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(yè) 課程名稱 生物化學(xué) 序次 19 專業(yè)班級(jí) 2009級(jí)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(guò)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(duì)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(guò)程。 教學(xué)重

2、點(diǎn) 1. 轉(zhuǎn)錄的概念；轉(zhuǎn)錄的不對(duì)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(guò)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(guò)程 3．DNA的復(fù)制過(guò)程中的有關(guān)酶（5分鐘） 使用教材 全國(guó)醫(yī)藥類高職高?！笆濉币?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(yè) 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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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(méi)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(duì)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(duì)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(shū)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(jiǎn)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(zhǎng)階段，則僅需要核心酶。各亞基組成及其功能見(jiàn)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(guò)程（催化） 結(jié)合DNA模板（開(kāi)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(dòng)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(duì)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(duì)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(kāi)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(guò)程 轉(zhuǎn)錄全過(guò)程分為起始、延長(zhǎng)、終止三個(gè)階段。以原核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程為例介紹轉(zhuǎn)錄過(guò)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(shí)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(dòng)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(duì)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(duì)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(niǎo)苷殘基，生成三磷酸雙鳥(niǎo)苷。然后第一或第二個(gè)鳥(niǎo)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(shí)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(zhǎng)度為100～200個(gè)核苷酸之間，其長(zhǎng)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(méi)有表達(dá)活性的間隔序列稱為內(nèi)含子。在轉(zhuǎn)錄過(guò)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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(niǎo)嘌呤（G）→甲基鳥(niǎo)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(jí)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(duì)傳統(tǒng)酶學(xué)的挑戰(zhàn)，在生命起源問(wèn)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(guò)人工設(shè)計(jì)合成，可使原來(lái)沒(méi)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(duì)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(duì)稱轉(zhuǎn)錄示意圖 25分鐘 掛圖或幻燈片： 原核生物啟動(dòng)子的保守序列 RNA延伸過(guò)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(yè) 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(guò)程：起始，延伸，終止，與復(fù)制過(guò)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(shuō)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(guò)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(duì)稱轉(zhuǎn)錄，有何生物學(xué)意義？ 2．RNA聚合酶如何能識(shí)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(jiǎn)述翻譯后加工的幾種方式？ 10. 簡(jiǎn)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(shū)；效果好，能引起學(xué)生共鳴，激發(fā)學(xué)生熱愛(ài)生化的興趣。 存在問(wèn)題改進(jìn)措施 蛋白質(zhì)的生物合成過(guò)程比較復(fù)雜，需要認(rèn)真復(fù)習(xí)。