北大分子生物學(xué)講義(精)

1、北大分子生物學(xué)講義- 朱玉賢第一講 序論二、現(xiàn)代分子生物學(xué)中的主要里程碑 分子生物學(xué)是研究核酸、蛋白質(zhì)等所有生物大分子的形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征及其重要性、規(guī)律性和相互關(guān)系的科學(xué)，是人類從 分子水平上真正揭開(kāi)生物世界的奧秘，由被動(dòng)地適應(yīng)自然界轉(zhuǎn)向主動(dòng)地改造和重組自然界的基礎(chǔ)學(xué)科。當(dāng)人們意識(shí)到同 一生物不同世代之間的連續(xù)性是由生物體自身所攜帶的遺傳物質(zhì)所決定的，科學(xué)家為揭示這些遺傳密碼所進(jìn)行的努力就 成為人類征服自然的一部分，而以生物大分子為研究對(duì)像的分子生物學(xué)就迅速成為現(xiàn)代社會(huì)中最具活力的科學(xué)。從 1847 年 Schleiden 和 Schwann 提出 細(xì)胞學(xué)說(shuō) ，證明動(dòng)、植物都是由細(xì)胞組成的到今天

2、，雖然不過(guò)短短一百多年 時(shí)間，我們對(duì)生物大分子 - 細(xì)胞的化學(xué)組成卻有了深刻的認(rèn)識(shí)。孟德?tīng)柕倪z傳學(xué)規(guī)律最先使人們對(duì)性狀遺傳產(chǎn)生了理性 認(rèn)識(shí)，而 Morgan 的基因?qū)W說(shuō)則進(jìn)一步將 性狀 與基因相耦聯(lián)，成為分子遺傳學(xué)的奠基石。Watson 和 Crick 所提出的脫氧核糖酸雙螺旋模型，為充分揭示遺傳信息的傳遞規(guī)律鋪平了道路。在蛋白質(zhì)化學(xué)方面，繼 Sumner 在 1936 年證 實(shí)酶是蛋白質(zhì)之后，Sanger 利用紙電泳及層析技術(shù)于 1953 年首次闡明胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)， 開(kāi)創(chuàng)了蛋白質(zhì)序列分析的先 河。而 Kendrew 和 Perutz 利用 X 射線衍射技術(shù)解析了肌紅蛋白（ myoglobi

3、n ）及血紅蛋白（ hemoglobin ）的三維結(jié) 構(gòu)，論證了這些蛋白質(zhì)在輸送分子氧過(guò)程中的特殊作用，成為研究生物大分子空間立體構(gòu)型的先驅(qū)。1910 年，德國(guó)科學(xué)家 Kossel 第一個(gè)分離了腺嘌呤，胸腺嘧啶和組氨酸。1959 年，美國(guó)科學(xué)家 Uchoa 第一次合成了核糖核酸，實(shí)現(xiàn)了將基因內(nèi)的遺傳信息通過(guò)RNA 翻譯成蛋白質(zhì)的過(guò)程。同年， Kornberg 實(shí)現(xiàn)了試管內(nèi)細(xì)菌細(xì)胞中 DNA 的復(fù)制。1962 年， Watson （美）和 Crick （英）因?yàn)樵?1953 年提出 DNA 的反向平行雙螺旋模型而與 Wilkins 共獲 Noble 生 理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，后者通過(guò) X 射線衍射證實(shí)了 W

4、atson-Crick 模型。1965 年，法國(guó)科學(xué)家 Jacob 和 Monod 提出并證實(shí)了操縱子（ operon ）作為調(diào)節(jié)細(xì)菌細(xì)胞代謝的分子機(jī)制。此外，他 們還首次推測(cè)存在一種與 DNA 序列相互補(bǔ)、能將它所編碼的遺傳信息帶到蛋白質(zhì)合成場(chǎng)所（細(xì)胞質(zhì)）并翻譯產(chǎn)生蛋白 質(zhì)的 mRNA （信使核糖核酸）。1972 年， Paul Berg （美）第一次進(jìn)行了 DNA 重組。1977 年， Sanger 和 Gilbert （英）第一次進(jìn)行了 DNA 序列分析。1988 年， McClintock 由于在 50 年代提出并發(fā)現(xiàn)了可移動(dòng)遺傳因子（ jumping gene 或稱 mobile e

5、lement ）而獲得 Nobel 獎(jiǎng)。1993 年，美國(guó)科學(xué)家 Roberts 和 Sharp 因發(fā)現(xiàn)斷裂基因（ introns ）而獲得 Nobel 獎(jiǎng)。 Mullis 由于發(fā)明 PCR 儀而與 加拿大學(xué)者 Smith（第一個(gè)設(shè)計(jì)基因定點(diǎn)突變）共享 Nobel 化學(xué)獎(jiǎng)。此外， Griffith （1928 ）及 Avery （ 1944 ）等人關(guān)于致病力強(qiáng)的光滑型（ S 型）肺炎鏈球菌 DNA 導(dǎo)致致病力弱的粗糙 型（ R 型）細(xì)菌發(fā)生遺傳轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)； Hershey 和 Chase （ 1952 ）關(guān)于 DNA 是遺傳物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)； Crick 于 1954 年所 提出的遺傳信息傳遞規(guī)律（

6、即中心法則） :Meselson 和 Stahl （ 1958 ）關(guān)于 DNA 半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)以及 Yanofsky 和 Brener （ 1961 ）年關(guān)于遺傳密碼三聯(lián)子的設(shè)想都為分子生物學(xué)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。我國(guó)生物科學(xué)家吳憲 20 世紀(jì) 20 年代初回國(guó)后在協(xié)和醫(yī)科大學(xué)生化系與汪猷、張昌穎等人一道完成了蛋白質(zhì)變性理論、 血液生化檢測(cè)和免疫化學(xué)等一系列有重大影響的研究，成為我國(guó)生物化學(xué)界的先驅(qū)。 20 世紀(jì) 60 年代、 70 年代和 80 年 代，我國(guó)科學(xué)家相繼實(shí)現(xiàn)了人工全合成有生物學(xué)活性的結(jié)晶牛胰島素，解出了三方二鋅豬胰島素的晶體結(jié)構(gòu)，采用有機(jī) 合成與酶促相結(jié)合的方法完成了酵母丙氨

7、酸轉(zhuǎn)移核糖核酸的人工全合成，在酶學(xué)研究、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及生物膜結(jié)構(gòu)與功能 等方面都有世所矚目的建樹(shù)。三、分子生物學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容 所有生物體中的有機(jī)大分子都是以碳原子為核心，并以共價(jià)鍵的形式與氫、氧、氮及磷以不同方式構(gòu)成的。不僅如此， 一切生物體中的各類有機(jī)大分子都是由完全相同的單體，如蛋白質(zhì)分子中的 20 種氨基酸、 DNA 及 RNA 中的 8 種堿基 所組合而成的，由此產(chǎn)生了分子生物學(xué)的 3 條基本原理：1 構(gòu)成生物體有機(jī)大分子的單體在不同生物中都是相同的；2 生物體內(nèi)一切有機(jī)大分子的建成都遵循著各自特定的規(guī)則；3 某一特定生物體所擁有的核酸及蛋白質(zhì)分子決定了它的屬性。 分子生物學(xué)研究?jī)?nèi)容

8、:DNA 重組技術(shù)基因工程 基因表達(dá)調(diào)控核酸生物學(xué)生物大分子結(jié)構(gòu)功能 - 結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)DNA 重組技術(shù)（又稱基因工程）這是 20 世紀(jì) 70 年代初興起的技術(shù)科學(xué)，目的是將不同 DNA 片段（如某個(gè)基因或基因的一部分）按照人們的設(shè)計(jì)定向 連接起來(lái)，在特定的受體細(xì)胞中與載體同時(shí)復(fù)制并得到表達(dá)，產(chǎn)生影響受體細(xì)胞的新的遺傳性狀。嚴(yán)格地說(shuō)， DNA 重組 技術(shù)并不完全等于基因工程，因?yàn)楹笳哌€包括其他可能使生物細(xì)胞基因組結(jié)構(gòu)得到改造的體系。 DNA 重組技術(shù)是核酸化 學(xué)、蛋白質(zhì)化學(xué)、酶工程及微生物學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞學(xué)長(zhǎng)期深入研究的結(jié)晶，而限制性內(nèi)切酶 DNA 連接酶及其他工具 酶的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用則是這一技術(shù)

9、得以建立的關(guān)鍵。DNA 重組技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景 NA 重組技術(shù)可用于定向改造某些生物基因組結(jié)構(gòu)，使它們所具備的特殊經(jīng)濟(jì)價(jià) 值或功能得以成百 上千倍的地提高。 DNA 重組技術(shù)還被用來(lái)進(jìn)行基礎(chǔ)研究。如果說(shuō)，分子生物學(xué)研究的核心是遺傳信 息的傳遞和控制，那么根據(jù)中心法則，我們要研究的就是從 DNA 到 RNA ，再到蛋白質(zhì)的全過(guò)程，也即基因的表達(dá)與調(diào) 控。在這里，無(wú)論是對(duì)啟動(dòng)子的研究（包括調(diào)控元件或稱順式作用元件），還是對(duì)轉(zhuǎn)錄因子的克隆及分析，都離不開(kāi)重 組 DNA 技術(shù)的應(yīng)用?；虮磉_(dá)調(diào)控研究 因?yàn)榈鞍踪|(zhì)分子參與并控制了細(xì)胞的一切代謝活動(dòng)，而決定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和合成時(shí)序的信息都由核酸（主要是脫氧

10、核糖核酸）分子編碼，表現(xiàn)為特定的核苷酸序列，所以基因表達(dá)實(shí)質(zhì)上就是遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯。在個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中生 物遺傳信息的表達(dá)按一定的時(shí)序發(fā)生變化（時(shí)序調(diào)節(jié)），并隨著內(nèi)外環(huán)境的變化而不斷加以修正（環(huán)境調(diào)控）。 原核生物的基因組和染色體結(jié)構(gòu)都比真核生物簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)錄和翻譯在同一時(shí)間和空間內(nèi)發(fā)生，基因表達(dá)的調(diào)控主要發(fā)生在 轉(zhuǎn)錄水平。真核生物有細(xì)胞核結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程在時(shí)間和空間上都被分隔開(kāi)，且在轉(zhuǎn)錄和翻譯后都有復(fù)雜的信息加 工過(guò)程， 其基因表達(dá)的調(diào)控可以發(fā)生在各種不同的水平上。 基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在信號(hào)傳導(dǎo)研究、 轉(zhuǎn)錄因子研究及 RNA 剪輯 3 個(gè)方面。轉(zhuǎn)錄因子是一群能與基因 5 端上游特定序

11、列專一結(jié)合，從而保證目的基因以特定的強(qiáng)度在特定的時(shí)間與空間表達(dá)的蛋白 質(zhì)分子。真核基因在結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)性是近 10 年來(lái)生物學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)之一。當(dāng)基因轉(zhuǎn)錄成 pre-mRNA 后，除了在 5 端加帽及 3 端加多聚 ApolyA之外，還要將隔開(kāi)各個(gè)相鄰編碼區(qū)的內(nèi)含子剪去，使外顯子（編碼區(qū)）相連后成為成熟 mRNA 。 研究發(fā)現(xiàn)，有許多基因不是將它們的內(nèi)含子全部剪去，而是在不同的細(xì)胞或不同的發(fā)育階段有選擇地剪接其中部分內(nèi)含 子，因此生成不同的 mRNA 及蛋白質(zhì)分子。結(jié)構(gòu)分子生物學(xué) 生物大分子的結(jié)構(gòu)功能研究（又稱結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)）一個(gè)生物大分子，無(wú)論是核酸、蛋白質(zhì)或多糖，在發(fā)揮生物學(xué)功能 時(shí)，必須

12、具備兩個(gè)前提 : 首先，它擁有特定的空間結(jié)構(gòu)（三維結(jié)構(gòu)）；其次，在它發(fā)揮生物學(xué)功能的過(guò)程中必定存在著結(jié) 構(gòu)和構(gòu)象的變化。結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)就是研究生物大分子特定的空間結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變化與其生物學(xué)功能關(guān)系的科學(xué)。它包括結(jié)構(gòu)的測(cè)定、 結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的探索及結(jié)構(gòu)與功能相互關(guān)系的建立 3 個(gè)主要研究方向。最常見(jiàn)的研究三維結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的手段 是 X 射線衍射的晶體學(xué)（又稱蛋白質(zhì)晶體學(xué)），其次是用二維核磁共振和多維核磁研究液相結(jié)構(gòu)，也有人用電鏡三維重 組、電子衍射、中子衍射和各種頻譜學(xué)方法研究生物高分子的空間結(jié)構(gòu)。第二講 染色體與 DNA一、DNA 的組成與結(jié)構(gòu)Avery 在 1944 年的研究報(bào)告中

13、寫道： 當(dāng)溶液中酒精的體積達(dá)到 9/10 時(shí)，有纖維狀物質(zhì)析出。如稍加攪拌，它就會(huì)象 棉線在線軸上一樣繞在硬棒上，溶液中的其它成份則呈顆粒狀沉淀。溶解纖維狀物質(zhì)并重復(fù)數(shù)次，可提高其純度。這一 物質(zhì)具有很強(qiáng)的生物學(xué)活性，初步實(shí)驗(yàn)證實(shí)，它很可能就是 DNA （誰(shuí)能想到！） 。對(duì) DNA 分子的物理化學(xué)研究導(dǎo)致了 現(xiàn)代生物學(xué)翻天覆地的革命，這更是 Avery 所沒(méi)有想到。所謂 DNA 的一級(jí)結(jié)構(gòu)，就是指 4 種核苷酸的連接及其排列順序，表示了該 DNA 分子的化學(xué)構(gòu)成。核苷酸序列對(duì) DNA 高級(jí)結(jié)構(gòu)的形成有很大影響，如 B-DNA 中多聚（ G-C ）區(qū)易出現(xiàn)左手螺旋 DNA （ Z-DNA ），而

14、反向重復(fù)的 DNA 片段 易出現(xiàn)發(fā)卡式結(jié)構(gòu)等。 DNA 不僅具有嚴(yán)格的化學(xué)組成，還具有特殊的高級(jí)結(jié)構(gòu)，它主要以有規(guī)則的雙螺旋形式存在，其 基本特點(diǎn)是：1 、 DNA 分子是由兩條互相平行的脫氧核苷酸長(zhǎng)鏈盤繞而成的。2 、 DNA 分子中的脫氧核糖和姿嶠惶媼 櫻 旁諭獠啵 鉤苫 竟羌埽 罨 帕性諛誆唷 ?br3 、兩條鏈上的堿基通過(guò)氫鍵相結(jié)合，形成堿基對(duì)，它的組成有一定的規(guī)律。這就是嘌吟與嘧啶配對(duì)，而且腺嘌吟（A）只能與胸腺嘧啶（T ）配對(duì)，鳥(niǎo)嘌吟（G）只能與胞嘧啶（C）配對(duì)。如一條鏈上某一堿基是C,另一條鏈上與它配對(duì)的堿基必定是G。堿基之間的這種一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系叫堿基互補(bǔ)配對(duì)原則。組成DNA 分

15、子的堿基雖然只有 4 種，它們的配對(duì)方式也只有 A 與 T， C與 G 兩種，但是，由于堿基可以任何順序排列，構(gòu)成了DNA 分子的多樣性。例如，某DNA 分子的一條多核苷酸鏈有100 個(gè)不同的堿基組成，它們的可能排列方式就是 4100 。二、 DNA 聚合酶與 DNA 的合成The accuracy of translation relies on the specificity of base pairing. The actual rate in bacteria seems to be -10-8-10-10. This correspondsto -1 error per genome

16、 per 1000 bacterial replication cycles, or -10-6 per gene per generation.DNA polymerase might improve the specificity of complementary base selection at either （or both） of two stages:1 ， It could scrutinize the incoming base for the proper complementarity with the template base; for example, by spe

17、cifically recongnizingmatching chemical features. This would be a presynthetic error control.2 ， Or it could scrutinize the base pair after the new base has been added to the chain, and, in those cases in which a mistake has beenmade, remove the most recently added base. This would be a proofreading

18、 control.三、 DNA 的生理意義及成分分析早在 1928 年英國(guó)科學(xué)家 Griffith 等人就發(fā)現(xiàn)肺炎鏈球菌使小鼠殘廢的原因是引起肺炎。細(xì)菌的毒性（致病力）是由細(xì) 胞表面莢膜中的多糖所決定的。具有光滑外表的 S 型肺炎鏈球菌因?yàn)閹в星v膜多糖而都能使小鼠發(fā)病，而具有粗糙外表 的 R 型因?yàn)闆](méi)有莢膜多糖而失去致病力（莢膜多糖能保護(hù)細(xì)菌免受運(yùn)動(dòng)白細(xì)胞攻擊）。首先用實(shí)驗(yàn)證明基因就是 DNA 分子的是美國(guó)著名的微生物學(xué)家 Avery 。 Avery 等人將光滑型致病菌（ S 型）燒煮殺滅 活性以后再侵染小鼠，發(fā)現(xiàn)這些死細(xì)菌自然喪失了致病能力。再用活的粗糙型細(xì)菌（R 型）來(lái)侵染小鼠，也不能使之

19、發(fā)病，因?yàn)榇植谛图?xì)菌天然無(wú)致病力。當(dāng)他們將經(jīng)燒煮殺死的S 型細(xì)菌和活的 R 型細(xì)菌混合再感染小鼠時(shí)，實(shí)驗(yàn)小鼠每次都死了。 解剖死鼠， 發(fā)現(xiàn)有大量活的 S 型（而不是 R 型）細(xì)菌。 他們推測(cè)， 死細(xì)菌中的某一成分棗轉(zhuǎn)化源 （ transforming principle ）將無(wú)致病力的細(xì)菌轉(zhuǎn)化成病原細(xì)菌。美國(guó)冷泉港卡內(nèi)基遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家 Hershey 和他的學(xué)生 Chase 在 1952 年從事噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)。噬菌體專 門寄生在細(xì)菌體內(nèi)。它的頭、尾外部都有由蛋白質(zhì)組成的外殼，頭內(nèi)主要是DNA 。噬菌體侵染細(xì)菌的過(guò)程可以分為以下5 個(gè)步驟：噬菌體用尾部的末端（基片、尾絲）吸附在細(xì)菌表面

20、；噬菌體通過(guò)尾軸把DNA 全部注入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，噬菌體的蛋白質(zhì)外殼則留在細(xì)胞外面；噬菌體的DNA 一旦進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，它就能利用細(xì)菌的生命過(guò)程合成噬菌體自身的 DNA 和蛋白質(zhì)；新合成的DNA 和蛋白質(zhì)外殼，能組裝成許許多多與親代完全相同的子噬菌體；子代噬菌體由于細(xì)菌的解體而被釋放出來(lái)，再去侵染其他細(xì)菌。他們發(fā)現(xiàn)被感染的細(xì)菌中帶有70% 的噬菌體 DNA ，但只帶有 20% 的噬菌體蛋白質(zhì)。子代噬菌體中帶有 50% 標(biāo)記的 DNA ，卻只有 1% 的標(biāo)記蛋白質(zhì)。四 . C-value 和 Cot1/2The total amount of DNA in the haploid genome is

21、a characteristic of each living species known as C-value.Cot1/2 is the product of concentration and time required for 50% reassociation given in nucleotide-molesxsec on d/liter.五、 染色體結(jié)構(gòu)DNA molecules are the largest macromolecules in the cell and are commonly packaged into structurescalled chromosome

22、s II , most bacteria & viruses have a single chromosome where as Eukaryotic cells usually contain many.任何一條染色體上都帶有許多基因，一條高等生物的染色體上可能帶有成千上萬(wàn)個(gè)基因，一個(gè)細(xì)胞中的全部基因序列及 其間隔序列統(tǒng)稱為genomes （基因組）。 如果設(shè)想將人體細(xì)胞中的 DNA 分子繞地球一周，那么，每個(gè)堿基大約只占 1 5 厘米，而一個(gè) 2 3kb 的基因只相當(dāng)于地球上一條數(shù)十米長(zhǎng)，數(shù)厘米寬的線段！Genotype （ 基因型 ）： The genetic constitut

23、ion of a given organism （指某個(gè)特定生物體細(xì)胞內(nèi)的全部遺傳物質(zhì) ）Phenotype （ 表現(xiàn)型 ）： Visible property of any given organism （某個(gè)特定生物體中可觀察到的物理或生理現(xiàn)象 ）。Mutations ： 染色體 DNA 中可遺傳的核苷酸序列變化。六、 染色體的組成1 染色質(zhì)和核小體染色質(zhì) DNA 的 Tm 值比自由 DNA 高，說(shuō)明在染色質(zhì)中 DNA 極可能與蛋白質(zhì)分子相互作用；在染色質(zhì)狀態(tài)下，由DNA聚合酶和 RNA 聚合酶催化的 DNA 復(fù)制和轉(zhuǎn)錄活性大大低于在自由 DNA 中的反應(yīng)； DNA 酶 I（ DNaseI

24、 ）對(duì)染色質(zhì) DNA 的消化遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于對(duì)純 DNA 的作用。染色質(zhì)的電子顯微鏡圖顯示出由核小體組成的念珠狀結(jié)構(gòu)，可以看到由一條細(xì)絲連 接著的一連串直徑為 10nm 的球狀體。核小體是由 H2A 、H2B 、H3 、H4 各兩個(gè)分子生成的八聚體和由大約 200bpDNA 組成的。八聚體在中間， DNA 分子 盤繞在外，而 H1 則在核小體的外面。每個(gè)核小體只有一個(gè) H1 。在核小體中 DNA 盤繞組蛋白八聚體核心，從而使分子收縮成 1/7 ，200bpDNA 的長(zhǎng)度約為 68nm ，卻被壓縮在 10nm 的核小體中。但是，人中期染色體中含3.3X109 堿基對(duì)，其理論長(zhǎng)度應(yīng)是180cm，這么長(zhǎng)的

25、DNA 被包含在 46 個(gè) 51m長(zhǎng)的圓柱體（染色體）中，其壓縮比約為 104 。2 染色體中的核酸組成不重復(fù)序列 在單倍體基因組里，這些序列一般只有一個(gè)或幾個(gè)拷貝，它占DNA 總量的 40% 80% 。不重復(fù)序列長(zhǎng)約 750 2000dp ，相當(dāng)于一個(gè)結(jié)構(gòu)基因的長(zhǎng)度。單拷貝基因通過(guò)基因擴(kuò)增仍可合成大量的蛋白質(zhì)，如一個(gè)蠶絲心蛋白 基因可作為模板合成 104 個(gè)絲心蛋白 mRNA ，每個(gè) mRNA 可存活 4d ，共合成 105 個(gè)絲心蛋白，這樣，在幾天之內(nèi)， 一個(gè)單拷貝絲心蛋白基因就可以合成 109 個(gè)絲心蛋白分子 。中度重復(fù)序列 這類重復(fù)序列的重復(fù)次數(shù)在 10104 之間，占總 DNA 的

26、10% 40% 。各種 rRNA 、tRNA 及組蛋白 基因等都屬這一類。非洲爪蟾的 18S 、5.8S 及 28SrRNA 基因是連在一起的，中間隔著不轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)，這些單位在DNA 鏈上串聯(lián)重復(fù)約5000 次。在卵細(xì)胞形成過(guò)程中這些基因可進(jìn)行幾千次不同比例的復(fù)制，產(chǎn)生2X106 個(gè)拷貝，使 rDNA 占卵細(xì)胞 DNA的 75% ，從而使該細(xì)胞能積累 1012 個(gè)核糖體。高度重復(fù)序列 衛(wèi)星 DNA 這類 DNA 只在真核生物中發(fā)現(xiàn)，占基因組的 10% 60% ，由 6100 個(gè)堿基組成，在 DNA 鏈上串聯(lián)重復(fù)幾百萬(wàn)次。 由于堿基的組成不同，在 CsCl 密度梯度離心中易與其他 DNA 分開(kāi)

27、， 形成含量較大的主峰 及高度重復(fù)序列小峰，后者又稱衛(wèi)星區(qū)帶（峰）。高等真核生物 DNA 無(wú)論從結(jié)構(gòu)還是功能看都極為復(fù)雜，以小鼠為例：1. 小鼠總 DNA 的 10 是小于 10bp 的高度重復(fù)序列，重復(fù)數(shù)十萬(wàn)到上百萬(wàn)次 /genome 。2. 總 DNA 的 20 是重復(fù)數(shù)千次、長(zhǎng)約數(shù)百 bp 的中等重復(fù)序列。3. 總 DNA 的 70 是不重復(fù)或低重復(fù)序列 ,絕大部分功能基因都位于這類序列中。Centromere ：是細(xì)胞有絲分裂期間紡錘體蛋白質(zhì)與染色體的結(jié)合位點(diǎn)（attachment point ），這種結(jié)合對(duì)于染色體對(duì)在子細(xì)胞中的有序和平均分配至關(guān)重要。在酵母中，centromere

28、的功能單位長(zhǎng)約 130 bp ，富含 AT 堿基對(duì)。在高等真核細(xì)胞中， centromere 都是由長(zhǎng)約 5 10 bp 、方向相同的高度重復(fù)序列所組成。Telomeres are sequences at the ends of eukaryotic Chromosomes that help stabilize them。 酵母Telomeres 一般以 100 bp 左右不精確重復(fù)序列所組成。5 (TxGy)n3 (AxCy)n其中 X、 Y 一般為 1 4， 單細(xì)胞真核生物中 n 常為 20 100 ， 高等真核生物中 1500 。染色體末端的線性重復(fù)序列不能被 DNA polymar

29、ase所準(zhǔn)確復(fù)制，它們一般在 DNA 復(fù)制完成以后由 telomarase 合 成后加到染色體末端。Alu (長(zhǎng)約 300bp )是人類高度重復(fù)序列 , 因?yàn)樵撔蛄兄袔в?AluI 的識(shí)別序列而得名。數(shù)十萬(wàn)個(gè) Alu 重復(fù)序列散布于整 個(gè)人類基因組中，達(dá)到總序列的1 3 。 Alu 與其它高度重復(fù)序列共占人類 DNA 的 10 以上。3 染色體中的蛋白質(zhì) 染色體上的蛋白質(zhì)包括組蛋白和非組蛋白。組蛋白是染色體的結(jié)構(gòu)蛋白，它與 DNA 組成核小體。通常可以用 2mol/LNaCl 或 0.25mol/L 的 HCl/H2SO4 處理使組蛋白與 DNA 分開(kāi)。組蛋白分為 H1 、 H2A 、H2B

30、、H3 及 H4 。這些組蛋白都含 有大量的賴氨酸和精氨酸，其中 H3 、 H4 富含精氨酸， H1 富含賴氨酸； H2A 、 H2B 介于兩者之間。組蛋白的一般特性 進(jìn)化上的極端保守性。牛、豬、大鼠的 H4 氨基酸序列完全相同。牛的 H4 序列與豌豆序列相比只有兩個(gè)氨基酸的差異(豌豆 H4 中的異亮氨基酸 60 -纈氨酸 60，精氨酸-賴氨酸)。H3 的保守性也很大，鯉魚(yú)與小牛胸腺的H3 只差一個(gè)氨基酸，小牛胸腺與豌豆 H3 只差 4 個(gè)氨基酸。無(wú)組織特異性。到目前為止，僅發(fā)現(xiàn)鳥(niǎo)類、魚(yú)類及兩棲類紅細(xì)胞染色體不含H1 而帶有 H5 ，精細(xì)胞染色體的組蛋白是魚(yú)精蛋白。肽鏈上氨基酸分布的不對(duì)稱性。

31、堿性氨基酸集中分布在N 端的半條鏈上。例如， N 端的半條鏈上凈電荷為 +16 ， C 端只有 +3 ，大部分疏水基團(tuán)都分布在 C 端。組蛋白的修飾作用。包括甲基化、乙基化、磷酸化及ADP 核糖基化等。非組蛋白的一般特性 染色體上除了存在大約與 DNA 等量的組蛋白以外，還存在大量的非組蛋白。非組蛋白的多樣性。非組蛋白的量大約是 組蛋白的 60%70%，但它的種類卻很多，約在20-100 種之間，其中常見(jiàn)的有15-20 種。 非組蛋白的組織專一性和種屬專一性。(3) 幾類常見(jiàn)的非組蛋白a. HMG 蛋白( high mobility group protein)。這是一類能用低鹽( 0.35m

32、ol/L NaCl )溶液抽提、能溶于 2% 的三氯乙酸、相對(duì)分子質(zhì)量較低的非組蛋白，相對(duì)分子質(zhì)量都在3.0X104 以下。b. DNA 結(jié)合蛋白。用 2mol/L NaCl 除去全部組蛋白和 70% 非組蛋白后，還有一部分蛋白必須用 2mol/L NaCl 和 5mol/L 尿素才能與 DNA解離。這些蛋白分子量較低，約占非組蛋白的 20% ，染色質(zhì)的 8% 。七 . 原核與真核染色體 DNA 比較原核生物中一般只有一條染色體且大都帶有單拷貝基因，只有很少數(shù)基因如 整個(gè)染色體 DNA 幾乎全部由功能基因與調(diào)控序列所組成； 幾乎每個(gè)基因序列都與它所編碼的蛋白質(zhì)序列呈線性對(duì)應(yīng)狀態(tài)。Viral D

33、NA molecules are relatively smallHIV = 9000 nt RNAQB= 4200 ntBactaria DNA is 100 times than viralE. coli 4639221 bp double-strandedContour length = 1.7mm, 850倍細(xì)菌本身長(zhǎng)度。細(xì)菌中常常帶有質(zhì)粒rRNA 基因是以多拷貝形式存在；DNAEucaryotic cells果蠅帶有 25 倍于 E. Coli 的 DNA, 人類帶有 600 倍于 E. Coli 的 DNA. Eucaryotic DNA 中基因密度明顯低于原核和 病毒。如人 DN

34、A 中平均每毫米只帶有 50 個(gè)基因 ,而 E. Coli 中基因密度每毫米 DNA 帶有 2400 個(gè)基因！一個(gè)人細(xì)胞中所帶有的 DNA 約有 2m/1.7mm 細(xì)菌。成人帶有 1X10F4個(gè)細(xì)胞，成人體內(nèi)全部 DNA 的總長(zhǎng)度(Contour Length)=2X10A11Km 第三講 蛋白質(zhì)合成一 . 基因與基因表達(dá)的一般概念 基因作為唯一能夠自主復(fù)制、永久存在的單位，其生理學(xué)功能以蛋白質(zhì)形式得到表達(dá)。DNA 序列是遺傳信息的貯存者，它通過(guò)自主復(fù)制得到永存，并通過(guò)轉(zhuǎn)錄生成 mRNA ，翻譯生成蛋白質(zhì)的過(guò)程控制所有生命現(xiàn)象。密碼翻譯成氨基酸序列、合成蛋白質(zhì)多肽鏈的過(guò)程，是基因表達(dá)的最終目的

35、。只有 mRNA 所攜帶的遺傳信息才被用來(lái)指導(dǎo)蛋白質(zhì)生物合成，所以人們一般用 U、C、A、G 這 4 種核苷酸而不是 T、C、A、 G 的組合來(lái)表示遺傳性狀。所謂翻譯是指將 mRNA 鏈上的核苷酸從一個(gè)特定的起始位點(diǎn)開(kāi)始，按每 3 個(gè)核苷酸代表 一個(gè)氨基酸的原則，依次合成一條多肽鏈的過(guò)程。二 . 遺傳密碼 三聯(lián)子mRNA 上每 3 個(gè)核苷酸翻譯成蛋白質(zhì)多肽鏈上的一個(gè)氨基酸，這 3 個(gè)核苷酸就稱為一個(gè)密碼，也叫三聯(lián)子密碼。翻譯時(shí) 從起始密碼子 AUG開(kāi)始，沿 mRNA5T3 的方向連續(xù)閱讀直到終止密碼子，生成一條具有特定序列的多肽鏈。mRNA 中只有 4 種核苷酸，而蛋白質(zhì)中有 20 種氨基酸，

36、若以一種核苷酸代表一種氨基酸，只能代表4 種(41=4) 。若以兩種核苷酸作為一個(gè)密碼(二聯(lián)子)，能代表 42=16 種氨基酸。而假定以 3 個(gè)核苷酸代表一個(gè)氨基酸，則可以有 43 =64 種密碼，滿足了編碼 20 種氨基酸的需要。50-60 年代破譯遺傳密碼方面的三項(xiàng)重要成果：( 1 ) Paul Zamecnik 等人證實(shí)細(xì)胞中蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所。他們把放射性標(biāo)記的氨基酸注射到大鼠體內(nèi)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間 后收獲其肝臟，進(jìn)行蔗糖梯度沉淀并分析各種細(xì)胞成份中的放射性蛋白質(zhì)。 如果注射后經(jīng)數(shù)小時(shí)(或數(shù)天)收獲肝臟，所有細(xì)胞成份中都帶有放射性標(biāo)記的蛋白質(zhì);如果注射后幾分鐘內(nèi)即收獲肝臟，那么，放射性標(biāo)記只

37、存在于含有核糖體顆粒的細(xì)胞質(zhì)成份中。( 2 ) Francis Crick 等人第一次證實(shí)只有用三聯(lián)子密碼的形式才能把包含在由AUGC 四個(gè)字母組成遺傳信息(核酸)準(zhǔn)確無(wú)誤地翻譯成由 20 種不同氨基酸組成的蛋白質(zhì)序列，實(shí)現(xiàn)遺傳信息的表達(dá)。實(shí)驗(yàn) 1:用吖啶類試劑(誘導(dǎo)核苷酸插入或丟失)處理 T4 噬菌體 rII 位點(diǎn)上的兩個(gè)基因，使之發(fā)生移碼突變( frame-shift )， 就生成完全不同的、沒(méi)有功能的蛋白質(zhì)。實(shí)驗(yàn) 2:研究煙草壞死衛(wèi)星病毒發(fā)現(xiàn)，其外殼蛋白亞基由 400 個(gè)氨基酸組成，相應(yīng)的 RNA 片段長(zhǎng) 1200 個(gè)核苷酸，與密碼三聯(lián) 子體系正好相吻合。實(shí)驗(yàn) 3:以均聚物為模板指導(dǎo)多肽

38、的合成。 在含有 tRNA 、核糖體、 AA-tRNA 合成酶及其它蛋白質(zhì)因子的細(xì)胞抽提物中加入 m RNA 或人工合成的均聚物作為模板以及 ATP、 GTP 、氨基酸等成分時(shí)又能合成新的肽鏈，新生肽鏈的氨基酸順序由外加 的模板來(lái)決定。1961 年，Nirenberg 等以 poly ( U)作模板時(shí)發(fā)現(xiàn)合成了多聚苯丙氨酸，從而推岀UUU 代表苯丙氨酸(Phe )。以 poly (C)及 poly (A)做模板分別得到多聚脯氨酸和多聚賴氨酸。實(shí)驗(yàn) 4:以特定序列的共聚物為模板指導(dǎo)多肽的合成。以多聚二核苷酸作模板可合成由 2 個(gè)氨基酸組成的多肽，編碼鏈( coding strand)又稱 sen

39、se strand ，是指與又稱 antisense strand，是指那條根據(jù)堿基互補(bǔ)原則指導(dǎo)Genetic information is perpetuated by replicationduplicated to give identical copies. 基因表達(dá)包括轉(zhuǎn)錄( transcription )和翻譯 ( translation 了 TTU 之外)的 RNA 單鏈的過(guò)程，是基因表達(dá)的核心步驟mRNA 序列相同的那條鏈。非編碼鏈( anticoding strand )， mRNA 生物合成的 DNA 鏈。(復(fù)制) in which a double- stranded n

40、ucleic acid is)兩個(gè)階段。 轉(zhuǎn)錄是指拷貝出一條與 DNA 鏈序列完全相同 (除 翻譯是指以新生的mRNA 為模板，把核苷酸三聯(lián)子遺傳5UGU GUG UGU GUG UGU GUG 3,不管讀碼從 U 開(kāi)始還是從 G 開(kāi)始，都只能有 UGU ( Cys )及 GUG (Vai ) 兩種密碼子。實(shí)驗(yàn) 5: 以共聚三核苷酸作為模板可得到有 3 種氨基酸組成的多肽。如以多聚( UUC )為模板，可能有 3 種起讀方式：5 UUC UUC UUC UUC UUC 或5 UCU UCU UCU UCU UCU 或5CUU CUU CUU CUU CUU 3 分別產(chǎn)生 UUC (Phe )、

41、UCU (Ser )或 CUU ( Leu ).多聚三核苷酸為模板時(shí)也可能只合成2 種多肽：5 GUA GUA GUA GUA GUA 或 5 UAG UAG UAG UAG UAG 3 或 5 AGU AGU AGU AGU AGU 由第二種讀碼方式產(chǎn)生的密碼子UAG 是終止密碼，不編碼任何氨基酸，因此，只產(chǎn)生 GUA (Val )或 AGU (Ser )。實(shí)驗(yàn) 6:以隨機(jī)多聚物指導(dǎo)多肽合成。 Nirenberg 等及 Ochoa 等又用各種隨機(jī)的多聚物作模板合成多肽。例如，以只含A、C 的多聚核苷酸作模板，任意排列時(shí)可岀現(xiàn) 8 種三聯(lián)子，即 CCC、CCA、CAC、ACC、CAA、ACA、

42、AAC、AAA，獲得由 A sn 、His 、Pro 、Gln 、Thr 、Lys 等 6 種氨基酸組成的多肽。(3 )氨基酸的舌化 I 與核糖體結(jié)合技術(shù)。如果把氨基酸與 ATP 和肝臟細(xì)胞質(zhì)共培養(yǎng)，氨基酸就會(huì)被固定在某些熱穩(wěn)定且可溶性RNA 分子( transfer RNA ，tRNA )上。現(xiàn)將氨基酸活化后的產(chǎn)物稱為氨基酰-tRNA (ami no acyl-tRNA )，并把催化該過(guò)程的酶稱為氨基酰合成酶( aminoacyl-tRNA Synthetase)。以人工合成的三核苷酸如 UUU 、UCU 、UGU 等為模板，在含核糖體、 AA-tRNA 的反應(yīng)液中保溫后通過(guò)硝酸纖維素濾膜，

43、 只有游離的AA-tRNA 因相對(duì)分子質(zhì)量小而通過(guò)濾膜，而核糖體或與核糖體結(jié)合的AA-tRNA 則留在濾膜上，這樣可把已結(jié)合與未結(jié)合的 AA-tRNA 分開(kāi)。當(dāng)體系中帶有多聚核苷酸模板時(shí)，從大腸桿菌中提取的核糖體經(jīng)常與特異性氨基酰-tRNA 相結(jié)合。如果把核糖體與 poly ( U )和 Phe-tRNAPhe共溫育，核糖體就能同時(shí)與poly ( U )和 Phe-tRNAPhe相結(jié)合。4種核苷酸組成 61 個(gè)編碼氨基酸的密碼子和 3 個(gè)終止密碼子，它們不能與 tRNA 的反密碼子配對(duì)，但能被終止因子或 釋放因子識(shí)別，終止肽鏈的合成。由一種以上密碼子編碼同一個(gè)氨基酸的現(xiàn)象稱為簡(jiǎn)并(degene

44、racy )，對(duì)應(yīng)于同一氨基酸的密碼子稱為同義密碼子( synonymous codon )。三密碼子和反密碼子的相互作用蛋白質(zhì)生物合成過(guò)程中， tRNA 的反密碼子通過(guò)堿基的反向配對(duì)與 mRNA 的密碼子相互作用。 1966 年， Crick 根據(jù)立 體化學(xué)原理提岀擺動(dòng)假說(shuō)( wobble hypothesis )，解釋了反密碼子中某些稀有成分如I 以及許多有 2 個(gè)以上同源密碼子的配對(duì)問(wèn)題。Wobble hypothesis1任意一個(gè)密碼子的前兩位堿基都與tRNA anticodon 中的相應(yīng)堿基形成 Watson-Crick 堿基配對(duì)。2反密碼子第一位是 A 或 C 時(shí)，只能識(shí)別一個(gè)密碼

45、子。當(dāng)反密碼子第一位是 U 或 G 時(shí)，能識(shí)別兩個(gè)密碼子。當(dāng) Inosi ne (I )作為反密碼子第一位時(shí)，能識(shí)別三個(gè)密碼子。3如果數(shù)個(gè)密碼子同時(shí)編碼一個(gè)氨基酸，凡是第一、二位堿基不相同的密碼子都對(duì)應(yīng)于各自的tRNA。4根據(jù)上述規(guī)則，至少需要32 種不同的 tRNA 才能翻譯 61 個(gè)密碼子。四 tRNAtRNA 在蛋白質(zhì)合成中處于關(guān)鍵地位，被稱為第二遺傳密碼。它不但為將每個(gè)三聯(lián)子密碼翻譯成氨基酸提供了接合體，還為準(zhǔn)確無(wú)誤地將所需氨基酸運(yùn)送到核糖體上提供了載體。所有的tRNA 都能夠與核糖體的 P 位點(diǎn)和 A 位點(diǎn)結(jié)合，此時(shí)，tRNA 分子三葉草型頂端突起部位通過(guò)密碼子：反密碼子的配對(duì)與mR

46、NA 相結(jié)合，而其 3 末端恰好將所轉(zhuǎn)運(yùn)的氨基酸送到正在延伸的多肽上。代表相同氨基酸的 tRNA 稱為同工 tRNA 。在一個(gè)同工 tRNA 組內(nèi)，所有 tRNA 均專一于相同的 氨基酰 - tRNA 合成酶。1 、 tRNA 的三葉草型二級(jí)結(jié)構(gòu)受體臂（ acceptor arm ）主要由鏈兩端序列堿基配對(duì)形成的桿狀結(jié)構(gòu)和3端末配對(duì)的 3-4 個(gè)堿基所組成，其 3端的最后 3 個(gè)堿基序列永遠(yuǎn)是 CCA，最后一個(gè)堿基的 3 或 2 自由羥基（一 0H ）可以被氨?；?。TC臂是根據(jù) 3 個(gè)核苷酸命 名的，其中$表示擬尿嘧啶，是 tRNA 分子所擁有的不常見(jiàn)核苷酸。反密碼子臂是根據(jù)位于套索中央的三聯(lián)

47、反密碼子命 名的。 D 臂是根據(jù)它含有二氫尿嘧啶（ dihydrouracil ）命名的。最常見(jiàn)的 tRNA 分子有 76 個(gè)堿基，相對(duì)分子質(zhì)量約為2.5X104。不同的 tRNA 分子可有 74-95 個(gè)核苷酸不等，tRNA分子長(zhǎng)度的不同主要是由其中的兩條手臂引起的。tRNA 的稀有堿基含量非常豐富，約有 70 余種。每個(gè) tRNA 分子至少含有 2 個(gè)稀有堿基，最多有 19 個(gè)，多數(shù)分布在非配對(duì)區(qū)，特別是在反密碼子 3 端鄰近部位出現(xiàn)的頻率最高，且大多為 嘌呤核苷酸。這對(duì)于維持反密碼子環(huán)的穩(wěn)定性及密碼子、反密碼子之間的配對(duì)是很重要的。2 tRNA 的 L 形三級(jí)結(jié)構(gòu)酵母和大腸桿菌 tRNA

48、 的三級(jí)結(jié)構(gòu)都呈 L 形折疊式。這種結(jié)構(gòu)是靠氫鍵來(lái)維持的，tRNA 的三級(jí)結(jié)構(gòu)與 AA- tRNA 合成酶的識(shí)別有關(guān)。受體臂和 T$C臂的桿狀區(qū)域構(gòu)成了第一個(gè)雙螺旋， D 臂和反密碼子臂的桿狀區(qū)域形成了第二個(gè)雙螺旋。tRNA 的 L 形高級(jí)結(jié)構(gòu)反映了其生物學(xué)功能，因?yàn)樗纤\(yùn)載的氨基酸必須靠近位于核糖體大亞基上的多肽合成位點(diǎn)， 而它的反密碼子必須與小亞基上的 mRNA 相配對(duì)，所以兩個(gè)不同的功能基團(tuán)最大限度分離。3 tRNA 的功能轉(zhuǎn)錄過(guò)程是信息從一種核酸分子（ DNA ）轉(zhuǎn)移至另一種結(jié)構(gòu)上極為相似的核酸分子（ RNA ）的過(guò)程，信息轉(zhuǎn)移靠的是堿 基配對(duì)。翻譯階段遺傳信息從 mRNA 分子轉(zhuǎn)移

49、到結(jié)構(gòu)極不相同的蛋白質(zhì)分子，信息是以能被翻譯成單個(gè)氨基酸的三聯(lián)子 密碼形式存在的，在這里起作用的是解碼機(jī)制。4 tRNA 的種類（ 1 ）起始 tRNA 和延伸 tRNA能特異地識(shí)別 mRNA 模板上起始密碼子的 tRNA 叫起始 tRNA ，其他 tRNA 統(tǒng)稱為延伸 tRNA 。原核生物起始 tRNA 攜 帶甲酰甲硫氨酸（ fMet ），真核生物起始 tRNA 攜帶甲硫氨酸（ Met ）。（ 2 ）同工 tRNA代表同一種氨基酸的 tRNA 稱為同工 tRNA ，同工 tRNA 既要有不同的反密碼子以識(shí)別該氨基酸的各種同義密碼，又要 有某種結(jié)構(gòu)上的共同性，能被 AA- tRNA 合成酶識(shí)別

50、。（ 3 ）校正 tRNA校正 tRNA 分為無(wú)義突變及錯(cuò)義突變校正。在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因中，一個(gè)核苷酸的改變可能使代表某個(gè)氨基酸的密碼子變成終止密碼子（UAG、UGA、UAA ），使蛋白質(zhì)合成提前終止，合成無(wú)功能的或無(wú)意義的多肽，這種突變就稱為無(wú)義突變。五 AA- tRNA 合成酶 是一類催化氨基酸與 tRNA 結(jié)合的特異性酶，其反應(yīng)式如下：它實(shí)際上包括兩步反應(yīng)：第一步是氨基酸活化生成酶 - 氨基酰腺苷酸復(fù)合物。AA+ATP+ 酶（E）TE-AA-AMP+PPi第二步是氨?；D(zhuǎn)移到tRNA 3末端腺苷殘基上，與其2或 3-羥基結(jié)合。E-AA-AMP+ tRNA AA- tRNA +E+AMP蛋

51、白質(zhì)合成的真實(shí)性主要決定于 AA- tRNA 合成酶是否能使氨基酸與對(duì)應(yīng)的 tRNA 相結(jié)合。 AA-tRNA 合成酶既要能識(shí) 別 tRNA ，又要能識(shí)別氨基酸，它對(duì)兩者都具有高度的專一性。不同的tRNA 有不同堿基組成和空間結(jié)構(gòu)，容易被 tRNA合成酶所識(shí)別，困難的是這些酶如何識(shí)別結(jié)構(gòu)上非常相似的氨基酸。有兩道關(guān)口 :The first filter is the initial binding of the amino acid to the enzyme and its activation to aminoacyl-AMP.The second filter is the bindin

52、g of incorrect aminoacyl-AMP products to a separate active site on the enzyme.核糖體像一個(gè)能沿 mRNA 模板移動(dòng)的工廠， 執(zhí)行著蛋白質(zhì)合成的功能。 它是由幾十種蛋白質(zhì)和幾種核糖體 RNA（ ribos omal RNA ，rRNA ）組成的亞細(xì)胞顆粒。一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)約有20000 個(gè)核糖體，而真核細(xì)胞內(nèi)可達(dá) 106 個(gè)，在未成熟的蟾蜍卵細(xì)胞內(nèi)則高達(dá) 1012 。核糖體和它的輔助因子為蛋白質(zhì)合成提供了必要條件。1. 核糖體的組成原核生物核糖體由約 2/3 的 RNA 及 1/3 的蛋白質(zhì)組成。真核生物核糖體中 RNA

53、 占 3/5 ，蛋白質(zhì)占 2/5 。核糖體是一個(gè) 致密的核糖核蛋白顆粒，可解離為兩個(gè)亞基，每個(gè)亞基都含有一個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量較大的 rRNA 和許多不同的蛋白質(zhì)分子。 大腸桿菌核糖體小亞基由21種蛋白質(zhì)組成，分別用S1S21 表示，大亞基由 33 種蛋白質(zhì)組成，分別用L1L33表示。真核生物細(xì)胞核糖體大亞基含有 49 種蛋白質(zhì)，小亞基有 33 種蛋白質(zhì)。2 、 rRNA3. 核糖體的功能核糖體包括至少 5 個(gè)活性中心，即 mRNA 結(jié)合部位、結(jié)合或接受 AA- tRNA 部位（ A 位）、結(jié)合或接受肽基 tRNA 的 部位、肽基轉(zhuǎn)移部位（ P 位）及形成肽鍵的部位（轉(zhuǎn)肽酶中心），此外還有負(fù)責(zé)肽鏈延

54、伸的各種延伸因子的結(jié)合位點(diǎn)。小亞基上擁有 mRNA 結(jié)合位點(diǎn)， 負(fù)責(zé)對(duì)序列特異的識(shí)別過(guò)程， 如起始位點(diǎn)的識(shí)別和密碼子與反密碼子的相互作用。 大亞 基負(fù)責(zé)氨基酸及 tRNA攜帶的功能，如肽鍵的形成、 AA- tRNA 、肽基 - tRNA 的結(jié)合等。 A 位、 P 位、轉(zhuǎn)肽酶中心等主 要在大亞基上。核糖體可解離為亞基或結(jié)合成 70S/80S 顆粒。翻譯的起始階段需要游離的亞基，隨后才結(jié)合成 70S/80S 顆粒，繼續(xù)翻 譯進(jìn)程。體外反應(yīng)體系中，核糖體的解離或結(jié)合取決于Mg2+ 離子濃度。在大腸桿菌內(nèi)， Mg2+ 濃度在 10-3mol/L 以下時(shí)， 70S 解離為亞基，濃度達(dá) 10-2mol/L

55、 時(shí)則形成穩(wěn)定的 70S 顆粒。細(xì)胞中大多數(shù)核糖體處于非活性的穩(wěn)定狀態(tài)， 單獨(dú)存在，只有少數(shù)與 mRNA 一起形成多聚核糖體。它從 mRNA 的 5 末端向 3 末端閱讀密碼子，至終止子時(shí)合成一條 完整的多肽鏈。 mRNA 上核糖體的多少視 mRNA 的長(zhǎng)短而定，一般 40 個(gè)核苷酸有一個(gè)核糖體。七 . 信使核糖核酸mRNA messenger ribonucleic acidDNA deoxyribonucleic acid.雖然 mRNA 在所有細(xì)胞內(nèi)執(zhí)行著相同的功能，即通過(guò)三聯(lián)子密碼翻譯生成蛋白質(zhì)，其生物合成的具體過(guò)程和成熟mRNA 的結(jié)構(gòu)在原核和真核生物細(xì)胞內(nèi)是不同的。八、蛋白質(zhì)的生物

56、合成核糖體是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所， mRNA 是蛋白質(zhì)合成的模板， tRNA 是模板與氨基酸之間的接合體。此外，有 20 種以上的 AA-tRNA 及合成酶、 10 多種起始因子、延伸因子及終止因子， 30 多種 tRNA 及各種 rRNA 、mRNA 和 100 種以上 翻譯后加工酶參與蛋白質(zhì)合成和加工過(guò)程。蛋白質(zhì)合成消耗了細(xì)胞中 90% 左右用于生物合成反應(yīng)的能量。細(xì)菌細(xì)胞中的 2 萬(wàn)個(gè)核糖體， 10 萬(wàn)個(gè)蛋白質(zhì)因子和 20 萬(wàn)個(gè) tRNAs 約占大腸桿菌干重的 35% 。在大腸桿菌中合成一個(gè) 100 個(gè)氨基酸的多肽只需 5 分鐘。1. 蛋白質(zhì)生物合成的主要步驟：翻譯的起始 核糖體與 mRNA

57、 結(jié)合并與氨基酰 -tRNA 生成起始復(fù)合物。肽鏈的延伸 核糖體沿 mRNA5 端向 3端 移動(dòng)，導(dǎo)致從 N 端向 C 端的多肽合成。肽鏈的終止以及肽鏈的釋放 核糖體從 mRNA 上解離，準(zhǔn)備新一輪合成反應(yīng)。 主要分為五步1 、 Activation of Amino Acids （This reaction takes place in the cytosol, not on the ribosome）.2 、 Initiation. The mRNA bearing the code for the polypeptide binds to the small ribosomal subu

58、nit and to the initiating aminoacyl-tRNA.3 、 Elongation. Peptide bonds are formed in this stage.4 、 Termination and Release. Completion of the polypeptide chain is signaled by a termination codon in the mRNA.5 、 Folding and Post translational Processing. 肽鏈延伸分為三步1Binding of an incoming aminoacyl-tRN

59、A.2Peptide bond formation.3Translocation.2. 與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的因子起始因子 Initiation factor (IF )延伸因子 Elongation factor( EF)終止因子。原核中有 RF1-3。RF-1 識(shí)別 UAA和 UAG; RF-2 識(shí)別 UAA 和 UGA; RF-3 僅能促進(jìn) RF-1 和 RF-2 的功能。終止因子行使功能時(shí)需要 GTP 。真核生物 中只有一個(gè) RF，能識(shí)別 3 個(gè)終止子。3 、蛋白質(zhì)合成的起始蛋白質(zhì)合成的起始復(fù)合物 :30S 核糖體小亞基模板 mRNAfMet-tRNAfMet起始因子GTP50S 核糖體大

60、亞基Mg2+合成的起始可分為三步 :1、 30S 核糖體小亞基與起始因子IF -1 和 IF-3 相結(jié)合，誘發(fā)模板 mRNA 與小亞基結(jié)合。2、 由 30S 小亞基、起始因子IF T 和 IF-3 及模板 mRNA 所組成的復(fù)合物立即與GTP-IF-2 及 fMet-tRNAfMet 相結(jié)合。反密碼子與密碼子配對(duì)。3、 上述六組分復(fù)合物再與50S 大亞基結(jié)合，水解GTP 生成并釋放 GDP 和 Pi。釋放三個(gè)起始因子。真核因子 功能eIF2 促進(jìn) Met-tRNAMet 與核糖體 40S 小亞基結(jié)合。eIF2BeIF3是最早與核糖體 40S 小亞基結(jié)合的促進(jìn)因子，蛋白質(zhì)合成反應(yīng)的正常進(jìn)行。eIF4A