第三章遗传信息传递汇总

第三章遗传信息的传递第一节DNA的复制一DNA复制的基本规律（一）DNA半保留复制在真核生物和原核生物中DNA的复制模式为半保留的。DNA半保留复制：DNA复制时，旧的双链解开，分别以两条旧链为模板合成新的DNA双链，每条新合成的双链中含有一条新链和一条旧链。

（二）DNA的半不连续复制DNA双链的极性相反，两条链均按5’→3’方向复制，因此，在DNA复制时，随双链逐步解旋，一条链按5’→3’连续合成，另一条链按5’→3’不连续合成，称为半不连续（semidiscontinuous）。连续合成的链比不连续的链的合成超前一步，故前者称为先导链（leadingstrand），后者称为后滞链（laggingstrand）。后滞链形成的不连续的DNA片段称为冈崎片段（Okazakifragment）。

二DNA复制酶和相关蛋白（一）DNA聚合酶

1原核生物的DNA聚合酶大肠杆菌DNA聚合酶DNAPolymerases

DNAPolymerasesⅠ，DNA的修复

DNAPolymerasesⅡ，功能不清楚

DNAPolymerasesⅢ，DNA的复制

DNA聚合酶Ⅰ（PolⅠ）1具有5‘-3’聚合酶活性，催化脱氧核苷酸聚合作用。2具有3‘-5’核酸外切酶活性，校正机制(proofreading)。由游离3‘-OH核苷酸激活，错配的碱基被切除。3具有5‘-3’核酸外切酶活性，作用于具有切口的双螺旋DNA，并在切口以外的配对区切割，使5‘-端DNA链降解为单核苷酸或寡核苷酸。DNA聚合酶Ⅲ（PolⅢ）是主要的聚合酶，细胞中以多亚基复合物形式存在，称为DNA聚合酶Ⅲ全酶（DNApolymeraseⅢ，holoenzyme）。PolⅢ核心酶（coreenzyme）由αεθ三个亚基组成，与聚合作用有关，其中α为基因polC的产物，具有聚合酶活性，ε为基因dnaQ的产物，具3‘-5’核酸外切酶活性。θ亚基功能不清楚。不具有5‘-3’的核酸外切酶活性。2真核生物的DNA聚合酶真核的DNA聚合酶有α、β、γ、δ和ε五种。DNApolα含有180kDa的催化亚基和一个小亚基，小亚基含有两个小蛋白（60kDa和50kDa），具引发酶活性，后滞链DNA合成。DNApolδ含有两个亚基（125kDa和25kDa），先导链DNA合成，并具3‘-5’外切酶活性。聚合作用需要分裂细胞核抗原（proliferatingcellnucleusantigen

PCNA）参与。PCNA可增加DNApolδ与模板/引物的相互作用，使polδ持续性增加。（二）相关酶与蛋白质1解螺旋酶(helicase):又称解链酶，利用ATP水解的能量使DNA双链的氢键解开，并在DNA链上沿一定方向移动。2单链结合蛋白(SinglestrandDNAbindingprotein,SSB)，又称双螺旋稳定蛋白（helixdestabilizingprotein）。结合于解旋的DNA单链上，防止单链水解或重新形成双螺旋。SSB与DNA的结合具有协同性（cooperativity），第一个SSB与DNA结合，是第二个SSB与DNA的结合更容易。相关酶与蛋白质3引物酶（primerase）：催化RNA引物合成的酶。一般为3-5个碱基。DNA的复制以RNA为引物，随模板特定序列上RNA的合成而开始。4旋转酶（拓扑异构酶Ⅱ）：DNA复制过程中，随双螺旋的解链，在复制叉处产生张力，对于闭合环行DNA分子中形成正超螺旋，不利于复制，拓扑异构酶Ⅱ的参与，解除正超螺旋，引入负超螺旋，有利于DNA复制。相关酶与蛋白质5DNA连接酶：DNA后随链的冈崎片段形成后，5‘端RNA引物被DNA聚合酶Ⅰ5‘→3’外切酶降解，通过切口移位形成DNA片段而填充，最后形成3’-羟基和5‘-磷酰基的缺口，由DNA连接酶（DNAligase）封闭DNAligase的连接作用要求单链切口必须是3’-羟基和5‘-磷酰基，利用ATP或NAD+中磷酸酐键形成磷酸二酯键。三DNA复制的一般过程（一）DNA的复制的起始DNA是从一个起始位点开始复制的，复制的调控就是复制起始的调控。一旦复制开始，就一定要完成，达到复制子的终点。DNA复制从特定起始位点（原点origin）开始，多种起始蛋白结合到复制起始点，形成前复制复合体，并与DNA解链酶结合，解开DNA双链，形成复制泡，产生扩展方向相反的两个复制叉（replicationfork）。接着DNA引发酶结合，形成引发体。引发酶催化合成RNA引物，随引发体移动，在DNA聚合酶的作用下，根据碱基互补原则在引物上加上碱基。其余的复制蛋白因子和酶在第二个复制叉形成复合体，使DNA子链从复制起点向两个方向延伸。（二）DNA复制的延伸复制起始后，拓扑异构酶解旋产生负超螺旋，解旋酶解开双链，SSB结合于双链上，复制叉移动，聚合酶以两条单链为模板，以5‘→3’方向合成新链。链的合成方向与复制叉移动的方向相同的为先导链（leadingstrand），相反的是后滞链（loggongstrand）。先导链有DNApolⅢ在RNA引物的3‘-OH连续延伸至结束。后滞链有PriA、B、C、DnaB、C、T及引发酶结合形成引发体，合成2-5nt的RNA引物，DNApolⅢ在RNA引物的3‘-OH延伸形成冈崎片段，DNApolⅠ5‘→3’外切酶活性切除引物，并从冈崎片段3’端合成DNA片段填补空缺。相连片段的缺刻由连接酶封闭，完成半不连续复制。

四、原核和真核生物DNA复制特点原核生物只有一个复制起点，真核生物有多个复制起点。从复制起点到两边的复制终点之间的一端DNA称为复制子（replicon）或一个复制单元（replicationunit）。真核生物是多复制子，原核生物是单复制子。原核生物个复制子的复制速度快，冈崎片段长；真核生物复制子的复制速度慢，冈崎片段段。但整个染色体的复制真核生物并不比原核生物慢。真核生物多复制子复制方式原核生物染色体和质粒DNA是环状分子，只有一个复制子，复制方式多样。θ型复制（θ-typerelication）—等速双向复制，大肠杆菌DNA复制。滚环式复制（rollingcirclereplication）—单向复制：许多病毒、细菌F因子及真核生物rRNA基因。哺乳动物线粒体DNA（mitochondrialDNA，mtDNA）是环状DNA分子，D环复制（D-loopreplication）—不等速双向复制，。θ复制滚环复制D环复制真核生物端粒的复制真核生物染色体DNA为线性分子，，复制结束后新链5`端的引物被切除后，由于没有3`羟基而无法填补。这个空缺被端粒酶（telomerase）催化形成端粒而补充。端粒（telimere）是真核生物染色体两段的一种短片段重复序列单链末段，能形成特殊的发夹结构，不被外切核酸酶和内切核酸没识别。四膜虫端粒的重复序列为GGGGTT。锥虫端粒的重复序列为CCCTAA。第二节DNA转录转录：以DNA为模板合成RNA的过程。一基本特征（转录与复制的不同）；1在不同时期、不同组织和器官的细胞基因组只有部分基因转录。（所有基因都复制）2DNA双链只有一条作为模板转录，作为转录模板的DNA单链为模板链（templatestrand）或反义链（antisensestrand）。不作为模板的链与mRNA具有相同序列的DNA单链为有意义链（sensestrand）或编码链（codingstrand）。（DNA复制以两条链为模板）。3转录的起始不需要引物，复制需要引物。4转录的底物是4种核糖核苷酸（rRNA）ATP、GTP、CTP、UTP。复制的底物是脱氧核糖核苷酸（dRNA），dATP、dGTP、dCTP、dUTP。5RNA合成依赖RNA聚合酶，DNA复制需要DNA聚合酶。6RNA-DNA杂交双链不稳定，合成后不断从DNA模板链上游离出来。DNA新旧链形成稳定的双螺旋结构。7真核生物和rRNA、tRNA基因转录的初级转录物（primarytranscripts）需要加工后，才能成为具有生物功能的成熟RNA分子。二、RNA聚合酶1、大肠杆菌RNA聚合酶

全酶480kD，含有4种不同的多肽链(β'，β，α2，ω，σ)在大肠杆菌的RNA聚合酶中，σ因子与其它部分的结合不是十分紧密，它易于与β’βα2分离，后者称为核心酶。核心酶加上σ因子成为完整的酶---全酶。全酶对转录的起始是必需的。2真核生物的转录真核生物有三种RNA聚合酶和三种启动子。原核生物只有一种聚合酶和启动子。真核生物转录的基本模式是辅助因子与酶结合，识别启动子，酶进行转录。RNA聚合酶I：合成28S，18S，5.8SrRNA前体RNA聚合酶II：合成,mRNA,一些小分子RNA(snRNA)前体RNA聚合酶III：合成tRNA、5srRNA以及一些snRNA前体RNApolIIRNApolII有2个大亚基，若干小亚基组成。最大亚基的C末端结构域有一个羧基末端功能区（carboxy-terminaldomain，CTD）含有多个重复序列：Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-SerSer或Thr残基高度磷酸化CTD的重复数很重要，减少一半会致死。三、基因转录的一般过程转录包括转录的起始、RNA链的延伸和终止。原核生物只有一种RNA聚合酶，负责转录的起始及延伸，不需要蛋白因子参与。原核生物的启动子的保守序列为-10和-35区。真核生物除有三种RNA聚合酶，还有许多蛋白质因子介入。启动涉及TATA框，CAAT框和GC框及增强子等相关元件。真核与原核的转录过程相似。以原核的转录过程为例。RNA合成的起始1核心酶在σ因子参与下模板DNA结合，生成非专一的，不稳定复合物在模板上移动。2全酶识别模板的启动子，并与之结合，形成“封闭的酶-启动子二元复合物”（Closedbinarycomplex）。3全酶紧密的结合在启动子-10序列，模板DNA局部变形解链，形成“开放的酶-启动子二元复合物”（Openbinarycomplex）。4酶移动到转录起始点，开始转录。起始成功后，酶释放σ因子，形成酶-启动子-rNTP三元复合物（ternarycomplex），酶在模板链上移动，RNA链延伸合成第10个碱基。RNA链大多以pppA或pppG开始，占90%。RNA链的延伸一般RNA开始合成后，σ因子与核心酶脱离，由核心酶独立完成RNA链的延长。当酶前进时，DNA被RNA聚合酶解链，保持17bp的解链区，RNA与DNA形成12pb的杂交链，随RNA聚合酶转录移动，RNA链游离出来，DNA链又复链。RNA合成的终止

终止子（terminator）：DNA中的转录终止信号，导致在DNA模板上特定位点终止RNA的合成，转录复合物解体和释放出RNA聚合酶和RNA分子。强终止子：又称内部终止子（intrinsic

terminators），不需要任何其他因子帮助就可终止核心酶的转录。有对称回文序列，形成的发卡结构。富含GC碱基对，使茎环不易打开。3‘端约有6个连续的Us。弱终止子弱终止子：又称ρ依赖性终止子（Rho-dependentterminators），需要一种蛋白因子ρ（rhofactor）帮助才能终止转录。ρ因子能识别转录终止位点前不连续区域（约50~90nt），富含C，缺乏G；随富C贫G区域长度的增加，ρ-依赖性终止子效率增加。ρ因子是噬菌体基因组编码蛋白因子，46kDa，以六聚体（275kDa）形式发挥作用。因子具有依赖RNA的ATPase活性和解旋酶活性。ρ因子以六聚体形式结合到RNA链终止子上游5‘端某一特殊序列，并沿RNA链向3’端移动。当RNApol达到终点时暂停下来，ρ因子追上RNApol。ρ因子进入转录泡中，导致RNA-DNA杂交链解链，并和RNApol相互作用，使RNApol、ρ因子和RNA链被释放出来。四、mRNA的加工原核生物mRNA的转录和翻译偶联，一般边转录边翻译，不进行加工。大多数真核生物编码蛋白质的基因是不连续基因，内元与编码序列一起被转录。mRNA的原初转录产物经剪接加工后才具活性。5’加帽：mRNA的初始转录本的5‘端是5’-pppA/G。但成熟mRNA在5’端加一个鸟嘌呤核苷，GTP与mRNA的5’反应，形成5’-5’连接，3’-G-5‘ppp5’-N-3‘p……。5’加帽在5‘端加上的结构称为“帽子结构”（capstructure）。5‘端第一个核苷酸残基的G第七位往往甲基化，称为0型帽子（cap0）。有时第二个核苷酸的核糖2’-O也甲基化，称为1型帽子，第三个核苷酸核糖的2‘-O也甲基化称为2型帽子。5’端加帽可能和mRNA的稳定性及与核糖体的结合起始蛋白质的翻译有关，有助于mRNA穿过核膜进入细胞质。3‘端加poly(A)尾poly(A)尾并不是染色体组DNA所编码，而是在转录之后由poly(A)聚合酶加上。RNApolⅡ转录的mRNA前体的3‘端被切除，然后加上poly(A）。高等生物mRNA在poly(A）上游11~30nt处有一个高度保守的特殊序列AAUAAA。3’末端结构的形成需要一种核酸内切酶，poly(A）聚合酶和特殊因子识别AAUAAA。内切酶、特殊因子和poly(A）聚合酶形成复合体，在特异位点切割mRNA3’端后立即进行多聚腺苷化（polyadenylation）。多聚腺苷化需2个阶段：首先poly(A）聚合酶在特殊因子的指导下，依赖AAUAAA序列，将一个短寡聚A序列（10nt）加到3‘端。第二是一个刺激因子识别寡聚A序列，并指导poly(A）聚合延伸寡聚A序列至240nt长度。mRNA的剪接RNA剪接splicing：把内含子从原初转录本中除去的加工过程，包括内含子从原初转录本中删除以及外显子末端的共价连结。RNA剪接：①RNA的自我剪切（核酶ribozyme），四膜虫rRNA、真菌线粒体、叶绿体和噬菌体RNA前体。②蛋白质酶促剪接，tRNA前体剪接。③细胞核小分子核糖核蛋白（smallnuclearribonucleoprotein，snRNP）参与剪接，真核mRNA的剪接方式。snRNP是由数种核内小RNA（smallnuclearRNAsnRNA）和几十种蛋白质构成。边界序列：是剪接位点（splicesite）其边界序列完全符合GU-AG。内含子总是以5‘GU开始，以3’AG结束。分支点顺序：分支点（branchsite）位于内含子3‘段上游18-40nt处，序列Py80N

Py87Pu75APy95A完全保守，具有2’-OH。内含子5‘端有一保守序列（5’GUAAGUA3’）和U1snRNA的5‘端保守序列3’CAUUUCAU5’互补。剪接需要三个短的共有序列5’端剪接位点-GT，3’端剪接位点-AG分支位点：Py80NPy80Py87Pu75APy95

第三节蛋白质的生物合成是细胞中mRNA的碱基序列信息转变成多肽的氨基酸序列-----翻译（translation）。遗传密码（geneticcode）：决定多肽链特异氨基酸序列的DNA碱基信息。中心法则Centralrule逆转录DNA复制───>RNA──>蛋白质转录翻译一密码子的特性1遗传密码是三联体：1个密码子（codon）由3个碱基构成，编码1个氨基酸。2遗传密码近乎通用，所有生物相同。3遗传密码无标点，密码子间无空格，连续的阅读。4遗传密码不重叠，同一个的碱基不会出现在两个密码子中。5遗传密码具简并性，除AUG（Met）和UGG（Try）外，每个氨基酸对应一个以上的密码子，称为简并（degenecy）。同一个氨基酸的不同密码子称为同义密码子（synonymouscodon）。6遗传密码第三位具较小的专一性；当tRNA的反密码子（anticodon）与mRNA的密码子配对时，前两个碱基严格遵守碱基互补原则，第三个碱基可以“摆动”（wobblehypothesis）。74种碱基组成64种三联体密码，可编码氨基酸称为有义密码子（sensecodon），有61个。UAA、UAG、UGA不编码氨基酸，是蛋白质合成的终止信号，称为终止密码子（terminationcodon）或无义密码子（nonsensecodon）。AUG兼有甲硫氨酸和起始信号，称为起始密码子（initiationcodon），GUG在少数情况下也用作起始密码子。二核糖体的结构和功能核糖体的活性位点翻译功能区（translationdomain）肽链合成场所。1.mRNA结合位点---结合mRNA和IF因子，位于30S亚基，16SrRNA的3‘端SD与mRNA起始位点配对。2.P位点----结合fMet-tRNA和肽基-tRNA大部分位于30S亚基,小部分位于大亚基,能与起始tRNA结合。3.A位点----结合氨酰基-tRNA，主要位于50S亚基4.肽基转移酶活性位点----将肽链转移到氨基酰-tRNA上，位于P和A位点的连接处,靠近tRNA的接受臂.核糖体的活性位点5.5SrRNA位点----和23SrRNA结合，在50S亚基上靠近肽基转移酶活性位点。6.EF-Tu位点---氨酰基-tRNA进入位点,位于50S亚基,靠近30S亚基.7.转位因子EF-G结合位点----移位,在50S亚基,靠近30S亚基界面处.8.E位点----结合脱酰tRNA，位于50S。出口功能区:多肽出口位点---位于50S.三、蛋白质的生物合成蛋白质翻译的动态过程一.蛋白质翻译的起始

1起始因子：细菌:

IF3:为30S亚基结合到mRNA所必需IF2:与特定起始tRNA结合,控制其进入核糖体。IF1:完整起始复合物的一部分,稳定起始复合物。真核生物具更多的起始因子：eIF2:与GTP，Met-tRNAi形成三元复合物。eIF4F:多聚体,eIF4E—mRNA帽子结构结合亚基；eIF4A---RNA依赖的ATPase，松弛mRNA的前15个核苷酸形成的二级结构.eIF4G---结合到eIF4E,连接其他因子；eIF4B:协助进一步松弛mRNA的二级结构。eIF3:维持小亚基的游离状态,协助小亚基结合mRNA,大，小亚基结合时释放.eIF6:维持大亚基的游离状态,亚基结合时释放.eIF5:GTPase,协助释放eIF2和eIF3Poly(A)结合蛋白:结合到eIF4G,再结合到eIF4E。eIF4C:大小亚基结合。2起始tRNA原核：fMet-tRNAf真核：起始氨基酸为Met，tRNA为tRNAiMet

3合成的起始原核生物真核生物4、肽链的延伸肽链的延伸包括：1进位：主要是密码子与反密码子的识别。2转位：肽链的形成。3移位：tRNA和mRNA相对核糖体的移动。延伸相关因子：EF-Tu：与氨基酸tRNA及GTP结合EF-Ts：结合EF-Tu，取代GDPEF-G：结合核糖体和GTP

进位：EF-Tu-GTP将氨酰-tRNA带至A位点,EF-Tu-GDP释放,循环.转肽：肽基转移酶催化肽键的形成核糖体的移位移位所需GTP水解后,延伸因子EF-G结构改变,进而促使核糖体结构改变,促进移位肽链终止终止密码子：UAG、UAA、UGA释放因子：

原核：RF1识别UAA，UAGRF2识别UGA，UAARF3激活RF1和RF2

真核：eRF，需GTP才能结合到核糖体，能识别三种终止密码子。第四节基因表达的调控生物体通过改变基因活性，调控基因的表达来适应新环境。在细胞中一些基因维持着细胞的基本功能，不管环境条件如何，总是处于活性状态，这些基因称为组成性基因。另一些基因只有在生物体需要的时候才表达，这些基因的表达是受到调控基因的调控。第一节原核生物的基因调控原核生物的调控主要在DNA、转录和翻译三个水平。而转录水平的调控最主要和有效的调控方式。操纵子模型：1961年法国巴斯德研究院的Monod和Jacob提出。Operon

:anoperonisaunitofprokaryoticgeneexpressionwhichincludesregulatorygene，co-ordinatelyregulated(structural)genesandcontrolelementswhicharerecognizedbyregulatorygeneproducts.1、操纵子Operon结构基因（structuralgenes）：编码细胞所必须的蛋白质。调节基因（regulatorgene）：编码调节蛋白的基因。操纵基因（operatorgene）（DNA元件）：是不能转变为其他形式的DNA序列，是具有特殊功能的原位序列，只对同一条DNA上的基因起作用故称为顺式作用元件。2、诱导与阻遏操纵子分为可诱导的操纵子（inducibleoperon）和可阻遏的操纵子（repressibleoperon）两大类。在可诱导的操纵子中，加入对基因表达有调节作用的小分子后，则启动基因的转录。这种作用及其过程叫做诱导（induction），产生诱导作用的小分子物质叫做诱导物（inducer）。在可阻遏的操纵子中，加入对基因表达有调节作用的小分子物质后，则关闭基因的转录活性。这种作用及其过程叫做阻遏（repression），产生阻遏作用的小分子物质叫做辅阻遏物（corepressor）。3、正调控和负调控

Positiveandnegativecontrol

在没有调节蛋白质与目标序列结合时，基因表达；当调节蛋白质与目标序列结合时，基因表达被关闭，这种控制系统叫做负调控（

negativecontrol

）。负调控中的调节蛋白质称为阻遏物（repressor）。在没有调节蛋白质与目标序列结合时，基因是关闭的；当调节蛋白质后与目标序列结合时，基因就被开启，这种控制系统叫做正调控（Positive

control

）。正调控中的调节蛋白质称为激活子（activator）。4、大肠杆菌的乳糖操纵子

ThelacOperon操纵子中启动子与RNA聚合酶结合起始转录，需1种附属蛋白参与。这种蛋白为CAP（catabolitegeneactivatorprotein）能促使转录，是正调控因子。CAP只有在cAMP（环状AMP）存在时才有活性。腺苷环化酶催化ATP变为cAMP，而葡萄糖能抑制腺苷环化酶催化ATP转变为cAMP同时又促进磷酸二酯酶使cAMP转变为5`AMP。葡萄糖能降低cAMP的水平，从而抑制CAP的活性，是操纵子的转录活动受阻。当葡萄糖和乳糖同时存在由于乳糖代谢的酶的转录被葡萄糖抑制，优先使用葡萄糖，这种选择作用称为分解代谢的阻遏。

乳糖操纵子的正调控在启动子的左侧有一个代谢产物激活蛋白（cataboliteactivatorprotein，CAP），促进RNA聚合酶与启动子结合的结合位点。cAMP-CRP存在,RNA聚合酶转录

缺少cAMP-CRP,RNA聚合酶几乎不转录5大肠杆菌的色氨酸操纵子

ThetrpOperon结构基因：trpE，trpD，trpC，trpB，trpA，分别编码色氨酸合成过程中的五个酶。调控区:启动子、operator、前导肽和弱化子(衰减子）。与trpO结合的阻遏蛋白由相距甚远的trpR编码。前导序列和衰减子6基因表达的时序调控在某些生活周期变化较大的原核生物中，有两种或多种σ因子，它们可以识别不同的启动子，从而使基因在生活周期的不同阶段得到表达。如枯草杆菌孢子化生成过程中σ亚基的替换和SPO1噬菌体感染中通过σ因子调控基因转录时期RNA聚合酶的改变

反应早期中期晚期

SPO1噬菌体基因的启动子被细菌全酶识别。转