公卫执助辅导生物化学大纲基因信息的传递

1、第 九 单元基因信息的传递第一节DNA的生物合成DNA生物合成有DNA复制和反转录两种方式。DNA复制是指遗传物质的传代。复制是指以母链为模板合成子链DNA的过程。复制的分子基础是碱基配对规律和DNA双螺旋结构。复制的化学本质是酶促的生物细胞单核苷酸聚合。 一、复制基本规律1.半保留复制：DNA合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整的接受过来，另一股单链则完全重新合成，这种复制方式为半保留复制。2.半不连续复制： DNA复制时，两条子链合成的情况不同，一条链连续合成，另一条链不连续合成。以复制叉向前移动的方向为标

2、准，一条模板链是5到3走向，在其上DNA能连续合成；另一条链模板链是3到5走向，在其上DNA也是5到3方向合成，但与复制叉方向正好相反，所以随着复制叉的移动，形成许多不连续的片段，最后连成一条完整的DNA链。因此，这种复制方式为不连续复制。 3.双向复制 ： 复制起始点：DNA复制在DNA特定的位点起始，叫复制起始点。原核生物只有一个复制起始点（单点复制），真核生物可有多个复制起始点（多点复制）。 复制子：复制起始点到复制终点形成一个复制单位。原核有一个复制子，真核有多个复制子，复制子之间形成“眼睛”结构。多数为定点双向复制。二、复制的酶学 （一）DNA聚合的参与物 1.原料：dNTP（dAT

3、P，dGTP，dCTP，dTTP）。2.模板：DNA两条链分别做模板。 3.引物：小段寡核苷酸，多为RNA（提供3一0H末端）。 4.多种酶：DNA聚合酶、引物酶或RNA聚合酶、解螺旋酶、DNA拓扑异构酶、单链DNA结合蛋白。5.Mg 2+（二） DNA聚合酶（DNA依赖的DNA聚合酶、DNA-pol） 1.原核生物DNA聚合酶 （1）原核生物DNA聚合酶有三种：DNA聚合酶I：切除引物、填补空隙，在修复合成中起主要作用DNA聚合酶：在复制中起主要作用的聚合酶（2）用蛋白水解酶将DNA pol l部分水解可得两个片段：大片段（Klenow片段），75kD，活性：5-3聚合活性、3- 5外切活性

4、；小片段，36kD，活性：5-3外切活性。2.真核生物DNA聚合酶（1）真核生物复制延长中起主要催化作用的是DNA聚合酶。 （2）真核生物复制中起校读、修复和填补引物缺口作用的聚合酶是DNA聚合酶。3.DNA聚合酶的反应特点（1）以4种dNTP为底物； （2）反应需要接受模板的指导，不能催化游离的dNTP的聚合；（3）反应需有引物3一0H存在； （4）链延长方向5一3；（5）产物DNA的性质与模板相同。（6）有校正纠错的功能（三）引物酶或RNA聚合酶 细胞内，DNA的复制需要引物（DNA或RNA），引物酶或RNA聚合酶可合成610个碱基的RNA引物。（四）解螺旋酶大肠杆菌的解螺旋酶利用ATP供

5、能，使DNA双链解开成两条单链。 （五）DNA拓扑异构酶 1.拓扑异构酶功能 松解超螺旋、防止打结。2.拓扑异构酶分类：拓扑异构酶I和，广泛存在于原核生物和真核生物。 （1）拓扑异构酶I：使DNA的一条链发生断裂和再连接，反应无须供给能量，主要集中在活性转录区，与转录有关。（2）拓扑异构酶：使DNA的两条链同时断裂和再连接，当它引入超螺旋时需要由ATP供给能量。 （六）单链DNA结合蛋白复制叉上的解螺旋酶，沿双链DNA前进，产生单链区，大量的单链DNA结合蛋白与单链区结合，阻止重新生成双链和保护单链DNA不被核酸酶降解。即复制中维持模板的单链状态并保护单链的完整 。 （七）DNA连接酶通过形成

6、磷酸二酯键，连接在互补基础上的双链DNA上的切口。三、DNA生物合成过程（一） 起始阶段1.螺旋松弛与解链DNA解旋、解链、形成复制叉。参与酶：拓扑异构酶、解链酶（解螺旋酶）、单链结合蛋白（SSB）。2.引发（合成RNA引物）复制起始点：DNA复制在DNA特定的位点起始，叫复制起始点。原核生物只有一个复制起始点，真核生物可有多个复制起始点。（1）复制叉在复制DNA双螺旋分子的分叉处。（2）引物酶按着单链碱基互补合成RNA引物。原核生物复制时的RNA引物较长，真核生物的引物较短。（3）引发体 将与复制有关的基因命名为Dna，DnaB是解旋酶，DnaG是引物酶。DnaA，DnaB，DnaC，Dna

7、G和其他一些复制因子组成聚合体，再和DNA结合组成引发体。除去DnaG的聚合物叫引发前体，前体可反复和引物酶结合，合成引物。（二）链延长复制需同时满足两条链反向平行、新链从5 3 延长、边解链边复制。复制的延长指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，即按碱基互补原则新链不断的延长。1.新合成链的延长方向：5端 3端。2.碱基配对双链反向平行：AT，TA，GC，CG。3.半不连续复制：先导链（领头链）连续合成、随从链分段合成。（写字板）复制时两条链分别作模板，但方向相反。新链合成方向与母链解链方向相同 连续合成 领头链新链合成方向与母链解链方向相反 不连续

8、合成 随从链，合成冈崎片段。4.冈崎片段：复制中不连续片段被命名为冈崎片段。随从链中的DNA片段。原核生物的冈崎片段较长，真核生物的冈崎片段较短。 （三）终止1.原核生物是环状DNA，单复制子复制。从起始点开始进行双向复制各进行180 0，同时在终止点上汇合。去除引物，填补空隙，连接冈崎片段形成完整DNA分子。 2.真核生物（1）染色体线性DNA分子末端有端粒结构，需端粒酶完成终止。（2）端粒酶：由RNA和蛋白质组成，RNA作为模板，蛋白组分催化末端DNA合成，故端粒酶实质上属于一种特殊的反转录酶。四、反转录（逆转录） 反转录是指以RNA为模板，即按照RNA中的核苷酸顺序合成DNA的过程。这与

9、通常转录过程中遗传信息流从DNA到RNA的方向相反。 逆转录酶RNA DNA（一）反转录病毒和反转录酶1.RNA病毒的基因组是RNA而不是DNA，其复制方式是反转录，也称反转录病毒。2.反转录的信息流动方向：RNA-DNA3.反转录酶活性：RNA依赖的DNA聚合酶活性、DNA依赖的DNA聚合酶活性、RNA水解酶活性。4.反应体系： RNA模板、原料（dNTP）、引物（tRNA）、反转录酶。（二）意义补充中心法则；揭示了反转录病毒的致癌机制；为基因工程提供工具和思路。 第二节RNA的生物合成 一、RNA的生物合成（转录）的概念转录是以DNA的一条链为模板，4种NTP为原料，在DNA指导的RNA聚

10、合酶 （DDRP）作用下，按碱基配对规律生成RNA链。二、转录体系的组成及转录过程（一）转录体系的组成1.原料、RNA聚合酶及其他蛋白因子。2.转录模板 转录是以DNA的一条链为模板。（1）模板链（Watson链） :是双链DNA中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链。（2）编码链（Crick链） : 与模板链互补的单链，其碱基序列与mRNA基本相同（只有T和u的差别）。转录的碱基 互补规律：A-U、T-A、C-G。（3）不对称转录：在DNA分子双链上，一股链用作模板指引转录，而另一股链不转录；模板链并不总是在同一单链上。3.RNA聚合酶（1）原核生物RNA聚合酶原核生物的RNA聚合酶

11、只有一种，可以催化不同种类的RNA合成。RNA聚合酶由四种五个亚基构成，亚基有各自的功能。原核生物的RNA聚合酶可被利福平抑制 （2）真核生物RNA聚合酶有多种，不同RNA由不同聚合酶催化生成。1）RNA聚合酶I转录生成rRNA2）RNA聚合酶转录生成mRNA前体3）RNA聚合酶转录生成小分子RNA（tRNA，5SrRNA，snRNA等）4.模板与酶的辨认结合：原核生物以RNA聚合酶全酶结合到DNA的启动子上来启动转录，其中由亚基辨认启动子，其他亚基相互配合。（二）转录过程转录过程包括起始、延长、终止。原核生物和真核生物的RNA-pol种类不同，结合模板的特性不一样，转录起始过程有较大区别。1

12、.起始（1）s因子辨认转录起始点，RNA聚合酶与模板结合转录起始部位也称启动子。启动子是在转录起始点上游的特殊碱基序列，一般包括RNA聚合酶识别、结合、起始转录的特殊序列，如TATA盒。原核生物启动子原核生物转录起始复合物RNA-pol（ 2 ）-DNA-pppGpN-OH 3（2）DNA双链解开，按碱基互补掺入核苷酸第一个磷酸二酯键生成，s亚基脱落。（3）真核生物转录起始前复合物（PIC） ：真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，需要先和转录因子结合。转录因子TFD的TBP亚基结合TATA，在TFA和B的促进和配合下，形成D-A-B-DNA复合

13、体。TFF结合RNA-pol进入启动子的核心区TATA，、接着TFE和TFF进入而完成PIC的装配。2.链延长链延长方向：5端-3端。RNA聚合酶在模板链的移动方向：3端-5端。碱基配对：AU，TA，GC，CG。（1）原核生物因子从全酶上脱离，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）酶和DNA结合较松，向前滑动，按与模板碱基配对不断合成RNA。2）转录泡：RNA聚合酶所在区，有17个碱基对解链，有12个碱基对形成DNA-RNA杂交链，前后DNA都是双链。3）RNA聚合酶核心酶、DNA和RNA组成的复合物，也叫转录复合物。（写字板）4）为多顺反子转录（1个启动子，数

14、个结构基因）。5）转录后一般不需特别加工。（2）真核生物1）真核生物RNA聚合酶不能直接与DNA结合，需与TFD等因子结合形成复合物。2）为单顺反子转录（1个启动子，1个结构基因）。3）转录后需加工。3.终止（1）原核生物1）依赖因子（终止因子）的转录终止：因子与转录产物结合，结合后因子和RNA聚合酶发生构象改变，从而使RNA聚合酶停顿。2）非依赖因子的转录终止：转录产物的3端有多个连续的u，在连续u的5上游可形成发夹结构。（2）真核生物mRNA在修饰点处被切断。转录终止的修饰点：读码框架下游的AATAAA序列，及再下游有相当多的GT序列。三、真核生物转录后修饰转录生成的RNA是初级转录产物。

15、真核生物mRNA转录后，需进行首尾修饰，以及对mRNA链进行剪接。mRNA的转录后加工1.首、尾的修饰“戴帽”：5端添加mGpppG一结构。“加尾”：3端添加多聚腺苷酸（poly A）结构。2.剪接去除“内含子”和连接“外显子”（1）内含子：隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。（2）外显子：在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。 3.化学修饰甲基化等。4.RNA编辑：是遗传信息在转录水平发生改变，由一个基因产生不止一种蛋白质。第三节蛋白质生物合成一、蛋白质的生物合成体系反应体系：原料：20种氨基酸模板：mRNA场所：核糖体氨基酸的“搬运工具”：tRNA酶

16、与蛋白质因子：氨基酰tRNA合成酶、转肽酶起始因子、延长因子、终止因子能量：ATP、GTP无机离子：K+、Mg2+（一）翻译模板mRNA及遗传密码1.mRNA是遗传信息的携带者，是蛋白质合成的直接模板。基本概念：（1）顺反子：遗传学将编码一个多肽的遗传单位称顺反子。（2）多顺反子：原核细胞中数个结构基因常串连为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质。转录后一般不需特别加工。（3）单顺反子：真核结构基因的遗传信息是不连续的，mRNA转录后需要加工，成熟才成为翻译的模板，一个mRNA只编码一种蛋白质。2. mRNA上存在遗传密码。（1）概念：密码子：mRNA中每3个核苷酸组成一

17、组，代表相应的氨基酸或翻译起始、终止信号。起始密码：5端AUG，编码甲酰甲硫氨酸（细菌）或甲硫氨酸（高等动物）。终止密码：UAA，UAG或UGA（不编码相应的氨基酸）。（2）密码数量：64个，表示氨基酸的密码有61个。（3）遗传密码的特点连续性：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。 简并性：多个密码可编码同一种氨基酸，即一种氨基酸可由多个密码表示编码同一种氨基酸的多个密码称同义密码。其原因是由于密码子与反密码子之间存在不稳定配对（摆动性或摇摆性）。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。摆动性反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆

18、动配对。主要发生在密码子的第3位（3端）与反密码子的第1位之间（5端）。tRNA反密码子第一个核苷酸（5端）与mRNA密码子的第三个核苷酸（3端）配对时，除AU、GC外，还可有UG、IC、IA、IU等。 （二）核糖体是多肽链合成的装置1.构成（1）原核生物中的核糖体大小为70S，可分为30S小亚基和50S大亚基。由16S rRNA， 5S rRNA，23S rRNA和蛋白质组成。（2）真核生物中的核糖体大小为80S，也分为40S小亚基和60S大亚基。由18S rRNA， 5S rRNA，28S rRNA，5.8S rRNA和蛋白质组成。 2.功能 核糖体的大、小亚基分别有不同的功能。 （1）小

19、亚基可与mRNA、GTP和起始氨基酰tRNA结合。（2）大亚基具有转肽酶活性；具有两个不同的tRNA结合点。A位受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；P位给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合。 （三）tRNA与氨基酸的活化 tRNA在蛋白质合成中携带氨基酸并保证氨基酸准确就位。 一种tRNA可携带一种氨基酸；而一种氨基酸可有数种tRNA携带，参与蛋白质的合成。1.氨基酸的活化： 氨基酸的羧基与特异tRNA结合形成氨基酰一tRNA，连接位置是tRNA的3-C-C-A-OH,此过程由氨基酰一tRNA合成酶（特异识别氨基酸、tRNA）催化。2.起始肽链合成的氨基酰一tRNA 原核

20、生物：起始密码只能辨认甲酰化的甲硫氨酸。 真核生物：与甲硫氨酸结合的tRNA至少有两种。 3.通过密码和反密码的不稳定配对使氨基酸运到准确的位置。 （四）蛋白质因子 包括 启动因子、延长因子、终止因子。二、蛋白质生物合成过程翻译过程从阅读框架的5一AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。整个翻译过程可分为起始，延长，终止。（一）肽链的合成起始 指mRNA和起始氨基酰一tRNA分别与核糖体结合而形成翻译起始复合物。该过程需要多种起始因子和GTP参加。（参与该过程的多种蛋白质因子称为起始因子）1.原核生物翻译起始复合物形成 （1）核糖体大小亚基分离。 （2）mRNA在

21、小亚基就位。 SD序列AGGA与16SrRNA 3端UCCU互补。SD序列：原核生物mRNA起始密码AUG上游约813个核苷酸部位，存在49个核苷酸的一致序列，富含嘌呤碱基，如一AGGAGG一，为核糖体结合位点。 （3）起始氨基酰一tRNA的结合（甲酰蛋氨酰-tRNA）。 （4）核糖体大亚基结合。 2.真核生物翻译起始复合物形成 （1）核糖体大小亚基分离。 （2）起始氨基酰一tRNA与小亚基结合 （蛋氨酰tRNA）。（3）mRNA在核蛋白体小亚基就位。 （4）核糖体大亚基结合。（二）肽链的延长 根据mRNA密码序列的指导，依次添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。 肽链的延长也称

22、为核蛋白体循环。 核蛋白体循环： 肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步： 进位、成肽、转位。1.进位指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。该过程消耗GTP.碱基配对 除Au、Gc外，还可有uG、Ic、IA、Iu等。2.成肽是由转肽酶催化的肽键形成过程。肽链合成方向N端 C端。3.移位 需要消耗GTP核糖体沿mRNA从5 3移动一个密码的距离肽链长度预测：起始密码AUG到终止密码之间的密码子数目。（三）肽链合成的终止 1.当核糖体A位出现mRNA的终止密码后，终止因子（释放因子） 与其结合，多肽链合成停止。2.转肽酶起水解作用使肽链从肽酰一tRNA中释放3.mRNA、核蛋白体大、小亚基等分离等分离，重新利用。释放因子RF功能：识别终止密码和诱导转肽酶改变为酯酶活性起水解作用。进而使合成的肽链脱落并促进mRNA与核糖体分离。在体内合成多肽链时是多核蛋白体循环。 多肽链合成后还需要剪切、侧链修饰、亚