第3章g-遗传信息的传递(复制 转录、蛋白质合成)

第3章遗传信息的传递基本概念复制：指以亲代DNA分子为模板合成一个新的与亲代模板结构相同的子代DNA分子的过程。转录：指以DNA或RNA（某些病毒中）为模板，以ATP、GTP、CTP和UTP四种核糖核苷三磷酸（NTP）为底物，在RNA聚合酶和其它蛋白质因子的作用下，按碱基互补配对原则，从5’-3’合成RNA的过程。遗传信息通过转录从DNA传递到RNA。翻译：又称蛋白质生物合成，是指在核糖体上，将mRNA所含的遗传密码转译为多肽链中相应氨基酸的过程。操纵子：由调节基因、操纵基因和结构基因组成。正控制：是一种转录水平的调控机制，调节基因编码的调节蛋白是激活蛋白，它与效应物分子协同作用，开启操纵子结构基因的转录，如果调节蛋白缺乏，基因关闭。负控制：是一种转录水平的调控机制，调节基因编码的调节蛋白是阻遏蛋白，它本身或与辅阻抑物协同作用，关闭操纵子结构基因的转录，如果调节蛋白缺乏，基因表达。顺式作用元件：是DNA分子上与结构基因连锁的转录调控区域，它们不是通过合成蛋白质或RNA，而是与特定的反式作用元件结合，再经反式作用元件之间和与RNA聚合酶的相互作用，实现对基因表达的调控作用。

反式作用元件（cis-actingelement）：又称转录因子，是指能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件8~12bp核心序列上，参与靶基因表达调控的一组调节蛋白。第三章、遗传信息的传递遗传信息geneticinformation

指生物为复制与自己相同的东西、由亲代传递给子代、或各细胞每次分裂时由细胞传递给细胞的信息。第一节、DNA的复制第二节、DNA的转录第三节、蛋白质的生物合成第四节、基因表达调控

第一节DNA的复制

一、DNA复制的基本规律二、DNA复制所需的酶和蛋白质三、DNA复制的一般过程四、原核生物和真核生物DNA的复制特点一、DNA复制的基本规律

1半保留复制(semiconservative

replication)：复制时DNA双链解开并以每一单链为模板来形成另一对应的新链。2.半不连续复制：一条链式连续的，另一条是不连续的。3、复制起点和复制方向多数细菌及病毒，只有一个复制起点，控制整个染色体的复制。所以整个染色体也就是一个复制子。在真核生物中，每条染色体的DNA复制则是多起点的，多个复制起点共同控制一条染色体的复制，即每条染色体有多个复制子。复制子：是指在同一个复制起点控制下合成的一段DNA序列。复制方向？从起点开始是沿着一个方向进行的呢？还是双向的？大肠杆菌和其它许多原核生物的环状DNA复制是双向的。即DNA的复制从复制起点开始，向二个方向同时进行，最后相遇，完成复制。真核生物的研究发现，其复制也是双向的。但近来发现，并不是所有的生物DNA的复制都是双向的，如：噬菌体T2，其DNA的复制就是沿一个方向进行的。5/—3/二、DNA复制所需的酶和蛋白质（一）DNA聚合酶（二）引发酶（三）DNA连接酶（四）拓扑异构酶（五）解链酶（六）单链结合蛋白（一）DNA聚合酶原核生物DNA聚合酶：大肠杆菌有DNA聚合酶I、II、III三种DNA聚合酶，其中DNA聚合酶III为细菌DNA复制的主力酶。

特性：（1）5’-3’聚合酶活性；（2）3’-5’外切酶活性，起着校对功能；（3）5’-3’外切酶活性。三种DNA聚合酶有一些共同的特性，从而决定DNA合成的特点：1、三种酶都只有5’－3’聚合酶的功能，而没有3’－5’聚合酶功能，说明DNA链的延伸只能从5’向3’端进行。2、它们都没有直接起始合成DNA的能力，只能在引物存在下进行链的延伸，因此，DNA的合成必须有引物引导才能进行。3、三种酶还都有核酸外切酶的功能，可对合成过程中发生的错识进行校正，从而保证DNA复制的高度准确性。2．真核生物DNA聚合酶真核生物中存在α、β、γ、δ和ε五种DNA聚合酶。DNA聚合酶δ被认为是催化真核生物DNA复制的主力酶。

αβγδε亚基数44425分子量（KD)＞25036-38160-300170256细胞内定位核核线粒体核核5′→3′聚合活性＋＋＋＋＋3′→5′外切活性－－－－－

功能复制、引发修复复制复制复制（二）引发酶一种特殊的RNA聚合酶，可催化短片段RNA的合成。这种短RNA片段一般十几个至数十个核苷酸不等，它们在DNA复制起始处做为引物。

真核生物DNA聚合酶α具有引发酶活性。（三）DNA连接酶封闭DNA链上缺口酶，借助能量催化DNA链的5'-PO4与另一DNA链的3'-OH生成磷酸二酯键。（四）拓扑异构酶

DNA拓扑异构酶将DNA双链切开一个口子，使一条链旋转一圈，然后再将其共价相连，从而消除其张力。

DNA拓扑异构酶I，只对双链DNA中的一条链进行切割，产生切口(nick)，每次切割只能去除一个超螺旋，此过程不需要外加能量。

DNA拓扑异构酶II，可以对双链DNA的二条链同时进行切割。每次切割可以去除二个超螺旋，此过程需要ATP提供能量。（五）解链酶 在大肠杆菌中，DNA的合成速度每分钟约为30,000bp，即双螺旋每分钟必须旋转3000次才能完全解旋。

（六）单链结合蛋白

ATP提供能量，DNA双链由解旋酶解开后，单链DNA结合蛋白（SSB）马上结合在分开的单链上，从而保持其伸展状态。三、DNA复制的一般过程（一）DNA复制的起始DNA的合成是半保留复制（分别以两条链互为模板，而合成两条互补新链），复制是双向的，DNA的合成必须有引物的引导，并且复制时链的延伸总是从5’向3’方向进行。(二)DNA复制的过程DNA的合成过程：1、DNA双螺旋的解链在大肠杆菌中，DNA的合成速度每分钟约为30,000bp，即双螺旋每分钟必须旋转3000次才能完全解旋。ATP提供能量，DNA双链由解旋酶解开后，单链DNA结合蛋白（SSB）马上结合在分开的单链上，从而保持其伸展状态。2、DNA合成的开始由于三种DNA聚合酶均需要DNA模板和3’端的自由－OH，才能进行DNA的合成，使DNA延伸。人们很早就发现RNA聚合酶(RNAploymerase)利用DNA模板，不需要特殊的引物可以直接合成RNA。DNA合成前，以DNA为模板，根据碱基配对的原则，在一种特殊的RNA聚合酶－DNA引物酶(DNAprimase)的催化下，先合成一段长度为5－60个核苷酸的RNA引物，提供3’端自由－OH。然后，在DNA聚合酶III的作用下进行DNA的合成。3、一条DNA链连续合成，一条链不连续从电子显微镜和放射自显影的结果可知，DNA两条新链的合成是从一个复制叉(replicatingfork)向着同一个方向延伸的。而组成DNA双螺旋的互补双链具有相反的方向，一条从5’－3’，而另地条3’－5’，为反向平行。二条DNA新链，只有一条DNA链的合成是连续的，而另一条则是不连续的。所以从整个DNA分子水平来看，DNA二条新链的合成方向是相反的，但是都是从5’向3’方向延伸。把一直从5’向3’方向延伸的链称作前导链(leadingstrand)，它是连续合成的。在前导链上，DNA引物酶只在起始点合成一次引物RNA，DNA聚合酶III就可开始进行DNA的合成。另一条先沿5’－3’方向合成一些片段，然后再由连接酶将其连起来的链，称为后随链(laggingstrand)，其合成是不连续的(图3－19)。后随链上合成的DNA不连续单链小片段称为冈崎片段后随链DNA的合成：每个“冈崎片段”的合成都需要先合成一段引物RNA，然后DNA聚合酶III才能进行DNA的合成。随后，引物RNA被切除，并为新合成的DNA片段所替代。在大肠杆菌中，引物RNA被切除过程是在DNA聚合酶Ⅰ的催化下完成的。因为DNA聚合酶I有5’－3’端核酸外切酶的功能，它可以将RNA引物切除。同时利用其5’－3’聚合酶功能，以临近“冈崎片段”的3’端自由－OH进行DNA的合成，从而将RNA引物替换为DNA链。最后由DNA连接酶(DNAligase)将“冈崎片段”连接起来，形成一条完整的新链(图3－20)。RNA病毒中RNA的自我复制。大多数RNA病毒是单链的。这种RNA的复制一般是先以自己为模板合成一条互补的单链，通常称病毒原有的，起模板作用的链称为“＋”链，而新复制的RNA链称为“－”链，这样就形成了双螺旋的复制类型(replicativeform)。然后这个“－”链又从“＋”链模板释放出来，它也以自己为模板复制出一条与自己互补的“＋”链，于是形成了一条新生的病毒RNA。三、真核生物DNA合成现在已有很多证据表明，真核生物DNA的复制基本上与原核生物相同，但比原核生物更为复杂。真核生物DNA的复制与原核生物主要不同点：1、DNA合成只是发生在细胞周期的某个时期：真核细胞DNA的合成只是在细胞周期的S期进行。而原核生物则在整个细胞生长过程中都可进行DNA合成。2、原核生物DNA的复制是单起点的，而真核生物染色体的复制则为多起点的。3、真核生物DNA合成所需的RNA引物及后随链上合成的“冈崎片段”的长度比原核生物要短4、有二种不同的DNA聚合酶分别控制前导链和后随链的合成。在原核生物中有DNA聚合酶I、II和III等三种聚合酶，并由聚合酶III同时控制二条链的合成。真核生物中共有α、β、γ、δ和ε等五种DNA聚合酶。聚合酶α和δ是DNA合成的主要酶，由聚合酶α控制不连续的后随链的合成，而聚合酶δ则控制前导链的合成，所以其二条链的合成是在二种不同的DNA聚合酶的控制下完成。5、染色体端体的复制原核生物的染色体大多数为环状，而真核生染色体为线状。端体：染色体其末端有特殊DNA序列组成的结构称为。根据DNA合成的过程，新链5’末端DNA是无法自动合成的，因为当末端的RNA引物被切除后，就没有3’端的自由羟基为DNA的合成作引物。在DNA的末端存在特殊的结构，并在含有RNA的端体酶(telomerase)的催化下完成末端的合成。主要不同点：第二节、DNA的转录遗传物质不管其化学性质如何，其必须具有遗传、表达和变异等三种基本功能。下面我们介绍其第二个重要的功能—基因表达。基因的表达：第一步DNA转录(transcription)为RNA，然后由RNA再翻译(translation)成蛋白质。转录：就是以DNA双链之一的遗传密码为模板，把遗传密码以互补的方式转录到mRNA上。

翻译：就是mRNA携带着转录的遗传密码，附着在核糖体上，把tRNA运来的各种氨基酸，按照mRNA的密码顺序，相互连接起来成为多肽链，并进一步折叠起来成为立体蛋白质分子。先介绍RNA的转录一、三种RNA分子信使RNA(messengerRNA，mRNA)转移RNA(transferRNA，tRNA)核糖体RNA(ribosomalRNA，rRNA)三种不同的RNA分子在基因的表达过程中起重要的作用。(一)mRNAmRNA的功能就是把DNA上的遗传信息精确无误地转录下来，然后，由mRNA的碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序，是基因表达过程中遗传信息传递的中介。它起着传递信息的作用，因而称为信使RNA(mRNA)。生物的遗传信息主要贮存于DNA的碱基序列中，但DNA并不直接决定蛋白质的合成。在真核生物中，转录形成的RNA中，含由大量非编码序列，大约只有25％RNA经加工成为mRNA，最后翻译为蛋白质。未经加工的前体mRNA(pre-mRNA)在分子大小上差别很大，所以通常称为不均一核RNA(heterogeneousnuclearRNA，hnRNA)。(二)tRNA如果说mRNA是合成蛋白质的蓝图，则核糖体是合成蛋白质的工厂。由于合成蛋白质的原材料—20种氨基酸与mRNA的碱基之间缺乏特殊的亲和力。

因此，必须用一种特殊的RNA—转移RNA(tRNA)把氨基酸搬运到核糖体上，tRNA能根据mRNA的遗传密码依次准确地将它携带的氨基酸连结成多肽链。

每种氨基酸可与1－4种tRNA相结合，现在已知的tRNA的种类在40种以上。tRNA是最小的RNA。其分子量约为27000(25000－30000)，由70到90个核苷酸组成。1969年以来，研究了来自各种不同生物，如：酵母、大肠杆菌、小麦、鼠等的十几种tRNA的结构，证明它们的碱基序列都能折叠成三叶草叶型(图3－22)。

tRNA的结构的共性(图3－23)：(1)5’端之末具有G(大部分)或C。(2)3’端之末都以ACC的顺序终结。(3)有一个富有鸟嘌呤的环。(4)有一个反密码子环，其的顶端有三个暴露的碱基，称为反密码子。这一个反密码子可以与mRNA链上同自己互补的密码子配对。(5)有一个胸腺嘧啶环。(三)rRNA核糖体RNA，它是组成核糖体的主要成分，而核糖体则是合成蛋白质的中心。原核生物的核糖体所含的rRNA，有5S、16S及23S等三种。S为沉降系数(sedimentationcoefficient)，当用超速离心测定一个粒子的沉淀速度时，此速度与粒子的大小直接成比例。真核生物的核糖体，含有4种rRNA和约80种蛋白质。四种rRNA为5S、5.8S、18S和28S。rRNA是单链，它包含不等量的A与U、G与C，但是有广泛的双链区域。在双链区，碱基因氢鍵相连，表现为发夹式螺旋。rRNA在蛋白质合成中的功能尚未完全明了。但16S的rRNA3’端有一段核苷酸序列与mRNA的前导序列是互补的，这可能有助于mRNA与核糖体的结合。除了上述三种主要的RNA外，还有小核RNA(smallnuclearRNA，snRNA)是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体(spliceosome)的主要成份。另外，还有端体酶RNA(telomeraseRNA)，它与染色体末端的复制有关；以及反义RNA(antisenseRNA)，它参与基因表达的调控。上述各种RNA分子均为转录的产物，mRNA最后翻译为蛋白质，而rRNA、tRNA及snRNA等并不翻译，其终产物即为RNA。

二、RNA合成的一般特点RNA的合成与DNA合成有以下三方面明显不同：(1)所用的原料为核苷三磷酸，而在DNA合成时则为脱氧核苷三磷酸；(2)只有一条DNA链被用作模板，而DNA合成时，两条链分别用作模板；(3)RNA链的合成不需要引物，可以直接起始合成，而DNA合成一定要引物的引导。转录合成的RNA链，除了U替换为T以外，与用作模板的DNA链互补，而与另一条非模板链相同。如果转录的RNA是mRNA，其信息最后通过密码子决定蛋白质的合成。现在通常将用作模板，进行RNA转录的链称作模板链(templatestrand)；而另一条则为非模板链(nontemplatestrand)。RNA链的合成与DNA链的合成同样，也是从5’向3’端进行的，此过程由RNA聚合酶(RNApolymerase)催化。RNA聚合酶首先在启动子部位(promoter)与DNA结合，形成转录泡(transcriptionbubble)，并开始转录。在原核生物中只有一种RNA聚合酶完成所有RNA的转录，而在真核生物中，有三种不同的RNA聚合酶控制不同类型RNA的合成。RNA的合成也同样遵循碱基配对的规则，只是U代替了T。三、原核生物RNA的合成通常把转录后形成一个RNA分子的一段DNA序列称为一个转录单位(transcriptunit)。一个转录单位可能刚好是一个基因，也可能含有多个基因。RNA的转录可以分为三步(图3－24)：(1)RNA链的起始；(2)RNA链的延长；(3)RNA链的终止及新链的释放。在讨论有关RNA转录时通常要用到上游(upstream)和下游(downstream)二个概念。因为RNA的转录总是从5’向3’端进行，所以上游总是指RNA分子的5’端，而下游则指3’端。(一)RNA聚合酶催化转录的RNA聚合酶是一种由多个蛋白亚基组成的复合酶。如大肠杆菌的RNA聚合酶有五个亚基组成，其分子量为480,000道尔顿，含有α、β、β’和δ等四种不同的多肽，其中α为二个分子。α亚基与RNA聚合酶的四聚体核心(α2ββ’)的形成有关;β亚基含有核苷三磷酸的结合位点；β’亚基含有与DNA模板的结合位点；δ因子的作用就是识别转录的起始位置，并使RNA聚合酶结合在启动子部位。(二)链的起始RNA链转录的起始首先是RNA聚合酶在δ因子的作用下结合于DNA的启动子部位;并在RNA聚合酶的作用下，使DNA双链解开，形成转录泡，为RNA合成提供单链模板，并按照碱基配对的原则，结合核苷酸;然后，在核苷酸之间形成磷酸二脂键，使其相连，形成RNA新链。δ因子在RNA链伸长到8－9个核酸后，就被释放，然后由核心酶催化RNA的延伸。启动子位于RNA转录起始点的上游，δ因子对启动子的识别是转录起始的第一步。(三)链的延伸RNA链的延伸是在δ因子释放以后，在RNA聚合酶四聚体核心酶的催化下进行。因RNA聚合酶同时具有解开DNA双链，并使其重新闭合的功能。随着RNA的延伸，RNA聚合酶使DNA双链不断解开和重新闭合。RNA转录泡也不断前移，合成新的RNA链(图3－26)。(四)链的终止当RNA链延伸遇到终止信号(terminationsignal)时，RNA转录复合体就发生解体，而使新合成的RNA链释放出来。现在发现在大肠杆菌中有二类终止信号：一类只有在存在蛋白质ρ的情况下，依赖于ρ的终止。第二类使转录终止不需要ρ的参与，不依赖于ρ的终止。在原核生物中，RNA的转录、蛋白质的合成以及mRNA的降解通常可以是同时进行的。因为在原核生物中不存在核膜分隔的核，另外，RNA的转录和多肽链的合成都是从5’向3’方向进行，只要mRNA的5’端合成后，即可以进行蛋白质的翻译过程。在原核生物中mRNA的寿命一般只有几分种。四、真核生物RNA的转录及加工(一)真核生物RNA转录的特点真核生物与原核生物RNA的转录过程主要有以下几点不同(图3－27)：1、真核生物RNA的转录是在细胞核内进行而蛋白质的合成则是在细胞质内，所以，RNA转录后首先必须从核内运输到细胞质内，才能进行蛋白质的合成。2、真核生物mRNA分子一般只编码一个基因原核生物的一个mRNA分子通常含有多个基因，而少数较低等真核生物外，在真核生物中，一个mRNA分子一般只编码一个基因。3、真核生物RNA聚合酶较多在原核生物中只有一种RNA聚合酶催化所有RNA的合成，而在真核生物中则有RNA聚合酶I、II、III等三种不同酶，分别催化不同种类型RNA的合成。4、真核生物RNA聚合酶不能独立转录RNA在真核生物中，三种RNA聚合酶都必须在蛋白质转录因子的协助下才能进行RNA的转录。（一）原核生物与真核生物RNA转录的区别1.真核生物RNA的转录是在细胞核内，翻译在细胞质中进行；原核生物则在核区同时进行转录翻译；2.真核生物一个mRNA只编码一个基因；原核生物一个mRNA编码多个基因；3.真核生物有RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等三种不同的酶；原核生物则只有一种RNA聚合酶；4.真核生物中转录的起始更复杂，RNA的合成需要转录因子的协助进行转录；原核生物则较为简单；5.真核生物的mRNA转录后进行加工，然后运送到细胞质中进行翻译；原核生物无需进行加工，边转录边翻译。(二)mRNA的加工1、在mRNA前体的5’端加上7－甲基鸟嘌呤核苷的帽子(cap)。2、在mRNA前体的3’端加上聚腺苷酸(poly

(A))的尾巴。3、如果基因中存在不编码的内含子序列，要进行剪接，将其切除。第三节

蛋白质的生物合成把蛋白质合成的过程称为翻译。非模板链、编码链、有义链、信息链是同一条链；模板链、反义链、非信息链是同一条链。一、遗传密码

有义密码子达61个，这意味着存在一种以上密码子对应一种氨基酸的情况。事实上，唯有甲硫氨酸和色氨酸对应一种密码子，这种由一种以上密码子编码同一氨基酸的现象称为密码的简并，编码相同氨基酸的密码子称为同义密码子。tRNA反密码子臂上的反密码子可正确识别mRNA模板上的密码子并与之配对，确保着肽链的合成按正确顺序进行。遗传密码及相应的氨基酸遗传密码（geneticcodon）

的特点1.连续性;2.简并性;3.摆动性;4.通用性;5.有起始子(AUG)和终止子(UAG,UAA,UGA)二核糖体是肽链合成的场所

核糖体由大,小亚基构成原核生物:70s(30s,50s)