第十四章 　核酸和蛋白质的生物合成

第一节　 DNA 的生物合成 第二节　 RNA 的生物合成和加工 第三节　蛋白质的生物合成

DNA 的生成 DNA → DNA ： DNA 复制 DNA 聚合酶 RNA → DNA ： 反转录 逆转录酶

RNA 的生成 DNA → RNA: 转录 RNA 聚合酶 RNA → RNA ： RNA 复制 RNA 复制酶

第一节　 DNA 的生物合成

一、 DNA 的复制二、 RNA 的逆转录

一、 DNA 的复制

半保留复制复制子半不连续复制DNA 复制体系DNA 复制过程

（一）半保留复制

（二） 复制子复制子 : 基因组中能单独进行复制的单位。每个起始点到终止点的区域为一个复制子。 单复制子 : 　一般原核生物 DNA 多复制子：真核生物染色体 DNA ，具有多个复制起点

。　　　　　

起始点 (origin of replication, ori, O) （复制原点） : 复制子中控制复制起始的位点，富含 AT 。终止点：终止复制的位点。复制的方向：单向或双向

（ 5 ´→ 3´ ）

P408

复制叉 ( 生长点）

单向复制

双向复制

（三） DNA 的半不连续复制

滞后链

前导链

引物 RNA

冈崎片段

（四） DNA 复制体系　 413 页

底物： dNTP (dATP, dGTP, dCTP ,dTTP)

模板： 单链的 DNA

引物： 寡核苷酸引物（ RNA)

酶和蛋白质因子

DNA 复制中出现的酶

DNA 聚合酶– 以 4 种 dNTP 为底物– 反应需要接受 DNA 模板的指导 , 产物 DNA 的性质与模板相同– 反应需有引物 3 ’ － OH 的核酸链，不能催化游离的 dNTP 的聚合。

– 链生长方向　 5’→ 3 ’ DNA 连接酶（ ligase) 解螺旋酶（ helicase ） DNA 旋转酶（拓扑异构酶） 单链结合蛋白 引物合成酶 ( 引发酶， RNA 聚合酶， primase)

大肠杆菌中含有 5 种不同的 DNA 聚合酶

DNA 聚合酶ⅠDNA 聚合酶Ⅱ DNA 聚合酶ⅢDNA 聚合酶ⅣDNA 聚合酶Ⅴ

DNA 聚合酶

涉及 DNA 的错误倾向修复。当 DNA 受到严重损伤的时候，就可以诱导产生这两个酶，使修复缺乏准确性。出现高突变率。

P414

DNA 聚合酶Ⅰ

具有 DNA 聚合酶活性，可以使 DNA 链沿 5´→3´ 方向延长，它还具有 3´→ 5´ 核酸外切酶的活性，由 3´ 端开始水解 DNA 链；它具有它还具有 5´→3´ 核酸外切酶的活性，由 5´ 端开始水解 DNA 链；

5 3 ´ 核酸外切酶 聚合酶3 5 ´ 核酸外切酶

切除单链 DNA 的 3 ´ 末端核苷酸，对双链 DNA 不起作用

作用于双链 DNA 的碱基配对部分，从 5 ´ 端来水解寡核苷酸 双重校对

不是复制酶，而是修复酶

DNA 聚合酶Ⅱ

DNA 聚合酶Ⅱ是多亚基酶以 dNTP 为引物，从 5´→ 3´ 方向合成 DNA带有 3 ´→ 5 ´ 外切酶的活力，但是没有 5´→ 3´ 核酸外切酶的活力也是一种修复酶，而不是一种复制酶

DNA 聚合酶Ⅲ

是一个多亚基的酶（核心酶为 αεθ ）是 DNA 的复制酶在模板的指导下，以 dNTP 为底物，按照 5 ´→ 3´ 方向聚合 DNA , 具有 3´→5´ 外切核酸酶的活性，但是没有 5´ →3´核酸外切酶的活性。

大肠杆菌三种 DNA 聚合酶的性质比较

　 DNA 聚合酶Ⅰ DNA 聚合酶

ⅡDNA 聚合酶

Ⅲ亚基数目 1 >=7 >=10

3´→ 5´ 核酸外切酶 + + +

5´→ 3´ 核酸外切酶 + - -

聚合速度（核苷酸 /分） 1000-1200 2400

15000-60000

持续合成能力 3-200 1500>=50000

0

功能 切除引物、修复 修复 复制

（五） DNA 复制过程1. 大肠杆菌 起始阶段 复制的延伸 复制的终止

P421

2 真核生物

与原核生物复制的区别：

真核生物染色体有多个复制起点

真核生物的复制速度要慢于原核生物

真核生物染色体在全部复制完成之前不再从新开始复制。

DNA 聚合酶 α 、 β 、 γ 、 δ 、 ε

二、 RNA 的逆转录（ RNADNA ）

以 RNA 为模板合成 DNA 的过程叫做逆转录。 逆转录酶 (reverse transcriptase, RT) 是个多功能酶：

逆转录活性： cDNA: 合成出的相应于一定 mRNA 的互补 DNA 。 RNase H 活性： DNA 聚合酶活性：

常用的逆转录酶有两种： 来自鸟类成髓细胞瘤逆转录病毒称为 AMV-RT ； 来自鼠白血病毒称为 MMLV-RT 。

RT 的发现对于遗传工程技术起了很大的推动作用，它已成为一种重要的工具酶。用组织细胞提取 mRNA ，在反转录酶的作用下，合成出 cDNA ，由此可构建出 cDNA 文库，从中筛选特异的目的基因，这是在基因工程技术中最常用的获得目的基因的方法。

P493

第二节　 RNA 的生物合成和加工

• RNA 复制

• 转录

一、 RNA 的复制RNA 复制酶以病毒 RNA 做模板，再由 4 种核苷三磷酸和镁离子存在的时候合成与模板性质相同的 RNA

互补互补 RNARNA 链链

病毒病毒 RNARNA

复制复制RNARNA 复制酶复制酶

新病毒新病毒 RNARNA

复制复制

翻译翻译病毒蛋白病毒蛋白

组装成新病毒组装成新病毒

二、转录

以 DNA 为模板，按碱基配对原则把 DNA 的序列信息抄录给 RNA ，在 RNA 聚合酶的参与下合成 RNA 链。RNA 聚合酶

无 3´ － 5’ 外切酶活性，不需引物；需 DNA 模板，以 NTP （ ATP 、 GTP 、 CTP 、 UTP ）为底物， RNA 链生长方向： 5’→3’ 转录过程：

模板识别、转录的起始、转录的延伸、转录终止

核心酶（ α2ββ ’ ）全酶 σ 亚基

模板识别： RNA 聚合酶在 σ 亚基引导下结合到启动子上 双链 DNA 解开

转录的起始：在模板上合成最初 RNA（ 2-9bp ）

转录的延伸：核心酶向前移动， RNA链延长

转录终止： 聚合酶达到转录终点

RNA 和聚合酶从 DNA 上脱落

三、 RNA 转录后的加工　 472 页

1. 原核生物中 RNA 的加工　2. 真核生物中 RNA 加工

1. 原核生物中 RNA 的加工

(1)rRNA 前体的加工：甲基化修饰核酸内切酶消化 核酸外切酶消化

(2)tRNA 前体的加工： 核酸内切酶在 tRNA 的两端切开 核酸外切酶从 3’ 端逐个切除附加序列，进行修剪 在 tRNA 的 3’ 端加上－ CCAOH 核苷的修饰

（ 3 ） mRNA 前体的加工： 大多不需加工，一经转录即可翻译，但也有少数需将多顺反子加工成较小单位。

原核生物 rRNA 前体的加工

RNaseⅢ、 RNase E 切割

甲基化修饰

外切酶切割

核酸内切酶在 tRNA 的两端切开

核酸外切酶从 3’ 端逐个切除附加序列，进行修剪AC

C

核苷酰转移酶在 tRNA 的 3’ 端加上－ CCAOH

核苷的修饰

2. 真核生物中 RNA 的加工rRNA 前体的加工 :tRNA 前体的加工：mRNA 前体（ hnRNA) 的加工

5’ 端形成特殊的帽子结构 在 3’ 端切断并加上一个 poly(A) 的尾巴； RNA 的拼接、编辑和再编码 mRNA 内部甲基化

一、遗传密码二、蛋白质合成的分子基础三、翻译的步骤四、蛋白质的运输及翻译后修饰

第三节　蛋白质的生物合成

1. 遗传密码编码氨基酸的核苷酸序列。反映的是核酸中的核苷酸残基序列与蛋白质中的氨基酸残基序列之间的对应关系。基本单位为三联体密码子

通用遗传密码表

一、遗传密码

2. 遗传密码的基本特性　

密码的简并性 密码的变偶性 密码子通用性和变异性 密码的无标点性、无重叠性 密码具有防错系统

P 513 页

密码的简并性

同一种氨基酸有两个或者更多的密码子的现象称为密码子的简并性。对应于同一种氨基酸的不同密码子称为同义密码。意义

P512

mRNA 上 密码子专一性取决于前两位碱基，且与 tRNA 上 反密码子配对是严格的，第三位碱基可有一定的变动，此现象称。。。

密码的变偶性 P512

UAAGUA

密码子通用性和变异性

密码子的通用性是指各种低等和高等动物，包括病毒细菌和真核生物，公用一套遗传密码。变异性：线粒体 DNA 以及一些生物中的编码违背了遗传密码的通用性

P513

密码子 通常情况下可编码的 线粒体 DNA 所编码的

UGA 终止信号 色氨酸AUA 异亮氨酸 甲硫氨酸AGA 精氨酸 终止信号AGG 精氨酸 终止信号

mRNA 是蛋白质合成的模板 tRNA 转运活化的氨基酸至 mRNA 模板上核糖体是蛋白质合成的工厂

　二、蛋白质合成的分子基础

2 tRNA 转运活化的氨基酸至 mRNA 模板上

氨基酸接受臂：接受活化氨基酸 二氢尿嘧啶环：与氨酰 tRNA 合成

酶的结合有关 反密码环：反密码子可以识别信使

RNA 中的密码子 额外环：是分类的指标 TψC 环：与核糖体的结合有关

书写：tRNA

Phe

3‘5‘

5‘

3‘

Phe

123

1 2 3

氨基酸接受臂

3 核糖体是蛋白质合成的工厂

核糖体由大、小两个亚基组成 (蛋白质和 rRNA) 原核生物：30S 50S

真核生物：40S 60S

有容纳 mRNA 的通道 A 位（氨酰基位点）、 P 位（肽酰基位

点） 能结合起始、延长及终止因子等。 有转肽酶活性，催化肽键形成

多核糖体

在一条 mRNA 链上常结合有多个核糖体，呈串珠状排列，同时进行多肽链的合成。

三、翻译的步骤

1. 氨酰 -tRNA 的形成2. 在核糖体上合成蛋白质

mRNA 上的阅读方向：从 mRNA 的 5’ 端→ 3’ 端进行。 肽链延伸的方向：从 N 端→ C 端

+

氨酰 tRNA 合成酶 氨基酸 + ATP + tRNA → 氨酰 -tRNA + AMP + PPi

氨基酸 + ATP → 氨酰 -AMP + PPi 氨酰 -AMP + tRNA → 氨酰 - tRNA + AMP

1. 氨酰 -tRNA 的形成

2. 在核糖体上合成蛋白质

起始：起始复合物的形成，在起始密码处开始。 延长：进位、转肽、移位 终止：到终止密码释放肽链。

全程总结

原核生物翻译起始复合物形成

IF-1 、 IF-2 、 IF-3 （ initiation factor ， IF ） IF-1 ：促进小亚基与 mRNA 结合，结合在 A 位点，阻止氨

酰 -tRNA 进入 IF-2 ：促进小亚基与 fMet-tRNA 结合 IF-3 ：促进 30S 与 50S 分开，促进小亚基结合 mRNA

过程 核蛋白体大小亚基分离； mRNA 在小亚基定位结合； 起始氨酰 -tRNA 的结合； 核蛋白体大亚基结合。

IF-3IF-1

A U G5' 3'

IF-2 GTPIF-2 -GTPGDP

Pi

核蛋白体大小亚基分离；mRNA 在小亚基定位结合；起始氨酰 -tRNA 的结合； 核蛋白体大亚基结合。

过程 :

真核生物翻译起始复合物形成

需要更多的蛋白因子（ eIF ）参与

肽链合成延长

在核蛋白体上连续性循环式进行，每次循环增加一个氨基酸： 进位 转肽 移位

延伸过程所需蛋白因子称为延长因子 (elongation factor, EF)

原核生物： EF-Tu ：

促进氨基酰 -tRNA 进入 A 位

EF-Ts ：

负责催化 EF-Tu-GTP 形成

EF-G ：

转位酶活性，促进 mRNA- 肽酰 -tRNA 由 A 位移到 P 位

真核生物： EF-1 、 EF-2

肽酰转移酶

a 进位根据 mRNA 下一组遗传密码指导，使相应氨酰 -tRNA 进入核蛋白体 A 位。涉及到的延伸因子： EF-Tu 、 EF-Ts

Tu TsGTP

GDP

A U G5' 3'

Tu

Ts

GTP

b 转肽是由肽酰转移酶催化的肽键形成过程。 P 位的 t

RNAimet 的酰基与 A 位上的 AA-tRNA 的氨基形成肽

键。

P 位 A 位AUGAUG

c 移位

延长因子 EF-G 有转位酶 ( translocase )活性，可结合并水解 1 分子 GTP ，促进核蛋白体向 mRNA 的 3' 侧移动 。

延长因子 EF-G 有移位酶活性，可结合并水解 1 分子 GTP ，促进核蛋白体向 mRNA 的 3´ 侧移动

fMet

A U G5' 3'

fMet

Tu GTP

进位

移位

转肽

进位 转肽 移位进位 转肽 移位

真核生物延长过程

终止

需要释放因子（ release factor ， RF ）在 mRNA 上识别终止密码子水解所合成的肽链与 tRNA 间的酯键而释放出新生的蛋白质。

起始：起始复合物的形成，在起始密码处开始。IF-1 ：促进小亚基与 mRNA 结合，结合在 A 位点，阻止氨酰 -tRNA 进入IF-2 ：促进小亚基与 fMet-tRNA 结合IF-3 ：促进 30S 与 50S 分开，促进小亚基结合 mRNA延长：进位 EF-Tu ：促进氨基酰 -tRNA 进入 A 位 EF-Ts ：负责催化 EF-Tu-GTP 形成转肽： 肽酰转移酶（实质是酰键变肽键）移位 EF-G ：转位酶活性，促进 mRNA- 肽酰 -tRNA 由 A 位移到 P 位终止：到终止密码释放肽链。

四、蛋白质的运输及翻译后修饰信号肽：由起始 AUG翻译出的甲硫氨酸逐个往羧基末端延伸至 20肽左右的片断。信号识别体 (signal recognition particle, SRP) ：与信号肽结合。负责将新生肽移至内质网，进行加工。SRP 受体：即停泊蛋白

分泌蛋白形成被膜包裹的小泡

高尔基体

细胞表面

对糖蛋白上的寡聚核苷酸做进一步的修饰和调整将各种多肽进行分类并送往溶酶体分泌粒和质膜等目的地

转运

转运 转运

溶酶体

转 运

其他目的地

蛋白质的转运机制

翻译 - 转运同步机制 翻译后转运机制蛋白性质 运转机制 主要类型

分泌 蛋白质在结合核糖体上合成，并以翻译 -转运同步机制运输（靠信号肽共转移，边合成边转

移）

免疫球蛋白、卵蛋白、水解酶、激素等

细胞器发育 蛋白质在游离核糖体上合成以翻译后转运机制运输 （靠导肽后转

移））

核、叶绿体、线粒体、乙醛酸循环体、过氧化物酶体等细胞器中的蛋白质

膜的形成 两种机制兼有 质膜、内质网、类囊体中的蛋白质

　重点

复制子、冈崎片段、 DNA 的半保留复制、半不连续复制、逆转录、转录、 cDNA 、信号肽原核生物 DNA 复制有关的酶及蛋白质因子 蛋白质合成的基本步骤遗传密码的特点