第九章第九章第九章第九章核酸的生物合成核酸的生物合成核酸的生物合成核酸的生物合成1遗传的主要物质基础遗传的主要物质基础: :DNA遗传信息遗传信息: :DNA分子中碱基或核苷酸的排列顺序分子中碱基或核苷酸的排列顺序所谓所谓基因基因: :是指携带有是指携带有遗传信息遗传信息的的DNA或或RNA序列序列 现已证明，体内蛋白质分子合成时其现已证明，体内蛋白质分子合成时其氨基酸的排列顺序氨基酸的排列顺序最终最终由由DNA分子中的核苷分子中的核苷酸顺序所决定酸顺序所决定。第一节第一节 概述概述这一功能的体现，遵循中心法则这一功能的体现，遵循中心法则2遗传信息传递的中心法则（重点）遗传信息传递的中心法则（重点）复制复制RNADNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译揭开了遗传信息传递的奥秘揭开了遗传信息传递的奥秘3复制：遗传信息从亲代传递到子代复制：遗传信息从亲代传递到子代DNA分子的过程分子的过程转录：以转录：以DNA分子为模板，在细胞核内合成与其结构相应的分子为模板，在细胞核内合成与其结构相应的RNA分子，将分子，将DNA的遗传信的遗传信息抄录到息抄录到mRNA分子中。（碱基互补配对原则）分子中。（碱基互补配对原则）翻译：以翻译：以mRNA为模板，以三个邻近碱基序列决定一种氨基酸的遗传密码子形式，决定蛋为模板，以三个邻近碱基序列决定一种氨基酸的遗传密码子形式，决定蛋白质合成时氨基酸的序列。白质合成时氨基酸的序列。遗传信息通过复制、转录和翻译，最终传递给蛋白质的规律，即被称作中心法遗传信息通过复制、转录和翻译，最终传递给蛋白质的规律，即被称作中心法则。则。 4逆（反向）转录逆（反向）转录转录转录复制复制RNADNA蛋白质蛋白质翻译翻译反转录反转录对中心法则的补充对中心法则的补充5所谓逆转录：是指在逆转录酶的作用下以所谓逆转录：是指在逆转录酶的作用下以RNA为模板合成为模板合成DNA的过程。的过程。 病毒病毒RNA逆转录酶逆转录酶RNA（被水解）（被水解）单链单链DNA(模板）模板）RNA-DNA杂交体杂交体复制复制双链双链DNA整合入整合入宿主细宿主细胞基因胞基因如人免疫缺损病毒（如人免疫缺损病毒（HIVHIV）就是一种逆转录病毒，它感染人的）就是一种逆转录病毒，它感染人的T T淋巴细淋巴细胞，导致人体免疫缺陷，引起艾滋病（胞，导致人体免疫缺陷，引起艾滋病（AIDSAIDS）。）。6第二节第二节 DNA的生物合成的生物合成7 DNA究竟是究竟是如何复制如何复制的？的？换言之，遗传信息从上一代传递到下一代是如何开始的？换言之，遗传信息从上一代传递到下一代是如何开始的？J. Watson J. Watson 和和 F. Crick在在提出提出DNA分子双螺旋分子双螺旋结构学说时推测过结构学说时推测过DNA的的复制（即复制（即DNA复制假复制假说）。说）。8DNA复制假说：在复制假说：在DNA复制过程中，双螺旋复制过程中，双螺旋DNA的两条链相分离，并以每条的两条链相分离，并以每条DNA链链为模板，利用细胞中的脱氧核糖核苷酸为模板，利用细胞中的脱氧核糖核苷酸( (dNTP) )作为底物，按照碱基互补的原则，分别作为底物，按照碱基互补的原则，分别合成另一条合成另一条DNA, ,从而形成结构相同的两个子代从而形成结构相同的两个子代DNA双螺旋分子。双螺旋分子。思考思考, ,我们已经知道的我们已经知道的DNA复制现象复制现象9一、一、DNA的复制的复制1.1.DNA复制是半保留复制复制是半保留复制含义：新合成的含义：新合成的DNA分子链中，一条链来自亲代分子链中，一条链来自亲代DNADNA，而另一条链则是新合成的。，而另一条链则是新合成的。（一）（一）DNA复制的特征复制的特征10为什么是半保留复制？为什么是半保留复制？其它其它可能可能的复制方式：的复制方式：全保留式或散布式全保留式或散布式。全保留式：全保留式：即恢复原来的即恢复原来的DNA双螺旋，并产生一个新的子代双螺旋，并产生一个新的子代DNA双螺旋。双螺旋。散布式：散布式：即复制模板链被分成许多小片段，散布于子代即复制模板链被分成许多小片段，散布于子代DNA中。中。111958 Meselson and Stahl密度梯度实验密度梯度实验 实验结果支持半保留复制方式实验结果支持半保留复制方式培养于普通培养于普通培养液培养液含含15N-DNA的细菌的细菌 第一代第一代继续培养于普继续培养于普通培养液通培养液 第二代第二代细菌的细菌的DNA双链双链（粗线代表含（粗线代表含15N)(细线代表含细线代表含14N)梯度离心结果梯度离心结果普通普通DNA沉沉降位置降位置重重DNA沉沉降位置降位置12DNA半保留复制的意义半保留复制的意义 能充分保证能充分保证DNA代谢稳定性与复制忠实性代谢稳定性与复制忠实性; ;经过许多代的复制，经过许多代的复制，DNA分子分子上的遗传信息仍可准确地传递给后代。上的遗传信息仍可准确地传递给后代。132.DNA复制具有特定的起始点复制具有特定的起始点 DNA复制是从复制起始位点开始向两个方向进行的双向复制复制是从复制起始位点开始向两个方向进行的双向复制 。复制叉复制叉复制泡复制泡143.3.DNA的半不连续复制的半不连续复制DNA分子的两条链反向平行；分子的两条链反向平行；即一条链是即一条链是35 ，另一条链是，另一条链是5 3 ；而所有已知而所有已知DNA聚合酶的合成方向都是聚合酶的合成方向都是5 3 。实际实际DNA复制中，如何实现齐头并进的合成？复制中，如何实现齐头并进的合成？153 5 3 5 3 5 前导链前导链(leading strand)后随链后随链(lagging strand)解链方向解链方向冈崎片段冈崎片段5 3 3 5 DNA复制叉复制叉16前导链前导链: 一条链（一条链（ 35 ）的合成方向和复制叉前进方向相同，可以连续复制合）的合成方向和复制叉前进方向相同，可以连续复制合成的新链。成的新链。后随链后随链:另一条链的合成方向与复制叉前进方向相反，不能连续复制，只能分成若另一条链的合成方向与复制叉前进方向相反，不能连续复制，只能分成若干小片段分别合成，然后连接起来形成新链。后随链中的小片段称为冈崎干小片段分别合成，然后连接起来形成新链。后随链中的小片段称为冈崎片段。片段。173.3.DNA的半不连续复制的半不连续复制DNA分子的两条链反向平行；分子的两条链反向平行；即一条链是即一条链是35 ，另一条链是，另一条链是5 3 ；而所有已知而所有已知DNA聚合酶的合成方向都是聚合酶的合成方向都是5 3 。实际实际DNA复制中，如何实现齐头并进的合成？复制中，如何实现齐头并进的合成？前导链连续复制而后随链不连续复制，即前导链连续复制而后随链不连续复制，即DNA半不连续半不连续复制。复制。18（二）参与（二）参与DNA复制的酶类和复制的条件复制的酶类和复制的条件1. DNA复制的条件（或复制体系）复制的条件（或复制体系） v底物底物 dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)v模板单链的模板单链的DNA母链母链v引物寡核苷酸引物（引物寡核苷酸引物（RNA) )v其他酶和蛋白质因子其他酶和蛋白质因子 DNA聚合酶（聚合酶（DNA指导的指导的DNADNA的聚合酶的聚合酶) ) 引物酶或引物酶或RNA聚合酶（引发酶）聚合酶（引发酶） 解螺旋酶解螺旋酶 DNA旋转酶（拓扑异构酶）旋转酶（拓扑异构酶） 单链单链DNA结合蛋白结合蛋白 DNA连接酶连接酶192.参与参与DNA复制的酶类复制的酶类DNA复制速度甚快，复制高效率和高度忠实性，都是由于许多酶参与了复制过复制速度甚快，复制高效率和高度忠实性，都是由于许多酶参与了复制过程。程。主要有：主要有：DNA聚合酶、聚合酶、 引物酶、参与引物酶、参与DNA解旋、解链的酶、解旋、解链的酶、 单链结合单链结合酶、酶、 DNA连接酶连接酶201）DNA聚合反应与聚合反应与DNA聚合酶聚合酶（DNA polymerase)定义：在聚合过程中，能够催化四种定义：在聚合过程中，能够催化四种dNTP通过与模板链的碱基互补配对，合成新的对通过与模板链的碱基互补配对，合成新的对应应DNA链。链。n n1 1dATPdATPn n2 2dGTPdGTPn n1 1dTTPdTTPn n2 2dCTPdCTP+ +DNADNA聚合酶聚合酶DNADNAMg2Mg2+ +, ,引物引物dAMPdAMPdGMPdGMPdTMPdTMPdCMPdCMPDNADNA+ +2(n2(n1 1+n+n2 2)PPi)PPi2n2n1 1+2n+2n2 221以四种脱氧核糖核苷酸为以四种脱氧核糖核苷酸为底物底物DNA聚合酶的特点聚合酶的特点分别是：分别是：d dATP, dGTP, dCTP, dTTP DNA聚合酶能够区分聚合酶能够区分rNTP(核糖核苷酸）和核糖核苷酸）和dNTP，DNA聚合酶的活性中心对聚合酶的活性中心对rNTP有空间排斥作用。有空间排斥作用。rNTP的分子中又的分子中又2 -OH存在，产生空间位阻，影响催化存在，产生空间位阻，影响催化22反应需要接受反应需要接受模板链模板链的指导的指导即母链，单链即母链，单链DNA反应反应不能自行从头合成不能自行从头合成DNA链链( () )必须有一条必须有一条RNA链作为引物链作为引物，催化此引物催化此引物3 -OH端与端与dNTP 5 -PPi作用，作用，形成形成3 ，5 -磷酸二酯键，从而逐步延长磷酸二酯键，从而逐步延长DNA链。链。23即从即从5 端开始向端开始向3 端的方向进行端的方向进行DNA链的合成具有方向性链的合成具有方向性( () )24原核、真核细胞原核、真核细胞DNA聚合酶的类型和功能聚合酶的类型和功能TLS1 Rev 1TLS，体，体细胞高胞高变1Pol 相相对准确的准确的TLS（穿越（穿越环丁丁烷二聚体）二聚体）1Pol TLS1Pol 体体细胞高胞高变（somatic hypermutation）1Pol 减数分裂相关的减数分裂相关的DNA损伤修复修复1Pol TLS1Pol DNA交交联损伤修复修复1Pol DNA复制，核苷酸切除修复，碱基切除修复制，核苷酸切除修复，碱基切除修复复4Pol DNA复制，核苷酸切除修复，碱基切除修复制，核苷酸切除修复，碱基切除修复复23Pol 线粒体粒体DNA复制和复制和损伤修复修复3Pol 碱基切除修复碱基切除修复1Pol 合成引物合成引物4Pol 功能功能亚基数目基数目真核生物真核生物TLS（translesion synthesis）3Pol (UmuC, UmuD)DNA损伤修复，穿越修复，穿越损伤合成（合成（TLS）1Pol (Din B)染色体染色体DNA复制复制9Pol 全全酶酶染色体染色体DNA复制复制3Pol 核心核心酶酶DNA损伤修复修复1Pol 去除去除RNA引物，引物，DNA损伤修复修复1Pol 功能功能亚基数目基数目原核生物（原核生物（E. coli）252 2）引物酶）引物酶定义：催化定义：催化RNA引物合成的酶称为引物酶引物合成的酶称为引物酶意义：意义：DNA聚合酶聚合酶不能自行从头不能自行从头以以2 2个游离的单脱氧核苷酸为起点合成个游离的单脱氧核苷酸为起点合成DNA链；链；因此，首先需要合成一小段多核苷酸作为引物因此，首先需要合成一小段多核苷酸作为引物（primer)这段是这段是RNA链片断链片断，主要为，主要为DNA链合成提供链合成提供自由自由3 -OH末端末端。263 3）参与）参与DNA解旋、解链的酶及蛋白质因子解旋、解链的酶及蛋白质因子解螺旋酶解螺旋酶定义：解开定义：解开DNA双链间的氢键，使其称为单链的酶，或称解链酶。双链间的氢键，使其称为单链的酶，或称解链酶。特点：需要水解特点：需要水解ATP提供能量提供能量27拓扑异构酶拓扑异构酶由于由于DNA复制前方形成超螺旋结构，阻碍了复制前方形成超螺旋结构，阻碍了DNA的解旋、解链；的解旋、解链；因此，需要不断松弛因此，需要不断松弛DNA模板的超螺旋结构。模板的超螺旋结构。定义：松弛定义：松弛DNA超螺旋结构的酶，称为拓扑异构酶。分为超螺旋结构的酶，称为拓扑异构酶。分为型和型和型。型。28DNA拓扑异构酶拓扑异构酶型型通过形成短暂的单链裂解通过形成短暂的单链裂解- -结合循环，催化结合循环，催化DNA复复制的拓扑异构状态的变化；制的拓扑异构状态的变化；特点：剪切一条链，不需要特点：剪切一条链，不需要ATP29拓扑异构酶拓扑异构酶型型通过引起瞬间双链酶桥的断裂，通过引起瞬间双链酶桥的断裂，然后打通和再封闭，以改变然后打通和再封闭，以改变DNADNA的拓扑状态。的拓扑状态。特点：剪切两条链，需要特点：剪切两条链，需要ATP304 4）单链结合酶）单链结合酶定义：结合于因定义：结合于因DNA双链打开而形成的单股双链打开而形成的单股DNA链上的酶，称为单链机结合酶链上的酶，称为单链机结合酶（DNA结合蛋白）。结合蛋白）。意义：维持模板链处于单链状态；意义：维持模板链处于单链状态； 保护单股保护单股DNA链不被核酸酶水解。链不被核酸酶水解。315 5）DNA连接酶连接酶DNA连接酶，即连接两个冈崎片段；连接酶，即连接两个冈崎片段；一片段一片段DNA链上脱氧核苷酸的链上脱氧核苷酸的3 3 羟基和相邻另一片段羟基和相邻另一片段DNA链上脱氧核苷酸链上脱氧核苷酸的的5 5 磷酸基团，形成磷酸基团，形成磷酸二酯键磷酸二酯键，从而把两个片段的，从而把两个片段的DNA链连接起来。链连接起来。5 3 5 3 5 3 5 3 PHODNA连接酶连接酶ATPADP形成形成磷酸二酯键磷酸二酯键3233根据目前的知识，可将根据目前的知识，可将DNA复制的过程大体分为三个阶段：复制的过程大体分为三个阶段：起始、延起始、延伸和终止伸和终止。1.1.复制的起始复制的起始DNA合成的起始包括：合成的起始包括：起点的识别、模板起点的识别、模板DNA超螺旋及双螺旋的解除、引物的合成超螺旋及双螺旋的解除、引物的合成复制的起始复制的起始（三）（三）DNA的复制过程的复制过程34辨认起点辨认起点DNA复制有固定的起点复制有固定的起点（origin, ori)，即复制起点的一段特殊，即复制起点的一段特殊DNA序列。序列。区别：原核细胞中只有一个复制起点，区别：原核细胞中只有一个复制起点，而真核细胞而真核细胞DNA双链有多个复制起点。双链有多个复制起点。E.coli 复制起始点复制起始点 oriC复制的起始复制的起始辨认起点辨认起点 (举例）举例）35E.coli 复制起始点复制起始点 oriC GATTNTTTATTT GATCTNTTNTATT GATCTCTTATTAG 1 13 17 29 32 44 TGTGGATTA-TTATACACA-TTTGGATAA-TTATCCACA58 66 166 174 201 209 237 245 同向重复序列同向重复序列 反向重复序列反向重复序列5 3 5 3 富含富含A、T36辨认起点辨认起点复制的起始复制的起始 辨认起点辨认起点（举例，特点）（举例，特点）复制起点的一般特征复制起点的一般特征: 由多个独特的短重复序列组成。由多个独特的短重复序列组成。 短重复序列能够被酶识别并结合。短重复序列能够被酶识别并结合。 一般富含一般富含A、T，利于双螺旋，利于双螺旋DNA解旋，以产生单链解旋，以产生单链DNA复制模板。复制模板。37模板模板DNA解除高级结构解除高级结构需要的酶：解螺旋酶、拓扑异构酶和需要的酶：解螺旋酶、拓扑异构酶和DNA结合蛋白结合蛋白复制的起始复制的起始 辨认起点辨认起点（举例，特点）（举例，特点）解除高级结构解除高级结构 （复制叉）（复制叉）详细作用过程详细作用过程38经松弛经松弛DNA超螺旋结构后，解开一段双链，并由超螺旋结构后，解开一段双链，并由DNA结合蛋白结合蛋白保护和稳定保护和稳定DNA单链，形成复制点，又称为复制叉。单链，形成复制点，又称为复制叉。复制的起始复制的起始 辨认起点辨认起点（举例，特点）（举例，特点）解除高级结构解除高级结构 （复制叉）（复制叉）39引物引物RNA的合成的合成需要的酶：引物酶需要的酶：引物酶合成过程：当两股单链暴露出足够数量碱基对时，引物酶发挥作用。引合成过程：当两股单链暴露出足够数量碱基对时，引物酶发挥作用。引物酶能识别复制起点，并以四种核糖核苷酸为原料，以解开的一段物酶能识别复制起点，并以四种核糖核苷酸为原料，以解开的一段DNA链为模板，按碱基配对规律，从链为模板，按碱基配对规律，从5 3 方向合成引物方向合成引物RNA片段。片段。主要作用：提供了引物主要作用：提供了引物3 -OH末端末端复制的起始复制的起始 引物合成引物合成 辨认起点辨认起点（举例，特点）（举例，特点）解除高级结构解除高级结构 （复制叉）（复制叉）40为什么需要有为什么需要有RNA引物来引发引物来引发DNA复制呢复制呢?复制的起始复制的起始这可能为尽量减少这可能为尽量减少DNA复制起始处的突变有关。复制起始处的突变有关。DNA复制开始处的几个核苷酸最容易出现差错，因此，用复制开始处的几个核苷酸最容易出现差错，因此，用RNA引物即使出引物即使出现差错最后也要被现差错最后也要被DNADNA聚合酶聚合酶切除，提高了切除，提高了DNA复制的准确性。复制的准确性。 引物合成引物合成 辨认起点辨认起点（举例，特点）（举例，特点）解除高级结构解除高级结构 （复制叉）（复制叉）412.2.复制的延伸复制的延伸需要的酶：需要的酶：DNA聚合酶聚合酶（真核细胞为（真核细胞为DNA Pol ）半不连续复制半不连续复制前导链前导链随从链随从链如何保持前导链与随后链合成的协调一致？如何保持前导链与随后链合成的协调一致？突环突环复制的起始复制的起始复制的延伸复制的延伸 引物合成引物合成 辨认起点辨认起点（举例，特点）（举例，特点）解除高级结构解除高级结构 （复制叉）（复制叉）423.3.复制的终止（完整复制的终止（完整DNA链链的形成）的形成）复制的起始复制的起始复制的延伸复制的延伸复制的终止复制的终止辨认起点辨认起点（举例，特点）（举例，特点）解除高级结构解除高级结构（复制叉）（复制叉）引物合成引物合成1 1）水解引物及填补空隙）水解引物及填补空隙 冈崎片段合成后，由冈崎片段合成后，由DNA pol( (真核细胞可能是真核细胞可能是DNA聚合酶聚合酶 ) )水解去水解去除除RNA引物，并填补留下的空隙引物，并填补留下的空隙(5 3)聚合。聚合。 433.3.复制的终止（完整复制的终止（完整DNA链链的形成）的形成）复制的起始复制的起始复制的延伸复制的延伸复制的终止复制的终止辨认起点辨认起点（举例，特点）（举例，特点）解除高级结构解除高级结构（复制叉）（复制叉）引物合成引物合成2 2）完整双链）完整双链DNA分子的形成分子的形成 填补空隙后，填补空隙后，DNA片段与片段之间还有一个缺口片段与片段之间还有一个缺口( (一个一个3,5-磷酸二磷酸二酯键的长度酯键的长度), ), 由由DNA连接酶催化连接成完整的链，从而产生完整的双连接酶催化连接成完整的链，从而产生完整的双链链DNA分子。分子。44前导链产生完整的子前导链产生完整的子染色单体。染色单体。后随链后随链3 3 端留下缩短端留下缩短的未复制的的未复制的ssDNA区。区。破坏了遗传信息破坏了遗传信息的完整的完整如何保证染色体的稳定性？如何保证染色体的稳定性？端粒酶端粒酶45DNA复制的全过程复制的全过程小结小结包括三个阶段包括三个阶段起始、延伸、终止起始、延伸、终止起始起始复制起点；复制起点；解除模板解除模板DNA超螺旋及双螺旋；超螺旋及双螺旋；引物合成；引物合成；延伸延伸冈崎片断、冈崎片断、半不连续复制半不连续复制终止终止引物水解，连接引物水解，连接DNA片段片段观看观看DNA复制动画复制动画46DNA复制的精确性（高保真复制）复制的精确性（高保真复制） DNA复制必须具有高度精确性，在大肠杆菌的细胞复制必须具有高度精确性，在大肠杆菌的细胞DNA复制中其错误率约为复制中其错误率约为1/101/109 91/101/101010，即每，即每10109 910101010个核苷酸才出现一个错误，也就是大肠杆菌染色体个核苷酸才出现一个错误，也就是大肠杆菌染色体DNA复复制制100010001000010000次才出现一个核苷酸的错误。次才出现一个核苷酸的错误。这么高的精确性的保证主要与下列因素有关：这么高的精确性的保证主要与下列因素有关：471 1、碱基的配对规律：摸板链与新生链之间的碱基配对保证碱基配错几率约为、碱基的配对规律：摸板链与新生链之间的碱基配对保证碱基配错几率约为1/101/104 41/101/105 5。2 2、DNA聚合酶的校对功能，使碱基的错配几率又降低聚合酶的校对功能，使碱基的错配几率又降低10010010001000倍。倍。3 3、DNA的损伤修复系统。的损伤修复系统。主要因素：主要因素：48（四）（四）DNA的突变的突变它是指在各种因素作用下，它是指在各种因素作用下，DNA分子中的碱基或片断发生改变，通过分子中的碱基或片断发生改变，通过DNA的复制遗的复制遗传给后代，表现出异常的遗传特征。传给后代，表现出异常的遗传特征。DNA的突变形式主要有：的突变形式主要有： 一个或几个碱基对被置换；一个或几个碱基对被置换； 插入一个或几个碱基对；插入一个或几个碱基对； 一个或多个碱基对缺失。一个或多个碱基对缺失。49影响因素：影响因素： 自发突变、化学因素、物理因素或病毒自发突变、化学因素、物理因素或病毒例如：电离辐射、紫外线、化学诱变剂例如：电离辐射、紫外线、化学诱变剂常见常见DNA损伤：碱基丢失、碱基变化、错误的碱基、缺失或插入、嘧损伤：碱基丢失、碱基变化、错误的碱基、缺失或插入、嘧啶二聚体、链断裂、链交联啶二聚体、链断裂、链交联51第三节第三节 RNA的生物合成的生物合成54RNA的生物合成主要分为转录和自我复制两种形式的生物合成主要分为转录和自我复制两种形式 体内体内RNA合成的主要方式合成的主要方式 以以DNA分子为模板合成出分子为模板合成出RNA分子的过程称为转录。分子的过程称为转录。 自我复制：一些自我复制：一些RNA病毒以病毒以RNA模板合成模板合成RNA。55一、一、RNA的转录的转录首先，认识首先，认识RNA转录体系转录体系包括：包括：DNA模板模板四种核糖核苷酸（四种核糖核苷酸（NTP）RNA聚合酶聚合酶某些蛋白质因子及必要的无机离子某些蛋白质因子及必要的无机离子56（一）（一）RNA转录的特征转录的特征以以DNA一条链的片断为模板一条链的片断为模板 称为模板链称为模板链 1.模板模板另一条链称为编码链另一条链称为编码链转录的不对称性转录的不对称性 5 CGCTATAGCGTTT 3 DNA编码链编码链3 GCGATATCGCAAA 5 DNA模板链模板链5 CGCUAUAGCGUUU 3 RNA转录物转录物模板链并非永远在同一条单链上模板链并非永远在同一条单链上572.参与转录的酶参与转录的酶原核生物只有原核生物只有1种种RNA聚合酶聚合酶真核生物具有真核生物具有3种不同的种不同的RNA聚合酶，聚合酶，RNA聚合酶聚合酶 、RNA聚合酶聚合酶 和和RNA聚合聚合酶酶以大肠杆菌以大肠杆菌RNA聚合酶为例聚合酶为例58核心酶核心酶 (core enzyme)全酶全酶 (holoenzyme) RNA聚合酶是多亚基酶聚合酶是多亚基酶大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶聚合酶 亚基能特异性地识别亚基能特异性地识别DNA模板链上的起始部位。模板链上的起始部位。593.RNA转录的方向转录的方向 RNA聚合酶通过在聚合酶通过在RNA的的3 -羟基端加入核苷酸延长羟基端加入核苷酸延长RNA链，以链，以5 到到3 方向合成方向合成RNA。4.其它特征其它特征RNA聚合酶聚合酶不需要引物不需要引物就能直接启动就能直接启动RNA链的延长。链的延长。在在RNA合成中会形成合成中会形成RNA-DNA杂合双螺旋杂合双螺旋和和转录泡转录泡的特殊结构。的特殊结构。RNA聚合酶向前移动时，聚合酶向前移动时，DNA双螺旋伴有拓扑学的结构变化。双螺旋伴有拓扑学的结构变化。 RNA聚合酶和聚合酶和DNA的特殊序列的特殊序列启动子结合后，就能启动启动子结合后，就能启动RNA合成。合成。60E. coli的的RNA聚合酶催化的转录过程聚合酶催化的转录过程61DNA复制特征和复制特征和RNA转录特征的比较转录特征的比较DNA复制复制RNA转录转录模板模板两条单链均复制两条单链均复制模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）原料原料4种脱氧核糖核苷酸种脱氧核糖核苷酸4种核糖核苷酸种核糖核苷酸酶酶DNA聚合酶聚合酶RNA聚合酶聚合酶产物产物子代双链子代双链DNA（半保留复制（半保留复制)mRNA, tRNA，rRNA配对配对A-T, G-CA-U, T-A, G-C62（二）转录的过程（二）转录的过程RNA转录过程可分为起始、延伸、终止三个阶段转录过程可分为起始、延伸、终止三个阶段 1.起始起始包括四个方面包括四个方面63亚基起着识别亚基起着识别DNA分子上起始信号的作用分子上起始信号的作用 识别启动子识别启动子RNA聚合酶结合模板聚合酶结合模板DNA的部位，称为启动子的部位，称为启动子(promoter)。64生成封闭型启动子复合物生成封闭型启动子复合物 得到开放型的启动子复合物得到开放型的启动子复合物 亚基被释放脱离核心酶亚基被释放脱离核心酶 DNA构象活化构象活化 解开解开DNA双链，识别其中的模板链双链，识别其中的模板链 该部位应该富含该部位应该富含A-T碱基对，有利于碱基对，有利于DNA解链解链 动画演示转录启动过程.65 形成闭合启动子复合体形成闭合启动子复合体形成开放启动子复合体形成开放启动子复合体RNA聚合酶识别结合启动子聚合酶识别结合启动子转录开始转录开始启动子清除启动子清除 转转 录录 延延 伸伸5335-35 -10 +166 另外：另外：在起始位点的全酶结合第一个三磷酸核苷常是在起始位点的全酶结合第一个三磷酸核苷常是GTP或或ATP。形成的启动子、全酶和三磷酸核苷复合物称为形成的启动子、全酶和三磷酸核苷复合物称为三元起始复合物。第一个核苷酸掺入的位置称三元起始复合物。第一个核苷酸掺入的位置称为转录起始点。为转录起始点。6753 2.延伸延伸 核心酶沿模板移动，并按模板序列选择下一个核苷酸，将核苷酸加到生长核心酶沿模板移动，并按模板序列选择下一个核苷酸，将核苷酸加到生长的的RNA链链3-OH端，催化形成磷酸二酯键。端，催化形成磷酸二酯键。 RNA-DNA的杂交区的杂交区 53 杂交区结合不太牢固，解链后，杂交区结合不太牢固，解链后，DNA又恢复双螺旋结构又恢复双螺旋结构 683.终止终止 在在DNA分子上有引起终止转录的特殊碱基序列称为终止子分子上有引起终止转录的特殊碱基序列称为终止子 。分为依赖分为依赖因子型和非依赖因子型和非依赖因子型因子型以非依赖以非依赖因子型为例说明因子型为例说明695UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3 RNA 5 TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3 DNA UUUU. UUUU.5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3茎环茎环/发夹结构发夹结构70（三）转录后的修饰、加工（三）转录后的修饰、加工 转录中新合成的转录中新合成的RNA往往是前体分子，需要经过进一步的加工修饰，才转变为具往往是前体分子，需要经过进一步的加工修饰，才转变为具有生物学活性的、成熟的有生物学活性的、成熟的RNA分子，这一过程称为转录后修饰、加工。分子，这一过程称为转录后修饰、加工。 主要包括剪接、剪切和化学修饰三种加工方式。主要包括剪接、剪切和化学修饰三种加工方式。结合上方式，以加工结合上方式，以加工mRNA为例进行说明为例进行说明711mRNA的转录后加工的转录后加工 以真核细胞以真核细胞mRNA的加工为例，进行说明的加工为例，进行说明 真核细胞的真核细胞的mRNA由由RNA前体前体核内分子量较大而不均一的核内分子量较大而不均一的RNA(称为核称为核内不均一内不均一RNA，hnRNA)加工而成加工而成。分为剪接、加分为剪接、加“帽帽”、加多聚腺苷酸的、加多聚腺苷酸的“尾尾”、修饰、修饰 72剪接剪接 转录转录 外显子外显子1 1 内含子内含子外显子外显子2 2 5 5 3 3 5 5 3 3 3 3 5 5 外显子外显子1 1 外显子外显子2 2 核酸内切酶核酸内切酶RNARNA拼接酶拼接酶 内含子内含子DNA DNA 735加加“帽帽”5末端连接上一个末端连接上一个“帽子帽子”结构的结构的m7GpppmNP74加多聚腺苷酸的加多聚腺苷酸的“尾尾”3末端连接上一段约有末端连接上一段约有20200个腺苷酸的多聚腺苷酸（个腺苷酸的多聚腺苷酸（poly A）的）的“尾巴尾巴”结构结构 75修饰修饰核糖的核糖的2-羟基被甲基化羟基被甲基化76二、二、RNA的复制的复制某些病毒，噬菌体的遗传信息贮存在某些病毒，噬菌体的遗传信息贮存在RNA分子中，当它们进入宿主细胞后，靠复分子中，当它们进入宿主细胞后，靠复制而传代；制而传代；它们在它们在RNA指导的指导的RNA聚合酶催化下合成聚合酶催化下合成RNA分子，当以分子，当以RNA模板时，在模板时，在RNA复制酶作用下，按复制酶作用下，按53方向合成互补的方向合成互补的RNA分子分子 。RNA复制酶中缺乏校正功能，因此复制酶中缺乏校正功能，因此RNA复制时错误率很高复制时错误率很高 77