（医学课件）遗传信息的传递与表达

基因信息的传递与表达 DNA是生物体的遗传物质 DNA分子中特定的核苷酸顺序决定着生物体的遗传特征 基因组 一个生物体的全部基因 某一物件只有一套基因组 除性细胞外 每个细胞包含机体全套基因组 基因 核酸分子上具有一定结构 功能并能编码基因产物 蛋白质 RNA 的一段核苷酸序列 按基因产物不同将基因分为蛋白质基因和RNA基因 按基因功能不同将基因分为结构基因 包括酶 结构蛋白 其它不影响基因表达的蛋白基因 和调节基因 包括阻碍蛋白 激活蛋白的基因 分子遗传学的一些重要概念 2 复制 是以亲代DNA为模板 合成子代DNA 将亲代DNA分子的遗传信息准确传递到子代DNA分子的过程 转录 是以DNA为模板合成RNA 将DNA分子中的遗传信息传递给RNA的过程 翻译 是以mRNA分子上的密码顺序 碱基顺序 为模板合成蛋白质分子多肽链的过程 将mRNA中的遗传信息传递给蛋白质的过程 基因表达 通过转录和翻译 基因的遗传信息在细胞内指导合成各种功能蛋白质的过程 逆转录 是以RNA为模板指导DNA的合成 见于RNA病毒 3 生物学中心法则 即基因表达规律 遗传信息传递 流向的法则 生物共同遵循的法则 4 第一节DNA的生物合成 DNA作为遗传物质最基本的特征即自我复制 自我复制是体内合成DNA的主要方式 一 DNA自我复制 一 DNA自我复制的特征1 半保留复制 以亲代DNA解开的两条单链分别为模板 以dATP dGTP dCTP dTTP为原料 按照碱基配对原则 A T C G 各自合成新的互补链 成为两个与亲代DNA完全相同的子代DNA 在每个子代DNA分子的两链中 一条是新合成的 另一条是保留亲代的 故称为半保留复制 5 6 2 半不连续复制 在DNA复制时 一条子代链连续合成 称为前导链 领头链 另一条子代链不连续分段合成 最后才连接成完整的长链 称为滞后链 随从链 合成方向 7 顺解链方向生成的子链 复制为连续进行 称为领头链 另一股链复制方向与解链方向相反 不能顺着解链方向连续延长 称为随从链 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 复制中不连续片段称为冈崎片段 复制叉 8 3 有特定的起始点 具有一些特定的核苷酸序列 原核生物 一个真核生物 多个4 双向复制 9 二 复制过程及参与物质原料 dNTP ATP 1 解旋解链 暴露模板 1 拓扑异构酶 切单链 2 拓扑异构酶 耗ATP切双链 3 解链酶 破坏氢键 4 单链结合蛋白 SSB 结合并固定彼此分离的DNA单链 10 2 引发 合成RNA引物引物酶 在起始位点处合成小段RNA 3 OH可结合dNTP 3 DNA链的延长 1 DNA聚合酶 依赖DNA的DNA聚合酶 DDDP 作用 催化与模板配对的各dNTP间以3 5 磷酸二酯键相连 同时水解掉焦磷酸 分类 11 12 13 2 延长过程 前导链在DDDP 作用下连续合成 DDDP 和DDDP 延长冈崎片段 14 4 终止 DDDP 切除引物 填补空缺 连接酶 连接各个冈崎片段 拓扑异构酶 促使螺旋结构形成二 DNA损伤与修复 一 损伤因素 1 物理因素 紫外线 高温 电离辐射等2 化学因素 脱氨剂 烷化剂等3 碱基自发性脱氨基4 生物因素 人体感染逆转录病毒 15 16 二 损伤后果 基因突变 DNA损伤的类型 17 损伤后果 1 致死2 使生物体丧失某些功能 分子病或先天性代谢障碍 体细胞突变可致肿瘤3 隐性突变4 进化 18 三 修复方式1 无差错修复 见于子代链损伤 直接修复 光复合作用 切除修复2 有差错修复 重组修复 见于亲代链损伤 19 DNA损伤后的重组修复 20 21 22 三 逆转录合成DNA1 逆转录 在逆转录酶催化下 以RNA为模板合成DNA的过程 2 逆转录酶 作用 催化以RNA为模板合成DNA催化RNA的水解催化以DNA为模板合成DNA特点 合成子代链的方向5 3 需要Zn2 参与 以tRNA为引物无校正作用 易变异 3 意义 1 扩充了生物学中心法则 2 深化了人们对RNA病毒致癌机理的认识 3 有助于基因工程的实施 23 24 第二节RNA的生物合成 一 不对称转录 一 原料 ATP GTP CTP UTP 二 模板 DNA分子双链在转录中只有一条链起模板作用 称为模板链 与其互补的相应链称为编码链 不对称转录 在DNA双链中只转录模板链 不转录编码链的转录方式 25 三 RNA聚合酶 又称DNA指导的RNA聚合酶 DDRP 1 作用 作用及特点类同DDDP 2 组成及功能 核心酶 由 4个亚基构成 参与起始主要使RNA链延长 亚基 辨认起始点 即DNA模板链的启动子 RNA聚合酶原核生物 26 特点 原核生物中的DDRP转录速度慢 无校正作用 可被利福霉素 利福平等药物抑制 真核生物中的DDRP转录速度快 有校正作用 四 不对称转录的特点 1 不对称性 2 连续性 不需引物 连续合成3 单向性 5 3 4 有特定的起始点和终止点启动子 启动基因 转录起始点上的一段碱基顺序 为DDRP识别及结合位点 结构基因 能转录出mRNA然后翻译成蛋白质的DNA区段 27 二 转录过程 以原核细胞为例 RNA前体的生成 一 起始 1 因子识别启动子 亚基结合启动子 全酶结合于模板链 全酶结合处DNA变构 局部打开约17个碱基对的双链 局部暴露出模板 2 GTP ATP 配对结合于模板链 全酶催化下一个NTP与其形成磷酸二酯键 同时水解掉焦磷酸 当第一个磷酸二酯键形成 因子脱落 留下核心酶 因为DNA双链分子包含许多基因 而各个基因的模板链不都在同一条DNA链上 28 29 二 延长 1 核心酶沿模板链3 5 滑动 不断催化与模板配对并结合的NTP之间形成磷酸二酯键 使RNA链由5 3 端延长 注 新合成的RNA链与DNA模板链方向相反 合成时遵守碱基配对原则 A U C G T A 2 合成的RNA链脱离模板 DNA恢复双链结构 30 三 终止 核心酶自身 或在 因子协助下 识别终止信号 终止子 停止滑动 然后RNA链 即RNA前体 核心酶先后由模板链脱落 DNA恢复原状 1 自动终止 终止子处转录出发夹样结构RNA 阻止核心酶继续滑行 2 依赖 因子的转录终止 因子 协助核心酶识别终止子的特殊蛋白质 可使DNA RNA双链解开 释放出RNA 并与核心酶一同脱落 脱落的核心酶又可与 因子结合为DDRP 重新开始新的转录 31 32 三 转录后的加工和修饰 RNA前体的成熟 在细胞内一系列酶的作用下 对新合成的RNA分子或RNA前体进行各种化学修饰 添加 剪切 剪接 编辑等反应 使之转变为有特定生物活性的成熟RNA的过程 1 mRNA前体的加工 真核细胞内mRNA前体又称核内不均一RNA hnRNA 1 首尾修饰 在5 端加上 帽子 m7GPPP 7 甲基鸟嘌呤三磷酸核苷 3 端接上 尾巴 polyA 多聚腺苷酸 33 34 2 剪接 由hnRNA中切除内含子 不编码蛋白质的DNA碱基顺序转录出的RNA碱基顺序 拼接外显子 可被翻译成蛋白质的DNA碱基顺序转录来的RNA碱基顺序 35 36 2 tRNA前体的加工 部位 胞浆 1 剪切 分别在5 端和3 端切去一定的核苷酸序列等 2 碱基修饰 A Am U DHU A I U 等 形成一些稀有碱基 这些碱基在蛋白质合成过程中影响tRNA对密码的识别 3 3 端接上CCA 所以tRNA3 末端均为CCA OH 37 38 3 rRNA前体的加工 部位 核仁 rRNA前体 蛋白质 核糖体 亦称核蛋白体 39 小结基因转录也称之RNA合成 合成是按照5 3 方向进行的 RNA合成不需要预先存在的引物 RNA合成需要DNA依赖性的RNA聚合酶全酶 E coliRNA聚合酶是由5个亚基组成的 其中的 亚基在转录起始时识别启动子 真核生物有3种不同的RNA聚合酶全酶 分别称之RNApolI RNApolII和RNApolIII 转录包括3个阶段 起始 延伸和终止 E coli中的转录起始涉及RNA聚合酶全酶结合到 35和 10的启动子区中的特定序列 在RNA合成开始之前 RNA聚合酶复合物需要经历一个由非活性的封闭性复合体到开放性复合体的构象变化 初级RNA转录物的转录后加工包括RNA剪接 5 戴帽 3 聚腺苷酸化以及tRNA碱基修饰 核酶是具有催化能力的RNA分子 它能够在特定的部位切断大的RNA分子 rRNA和tRNA加工涉及大的前体转录产物的依次切断 最后获得功能性的RNA产物 真核生物的mRNA含有一个5 7 甲基鸟苷帽子和3 聚腺苷酸尾巴 这两种修饰都是通过特殊的酶加上去的 40 第三节蛋白质的生物合成 翻译 一 参与翻译的物质 蛋白质生物合成体系 一 原料 氨基酸20种 二 酶及蛋白因子1 氨基酰tRNA合成酶氨基酸 tRNA ATP 氨基酰 tRNA AMP PPi2 转肽酶 促使肽键的形成3 蛋白因子 起始 延长和终止因子 41 42 起始因子原核生物 3种 IF1 IF2 IF3真核生物 多种 其中eIF2是合成调控的关键物质延长因子原核生物 EFTu Ts和EFG真核生物 EFT1 EFT2终止因子 释放因子 RF 原核生物 3种 真核生物 1种 43 三 RNA1 mRNA 模板 密码 mRNA中由5 3 每三个相邻的核苷酸组成一个三联体代表一种氨基酸 数量 43 64 UAA UAG UGA 61其中UAA UAG UGA为终止密码AUG为起始密码 也代表蛋氨酸密码特点 1 简并性 一种氨基酸具有2个或以上密码子的现象 44 20种氨基酸中除蛋氨酸色氨酸外其余均有2 6个密码 确定同一个氨基酸的不同密码称为同义密码密码的头两个碱基就可以确定一个氨基酸例如编码甘氨酸的密码有4个 都开始于GG GGU GGC GGA 和GGG 所以 即使3 位的碱基突变 仍然会编码同一个氨基酸到蛋白质中 减少有害突变 确保遗传的稳定性 2 通用性 几乎所有生物体内都使用同一套遗传密码表 除部分线粒体和叶绿素 45 3 方向性5 AUG UAA UAG UGA 3 翻译生成的蛋白质 N端 C端 4 连续性翻译时从起始密码开始 一个不漏地读下去 直至碰到终止密码 如果插入或删除一个B 就会使该B以后的读码发生错误 称为移码 由于移码引起的突变称移码突变 遗传密码一般不重叠 5 摆动性tRNA与mRNA通过反密码和密码形成碱基配对相互作用 但这种配对作用存在某些变通性 46 当密码与反密码相互作用时 形成的三个碱基对只有两个要求Watson Crick碱基配对 即密码与反密码的3 和中间的碱基形成Watson Crick碱基配对 而反密码的5 位容许其它类型的碱基配对 此特性能明显加快翻译的速度 47 2 tRNA 搬运氨基酸的工具 1 tRNA反密码环上的反密码识别所要转运的AA种类 特异性结合氨基酸 2 在氨基酸 tRNA合成酶 又称AA活化酶 催化下 tRNA的3 OH末端连接相应AA 生成氨基酰 tRNA 3 反密码与mRNA分子上的密码按碱基配对原则相互识别 即密码与反密码方向相反 碱基互补 使所携带的AA按mRNA上的AA密码顺序 对号入座 有时密码的第三个碱基与反密码不遵守碱基配对原则 叫不稳定配对 48 结合氨基酸 结合氨基酰tRNA合成酶 结合核蛋白体 识别密码子 49 3 rRNA 和蛋白质组成核糖体 装配机 1 核糖体种类 附着于粗面内质网上的核糖体 合成细胞的外分泌蛋白 游离于胞浆中的核糖体 合成细胞固有蛋白 2 核糖体结构 小亚基 结合mRNA 氨基酰 tRNA 大亚基大亚基 有三个结合位点受位 A位 结合氨基酰tRNA给位 P位 结合肽酰tRNA出位 E位 结合空载tRNA大亚基具有转肽酶活性 能促使肽键形成并延长肽链 四 ATP GTP K Mg2 等 50 二 蛋白质生物合成过程 以原核细胞为例 1 AA的活化与转运 2 翻译过程 按mRNA密码顺序 AA在核糖体上合成多肽链的过程 分为 1 肽链的起始 在起始因子 Mg2 参与下 由GTP供能 使小亚基 大亚基 mRNA和起始蛋氨酸 tRNA结合构成起始复合物 此时 起始蛋氨酸 tRNA位于大亚基给位 P位 2 肽链的延长 1 注册 接受位 A位 处mRNA的密码 相应氨基酰 tRNA进位于受位 需延长因子参与 由GTP供能 51 2 成肽 在大亚基上转肽酶的催化下 给位上的蛋氨酸 或肽酰 以肽键转接于受位的氨基酰上 给位空载的tRNA的脱落 需K Mg2 参与 3 转位 在延长因子作用下 由GTP供能 转位酶催化 核糖体沿mRNA5 3 移动一个密码位置 使原在受位的tRNA移到给位 受位空出 另一个氨基酰 tRNA的再注册 成肽 转位 如此循环 肽链延长 3 翻译的终止 当肽链合成至受位上出现了终止密码 由终止因子识别并结合于受位 诱导转肽酶变构成水解酶 催化肽链由tRNA的3 末端脱落释放出来 需GTP供能 随后tRNA mRNA 大亚基 小亚基先后