第十章RNA的生物合成

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1、商洛職業(yè)技術(shù)學(xué)院教案教案首頁 課程名稱 生物化學(xué) 序次 19 專業(yè)班級 2009級護(hù)理 授課教師 王文玉 職稱 副教授 類型 理論 學(xué)時(shí) 2 授課題目 (章,節(jié)) 第十章 RNA的生物合成 第一節(jié) 參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì) 第二節(jié) 轉(zhuǎn)錄過程 第三節(jié) 真核生物轉(zhuǎn)錄后的加工修飾 教學(xué)目的 與要求 掌握：轉(zhuǎn)錄的概念；轉(zhuǎn)錄的不對稱性；原核生物 RNA 聚合酶的組成和各亞基的功能。 熟悉：熟悉真核生物RNA 聚合酶的類型與功能，結(jié)構(gòu)基因、模板鏈和編碼鏈的含義；幾種RNA 轉(zhuǎn)錄后加工修飾；核酶概念。 了解：轉(zhuǎn)錄的特點(diǎn)；RNA 轉(zhuǎn)錄過程。 教學(xué)重

2、點(diǎn) 1. 轉(zhuǎn)錄的概念；轉(zhuǎn)錄的不對稱性 2．真核生物轉(zhuǎn)錄后的加工，重點(diǎn)介紹mRNA轉(zhuǎn)錄后的加工特點(diǎn) 3．原核生物 RNA 聚合酶的組成和各亞基的功能。 教學(xué)難點(diǎn) 1. 真核生物RNA 聚合酶的類型與功能 2．幾種RNA 轉(zhuǎn)錄后加工修飾 3．RNA 轉(zhuǎn)錄過程。 教學(xué)方法和手段 課堂講述和多媒體教學(xué)相結(jié)合 復(fù)習(xí)內(nèi)容 1．生物學(xué)的中心法則 2．DNA的復(fù)制過程 3．DNA的復(fù)制過程中的有關(guān)酶（5分鐘） 使用教材 全國醫(yī)藥類高職高專“十二五”規(guī)劃教材《生物化學(xué)》邱烈 王文玉主編，第四軍醫(yī)大學(xué)衛(wèi)生出版社， 2010年1月第1版。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)為本校自編《生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》。 教

3、 案 續(xù) 頁 基 本 內(nèi) 容 輔助手段和時(shí)間分配 第十章 RNA的生物合成 生物體以DNA為模板合成RNA的過程稱為轉(zhuǎn)錄或基因轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄是基因表達(dá)的重要環(huán)節(jié)，是合成RNA的主要方式，少數(shù)生物以RNA復(fù)制的方式合成RNA。經(jīng)轉(zhuǎn)錄生成的各種RNA均是其前體，必須經(jīng)過加工修飾才能成為具有生物活性的RNA。 轉(zhuǎn)錄和復(fù)制都是由酶催化的核苷酸聚合過程，他們有許多相似之處，如：都以DNA為模板；都需要依賴DNA的聚合酶；聚合過程都是核苷酸之間形成磷酸二酯鍵；都從5′→3′方向延伸合成新鏈；都遵循堿基配對原則等。但它們之間又有區(qū)別： 表10-

4、3 復(fù)制與轉(zhuǎn)錄的區(qū)別 復(fù) 制 轉(zhuǎn) 錄 模板使用 合成原料 合成酶類 堿基互補(bǔ) 起始物質(zhì) 合成方式 合成產(chǎn)物 兩條全用、全部用完、參與子代 dATP dGTP dCTP dTTP 多酶催化 DDDP A-T、G-C RNA引物 3′-OH 半保留復(fù)制、半不連續(xù)復(fù)制 子代雙鏈DNA 只用一條、只用一段、反復(fù)使用 ATP GTP CTP UTP 單酶催化 DDRP A-U、T-A、G-C 全酶-DNA復(fù)合物 不對稱轉(zhuǎn)錄、連續(xù)進(jìn)行 mRNA tRNA rRNA 第一節(jié) 參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì) 一、轉(zhuǎn)錄的

5、模板 轉(zhuǎn)錄是以DNA為模板，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA的堿基序列取決于模板 DNA的堿基序列。轉(zhuǎn)錄時(shí)只需DNA一條鏈作為轉(zhuǎn)錄模板，這條具有轉(zhuǎn)錄功能的DNA單鏈稱為模板鏈或有意義鏈；而與之互補(bǔ)的沒有轉(zhuǎn)錄功能的另一條DNA單鏈稱為編碼鏈或反意義鏈。DNA雙鏈包括許多基因，不同的基因轉(zhuǎn)錄時(shí)模板鏈并不是固定在同一條單鏈上。模板鏈的方向總是3′→5′,所以RNA轉(zhuǎn)錄與DNA復(fù)制一樣，嚴(yán)格遵循堿基配對規(guī)律，聚合時(shí)RNA鏈也是沿5′→3′方向延伸。 值得注意的是，對有意義鏈和反意義鏈的名稱有時(shí)出現(xiàn)混淆。如有些教科書中將模板鏈稱為反意義鏈，而將編碼鏈稱為有意義鏈。 二、 RNA聚合酶 轉(zhuǎn)錄酶即為RNA聚合酶

6、，全稱為依賴DNA的RNA聚合酶(DDRP)，簡稱RNA-pol。該酶以DNA為模板，催化四種NTP合成與DNA模板互補(bǔ)的RNA。 原核生物只有一種RNA聚合酶。目前研究比較清楚的是大腸桿菌的RNA聚合酶。它是一種由四種亞基α、β、β′和σ組成的五聚體（α2ββ′σ）蛋白質(zhì)。稱全酶。其中σ亞基也稱σ因子，脫去σ因子的α2ββ′亞基合稱為核心酶,活細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄起始，需要全酶，但至轉(zhuǎn)錄延長階段，則僅需要核心酶。各亞基組成及其功能見下表： 表10-4大腸桿菌RNA聚合酶組成及功能 亞基 分子量 酶分子中的數(shù)目 功 能 α β β′ σ 36512 150618 155

7、613 70263 2 1 1 1 決定哪些基因被轉(zhuǎn)錄 參與轉(zhuǎn)錄全過程（催化） 結(jié)合DNA模板（開鏈） 辨認(rèn)起始點(diǎn) 三、 參與轉(zhuǎn)錄的其它蛋白因子 ρ因子是轉(zhuǎn)錄終止因子，是由相同的六個(gè)亞基組成的六聚體蛋白質(zhì)。它能與單鏈RNA結(jié)合，ρ因子不僅具有酶活性，使ATP水解釋 放能量,有利于RNA鏈從酶和模板中釋出。它同時(shí)具有解螺旋酶活性， 使DNA-RNA雜交雙鏈拆離，RNA鏈則從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中釋出。 四、模板與酶的辨認(rèn)結(jié)合 轉(zhuǎn)錄是不連續(xù)、分區(qū)段進(jìn)行的。每一區(qū)段可視為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，稱為操縱子。操縱子包括若干個(gè)結(jié)構(gòu)基因及其上游的調(diào)控序列。調(diào)控序列中的啟動子是RNA聚合酶

8、結(jié)合模板DNA的部位，是控制轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵部位。 五、轉(zhuǎn)錄的特點(diǎn) 1. 不對稱性：雙鏈DNA分子中一條鏈轉(zhuǎn)錄時(shí)，另一條鏈不被轉(zhuǎn)錄，這一現(xiàn)象稱為不對稱轉(zhuǎn)錄， 2. 連續(xù)性：RNA的轉(zhuǎn)錄不需要引物，從起始位點(diǎn)開始到終止位點(diǎn)為止，連續(xù)合成RNA鏈。 3. 單向性：模板鏈的方向是3′→5′,聚合時(shí)RNA鏈?zhǔn)茄?′→3′方向延伸。 4. 有特定的起始和終止位點(diǎn) 第二節(jié) 轉(zhuǎn)錄過程 轉(zhuǎn)錄全過程分為起始、延長、終止三個(gè)階段。以原核生物的轉(zhuǎn)錄過程為例介紹轉(zhuǎn)錄過程。 一、轉(zhuǎn)錄的起始 1. RNA聚合酶與模板的辨認(rèn)結(jié)合：RNA聚合酶識別位于結(jié)構(gòu)基因上游、轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)之前的特殊的核苷酸序列

9、，即啟動子上。 2. RNA合成的起始：在RNA聚合酶的直接作用下，直接催化NTP按堿基配對原則結(jié)合于DNA模板上，在起始位點(diǎn)上生成第一個(gè)磷酸二酯鍵。 二、轉(zhuǎn)錄的延伸： 鏈的延伸由核心酶催化，沿3＇-５＇的方向以屈伸交替狀移行，按照堿基配對原則以NTP為原料，以5＇-3＇方向單獨(dú)催化新生RNA鏈的合成。 三、轉(zhuǎn)錄的終止 1.不依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止：DNA模板上靠近轉(zhuǎn)錄的終止部位有特殊的核苷酸序列，富含G-C的回文序列，稱為終止子。 2.依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止：ρ因子是分子量為50KD的蛋白質(zhì)六聚體，成為終止因子。 第三節(jié) 真核生物轉(zhuǎn)錄后的加

10、工修飾 一、 mRNA轉(zhuǎn)錄后的加工 1. 5＇-端帽子結(jié)構(gòu)的形成 在hnRNA的5′端加上一分子鳥苷殘基，生成三磷酸雙鳥苷。然后第一或第二個(gè)鳥嘌呤堿基發(fā)生甲基化反應(yīng)，形成“帽子”結(jié)構(gòu)?！懊弊印苯Y(jié)構(gòu)的主要功能是：①保護(hù)mRNA免受降解。②與蛋白質(zhì)生物合成起始有關(guān)，可以幫助核蛋白體識別翻譯起始部位。 2. 3＇-端多聚腺苷酸的加入 mRNA前體先切去3′末端的一些多余的核苷酸，再以ATP為供體，在hnRNA的3′末端進(jìn)行聚合反應(yīng)形成多聚腺苷酸“尾巴”（poly A）。長度為100～200個(gè)核苷酸之間，其長短與mRNA的壽命有關(guān)。 “尾巴”結(jié)構(gòu)的主要功能是：①保護(hù)mRNA不被酶水解，可增加

11、其穩(wěn)定性。②引導(dǎo)mRNA由細(xì)胞核向細(xì)胞液轉(zhuǎn)移。 3. hnRNA的剪切 斷裂基因是指真核生物結(jié)構(gòu)基因中，由若干個(gè)編碼區(qū)序列被非編碼區(qū)序列間隔，但又連續(xù)鑲嵌而構(gòu)成的基因。斷裂基因中具有表達(dá)活性的編碼序列稱外顯子，沒有表達(dá)活性的間隔序列稱為內(nèi)含子。在轉(zhuǎn)錄過程中，外顯子和內(nèi)含子序列均被轉(zhuǎn)錄到hnRNA中。剪接就是在細(xì)胞核中，hnRNA切除內(nèi)含子，拼接外顯子，使之成為具有翻譯功能的模板的過程。 4. 堿基的修飾 mRNA分子內(nèi)含有少量稀有堿基，例如甲基化堿基是轉(zhuǎn)錄后經(jīng)過甲基化修飾后形成。 二、 tRNA轉(zhuǎn)錄后的加工 1. 剪切： tRNA前體的5′末端和相當(dāng)于反密碼環(huán)的區(qū)域，

12、各被切去一段一定長度的多核苷酸鏈，然后由連接酶催化拼接。 2. 加上CCA-OH的3＇末端：在3′末端切除個(gè)別核苷酸后加上CCA-OH序列，該序列在翻譯過程中運(yùn)輸氨基酸時(shí)可與之結(jié)合。 3. 堿基的修飾：包括： ①甲基化反應(yīng)：腺嘌呤（A）→甲基腺嘌呤（mA），鳥嘌呤（G）→甲基鳥嘌呤（mG）； ②還原反應(yīng)：某些尿嘧啶（U）還原為雙氫尿嘧啶（DHU）； ③堿基轉(zhuǎn)位反應(yīng)：U→ψ（假尿嘧啶核苷酸）； ④脫氨基反應(yīng)： A→次黃嘌呤（I）。使成熟的tRNA分子中含有較多的稀有堿基。 三、 rRNA的轉(zhuǎn)錄后的加工 （四） RNA的編輯加工 （五） RNA的自我催化剪切

13、 四、核酶 核酶(ribozyme)是具有酶促活性的RNA，其特性是自催化剪接。 這些核酶通常由60個(gè)左右的核苷酸組成，同一分子上包括催化部分和底物部分，底物部分含有GU序列，與催化部分組成錘頭結(jié)構(gòu)。核酶的二級結(jié)構(gòu)有多種，其中一種呈錘頭狀結(jié)構(gòu)，含有若干莖和環(huán)，例如煙草環(huán)斑病毒衛(wèi)星RNA的自催化剪接序列具有槌頭狀結(jié)構(gòu)。 核酶的發(fā)現(xiàn)是對傳統(tǒng)酶學(xué)的挑戰(zhàn)，在生命起源問題上，為先有核酸提供了依據(jù)。同時(shí)根據(jù)核酶的錘頭狀結(jié)構(gòu)，通過人工設(shè)計(jì)合成，可使原來沒有核酶活性的RNA，成為具有核酶活性的RNA，用于阻斷病原生物或腫瘤基因表達(dá)，為對感染性疾病及腫瘤的治療提供了新思路。

14、 10分鐘 20分鐘 掛圖或幻燈片：不對稱轉(zhuǎn)錄示意圖 25分鐘 掛圖或幻燈片： 原核生物啟動子的保守序列 RNA延伸過程的“轉(zhuǎn)錄空泡” 11-13終止因子及其RNA產(chǎn)物

15、 20分鐘 真核生物mRNA的加工修飾 tRNA的加工修飾 rRNA的加工修飾 5分鐘 教 案 末 頁 小 結(jié)

16、1．復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、逆轉(zhuǎn)錄的比較 2．強(qiáng)調(diào)RNA聚合酶與DNA聚合酶、逆轉(zhuǎn)錄酶的區(qū)別 3．轉(zhuǎn)錄過程：起始，延伸，終止，與復(fù)制過程的比較 4．真核生物轉(zhuǎn)錄后加工的主要特征 5．蛋白質(zhì)生物合成是基因表達(dá)的終末階段，說明基因表達(dá)的兩個(gè)階段 6．蛋白質(zhì)生物合成體系組成 7. 翻譯過程概況 （5分鐘） 復(fù)習(xí)思考題 及作業(yè)題 1．為什么轉(zhuǎn)錄的特征是不對稱轉(zhuǎn)錄，有何生物學(xué)意義？ 2．RNA聚合酶如何能識別轉(zhuǎn)錄的起點(diǎn)并與之結(jié)合？ 3. 為什么真核生物基因轉(zhuǎn)錄后要進(jìn)行加工修飾？ 4．真核生物基因轉(zhuǎn)錄后包括哪些主要方式？ 5. 核酶與酶有哪些異同？ 6．基因表達(dá)分哪兩個(gè)階段？為何DNA上的遺傳信息要表達(dá)為蛋白質(zhì)？ 7．蛋白質(zhì)生物合成體系有哪些成分？各有何作用？ 8. 證翻譯準(zhǔn)確的重要因素有哪些？ 9. 簡述翻譯后加工的幾種方式？ 10. 簡述干擾蛋白質(zhì)生物合成的幾種抗生素，干擾素。 下次教學(xué) 預(yù)習(xí)要點(diǎn) 1. 原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié) 2. 真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié) 主要經(jīng)驗(yàn) 內(nèi)容廣泛，重點(diǎn)突出，有助于學(xué)生課后復(fù)習(xí)和查閱參考書；效果好，能引起學(xué)生共鳴，激發(fā)學(xué)生熱愛生化的興趣。 存在問題改進(jìn)措施 蛋白質(zhì)的生物合成過程比較復(fù)雜，需要認(rèn)真復(fù)習(xí)。