第七章 遗传信息传递的中心法则及基因表达

第七章遗传信息传递的中心法则及基因表达第一页，共五十四页，编辑于2023年，星期四一、遗传信息传递的中心法则

蛋白质翻译转录逆转录复制复制DNARNA生物的遗传信息以密码的形式储存在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，通过DNA复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过转录传递给RNA，再由RNA通过翻译转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们又发现，在宿主细胞中一些RNA病毒能以自己的RNA为模板复制出新的病毒RNA，还有一些RNA病毒能以其RNA为模板合成DNA，称为逆转录这是中心法则的补充。

中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。第二页，共五十四页，编辑于2023年，星期四二、基因复制的忠实性

DNA复制过程是一个高度精确的过程，据估计，大肠杆菌DNA复制109-1010碱基对仅出现一个误差，保证复制忠实性的原因主要有以下三点:a、DNA聚合酶的高度专一性（严格遵循碱基配对原则）b、DNA聚合酶的校对功能（错配碱基被3’-5’外切酶切除）c、起始时以RNA作为引物第三页，共五十四页，编辑于2023年，星期四DNA聚合酶的3-5外切酶水解位点3´3´5´5´错配碱基3´-5´核酸外切酶水解位点第四页，共五十四页，编辑于2023年，星期四第五页，共五十四页，编辑于2023年，星期四DNA聚合酶的校对功能

5´-核酸外切酶3´-核酸外切酶裂缝聚合中心裂缝内部第六页，共五十四页，编辑于2023年，星期四DNA聚合酶的校对功能聚合酶错配硷基复制方向正确核苷酸5´5´5´3´3´3´切除错配核苷酸第七页，共五十四页，编辑于2023年，星期四三、逆转录作用1、概念2、逆转录酶3、病毒逆转录过程4、逆转录的生物学意义扩充了中心法则有助于对病毒致癌机制的了解与真核细胞分裂和胚胎发育有关逆转录酶是分子生物学重要工具酶三种功能依赖DNA指导下的DNA聚合酶活力依赖RNA的DNA聚合酶活力核糖核酸酶H活力

以RNA为模板合成DNA，这与通常转录过程中遗传信息从DNA到RNA的方向相反，故称为逆转录作用。第八页，共五十四页，编辑于2023年，星期四逆转录过程中cDNA的合成

依赖RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依赖DNA的DNA聚合酶第九页，共五十四页，编辑于2023年，星期四逆逆转录病毒的生活周期

生活周期RNA衣壳被膜逆转录酶转录转译整合入宿主细胞染色体DNA进入细胞丢失被膜丢失衣壳逆转录RNARNAcDNA衣壳蛋白被膜蛋白逆转录酶第十页，共五十四页，编辑于2023年，星期四

四、DNA的突变

DNA分子中的核苷酸序列发生突然而稳定的改变，从而导致DNA的复制以及后来的转录和翻译产物随之发生变化，表现出异常的遗传特性，称为DNA的突变。它包括由于DNA损伤和错配得不到修复而引起的突变，以及由于不同DNA分子之间的交换而引起的遗传重组。（二）诱变剂的作用碱基类似物(baseanalog)

碱基修饰剂(basemodifier)嵌入染料(intercalationdye)

紫外线(ultraviolet)和电离辐射(ionizingradiation)（一）突变的类型

碱基对的置换(substitution)

移码突变(framesshiftmutation)第十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期四

DNA突变的类型

-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-转换

-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-插入A

-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失T野生型基因

-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-

-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-颠换碱基对的置换(substitution)移码突变(framesshiftmutation)第十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期四五、DNA的损伤与修复

某些物理化学因子，如紫外线、电离辐射和化学诱变剂等，都有引起生物突变和致死的作用，其机理是作用于DNA，造成DNA结构和功能的破坏，称为DNA的损伤.DNA的修复主要有以下类型:暗修复（4）诱导修复（SOS修复）（1）光裂合酶修复活（2）切除修复（3）重组修复

第十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期四DNA紫外线损伤的光裂合酶修复1、形成嘧啶二聚体2、光复合酶结合于损伤部位3、酶被可见光激活4、修复后酶被释放第十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期四DNA的损伤和切除修复碱基丢失碱基缺陷或错配结构缺陷切开核酸内切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA连接酶AP核酸内切酶核酸外切酶切开切除修复连接糖苷酶插入酶碱基取代第十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期四DNA的重组修复胸腺嘧啶二聚体复制核酸酶及重组蛋白修复复制DNA聚合酶DNA连接酶重组第十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期四六、DNA指导下RNA的合成（转录）1、概念及DNA的有义链和反义链2、RNA聚合酶及催化反应3、RNA合成过程4、RNA转录后的加工5、真核生物的RNA合成第十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期四转录的概念和DNA的有义链和反义链

转录是在DNA的指导下的RNA聚合酶的催化下，按照硷基配对的原则，以四种核苷酸为原料合成一条与模板DNA互补的RNA的过程。RNA的转录从DNA模板的特定位点开始，并在一定的位点终止。此转录区域为一个转录单位。

启动子（promoter)

终止子(terminator)模板链（templattestrand）反意义链(antisensestrand)有意义链(sensestrand)非信息区DNA5´5´3´3´第十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期四大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图核心酶(α2ββ)起始因子β——和模板DNA结合β——起始和催化聚合反应α——？全酶(αββ)第十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期四RNA聚合酶催化的反应ACGACGUU模板DNA5´3´5´3´新合成RNA第二十页，共五十四页，编辑于2023年，星期四RNA合成过程起始双链DNA局部解开磷酸二酯键形成终止阶段解链区到达基因终点延长阶段53RNA

启动子（promoter)

终止子(terminator)5RNA聚合酶5353553离开第二十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期四RNA链的延伸图解3´3´RNA-DNA杂交螺旋聚合酶的移动方向新生RNA复链解链有义链模板链（反义链）延长部位第二十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期四原核生物中rRNA前体的加工

甲基化作用专一核酸内切酶30S前体17StRNA25S专一核酸外切酶16SrRNAtRNA23SrRNA5S

rRNA专一核酸外切酶第二十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期四tRNA前体分子的加工a、切除tRNA前体两端多余的序列：5’—端切除几到10个核苷酸。b、末端添加：3’-端添加CCA序列。c、修饰：形成稀有碱基如DH2。RNAasePRNAaseFRNAasePRNAaseFRNAaseDRNAaseDACC表示核酸内切酶的作用表示核苷酸转移酶的作用表示核酸外切酶的作用

表示异构化酶的作用

第二十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期四真核细胞mRNA的加工5´“帽子”PolyA

3´

顺反子(cistron)

m7G-5´ppp-N-3´pAAAAAAA-OH5′端接上一个“帽子”(CAP)结构3′端添加PolyA“尾巴”,由RNA末端核苷酸转移酶催化剪接：剪去内含子(intron)，拼接外显子(extron)第二十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期四酵母酪氨酸tRNA前体的加工早转录本成熟tRNA加工第二十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期四真核生物和原核生物转录的差别

DNA核核糖体新生蛋白质真核生物原核生物mRNA前体转运加工mRNAmRNA

真核生物中转录与复制在不同的区域RNA聚合酶不相同启动子不同转录后RNA加工修饰不同第二十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期四七、蛋白质翻译基因的遗传信息在转录过程中从DNA转移到mRNA，再由mRNA将这种遗传信息表达为蛋白质中氨基酸顺序的过程叫做翻译。合成体系：20种氨基酸,mRNA、tRNA、核蛋白体、酶和因子,以及无机离子、ATP、GTP合成方向：N→C端。第二十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期四参与蛋白质合成的三类RNA及核糖体1.rRNA

与蛋白质一起构成核糖体——蛋白质合成“工厂”核糖体结构组成

核糖体的基本功能结合mRNA，在mRNA上选择适当的区域开始翻译密码子（mRNA）和反密码子（tRNA）的正确配对肽键的形成

存在核糖体可游离存在，真核中，也可同内质网结合，形成粗糙的内质网。原核中，与mRNA形成串状——多核糖体第二十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期四第三十页，共五十四页，编辑于2023年，星期四原核生物核糖体组成真核生物核糖体组成第三十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期四2.tRNA

结合氨基酸：一种氨基酸有几种tRNA携带，结合需要ATP供能,氨基酸结合在tRNA3‘-CCA的位置。

反密码子：每种tRNA的反密码子，决定了所带氨基酸能准确的在mRNA上对号入座。反密码子与mRNA的第三个核苷酸配对时，不严格遵从碱基配对原则

第三十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期四3.mRNA携带着DNA的遗传信息，是多肽链的合成模板在原核细胞内，存在时间短，在转录的同时翻译在真核细胞内，较稳定蛋白质合成时，mRNA结合于核糖体小亚基上，大亚基结合带氨基酸的tRNA，tRNA的反密码子与mRNA密码子配对，ATP供能，合成蛋白质。第三十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期四遗传密码子为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线性位置的三个核苷酸单位称为密码子（Coden）或三联体密码。密码子的发现

统计学方法人工合成仅由一种核苷酸组成的多聚核苷酸，推测由哪一种氨基酸合成的多肽核糖体结合试验1965年，Nirenberg用polyu加入C14标记的20种aa,仅有苯丙氨酸的寡肽,UUU=苯丙氨酸,用此法破译了全部密码，编出遗传密码表。第三十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期四遗传密码第三十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期四遗传密码子的特点无标点、不重叠

密码子是不重叠的，每个三联体中的三个核苷酸只编码一个氨基酸，核苷酸不重叠使用噬菌体x174中某些基因之间有重叠现象简并(degeneracy)几种密码子对应于相同一种氨基酸。这些密码子为同义密码子通用性绝大多数密码子对各种生物都适用，某些线粒体中遗传密码有例外终止信号UAG、UAA、UGA起始信号AUG（真核中起始为Met、原核中起始为fMet,翻译中间为Met）和氨酸的密码子(GUG)(极少出现）第三十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期四四、蛋白质生物合成过程以mRNA为模板，氨基酸经活化获得的氨酰tRNA为原料，GTP、ATP供能，在核糖体中完成。1.氨基酸的活化tRNA在氨基酰-tRNA合成酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，并通过tRNA氨基酸臂的3'-OH与氨基酸的羧基形成活化酯－氨基酰-tRNA。氨基酰-tRNA的形成是一个两步反应过程：第一步是氨基酸与ATP作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；第二步是氨基酰基转移到tRNA的3'-OH端上,形成氨基酰-tRNA。第三十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期四氨基酸活化图示第三十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期四氨基酸活化的总反应式是：

氨基酰-tRNA合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O氨基酰-tRNA+AMP+PPi每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰-tRNA合成酶。它既催化氨基酸与ATP的作用,也催化氨基酰基转移到tRNA。氨基酰-tRNA合成酶具有高度的专一性。每一种氨基酰-tRNA合成酶只能识别一种相应的tRNA。tRNA分子能接受相应的氨基酸,决定于它特有的碱基顺序,而这种碱基顺序能够被氨基酰-tRNA合成酶所识别。第三十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期四氨基酸的活化第四十页，共五十四页，编辑于2023年，星期四2.在核糖体上合成肽链氨基酰-tRNA通过反密码臂上的三联体反密码子识别mRNA上相应的遗传密码，并将所携带的氨基酸按mRNA遗传密码的顺序安置在特定的位置，最后在核糖体中合成肽链。肽链的合成过程（以原核为例）起始延伸终止与释放第四十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期四肽链合成的起始起始密码的识别首先辨认出mRNA链上的起始点（AUG），核糖体小亚基上的16SrRNA和mRNA的SD序列（位于起始位点上游4－13个核苷酸）结合N－甲酰甲硫氨酸－tRNA的活化形成起始复合物的形成（图示）第四十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期四肽链的延长进位

（氨酰tRNA进入A位点）参与因子：延长因子EFTu（Tu）、EFTs（Ts）、GTP、氨酰tRNA肽链的形成肽酰基从P位点转移到A位点，形成新的肽链移位（translocase）在移位因子（移位酶）EF－G的作用下，核糖体沿mRNA（5’-3’）作相对移动，使原来在A位点的肽酰－tRNA回到P位点第四十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期四核糖体移动方向P位点A位点第四十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期四进位核糖体移位肽链的形成第四十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期四延长过程中肽链的生成肽基转移酶第四十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期四肽链的延伸过程第四十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期四肽链合成的终止与释放识别mRNA的终止密码子，水解所合成肽链与tRNA间的酯键，释放肽链R1识别UAA、UAGR2识别UAA、UGAR3影响肽链的释放速度RR帮助P位点的tRNA残基脱落，而后核糖体脱落第四十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期四多核糖体在细胞内一条mRNA链上结合着多个核糖体，甚至可多到几百个。蛋白质开始合成时，第一个核糖体在mRNA的起始部位结合，引入第一个蛋氨酸，然后核糖体向mRNA的3’端移动一定距离后，第二个核糖体又在mRNA的起始部位结合，现向前移动一定的距离后，在起始部位又结合第三个核糖体，依次下去，直至终止。每个核糖体都独立完成一条多肽链的合成，所以这种多核糖体可以在一条mRNA链上同时合成多条相同的多肽链，这就大大提高了翻译的效率

第四十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期四真核细胞蛋白质合成的特点核糖体为80S，由60S的大亚基和40S的小亚基组成起始密码AUG起始tRNA为Met－tRNA起始复合物结合在mRNA5’端AUG上游的帽子结构，真核mRNA无富含嘌呤的SD序列（除某些病毒mRNA外）已发现的真核起始因子有近9种（eukaryoteInitiationfactor,eIF）eIF4A.eIF4E.P220复合物称为帽子结构结合蛋白复合物（CBPC