课件：核苷酸代谢与遗传信息的表达.ppt

第十章 核苷酸代谢与遗传信息 的表达和调控,许昌卫生学校,核苷酸是构成核酸的基本单位，人体所需的核苷酸都是由机体自身合成的。 食物中的核酸或核苷酸类物质基本上不能被人体所利用。 在核酸类物质的水解产物中，只有磷酸和戊糖可被吸收利用。,食物中核酸的消化,核苷酸类物质在人体具有多方面的生理功用： 作为合成核酸的原料：如ATP，GTP，CTP，UTP用于合成RNA，dATP，dGTP，dCTP，dTTP用于合成DNA。 作为能量的贮存和供应形式：除ATP之外，还有GTP，UTP，CTP等。 参与代谢或生理活动的调节：如环核苷酸cAMP和cGMP作为激素的第二信使。, 参与构成酶的辅酶或辅基：如在NAD+，NADP+，FAD，FMN，CoA中均含有核苷酸的成分。 作为代谢中间物的载体：如用UDP携带糖基，用CDP携带胆碱，乙醇胺或甘油二酯，用腺苷携带蛋氨酸（形成SAM）等。,核苷酸的代谢包括合成代谢和分解代谢。体内核苷酸的合成途径有二： 1.从头合成途径：利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料，经一系列酶促反应合成核苷酸的过程。是体内核苷酸主要途径，肝脏是主要部位，在细胞液中。 2.补救途径：指利用分解代谢产生的自由嘌呤碱合成嘌呤核苷酸的过程。 这一途径可在大多数组织细胞中进行。,一、核苷酸的合成代谢,（一）、嘌呤核苷酸的合成代谢 1.嘌呤核苷酸的从头合成：通过利用一些简单的前体物，如5-磷酸核糖，氨基酸，一碳单位及CO2等，逐步合成嘌呤核苷酸的过程称为从头合成途径。 （1）.合成部位：这一途径主要见于肝，其次为小肠和胸腺。 所有合成反应在胞液中进行。,嘌呤碱合成的元素来源,（2）.从头合成过程,（ 1 ） IMP的合成,（ 2 ） AMP和GMP的生成,（ 3 ） ATP和GTP的生成,R-5-P （5-磷酸核糖）,PP-1-R-5-P （磷酸核糖焦磷酸）,在谷氨酰胺、甘氨酸、一碳单位、二氧化碳及天冬氨酸的逐步参与下,IMP,H2N-1-R-5-P （5-磷酸核糖胺）,ATP和GTP的生成, 嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。 IMP的合成需5个ATP，6个高能磷酸键。 AMP或GMP的合成又需1个ATP。,（3）.嘌呤核苷酸从头合成特点,利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应，合成嘌呤核苷酸的过程，称为补救合成（或重新利用）途径。,2.嘌呤核苷酸的补救合成途径,（1）.定义,腺嘌呤磷酸核糖转移酶(APRT) 次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(, HGPRT) 腺苷激酶,（2）.参与补救合成的酶,（3）.合成过程,（4）.补救合成的生理意义,补救合成节省从头合成时的能量和一些氨基酸的消耗。 体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进行补救合成。 自毁容貌症,由于基因缺陷，HGPRT缺失，表现为尿酸增高及神经异常。自毁容貌症患者在发病时会毁坏自己的容貌,用各种器械把脸弄得狰狞可怕.这种疾病患者常常被束缚在床上或轮椅上.自毁容貌症患者大多死于儿童时代,很少活到20岁以后.现有的医疗技术对此无计可施,而只能寄希望于基因治疗.基因治疗技术将大大提高人类的素质,降低新生儿遗传病的发生率.例如,对孕妇作例行的产前检查,一俟发现尚在母腹中的婴儿患有遗传性疾病,则马上就可施行基因手术.,（二）、嘧啶核苷酸的合成代谢,从头合成途径 补救合成途径,1.嘧啶核苷酸的从头合成,主要是肝细胞胞液,嘧啶核苷酸的从头合成是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘧啶核苷酸的途径。,（1）.定义,（2）.合成部位,（3）.嘧啶合成的元素来源,2.嘧啶核苷酸的补救合成,（三）脱氧核苷酸的生成,二磷酸脱氧核苷,NDP,dNDP,二磷酸核糖核苷,NADP+,NADPH + H+,核糖核苷酸还原酶，Mg2+,还原型硫氧化还原蛋白-(SH)2,氧化型硫氧化还原蛋白,硫氧化还原蛋白还原酶 （FAD）,脱氧核苷酸的生成,（ 3）,dUMP,脱氧胸苷一磷酸 dTMP,dTMP的生成,二、核苷酸的分解代谢,核苷酸,核苷酸酶,Pi,核苷,核苷磷酸化酶,1-磷酸核糖,碱基,（一）、嘌呤核苷酸的分解代谢 嘌呤核苷酸的分解首先是在核苷酸酶的催化下，脱去磷酸生成嘌呤核苷，然后再在核苷酶的催化下分解生成嘌呤碱，最后在黄嘌呤氧化酶的作用下氧化生成尿酸，再经尿液排出体外。,嘌呤碱的最终 代谢产物,AMP,GMP,H （次黄嘌呤）,G,X （黄嘌呤）,黄嘌呤氧化酶,黄嘌呤氧化酶,嘌呤核苷酸的分解代谢,尿酸是嘌呤核苷酸在人体内分解代谢的终产物。但在鸟类，尿酸则可继续分解产生尿囊素。 正常人血浆中尿酸含量约为0.120.36mmol/L (26mg%)。 尿酸水溶性较差，当血浆中尿酸含量超过8mg%时，即可形成尿酸盐晶体。,痛风症患者由于体内嘌呤核苷酸分解代谢异常，可致血中尿酸水平升高，以尿酸钠晶体沉积于软骨、关节、软组织及肾，临床上表现为皮下结节，关节疼痛等。,（二）、嘧啶核苷酸的分解代谢,嘧啶碱的降解过程主要在肝细胞中进行。 不同类型的嘧啶碱，其分解代谢的途径和终产物不同。,胞嘧啶,NH3,尿嘧啶,二氢尿嘧啶,H2O,CO2 + NH3,-丙氨酸,胸腺嘧啶,-脲基异丁酸,-氨基异丁酸,H2O,丙二酸单酰CoA,乙酰CoA,TAC,肝,尿素,甲基丙二酸单酰CoA,琥珀酰CoA,TAC,糖异生,三、核苷酸的抗代谢物,能够抑制核苷酸合成的一些抗代谢药物，通常是属于嘌呤、嘧啶、氨基酸、叶酸和核苷的类似物，主要通过对代谢酶的竞争性抑制作用，来干扰或抑制嘌呤核苷酸的合成，因而具有抗肿瘤治疗作用。,（一）碱基类似物 1.嘌呤类似物：6-巯基嘌呤、6-巯基鸟嘌呤、8-氮杂鸟嘌呤等。 2. 嘧啶类似物： 主要的抗代谢嘧啶类似物是5-氟尿嘧啶（5-FU）。5-FU在体内可转变为F-dUMP，其结构与dUMP相似，可竞争性抑制胸苷酸合酶的活性，从而抑制胸苷酸的合成。,（二）氨基酸类似物： 氮杂丝氨酸类似谷氨酰胺，可抑制CTP的合成。 临床上应用较多的氨基酸类似物包括氮杂丝氨和6-重氮-5-氧正亮氨酸。 这些氨基酸类似物的分子结构与谷氨酰胺类似，因而可干扰谷氨酰胺在嘌呤核苷酸合成中的作用，抑制嘌呤核苷酸的合成。,（三）叶酸类似物 叶酸类似物包括氨蝶呤及甲氨蝶呤。 能竞争性抑制二氢叶酸还原酶，减少体内四氢叶酸的生成，使嘌呤核苷酸合成过程中所需一碳单位的供应受阻而抑制其合成。 （四）核苷类似物： 阿糖胞苷和环胞苷属于核苷类似物，能抑制CDP还原成dCDP。,第二节 DNA的生物合成,生物体内DNA的合成包括三个方面: 1.以DNA作为模板指导的DNA合成称为复制，即将DNA携带的信息传至子代DNA。 2.DNA合成也可以RNA为模扳指导合成，通常将其称作反转录作用,见于RNA病毒。 3.当各种因素引起DNA损伤时，损伤DNA可进行修复合成，校正错误，完成正确合成，以保持DNA结构的稳定性和遗传信息的准确性。,DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分子，从而决定生物的表现型。DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则。,在RNA病毒中，其遗传信息贮存在RNA分子中。因此，在这些生物体中，遗传信息的流向是RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代，通过反转录将遗传信息传递给DNA，再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为反中心法则。,反映了从DNARNA蛋白质的遗传信息主流，揭示了生物体内遗传信息的贮存、传递和表达的规律。,转录,RNA,翻译,蛋白质,DNA,RNA （病毒）,复制,复制,翻译,蛋白质 （病毒）,反转录,一、DNA的复制 （一）DNA复制的概念和方式 1.复制的概念：以亲代DNA为模板合成子代DNA，将 遗传信息准确地复制到子代DNA分子上，这一过程叫复制。 2.复制方式：半保留复制 以亲代DNA双链为模板以碱基互补方式合成子代DNA，这样新形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式叫半保留复制。,半保留复制的实验证据: 1958年Meselson和Stahl用同位素15N标记大肠杆菌DNA,首先证明了DNA的半保留复制。 该实验首先将大肠杆菌在含15N的培养基中培养数代后，使其DNA中的碱基氮均转变为15N。然后将大肠杆菌移至只含14N的培养基中同步培养一代、二代、三代。分别提取DNA，作密度梯度离心，将具有不同密度的DNA分离开。,DNA半保留复制的证据,3.复制的原料： 以三磷酸脱氧核苷（dNTP即dATP、dCTP、dGTP、dTTP）为原料。 （二）参与DNA复制的酶类及蛋白因子 复制是在酶催化下的核苷酸聚合过程，需要多种酶和因子的共同参与。 1.DNA拓扑异构酶：拓扑异构酶对DNA分子既能水解又能连接磷酸二酯键，其主要作用是解开DNA超螺旋结构。对DNA分子兼有内切酶和连接酶的功能，使DNA分子的紧密状态变为松弛状态，有利于DNA双链分开。,2.解链酶：解链酶又称解螺旋酶，其作用是解开DNA双链。解链酶能辨认复制的起始点并与之结合，先解开一小段DNA。这一小段单链DNA可作为模板引导DNA新链的合成。在DNA复制过程中，解链酶可沿着模板向着复制方向移动，逐渐解开双链。每解开1个碱基对，需消耗2分子ATP。,3.单链DNA结合蛋白（SSB）：作为模板的DNA总要处于单链状态，因为符合碱基配对，解开的DNA单链又总会有形成双链的倾向，以使分子达到稳定状态和免受细胞内核酸酶的降解。SSB能与解开双螺旋的DNA单链结合，在复制过程中防止单链重新形成双螺旋，保持单链状态以便于进行复制，同时还可以防止单链DNA被核酸酶水解。SSB不象DNA聚合酶那样沿着复制方向向前移动，而是不断结合、脱离的。,4.引物酶 复制是在一小段RNA引物的基础上加进脱氧核苷酸的。催化引物合成的是一种RNA聚合酶，因它不同于催化转录过程的RNA聚合酶，遂称为引物酶。在复制的起始点，在DNA模板链的指导下，以NTP为底物，按碱基配对原则，引物酶催化RNA引物的合成。,5.DNA聚合酶 DNA聚合酶又称DNA指导的DNA聚合酶（DDDP），其主要作用是 在DNA模板链的指导下，以三磷酸脱氧核苷 （dNTP即dATP、dCTP、dGTP、dTTP）为 底物，按碱基配对原则，将三磷酸脱氧核苷逐个地加到寡聚核苷酸的3-末端上，并催化核苷酸之间3，5-磷酸二酯键的形成，从而将dNTP沿着53方向聚合成为多核苷酸 。,在原核生物中，目前发现的DNA聚合酶有三种，分别命名为DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。 参与DNA复制的主要是pol 和pol 。,在真核细胞至少有5种DNA聚合酶，分别称为DNA聚合酶、 。 DNA聚合酶和是DNA复制时起主要作用的酶，DNA聚合酶主要参与DNA损伤的修复，DNA聚合酶存在于线粒体内，参与线粒体DNA的复制。,6DNA连接酶：DNA连接酶能连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链的5-磷酸末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成完整的链，这一反应需消耗ATP。 作用：在有模板指导的条件下，催化2个DNA片段(两片段间的距离为1个3 ,5 -磷酸二酯键的键长)的连接。 原理：在一个DNA片段的3 -OH末端和另一个DNA片段的5-P末端形成3,5-磷酸二酯键，从而实现连接。 特点：原核细胞:需辅助因子NAD+ 真核细胞:不需辅助因子NAD+,但需耗能(ATP),参与DNA复制的酶与蛋白因子总览图,（三）、DNA的生物合成过程,1.复制的起始 DNA复制的起始阶段，由下列两步构成。 （ 1）解旋解链，形成复制叉： 由拓扑异构酶和解链酶作用，使DNA的超螺旋及双螺旋结构解开，碱基间氢键断裂，形成两条单链DNA。 单链DNA结合蛋白（SSB）四聚体结合在两条单链DNA上，形成复制叉。,（2）引发体组装和引物合成： 由解螺旋酶 、引物酶和DNA复制起始区域形成引发体； 在引物酶的催化下，以DNA为模板，合成一段短的RNA片段，从而获得3端自由羟基（3-OH）。,领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。 真核细胞：具有多个 起始位点。 原核细胞：仅有一个复制起始位点，但往往是双向复制。,或领头链,III,2.链的延长,引物合成后，由DNA pol（真核细胞为DNA聚合酶或)催化，在引物3-OH末端逐一添加与模板链对应互补的脱氧核苷磷酸,使新合成的链不断延长。 领头链:链的延长方向(5 3)与解链方向(复制叉移动方向)相同, 为连续合成。 随从链: 链的延长方向(53)与解链方向(复制叉移动方向)相反，为不连续合成。 分段合成的DNA片段, 最初被命名为冈崎片段,前导链,滞后链,冈崎片段,前导链：以3 5 方向的亲代链为模板连续合成的子代链。,滞后链：以5 3方向的亲代链为模板的子代链先逆复制叉移动方向合成冈崎片段，再连接成滞后链。,3.复制的终止,（1）.水解引物及填补空隙 冈崎片段合成后，由DNA pol(真核细胞可能是DNA聚合酶)水解去除RNA引物，并填补留下的空隙(5 3)聚合。 （2）.完整双链DNA分子的形成 填补空隙后，DNA片段与片段之间还有一个缺口(一个3,5-磷酸二酯键的长度), 由DNA连接酶催化连接成完整的链，从而产生完整的双链DNA分子。,DNA复制过程简图,二、DNA的损伤（突变）与修复,在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤。 遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为突变。 从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改变。,（一）DNA损伤的常见因素 1.自发因素 2.诱发因素 （1）物理因素：由紫外线、电离辐射、X射线等引起的DNA损伤。其中，X射线和电离辐射常常引起DNA链的断裂，而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成，如TT，TC，CC等二聚体。这些嘧啶二聚体由于形成了共价键连接的环丁烷结构，因而会引起复制障碍。,（2）化学因素： 化学因素是DNA损伤的主要因素， （3）生物因素： （二）基因突变的类型 1.点突变 ：DNA分子上单一碱基的改变称点突变。 （1）转换发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。 （2）颠换发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。,镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) 亚基,正常成人Hb (HbA)亚基,2.插入或缺失：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到DNA大分子中间为插入。 一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失为缺失。框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。,缺失引起框移突变,（三）DNA损伤修复 DNA复制过程所发生的突变(碱基配对错误)，由核内DNA聚合酶以其校读功能予以纠正. 若碱基错配频频发生或损伤范围大，则需采用以下修复方式进行修复. 修复的主要类型： 光修复 切除修复 重组修复 SOS修复,1.光修复（直接修复）这是一种广泛存在的修复作用，能够修复任何嘧啶二聚体的损伤。 修复过程由光修复酶催化完成。 2.切除修复这也是一种广泛存在的修复机制，可适用于多种DNA损伤的修复。 切除修复机制的基本过程是将受损的DNA片段切除，然后再以对侧链为模板，重新合成新链进行修复。,切除修复：由3种酶共同参与完成。,DNA pol I,DNA连接酶,3.重组修复这是DNA的复制过程中所采用的一种有差错的修复方式。 修复时，利用重组蛋白的核酸酶活性，将另一股健康亲链与损伤缺口相互交换。,重组修复过程,重组修复：亦称复制后修复,4. SOS修复：DNA分子受到较大范围的损伤，细胞对危急状态所作出的反应。,机制,引起DNA较长期的、广泛的突变。,SOS调节网诱导产生的DNA聚合酶特异性低，识别碱基能力差, 使修复部位仍存在较多错配的碱基，但细胞能继续生存。,后果,二、反转录,概念 以RNA为模板，dNTP为原料，反转录酶催化，按碱基配对规律合成DNA的过程。 反转录酶, 又称为依赖RNA的DNA聚合酶,DNA,RNA,RNA(病毒),反向转录酶存在于所有致癌RNA病毒中, 其功能可能与病毒的恶性转化作用有关;,但它也存在于某些正常细胞中，在细胞分化与胚胎发生中可能起某些作用。,反转录病毒和反转录酶的发现, 提出了一个重要的医学问题病毒致癌及癌基因,反转录的医学意义,病毒RNA,RNA-DNA 杂化分子,cDNA,前病毒 (双链DNA),逆转录示意图,2019/8/27,78,可编辑,反转录的医学意义,癌基因:能在体外引起细胞恶性转化,在体内诱发肿瘤的基因.,细胞癌基因或原癌基因: 存在于生物正常细胞基因组中的癌基因. 正常情况下基因处于静止或低表达的状态. 当受到致癌刺激被活化并发生异常时则可发生细胞癌变.,病毒癌基因: 存在于致瘤病毒中的能使靶细胞发生恶性转化的基因.,抑癌基因: 是一类抑制细胞过度生长,增殖从而遏制肿瘤形成的基因.如Rb,P53,P16等,癌基因与抑癌基因之间一般处于动态平衡状态,是一种反转录病毒, 可引起获得性免疫缺陷综合征(AIDS,艾滋病).,反转录酶在基因工程,分子病的基因治疗方面也有重要作用.,人类免疫缺陷病毒(HIV),反转录的医学意义,第三节 RNA的生物合成,一、转录的概念和方式 （一）转录的概念 在RNA聚合酶的催化下，以一段DNA链为模板合成RNA，从而将DNA所携带的遗传信息传递给RNA的过程称为转录。 经转录生成的RNA有多种，主要的是rRNA，tRNA，mRNA等。,（二）转录的方式 转录的不对称性就是指以双链DNA中的一条链作为模板进行转录，从而将遗传信息由DNA传递给RNA。对于不同的基因来说，其转录信息可以存在于两条不同的DNA链上。 能够转录RNA的那条DNA链称为模板链，也称作有意义链。 与模板链互补的另一条DNA链称为编码链，也称为反义链。 能转录出RNA的DNA区段称为结构基因。,模板链,编码链,编码链,模板链,模板链和编码链的相对性,模板链、编码链与转录及翻译的关系,（三）转录的原料： NTP （ATP, UTP, GTP, CTP）。 二、转录酶RNA聚合酶 RNA聚合酶又称为依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP）。 原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构成，即2。 1. 2被称为核心酶，与RNA链的聚合有关。,2.亚基与转录起始点的识别有关，在转录合成开始后被释放。 3.全酶的作用：转录起始。 真核细胞的RNA聚合酶有三种：分别是RNA聚合酶、RNA聚合酶和RNA聚合酶。 RNA聚合酶、RNA聚合酶分别负责合成rRNA和mRNA， RNA聚合酶则催化转录生成5srRNA和tRNA。,三、转录的基本过程 RNA的转录过程大体可分为起始、延长和终止三个阶段。转录全过程均需RNA聚合酶催化，原核生物转录起始需要核心酶加上因子即全酶参与。延长过程是核心酶催化下的核苷酸聚合。（Rho）因子参与转录的终止。真核细胞和原核细胞在延长过程是基本相同的，而在转录的起始和终止方面却有较多的不同。,（一）起始阶段 首先由RNA聚合酶的因子辨认DNA的启动子部位，并带动RNA聚合酶的全酶与启动子结合，形成复合物，同时使DNA分子的局部构象改变，结构松驰，解开一段RNA双链（约10几个碱基对），暴露出DNA模板链。在DNA模板链转录起点碱基的引导下，第一个核糖核苷酸进入相应的位置，配对结合。转录起点的碱基多为T或C，因此第一个结合的NTP多为ATP或GTP。,（二）延长阶段 因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿DNA链移动，按照碱基互补原则，不断聚合RNA。 1. 亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移； 2. 在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。,RNA转录的延长,（三）终止阶段 当核心酶滑行到DNA模板链的终止部位即停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来，就是转录终止。原核生物转录终止有两种类型：1.依赖因子终止的转录，因子能与转录产物RNA结合，使RNA聚合酶停顿。因子还有ATP酶活性和解螺旋酶活性，它能利用ATP水解释放的能量，使RNA链从模板DNA链上拆开，并从转录复合物中释放出来。2.不依赖因子终止的转录。在DNA模板链上靠近终止处有些特殊碱基序列，即较丰富的A-T配对区或G-C配对区，是转录终止信号。当核心酶遇到终止信号后，RNA转录产物就形成特殊的发夹样结构，阻止核心酶的滑动，RNA链的延长便终止。 转录终止后，核心酶也从DNA模板链上脱落下来，与因子重新结合为全酶进行下一次的转录。这样合成的RNA是初级转录物，即RNA前体。,RNA 聚合酶,因子附在RNA链上,因子,RNA 链形成一个发夹结构，转录停止，因子利用ATP能滑行,因子发挥解螺旋酶活性，解开发夹和RNA-DNA,依赖Rho因子的转录终止,不依赖因子的转录终止,四、转录后的加工 真核细胞中转录生成的RNA是初级转录产物，均需经过一定程度的加工才具有活性。新生的无活性的RNA转变为有活性的RNA的过程，称为RNA的成熟（转录后的加工），包括链的断裂、拼接和化学修饰等。 （一）mRNA的转录后加工 真核生物mRNA转录后，需进行5-端和 3-端的修饰以及对hnRNA进行剪接。,1首、尾修饰 ： 指在mRNA的5-端加“帽”，3-端加“尾”。5-端加“帽”是在核内进行的，在hnRNA的5-末端加上一个m7GpppG“帽”结构，其功能与蛋白质生物合成的起始有关。mRNA3-末端接上一段约30200个polyA,该结构称为“尾”，其功能是引导mRNA由细胞核向细胞质转移。 2mRNA的剪接 真核细胞的mRNA前体称核内不均一RNA，它是由断裂基因转录的，真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。包含有内含子和外显子的区段，所以其分子量比成熟的mRNA大几倍，甚至数十倍。剪接就是把hnRNA中的内含子除去，把外显子拚接起来，成为具有翻译功能的模板mRNA。,3.甲基化作用： 除帽子结构甲基化外，mRNA内部还有甲基化的核苷酸，主要是在嘌呤环的第六位上甲基化。 4.RNA编辑 RNA编辑作用是指在RNA水平上改变遗传信息的过程。 RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分化加工。,（二）、tRNA的转录后加工,主要有以下几种加工方式： 切断。 剪接。 3-末端-CCA序列添加。 化学修饰。,tRNA前体,RNA pol ,tRNA前体的转录合成,tRNA前体的切断和剪接加工,tRNA的碱基修饰,tRNA3-末端-CCA序列的添加,rRNA前体的转录和剪接加工,五、核酶 核酶：具有催化活性的RNA称为核酶。 核酶研究的意义核酶的发现，对中心法则作了重要补充；核酶的发现是对传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成人工核酶 。,第四节 蛋白质的生物合成（翻译）,一、翻译的概念 蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体转译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译。,二、翻译的反应体系 蛋白质生物合成的原料是氨基酸。氨基酸在mRNA的指引下逐一聚合。聚合过程中，氨基酸需由tRNA携带。蛋白质合成的全过程是在由rRNA和蛋白质所组成的核蛋白体大分子上进行的。也就是说，蛋白质的生物合成，是需要mRNA为模板、tRNA为运载体、核蛋白体为装配场所共同协调完成的。此外，翻译过程还需众多的蛋白质因子和酶的参与。,（一） mRNA的直接模板作用 在mRNA分子中，核苷酸的排列顺序包含有多肽链中氨基酸的排列顺序。mRNA通过其模板作用传递DNA的遗传信息，即引导蛋白质多肽链的合成。 mRNA分子从5至3方向，以AUG开始，每3个相邻的碱基组成的三联体，就是决定一个氨基酸的遗传密码（又称密码子），这样，三联体密码子在mRNA分子上的排列顺序就决定了多肽链中氨基酸的排列顺序。因为蛋白质分子中共有20种氨基酸，故至少有20种密码子。实际上，mRNA分子中共有64个密码子（43）。其中有三个密码子（UAA、UAG、UGA）不代表任何氨基酸，只代表多肽链合成的终止信号，称为终止密码，位于mRNA的3-端。其余的均代表氨基酸，AUG除代表蛋氨酸外，如出现在mRNA的5-端起始区，又代表多肽链合成的起动信号，故AUG又是起始密码。,从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框。,AUG,UAA,ORF,遗传密码具有以下特点： 1. 连续性：指编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。基因损伤引起mRNA开放阅读框内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变。,2. 简并性：,遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。同一氨基酸存在多个不同的遗传密码的现象称为遗传密码的简并性。遗传密码的简并性在保持遗传稳定性上具有重要意义。,3. 摆动性：,转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反平行配对结合，但反密码与密码之间常常不严格遵守碱基配对规律，称为摆动配对。,3. 通用性：,蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体等。 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。,（二）tRNA是转运氨基酸的工具 所有tRNA的二级结构均是三叶草形，其氨基酸臂的3-CCA-OH是氨基酸的结合位点，反密码环顶端的反密码子与mRNA上的密码子配对结合。tRNA携带的氨基酸，是由mRNA上三联体密码决定的，因此，tRNA可将氨基酸准确地带到指定的位置。,tRNA与氨基酸结合生成氨基酰-tRNA tRNA与氨基酸的结合是在氨基酰-tRNA合成酶的作用下完成的。 氨基酸ATP酶 氨基酰-AMP-酶PPi 氨基酰-AMP-酶tRNA 氨基酰-tRNAAMP酶,tRNA的反密码子与mRNA的密码子配对结合 反密码子与密码子结合时，二者的方向是相反的，如果都从5端至3端方向阅读，mRNA密码子的第一、二、三位碱基与tRNA反密码子的第三、二、一位碱基相对应。密码子的第一、二位碱基与反密码子的第三、二位碱基的配对严格遵循A-U、G-C的碱基配对原则，而其第三位碱基与反密码子的第一位碱基的配对则不严格，常出现“摆动配对”，即碱基不严格互补也能互相辨认。tRNA碱基组成的特点是有很多稀有碱基，其中次黄嘌呤常出现于反密码的第一位，可以与密码第三位的A、C或U配对，这是最常见的摆动配对。正因为密码子的第三位存在摆动现象，以及反密码子与密码子存在摆动配对结合的特点，才可以使携带同一种氨基酸的tRNA能结合到几种同义密码子上，使与密码子相对应的氨基酸进入准确的位置。,（三）rRNA与蛋白质构成核蛋白体是蛋白质合成的场所 核蛋白体由大、小亚基构成。大亚基有转肽酶活性和两个tRNA结合部位，一个是结合肽酰-tRNA的部位（P位），另一个是结合氨基酰-tRNA的部位（A位）。小亚基有结合模板mRNA的功能，在大小亚基之间有容纳mRNA的部位，核蛋白体能沿着mRNA53方向阅读遗传密码。,（四）参与翻译的其他因子 在蛋白质合成过程中还需要供能物质ATP、GTP和无机离子Mg2、K等的参与。 转肽酶 、蛋白因子主要有起始因子（IF,真核细胞的写作eIF）、延长因子（EF）、释放因子（RF）等。它们参与蛋白质合成过程中氨基酰-tRNA对模板的识别和附着、核蛋白体沿mRNA模板的相对移动、合成终止时肽链的解离等环节。,三、蛋白质生物合成（翻译）的过程,和核蛋白体结合的mRNA在开始合成蛋白质时，读码框架从53方向阅读遗传密码，tRNA携带活化的氨基酸在核蛋白体上缩合成肽链，肽链的延长是从NC方向进行的。肽链的生成可分为起始、延长和终止三个阶段。,（一）翻译的起始 翻译起始是指把核蛋白体的大小亚基、mRNA和带有甲酰甲硫氨酸的起始tRNA（fmet-tRNAfmet）聚合成为翻译起始复合物。起始过程需要起始因子（IF-1、IF-2、IF-3）以及GTP和Mg2的参与。核蛋白体大、小亚基结合 小亚基、mRNA和fmet-tRNAfmet结合完成后 ，翻译起始复合物就形成了。这时，核蛋白体大亚基上的P位（肽位）已被fmet-tRNAfmet和mRNA上的起始密码子AUG所占据，但A位（氨基酰位）是空着的，而且mRNA上与AUG相邻的第二个三联体密码子已相应于A位上，与这个密码子对应的氨基酰-tRNA即可到达A位而进入延长阶段。,肽链合成的起始,30S亚基 mRNA IF3- IF1复合物,30S mRNA GTP- fMet tRNA- IF2- IF1复合物,70S起始复合物,mRNA +30S亚基-IF3,IF-1,70S起始复合物,（二）肽链的延长 起始复合物形成后，随即对mRNA上的遗传密码进行连续地翻译，即各种氨基酰-tRNA按照mRNA上三联体密码子的顺序依次进入核蛋白体上，使肽链延长。翻译过程的肽链延长也称为核蛋白体循环，每次循环可分为进位（注册）、成肽和转位三个步骤。每循环一次，肽链延长一个氨基酸，如此不断重复，直到肽链合成终止。这一过程需要肽链延长因子（EF）、GTP、Mg2和K的参与。,1. 进位：,又称注册，指根据mRNA上遗传密码的指引，进入核蛋白体大亚基的A位。在起始复合物中，大亚基上对应于mRNA的第二位密码子的A位是空着的。起始复合物形成后，由mRNA上的第二位密码子决定的氨基酰-tRNA进入A位，并通过其反密码子与密码子互补结合。此步骤需GTP，Mg2+，和EF-T参与。,2转肽 在大亚基上的转肽酶的催化下，P位上的fmet-tRNAfmet中甲酰甲硫氨酸的酰基转移到A位，与A位上的氨基酰-tRNA的氨基结合成第一个肽键，这样就在A位上形成一个二肽酰-tRNA，P位上的tRNA随之从大亚基上脱落下来。此时P位成为空位。成肽过程需要Mg2和K的参与。,3转位 上述二肽形成之后，在转位酶催化下，并在EF-G和Mg2的共同参与以及GTP供能的情况下，核蛋白体向mRNA的3端方向移动相当于一个密码子的距离，此时A位上的二肽酰-tRNA移至P位，A位留空，而mRNA上的第三个密码子与空着的A位相对应。至此，第一循环完成，又回复到循环开始时的状态，所不同的是，此时P位上由循环开始时的fmet-tRNAfmet变成了二肽酰-tRNA。接着，第三号氨基酸就按第三个密码子的指引进入A位注册，开始下一轮 循环，形成三肽酰-tRNA。同样地，按进位-成肽-转位循环一次，就在肽链上增加一个氨基酸残基。可见，核蛋白体阅读mRNA密码子是从5向3方向进行的，而肽链的合成是从N-端向C-端方向进行的。蛋白质多肽链合成的速度很快，据估算，每秒钟可翻译约40个密码子，即每秒钟可以使肽链延长40个左右氨基酸残基。,核蛋白体循环的反应过程,（三）翻译的终止 翻译的终止包括：终止密码的辨认，肽链从tRNA上水解释出，mRNA脱离核蛋白体，大小亚基解聚。当肽链延长直到A位出现终止密码（UAA、UAG、UGA），无氨基酰-tRNA与之对应，此时，释放因子（RF）能识别终止密码，进入A位。RF与大亚基的结合，可诱导转肽酶变构，激活转肽酶，使P位上的多肽链从tRNA上分离；然后由GTP供能，使tRNA、RF和mRNA均从核蛋白体上脱落下来；在IF的作用下，核蛋白体解聚成大、小亚基。解聚后的大、小亚基又可重新进入翻译过程，循环使用。狭义上，核蛋白体循环指翻译延长，广义上则包括整个翻译过程。,多肽链合成的终止过程,四、翻译后加工 （一）新生肽链的折叠 （二）N-端蛋氨酸切除 （三）个别氨基酸的修饰 （四）水解切除部分肽段。例如酶原的激活 （五）亚基聚合和辅基连接。,四、蛋白质合成与医学的关系 蛋白质生物合成自复制、转录和翻译的不同过程均有抑制剂能加以阻断。抑制剂包括抗菌素和毒素等 。 （一）复制阻断剂 （二）转录阻断剂 （三）翻译阻断剂,第五节 基因表达调控的基本原理,一、基因表达的概念 和意义 1、基因：负载特定遗传信息的DNA片段，包括由编码序列、非编码序列和内含子组成的DNA区域。 2、基因组：指来自一个遗传体系的一整套遗传信息。在真核生物体，基因组是指一套完整的单倍体的染色体DNA和线粒体DNA的全部序列。,3、基因表达：基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。但对于rRNA、tRNA编码基因，表达仅是转录成RNA的过程。 4、基因表达调控：基因表达是在一定调节机制控制下进行的，生物体随时调整不同基因的表达状态，以适应环境、维持生长和发育的需要。,人类基因组含34万个基因。在某一特定时期，基因组中只有一部分基因处于表达状态。在一定调节机制控制下，大多数基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生具有特定生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型。但并非所有基因表达过程都产生蛋白质。rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。,二、基因表达的特异性 无论是病毒、细菌，还是多细胞生物，乃至高等哺乳类动物及人，基因表达表现为严格的规律性，即时间、空间特异性。生物物种愈高级，基因表达规律愈复杂、愈精细，这是生物进化的需要及适应。,（一）时间特异性 概念：指按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。又称阶段特异性。 在多细胞生物从受精卵到组织、器官形成的各个不同发育阶段，相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。,（二）空间特异性 概念：在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间或顺序出现。 基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，又称细胞特异性或组织特异性。 在多细胞生物个体某一发育、生长阶段，同一基因产物在不同的组织器官表达多少是不一样的；在同一生长阶段，不同的基因表达产物在不同的组织、器官分布也不完全相同。,三、基因表达的方式 不同的基因对内、外环境信号刺激的反应性不同。按对刺激的反应性，基因表达的方式或调节类型存在很大差异。 （一）组成性表达 管家基因：某些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可少，这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常称之为管家基因。 管家基因较少受环境因素的影响，被视为基本的或组成性基因表达。例如，三羧酸循环基因。,（二）适应性表达 有一些基因表达极易受环境变化影响，随外环境信号变化，这类基因表达水平可呈现升高或降低的现象。 诱导：环境变化使其表达增强的过程。 阻遏：环境变化使其表达产物水平降低的过程。 诱导和阻遏是同一事物的两种表现形式，在生物界普遍存在，也是生物体适应环境的基本途径 。,（三）协调表达：在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即协调调节。 四、基因表达调控的主要环节和因素 目前已有证据表明，基因结构活化、转录起始、转录后加工及转运、翻译及翻译后加工等均为基因表达调控的控制点。 转录起始是基因表达的基本控制点。,五、基因转录的调节系统 原核基因转录是多顺反子形式，即转录生成的mRNA可以表达功能相关的数种蛋白质；而真核基因的转录产物为单顺反子，即一个基因通过转录mRNA翻译产生一条多肽链。 原核生物的基因表达调控方式是操纵子模式。 操纵子是几个功能相关的蛋白质的编码基因（结构基因）串联在一起，受其上游的调控序列共同调节，构成一个转录单位。,操纵子的结构,P,S1,S2,S3,启动子,结构基因1，2，3.,O,操纵基因,调控区,结构基因,操纵子,?,I,乳糖操纵子的工作原理：,P,Z,Y,A,启动子,分解代谢乳糖的三种酶基因,O,操纵基因,调控区,结构基因,阻遏蛋白,乳 糖,变构,阻遏蛋白变构失活,阻遏蛋白,乳糖操纵子（Lac ）,I,阻遏物基因,阻遏蛋白,阻遏状态,Z:-