第九章 核酸的生物合成
I 主要内容
一、DNA的半保留复制
复制时DNA的两条链分开，分别作模板合成新链形成两个DNA 新链。 1．复制子和复制方式
基因组中能够独立进行复制的单位称为复制子，每个复制子都含有复制起点和终点。复制方向大多数是定点双向，起点一个或多个，因此在复制的部位形成叉形，称为复制叉。滚筒式复制是单向复制的特殊方式。
2．参与复制的酶和蛋白质因子
（1）DNA聚合酶：①原核细胞：DNA聚合酶I、II和III，其中DNA聚合酶III真正具有合成新链的复制作用。②真核细胞：DNA聚合酶α、β、γ、δ，其中DNA聚合酶α真正具有合成新链的复制作用。
(2)DNA连接酶：催化双链DNA切口处5′- 磷酸基和3′-羟基生成磷酸二酯键的酶。 连接酶作用的过程中，在原核细胞中以NAD+提供能量，在真核细胞中以ATP提供能量。
（3）拓扑异构酶：拓扑异构酶I消除DNA的负超螺旋，改变DNA的超螺旋数；拓扑异构酶II引入负超螺旋，消除复制叉前进带来的扭曲张力。
（4）引物合成酶：催化RNA引物的合成，作用时该酶与另外6种蛋白结合形成引发体。 （5）DNA单链结合蛋白(SSB)：与DNA分开的单链结合防止双链重新结合。 3．复制的方向：5′- 3′
4．复制的过程：双链解开；RNA引物的合成；DNA新生链的延长；切除RNA引物，填补缺口连接相邻的DNA片段；切除与修复错配碱基。
二、DNA的损伤与修复
紫外线、电离辐射和化学诱变剂等理化因素可以导致DNA产生损伤，严重者可以导致生物死亡。DNA损伤的修复方式主要有光复活、切除修复和重组修复和应急反应(SOS)。
三、逆转录酶
逆转录酶是依赖RNA的DNA聚合酶，催化以RNA为模板的DNA合成，是多功酶。 四、RNA的生物合成——转录 1．RNA聚合酶
原核细胞的RNA聚合酶的全酶由五个亚基(α2β2σ)组成，没有σ亚基的酶为核心酶。σ因子的功能是使RNA聚合酶与DNA结合，核心酶可以使已经开始的转录过程完成。真核细胞的RNA聚合酶，根据对α-鹅膏蕈碱的敏感性分为三类：RNA聚合酶A、B和C。A对α-鹅膏蕈碱不敏感，B对低浓度的敏感，C对高浓度的敏感。
2．录启动和终止的调节
启动子和启动因子：从转录起点向上的第十个核苷酸(-10)处有TATAAT保守序列，是RNA聚合酶识别和结合的部位；另一个保守序列TTGACA中心位于-35处，是RNA聚合酶的识别信号。
终止子和终止因子：终止子位于已转录的RNA序列中，它使RNA聚合酶在模板上的移动减慢RNA的合成停止，终止因子有依赖和不依赖ρ因子两种。
3．录的过程和调节。
4．转录后加工：tRNA、mRNA和rRNA的前体通过剪接、拼接和甲基化等方式进行加工。
II 习 题
一、 解释名词 1．密码子： 4．基因重组： 2．逆转录： 5．不对称转录： 3．中心法则： 6．冈崎片段： 二、是非题: 判断下列每句话的意见正确与否，对的画“√”，错的画“×”，并说明理由。 1．所有核酸的复制过程中，新链的形成都必须遵循碱基配对的原则。
2．原核细胞的每一个染色体只有一个复制起点，而真核细胞的每一个染色体就有许多个复制起点。 3．细胞中，DNA链延长的速度随细胞的培养条件而改变。 4．所有核酸合成时，新链的延长方向都是从5′- 3′。 5．抑制RNA合成酶的抑制剂不影响DNA的合成。
6．在E.coli细胞和真核细胞中都是由DNA聚合酶I切除RNA引物。
7．缺失DNA聚合酶II的E.coli突变株，可以正常地进行染色体复制和DNA修复合成。 8．在真核细胞中，三种主要RNA的合成都是由一种RNA聚合酶催化。 9．大多数mRNA 5′-端都是由嘧啶核苷酸起始的。 10．真核细胞的mRNA两个末端都有3- OH基团。
11．无论是在原核或真核细胞中，大多数mRNA都是多顺反子的转录产物。 12．一段人工合成的多聚尿苷酸可自发形成双螺旋。 三、填空题
1. mRNA前体的加工一般要经过 、在5′-端 和在3′-端 三个步骤。
2．逆转录酶是催化以 为模板，合成 的一类酶，产物是 。 3．核糖体的 亚基上含有与mRNA结合的位点。 4．RNA聚合酶复合物中的?因子具有 作用。
5．DNA双链中编码链的一段核苷酸顺序是pCpTpGpGpApC，转录的mRNA顺序应该是 。
6．每个冈崎片段是借助连在它 端的一小段 引物，每个冈崎片段的增长都是由 端向 端延伸。
7．DNA复制时，前导链的合成是 的，复制方向与复制叉移动方向 ，后随链的合成是 的，复制方向与复制叉移动的方向 。
8．在真核细胞的DNA切除修复过程中，受损伤的碱基可由 切除，并由 和 共同作用将缺失的碱基补上。
9．在实验室使用的大多数诱变剂都是属于 诱变，而大多数致癌物质都是属于 诱变。
10．在线粒体中的环状基因组是通过 合成方式复制。
四、选择题
1．下列何者是DNA复制的底物?
A ATP B dUTP Ｃ dTTP Ｄ dGDP 2．下列何者是DNA的基本单位?
Ａ dAMP Ｂ dUTP Ｃ dTTP Ｄ dGDP 3．下列有关DNA聚合酶III的论述，哪一项是错误的? Ａ 是复制酶 Ｂ 有5′-3′聚合活性
Ｃ 有3′-5′外切酶活性 Ｄ 有5′-3′，外切酶活性 4．下列有关DNA聚合酶I的论述，哪一项是错误的?
Ａ 是复制酶，又是修复酶 Ｂ 有3′-5′外切酶活性
Ｃ 有5′一3′聚合活性 Ｄ 没有5′-3′，外切酶活性 5．下列有关DNA复制的论述，哪一项是正确的?
Ａ 领头链是不连续合成的 Ｂ 随从链是连续合成的 Ｃ 新链合成的方向与复制叉前进方向相同者，称领头链 Ｄ 新链合成的方向与复制叉前进方向相反者，称领头链 6．下列与DNA解链无关的是：
Ａ 单链DNA结合蛋白 Ｂ DNA Helicase Ｃ DNA旋转酶 Ｄ DNA酶
7．下列哪一项属于DNA自发损伤?
Ａ DNA复制时碱基错配 Ｂ 紫外线照射DNA生成嘧啶二聚体 Ｃ x－射线间接引起DNA断裂 Ｄ.亚硝酸盐使胞嘧啶脱氨 8．下列哪一项引起DNA移码突变?
Ａ DNA中的腺嘌呤转换为鸟嘌呤 Ｂ DNA中的胞嘧啶转换为尿嘧啶 Ｃ DNA中的鸟嘌呤颠换为胸腺嘧啶 Ｄ DNA链缺失一个核苷酸 ９．下列有关反向转录的论述，哪一项是错误的?
Ａ 以DNA为模板合成cDNA Ｂ 合成的双链DNA称为前病毒 Ｃ 逆转录酶既催化cDNA的合成又催化模板RNA水解 Ｄ 引物不是以病毒DNA为模板合成的
10．下列有关真核生物转录的论述，哪一项是正确的?
Ａ 利福霉素及利福平可抑制其RNA聚合酶 Ｂ 利福平与σ亚基结合
Ｃ 不作为转录模板的DNA链称为编码链 Ｄ 启动子通常位于结构基因的下游
11．在E.co1i细胞中DNA聚合酶I的作用主要是：
A DNA复制 B DNA合成的起始
C 切除RNA引物 D 冈崎片段的连接 12．5—氟尿嘧啶是经常使用的诱变剂，它的作用是：
A 在DNA复制时，可引入额外的碱基。
B 取代胸腺嘧啶核苷酸到新合成的DNA分子中，在新链DNA复制时产生错配碱基 C 使腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶脱氨。 D 参入RNA导致密码子错位。
13．小白鼠的基因组比E.co1i的基因组长600多倍，但是复制所需要的时间仅长10倍因为：
A 染色质蛋白加速小白鼠DNA的复制。 B 在细胞中小白鼠基因组不全部复制。
C 小白鼠DNA聚合酶合成新链的速度比E.co1i DNA聚合酶快60倍。
D 小白鼠基因组含有多个复制起点，E.co1i的基因组只含有一个复制起点。 14．细菌DNA复制过程中不需要：
A 一小段RNA作引物 B DNA片段作模板
C 脱氧三磷酸核苷酸 D 限制性内切酶的活性 15．利用逆转录酶进行复制的动物病毒带有：
A 单链线形RNA B 单链线形DNA
C 双链线形DNA D 双链共价封闭环形DNA · 16．下列物质可以作为逆转录病毒进行逆转录引物的是：
A 特异性的寄主tRNA B 特异性的寄生蛋白 C U6snRNA D U2snRNA
17．参与DAN复制的酶和蛋白质因子包括：⑴DNA聚合酶III；⑵解链蛋白和解旋蛋白；⑶DNA聚合酶I；⑷RNA聚合酶；⑸DNA连接酶。它按如下顺序工作。
A ⑷、⑶、⑴、⑵、⑸； B ⑵、⑶、⑷、⑴、⑸； C ⑷、⑵、⑴、⑸、⑶； D ⑷、⑵、⑴、⑶、⑸； E ⑵、⑷、⑴、⑶、⑸。
18．DNA半保留复制时，如果一个完全放射标记的双链DNA分子在不含放射物的溶液中复制两轮，共产生四个DNA分子，其放射性为：
A 半数分子无放射性； B 所有分子都有放射性；
C 半数分子的两条链有放射性; D 一个分子的两条链都有放射性；
E 都无放射性。
19．大肠杆菌DNA连接酶的催化活性是：
A.在双螺旋DNA一条链断开处形成磷酸二酯键； B.催化两条游离的单链DNA分子形成磷酸二酯链；
C.以DNA作能源； D 以ATP作能源。 20．配伍酶促反应：
A DNA聚合酶Ⅲ； B DNA聚合酶I； C 引发酶；
⑴引物RNA合成； ⑵DNA复制； ⑶切除引物RNA； ⑷损伤DNA的暗修复。 五、问答与计算
1．简述原核细胞内DNA聚合酶的种类和主要功能。
2．如何用实验证实在复制叉区域存在许多小片段(Okazaki片段)?
3．每次DNA合成的起始需要一小段RNA作引物，E.co1i RNA聚合酶受利福平的抑制。 (1)把利福平加到正在进行对数生长的E.co1i群体中，对DNA复制会产生什么影响? (2)如果将E.co1i在缺乏某种生长必需因子的培养基中饥饿两小时，然后再加入这种生长必需因子和利福平，对DNA复制会产生什么影响?
5．组织培养产生的哺乳动物细胞系的细胞中，每个DNA长1.2m，这些细胞生长周期中的S期长达5小时，如果这种细胞DNA延长的速度与E.co1i相同，即16μm／min，那么染色体复制时需要有多少复制叉同时运转?
6．如果E.co1i的DNA长度为1100μm，复制一代大约需要40分钟通过一个复制叉完成，求复制体的链增长速度和DNA螺旋的旋转速度是多少(以每分钟的转数表示)
第十章 蛋白质的生物合成
I 主要内容
本章重点讲了蛋白质合成组成体系及蛋白质合成机制两方面问题。
基因有两种功能，一个是复制的功能，一个是表达的功能。通过复制，亲代的遗传信息可以传递到子代，使子代获得和亲代完全相同的遗传信息，而传到子代的遗传信息只有通过基因的表达，才有可能使子代获得和亲代相同的遗传性状。蛋白质的生物合成涉及mRNA、tRNA、rRNA三种RNA分子及许多的蛋白质因子共同作用。
一、mRNA与遗传密码
mRNA分子上特定的核苷酸顺序就是蛋白质合成所需全部信息的直接来源。通常人们将mRNA分子上核苷酸顺序与蛋白质分子中氨基酸排列顺序间的对应关系称为遗传密码，mRNA分子中顺序相连的三个核苷酸可以代表一个特定的氨基酸或其它的含义称密码子或三联体密码。遗传密码具有通用性、兼并性、方向性和无间隔性、专门的起始密码和终止密码等特性。
二、rRNA及核糖体
核糖体是蛋白质合成的部位，它由约60% 蛋白质和40%的RNA组成；核糖体上有许多与蛋白质合成有关的功能部位，主要包括A-位（氨酰-tRNA结合部位）、P-位（起始氨酰-tRNA及正在延长中的肽酰 基的结合部位）、肽酰转移酶部位、EF-Tu等功能位点或部位。
三、tRNA
tRNA在蛋白质的合成中起活化氨基酸的载体及遗传密码的解读功能。tRNA上的-CCA部位是氨基酸携带位点，D- 环是氨酰-tRNA 合成酶识别位点，T?C- 环是核糖体附着位点，反密码环则是密码子的识别位点。
四、蛋白质生物合成的分子机制
蛋白质的合成过程可以分成AA活化、肽链合成的起始、延长、终止、肽链的合成后加工五个阶段。 （一）氨基酸的活化
（二）核糖体上肽链的合成
肽链合成的起始、延长和终止三个阶段均在核糖体上进行。
1．肽链合成的起始
肽链合成的起始需要70S核糖体、甲酰甲硫氨酰-tRNAfMet、mRNA、起始因子及GTP参加。 2. 肽链的延长
肽链的延长涉及进位、转肽、移位三个不断重复的反应步骤：（1）进位 与A-位密码子对应的氨酰-tRNA进入A-位的作用；（2）转肽 位于P-位的甲酰甲硫氨酰基或正在延长之中的肽基会转移到A-位以其羧其和新进入的氨基酸的氨基形成肽键，催化这个反应的酶是肽基转移酶；（3）移位 原来位于P位的空载的tRNA从核糖体上释放出来，核糖体在延伸因子G（移位酶）作用下，沿mRNA的5′→3′方向相对移动一个密码子单位。 3．肽链合成的终止和释放 （1）终止密码进入A-位。（2）终止因子进入A位，识别终止密码，RF1识别UAA、UAG，RF2识别UAA、UGA，使肽基转移酶活力转变成酯酶活性，使肽链羧基与tRNA羟基间的酯键水解，释放出来。 （三）多肽的合成后加工 1.多肽合成后的定向运输
蛋白质在核糖体上合成后要根据其需要被运输到相应的部位发挥作用，不同部位的蛋白质可以不同的方式进行合成及运输。 2.蛋白质的合成后加工
许多蛋白在刚由核糖体合成时往往没有活性，还需要有一个合成后加工过程。
蛋白质空间结构的形成主要取决于蛋白质中氨基酸的排列顺序和蛋白质所外的环境条件。除此之外，某些生物体内蛋白质精确空间结构的形成，可能还需要某些蛋白质的辅助作用，这些蛋白质称为分子伴侣或监护蛋白。
（四）GTP在蛋白质合成中的作用及能量消耗
GTP在蛋白质合成中最主要的作用是能量的供应，在蛋白质的合成中，氨基酸活化、进位、移位、肽链合成的起始及终止均需要消耗能量，每加入一个氨基酸活化至少需要消耗4n个高能键。 （五）蛋白质合成的抑制剂
五、真核生物与原核生物蛋白质合成的差异
II 习 题
一、 名词解释 1．遗传密码： 2．变偶假说： 3.翻译： 4.简并密码： 二、 是非题: 判断下列每句话的意见正确与否，对的画“√”，错的画“×”，并说明理由。
1．蛋白质中氨基酸的排列顺序是在合成过程中由氨基酸与mRNA模板上的密码之间的互补作用决定的。 2．mRNA只有当自身完成时，才能指导蛋白质合成，因为起始多肽合成的核糖体结合点总是靠近mRNA最后被合成的那一端。
3.活化一分子氨基酸参入多肽链，需要两个高能键，因为一分子ATP转变成AMP和PPi，PPi水解为2Pi时推动反应向右方进行。
4.密码子AGA突变成CGA将导致错义。
5.蛋氨酸tRNA的密码子既可以是UAU，也可以是CAU。
6.在一个基因内，总是利用同样的密码子编码一个给定的氨基酸。 7．fMet-tRNAtfMet是由对fMet专一的氨酰tRNA合成酶催化形成的。 8．一条新链合成开始时，fMet-tRNAtfMet与核糖体的A位结合。
9．每一个相应的氨酰-tRNA与A位点结合，都需要一个延伸因子参加并需要消耗GTP。 10．蛋白质合成时从mRNA的5′-3′端阅读密码于，肽链的合成从氨基端开始。 11．tRNAtMet反密码子即可以是pApUpG也可以是pGpUpA。 、
12．人工合成一段多聚尿苷酸作模板进行多肽合成时，只有一种氨基酸参入。
13．氨酰-tRNA上的反密码子与mRNA的密码子相互识别，以便把它所携带的氨基酸连接在正确位置