方向相反，故称为反转录。
2. DNA片段的合成和链的延伸
Only one RNA primer is needed for synthesizing the leading strand.
RNA primers are repeatedly formed by the primase on the lagging strand.
160000
122000
分布 酶活力
细胞核 80%
细胞核 10-15%
线粒体 2-15%
细胞核 10-25%
核酸外切
无
酶活力
无
无
3`-5`
主要功能
复制
修复 复制（线粒体） ？
6. 连接酶（ligase）
催化双链DNA中单链 缺口部分的3`-OH和 它临近的DNA片段的 5`-磷酸基形成3`，5`磷酸二酯键，将两个 DNA片段连接起来。
pol I是一个多功能酶
DNA聚合酶活力：使DNA链 沿5`-3`方向延伸；
DNA聚合酶Ⅱ（pol Ⅱ）
DNA聚合酶活力； 3`-5`核酸外切酶活力
DNA聚合酶Ⅲ（pol Ⅲ ）
DNA聚合酶活力； 3`-5`核酸外切酶活力； 5`-3`核酸外切酶活力
pol Ⅲ
ε
φ
ε
大肠杆菌中DNA聚合酶的性质比较
连接反应需要能量 （NAD+ or ATP ）。
DNA复制体
14.1.3 DNA的半不连续复制
冈崎提出DNA的不连续复制 模型：3`-5`走向的DNA实际 上是由许多5`-3`方向合成的 DNA片段连接起来的。
Overall direction of progeny chain growth at a replicating fork: one in 5’ 3’ and the other in 3’ 5’ direction.
前导链
冈崎片段
后随链
Both daughter strands at the replication fork are synthesized in 5’- 3’ direction, but one (the leading strand) is synthesized continuously and the other (the lagging strand) discontinuously (synthesized initially as Okazaki fragments).
DNA 的 复 制 过 程
引
解
发
螺
酶
旋
酶
聚
修
松
单
连
合
复
弛
链
接
酶
酶
酶
结
酶
合
蛋
白
1. 引物酶识别复制起点， 引导解螺旋酶到正确位点
2. 解螺旋酶解开双螺旋
3. DNA聚合酶合成新的DNA链
5. 四种脱氧核苷三磷酸为底物
4. 按碱基互补原理合成DNA链
6. 释放焦磷酸
7-12. DNA片段的合成和链的延伸
14.1 DNA的复制
14.1.1 DNA的复制方式—半保留复制
1953年，Watson和Crick在DNA双螺旋 结构的基础上提出了半保留复制假说：
DNA在复制过程中，首先碱基之间的氢 键破裂，使两条链解旋并分开，然后以 碱基互补的方式，以每条单链为 模板， 按单链DNA的核苷酸顺序合成子链。在 此过程中，每个子代分子的一条链来自 亲代DNA，另一条链是新合成的，这种 复制方式称为半保留复制。
反转录酶是一种多功 能酶： RNA指导的DNA聚 合酶活力；
核糖核酸酶H的 活力：
DNA指导的DNA聚 合酶活力
RNA 模板 DNA-RNA 杂化双链 单链 DNA 双链 DNA
反转录病毒的生活周期
14.2 RNA的生物合成