第一章 微生物的信息儲存與傳遞

1、 第一章 微生物的信息儲存與傳遞一、教學大綱要求1. 掌握脫氧核糖核酸(DNA)的結構和構象，熟悉DNA的包裝與復制。2. 掌握RNA的結構及轉錄過程，3. 掌握基因調控的基本特點，熟悉乳糖操縱子和色氨酸操縱子調控的特點。掌握蛋白質的四級結構，熟悉蛋白質的合成過程。【教材內容精要】一、DNA(一)DNA結構和構象脫氧核糖核酸(DNA)是所有生命細胞的遺傳物質，其基本重復單位是脫氧核糖核苷酸，它由一個五碳脫氧核糖、磷酸基和4種含氮堿基中的一種堿基組成。這4種堿基是胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)、腺嘌呤(A)和鳥嘌呤(G)。核苷酸通過磷酸二酯鍵連在一起形成分子骨架。兩股反方向平行的DNA鏈通過非共價

2、的氫鍵結合形成雙螺旋。C與G、A與T相對。A：T和G：C的相互作用叫作互補堿基配對。細胞內多數(shù)DNA都是B型DNA。這是一種右手螺旋，每10個堿基成一個螺旋。DNA分子中有大溝和小溝。(二)DNA的定量與標識DNA的重量用道爾頓(dalton)來計，長度用微米或堿基對(bp)數(shù)來計。另一種標識方法是53方向的分子堿基序列。通常只需列出一個鏈的序列，另一條鏈可以通過互補堿基配對推算出來。(三)單倍體雙倍體原核與真核的DNA組裝過程不同。細菌是單倍體(haploid，monoploid)，只有一個拷貝的一個染色體，分散在細胞質中。真核細胞的DNA以一定數(shù)量的染色體形式位于細胞核中，被核膜與細胞質隔

3、開。每個染色體都有兩個拷貝(雙倍體)。真核細胞通過有絲分裂保證每個后代細胞都得到每個染色體的一個拷貝，通過減數(shù)分裂產(chǎn)生繁殖用單倍體配子。 (四)DNA的包裝DNA通過引入超螺旋，使分子結構更緊密。引入超螺旋的酶叫做拓撲異構酶(topoisomerases)。在原核生物中，DNA與蛋白質和RNA結合，形成具有獨立超螺旋的4050個環(huán)，這種結構有時叫做擬核(nucleoid)。在真核生物中，DNA與蛋白質形成染色體位于細胞核內。這里DNA蛋白質復合體叫做染色質(chromatin)。染色質的初級結構是DNA纏繞在組蛋白上，形成一個鏈叫核小體(nucleosomes)。該鏈進一步纏繞成螺線管。第三級

4、結構是DNA與非組蛋白支架蛋白結合，形成緊密濃縮結構，叫做分裂中期染色體。(五)DNA復制 DNA復制是通過底物上的堿基與模板DNA鏈裸露的堿基互補配對，以原DNA鏈為模板合成新DNA鏈的過程。因為新的DNA鏈是由一條舊鏈和一條新合成的鏈組成，所以又叫半保留復制(semiconservative replication)。1.復制泡 復制的第一階段包括對復制起點的識別，在細菌染色體上只有一個，叫oriC。多蛋白復合體結合此位點，打開螺旋并啟動復制。DNA合成發(fā)生在兩條母鏈上，并且雙向延伸形成電鏡下呈“”型的結構，稱為復制泡(replication bubble)。DNA合成所在的兩個位點被稱為

5、復制叉。復制叉沿著DNA鏈前進，一邊解開DNA雙鏈，一邊合成兩條新的DNA互補鏈并將其后的DNA鏈重新形成絞鏈，直到兩個復制叉在終止點相遇。此時復制完成的兩個環(huán)形DNA仍連在一起，只有當拓撲異構酶在DNA雙鏈上形成缺口后才得到兩個獨立的DNA分子。2.DNA聚合酶 細菌中負責DNA合成的酶是DNA聚合酶，另外DNA聚合酶I也起一定作用，并參予DNA的修復過程。新合成的DNA鏈沿53方向延伸。DNA聚合酶還具有核酸外切酶活性，它可以從53及35雙向切除核苷酸，故DNA聚合酶具有校對作用，使DNA合成中的錯誤率(亦即突變率)達到10-8以下。 3.引物 RNA聚合酶(引物酶)可在DNA合成起始點產(chǎn)

6、生一段與DNA模板鏈配對的RNA片段(即引物)。RNA聚合酶不需3-OH基團來起始RNA的合成，DNA的合成在DNA聚合酶達到一個引物后停止，DNA聚合酶從鏈上釋放，而由DNA聚合酶I結合在其位點上。DNA聚合酶I具有35的核酸外切酶活性，脫氧核苷酸鏈上的缺口由DNA連接酶來連接。4.前導鏈和滯后鏈 由于DNA只能在53的方向上合成，因此只有一條鏈可持續(xù)地合成，這條鏈被稱作前導鏈。而另一條鏈則被稱作滯后鏈，它只能以許多小片段(岡崎片段)的形式合成。因此滯后鏈需不斷地起始合成，而該功能由引發(fā)體來行使，這些片段的連接是通過DNA聚合酶切除RNA引物和DNA連接酶封閉缺口來完成的。5.真核生物的復制

7、 真核生物和原核生物復制的最大區(qū)別是其更大的基因組和其線性排列。真核生物復制的特點：染色體上有許多復制起點；前導鏈和滯后鏈由不同的DNA聚合酶合成。其岡崎片段較原核生物小；由于在滯后鏈上持續(xù)起始DNA的合成，其存在著不被復制的末端序列(又稱端粒，telomeres)。因此染色體會不斷縮短，只有含RNA序列的端粒酶(telomerase)可以解決這個問題。端粒酶可通過添加大量的六聚寡核苷酸來延伸染色體末端，并以此作為模板進行DNA復制。6.滾環(huán)式復制 常發(fā)生在噬菌體和病毒中，其機制是：DNA中的一條鏈產(chǎn)生缺口來提供3-OH基團，在解旋酶和單鏈結合蛋白(SSB)作用下產(chǎn)生一個復制叉，有缺口的鏈被置

8、換。脫氧核苷酸被加入到3-OH基團產(chǎn)生一條前導鏈，被置換的鏈作為滯后鏈合成的模板。但在有些噬菌體等，這種復制可以持續(xù)合成超過一個環(huán)狀DNA長度的叫作串聯(lián)體的多基因組長度的線性細長分子。二RNA(一)細胞中的RNA分子1RNA的結構RNA與DNA不同的是它含有核糖而非脫氧核糖、它含有尿嘧啶(U)而不是胸腺嘧啶(T)。RNA常為一條單鏈分子，但它也可形成雙鏈二級結構。2細胞中的RNA分子核糖體RNA(rRNAs) 含量最豐富，參與蛋白合成。rRNA通過大小及沉降系數(shù)進行分類，rRNA序列高度保守。轉運RNA(tRNAs)可將核酸序列轉換為相應氨基酸序列。信使RNA(mRNAs)它們產(chǎn)生于DNA的轉

9、錄(transcription)并作為蛋白合成的模板。3具催化功能的RNA分子有些RNA具有酶催化活性(有時稱之為核酶，ribozymes)。其中最常見的是內含子，它可以將自身從轉錄的RNA上切除并將相鄰兩個外顯子拼接在一起。(二)轉錄轉錄是指以DNA為模板，在RNA聚合酶作用下，利用三磷酸核苷酸為底物，合成mRNA和穩(wěn)定RNA分子的過程。1.DNA依賴型RNA聚合酶蛋白質通過信使RNA(mRNA)來實現(xiàn)從DNA編碼合成。RNA的合成過程稱作轉錄，負責轉錄的酶稱作RNA聚合酶。RNA合成的機制與DNA復制相似，是聚合產(chǎn)生一個與DNA分子互補的核苷酸序列。在真核生物中一個mRNA分子僅攜帶一個基

10、因產(chǎn)物的信息；而在細菌中一個mRNA分子中可含多個基因信息，這些多順反子mRNAs(polycistronic mRNAs)是由細菌基因組的組裝所決定的，需要同步發(fā)揮作用的基因產(chǎn)物形成一個轉錄單元以便協(xié)同調控其合成過程。這些轉錄單元被稱作操縱子(operons)。RNA聚合酶結合在基因或操縱子起始信號的特異位點被稱為啟動子(promoter)。真細菌只有一種DNA依賴型RNA聚合酶；而真核生物至少有三種RNA聚合酶，分別稱之為I，。它們負責不同核區(qū)的不同類型的轉錄作用。古細菌有許多與真核RNA聚合酶相似的RNA聚合酶，大腸桿菌完整的RNA聚合酶(又稱作全酶，holoenzyme)包含有五個亞基

11、：兩個亞基，、及亞基各一個。其中亞基(又稱因子)與啟動子的結合是轉錄精確起始所必需的，但它在核心酶(包含2、亞基)合成RNA鏈進行轉錄起始后馬上脫落被釋放下來。一個細菌可有多種識別不同啟動子序列的因子。與原核RNA聚合酶不同的是，真核生物的RNA聚合酶需要附加的轉錄因子來協(xié)助RNA合成的起始。2.轉錄過程轉錄分為三個階段： (1)起始：RNA聚合酶識別并結合到啟動子上，打開DNA螺旋堿基暴露，產(chǎn)生一個單鏈的模板，這個結構被稱作“轉錄泡”。最初的兩個核苷酸進入復合體并與模板發(fā)生堿基配對，RNA聚合酶在兩個核苷酸間形成磷酸二酯鍵并釋放一個焦磷酸。(2)延伸：因子從酶復合體上釋放，RNA聚合酶核心酶

12、沿DNA模板前行。解開一小段DNA、合成一互補的RNA片段。RNA以53方向合成，當轉錄泡沿著DNA模板前進時，新合成的RNA從DNA上解離下來，于是在轉錄泡后面的DNA重新形成螺旋。(3)終止：DNA中一段特殊序列可作為基因結束的信號，于是轉錄停止。RNA聚合酶和新合成的mRNA鏈從DNA上釋放下來。其中作為RNA合成模板的那條DNA鏈被稱為反義鏈，而與RNA鏈具相同序列的非模板鏈被稱作有義鏈。3.啟動子啟動子含有與RNA聚合酶結合并啟動轉錄的保守序列，很多啟動子在轉錄起始位點上游有兩個保守DNA序列。若以第一個被轉錄的堿基作為+1位，在轉錄起始點上游區(qū)域相應值為負數(shù)，則這兩個保守序列分別被

13、稱作-10和-35保守區(qū)，。經(jīng)常被轉錄的啟動子叫作強啟動子，一般含有與共有序列相當接近的-10和-35序列，而弱啟動子則與共有序列有很大區(qū)別。此外，調控轉錄的序列也存在于轉錄起始位點的上游區(qū)域。4.RNA的加工在細菌中，編碼蛋白的mRNA在翻譯前不需任何加工作用，蛋白可在核糖體結合位點(即翻譯起始信號)被轉錄且RNA聚合酶從上面游離下來后迅速啟始合成。 在真核生物中，大多數(shù)蛋白編碼基因含有在翻譯成的蛋白中不存在的序列，稱之為內含子(introns)。轉錄后的mRNA中這些序列被剪除，而僅留下稱之為外顯子 (exons) 的蛋白編碼序列。真核mRNA還需要5端加入甲基化鳥嘌呤帽和3端加一連串腺嘌

14、呤尾(聚腺苷酸尾)的進一步修飾過程。與原核生物不同，真核生物中的轉錄和翻譯發(fā)生在細胞不同的區(qū)域。三基因表達調控基因表達(gene expression)調控作用貫穿于細胞中遺傳信息的整個流通過程：轉錄、mRNA的后加工、mRNA的轉換、翻譯和酶作用過程。調控大多發(fā)生在轉錄水平，即調控蛋白通過調節(jié)RNA聚合酶與啟動子的結合，影響RNA合成的數(shù)量來進行調控。(一)調控的基本特點1有些基因始終表達，這類基因稱作組成型基因；而僅在需要時才表達的基因稱為誘導型基因。2調控是特異的。3調控系統(tǒng)中有檢測細胞當前狀況的傳感途徑及產(chǎn)生反應開啟(或關閉)基因轉錄的效應途徑。4調控可以是正調控，也可以是負調控。正調

15、控由激活蛋白(也稱轉錄誘導蛋白，apoinducer)來啟動轉錄的進行。負調控的基因表達通常是開放的，除非有阻遏子(repressor)作用才會關閉。5基因可以處于多種調控系統(tǒng)的作用之下。(二)乳糖操縱子lac操縱子包括三個結構基因：lacZ、lacY和lacA。它們共用一個啟動子Plac進行轉錄，分別依次編碼：-半乳糖苷酶、乳糖透過酶及乳糖轉乙酰酶。這些酶僅在培養(yǎng)基中有乳糖而缺乏葡萄糖的情況下才需要。因此lac操縱子在兩個水平上受到調控，一個為負調控系統(tǒng)，由阻遏子(LacI蛋白)在乳糖缺乏關閉基因；另一個為總體性的調控系統(tǒng)，即降解物阻遏(catabolite repression)，它只在葡

16、萄糖濃度下降到一定程度后才開放基因表達。(三)色氨酸操縱子trp(色氨酸)操縱子編碼在色氨酸合成中起作用的酶。該操縱子在多種不同的水平上進行調控：它有一種負調控機制，其阻遏子叫輔助阻遏子(aporepressor，阻遏物蛋白又稱原阻遏物，無活性)，它只有在輔(助)阻遏物(corepressor) 色氨酸存在下才能抑制轉錄的進行。而在色氨酸缺乏時，阻遏子失活基因表達。另外，色氨酸基因表達還受弱化子的調控，即在色氨酸存在時轉錄提前終止。四 蛋白質細胞內的遺傳信息決定多肽序列并組成蛋白質，氨基酸序列決定蛋白質的結構、受修飾的特征、在細胞內外的位置及功能。(一)細胞中的蛋白質蛋白質由一條或多條具有三維

17、結構的多肽鏈組成。多肽鏈由L型氨基酸通過肽鍵連成序列，有機體中的蛋白質由相同的20種氨基酸組成。氨基酸的性質和排列決定蛋白質的結構和功能。 ( 二)蛋白質的結構蛋白質有四級結構：1一級結構靠肽鍵連接而成的氨基酸線性序列構成了多肽。每條多肽鏈具有一個氨基末端(N-末端)和一個羧基末端(C-末端)。蛋白質的最終結構取決于組成它的氨基酸的側鏈基團。2二級結構多肽鏈中氨基酸間的氫鍵使蛋白質表現(xiàn)出規(guī)律的構象。最常見的結構是-螺旋和-折疊。3三級結構在氨基酸側鏈基團間不同的弱鍵作用下，蛋白質形成三級結構。弱鍵鞏固了蛋白質的結構：非極性基團間的疏水作用、離子鍵、氫鍵、范德華力。 4四級結構 當?shù)鞍踪|由一條以

18、上多肽鏈組成時，即為四級結構。四級結構的鍵與三級結構的鍵相同。這些多肽鏈經(jīng)折疊、修飾形成最終的蛋白質。(三)翻譯1.遺傳密碼在mRNA中三堿基序列叫做一個密碼子(codon)，編碼某種氨基酸。每一氨基酸可被1至6個密碼子編碼，有些密碼子是蛋白質合成起始和終止的信號。遺傳密碼在生物系統(tǒng)中通用。tRNA上有三堿基序列叫做反密碼子(anticodon)，它可與mRNA上的密碼子序列配對，連于tRNA另一端的是相應于密碼子的某個氨基酸。細胞中蛋白質的合成過程被稱為翻譯(translation)。2.核糖體核糖體的作用是結合mRNA與tRNA的復合物，使氨基酸間形成肽鍵，保證蛋白質合成的精確度。核糖體由大、小兩個亞基組成，其成分是rRNA和蛋白質。核糖體及其中的mRNA分子大小常用沉降系數(shù)來表示。其數(shù)值與該物質的大小、形狀及密度有關。原核與真核生物的核糖體在大小、亞基等方面有差異(表1-1)。某些作用于細菌核糖體的抗生素，對真核細胞無作用。表1-1 原核與真核生物核糖體的比較 核糖體原核生物(70S)真核生物(80S)核糖體亞基30S(小)50S(大)40S(小)60S