基因信息的传递与蛋白质合成

1、第九章 基因信息的传递与蛋白质合成第一节基因及其结构基因(gene):是细胞内遗传物质的最小功能单位，是负载有特定遗传信息的 DNA片段。结构基因(structural gene):编码非调控因子的任何蛋白质和RNA的基因。调控基因(regulatory gene):编码调节其他基因表达的白质或RNA的基因。人类基因组约有3.0X 109 bp, 23万个基因。(一)原核细胞的基因结构特点编码区：能够转录为相应的mRNA进而指导蛋白质合成的基因区段在原核细胞中是连续的，功能相关的结构基因串联排列。非编码区：占整个基因组小部分，不能转录为 mRNA编码蛋白质的区段由编 码区上游和下游的DNA序列

2、组成。启动子(promoter):位于结构基因上游，包含转录起始点和RNA聚合酶识 别及结合的部位。 起始点：DNA模板链上开始进行转录作用的位点。 识别部位：RNA聚合酶的6因子识别 DNA分子的部位，中心位于-35区，共 有序列是5 -TTGACA-3。 结合部位：在DNA分子上与RNA聚合酶核心酶紧密结合的序列，中心位于-10 区，共同序列为 5 -TATAAT-3 ,又称为 Pribnow 盒(pribnow box) (二)真核细胞的基因结构特点由编码区和非编码区两部分组成， 编码区是不连续的，被非编码区所隔断，因而 真核细胞基因也称为断裂基因。.断裂基因(split gene)：由

3、若干内含子和外显子构成的不连续镶嵌结构的结构基 因。内含子(intron)：指插入在结构基因内部能够被转录，但不能指导蛋白质生物 合成的非编码顺序。GT-AG法则：在内含子的5端多以GT开始，3端多以AG结束，是普遍存在 于真核细胞基因中RNA剪接的识别信号。 外显子(exon)：指在结构基因中能够被转录，并能指导蛋白质生物合成的编码 顺序。启动子真核生物启动子由TATA盒及其上游的CAAT盒和/或GC盒组成。TATA盒(TATA boX :在转录起始位点上游-25-35 bp区段，是以TATA为核心 的序列，RNA聚合酶及其他蛋白质因子的结合位点。终止子(terminator)存在于基因末端

4、具有转录终止功能的特定顺序。转录后形成发夹结构，使 RNA聚合酶从模板上脱离，终止转录。.基因家族(gene family)真核细胞基因组中来源相同、结构相似、功能相关的一组基因，是由一个祖 先基因经重复和变异形成的，是真核细胞基因结构最显著的特征之一。基因家族可分为二类：A.基因家族的成员成簇存在，串联排列于特殊的染色体区段上，形成基因簇(gene cluster),可同时转录，合成功能相关或相同的产物，如组蛋白、rRNA基因家族；B.基因家族成员分散存在，广泛分布于整个染色体，甚至可存在于不同的染色体 上，如干扰素、珠蛋白等基因家族。. DNA重复序列单一序列(unique sequenc

5、e :基因组中，编码蛋白质的基因只有一个或几个拷DNA重复序列(repetitive sequence):基因组中，编码蛋白质的基因有多个拷贝。中度重复序列(middle repetitive sequences):由相对较短的序列组成，重复次数 在101000之间，属非编码序列，散在分布于基因组中，与基因调控有关。高度重复序列(highly repetitive sequence :由基因组中非常短的序列(一般小于100bp)组成，在基因组中的重复次数在几千次以上，常成簇分布于染色体着 丝粒区及染色体的端部，可能与基因表达调控及染色体结构维持有关。第二节 基因转录和转录后加工一、基因转录的一

6、般特点基因转录：是遗传信息从DNA流向RNA的过程，即 将DNA分子上的核甘酸序列转 变为RNA分子上核甘酸序列的过程。转录的本质：是一个以DNA双螺旋链中反义链为模板， 以四种核甘三磷酸 ATR GTR CTP UTP为原料，在RNA聚合酶作用下，遵循碱基互补配对原则， 合成RNA的过程。 模板链(template strand)或反义链(antisense strand):在双链 DNA中，作为转录 模板的链，与mRNA互补。编码链(coding strand)或有意义链(sense strand):与模板链互补的另一条链，与转录产物的序列相同。二、真核细胞的基因转录真核生物的转录同样可分

7、为起始、延长和终止3个阶段。真核生物转录的主要特点是：有多种RNA聚合酶分别合成不同类别的 RNA有多种类型的启动子为不同的 RNA聚合酶所用；有多种转录因子 (transcription factor)；真核生物于转录时或转录后有广泛的RNA加工。真核细胞中含有多种RNA聚合酶，它们专一性地转录不同基因而生成各不相同 的产物。种类细胞内定位转录的基因RNA聚合酶1核仁5 跑RNA, 18SrRNA W28SrRNARNA聚合酶II核质所有编码蛋白的基因，snciRNA,和某些snRN网RNA聚合酶也核质tRNA, 5S rRNA 某些 snRNA 和其他小 RNA1.mRNA合成mRNA是R

8、NA中唯一具有编码蛋白质功能的RNA分子。由RNA聚合酶n催化 通用转录因子（general transcription factor ）参与形成转录起始复合物。 mRNA的初级转录本大小各不相同，被称为不均一核RNA （heterogeneous nuclear RNA ,hnRNA）2.mRNA加工 戴帽：5末端加上7-甲基鸟喋吟三磷酸（m7Gppp）的帽子结构。作用：被核糖体小亚基识别，有利于mRNA最初翻译的准确性；防止被核酸酶水解，增强mRNA的稳定性 加尾：3末端加上由200250个腺甘酸组成的多聚腺甘酸（poly-A）的尾巴。作用：可使mRNA 3端稳定，防止被核酸酶水解；有利于

9、 mRNA由细胞核到细胞质的转 运。剪接：是将RNA前体分子中内含子切除，将外显子拼接的过程。完成hnRNA剪接需要有三个必需的序列：5 GU序列，3 AG序列和分支点。mRNA前体的剪接是通过剪接体（spliceosome）完成的。剪接体组成：核糖核蛋白颗粒（ small nuclear ribonucleoprotein particle , snRNP）snRN3；NA（snRNGl蛋白质（二）rRNA分子的合成后加工rRNA基因为多拷贝基因，串联排列于特定的核仁染色质区段。在RNA聚合酶I催化下转录形成原始rRNA前体 45S rRNA,最终剪切为28s 18S和5.8SrRNA。rR

10、NA的剪接不需要任何蛋白质的参与即可发生，进行的是自身剪接。rRNA前体的加工发生在核仁中，最终装配成核糖体的大、小亚基。（三）tRNA的转录后加工真核细胞tRNA的基因，成簇存在并被间隔区分开，在RNA聚合酶出的作用下被转录为 tRNA前体。tRNA前体的剪接tRNA前体的5末端和反密码环的区域被部分切除并拼接形成成熟的tRNA。tRNA前体的化学修饰通过化学修饰形成稀有碱基。常见的碱基修饰有：还原反应；转位反应；脱氨反应； 甲基化反应。3端加上CCA（四）5S rRNA的合成加工5s rRNA是一类特殊的rRNA分子，由核仁外的基因编码；5s rDNA为串联排列的多拷贝基因；在RNA聚合酶

11、III的作用下，5S rDNA转录为5S rRNA,无需剪切加工，即可转运至核仁，直 接参与核糖体大亚基的组装。第三节 蛋白质的生物合成生物体内蛋白质的合成称为翻译，是以mRNA为模板，指导特定的氨基酸序列合成的过程。参与翻译的生物大分子包括核糖体、mRNA、tRNA及多种蛋白质因子。(一 )mRNA携带指导蛋白质合成的遗传密码遗传密码(genetic code): mRNA上的碱基排列顺序。在mRNA链上3个相邻的碱基可以决定一个特定的氨基酸，这种核甘酸三联体被称为密码子(codon)。遗传密码特点：通用性(universal):从原核生物到真核生物，几乎所有生物体中的遗传密码都是通用的。简

12、并性(degeneracy):多个密码子决定同一氨基酸。连续性(commaless)：在翻译过程中，遗传密码的阅读是连续的。方向性(direction ) ： mRNA中密码子的阅读方向为 5 一 3。第三个故寻融UCAGu里雨鲁疆*些立s si Mtt身总半 HE*现止色就B*U C A GC安 matMMieMfiae里电懈融ItffW 精敢 精科It IVftHAss) 始 SSIKM 语Mis 蠡“ 矗天粤 天意期丝惠 希盟G(KM 1丙HUM 西盅 茂 BURSq2lj1:天答善甘鼠 甘量修 甘也U C A G(二)tRNA既能识别mRNA上的密码子又能携带特定的氨基酸tRNA识别m

13、RNA上的密码子：反密码子(anticodon )的碱基互补配对作用。tRNA携带特定氨基酸：氨酰-tRNA合成酶催化。氨基酸的活化：氨基酸与 ATP在氨酰-tRNA合成酶作用下形成氨酰-AMP。氨基酸与tRNA的连接：活化氨基酸的氨酰基被转移至tRNA分子上形成氨酰-tRNA(aminoacyl-tRNA)并释放 AMP 。摆动性(wobble):密码子的前两位碱基在和反密码子配对时，遵循正常的碱基互补配对原 则，而第三位碱基的配对具有一定的灵活性。(三)蛋白质合成的场所一一核糖体核糖体是合成蛋白质的机器，其功能是按照mRNA的指令由氨基酸合成蛋白质。核糖体是由rRNA和蛋白质组成的大分子复

14、合物：亚基rRNAr蛋白打 at”.31用片片手里显占工1丁 UV.期应1陋二旧n乳的博蟠49408aal.mRNA结合位点位于核糖体小亚基。原核生物30S小亚基通过16S rRNA的3端与mRNA 5端起始密码子上游 SD序歹U(Shine-Dalgarno sequence) 配对结合。真核生物中，核糖体 40S小亚基识别mRNA的帽子结构，使 mRNA与核糖体结合。.P位(peptidyl-tRNA site)起始氨酰-tRNA和肽酰-tRNA结合的位置。.A位(aminoacyl site )氨酰tRNA结合的位置。.转肽酶(transpeptidase)活性部位 位于P位和A位的连接

15、处，催化肽键的形成。.参与蛋白质合成的因子的结合部位(四)蛋白质生物合成可分为五个阶段：氨基酸的活化；多肽链合成的起始；肽链的延长；肽链的终止和释放；蛋白质合成后的加工修饰。氨基酸活化是蛋白质生物合成的预备阶段：氨基酸+tRNA+ATP氨基氨基酰tRNA+AMP+PPi-tRNA合成起始阶段：指大亚基、小亚基、酶 mRNA和具有启动作用的起始氨基酰 -tRNA装配为起始复合 物的过程。肽链延长是多因子参与的核糖体循环过程：进位(registration )：特异的氨酰-tRNA进入A位。成肽(peptide formation )： P位上的氨基酸连接到 A位氨基酸的氨基，形成肽键。转位(tr

16、anslocation)：核糖体沿 mRNA 5端向3端移动一个密码子距离。(五)肽链合成后的加工修饰.肽链氨基端的修饰N-甲酰甲硫氨酸或甲硫氨酸的去除：甲酰基经脱甲酰基酶水解， 甲硫氨酸或者氨基端的一些氨基酸残基由氨肽酶水解。.共价修饰：磷酸化、糖基化、羟基化、甲基化、乙酰化和二硫键形成等。.多肽链的水解修饰前体蛋白水解产生活性蛋白；多肽链经水解后产生几种不同的蛋白质或多肽。.亚基聚合：许多蛋白质由两个以上亚基构成，需要各亚基通过非共价键聚合成多聚体才能表现出完整的生物活性，如人血红蛋白。.多肽折叠：新生肽链必须逐步折叠成天然空间构象才能成为有活性的功能蛋白，折叠过程需要分子伴侣参与。.辅基连接：有些结合蛋白和带辅基的酶，合成后需要结合相应辅基，才能成为天然功能蛋 白质。第五节基因的信息传递与医学蛋白质降解异常与神经退行性疾病：大多数神经退行性疾病与细胞内或细胞外错 误折叠蛋白不能被有效降解和消除有关：老年性痴呆症