生物医学概论生化第四章基因信息的传递和表达

1、基因信息的传递和表达第 四 章The transfers and the expression of the gene information中心法则 (The Central Dogma)转 录翻 译逆转录DNARNA蛋白质复 制第一节DNA的生物合成（复制）DNA复制(DNA replication) 是指遗传物质的传代，以亲代DNA为模板，以四种dNTP为原料，在DNA聚合酶的催化下，按照碱基互补配对原则，合成子链DNA的过程。一、DNA的复制半保留复制(semi-conservative replication)双向复制(bidirectional replication)半不连续复制

2、(semi-discontinuous replication) （一）DNA复制的基本特征 DNA生物合成时，亲代DNA解开为两股单链，各自作为模板(template)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地接受过来，另一股单链则完全重新合成。两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制。半保留复制的概念:1. 半保留复制AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGAC

3、CAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母链DNA复制过程中形成的复制叉子代DNA按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。半保留复制的意义:遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。原核生物基因组是环状DNA，只有一个复制起点（origin）。复制从起点开始，向两个方向进行解链，进行的是单点起始双向复制。复制中的放射自显影图象2. 双向复制3535解链方向35335前导链(leading strand)后随链(lagging strand)3. 半不连续复制顺着解链方向生成的子链，复制是连续进

4、行的，这股链称为前导链(leading strand) 。另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为后随链(lagging strand) 。复制中的不连续片段称为冈崎片段(okazaki fragment)。 前导链连续复制而后随链不连续复制，就是复制的半不连续性。 参与DNA复制的物质:底物(substrate): dATP, dGTP, dCTP, dTTP；模板(template): 解开成单链的DNA母链；引物(primer): 提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合；聚合酶(polymerase): 依赖DNA的DNA聚合酶，简写为 DN

5、A-pol；其他的酶和蛋白质因子。（二）参与DNA复制的酶和蛋白质因子DNA分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把DNA解成单链，它才能起模板作用。 解链、解旋酶类解螺旋酶(helicase)利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链。单链DNA结合蛋白(single stranded DNA binding protein, SSB) 在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整。 复制起始点附近区域的DNA双链解开成为两条单链。SSB解螺旋酶解链方向108局部解链后复制过程正超螺旋的形成： DNA拓扑异构酶改变DNA超螺旋状态、理顺DNA链解链过程中正超螺旋的形成拓扑酶的作用方式：

6、2. 引物酶 ( primase ) 引物酶是一种特殊的RNA聚合酶，在模板的复制起始部位催化NTP的聚合, 形成短片段的RNA。这一小段RNA作为复制的引物（primer），提供3-OH末端，使DNA-pol能够催化dNTP聚合。3. DNA聚合酶全称：依赖DNA的DNA聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase，DDDP)简称：DNA-pol聚合反应的特点:DNA 新链生成需引物和模板； 新链的延长只可沿5 3方向进行。原核生物的DNA聚合酶分为三型DNA-pol DNA-pol DNA-pol 对复制和修复中出现的空隙进行填补。DNA-pol 功能：具有5 3方向

7、聚合酶活性。 对复制和修复中出现的空 隙进行填补。具有3 5方向核酸外切酶活性切除错配核苷酸，起校读功能。具有5 3方向核酸外切酶活性切除突变片段。DNA-pol （120kD）DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活。DNA-pol 可能参与DNA损伤的应急状态修复（SOS修复）。功能：DNA-pol (250kD)是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。pol Ipol IIpol III5 聚合酶活性+ 5外切酶活性+5 外切酶活性+-亚基数1?10（不对称多聚体）分子数/细胞400?20功能修复合成切除引物填补空隙损伤修复复制E. coli中的DNA聚合酶4. DNA连接酶连接

8、DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。 DNA连接酶(DNA ligase)作用方式：HO5335DNA连接酶ATPADP5353DNA连接酶的作用：DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。也是基因工程的重要工具酶之一。功能：1. DNA复制的起始需要解决两个问题：1. DNA解开成单链，提供模板。2. 形成引发体，合成引物，提供3-OH末端。（三）原核生物DNA的复制E. coli复制起始点 oriC GATTNTTTATTT GATCTNTTNTATT GATCTCTTA

9、TTAG 1 13 17 29 32 44 TGTGGATTA-TTATACACA-TTTGGATAA-TTATCCACA58 66 166 174 201 209 237 245 串联重复序列 反向重复序列5353DNA的解链 Dna A Dna B、 Dna CDNA拓扑异构酶引物酶3535引发体和引物含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。2. 复制的延长复制的延长指在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，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。 前导链的合成：前导链的子链沿着53方向可以连续地延长。解螺旋酶后随链的合成

10、解螺旋酶同一复制叉上前导链和后随链由相同的DNA-pol催化延长 原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制片段在复制的终止点(ter)处汇合。 ori terE. coli3. 复制的终止555RNA酶OHP5DNA-pol dNTP55P 55DNA连接酶 后随链上不连续性片段的连接：（四）真核生物DNA的复制真核生物每个染色体有多个起始点，可同时进行双向复制。两个复制起点之间的DNA片段称为一个复制子。真核生物是多复制子复制。1. 复制的起点染色体DNA呈线状，复制在末端停止。染色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物，去除后留下空隙不能由DNA聚合酶填补。3. 末端复制和端粒533553

11、35+5333355端粒(telomere) 指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。端粒中的端粒酶可延长端粒，维持DNA复制的完整性。二、DNA的损伤和修复各种体内外因素可导致的DNA分子结构发生变化，引起遗传信息的改变，称为DNA损伤（DNA damage），亦称突变(mutation)。生物体内存在DNA修复系统，可有效修复DNA损伤，保持遗传的稳定性。物理因素 紫外线(ultra violet, UV)、各种辐射化学因素 化学诱变剂，如羟胺、亚硝酸盐、烷化 剂等生物因素 致癌病毒自发突变: 体内因素导致的突变，如复制中自发产生的突变、碱基的自发突变、细胞正常代谢产物如自由基引起的 突

12、变等。诱发突变 体外因素诱发产生的突变。（一）DNA损伤的类型点突变 (point mutation)缺失 (deletion)插入 (insertion)重排 (rearrangement)框移(frame-shift) 1. 点突变又称错配（mismatch），包括转换和颠换两种。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。转换发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。颠换镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) 亚基N-val his leu thr pro val glu C 肽链CAC GTG基因正常成人Hb (HbA)亚基N-val his leu thr pro g

13、lu glu C 肽链CTC GAG基因谷 酪 蛋 丝5 G C A G U A C A U G U C 丙 缬 组 缬正常5 G A G U A C A U G U C 缺失C2. 缺失或插入突变缺失或插入都可导致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，称为框移突变或移码突变。3. 重排DNA分子内较大片段的交换或移位，称为重排。 （二）DNA损伤的修复直接修复(direct repair)切除修复(excision repair)重组修复(recombination repair)SOS修复 修复的主要类型1. 直接修复光修复酶(photolyase) UVUvrAUv

14、rBUvrCOHPDNA聚合酶OHP2. 切除修复是细胞内最重要和有效的修复机制，原核生物中主要由切除修复特异的内切酶，以及DNA-pol和连接酶完成。DNA连接酶ATPE. coli的切除修复机制人体切除修复系统 其缺失会导致着色性干皮病（xeroderma pigmentosis, XP） 患者极易患皮肤癌这是DNA的复制过程中所采用的一种修复方式。 修复时，利用重组蛋白将另一股健康亲链与损伤缺口相互交换。 3. 重组修复RecA的分子结构重组修复4. SOS修复当DNA损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出一系列复杂的反应。这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差。通过SOS修复，复制如

15、能继续，细胞是可存活的。然而DNA保留的错误较多，导致较广泛、长期的突变。是一种“倾向错误的修复”。第二节RNA的生物合成（转录）转录 (transcription) 是生物体以DNA为模板，以四种核糖核苷三磷酸（ATP、GTP、CTP、UTP，总称NTP）为原料，合成RNA的过程 。 转录RNADNA 复制和转录的相似之处:都是酶促的核苷酸聚合过程。都以DNA为模板。都需要依赖DNA的聚合酶。聚合过程都是核苷酸之间形成磷酸二酯键。合成方向都是沿53方向延伸核苷酸链。都遵从碱基互补规律。复制和转录的区别参与转录的物质：原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: DNA酶

16、: RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol)其他蛋白质因子及Mg2+和Mn2+等合成方向53，核苷酸间的连接方式为 3，5-磷酸二酯键。 一、转录的模板和酶（一）转录的模板DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因(structural gene)。 DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链(template strand)，也称作有义链或Watson链。相对的另一股单链是编码链(coding strand)，也称为反义链或Crick链。 5GCAGTACATGTC 35GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C编码链模

17、板链mRNA蛋白质转录翻译3CGTCATGTACAG 5不对称转录(asymmetric transcription) 在DNA分子双链上的一个基因片段内只有一条链可以转录 ；并非所有基因的模板链都在同一条单链上。5335模板链编码链编码链模板链结构基因转录方向转录方向不对称转录（二） RNA聚合酶RNA聚合酶能从头启动RNA链的合成DNA依赖的RNA聚合酶催化合成RNA；RNA合成的化学机制与DNA依赖的DNA聚合酶催化DNA合成相似。 ( NMP )n + NTP ( NMP ) n+1 + PPiRNA延长的RNADNA聚合酶在启动DNA链延长时需要引物存在，而RNA聚合酶不需要引物就能

18、直接启动RNA链的延长。RNA聚合酶和DNA的特殊序列启动子(promoter)结合后，就能启动RNA合成。 转录过程可分为转录起始、转录延长和转录终止三个阶段。 二、转录过程RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。（一）原核生物的转录过程转录起始需解决两个问题：1. 转录起始E. coli的转录起始和延长 转录空泡(transcription bubble)：RNA-pol （核心酶） DNA RNA2 . 转录延长依赖因子的转录终止非依赖因子的转录终止3. 转录终止转录终止指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从

19、转录复合物上脱落下来。 依据是否需要蛋白质因子的参与，原核生物转录终止分为： 真核生物的转录过程比原核复杂。二者的转录起始过程有较大区别，转录终止也不相同。 （一）真核生物的转录过程不同物种、不同细胞或不同的基因，转录起始点上游都有不同的特异DNA序列，包括启动子、增强子等，统称为顺式作用元件(cis-acting element)。 转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒增强子顺式作用元件(cis-acting element)AATAAA切离加尾转录终止点修饰点外显子翻译起始点内含子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚体转录起始时，真核生物的RNA pol不直接识别和结合模板的起始

20、区，而是依靠转录因子识别并结合起始序列。 能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，统称为转录因子(transscriptional factors, TF)或反式作用因子(trans-acting factors)。 真核生物转录生成的RNA分子是初级RNA转录物(primary RNA transcript)，几乎所有的初级RNA转录物都要经过加工，才能成为具有功能的成熟的RNA。加工主要在细胞核中进行。三、RNA的转录后加工几种主要的修饰方式：1. 剪接(splicing)2. 剪切(cleavage)3. 修饰(modification)4. 添加(addition)5. RN

21、A编辑(RNA editing)（一）真核mRNA的加工 真核生物mRNA转录后，需要进行5-端和3-端（首、尾部）的修饰以及对hnRNA进行剪接（splicing），才能成为成熟的mRNA，被转运到核糖体，指导蛋白质翻译。 1. mRNA在5-末端加入帽子结构大多数真核mRNA的5-末端有7-甲基鸟嘌呤的帽结构。这个真核mRNA加工过程的起始步骤由两种酶，加帽酶(capping enzyme)和甲基转移酶(methyltransferase)催化完成。 帽结构帽结构的意义：可以使mRNA免遭核酸酶的攻击；也能与帽结合蛋白质复合体(cap-binding complex of protein)

22、结合，并参与mRNA和核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成。 2. mRNA在3-末端加上多聚腺苷酸尾 5-AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG转录终止的修饰点55333加尾AAAAAAA 3 mRNApoly A的有无与长短，是维持mRNA作为翻译模板的活性，以及增加mRNA本身稳定性的因素。一般真核生物在胞浆内出现的mRNA，其poly A长度为100至200个核苷酸之间，也有少数例外。3. mRNA的剪接外显子：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。内含子：在断裂基因及其初级转录产物上出现，而在剪接过程

23、中被除去的核酸序列。 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。 断裂基因(splite gene)CABD编码区 A、B、C、D非编码区mRNA的剪接 除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。snRNA (small nuclear RNA)核内的蛋白质snRNP（组成剪接体, splicesome）snRNA鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图DNAmRNA鸡卵清蛋白基因hnRNA首、尾修饰hnRNA剪接成熟的mRNA鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰（二）tRNA的转录后加工

24、tRNA前体RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNARNAaseP、内切酶tRNA核苷酸转移酶、连接酶ATPADP碱基修饰（2）还原反应 如：U DHU （3）核苷内的转位反应 如：U （4）脱氨反应 如：A I 如：A Am（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）（三）rRNA的转录后加工转录45S - rRNA剪切18S - rRNA5.8S和28S-rRNArDNA内含子内含子28S5.8S18S第三节蛋白质的生物合成（翻译）蛋白质的生物合成，即翻译，就是将mRNA中由 4 种核苷酸序列编码的遗传信息，解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序 的过程。20

25、种氨基酸(AA)作为原料酶及众多蛋白因子，如IF、eIF ATP、GTP、无机离子一、蛋白质生物合成体系 三种RNAmRNA（messenger RNA, 信使RNA）rRNA（ribosomal RNA, 核糖体RNA）tRNA（transfer RNA, 转移RNA）（一）合成原料蛋白质的合成原料是20种编码氨基酸有些蛋白质分子中含有的羟脯氨酸、羟赖氨酸等修饰氨基酸是翻译后加工修饰的结果。 mRNA是遗传信息的携带者3个连续的碱基，每个有4种(A, U, G, C)选择，则可组成4*4*4 = 64种密码蛋白质合成原料为20种氨基酸，加上起始和终止信号，3个连续碱基完全可以代表前述信息。

26、（二）合成模板遗传密码mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码(triplet coden)。起始密码(initiation coden): AUG 终止密码(termination coden): UAA，UAG，UGA AUG第一次出现于mRNA靠近5端时，它不仅编码Met，还作为翻译起始信号。当AUG位于mRNA中部时，仅编码Met。UAA、UAG、UGA这3组为终止密码，提供翻译终止信号，不编码任何氨基酸。遗传密码表目 录遗传密码的特点1. 方向性(directional)翻译时遗传密码的阅读方向是

27、53，即读码从mRNA的起始密码子AUG开始，按53的方向逐一阅读，直至终止密码子。 NC肽链延伸方向53读码方向2. 连续性(non-punctuated)编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉。 5.A U G G C A G U A C A U U A A 3AlaValHisMet终止密码基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变(frameshift mutation)。 3. 简并性(degeneracy)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。目

28、录目 录4. 通用性(universal)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。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。 5. 摆动性(wobble)转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。 U摆动配对目 录U反密码环氨基酸臂（三）运载工具tRNA的三级结构示意图目 录（四）合成场所核糖体的组成目 录核糖体核糖体原核生物翻译过程中核糖体结构模式:A位(受位)：氨基酰位(aminoacyl site)P位(给位)：肽酰位(p

29、eptidyl site)E位：排出位(exit site)目 录（五）蛋白质生物合成所需酶、蛋白质因子等1. 重要的酶类3. 能源物质及离子2. 蛋白质因子氨基酰-tRNA合成酶；转肽酶；转位酶起始因子，延长因子，释放因子ATP，GTP氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰-tRNA合成酶二、 氨基酸的活化氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activity) 。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet 真核生物： Met-tRNAiMet原核生物： fMet-tRNAfMet起始肽链合成的氨基酰-tRNA翻译的起始(initiation)翻译的延长(elongation)翻译的终止(termination )也称为广义的核糖体循环。整个翻译过程可分为 ：翻译过程从阅读框架的5-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。 三、 肽链的生物合成过程核糖体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA的结合； 核糖体大亚基结合。1. 起始（一）原核生物的肽链合