11核酸代谢.ppt

《11核酸代谢.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《11核酸代谢.ppt（158页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第11章 核酸代谢,磷酸二酯酶,核酸代谢,核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。,分类,DNA和RNA,脱氧核糖核酸,核糖核酸,(deoxyribonucleic acid, DNA),(ribonucleic acid, RNA),组成,磷酸(phosphate),核苷酸,核苷,戊糖(ribose),碱基(base),嘌呤 (purine),嘧啶 (pyrimidine),定义,主要内容,一 核酸降解及核苷酸分解和合成代谢 二 DNA的复制 三 RNA的生物合成,简要了解,1 核酸的酶促降解 2 核苷酸的分解代谢 3 核糖核苷酸的合成代谢,核苷酸的生物学功能,作为核酸

2、合成的原料，最主要功能（NTP/dNTP） 体内能量的利用形式（ATP） 构成某些酶的辅酶（NAD、FAD、CoA） 形成多种调节分子参与代谢调节（cAMP/cGMP） 作为活化中间代谢物的载体（UDPG）,核酸的消化与吸收,嘌呤的分解代谢,AMP,GMP,G,X（Xanthine，黄嘌呤）,黄嘌呤氧化酶,鸟嘌呤脱氨酶,IMP,H（Hypoxanthine，次黄嘌呤）,次黄嘌呤氧化酶,腺嘌呤脱氨酶,尿囊素 . . 尿囊酸 . . NH3 + CO2,尿酸,人和灵长类嘌呤碱最终代谢产物,痛风症的治疗机制,鸟嘌呤,次黄嘌呤,黄嘌呤,尿酸,黄嘌呤氧化酶,黄嘌呤氧化酶,别嘌呤醇,嘧啶分解代谢,胞嘧啶,

3、NH3,尿嘧啶,二氢尿嘧啶,H2O,CO2 + NH3,-丙氨酸,胸腺嘧啶,-脲基异丁酸,-氨基异丁酸,H2O,丙二酸单酰CoA,乙酰CoA,TAC,肝,尿素,甲基丙二酸单酰CoA,琥珀酰CoA,TAC,糖异生,核糖核苷酸合成代谢,嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸都有两条合成途径： 从头合成途径 (de novo synthesis pathway) 主要途径，以氨基酸为原料合成碱基。 补救途径(salvage synthesis pathway) 次要途径，以碱基为原料合成核苷酸。 二者在不同组织的重要性不同： 肝等多种组织多为从头合成途径； 脑、骨髓只能进行补救途径。,嘌呤核苷酸的代谢,Metabo

4、lism of Purine Nucleotides,嘌呤核苷酸的从头合成途径是指利用磷酸核糖焦磷酸及二氧化碳、氨基酸（3）、甲酸盐（一碳单位）等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸的途径。,肝是体内从头合成嘌呤核苷酸的主要器官，其次是小肠和胸腺，而脑、骨髓则无法进行此合成途径。,（一）嘌呤核苷酸的从头合成,定义,合成部位,嘌呤碱合成的元素来源,CO2,天冬氨酸,甲酸盐 （一碳单位）,甘氨酸,甲酸盐 （一碳单位）,谷氨酰胺 （酰胺基）,过程,1. IMP的合成,2. AMP和GMP的生成,R-5-P （5-磷酸核糖）,PP-1-R-5-P （磷酸核糖焦磷酸）,在谷氨酰胺、甘氨酸、

5、一碳单位、二氧化碳及天冬氨酸的逐步参与下,IMP,H2N-1-R-5-P （5-磷酸核糖胺）,1. IMP的合成过程, 磷酸核糖酰胺转移酶 GAR合成酶 转甲酰基酶 FGAM合成酶 AIR合成酶,IMP生成总反应过程,腺苷酸代琥珀酸合成酶 IMP脱氢酶 腺苷酸代琥珀酸裂解酶 GMP合成酶,2、AMP和GMP的生成,嘌呤核苷酸是在PRPP分子上逐步合成的。 IMP的合成需5个ATP，6个高能磷酸键。 AMP或GMP的合成又需1个ATP。,嘌呤核苷酸从头合成特点,利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应，合成嘌呤核苷酸的过程，称为补救合成（或重新利用）途径。,（二）嘌呤核苷酸的补救合成途径,定

6、义,腺嘌呤磷酸核糖转移酶 (adenine phosphoribosyl transferase, APRT) 次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(hypoxanthine- guanine phosphoribosyl transferase, HGPRT) 腺苷激酶(adenosine kinase),参与补救合成的酶,合成过程,补救合成的生理意义,补救合成节省从头合成时的能量和一些氨基酸的消耗。 体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进行补救合成。,（三）嘌呤核苷酸的相互转变,（四） 脱氧核糖核苷酸的生成,二磷酸脱氧核苷,NDP,dNDP,二磷酸核糖核苷,NADP+,NADPH + H+,核糖核

7、苷酸还原酶，Mg2+,还原型硫氧化还原蛋白-(SH)2,氧化型硫氧化还原蛋白,硫氧化还原蛋白还原酶 （FAD）,脱氧核苷酸的生成,（五） 嘌呤核苷酸的抗代谢物,嘌呤核苷酸的抗代谢物是一些嘌呤、氨基酸或叶酸等的类似物。,次黄嘌呤 (H),6-巯基嘌呤 (6-MP),6-巯基嘌呤的结构,嘧啶核苷酸的代谢,Metabolism of Pyrimidine Nucleotides,（一）嘧啶核苷酸的从头合成,主要是肝细胞胞液,嘧啶核苷酸的从头合成是指利用磷酸核糖、氨基酸(2) 及二氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘧啶核苷酸的途径。,定义,合成部位,嘧啶合成的元素来源,合成过程,1. 尿

8、嘧啶核苷酸的合成,2. 胞嘧啶核苷酸的合成,UDP,UTP,3. dTMP或TMP的生成,dUMP,脱氧胸苷一磷酸 dTMP,（二） 嘧啶核苷酸的补救合成,（三）嘧啶核苷酸的抗代谢物,嘧啶类似物,胸腺嘧啶(T),5-氟尿嘧啶(5-FU),某些改变了核糖结构的核苷类似物,DNA的复制与修复,遗传信息的传递途径遵循 分子生物学的中心法则(central dogma) DNA RNA 蛋白质,复制,转录,翻译,反转录,RNA复制,一、DNA的复制,生物的遗传信息以密码的形式编码在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序，通过DNA复制（replication）由亲代传递给子代。,（一）DNA的半保留

9、复制 （semicoservative replication）,在复制过程中首先碱基间氢键需断裂并使双链解旋和分开，然后每条单链可作模板在其上合成新的互补链，结果由1个DNA双链形成2个DNA互补双链。新形成的两个DNA分子与原来DNA分子的碱基顺序完全一样。每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的,DNA的这种复制方式称为半保留复制 。,1958年Meselson和Stahl用同位素示踪和密度梯度离心的方法证明了DNA的半保留复制 。,（二）参与DNA复制有关的酶和蛋白质,1. DNA聚合酶（DNA Polymerase） 又称 DNA-directed DNA polyme

10、rase, or DNA-dependent DNA polymerase i.e. DDDPase,参与DNA复制的酶有DNA聚合酶、DNA连接酶、旋转酶、解旋酶、单链结合蛋白和引发酶及一些蛋白质因子等。,DNA聚合酶：是催化以脱氧核苷三磷酸（dNTP）为底物（substrate）合成DNA的一类酶。 原核细胞和真核细胞DNA聚合酶的种类和作用有所不同 。,DNA聚合酶催化的反应：,DNA聚合酶的作用机理,在大肠杆菌中至少发现了五种DNA polymerase，分别是DNA polymerase I、II、III、IV和V，其中Polymerase I发现最早（1956年），而polymer

11、ase IV和V直到1999年才发现。,（1）原核细胞DNA聚合酶,DNA polymerase I（pol I）：1956年Kornberg等在Ecoli中发现的第一个DNA聚合酶，是DNA复制研究中的重要里程碑， Kornberg因此于1959年获得诺贝尔化学奖。, DNA pol I 也称Kornberg酶, Mr 103 Kd, 一条多肽链,一个锌原子（活性所必需），每个E.Coli细胞内大约有400个分子的pol I。, 53聚合作用 35核酸外切酶的活性 53核酸外切酶的活性 焦磷酸解作用 焦磷酸基交换的作用 因此DNA pol I属于一种多功能酶,功能：,53聚合作用： DNA

12、pol I 不能“从无到有”进行合成，只能从已有的多核苷酸链的3-OH端延长DNA链，即必须要有Primer（引物）, primer多数情况下是RNA，少数情况下是DNA，Primer必须要有一个游离的3-OH。,模板： 单链DNA（单链线状DNA、单链环状DNA）； 局部变成了单链的双链DNA ； 有切口（nick）的双链DNA； 有缺口（gap）的双链DNA； 注意：完整的双链DNA不能作模板。,单链线状DNA,单链环状DNA,B. 局部变成了单链 的双链DNA,C. 有切口（nick）的双链DNA,D.有缺口（gap）的双链DNA,A.单链DNA,用胰蛋白酶或其他蛋白水解酶处理DNA p

13、ol I可以得到两个片段。,A.大片段：第324928氨基酸残基组成，Mr68000，具有聚合酶的活性和35核酸外切酶的活性，这大片段称Klenow fragment。,B.小片段：第1323个氨基酸残基组成，Mr 35000，具有53核酸外切酶的活性。,大片段：,35核酸外切酶的主要功能是校对。,53核酸外切酶的主要功能在DNA修复和切除引物中起作用。,小片段：,Pol II是由一条Mr为88Kd的多肽链组成，它的活性大约只有polI活性的5%，也要模板和带3OH 的引物，最好的模板是带短的gap的双链DNA，有35核酸外切酶的活性，但没有53核酸外切酶的活性，主要用于DNA的修复。, DN

14、A Polymerase II（DNA pol II）：,1970年和1971年先后分离出pol II和pol III。,是由多种蛋白质组成的复合物, Mr 高达900Kd。,每个Ecoli约含10分子DNA pol III，虽然pol III的量很少，但活性很强，为pol I的15倍，模板和pol II大致相同，有35核酸外切酶的活性，但无53核酸外切酶的活性，DNA pol III是原核细胞DNA复制的主要酶。这个酶的缺陷株往往是致死的。, DNA polymerase III(DNA pol III)：, DNA polymerase IV和V（DNA pol IV和V）： 1999年才

15、被发现，涉及DNA的错误倾向修复，当DNA受到严重损伤时，即可诱导产生这两种酶，使修复缺乏准确性，因而出现高的突变率。,大肠杆菌三种DNA聚合酶的比较,有DNA pol.、5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53。,（2）真核生物DNA 聚合酶,哺乳动物DNA聚合酶,2. DNA 连接酶（DNA ligase）,催化双链DNA切口的5 磷酸基和3羟基生成磷酸二酯键。连接酶催化DNA复制中最后的反

16、应步骤。,连接反应需要供给能量。E.coli 和其他细菌的DNA连接酶以烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）为能源，动物细胞和噬菌体的连接酶则以腺苷三磷酸（ATP）为能源。,此酶首先在E.Coli中发现，当时称-蛋白，后来在真核生物中也发现了类似活性的酶，真核生物中的这类酶名称各不相同，有称nicking-closing enzyme （切口开合酶，切口闭合酶等），untwisting enzyme（解缠酶）。,（1）topoisomerase I （拓扑异构酶I，Top I；旋转酶I ）,这个酶的功能是切开超螺旋双链DNA中的一条链，链的切口末端就可转动，使DNA变成松驰状态，然后再将切口封闭，这

17、酶作用时不消耗ATP。,3. 使DNA双螺旋解开所需的酶或蛋白质,它的功能也是使超螺旋松驰。在消耗ATP的情况下，能将复制叉前方产生的正超螺旋变成负超螺旋。在无ATP时，可同时切开超螺旋的两条链，使DNA变成松驰状态，然后将切口封接好，克服解链过程中在复制叉前方造成的“打结”现象。,（2）topoisomerase II（拓扑异构酶II，Top II；旋转酶II ）,这酶首先也是在E.Coli中发现。,（3）DNA helicase （DNA 解螺旋酶，DNA解旋酶，DNA解链酶）,通过水解ATP获得能量, 使双螺旋DNA两条链分开。,目前已知E.Coli含有4种解螺旋酶，即解螺旋酶I、II、

18、III和Rep蛋白，其中Rep蛋白是E.Coli中最主要的解螺旋酶，每解开一个碱基对需水解2分子ATP。通过水解ATP打断互补双链间的氢键。,功能：与解开双螺旋后的单链DNA结合，防止单链DNA重新形成双螺旋，另外防止单链DNA被核酸酶降解。,原核生物的SSB与单链DNA的结合表现为正协同效应，而真核生物的SSB没有这种协同效应。,（4）单链结合蛋白（ Single-strand binding proteins，SSB）,（三）原核生物DNA的复制过程,1. DNA复制的起点和方向,原核生物：1个起点（origin of replication，复制起点，复制原点）。,复制起点核苷酸序列的特

19、征: （1）碱基序列高度保守。 （2）富含AT，有利于DNA的解链。,方向: 大多为双向复制。,E.Coli染色体DNA复制: 复制时有一个复制起点，双向展开，形成状中间物，直至两个复制叉相遇，这种复制称复制。,复制子: 受同一个复制起始区控制的DNA被称为复制子（replicon），它是复制的功能单位。 原核细胞DNA复制只有一个复制起始区，因此它只有一个复制子。通常细菌、病毒和线粒体的DNA分子都是作为单个复制子完成复制的。 真核生物：有很多复制起点，复制方向也是双向。真核细胞的细胞核DNA复制有多个复制起始区，因此它包含多个复制子。,起点,起点,在复制的起始点处，DNA双链部分解开为单链

20、，形成叉子形状称复制叉（replication fork）。,大多数生物DNA的复制是双向的，但也有例外， 如滚环式复制 （rolling circle replication）。,2. DNA的半不连续复制（semi-discontinuous replication）,所有已知的DNA聚合酶的合成方向都是53。1968年日本学者Okazaki冈崎提出了DNA的不连续复制模型，他认为35走向的DNA链的合成是不连续的，是由许多53方向合成的DNA片段连接起来的，这些不连续的DNA片段称为冈崎片段（Okazaki fragment）。原核细胞冈崎片段的长度为10002000个核苷酸，相当于1个

21、顺反子（cistron）的大小，即基因的大小；真核生物冈崎片段的长度为100200个核苷酸，相当于1个核小体DNA的大小。 35走向的DNA链是不连续的，53走向的DNA链是连续的，因此称半不连续复制。,在DNA复制时，以35方向为模板合成的一条新链是连续的,称前导链（leading strand），它的延伸方向与复制叉的移动方向相同。另一条新链的合成是不连续的，由许多53方向的冈崎片段组成，这条新链称滞后链 （lagging strand），它的延伸方向与复制叉的移动方向相反。,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DN

22、A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。,3. DNA的合成需要以RNA为引物,以单链DNA为模板，沿53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160个核苷酸（引物的长度取决于物种）。,合成RNA引物的过程称引发，引发是一个十分复杂的过程（a,b,c)。,4. 引发（ priming） DNA合成的起始,（a）大约20个DnaA蛋白各带1个ATP结合到4个9bp的重复序列上，DNA缠绕在上面，形成起始复合物（initial complex）。,（b）HU蛋白是类组蛋白，可与D

23、NA结合，促进起始，受其影响，邻近的三个13bp重复序列被变性成开链复合物（open complex），即解链而形成小段单链，所需能量由ATP供给。,（c）DnaB（解链酶）在Dnac的帮助下结合于解链区，DnaB借助水解ATP产生的能量，沿DNA链53方向移动，解开DNA的双链，此时称为预引发体(preprimosome ) ，再与引发酶（primase）组装成引发体(primosome），才能起引发作用。,5. DNA复制叉的结构和链的延长,DNA复制时，DNA双螺旋的解开靠helicase（解螺旋酶）、SSB 、 Top II（i.e DNA gyrase), RNA引物合成后，DNA

24、pol III与复制叉结合，形成复制体（replisome）的结构，而启动DNA的合成。 复制体为大的多分子复合物，由DNA pol III以及其他酶和蛋白质组成，组装于细菌染色体的复制叉，并在DNA复制中完成各种各样的反应。,复制起点解开后形成2个复制叉，进行双向复制，前导链和滞后链的合成都需要RNA引物，前导链先由引发酶在起点处合成一段RNA引物，随后DNA pol III即在引物上加脱氧核苷酸。前导链的合成与复制叉的移动保持同步。,滞后链的合成是分段进行的，需要不断合成冈崎片段的RNA引物，然后由DNA pol III加入脱氧核苷酸。,滞后链的合成比较复杂，由于DNA的两条互补链方向相反

25、，为使后随链能与前导链被同一个DNA pol III不对称二聚体所合成，后随链必须绕成一个环状（loop）。,合成冈崎片段不断与模板脱开，然后在新的位置又与模板结合。,6链的终止,（1）除去引物：DNA polI，有53核酸外切酶的活性，可把RNA引物除去，所出现的缺口（gap）由DNA polI按模板要求将缺口填满。,（2）DNA连接酶将相邻的两个核苷酸的磷酸二酯键连接起来成大分子DNA，再形成一定的空间结构。,真核生物DNA复制与原核生物DNA复制大体相同，但有差异：,（1）原核生物每时每刻都在复制，而真核生物DNA的复制在细胞周期的S期。,（2）原核生物DNA的复制只有1个复制起始点，而

26、真核生物DNA的复制有许多复制起始点。,（3）原核生物与真核生物DNA复制的酶不同，切除引物的酶亦不同。,（4）真核生物的DNA与组蛋白组装成核小体。,（5）端粒和端粒酶：真核生物染色体DNA是双链线状，由于DNA合成需要RNA作引物，引物除去后，5端留下一段无法填补的空缺，这样DNA复制后就会愈来愈短，而生物体有端粒酶来解决这个问题。,端粒（telomere）：指真核细胞线状染色体末端的DNA序列。 端粒酶（telomerase）：由RNA和蛋白质组成的一个 复合物，以端粒酶中的RNA（有特殊的序列）为模板，通过反转录合成端粒DNA。,二、反转录（逆转录，reverse transcript

27、ion）,1970年有人从致癌RNA病毒中发现了依赖于RNA的DNA聚合酶（RNA-dependent DNA polymerase RDDPme）or称RNA指导的DNA聚合酶（RNA-directed DNA polymerase）, 即反转录酶（reverse transcriptase,RT），能以RNA为模板合成DNA。,DNA,转录,反转录,RNA,后来在胚胎细胞和正常细胞中也分离得到了这种酶，反转录酶的发现使中心法则更完善。,复制,DNA,转录,反转录,RNA,翻译,蛋白质,反转录酶催化的反应:,反转录酶催化的反应:,三、DNA的修复,DNA复制的速度很快，每分子酶每分钟合成约1

28、000个核苷酸片段。E.Coli 5106bp, 30min; human 3109bp, 8h。另外生物体生长的环境中种种物理和化学因素可作用于DNA，引起DNA结构的改变，使DNA受到损伤（damage），生物体有修复系统可使受损伤的DNA得到修复。,（1） 损伤：,形成嘧啶二聚体,（2） 形成酶DNA复合物：,光复活酶结合于损伤部位,（3）酶被可见光激活,（4）修复后释放酶,5,3,5,3,h,1、光复活作用（photoreactivation）,嘧啶二聚体,2、切除修复（excision repair）,3、 重组修复（recombination repair）,当DNA发动复制时尚未

29、修复的损伤部位可以先复制后修复。从同源DNA的母链上将相应核苷酸序列片段移至子链缺口处，然后用再合成的序列来补上母链的空缺。此过程称为重组修复 。,错配修复实际上是一种特殊的核苷酸切除修复，它专门用来修复在DNA复制中出现的新合成DNA链上的错配的碱基。但如何避免将DNA链上正确的碱基切除呢？这就需要将old strand 和new strand区分开来。,4、错配修复（mismatch repair）,错配修复是一个非常耗能的过程。错配的碱基距离GATC序列越远，被切除的核苷酸就越多，重新合成新链所需要消耗的脱氧核苷三磷酸单体就越多。无论消耗多少dNTPs，目的都是为了修复一个错配的碱基，这

30、说明机体为了维护遗传物质的稳定性可以说不惜一切代价。,真核生物DNA错配修复机制与原核生物大致相同，但区分old strand和new strand的机制不同，详细的机理还不十分清楚。,5、SOS修复（SOS repair）,SOS比喻细胞处于危险状态，是细胞DNA合成受到阻断或DNA受损伤时诱导产生的一种错误倾向修复。在DNA合成受阻或DNA受损伤时诱导出一种新的DNA聚合酶，这种新的DNA聚合酶能通过DNA损伤部位而进行复制，但复制的精确度很低。校对功能很差，因而容易出现复制的差错，从而导致高的突变率。,四、DNA复制的高度忠实性,DNA的复制是高度忠实的，出现差错的机会很小，出错的几率在

31、10-810-10之间，即每复制1081010bp才出现1次错误。主要有5种机制使DNA复制的错误率降到很低。,2. DNA聚合酶的两步反应机制。 3. DNA聚合酶具有自我校对能力，可及时切除错配的碱基。 4. 错配修复。 5. RNA引物。,1. 通过核苷酸合成的调节机制保持细胞内4种脱氧核苷三磷酸浓度的平衡。,五、DNA与变异,突变,染色体畸变,基因突变,基因突变（genetic mutation）：DNA的脱氧核苷酸序列发生改变。,基因突变的几种主要形式：, 碱基取代（base substitution，也称碱基置换）,A.转换（transition）：两种嘌呤之间或两种嘧啶之间的互换

32、，最为常见。,B.颠换（transversion）：嘌呤与嘧啶之间或嘧啶与嘌呤之间的互换。, 碱基缺失（base deletion）, 碱基插入（base insertion）,突变的原因：, 自发突变, 诱发突变如紫外线、X-射线、亚硝酸、烷化剂、碱基类似物（如：5-溴尿嘧啶和2-氨基嘌呤等，它们可造成碱基配对的改变）、嵌入染料（如丫啶橙、原黄素、溴化乙锭） 等 。,亚硝酸能脱去碱基上的氨基改变碱基配对,次黄嘌呤,黄嘌呤,胞嘧啶,尿嘧啶,鸟嘌呤,腺嘌呤,六、基因工程（gene engineering ）,基因的体外重组，即基因工程(genetic engineering), 获得目的基因,

33、基因载体（vector）, 目的基因与基因载体连接形成重组DNA, 通过转化或其它方法将重组DNA分子引入 受体细胞, 被转化细胞的筛选和繁殖,基因工程示意图,RNA的生物合成,一、转录（transcription）,转录是遗传信息从DNA转移到RNA的过程。,转录过程的发现是由于发现了 DNA directed/dependent RNA polymerase(DDRPase)， 简称RNA聚合酶或称转录酶。,RNA的生物合成有2条途径：,（1）DNA指导下RNA的生物合成，即转录。 （2）RNA的复制。,RNA聚合酶催化的转录反应：,模板：DNA 引物：不需要 底物：4种NTP 合成方向：

34、53 辅助因子：Mg2+ or Mn2+（促进聚合反应）,转录反应,RNA也可以指导RNA或DNA的合成，前一过程为RNA复制，后一过程为逆转录。个别的RNA还具有催化功能。,E.Coli RNA聚合酶,全酶: 2 核心酶：2 2（全酶 holoenzyme）=2+,（一）RNA聚合酶,原核生物RNA聚合酶与真核生物RNA聚合酶的异同,E.Coli RNA聚合酶全酶,启动子,E.Coli RNA聚合酶的组成,原核生物RNA聚合酶可以被利福霉素（rifamycin）和利链霉素(streptolydigin)抑制。,真核生物RNA聚合酶根据它们对-鹅膏蕈碱（- amanitin）的敏感性不同分为R

35、NA聚合酶I（A）、II（B）、III（C）。,-鹅膏蕈碱,真核生物RNA聚合酶,真核生物RNA聚合酶的细胞定位和转录产物,（二）原核生物转录的过程,1. 转录的一般原则,（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。,模板链（template strand）,编码链（coding strand）,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。,基因表达,（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。,（2）转录过程中需要模板，需要DNA解链，但

36、不 需要引物 。,（3）以4种核苷三磷酸为底物，并需要Mg2+激活。,（5）转录的方向的53，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。,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。,DNA的转录过程包括：起始、延长和终止。,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（st

37、art 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。,RNA聚合酶与启动子区结合，先形成“闭合式”复合物,然后DNA解链，再形成酶开链“开放式”复合物，RNA转录开始,核苷酸被引入“开放式”复合物，产生RNA的5端，至RNA达一定长度（69个核苷酸）,（2）RNA聚合酶对启动子的识别、结合和转录起始复合物的形成,亚基从复合物中解离,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，因子就从起始复合

38、物中解离。,因子释放后，进入链的延长阶段，核心酶的移动方向沿DNA 的35方向 。,3.链的延长,核苷三磷酸底物以其-磷酸基与新生RNA链3端核苷酸中的3-C上的羟基缩合形成3，5-磷酸二酯键，并释放出焦磷酸。,转录完毕的DNA部位重新形成双螺旋。,RNA链沿53方向延伸,转录泡,RNA合成的速度每秒钟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。,当核心酶沿模板35方向移动到终止信号区域时，转录就终止。提供

39、终止信号的DNA序列称终止子。 终止有2种类型：不依赖因子的终止，依赖于因子的终止。,4.链的终止,不依赖于因子的终止：这类终止子结构上有2个特征：,（2）发夹结构末端紧跟6个连续的U，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。,（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， 转录形成的RNA具有茎环的发夹形结构（hairpin structure） 。,不依赖因子的终止,依赖因子（rho factor）的终止：因子是基因编码的一种酶，它具有ATPase的活性和解链酶的活性，在水解ATP的情况下，它沿着53方向转录物

40、的3端前进，直到遇到暂停在终止点位置的RNA聚合酶。随后因子通过解链酶的活性解开转录泡（transcription bubble）上的RNA/DNA形成的杂交双螺旋，使RNA转录物得到释放，从而终止转录。,依赖因子（rho factor）的终止：,（三）真核生物与原核生物转录的主要区别,1. 真核细胞RNApol种类较多，根据它们对-鹅膏蕈碱的 敏感性不同分为RNA pol I 、II 、III（or A、B、C），它们是高度分工的，不同的RNA聚合酶负责合成不同的RNA。,2. 真核启动子比原核启动子更复杂和更多样，不同的RNA聚合酶有不同的启动子,真核生物启动子 （1）DNA序列在转录起始

41、点的5端区(上游区)（2）-30bp ：TATA盒（Hogness box） （3）-90bp ：GC盒 （4）-70bp ：CAAT盒,GC,CAAT,-90,-70,3. 原核细胞靠RNA pol本身可识别启动子，而真核细胞的RNApol无法识别启动子，要靠转录因子 (transcription factor,TF）识别启动子 ，有许多转录因子。,转录因子的功能：调节RNA聚合酶的活性，将RNA聚合酶引到启动子位置。,4. 真核生物的转录受特定的顺式作用元件（cis-acting element）的影响，顺式作用元件：真核生物DNA中与转录调控有关的核苷酸序列，包括增强子、沉默子等。,沉默

42、子（silencer）：降低转录的速度，沉默子也称抑制子。,增强子（enhaucer）：增加转录的速度。,顺式作用元件并不能直接发挥作用，要与反式作用因子（trans-acting factors）相互作用来调控转录，反式作用因子是一些特殊的蛋白质因子。,5. 原核细胞基因转录的产物大多数为多顺反子mRNA，这是由于原核转录系统中功能相关的基因共享一个启动子，它们在转录时，以一个共同的转录单位进行转录。而真核细胞，每一种蛋白质的基因都有自己独立的启动子，所以真核细胞转录产物是单顺反子mRNA。,原核,真核,6. 原核细胞是边转录、边翻译，两个过程几乎是同时进行的，而真核细胞转录和翻译在时间上和

43、空间上都是分开的，转录在细胞核，翻译在细胞质。,7. 真核细胞中DNA与组蛋白结合在一起，形成染色质，后者进一步盘曲、折叠形成染色体，其中只有一小部分能转录。,8. 真核细胞被转录的产物要经过非常复杂 的后加工。,二、转录后的加工,真核细胞最初转录的产物是核内不均一RNA（HnRNA），是mRNA的前体。Hn RNA分子量不均一，大小不同，沉降常数20s100s，组成上类似于DNA（类似于DNA的RNA，D-RNA），代谢很快，迅速合成和降解。HnRNA分子很大，其中大约只有10%转变成mRNA，其余在转录后的加工过程中被降解掉。,（一）mRNA前体的加工过程,原核细胞的mRNA通常没有转录后

44、的加工过程。,（1）戴帽 （2）加尾 （3）剪接（splicing） （4）修饰：主要是链内腺苷的甲基化,hnRNA转变成mRNA的加工过程包括：,mRNA前体的剪接，真核生物中的基因是不连续的，如鸡卵清蛋白基因是不连续的。,外显子（exon or extron）：真核细胞基因DNA中的编码序列，这部分序列可转录为RNA，并翻译成蛋白质，也称表达序列。,外显子和内含子都被转录在初级转录物（HnRNA or pre-mRNA）中，以后由剪接酶（splicing enzyme）催化剪接去掉内含子，将相邻的外显子连接起来，称剪接（splicing）。,内含子（intron）：真核细胞基因DNA中的不

45、编码序列，这部分序列并不编码蛋白质，又称间隔序列或插入序列。,（二）rRNA前体的加工过程,原核细胞rRNA有三种16S、23S和5SrRNA，这三种rRNA是一个转录单位，一起转录的。,cleavage剪切,真核细胞有4种rRNA：28S、18S、5.8S和5SrRNA，是两个转录单位，18S、5.8S和28SrRNA的前体是45S，是一个转录单位，5SrRNA是单独的一个转录单位。,45SRNA包含18S、5.8S、28SrRNA，它们被间隔序列隔开，加工的第一步在45S RNA的特定位点上进行甲基化，以后剪切基本上与原核rRNA相似。,5SrRNA是单独的一个转录单位， 以类似于tRNA

46、的方式进行加工。,四膜虫26SrRNA前体的自我剪接。表示这种RNA有催化功能，称为核酶。,核酶-真核生物rRNA的自身剪切,四膜虫 26SrRNA 核酶 （ribozyme） 应用,前体 6.4 kb 414bp内含子 5.986kb 无酶催化，自身剪接 具有催化功能的RNA 切割特异性RNA序列 具特定的二级结构-槌头结构 人工合成核酶的槌头结构 破坏HIV病毒,（三）tRNA前体的加工过程,tRNA前体的加工主要包括3步:,（1）剪切（cleavage）和剪接（splicing） （2）3端加CCA,（3）碱基修饰：甲基化、尿嘧啶还原成二氢尿嘧啶、脱氨反应，尿苷酸转化为假尿苷酸等。,tRNA前体的加工,少数生物主要是RNA病毒是靠RNA的复制把遗传信息传至下一代。 RNA复制是指以RNA为模板合成RNA的过程。催化此过程的酶称RNA复制酶或简称复制酶（replicase）或称RNA dependent / directed RNA polymerase (RDRPase)。,三、RNA的复制(依赖于RNA的RNA的合成),