第十二章 RNA生物合成

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刘新文,生物化学绪论,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,刘新文,生物化学绪论,第十二章,RNA,生物合成,RNA transcription,概述:,DNA,转录,RNA,前体,加工,成熟,RNA,的过程,RNA,合成的两种方式:,1、,DNA,指导的,RNA,合成。,2、,RNA,指导的,RNA,合成。,第一节 转录作用,一、转录作用及特点,由,DNA,指导的,RNA,合成,,DNA,以碱基互补,原则,决,定合成,RNA,的全部碱基成分及排列顺序,将,DNA,模板,上的遗传信息传递到,RNA,分子的过程为,转录作用。,1、反应体系:,DNA,模板,NTP,酶,,Mg2+,Mn2+,,合成,方向5,3。连接方式-3,5磷酸二酯键。,2、,转录特点:,不对称转录(,asymmetric transcription,),DNA,片段转录时,双链,DNA,中只有一条链作为转录,的模板,这种转录方式称作,不对称转录。(,图12-1,模板链及反意义链:(,template strand,),指导,RNA,合成的,DNA,模板,链。,编码链及有意义链:(,coding strand,),不作为转录的另一条,DNA,链。(,图12-2,),由于基因分布于不同的,DNA,单链中,,即某条,DNA,单,链对某个基因是模板链,而对另一个基因则是编,码链。,原料:四种磷酸核苷,NTP,DNA,中的,A,在,RNA,中变为,U,合成过程是连续的,方向:,5,3,合成部位:细胞核内,二、原核,RNA,聚合酶,组成:5个亚基,,2,为全酶,,2,为核心酶。,作用:,识别,DNA,分子中,转录的起始部位。,促进与模板链结合,并使,DNA,双链打开17,bp,.。,催化,NTP,的聚合,完成一条,RNA,链的,聚合反应。,识别转录终止信号,停止聚合反应,参与转录,水平的调控。(,图12-3,),特点:,聚合速率慢,3085,NTP/,秒。,缺乏外切酶活性,无校对功能,错误率10,-6,。,不同的,识别不同的启动子。例:,32识别热休,克启动子。,可被药物抑制(利福平)。人的,RNA,聚合酶对利,福平不敏感。利用此特点可研制杀菌药物。,三、真核,RNA,聚合酶,真核较原核的酶复杂,已清楚的有,及,Mt,4,型。(,表12-1,),组成:均由多亚基构成,聚合酶中的某个亚基与原核聚合酶的,亚基高度同源。,四、启动子及终止子(,promoter,terminator,stop,signal,),(,一)启动子,1、原核启动子:结构约55,bp,分为起始点(,start,site,)、,结合部位、识别部位。,功能,起始点:转录起始部位以+1表示,转录的,第1个核苷酸常为嘌呤-,G,A,。,结合部位:约6,bp,组成,是高度保守区,共有序列,为5,-,TATAAT-3,位于起始点上,游-10。因,Tm,低,DNA,易解开双链,为,RNA,聚合酶提供场所。,识别部位:约6,bp,组成,在-35处,为高度保守区,序,列,5-,TTGACA-3,因子识别此部位。(,图12-4,),2、,真核,启动子结构(以,RNA,pol,为例),于-25处含,AT,富集区,共有序列,TATAA,(,TATA box,),-70处含共有序列,CAAT,还含许多其它,box,例如,GC,box,E-box,等。(,图12-5,),含增强子,enhancer,和静息子,silencsr,RNA,pol,和,RNA,pol,与聚合酶所识别的启动,子差异较大。,(二)终止信号:(,图12-6,),特点:终止部位含,GC,富集区与,AT,富集区,它们分别,形成发卡结构和连续的,U,区,以终止转录。,蛋白,因子辅助识别终止信号,参与终止。,五、转录过程 (以原核为例),(一)起始,RNA,聚合酶-,识别起始位点,核心酶与,DNA,结合,E,以核心,酶,DNA,构象改变,局部双链打开17,bpNTP,形成3,5,二酯键 形式沿,DNA,滑动,因子可再次与核心酶结合,循环使用。,(二)延长,形成转录泡-由,DNA,双链,RNA,聚合酶与新合成的,转录本,RNA,局部形成的结构,它贯穿于延长过程的,始终。,E,与,DNA,模板,互补的,NTP,3,5,磷酸二酯键相连,合成方向,5,3,合成出的,RNA,与,DNA,形成杂交分子,约12,bp,,,因结,合不紧很易脱离。(,图12-7,),(三)终止,合成移到终止信号时,酶不滑动,聚合停止,转录完成。,特点,参与的终止:与,RNA,产物中富含,C,的部位,结合,并诱使,RNA,聚合酶构象改变停止滑动;,因子的,解螺旋酶活性,利于,RNA,产物的,释放。(,图12-8,),其它终止方式:,GC,区形成发卡结构,聚,U,区,使配,对不稳定,RNA,产物的,释放。(,图12-9,),(四)真核生物转录特点,启动子复杂,某些基因不含,TATA box,。,顺式作用元件,cis,-acting-element:,指影响自身基因表达活性的,DNA,序列。,形成转录起始复合物,需多种蛋白因子参与。,转录因子,transcription factor,与反式作用因子,trans-acting factor:(,表12-2,),调节基因表达的蛋白为转录因子;它们与特异的,顺式作用元件,相互作用,并激活另一基因的转录。,起始前复合物的形成,pre-initiation complex,PIC,TATA,TFD,TF A TF B,RNAPol,/TF F TF E,PIC,(,图12-10,),转录终止序列,在3端之后有共同序列,AATAAA,及,多个,G,T,序,列,,mRNA,在转录终止序列处被切断。,第二节 真核生物转录后的加工,意义:转录生成的前体,RNA,无生物学活性,需加,工变为成熟、有活性的,RNA。,加工种类:,剪切与剪接(,cleavage,splicing,),末端添加核苷酸(,terminal,additing,),修饰(,modification):,在碱基和核糖上进行化,学修饰。,RNA,编辑(,RNA,editing),一、,mRNA,前体的加工,(一)生成特点:原核:,mRNA,是多顺反子,(,polycistronic,每分子,RNA,中含几种蛋白质信息,,RNA,寿命短,转录没完时翻译即开始。,例:乳糖操纵子,含,Z,Y,A,三个基因,分别编码半乳糖,苷酶、透过酶及乙酰基转移酶。,真核:单顺反子,monocistronic,一个,mRNA,仅编,码一种蛋白质。,外显子,exon,-,在真核生物基因中编码蛋白质的序列。,内含子,intron,-,非编码蛋白的序列,因其插于外显,子之间又称插入序列,居间序列。,hnRNAhetorogenous,RNA-,为,mRNA,的前体,转录物中外显子与内含子间隔排列,需经剪,接加工后生成,mRNA,。,(,二),mRNA,前体,加工过程,原核:,多顺反子,mRNA,RNase,单独的,顺反子,真核:1.5末端帽子的生成:部位:核内(,图12-10-2,),2.3末端多聚尾的生成:部位:核内 ,胞质有酶也可进,行。,3.剪接作用:部位-胞核,在细胞核内,hnRNA,剪切内含子,将个外显子连接,为成熟,mRNA,的过程。少数基因不需剪接,干扰素,例1:卵清蛋白基因成熟过程 (,图12-11,)。,例2:同一转录本,在不同的组织,因剪接差异产生各,自不同的,mRNA,。(,图12-12,),剪接特点:,剪接部位为内含子末端的特定序列-5端剪切点,为,GU;,3,端剪切点为,AG;,含,A,序列的分支点。,套索的形成及剪除:,机制-二次磷酸酯转移 (,图12-13,),剪接体的生成-由,hnRNA,与非特异的小核核糖核,蛋白(,snRNP,),结合而成。(,U,1,、,U,2,-U,6,),4,.甲基化:甲基化发生在剪接之前,在非编码区分子含12个,m,6,A。,5.,RNA,编辑(,RNA editing),某些,mRNA,的核苷酸序列,在生成转录产物后还,需插入、删除或取代一些核苷酸残基,方能生成具,有正确翻译功能的模板,遗传信息在,mRNA,水平上,的改变过程,称为,RNA,编辑。,例1,:锥虫细胞色素氧化酶(,图12-14,),例2:血浆脂蛋白的,apo,B,编辑作用(,图12-15,),二、,tRNA,前体的加工,1、切除多余的核苷酸,,RNase,p,切除5端多余的,核苷酸;,Rnase,D,切除3端多余的核苷酸.,2、剪切内含子:核酸内切酶切除内含子,连接酶,进行连接。,3、修饰与3末端加-,CCA:,甲基化,脱氨基,还原反应,在核苷酸基转移酶催化下,加入,CCA。(,图12-16,),三、,rRNA,前体的加工,特点:,rRNA,拷贝多,原核5107,;真核:果蝇260;,Hela,细,胞1100个拷贝。,过程 1、剪切作用,需核酸酶。,2、甲基化修饰,在碱基上。,3、自我剪接。,加工过程5,S,变化不大。,无转录功能,原核,rRNA,加工,rRNA,含非转录的间隔区,产物,tRNA,30,S,前体,rRNA,RNase,17S-tRNA-23S-5S-tRNA,核酸酶,16,S,23S,5S,tRNA,(,图,12-17,),真核,rRNA,加工1.,5,S,自成体系加工少无修饰,剪接。,2.45,S,加工中含剪切和甲基化,修饰,需核酸酶。,(,图12-18,),第三节 核酶(,ribozyme,),背景1982年,Cech,发现四膜虫,rRNA,前体自我剪接作,用,,RNA,有催化作用;1983年发现,RNase,P,中的,RNA,可,催化,tRNA,前体的加工。,例:四膜虫,rRNA,前体剪接,过程:,1.二次剪接以磷酸酯转移形式,需鸟苷作辅助因子。,2.内含子自身环化时剪切核苷酸。(,图12-19,),核酶的结构与作用:锤头结构(,图12-20,),1.核苷酸转移作用。,2.水解反应,即磷酸二酯酶作用。,3.磷酸转移反应,类似磷酸转移酶作用。,4.脱磷酸作用,即酸性磷酸酶作用。,5.,RNA,内切反应,即,RNA,限制性内切酶作用。,意义:,1.,RNA,为生物催化剂,具有重要 生物学意义。,2.打破了酶是蛋白质的传统观念。,3.在生命起源问题上,为先有核酸提供了依据。,4.为治疗破坏有害基因,肿瘤等疾病提供手段。,核酶与内含子的关系:,1.目前发现的核酶数量较少,常见于,rRNA,的内含子.,2.内含子存在于各种,RNA,分子中,它们并不都具有,核酶的功能。,3.内含子分为三类:,(1)内含子可自我剪接,不需任何蛋白质参与,分两,型-,需鸟苷参与。形成套索形式剪接。,(2)内含子的剪接需要蛋白酶的参与,如,tRNA,。,(3),内含子的剪接需形成剪接体的形式,除各种蛋白因子外还需各种,snRNP,的参与。,图 12-1 转录作用,图 12-3原核生物的,RNA,聚合酶,表 12-1 真核生物的聚合酶,图 12-4 原核生物启动子,图 12-4 原核生物启动子,图 12-5 真核基因调节序列示意图,图 12-5 真核启动子,图 12-6 转录终止结构,图 12-7,RNA,转录,图 12-8,因子的终止作用,图 12-9 原核转录终止模式,转录产物影响转录终止,表 12-2 参与,RNA-,pol,II,转录的,TFII,图 12-10 真核生物转录起始复合物,真核生物5端帽子生成,图 12-11 卵清蛋白基因转录及加工过程,图12-12 大鼠降钙素基因转录体在甲状腺及脑中的不同剪接,图 12-13剪接过程中的,RNA,套索结构,图 12-14锥虫细胞色素氧化酶,RNA,的编辑,图12-15,apo,B mRNA,的编辑加工,图12-16,tRNA,的加工过程,图12-17 原核,rRNA,的加工过程,图 12-18 真核生物,rRNA,
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