第九章 基因信息的传递与蛋白质的合成(朱振宇)

第九章基因信息的传递与蛋白质的合成transmissionofgeneticinformationandproteinsynthesis

第一节基因及其功能第二节基因转录和转录后加工第三节蛋白质的生物合成

第四节基因表达信息的调控及应答内容第一节基因及其功能一、基因基因（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。基因组(genome)是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。原核细胞：编码区能够转录为相应的mRNA，进而指导蛋白质的合成的基因区段，在原核细胞中是连续的。

非编码区不能转录为mRNA编码蛋白质的区段，由编码区上游和下游的DNA序列组成。该区不能编码蛋白质，但有许多调控遗传信息表达的核苷酸序列，在遗传信息的表达中起重要作用。真核细胞：由编码区和非编码区两部分组成，编码区是间隔的、不连续的。

1.断裂基因(splitgene)由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)是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。外显子(exon)是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。

2.外显子－内含子接头每个外显子和内含子接头区的一段高度保守顺序,即内含子5′末端大多数是GT开始，3′末端大多是AG结束，称为GT-AG法则。3.侧翼顺序第一个外显子和最后一个外显子的外侧的一段不被翻译的非编码区。4.启动子（promoter，P）确保转录精确而有效地起始的DNA序列。

5.增强子能增强基因转录的DNA序列，不具有启动子的功能，但能增强或提高启动子的活性。6.沉默子（silencer）是负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。7.终止子具有转录终止的功能。

遗传信息通过DNA﹑RNA和蛋白质的单向流动，称为分子生物学的中心法则（centraldogma）。后来发现逆转录酶能催化以RNA为模板合成DNA的过程，证明了遗传信息亦可反向转录，即从RNA→DNA，这是对中心法则的有益补充。

中心法则二、“中心法则”阐明细胞内遗传信息流第二节基因转录和转录后加工一﹑转录过程需要诸多因素参与

转录（transcription）以DNA为模板，RNA聚合酶催化合成RNA分子的过程。转录的实质就是将DNA的遗传信息传递给RNA分子。

基因转录的特点：（1）合成RNA的底物是5′-三磷酸核糖核苷（2）在RNA聚合酶的作用下形成磷酸二酯键（3）RNA碱基顺序由模板DNA碱基顺序决（4）被转录的区域都以单链为模板（5）RNA合成的方向是5′→3′（6）RNA合成中不需要引物(一)DNA链是基因转录的模板

模板链（templatestrain）能指引转录生成RNA的DNA单链模板链，也称有意义链（sensestrain）或Watson链。编码链（codingstrain）相对于模板链不能指引转录的另外一股DNA单链，又称反义链（antisensestrain）或Crick链。不对称转录

（二）

RNA聚合酶是基因转录的关键酶

亚基数目分子量功能α2236512决定转录的特异性β1150618与转录全过程有关β′1155613结合DNA模板δ170263辨认起始点大肠杆菌RNA聚合酶组分和功能

真核生物的RNA聚合酶种类细胞内定位转录产物RNA聚合酶Ⅰ核仁45S-rRNARNA聚合酶Ⅱ核质hnRNARNA聚合酶Ⅲ核质5S-rRNA、tRNA、snRNA线粒体RNA聚合酶线粒体线粒体的RNA叶绿体RNA聚合酶叶绿体叶绿体的RNA（三）DNA模板上启动子是控制转录的关键部位

启动子决定转录的起始位点和转录的方向，启动转录的开始。

二﹑基因转录过程包括三个阶段

㈠转录起始复合物的形成标志转录开始

转录起始复合物：RNA聚合酶（全酶）﹑DNA链和新链前两个核苷酸。

转录的起始㈡转录空泡是转录延伸阶段的主要形式

转录延伸阶段的主要形式是转录空泡（transcriptioncomplex）。转录空泡示意图㈢原核生物的转录终止包括两种方式

1.依赖ρ因子的转录终止

2.非依赖ρ因子的转录终止

ρ因子参与的转录终止过程RNA的发卡结构与转录终止

真核生物的转录同样可分为起始、延长和终止3个阶段。与原核生物相比，真核生物转录的主要特点是：

1.有多种RNA聚合酶分别合成不同类别的RNA2.有多种类型的启动子为不同的RNA聚合酶所用

3.有多种转录因子

4.真核生物于转录时或转录后有广泛的RNA加工

初级转录产物(primarytranscripts)是指转录生成的RNA。其不一定是成熟的RNA分子，常要有一个加工修饰过程，才能生成成熟的RNA分子。

转录后加工(post-transcriptionalprocessing)即将新生的、无活性的RNA初级产物转变成有活性的成熟RNA的过程，也叫RNA的成熟。三﹑初级转录产物经过加工具有活性真核细胞RNA的转录后加工

㈠hnRNA进行首尾修饰和内含子剪切后转变为成熟的mRNA

1.5′端帽子结构生成mRNA成熟的真核生物，其结构5′端都有一个m7GpppG...结构，该结构被称为甲基鸟苷的帽子。四、真核生物转录后的加工2.PolyA尾的生成polyA尾的有无与长短是维持mRNA作为翻译模板活性和增加mRNA稳定性的重要因素。真核生物mRNA5′端帽子结构和PolyA尾的生成

3.

hnRNA的剪接

hnRNA经转录最初生成的mRNA前体，其分子量常比成熟mRNA大几倍或几十倍。剪接作用在所谓剪接体(splicesome)中进行，剪接体由多种snRNA和几十种蛋白质组成。

剪接部位在内含子末端的特定位点，即5′↓GV，AG↓3′。卵清蛋白基因转录及加工过程（二）前体tRNA的转录后加工

1.tRNA前体的剪切

2.tRNA前体的化学修饰

3.3′端加上CCA

tRNA的转录后加工（三）核酶参与了rRNA的转录后加工rRNA进行的是自我剪接，表明RNA分子也具有酶的催化活性。这种有酶催化活性的RNA分子被命名为核酶（ribozyme）。

核酶的发现，对中心法则作了重要补充核酶的发现是对传统酶学的挑战利用核酶的结构设计合成人工核酶

第三节蛋白质的生物合成一﹑翻译是蛋白质合成过程

将核酸中由4种核苷酸序列编码的遗传信息通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序的过程叫做翻译。（一）核蛋白体是肽链合成的场所核蛋白体由rRNA和几十种蛋白质组成的亚细胞颗粒，位于胞质内。

可分为两类：附着于糙面内质网，主要参与白蛋白、胰岛素等分泌性蛋白质的合成；游离于胞质，主要参与细胞固有蛋白质的合成。糙面内织网上的核糖体真核生物与原核生物核蛋白体成分的比较

核蛋白体大、小亚基上有许多活性蛋白是参与蛋白质生物合成过程的酶和蛋白质因子

1.mRNA结合位点

2.P位点（peptidyl-tRNAsite）

3.A位点（Aminoacyl-tRNAsite）

4.转肽酶（transpeptidase）活性部位

5.结合参与蛋白质合成的因子(二)mRNA是合成蛋白质的直接模板

mRNA分子上以5′→3′方向，从AUG开始每三个连续的核苷酸组成一个密码子，mRNA中的四种碱基可以组成64种密码子。遗传密码有如下特点:1.通用性2.方向性3.简并性4.连续性5.起始密码子和终止密码子氨基酸的密码表（三）tRNA是活化和转运氨基酸的工具tRNA的二级结构（四）若干酶类和因子参与蛋白质生物合成1.氨基酰-tRNA合成酶氨基酸在组成多肽之前，必须先经过氨基酰-tRNA合成酶催化并与其特异的tRNA结合。2.转肽酶（transpeptidase）使大亚基P位上肽酰-tRNA的肽酰基转移到A位上氨基酰-tRNA的氨基上，结合成肽键，使肽链延长。3.其他因子①蛋白质因子：起始因子﹑延长因子﹑终止因子等；②无机离子：如镁离子﹑钾离子等；③供能物质：如ATP﹑GTP等。㈠氨基酸活化及转运

氨基酸+tRNA+ATP→氨基酰tRNA+AMP+PPi

氨基酰-tRNA合成酶二﹑蛋白质合成的一般过程㈡翻译起始复合物的形成

起始阶段指大亚基、小亚基、mRNA和具有启动作用的起始氨基酰-tRNA聚合为起始复合物的过程。

大肠杆菌细胞翻译起始复合物的形成大肠埃希菌细胞翻译起始复合物形成的过程：

1.核糖体30S小亚基附着于mRNA起始信号部位

2.30S前起始复合物的形成

3.70S起始复合物的形成（三）肽链的延长（核蛋白体循环过程）核蛋白体循环（ribosomecirculation）肽链延长在核蛋白体上连续循环进行，所以这个过程又称核蛋白体循环每经过一个循环肽链增加一个氨基酸核蛋白体循环包括进位（register）、成肽(peptideformation)、转位(transposition)三个步骤（四）肽链合成终止过程

1.终止密码的辨认

2.肽链和mRNA等释出

3.核糖体大小亚基解聚

肽链合成的终止过程（五）多核糖体循环

在生物细胞内进行蛋白质合成时，每分子mRNA上同时结合着多个核蛋白体，可以在一条mRNA链上同时合成多条相同的多肽链，大大提高了翻译的效率。三﹑肽链合成后进行加工和输送

㈠肽链合成后的加工、修饰

1.肽链氨基端的修饰

2.共价修饰⑴磷酸化⑵糖基化⑶羟基化⑷二硫键的形成

3.辅助因子的连接和亚基聚合

4.多肽链的水解修饰

蛋白质合成后运送到相应功能部位，称为蛋白质的靶向运输按功能和去向分成两类：

1.分泌蛋白由结合于糙面内质网的核蛋白体合成

2.分布于胞质、线粒体及核内蛋白由游离核蛋白体合成㈡蛋