核酸的生物合成

这是一个关于核酸的生物合成的思维导图，主要内容有引入:中心法则、DNA的生物合成、基因工程简介、RNA的生物合成。

核酸的生物合成

• 引入：中心法则
  • 说明DNA、 RNA和蛋白质之间信息传递关系的法则。
  • DNA→ RNA→ Protein
• DNA的生物合成
  • DNA的复制
    • 定义
      • 以DNA双链为模板，按照碱基互补配对 原则，合成2个双链DNA分子的过程。
    • DNA生物合成的机理
      • RNA为引物
      • DNA为模板
    • DNA复制的基本规律
      • 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 条链是新合成的复制方式。
        • 生物学意义
          • 保持了生物遗传特性的相 对稳定性。
      • 复制的多模式
        • 在特定的部位开始，双向或单向进行
        • 能独立进行复制的单位称复制子
      • 复制需RNA为引物
      • 子链DNA延伸方向：5’→3’进行
      • 半不连续复制
        • 前导链（leading strand）：以3’ 5’的 亲代链为模板，子代链能连续合成
        • 滞后链（lagging strand）：以5’ 3’的 亲代链为模板，子代链不能连续合成
        • 冈崎片段（Okazaki fragment)：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’ 3’的方向连续合成，另一条则 按5’ 3’的方向不连续合成。
    • DNA复制中所需的酶和辅因子
      • DNA聚合酶
        • DNA聚合酶Ⅰ
          • 主要功能
            • 是负责DNA的损伤修复；在DNA 复制中，切除引物，填补空隙。
          • 5’—3’聚合酶活性：催化DNA链沿5’-3’方向延长, 形成3’,5’磷酸二酯键。
          • 3’—5’外切酶活性：能及时切除错配核苷酸
          • 5’—3’外切酶：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
          • 负责DNA的损伤修复
          • 具有 5’—3’聚合酶活性 3’—5’外切酶活性
        • DNA聚合酶Ⅲ
          • 催化大肠杆菌DNA复制的主要酶
          • 具有 5’—3’聚合酶活性 3’—5’外切酶活性
        • DNA聚合酶Ⅳ和Ⅴ
          • 当DNA受到严重损伤时，可诱导合成这2 种酶。它们能使修复缺乏准确性。
      • 真核细胞的DNA聚合E
        • 聚合酶α、δ和伽马：复制染色体DNA。聚合 酶α合成引物；而聚合酶δ和催化DNA的 合成，它们具有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解螺旋E
        • 催化DNA双螺旋解链
      • 单链结合蛋白
        • 稳定已被解开的DNA单链，阻止复 性和保护单链不被核酸E降解。
      • 拓扑异构酶
        • 控制DNA的拓扑结构
      • 引物酶
        • 以DNA为模板，以NTP为原料， 合成一小段RNA，作为合成DNA的引物
        • 在引物3’－OH端延伸新链的功能
        • 引 物 E 与 有 关 蛋 白 质 结 合 成 引 发 体
      • DNA连接E
        • 催化双链DNA中一条链上的缺口处 相邻3’-OH与5’-磷酰基之间形成磷酸酯键。
    • 原核生物DNA的复制过程
      • DNA复制的起始
        • Ecoli复制起始所需蛋白质的功能
      • DNA链的合成与延长
        • 先导链的延伸
        • DNA不连续链的合成
        • 链的终止
          • 新链与各自的模板链组成双螺旋
    • 确保DNA复制忠实性的机制
      • 1. 以亲代DNA单链为模板 2. 遵循碱基互补配对原则 3. DNA聚合酶Ⅰ和DNA聚合酶Ⅲ的选择和 校对作用 4. RNA引物的合成与切除 5. 依赖于核苷酸代谢库调节系统和体内多 种修复系统的校对机制
    • 真核生物的DNA复制
      • 染色质复制 真核细胞DNA复制在许多方面与大肠杆菌相似。
      • 端粒的复制
        • 真核生物线性染色体的两个末 端所具有特殊结构，由许多成串短的重 复序列组成
        • （1）稳定染色体末端结构，防止染色 体间末端连接 （2）保证线性DNA完整复制 （3）决定细胞寿命
  • 逆转录
    • 以RNA为模板合成DNA的过程称逆转录
    • 机理
    • 逆转录E（多功能E）
      • 依赖RNA的DNA聚合酶活性（ E1 ）
      • 具有核糖核酸酶H活性（ E2 ）
      • 依赖DNA的DNA聚合酶活性（ E3）
    • 逆转录过程
    • 艾滋病毒（HIV）
    • 人类嗜T细胞病毒
  • DNA的损伤修复
    • 直接修复
      • 光复活
        • 对细菌紫外诱变或杀灭时尽量保持暗环境
    • 切除修复（暗修复，excision repair) 涉及各类生物
      • 碱基切除修复
      • 核苷酸切除修复
      • DNA 错配修复
    • 重组修复
    • SOS修复
      • 诱导产生缺乏校对功能的DNA聚合E， 随机聚合核苷酸，避免死亡，但却带来 高突变率的修复过程。
  • DNA的突变
    • 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。
    • 突变的形式
      • 置换
        • a. 转换：G与A，C与T互变； b. 颠换：嘌呤与嘧啶互变。
      • 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
      • 缺失
        • 缺失一个or几个碱基对(不可逆)
• 基因工程简介
  • 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，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
    • 目的基因的制备
      • 1）直接分离法、基因文库分离法 2）利用PCR技术扩增 3）mRNA逆转录法 4）化学合成法
    • 重组载体的构建
      • 载体必须具有的性质
        • 自我复制
        • 分子量要小易于引入易于从宿主细胞 中分离和纯化
        • 具有适当的限制性内切酶位点
        • 具有可供选择的遗传标志
    • 将重组载体导入受体细胞
    • 目的基因的检测与鉴定
      • 常用重组载体对抗生素的抗 性进行筛选。
  • 基因工程的应用
    • 理论意义
      • 建立基因文库
      • 有利于高效表达
    • 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)1-2 mL 培养液; B. 不能制造血红蛋白,把基因”注入”骨髓 细胞
      • 工业上：环境的治理
• RNA的生物合成
  • 转录
    • 合成机理 在DNA指导下的RNA合成称为转录。
    • 转录单位：转录的起点至终点的序列， 可以是一个基因或多个基因
    • 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
    • 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。
  • 原核生物的转录
    • 原核生物RNA聚合E(α2ββ’σw）
    • 转录的模板
      • 启动子（promotor)： 模板DNA分子中，由RNA聚合E识别、 结合并确定转录起点的3’端特定序列。
        • 启动子结构的不对称性决定了转录的方向
        • 不同的σ因子识别不同的启动子
      • 终止子（terminator）： 模板DNA分子的5’端的转录终止信号。
    • 原核生物转录终止子有两种类型
      • 不依赖ρ因子的终止子
      • 依赖ρ因子的终止子
    • 转录过程
      • RNA聚合酶沿DNA链滑动，识别启动子。 打开螺旋，形成聚合酶-DNA-RNA复合体。
      • 复合体甩掉σ亚基，沿5`→3`转录RNA链
      • 识别终止子，结束转录，各自分离。
  • 真核生物中的转录
    • 真核生物中转录与翻译处在不同区域 转录在细胞核，翻译则在核外进行。
    • 转录后mRNA加工修饰不同
    • RNA聚合酶不同
    • 启动子不同
    • RNA转录后加工
      • 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。
      • tRNA前体的加工
      • rRNA前体的加工
  • RNA复制
  • 核酸合成的抑制剂

核酸的生物合成

• 引入：中心法则
  • 说明DNA、 RNA和蛋白质之间信息传递关系的法则。
  • DNA→ RNA→ Protein
• DNA的生物合成
  • DNA的复制
    • 定义
      • 以DNA双链为模板，按照碱基互补配对 原则，合成2个双链DNA分子的过程。
    • DNA生物合成的机理
      • RNA为引物
      • DNA为模板
    • DNA复制的基本规律
      • 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 条链是新合成的复制方式。
        • 生物学意义
          • 保持了生物遗传特性的相 对稳定性。
      • 复制的多模式
        • 在特定的部位开始，双向或单向进行
        • 能独立进行复制的单位称复制子
      • 复制需RNA为引物
      • 子链DNA延伸方向：5’→3’进行
      • 半不连续复制
        • 前导链（leading strand）：以3’ 5’的 亲代链为模板，子代链能连续合成
        • 滞后链（lagging strand）：以5’ 3’的 亲代链为模板，子代链不能连续合成
        • 冈崎片段（Okazaki fragment)：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’ 3’的方向连续合成，另一条则 按5’ 3’的方向不连续合成。
    • DNA复制中所需的酶和辅因子
      • DNA聚合酶
        • DNA聚合酶Ⅰ
          • 主要功能
            • 是负责DNA的损伤修复；在DNA 复制中，切除引物，填补空隙。
          • 5’—3’聚合酶活性：催化DNA链沿5’-3’方向延长, 形成3’,5’磷酸二酯键。
          • 3’—5’外切酶活性：能及时切除错配核苷酸
          • 5’—3’外切酶：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
          • 负责DNA的损伤修复
          • 具有 5’—3’聚合酶活性 3’—5’外切酶活性
        • DNA聚合酶Ⅲ
          • 催化大肠杆菌DNA复制的主要酶
          • 具有 5’—3’聚合酶活性 3’—5’外切酶活性
        • DNA聚合酶Ⅳ和Ⅴ
          • 当DNA受到严重损伤时，可诱导合成这2 种酶。它们能使修复缺乏准确性。
      • 真核细胞的DNA聚合E
        • 聚合酶α、δ和伽马：复制染色体DNA。聚合 酶α合成引物；而聚合酶δ和催化DNA的 合成，它们具有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解螺旋E
        • 催化DNA双螺旋解链
      • 单链结合蛋白
        • 稳定已被解开的DNA单链，阻止复 性和保护单链不被核酸E降解。
      • 拓扑异构酶
        • 控制DNA的拓扑结构
      • 引物酶
        • 以DNA为模板，以NTP为原料， 合成一小段RNA，作为合成DNA的引物
        • 在引物3’－OH端延伸新链的功能
        • 引 物 E 与 有 关 蛋 白 质 结 合 成 引 发 体
      • DNA连接E
        • 催化双链DNA中一条链上的缺口处 相邻3’-OH与5’-磷酰基之间形成磷酸酯键。
    • 原核生物DNA的复制过程
      • DNA复制的起始
        • Ecoli复制起始所需蛋白质的功能
      • DNA链的合成与延长
        • 先导链的延伸
        • DNA不连续链的合成
        • 链的终止
          • 新链与各自的模板链组成双螺旋
    • 确保DNA复制忠实性的机制
      • 1. 以亲代DNA单链为模板 2. 遵循碱基互补配对原则 3. DNA聚合酶Ⅰ和DNA聚合酶Ⅲ的选择和 校对作用 4. RNA引物的合成与切除 5. 依赖于核苷酸代谢库调节系统和体内多 种修复系统的校对机制
    • 真核生物的DNA复制
      • 染色质复制 真核细胞DNA复制在许多方面与大肠杆菌相似。
      • 端粒的复制
        • 真核生物线性染色体的两个末 端所具有特殊结构，由许多成串短的重 复序列组成
        • （1）稳定染色体末端结构，防止染色 体间末端连接 （2）保证线性DNA完整复制 （3）决定细胞寿命
  • 逆转录
    • 以RNA为模板合成DNA的过程称逆转录
    • 机理
    • 逆转录E（多功能E）
      • 依赖RNA的DNA聚合酶活性（ E1 ）
      • 具有核糖核酸酶H活性（ E2 ）
      • 依赖DNA的DNA聚合酶活性（ E3）
    • 逆转录过程
    • 艾滋病毒（HIV）
    • 人类嗜T细胞病毒
  • DNA的损伤修复
    • 直接修复
      • 光复活
        • 对细菌紫外诱变或杀灭时尽量保持暗环境
    • 切除修复（暗修复，excision repair) 涉及各类生物
      • 碱基切除修复
      • 核苷酸切除修复
      • DNA 错配修复
    • 重组修复
    • SOS修复
      • 诱导产生缺乏校对功能的DNA聚合E， 随机聚合核苷酸，避免死亡，但却带来 高突变率的修复过程。
  • DNA的突变
    • 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。
    • 突变的形式
      • 置换
        • a. 转换：G与A，C与T互变； b. 颠换：嘌呤与嘧啶互变。
      • 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
      • 缺失
        • 缺失一个or几个碱基对(不可逆)
• 基因工程简介
  • 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，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
    • 目的基因的制备
      • 1）直接分离法、基因文库分离法 2）利用PCR技术扩增 3）mRNA逆转录法 4）化学合成法
    • 重组载体的构建
      • 载体必须具有的性质
        • 自我复制
        • 分子量要小易于引入易于从宿主细胞 中分离和纯化
        • 具有适当的限制性内切酶位点
        • 具有可供选择的遗传标志
    • 将重组载体导入受体细胞
    • 目的基因的检测与鉴定
      • 常用重组载体对抗生素的抗 性进行筛选。
  • 基因工程的应用
    • 理论意义
      • 建立基因文库
      • 有利于高效表达
    • 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)1-2 mL 培养液; B. 不能制造血红蛋白,把基因”注入”骨髓 细胞
      • 工业上：环境的治理
• RNA的生物合成
  • 转录
    • 合成机理 在DNA指导下的RNA合成称为转录。
    • 转录单位：转录的起点至终点的序列， 可以是一个基因或多个基因
    • 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
    • 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。
  • 原核生物的转录
    • 原核生物RNA聚合E(α2ββ’σw）
    • 转录的模板
      • 启动子（promotor)： 模板DNA分子中，由RNA聚合E识别、 结合并确定转录起点的3’端特定序列。
        • 启动子结构的不对称性决定了转录的方向
        • 不同的σ因子识别不同的启动子
      • 终止子（terminator）： 模板DNA分子的5’端的转录终止信号。
    • 原核生物转录终止子有两种类型
      • 不依赖ρ因子的终止子
      • 依赖ρ因子的终止子
    • 转录过程
      • RNA聚合酶沿DNA链滑动，识别启动子。 打开螺旋，形成聚合酶-DNA-RNA复合体。
      • 复合体甩掉σ亚基，沿5`→3`转录RNA链
      • 识别终止子，结束转录，各自分离。
  • 真核生物中的转录
    • 真核生物中转录与翻译处在不同区域 转录在细胞核，翻译则在核外进行。
    • 转录后mRNA加工修饰不同
    • RNA聚合酶不同
    • 启动子不同
    • RNA转录后加工
      • 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。
      • tRNA前体的加工
      • rRNA前体的加工
  • RNA复制
  • 核酸合成的抑制剂