DNA、RNA和蛋白质的生物合成

DNA、RNA和蛋白质的生物合成吴菲菲2014.11.29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。DNARNA蛋白质转录反转录翻译复制复制1958年Crick将生物遗传信息的这种传递方式称为中心法则DNA的复制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。DNA的复制方式—半保留复制1958年M.Meselson和F.StahlRadioisotopelabelin（放射性同位素标记）anddensitygradient（密度梯度离心）centrifugationclearlydistinguishesreplicationsofsemiconservativefromconservative.半保留复制的实验证据随从链复制时必须等待模板链解开足够长度时，才能从5′→3′合成引物后开始复制。延伸时，又要等待下一段暴露出足够长的模板，才能再次合成引物而延长。岗崎片段复制的半不连续性参与DNA复制的酶类和蛋白质复制是酶催化下的核苷酸聚合过程，需要多种物质的共同参与：底物：dNTP（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）酶：DNA聚合酶模板：解开成单链的DNA母链引物：RNA，提供3’-OH末端其它酶和蛋白质因子：解螺旋酶、单链结合蛋白、拓扑异构酶、引物酶、DNA连接酶等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引物酶解螺旋酶聚合酶修复酶拓扑异构酶单链结合蛋白连接酶DNA的复制过程3.DNA聚合酶合成新的DNA链4.按碱基互补原理合成DNA链5.四种脱氧核苷三磷酸为底物6.释放焦磷酸7-12.DNA片段的合成和链的延伸13.连接酶14.单链结合蛋白15.拓扑异构酶16.DNA的复制逆转录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。RNA模板单链DNA双链DNADNA-RNA杂化双链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聚合酶活力反转录的生物学意义补充丰富了中心法则解释了致癌病毒引起癌细胞产生的机制RNA的生物合成转录转录（transcription）——DNA分子中的遗传信息转移到RNA分子中的过程。转录过程不对称转录：在DNA的两条多核苷酸链中只有其中一条链作为模板，这条链叫做模板链（templatestrand）。DNA双链中另一条不做为模板的链叫做编码链。RNA的复制在某些不含DNA，只含RNA的病毒和噬菌体中，其RNA既是遗传信息载体，又是信使，在感染寄主时，本身要复制。以RNA为模板合成RNA，由RNA复制酶催化，以RNA为模板，四种核苷三磷酸为底物，也需要Mg2+或Mn2+蛋白质的生物合成RNA在蛋白质生物合成中的作用1.mRNA的功能mRNA带有由DNA转录来的遗传信息，是蛋白质合成的模板。2.遗传密码（geneticcodes）遗传密码：指mRNA中碱基序列和蛋白质中氨基酸序列之间的相互关系。三联密码（tripletcode）：三个相邻的核苷酸代表一种氨基酸，该三核苷酸序列称为密码子（codon）。密码子的重要性质密码子间无间隔密码子不重叠；密码子的简并性；密码子的摆动性；密码的通用性；防错系统遗传密码终止密码子UAA、UGA、UAG起始密码子AUG、GUG2.tRNA的功能tRNA起运输氨基酸的作用反密码子（anticodon）：tRNA识别mRNA上的密码子的机构，可根据碱基配对规律识别相应的密码子。3.rRNA与核糖体rRNA与多种蛋白质组成核糖体，核糖体是蛋白质合成的加工厂。蛋白质生物合成过程蛋白质的合成需要近300种生物大分子参与，由ATP、GTP提供能量。蛋白质生物合成方向：由多肽链的氨基端开始，向羧基端方向逐步延伸。合成过程分为：氨基酸的活化与转移——准备阶段肽链合成的起始肽链的延长肽链的终止1.氨基酸的活化与转移tRNA携带并转运氨基酸，氨基酸的结合位点是tRNA3’-末端的-CCA-OH。氨基酸和tRNA在氨酰-tRNA合成酶的催化下合成氨基酰-tRNA。氨酰-tRNA合成酶具有绝对专一性，对氨基酸、tRNA两种底物都能高度特异性地识别。氨酰-tRNA合成酶氨酰基腺苷酸∣↓↘AMPtRNA氨酰-tRNA2.肽链合成的起始mRNA上的起始密码子多为：AUG少数为：GUG原核细胞以fMet-tRNAf为起点；真核细胞以Met-tRNA为起点SD序列：细菌mRNA翻译起始密码AUG的上游8~13个核苷酸之前有4~9个核苷酸组成的富含嘌呤的序列。这一序列以AGGA为核心，称之为SD序列。该序列与30s小亚基上16srRNA3’-端富含嘧啶序列结合，稳固了mRNA与小亚基的结合。因此又称为核蛋白体结合位点（ribosomalbindingsite，RBS）。甲酰甲硫氨酰－tRNA的合成甲酰甲硫氨酰tRNAf甲酰FH4甲酰基转移酶mRNA-30S-IF3－IF1复合物↓30S起始复合物（30S-mRNA-fMet-tRNAf-GTP-IF1-IF2）↓70S起始复合物（70S-mRNA-fMet-tRNAf）原核生物起始复合物的生成真核生物翻译起始的特点1.核蛋白体是80S(40S+60S)2.起始因子种类多3.起始tRNA的Met不需甲酰化4.帽子结合蛋白(CBP)促使mRNA与核蛋白体小亚基结合5.起始tRNA先与核蛋白体小亚基结合，然后再结合mRNA3.肽链的延长又称核蛋白体循环(ribosomalcycle)，每次循环包括：进位(entrance)成肽(peptidebondformation)移位(translocation)需要延长因子(EF)：原核：EF-T(EF-Tu，EF-Ts)、EF-G真核：EF-1、EF-2（一）进位氨基酰-tRNA根据遗传密码的指引，在GTP和EF-T的协助下，进入核蛋白体的A位。AUG5'?3'fM2（二）成肽转肽酶催化肽键的形成。fMAUG5'?3'2AUG5'?3'2fMOH（三）转位tRNA脱落的同时，核蛋白体向mRNA的3´-端移动一个密码子的距离。由EF-G中的转位酶催化，此步骤需1个GTP。AUG5'?3'2fMOHAUG5'?3'OH2fM3进位、成肽、转位重复进行，肽链则不断延长。在肽链延长过程中，除第一个肽键形成时,P位上是fMet-tRNA外，以后P位上总是肽酰-tRNA,A位总是新进位的氨基酰-tRNA，这就是P位和A位名称的由来。P位是转出肽酰基，又叫“给位”，A位是接受肽酰基，叫“受位”。4.肽链合成的终止1.RF与终止密码辨认结合2.肽链与tRNA分离3.tRNA、mRNA及RF从核蛋白体脱落5'?3'UAAnn-1RF5'?3'UAARFn-1nOH5'?3'OHRFRR蛋白质合成后的靶向输运蛋白质靶向运输（proteintargeting）:蛋白质合成后需定向地转运到其执行功能的目标地点。靶向输送是对分泌性蛋白质而言。分泌性蛋白质（secretoryproteins）：穿过合成所在的细胞到其它组织细胞去的蛋白质，可统称为分泌性蛋白质。例如各种肽类激素、各种血浆蛋白、凝血因子、抗体等。5'?3'PA位位氯霉素链霉素和卡那霉素嘌呤霉素四环素蛋白质生物合成的抑制剂1.四环素能与原核细胞核糖体上的30S亚基结合，阻断氨酰tRNA结合到A位。2.氯霉素能与原核细胞70S核糖体结合，抑制肽基转移酶所起的反应。3.链霉素、卡那霉素能与原核细胞核糖体上的30S亚基结合，导致tRNA的反密码子错读。4.嘌呤酶素能与核糖体的A位结合，妨碍氨酰tRNA结合到A位。