基因信息的传递与表达

关于基因信息的传递与表达复制转录翻译内容第2页,共86页，2024年2月25日，星期天基因(gene) 为生物活性产物编码的DNA功能片段,这些产物主要是蛋白质或各种RNA。第3页,共86页，2024年2月25日，星期天TheCentralDogma（中心法则）ofMolecularBiologyThecentraldogmaofmolecularbiology,atermcoinedbySirFrancisCrick,statesthattheflowofgeneticinformationis"DNAtoRNAtoprotein".第4页,共86页，2024年2月25日，星期天反中心法则在RNA病毒中，其遗传信息贮存在RNA分子中。因此，在这些生物体中，遗传信息的流向是RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代，通过反转录将遗传信息传递给DNA，再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为反中心法则第5页,共86页，2024年2月25日，星期天第6页,共86页，2024年2月25日，星期天复制第7页,共86页，2024年2月25日，星期天复制半保留复制DNA复制的酶学DNA生物合成的过程第8页,共86页，2024年2月25日，星期天半保留复制

DNA在复制时，以亲代DNA的每一股作模板，合成完全相同的两个双链子代DNA，每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链，这种现象称为DNA的半保留复制(semiconservativereplication)。第9页,共86页，2024年2月25日，星期天第10页,共86页，2024年2月25日，星期天第11页,共86页，2024年2月25日，星期天DNA复制所需的酶和蛋白质DNA聚合酶IDNA聚合酶II、IIIDNA连接酶引物合成酶拓扑异构酶解螺旋酶单链结合蛋白第12页,共86页，2024年2月25日，星期天ChemicalstructureofDNA第13页,共86页，2024年2月25日，星期天ChemicalstructureofRNA

3,5-phosphodiesterbond35第14页,共86页，2024年2月25日，星期天复制(新链合成)的方向：5’→3’第15页,共86页，2024年2月25日，星期天原核生物的DNA聚合酶三种：DNA聚合酶Ⅰ（DNA-polⅠ）DNA聚合酶Ⅱ（DNA-polⅡ）DNA聚合酶Ⅲ（DNA-polⅢ)第16页,共86页，2024年2月25日，星期天DNA-polIIIDNApolⅠ：DNApolII：DNApolIII=400：40：20polIII由十种亚基组成，其中α亚基具有5'→3'聚合DNA的酶活性，因而具有复制DNA的功能；而ε亚基具有3'→5'外切酶的活性，因而与DNA复制的校正功能有关。DNApolIII是在复制延长中真正催化新链核苷酸聚合的酶;第17页,共86页，2024年2月25日，星期天DNA-polⅠ为单一肽链的大分子蛋白质,可被特异的蛋白酶水解为大小两个片段；大片段称为Klenowfragment，具有DNA聚合酶活性和3’→5’外切酶的活性；小片段有5’→3’外切酶的活性（校读、切除引物、切除损伤的DNA）；DNApolI主要是对复制过程的错误进行校读，对复制和修复过程中出现的空隙进行填补第18页,共86页，2024年2月25日，星期天DNA-polⅡDNApolII在其它两个酶缺失的情况下起作用,其真正功能未完全清楚；第19页,共86页，2024年2月25日，星期天真核生物的DNA聚合酶已至少发现5种：DNA-polα,β,γ,δ,εDNA-polα：延长随从链DNA-polδ：延长领头链DNA-polε：校读、修复及填补缺口DNA-polβ：修复核内DNADNA-polγ：线粒体内第20页,共86页，2024年2月25日，星期天复制中的解链和DNA分子的拓扑学变化解旋、解链酶（蛋白）类：解螺旋酶(helicase)：打开DNA双链DNA拓扑异构酶(DNAtopoisomerase)单链DNA结合蛋白(singlestrandedDNAbindingprotein,SSB)作用：解开、理顺DNA链，维持DNA链在一段时间处于单链状态第21页,共86页，2024年2月25日，星期天DNA拓扑异构酶

(DNAtopoisomerase)快速复制造成DNA分子的打结、缠绕、连环现象。盘绕过分，形成正超螺旋，盘绕不足，则为负超螺旋。第22页,共86页，2024年2月25日，星期天DNA拓扑异构酶

(DNAtopoisomerase)大肠杆菌拓扑异构酶Ⅰ：暂时切断一条DNA链，形成酶-DNA共价中间物而使超螺旋DNA松弛化，然后再将切断的单链DNA连接起来，而不需要任何辅助因子。大肠杆菌拓扑异构酶Ⅱ(旋转酶):

切断两条DNA链，再连接，松弛超螺旋，无需ATP；有ATP时，将负超螺旋引入松弛的DNA分子。第23页,共86页，2024年2月25日，星期天切开此链第24页,共86页，2024年2月25日，星期天单链DNA结合蛋白（SSB）与解开的单链DNA结合，使其稳定不会再度螺旋化并且避免核酸内切酶对单链DNA的水解。

第25页,共86页，2024年2月25日，星期天第26页,共86页，2024年2月25日，星期天引物酶和引发体引物酶(primase)：催化引物合成的一种RNA聚合酶，在模板的复制起始部位催化互补碱基的聚合，形成短片段的RNA。引发体(primosome)：引物酶、解旋酶和其它复制因子及DNA的起始复制区共同构成的复合体称为引发体第27页,共86页，2024年2月25日，星期天DNA连接酶(DNAligase)DNA连接酶可催化两段DNA片段之间磷酸二酯键的形成，而使两段DNA连接起来。需要消耗ATP只能连接互补链中的单链缺口连接酶在DNA修复、重组、剪接中也起缝合缺口的作用第28页,共86页，2024年2月25日，星期天第29页,共86页，2024年2月25日，星期天真核生物细胞在S期合成DNA第30页,共86页，2024年2月25日，星期天复制是一个连续的过程，为叙述的方便，人为分为三个阶段：起始延长终止第31页,共86页，2024年2月25日，星期天参与复制起始的各种蛋白质名称功能DnaA蛋白辨认起始点解螺旋酶(DnaB蛋白，rep蛋白)解开DNA双链DnaC蛋白协助解螺旋酶引物酶(DnaG蛋白)催化RNA引物生成SSB稳定解开的单链拓扑异构酶理顺DNA链第32页,共86页，2024年2月25日，星期天复制起始点(oric)不是随意的ＡＡＴＡＴＧＴＧＴＡＡＴＡＧＧＴＧＴ第33页,共86页，2024年2月25日，星期天解螺旋酶DnaA辨认并结合oriC相互靠近，解链第34页,共86页，2024年2月25日，星期天双向复制(bidirectionalreplicationbidirectionalreplication)原核生物例如E.coli，是从固定起始点(复制原点)OriC(oring)开始，同时向两个方向进行复制，称为~第35页,共86页，2024年2月25日，星期天真核生物同时有多个复制起始点第36页,共86页，2024年2月25日，星期天引发体的生成引发体：引物酶(DnaG)，DnaA，解螺旋酶

(DnaB),DnaC及DNA的起始复制区共同构成的复合体称为~。第37页,共86页，2024年2月25日，星期天主要是II型领头链随从链解螺旋酶引物酶单链结合蛋白第38页,共86页，2024年2月25日，星期天复制的延长催化复制的酶：原核生物：DNA-polⅢ真核生物：DNA-polα催化合成随从链，

DNA-polδ催化合成领头链第39页,共86页，2024年2月25日，星期天DNA复制的半不连续性一条链连续复制：领头链(leadingstrand)另一条链不连续复制：随从链(laggingstrand)岡崎片段第40页,共86页，2024年2月25日，星期天原核生物的复制终止及岡崎片段的连接终止：由终止点ter(termination)决定;切除引物，填补空隙：DNApol-I缺口连接：连接酶第41页,共86页，2024年2月25日，星期天DNApol-I第42页,共86页，2024年2月25日，星期天复制的三大规律半保留复制复制的方向性复制的半不连续性第43页,共86页，2024年2月25日，星期天转录第44页,共86页，2024年2月25日，星期天一﹑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。第45页,共86页，2024年2月25日，星期天

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合成中不需要引物第46页,共86页，2024年2月25日，星期天(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。不对称转录第47页,共86页，2024年2月25日，星期天

（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s170263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第48页,共86页，2024年2月25日，星期天（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。第49页,共86页，2024年2月25日，星期天

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。

转录的起始第50页,共86页，2024年2月25日，星期天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RNA合成方向：5’→3’第51页,共86页，2024年2月25日，星期天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第52页,共86页，2024年2月25日，星期天

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加工第53页,共86页，2024年2月25日，星期天

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第54页,共86页，2024年2月25日，星期天真核细胞RNA的转录后加工

第55页,共86页，2024年2月25日，星期天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第56页,共86页，2024年2月25日，星期天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m7GpppG第57页,共86页，2024年2月25日，星期天

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。第58页,共86页，2024年2月25日，星期天

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第59页,共86页，2024年2月25日，星期天（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的转录后加工第60页,共86页，2024年2月25日，星期天（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61页,共86页，2024年2月25日，星期天翻译第62页,共86页，2024年2月25日，星期天（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第63页,共86页，2024年2月25日，星期天真核生物与原核生物核蛋白体成分的比较

第64页,共86页，2024年2月25日，星期天核糖体的五个活性部位：

1.mRNA结合部位2.A部位：主要在大亚基上，接受氨酰基-tRNA的部位3.P部位：主要在小亚基上,是释放tRNA的部位4.转肽酶部位：在大亚基上，催化氨基酸间形成肽键,使肽链延长5.参与蛋白质合成因子的结合部位第65页,共86页，2024年2月25日，星期天(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。第66页,共86页，2024年2月25日，星期天1.遗传密码①遗传密码：mRNA分子中碱基排列顺序②密码子：mRNA分子中三个相邻的碱基决定一种氨基酸，故称其为三联体密码或密码子。蛋白质的合成第67页,共86页，2024年2月25日，星期天（1）密码子的方向性：5′→3′（2）密码子的简并性与“兼职”（3）密码子的通用性

（4）密码子是不重叠的、无标点的遗传密码的特征第68页,共86页，2024年2月25日，星期天（三）tRNA是活化和转运氨基酸的工具tRNA的二级结构第69页,共86页，2024年2月25日，星期天（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。第70页,共86页，2024年2月25日，星期天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。第71页,共86页，2024年2月25日，星期天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第72页,共86页，2024年2月25日，星期天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。第73页,共86页，2024年2月25日，星期天

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.fmet-tRNA结合

3.大亚基结合，形成70S起始复合物的形成第74页,共86页，2024年2月25日，星期天（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)三个步骤第75页,共86页，2024年2月25日，星期天肽链的延伸（Elongation):第76页,共86页，2024年2月25日，星期天第77页,共86页，2024年2月25日，星期天（四）肽链合成终