页数：79页文件大小：1.20 MB来源： 生物化学ppt课件
本课件讲述核酸的生物合成，先说明中心法则与复制、转录、翻译的概念，展开DNA的半保留复制、半不连续复制、原核与真核复制过程及所需的酶与蛋白因子，介绍逆转录、DNA突变与损伤修复，随后讲解RNA转录的机理、RNA聚合酶与转录后加工，并简介基因工程。
第九章 核酸的生物合成 目录：第九章核酸的生物合成第一节DNA的生物合成第二节RNA的生物合成第三节基因工程简介
遗传信息的贮存与传递：第九章核酸的生物合成生物的遗传信息以密码的形式贮存在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂过程中，通过DNA复制把亲代细胞的遗传信息传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过转录传递给RNA，再由RNA通过翻译转变为相应的蛋白质多肽链上的氨基酸顺序，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代极为相似的遗传特征。
中心法则：1958年，F·Crick提出的“中心法则”（ 复制DNA转录逆转录RNA翻译蛋白质复制
复制的概念：复制（ ：以DNA双链为模板，按照碱基配对原则，合成出与亲代DNA分子相同的两个双链DNA分子的过程。转录（ ：以DNA为模板，按照碱基配对原则，合成出一条与模板DNA链互补的RNA分子的过程。逆转录（ ：以mRNA为模板，在逆转录酶的作用下合成DNA的过程。
转录与翻译的概念：翻译（ ：以mRNA为模板，合成出具有特定AA顺序的Pr肽链的过程。中心法则（ ：说明DNA、RNA和蛋白质之间信息传递关系的法则。即：DNARNAPr遗传信息：决定生物结构、性状和代谢类型的特殊的生物指令。
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半保留复制：（二）DNA复制的基本规律1、半保留复制 半保留复制：DNA复制过程中，新形成的DNA分子的一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的，这种复制方式叫做半保留复制。生物学意义：使生物的遗传特性保持了相对稳定性。1958年，M·Meselson和F·W·Stahl利用同位素N15标记大肠杆菌DNA，证明了半保留复制。
复制的多模式：2、复制的多模式在特定的部位开始，双向或单向进行原核生物（细菌、病毒）：一个起点；双向为主，也有单向（某些质粒、病毒）真核生物：多个起点；双向为主，也有单向（细胞器DNA）
复制起点与复制叉：单起点、单方向多起点、单方向单起点、双方向多起点、双方向复制叉（
复制需RNA引物与延伸方向：3、复制需RNA为引物4、子链DNA延伸方向：5’3’进行核糖的3’-OH能与其它核苷酸的磷酸以3’，5’-磷酸二酯键相连
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半不连续复制与冈崎片段：3’3’5’前导链冈崎片段5’滞后链冈崎片段原核生物：1000-2000核苷酸真核生物：100-200核苷酸5、半不连续复制 ’3’
前导链与滞后链：前导链（ ）：以3’5’的亲代链为模板，子代链能连续合成，称～。滞后链（ ）：以5’3’的亲代链为模板，子代链不能连续合成，称～
冈崎片段的发现：冈崎片段（ ：1968年日本人冈崎发现以5’3’的亲代链为模板合成新链时，先形成一些1000核苷酸左右的DNA短片段，然后由连接E连接成完整的子链。这些在复制过程中形成的DNA片段称为冈崎片段。半不连续复制：新生的DNA双链，一条链按5’则按5’3’的方向连续合成，另一条3’的方向不连续合成。
引物酶：（三）DNA复制中所需的酶和辅因子1、引物酶(Primase）功能：以DNA为模板，以NTP为原料，合成一小段RNA，作为合成DNA的引物（Primer）。所有的DNA聚合酶都只有按模板链的指令，在引物3’－OH端延伸新链的功能，没有从头合成的活性。引物E与有关蛋白质结合成引发体（primosome)
大肠杆菌的DNA聚合酶：2、DNA聚合酶大肠杆菌DNA聚合酶有三种：（1）DNA聚合酶Ⅰ主要功能：是负责DNA的损伤修复及在DNA复制中，切除引物，填补空隙的作用。若用枯草菌蛋白酶处理此酶，可得两个片段：
Klenow片段：A、分子量为76kD，有5’—3’聚合酶和3’—5’外切酶活性，称Klenow片段。5’—3’聚合酶活性催化DNA链沿5’-3’方向延长,单个核苷酸加到3’-未端上形成3’,5’磷酸二酯键。3’—5’外切E活性能及时切除错配核苷酸（发生错配时，此酶活性提高），与5’—3’聚合酶活性共同保证DNA复制过程中的高保真度。
DNA聚合酶Ⅰ的小片段：B、分子量34KD，5’—3’外切酶活性作用于双链DNA的碱基配对部分，从5’端切下单核苷酸或寡聚核苷酸。在DNA损伤修复和切除RNA引物中发挥作用。
DNA聚合酶Ⅱ和Ⅲ：（2）DNA聚合酶Ⅱ和ⅢDNA聚合酶Ⅱ：主要负责DNA的损伤修复具有5’—3’聚合活力3’—5’外切活力DNA聚合酶Ⅲ：是催化大肠杆菌DNA复制的主要酶。具有5’—3’聚合活力3’—5’外切活力5’—3’外切活力
三种DNA聚合酶的比较：下表列出相关内容。
| 比较项目 | DNA聚合酶Ⅰ | DNA聚合酶Ⅱ | DNA聚合酶Ⅲ |
|---|---|---|---|
| 分子结构 | 单链分子 | 单链分子 | 复合物 |
| 相对活性 | 1 | 0.05 | 50 |
| 5′—3′聚合作用 | + | + | + |
| 3′—5′核酸外切酶 | + | + | + |
| 5′—3′核酸外切酶 | + | — | + |
源文件表格中相对活性写作「500·051」，上表按课件顺序读作Ⅲ=50、Ⅱ=0.05、Ⅰ=1；5′—3′核酸外切酶一行源文本写作「+—+」，建议对照原图核对。
真核细胞的DNA聚合酶：真核细胞的DNA聚合E在真核细胞内已发现四种DNA聚合E：αβγδ。聚合酶α和δ：复制染色体DNA。聚合酶α催化滞后链的合成；而聚合酶δ催化领头链的合成，它还具有3’－5’外切酶活性。聚合酶β：主要是修复作用聚合酶γ：从线粒体中分离得到，可能与线粒体DNA的复制有关。
DNA连接酶
单链结合蛋白
拓扑异构酶Ⅰ型：Ⅰ型E：使双链DNA分子中的一条链发生断裂和再连接，减少负超螺旋，反应不需供能，主要集中在活性转录区，同转录有关。Ⅱ型E（也称旋转E，grase）：兼有内切E和连接E的活力，能使DNA双链同时发生断裂和再连接。可连续引入负超螺旋（需ATP供能），同复制有关。
拓扑异构酶Ⅱ型：5’3’5’3’3’3’DNA旋转E（拓扑异构EⅡ）解螺旋E（如rep蛋白）引发体SSBDNA聚合EⅢDNA连接EDNA聚合EⅠ
复制体系中各组分示意：（四）原核生物DNA的复制过程（以大肠杆菌为例）1、DNA复制的起始起始位点的识别RNA引物合成DNA解链
DNA复制的起始：3’5’5’3’单起点，双方向等速进行大肠杆菌染色体的复制从一个特定位点（oriC)开始，在另一特定位点(ter)终止。能独立进行复制的单位称复制子(replicon)。原核生物是一个复制子，真核生物是多个复制子。
复制子与终止位点：dnaB蛋白识别起始位点，ATP供能、组装引发体，与模板起始部位结合。解链酶rep蛋白与旋转酶共同作用，使双链局部解开，暴露出起始位点,单链结合蛋白(SSB)与DNA结合防止H键的形成，此时在电镜下观察犹如”眼睛”称为”复制眼”，继续解链形成复制叉。在引物酶（DnaG)催化下合成一小段RNA，5’-3P，3’-OH。
引发体的组装：2、DNA链的合成与延长①先导链的延伸:DNA聚合酶Ⅲ按照3’-5’模板链上的碱基顺序,在引物3’-OH末端按5’-3’方向催化互补的dNTP发生聚合作用,连续合成。
先导链的延伸：②DNA不连续链的合成冈崎片段的形成切除RNA引物填补缺口连接相邻的DNA片段随后链(滞后链)，以DNA5’→3’链为模板，分段合成冈崎片段，后由DNA聚合酶I从5’→3’切除引物,填补空缺，由连接酶连接相邻的DNA片段，合成随后链。
滞后链与冈崎片段的合成：3、链的终止新链与各自的模板链组成双螺旋。DNA链合成的终止不需要特定的信号（进入ter位点终止复制）。随后链合成以后,新链与各自的DNA模板组成两个双股螺旋分子。综上所述，大肠杆菌的DNA复制是包括DNA聚合酶在内的几十种酶和蛋白质因子的精确配合下完成的，定点起始，两个复制叉双向等速前进，进行半保留、半不连续的复制。
DNA复制的终止与真核原核比较：下表列出相关内容。
| 比较项目 | 真核细胞 | 原核细胞 |
|---|---|---|
| 复制子数 | 大于1000个 | 1个 |
| 复制模式 | 多起点、双方向 | 单起点、双方向 |
| DNA聚合酶 | α、β、γ、δ | Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ |
| 冈崎片段长度 | 100～200核苷酸 | 1000～2000核苷酸 |
真核生物的DNA复制：二、逆转录（ 以RNA为模板合成DNA的过程称逆转录，由RNA指导的DNA聚合酶（逆转录E）催化。逆转录E广泛存在于致癌RNA病毒中，也存在于正常动物的胚胎细胞中。
逆转录：1、机理tRNA为引物病毒RNA为模板逆转录EdNTP（4种）cDNAcDNA：在逆转录过程中由逆转录E合成的一条与mRNA模板互补的单链DNA。
逆转录的机理：2、逆转录E（多功能E）1依赖RNA的DNA聚合E活性（E1）以RNA为模板，合成DNA，形成RNA-DNA杂交分子。2具有核糖核酸EH活性（E2）专门水解RNA-DNA杂交分子中RNA3依赖DNA的DNA聚合E活性（E3）以新合成的DNA链为模板，合成互补的DNA链，形成DNA双螺旋。
逆转录酶的多功能活性：3、逆转录过程双链DNA（前病毒）病毒mRNAE1RNA－ 连接E整合到宿主染色体
逆转录的过程：三、DNA突变DNA突变（基因突变）：指DNA的碱基顺序发生稳定而突然的变化，导致DNA的复制及以后的转录和翻译随之发生变化，表现出异常的遗传特性。DNA突变分自发突变和诱发突变。DNA复制的保真度很高，但仍有10-9-10-10的误差率。电离辐射、紫外线照射、烷化剂、脱氨剂等诱发DNA的突变。
DNA突变：突变的形式：(1)置换：一个or几个碱基的置换（可逆）a、转换：G与A，C与T互变；b、颠换：嘌呤与嘧啶互变。(2)插入：插入一个or几个碱基（可逆）导致遗传密码解读框架的改变，从突变点以后的密码都可能发生错误，称移码突变 。如：溴化乙锭(3)缺失：缺失一个or几个碱基对(不可逆)
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缺失与插入：四、DNA的损伤修复DNA的损伤往往造成死亡。生物体有一套修复机制，能够修复一定程度的DNA损伤，但仍有可能发生突变。紫外线照射，常常引起相邻的两个碱基之间形成共价键生成二聚体，如：T·T、T·C等。二聚体的形成阻碍了DNA聚合酶的作用，因而复制不能继续进行。
DNA的损伤修复：（一）光复活（ 细菌在受紫外照射损伤后，如果用强的可见光(最有效是400nm)照射，则大部分损伤的细胞可以修复，这个过程称为光复活作用。机制：光激活了光裂合酶，切除二聚体之间的C-C键而恢复原来状态。这是一种高度专一的修复形式，对单细胞生物较重要。
光复活：（二）切除修复（暗修复， 涉及各类生物5’3’3’5’切开核酸内切E切除核酸外切E修复DNA聚合EⅠ连接DNA连接E复制前修复
切除修复：（三）重组修复（ 复制修复合成DNA聚合EDNA连接E重组交换核酸E重组蛋白复制后修复
重组修复：（四）SOS修复（又称紧急修复）（ 当细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，诱导产生和增加切除修复和重组修复的某些关键E和蛋白质，从而加强其修复能力；同时还诱导产生缺乏校对功能的DNA聚合E，随机聚合核苷酸，从而避免死亡，但却带来高突变率的修复过程。
SOS修复：第二节RNA的生物合成一、转录（一）合成机理在DNA指导下的RNA合成称为转录。转录从DNA模板的一个特定位点开始，到另一位点终止。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。DNA的启动子控制转录的起始，而终止子控制转录的终止。
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转录的反应式：不对称转录：在转录过程中，DNA双链中只有一条链作为模板指导RNA的合成，这种转录方式称～在转录过程中指导RNA合成的DNA链，称模板链，又称无意义链、负链。在转录过程中与模板链对应的DNA链，称编码链，又称有意义链、正链。
不对称转录：正链的核苷酸序列与转录出的RNA序列一致，通常用正链DNA的碱基顺序表示基因的一级结构，转录起点（与RNA产物的第一个残基相对应）标为+1，其上游（5’）残基标为-1。
转录起点与正链序列：（二）RNA聚合E1、原核生物RNA聚合E(α2ββ’σ）α2ββ’б=α2ββ’+σ+2Zn全酶核心酶起始因子α：参与全酶滑动，决定哪些基因转录β：参与转录全过程，催化核苷酸形成3’，5’-磷酸二酯键，使RNA延长β’：与模板DNA结合б：识别转录起始位点
原核生物的RNA聚合酶：原核生物只有一种RNA聚合E，其转录产物包括mRNA、rRNA前体和tRNA前体。2、真核生物RNA聚合E由多个亚基（8-14）组成的含Zn2+寡聚E，分别转录不同RNA。
真核生物的RNA聚合酶：对α-鹅膏蕈碱的敏感性合成的RNA分布酶不敏感rRNA前体核仁RNApolⅠ低浓度敏感mRNA前体核质RNApolⅡ高浓度敏感tRNA和5SrRNA前体核质RNApolⅢ
真核RNA聚合酶的种类：下表列出相关内容。
| 酶 | 合成的RNA | 分布 | 对α-鹅膏蕈碱的敏感性 |
|---|---|---|---|
| RNA聚合酶Ⅰ | rRNA前体 | 核仁 | 不敏感 |
| RNA聚合酶Ⅱ | mRNA前体 | 核质 | 低浓度敏感 |
| RNA聚合酶Ⅲ | tRNA和5S rRNA前体 | 核质 | 高浓度敏感 |
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原核生物的启动子：2、原核生物转录终止有两种类型：1不依赖ρ因子的终止：终止子中有一段富含GC的反向重复，以及紧密相连的ATbp，导致转录生成的RNA形成发夹样结构，使转录终止。2依赖ρ因子的终止：模板终止信号区域中GC及随后的AT碱基较少，当RNApol滑行至此处时，ρ因子进入终止区域，使RNA链延伸终止。
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ρ因子：（四）RNA的转录过程（以大肠杆菌为例）1、转录的起始：RNA聚合E的б因子识别启动子全酶与模板结合，使DNA局部解链引入第一个NTP（ATP或GTP），启动RNA的合成。б因子脱落，核心酶滑动。2、转录的延伸：核心酶沿模板3’–5’滑动，根据模板指令选择相应的NTP加入，使RNA链沿5’–3’方向延伸。
转录的起始：3、转录的终止：核心酶沿模板3’–5’滑行至终止信号区域，转录便终止。
转录的终止：一个基因3’5’5’3’启动子终止子б因子识别启动子E、DNA、RNA复合物释放ρ因子、E、DNA、RNAб因子与核心E结合开始转录ATP或GTP释放出б因子ρ因子与DNA或E结合5’pppmRNA3’RNA链延长NTP
转录过程示意：（五）DNA复制与RNA转录的异同点RNA转录DNA复制NTPdNTP底物DNA的模板链DNA的两条链模板RNA聚合E包括DNA聚合E的十几种E酶5’-3’5’-3’延伸方向不对称转录半保留半不连续复制合成方式单链RNA双链DNA产物不需引物需RNA为引物引物
DNA复制与RNA转录的异同：下表列出相关内容。
| 比较项目 | RNA转录 | DNA复制 |
|---|---|---|
| 底物 | NTP | dNTP |
| 模板 | DNA的模板链 | DNA的两条链 |
| 酶 | RNA聚合酶 | DNA聚合酶等十几种酶 |
| 延伸方向 | 5′—3′ | 5′—3′ |
| 转录方式 | 不对称转录 | 半保留、半不连续复制 |
真核生物mRNA的转录后加工：成熟mRNAhnRNA（核不均一RNA）1）5’端接帽子m7G5’ppp5’Nmp2）3’端接polyA约200Nt3剪去内含子，拼接外显子4对链内特定核苷酸进行甲基化
mRNA前体的加工：hnRNA：真核生物转录的mRNA前体既有外显子也有内含子，其分子量大而不均一，称核不均一RNA。内含子：真核基因内部间隔外显子，并从mRNA上消失的DNA序列。外显子：真核基因中那些在mRNA上出现，能编码蛋白质的DNA序列。
hnRNA与内含子、外显子：数十种tRNA加工不同，大致如下：1）切除5’末端和3’末端部分核苷酸2在3’末端加上CCA-OH序列3核苷的修饰：甲基化2、tRNA前体的加工还原碱基转位DHUΨUUA脱氨次黄核苷酸
本页为tRNA与rRNA前体的加工的化学反应式或分子结构式图示，源文件仅提取到结构符号与少量文字，建议对照原课件图片查看本页的反应过程与结构变化。
基因工程简介：第三节基因工程简介
基因工程的思考题：1、名词解释基因工程PCR基因文库2、基因工程的基本步骤、理论意义及应用价值？
基因工程的概念：第三节基因工程简介一、基因工程的概念基因工程：即DNA重组技术，是指将不同的DNA片段按人们的设计方案定向地连接起来，并在特定的受体细胞中，与载体一起得到复制与表达，使受体细胞获得新的遗传特性。
基因工程的操作技术：二、基因工程的操作技术基因工程是分子水平上的操作，细胞水平上的表达,它的基本过程包括：（一）体外基因重组1、目的基因的制备插入到载体内的基因称为外源基因。用来改造，扩增或表达的基因称为目的基因。
目的基因的制备：分离我们所需要的基因常用的方法：1直接从细胞中分离出染色体，再用工具E切下所需的DNA片段。2mRNA逆转录法：利用逆转录E从所需蛋白质的mRNA合成互补DNA（cDNA）3化学合成法：按照设定的碱基序列用化学方法人工合成所需的基因。
聚合酶链式反应：聚合E链式反应（PCR， ）:在适当寡核苷酸引物存在下，利用耐热DNA聚合E对目的DNA进行扩增的方法。
基因载体的性质：2、基因载体作为载体都必须具有下列性质:(1)自我复制;(2)分子量要小易于引入易于从宿主细胞中分离和纯化;(3)具有适当的限制性内切酶位点;(4)具有可供选择的遗传标志
目的基因与载体重组：3、目的基因与载体重组目的基因和载体DNA的重组是经限制性内切酶和DNA连接酶作用下，于体外连接成一个重组的DNA环状分子，然后再转入宿主细胞，提高了转化的效率。用限制性内切酶对载体和目的基因对两者进行切割，产生相同的粘性末端；在连接E的作用下连接成一个重组的DNA环状分子。
重组体的转化：（二）重组体DNA的转化、增殖和表达1、重组体的转化:重组体必须转入活细胞才能进行复制、转录和翻译。活细胞称受体细胞。一般CaCl2处理大肠肝菌，增大它的细胞膜透性，使重组体透入宿主细胞，随着宿主细胞的繁殖而复制，因而导致宿主细胞某些特性的改变。外源DNA进入受体细胞并使它获得新遗传特性的过程称转化；重组体如果是噬菌体DNA，它导入受体细胞引起的转化称转染。
重组体的筛选和鉴定：2、重组体的筛选和鉴定由于细胞转化频率很低，必须从大量的缩主细胞中筛选出带有目的基因的细胞，常用重组载体对抗生素的抗药性进行筛选。
基因工程的理论意义
基因工程的应用价值：2、应用价值农业上.A.抗虫; B.抗除草剂；C.棉医药上.A.治疗侏儒症(50具尸体脑下垂体提取生长激素)1-2ml培养液;B.不能制造血红蛋白,把基因”注入”骨髓细胞工业上。
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