遗传信息的传递与表达

遗传信息的传递与表达第一页，共五十四页，编辑于2023年，星期二

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：第二页，共五十四页，编辑于2023年，星期二

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。第三页，共五十四页，编辑于2023年，星期二生物学中心法则：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。第四页，共五十四页，编辑于2023年，星期二第一节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。第五页，共五十四页，编辑于2023年，星期二第六页，共五十四页，编辑于2023年，星期二2.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？第七页，共五十四页，编辑于2023年，星期二3535解链方向3´5´3´3´5´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第八页，共五十四页，编辑于2023年，星期二3.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.双向复制第九页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（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Ⅰ：切单链（2）拓扑异构酶Ⅱ：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

局部解链后第十页，共五十四页，编辑于2023年，星期二2.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）①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。②分类：第十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期二第十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期二第十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（2）延长过程：前导链在DDDPⅢ作用下连续合成。DDDPⅢ和DDDPⅠ延长冈崎片段。第十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期二4.终止：DDDPⅠ切除引物，填补空缺①连接酶：连接各个冈崎片段②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第十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期二PRRNNHOOCH3NNHOOCH3PRRNNHOOCH3NNHOOCH3UV嘧啶二聚体第十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（二）损伤后果（基因突变）DNA损伤的类型谷酪蛋丝5’……GCA

GUA

CAU

GUC……丙缬组缬正常5’……GAG

UAC

AUG

UC……缺失C错配缺失插入重排移码突变第十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期二损伤后果：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.进化第十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（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）见于亲代链损伤第十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期二DNA损伤后的重组修复第二十页，共五十四页，编辑于2023年，星期二第二十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期二第二十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期二三、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。第二十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期二第二十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期二第二节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。第二十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（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ααββ′4个亚基构成，参与起始主要使RNA链延长δ亚基：辨认起始点，即DNA模板链的启动子RNA聚合酶原核生物真核生物RNA聚合酶转录的基因部位I28S18S5.8SrRNA核仁IImRNAsnRNA核质IIItRNA5SrRNA核质第二十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期二特点：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。第二十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期二二、转录过程（以原核细胞为例）—RNA前体的生成（一）起始：1.δ因子识别启动子，α-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，δ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。第二十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期二第二十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（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恢复双链结构第三十页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（三）终止：核心酶自身（或在ρ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ρ因子的转录终止：ρ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δ因子结合为DDRP，重新开始新的转录。第三十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期二第三十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期二三、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）。第三十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期二第三十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（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）。第三十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期二第三十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期二2、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→φ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。第三十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期二第三十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期二3、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）第三十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期二小结

基因转录也称之RNA合成，合成是按照5ˊ→3ˊ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σ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、5ˊ戴帽、3ˊ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5ˊ-7-甲基鸟苷帽子和3ˊ聚腺苷酸尾巴，这两种修饰都是通过特殊的酶加上去的。第四十页，共五十四页，编辑于2023年，星期二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、延长和终止因子第四十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期二第四十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期二起始因子原核生物（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）第四十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（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。第四十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期二20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3ˊ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）第四十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（3）方向性5ˊ（AUG）→（UAA、UAG、UGA）3ˊ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。

第四十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期二位于反密码子5ˊ（摆动）位的核苷酸位于密码子的3ˊ位的核苷酸A

C

G

U

I

U

G

U或C

G或A

U，C或A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3ˊ和中间的碱基形成Watson-Crick碱基配对，而反密码的5ˊ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。第四十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期二2.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。第四十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期二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第四十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期二3.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+等第五十页，共五十四页，编辑于2023年，星期二二、蛋白质生物合成过程（以原