生物醫(yī)學(xué)概論生化基因信息的傳遞和表達(dá)

1、會(huì)計(jì)學(xué)1生物醫(yī)學(xué)概論生化基因信息的傳遞和表生物醫(yī)學(xué)概論生化基因信息的傳遞和表達(dá)達(dá)The Central Dogma轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 錄錄翻翻 譯譯逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄復(fù)復(fù) 制制DNA復(fù)制復(fù)制(DNA replication) 是指遺傳物質(zhì)是指遺傳物質(zhì)的傳代，以親代的傳代，以親代DNA為模板，以四種為模板，以四種dNTP為為原料，在原料，在DNA聚合酶的催化下，按照堿基互聚合酶的催化下，按照堿基互補(bǔ)配對原則，合成子鏈補(bǔ)配對原則，合成子鏈DNA的過程。的過程。一、一、DNA的復(fù)制的復(fù)制半保留復(fù)制半保留復(fù)制(semi-conservative replication)雙向復(fù)制雙向復(fù)制(bidirectional rep

2、lication)半不連續(xù)復(fù)制半不連續(xù)復(fù)制(semi-discontinuous replication) （一）（一）DNA復(fù)制的基本特征復(fù)制的基本特征 DNA生物合成時(shí)，親代生物合成時(shí)，親代DNA解開為兩解開為兩股單鏈，各自作為模板股單鏈，各自作為模板(template)按堿基配按堿基配對規(guī)律，合成與模板互補(bǔ)的子鏈。子代細(xì)對規(guī)律，合成與模板互補(bǔ)的子鏈。子代細(xì)胞的胞的DNA，一股單鏈從親代完整地接受過，一股單鏈從親代完整地接受過來，另一股單鏈則完全重新合成。兩個(gè)子來，另一股單鏈則完全重新合成。兩個(gè)子細(xì)胞的細(xì)胞的DNA都和親代都和親代DNA堿基序列一致。堿基序列一致。這種復(fù)制方式稱為這種復(fù)制方

3、式稱為半保留復(fù)制半保留復(fù)制。n半保留復(fù)制半保留復(fù)制的概念的概念: :1. 半保留復(fù)制半保留復(fù)制AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母鏈母鏈DNA復(fù)制過程中形成復(fù)制過程中形成的復(fù)制叉的復(fù)制叉子代子代DNA按半保留復(fù)制方式，子代按半保留復(fù)制方式，子代DNA與親代與親代DNA A的的堿基序列一致堿基序列一致，即子代保留了親代的全部遺，即子代保留了親代的全部遺傳信息，

4、體現(xiàn)了遺傳的傳信息，體現(xiàn)了遺傳的保守性保守性。n半保留復(fù)制的意義半保留復(fù)制的意義: :遺傳的保守性，是物種穩(wěn)定性的分子基礎(chǔ)，遺傳的保守性，是物種穩(wěn)定性的分子基礎(chǔ)，但但不是絕對的不是絕對的。 原核生物基因組是環(huán)狀原核生物基因組是環(huán)狀DNA，只有一個(gè)，只有一個(gè)復(fù)制起復(fù)制起點(diǎn)（點(diǎn)（origin）。復(fù)制從起點(diǎn)開始，向兩個(gè)方向。復(fù)制從起點(diǎn)開始，向兩個(gè)方向進(jìn)行解鏈，進(jìn)行的是單點(diǎn)起始進(jìn)行解鏈，進(jìn)行的是單點(diǎn)起始雙向復(fù)制雙向復(fù)制。復(fù)制中的放射自顯影圖象復(fù)制中的放射自顯影圖象2. 雙向復(fù)制雙向復(fù)制3 5 3 5 解鏈方向解鏈方向3 5 3 3 5 前導(dǎo)鏈前導(dǎo)鏈(leading strand)后隨鏈后隨鏈(lagg

5、ing strand)3. 半不連續(xù)復(fù)制半不連續(xù)復(fù)制 順著解鏈方向生成的子鏈，復(fù)制是連續(xù)進(jìn)行的順著解鏈方向生成的子鏈，復(fù)制是連續(xù)進(jìn)行的，這股鏈稱為，這股鏈稱為前導(dǎo)鏈前導(dǎo)鏈(leading strand) 。 另一股鏈因?yàn)閺?fù)制的方向與解鏈方向相反，不另一股鏈因?yàn)閺?fù)制的方向與解鏈方向相反，不能順著解鏈方向連續(xù)延長，這股不連續(xù)復(fù)制的能順著解鏈方向連續(xù)延長，這股不連續(xù)復(fù)制的鏈稱為鏈稱為后隨鏈后隨鏈(lagging strand) 。復(fù)制中的不。復(fù)制中的不連續(xù)片段稱為連續(xù)片段稱為岡崎片段岡崎片段(okazaki fragment)。 前導(dǎo)鏈連續(xù)復(fù)制而后隨鏈不連續(xù)復(fù)制，就是復(fù)前導(dǎo)鏈連續(xù)復(fù)制而后隨鏈不連續(xù)復(fù)

6、制，就是復(fù)制的半不連續(xù)性。制的半不連續(xù)性。 n參與參與DNA復(fù)制的物質(zhì)復(fù)制的物質(zhì): 底物底物(substrate): dATP, dGTP, dCTP, dTTP； 模板模板(template): 解開成單鏈的解開成單鏈的DNA母鏈；母鏈； 引物引物(primer): 提供提供3 -OH末端使末端使dNTP可以依次可以依次聚合；聚合； 聚合酶聚合酶(polymerase): 依賴依賴DNA的的DNA聚合酶聚合酶，簡寫為，簡寫為 DNA-pol； 其他的酶和蛋白質(zhì)因子。其他的酶和蛋白質(zhì)因子。（二）參與（二）參與DNA復(fù)制的酶和蛋白質(zhì)因子復(fù)制的酶和蛋白質(zhì)因子DNA分子的堿基埋在雙螺旋內(nèi)部，只有把分

7、子的堿基埋在雙螺旋內(nèi)部，只有把DNA解成單鏈，它才能起模板作用。解成單鏈，它才能起模板作用。1. 解鏈、解旋酶類解鏈、解旋酶類解螺旋酶解螺旋酶(helicase)利用利用ATP供能，作用于供能，作用于氫鍵，使氫鍵，使DNA雙鏈解開成為兩條單鏈。雙鏈解開成為兩條單鏈。單鏈單鏈DNA結(jié)合蛋白結(jié)合蛋白(single stranded DNA binding protein, SSB) 在復(fù)制中維持模板處于單鏈狀在復(fù)制中維持模板處于單鏈狀態(tài)并保護(hù)單鏈的完整。態(tài)并保護(hù)單鏈的完整。 SSBSSB解鏈方向108局部解鏈后局部解鏈后n復(fù)制過程正超螺旋的形成：復(fù)制過程正超螺旋的形成： DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶

8、改變改變DNA超螺旋狀態(tài)、理順超螺旋狀態(tài)、理順DNA鏈鏈解鏈過程中正超螺旋的形成解鏈過程中正超螺旋的形成n拓?fù)涿傅淖饔梅绞剑和負(fù)涿傅淖饔梅绞剑?. 引物酶引物酶 ( primase ) 3. DNA聚合酶聚合酶 全稱：全稱：依賴依賴DNA的的DNA聚合酶聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase，DDDP) 簡稱：簡稱：DNA-poln聚合反應(yīng)的特點(diǎn)聚合反應(yīng)的特點(diǎn): : DNA 新鏈生成需新鏈生成需引物引物和和模板模板； 新鏈的延長只可沿新鏈的延長只可沿5 3 方向進(jìn)行。方向進(jìn)行。原核生物的原核生物的DNA聚合酶分為三型聚合酶分為三型 DNA-pol DNA-pol D

9、NA-pol 對復(fù)制和修復(fù)中出現(xiàn)的空隙進(jìn)行填補(bǔ)。對復(fù)制和修復(fù)中出現(xiàn)的空隙進(jìn)行填補(bǔ)。具有具有5 3 方向聚合酶活性。方向聚合酶活性。 對復(fù)制和修復(fù)中出現(xiàn)的空對復(fù)制和修復(fù)中出現(xiàn)的空 隙進(jìn)行填補(bǔ)。隙進(jìn)行填補(bǔ)。具有具有3 5 方向核酸外切酶活性方向核酸外切酶活性切除錯(cuò)配核苷切除錯(cuò)配核苷酸，起校讀功能。酸，起校讀功能。具有具有5 3 方向核酸外切酶活性方向核酸外切酶活性切除突變片段。切除突變片段。 DNA-pol （120kD） DNA-pol II基因發(fā)生突變，細(xì)菌依然能存活?；虬l(fā)生突變，細(xì)菌依然能存活。 DNA-pol 可能參與可能參與DNA損傷的應(yīng)急狀態(tài)修復(fù)損傷的應(yīng)急狀態(tài)修復(fù)（SOS修復(fù)）。修復(fù)

10、）。n功能：功能： DNA-pol (250kD)是原核生物復(fù)制延長中真正起催化作用的酶。是原核生物復(fù)制延長中真正起催化作用的酶。E. coliE. coli中的中的DNADNA聚合酶聚合酶4. DNA連接酶連接酶連接連接DNA鏈鏈3 -OH末端和相鄰末端和相鄰DNA鏈鏈5 -P末端，使二者生成磷酸二酯鍵，從而把兩段相末端，使二者生成磷酸二酯鍵，從而把兩段相鄰的鄰的DNA鏈連接成一條完整的鏈。鏈連接成一條完整的鏈。n DNA連接酶連接酶(DNA ligase)作用方式：作用方式：POO-O-OHO5POO-O-O335DNA連接酶連接酶ATPADP5353nDNA連接酶的作用：連接酶的作用：

11、DNA連接酶在復(fù)制中起最后接合缺口的連接酶在復(fù)制中起最后接合缺口的作用。作用。 在在DNA修復(fù)、重組及剪接中也起縫合缺修復(fù)、重組及剪接中也起縫合缺口作用?？谧饔?。 也是基因工程的重要工具酶之一。也是基因工程的重要工具酶之一。n功能：功能：1. DNA復(fù)制的起始復(fù)制的起始需要解決兩個(gè)問題：需要解決兩個(gè)問題：1. DNA解開成單鏈，提供模板。解開成單鏈，提供模板。2. 形成引發(fā)體，合成引物，提供形成引發(fā)體，合成引物，提供3 -OH末端。末端。（三）原核生物（三）原核生物DNA的復(fù)制的復(fù)制E. coli復(fù)制起始點(diǎn)復(fù)制起始點(diǎn) oriC GATTNTTTATTT GATCTNTTNTATT GATCTC

12、TTATTAG 1 13 17 29 32 44 1 13 17 29 32 44 TGTGGATTA-TTATACACA-TTTGGATAA-TTATCCACA58 66 166 174 201 209 237 24558 66 166 174 201 209 237 245 串聯(lián)重復(fù)序列串聯(lián)重復(fù)序列 反向重復(fù)序列反向重復(fù)序列5 3 5 3 DNA的解鏈的解鏈 Dna A Dna B、 Dna CDNA拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶引物引物酶酶3 5 3 5 引發(fā)體和引物引發(fā)體和引物含有解螺旋酶、含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和蛋白、引物酶和DNA復(fù)制起始區(qū)域的復(fù)合結(jié)構(gòu)稱為引發(fā)體。復(fù)制起始區(qū)域的復(fù)

13、合結(jié)構(gòu)稱為引發(fā)體。2. 復(fù)制的延長復(fù)制的延長復(fù)制的延長指在復(fù)制的延長指在DNA-pol催化下，催化下，dNTP以以dNMP的方式逐個(gè)加入引物或延長中的子鏈上，的方式逐個(gè)加入引物或延長中的子鏈上，其化學(xué)本質(zhì)是磷酸二酯鍵的不斷生成。其化學(xué)本質(zhì)是磷酸二酯鍵的不斷生成。 n前導(dǎo)鏈的合成：前導(dǎo)鏈的合成：前導(dǎo)鏈的子鏈沿著前導(dǎo)鏈的子鏈沿著5 5 33 方向可以連續(xù)地延長。方向可以連續(xù)地延長。解螺旋酶解螺旋酶n后隨鏈的合成后隨鏈的合成解螺旋酶解螺旋酶n同一復(fù)制叉上前導(dǎo)鏈和后隨鏈由相同的同一復(fù)制叉上前導(dǎo)鏈和后隨鏈由相同的DNA-pol催化延長催化延長 原核生物基因是環(huán)狀原核生物基因是環(huán)狀DNA，雙向復(fù)制的復(fù)制片

14、段，雙向復(fù)制的復(fù)制片段在復(fù)制的終止點(diǎn)在復(fù)制的終止點(diǎn)(ter)處匯合。處匯合。 ori terE. coli3. 復(fù)制的終止復(fù)制的終止5 5 5 RNA酶酶OHP5 DNA-pol dNTP5 5 P 5 5 DNA連接酶連接酶n 后隨鏈上不連續(xù)性片段的連接：后隨鏈上不連續(xù)性片段的連接：（四）真核生物（四）真核生物DNA的復(fù)制的復(fù)制 真核生物每個(gè)染色體有多個(gè)起始點(diǎn)，可同時(shí)進(jìn)行真核生物每個(gè)染色體有多個(gè)起始點(diǎn)，可同時(shí)進(jìn)行雙向復(fù)制。雙向復(fù)制。 兩個(gè)復(fù)制起點(diǎn)之間的兩個(gè)復(fù)制起點(diǎn)之間的DNA片段稱為一個(gè)復(fù)制子。片段稱為一個(gè)復(fù)制子。 真核生物是多復(fù)制子復(fù)制。真核生物是多復(fù)制子復(fù)制。1. 復(fù)制的起點(diǎn)復(fù)制的起點(diǎn)染

15、色體染色體DNA呈線狀，復(fù)制在末端停止。呈線狀，復(fù)制在末端停止。染色體兩端染色體兩端DNA子鏈上最后復(fù)制的子鏈上最后復(fù)制的RNA引物，引物，去除后留下空隙不能由去除后留下空隙不能由DNA聚合酶填補(bǔ)。聚合酶填補(bǔ)。3. 末端復(fù)制和端粒末端復(fù)制和端粒5 3 3 5 5 3 3 5 +5 3 3 3 3 5 5 端粒端粒(telomere) 指真核生物染色體線性指真核生物染色體線性DNA分子末端的結(jié)分子末端的結(jié)構(gòu)。端粒中的端粒酶可延長端粒，維持構(gòu)。端粒中的端粒酶可延長端粒，維持DNADNA復(fù)復(fù)制的完整性。制的完整性。各種體內(nèi)外因素可導(dǎo)致的各種體內(nèi)外因素可導(dǎo)致的DNA分子結(jié)構(gòu)發(fā)分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起遺傳

16、信息的改變，稱為生變化，引起遺傳信息的改變，稱為DNA損傷損傷（DNA damage），），亦稱亦稱突變突變(mutation)。生物體內(nèi)存在生物體內(nèi)存在DNA修復(fù)系統(tǒng)，可有效修復(fù)修復(fù)系統(tǒng)，可有效修復(fù)DNA損傷，保持遺傳的穩(wěn)定性。損傷，保持遺傳的穩(wěn)定性。物理因素物理因素 紫外線紫外線(ultra violet, UV)、各種輻射各種輻射化學(xué)因素化學(xué)因素 化學(xué)誘變劑，如羥胺、亞硝酸鹽、烷化化學(xué)誘變劑，如羥胺、亞硝酸鹽、烷化 劑等劑等生物因素生物因素 致癌病毒致癌病毒自發(fā)突變自發(fā)突變: 體內(nèi)因素導(dǎo)致的突變，如復(fù)制中自發(fā)產(chǎn)體內(nèi)因素導(dǎo)致的突變，如復(fù)制中自發(fā)產(chǎn)生的突變、堿基的自發(fā)突變、細(xì)胞正常代謝產(chǎn)生的

17、突變、堿基的自發(fā)突變、細(xì)胞正常代謝產(chǎn)物如自由基引起的物如自由基引起的 突變等。突變等。誘發(fā)突變誘發(fā)突變 體外因素誘發(fā)產(chǎn)生的突變。體外因素誘發(fā)產(chǎn)生的突變。（一）（一）DNA損傷的類型損傷的類型點(diǎn)突變點(diǎn)突變 (point mutation)缺失缺失 (deletion)插入插入 (insertion)重排重排 (rearrangement)框移框移(frame-shift) 1. 點(diǎn)突變點(diǎn)突變又稱又稱錯(cuò)配（錯(cuò)配（mismatchmismatch），包括轉(zhuǎn)換和顛換兩種，包括轉(zhuǎn)換和顛換兩種。發(fā)生在同型堿基之間，即嘌呤代發(fā)生在同型堿基之間，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧

18、啶。啶。轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換發(fā)生在異型堿基之間，即嘌呤變發(fā)生在異型堿基之間，即嘌呤變嘧啶或嘧啶變嘌呤。嘧啶或嘧啶變嘌呤。顛換顛換鐮形紅細(xì)胞貧血病人鐮形紅細(xì)胞貧血病人Hb (HbS) 亞基亞基N-val his leu thr pro val glu C 肽鏈肽鏈CAC GTG基因基因正常成人正常成人Hb (HbA)亞基亞基N-val his leu thr pro glu glu C 肽鏈肽鏈CTC GAG基因基因谷谷 酪酪 蛋蛋 絲絲5 G C A G U A C A U G U C 丙丙 纈纈 組組 纈纈正常正常5 G A G U A C A U G U C 缺失缺失C2. 2. 缺失或插入突變?nèi)笔Щ?/p>

19、插入突變?nèi)笔Щ虿迦攵伎蓪?dǎo)致三聯(lián)體密碼的閱讀方式改缺失或插入都可導(dǎo)致三聯(lián)體密碼的閱讀方式改變，造成蛋白質(zhì)氨基酸排列順序發(fā)生改變，稱變，造成蛋白質(zhì)氨基酸排列順序發(fā)生改變，稱為為框移突變框移突變或或移碼突變移碼突變。3. 3. 重排重排DNA分子內(nèi)較大片段的交換或移位，稱為分子內(nèi)較大片段的交換或移位，稱為重排。重排。 （二）（二）DNA損傷的修復(fù)損傷的修復(fù)直接修復(fù)直接修復(fù)(direct repair)切除修復(fù)切除修復(fù)(excision repair)重組修復(fù)重組修復(fù)(recombination repair)SOS修復(fù)修復(fù) 修復(fù)的主要類型修復(fù)的主要類型1. 1. 直接修復(fù)直接修復(fù)光修復(fù)酶光修復(fù)酶(p

20、hotolyase) UVUvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶聚合酶OHP2. 2. 切除修復(fù)切除修復(fù)是細(xì)胞內(nèi)最重要和有是細(xì)胞內(nèi)最重要和有效的修復(fù)機(jī)制，原核生物效的修復(fù)機(jī)制，原核生物中主要由切除修復(fù)特異的中主要由切除修復(fù)特異的內(nèi)切酶，以及內(nèi)切酶，以及DNA-pol和連接酶完成。和連接酶完成。DNA連接酶連接酶ATPE. coli的切的切除修復(fù)機(jī)制除修復(fù)機(jī)制n人體切除修復(fù)系統(tǒng)人體切除修復(fù)系統(tǒng) 其缺失會(huì)導(dǎo)致著色其缺失會(huì)導(dǎo)致著色性干皮病性干皮?。▁eroderma pigmentosis, XP） 患者極易患皮膚癌患者極易患皮膚癌n這是這是DNA的復(fù)制過程的復(fù)制過程中所采用的一種修復(fù)中所采用的

21、一種修復(fù)方式。方式。 n修復(fù)時(shí)，利用重組蛋修復(fù)時(shí)，利用重組蛋白將另一股健康親鏈白將另一股健康親鏈與損傷缺口相互交換與損傷缺口相互交換。 3. 重組修復(fù)重組修復(fù)RecA的分子結(jié)構(gòu)的分子結(jié)構(gòu)重組修復(fù)重組修復(fù)4. 4. SOS修復(fù)修復(fù) 當(dāng)當(dāng)DNA損傷廣泛難以繼續(xù)復(fù)制時(shí)，由此而誘損傷廣泛難以繼續(xù)復(fù)制時(shí)，由此而誘發(fā)出一系列復(fù)雜的反應(yīng)。發(fā)出一系列復(fù)雜的反應(yīng)。 這種修復(fù)特異性低，對堿基的識別、選擇能這種修復(fù)特異性低，對堿基的識別、選擇能力差。通過力差。通過SOS修復(fù)，復(fù)制如能繼續(xù)，細(xì)胞修復(fù)，復(fù)制如能繼續(xù)，細(xì)胞是可存活的。然而是可存活的。然而DNA保留的錯(cuò)誤較多，導(dǎo)保留的錯(cuò)誤較多，導(dǎo)致較廣泛、長期的突變。是一

22、種致較廣泛、長期的突變。是一種“傾向錯(cuò)誤傾向錯(cuò)誤的修復(fù)的修復(fù)”。轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄 (transcription) 是是生物體以生物體以DNA為模為模板，以四種核糖核苷三磷酸（板，以四種核糖核苷三磷酸（ATP、GTP、CTP、UTP，總稱，總稱NTP）為原料，合成）為原料，合成RNA的的過程過程 。 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄錄RNADNA 復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的相似之處復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的相似之處:n都是酶促的核苷酸聚合過程。都是酶促的核苷酸聚合過程。n都以都以DNA為模板。為模板。n都需要依賴都需要依賴DNA的聚合酶。的聚合酶。n聚合過程都是核苷酸之間形成磷酸二酯鍵。聚合過程都是核苷酸之間形成磷酸二酯鍵。n合成方向都是沿合成方向都是沿5

23、3方向延伸核苷酸鏈。方向延伸核苷酸鏈。n都遵從堿基互補(bǔ)規(guī)律。都遵從堿基互補(bǔ)規(guī)律。復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別A-U，T-A，G-CA-T，G-C配對配對mRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈子代雙鏈DNA（半保留復(fù)制）半保留復(fù)制）產(chǎn)物產(chǎn)物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板鏈轉(zhuǎn)錄（不對稱轉(zhuǎn)錄）模板鏈轉(zhuǎn)錄（不對稱轉(zhuǎn)錄）兩股鏈均復(fù)制兩股鏈均復(fù)制模板模板轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配對配對mRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈子代雙鏈DNA（半保留復(fù)制）半保留復(fù)制）產(chǎn)物產(chǎn)物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合

24、酶酶酶NTPdNTP原料原料模板鏈轉(zhuǎn)錄（不對稱轉(zhuǎn)錄）模板鏈轉(zhuǎn)錄（不對稱轉(zhuǎn)錄）兩股鏈均復(fù)制兩股鏈均復(fù)制模板模板轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)制原料原料: : NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板模板: : DNA酶酶 : : RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol)其他蛋白質(zhì)因子及其他蛋白質(zhì)因子及MgMg2+2+和和MnMn2+2+等等合成方向合成方向5 3 ，核苷酸間的連接方式為核苷酸間的連接方式為 3 ，5 -磷酸二酯鍵。磷酸二酯鍵。 5GCAGTACATGTC 35GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C編碼鏈編碼鏈模板鏈模板鏈mRNA

25、蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯3CGTCATGTACAG 5 在在DNA分子雙鏈上的一個(gè)基因片段內(nèi)只有分子雙鏈上的一個(gè)基因片段內(nèi)只有一條鏈可以轉(zhuǎn)錄一條鏈可以轉(zhuǎn)錄 ； 并并非所有基因的模板鏈都在同一條單鏈上。非所有基因的模板鏈都在同一條單鏈上。5 5 3 3 3 3 5 5 模板鏈模板鏈編碼鏈編碼鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈模板鏈結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向n不對稱轉(zhuǎn)錄不對稱轉(zhuǎn)錄 ( NMP )n + NTP ( NMP ) n+1 + PPiRNA延長的延長的RNAnDNA聚合酶在啟動(dòng)聚合酶在啟動(dòng)DNA鏈延長時(shí)需要引物存在，鏈延長時(shí)需要引物存在，而而RNA聚合酶聚合酶不需要引物不需要

26、引物就能直接啟動(dòng)就能直接啟動(dòng)RNA鏈鏈的延長。的延長。nRNA聚合酶和聚合酶和DNA的特殊序列的特殊序列啟動(dòng)子啟動(dòng)子(promoter)結(jié)合后，就能啟動(dòng)結(jié)合后，就能啟動(dòng)RNA合成。合成。 RNA聚合酶必須準(zhǔn)確地結(jié)合在轉(zhuǎn)錄模板的聚合酶必須準(zhǔn)確地結(jié)合在轉(zhuǎn)錄模板的起始區(qū)域。起始區(qū)域。 DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉(zhuǎn)錄雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉(zhuǎn)錄的模板。的模板。n轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個(gè)問題：轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個(gè)問題：nE. coli的轉(zhuǎn)錄起始和延長的轉(zhuǎn)錄起始和延長 轉(zhuǎn)錄空泡轉(zhuǎn)錄空泡(transcription bubble)：RNA-pol （核心酶）（核心酶） DNA RNAn依據(jù)是否需要蛋白質(zhì)

27、因子的參與，原核生物依據(jù)是否需要蛋白質(zhì)因子的參與，原核生物轉(zhuǎn)錄終止分為：轉(zhuǎn)錄終止分為： n真核生物的轉(zhuǎn)錄過程比原核復(fù)雜。二者的轉(zhuǎn)錄真核生物的轉(zhuǎn)錄過程比原核復(fù)雜。二者的轉(zhuǎn)錄起始過程有較大區(qū)別，轉(zhuǎn)錄終止也不相同。起始過程有較大區(qū)別，轉(zhuǎn)錄終止也不相同。 不同物種、不同細(xì)胞或不同的基因，轉(zhuǎn)錄起不同物種、不同細(xì)胞或不同的基因，轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游都有不同的特異始點(diǎn)上游都有不同的特異DNA序列，包括啟序列，包括啟動(dòng)子、增強(qiáng)子等，統(tǒng)稱為動(dòng)子、增強(qiáng)子等，統(tǒng)稱為順式作用元件順式作用元件(cis-acting element)。 轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)TATA盒盒CAAT盒盒GC盒盒增強(qiáng)子增強(qiáng)子n順式作用元件順式作用元件

28、(cis-acting element)AATAAA切離加尾切離加尾轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)修飾點(diǎn)修飾點(diǎn)外顯子外顯子翻譯起始點(diǎn)翻譯起始點(diǎn)內(nèi)內(nèi)含含子子 OCT-1 OCT-1：ATTTGCAT八聚體八聚體n轉(zhuǎn)錄起始時(shí)，真核生物的轉(zhuǎn)錄起始時(shí)，真核生物的RNA pol不直接識別不直接識別和結(jié)合模板的起始區(qū)，而是依靠轉(zhuǎn)錄因子識別和結(jié)合模板的起始區(qū)，而是依靠轉(zhuǎn)錄因子識別并結(jié)合起始序列。并結(jié)合起始序列。 n能直接、間接辨認(rèn)和結(jié)合轉(zhuǎn)錄上游區(qū)段能直接、間接辨認(rèn)和結(jié)合轉(zhuǎn)錄上游區(qū)段DNA的的蛋白質(zhì)，統(tǒng)稱為蛋白質(zhì)，統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子(transscriptional factors, TF)或或反式作用因子反式作用

29、因子(trans-acting factors)。 n真核生物轉(zhuǎn)錄生成的真核生物轉(zhuǎn)錄生成的RNA分子是初級分子是初級RNA轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄物錄物(primary RNA transcript)，幾乎所有的初，幾乎所有的初級級RNA轉(zhuǎn)錄物都要經(jīng)過加工，才能成為具有轉(zhuǎn)錄物都要經(jīng)過加工，才能成為具有功能的成熟的功能的成熟的RNA。n加工主要在細(xì)胞核中進(jìn)行。加工主要在細(xì)胞核中進(jìn)行。n幾種主要的修飾方式：幾種主要的修飾方式：1. 剪接剪接(splicing)2. 剪切剪切(cleavage)3. 修飾修飾(modification)4. 添加添加(addition)5. RNA RNA編輯編輯(RNA editi

30、ng)（一）真核（一）真核mRNA的加工的加工 真核生物真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄后，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后，需要進(jìn)行5 -端和端和3 -端（首、尾部）的端（首、尾部）的修飾修飾以及對以及對hnRNA進(jìn)行進(jìn)行剪剪接接（splicing），才能成為成熟的），才能成為成熟的mRNA，被，被轉(zhuǎn)運(yùn)到核糖體，指導(dǎo)蛋白質(zhì)翻譯。轉(zhuǎn)運(yùn)到核糖體，指導(dǎo)蛋白質(zhì)翻譯。 1. mRNA在在5 -末端加入帽子結(jié)構(gòu)末端加入帽子結(jié)構(gòu)大多數(shù)真核大多數(shù)真核mRNA的的5 -末端有末端有7-甲基鳥嘌呤甲基鳥嘌呤的帽結(jié)構(gòu)。的帽結(jié)構(gòu)。這個(gè)真核這個(gè)真核mRNA加工過程的起始步驟由兩種加工過程的起始步驟由兩種酶，酶，加帽酶加帽酶(capping enz

31、yme)和和甲基轉(zhuǎn)移酶甲基轉(zhuǎn)移酶(methyltransferase)催化完成。催化完成。 n帽結(jié)構(gòu)帽結(jié)構(gòu)n帽結(jié)構(gòu)的意義：帽結(jié)構(gòu)的意義：n可以使可以使mRNA免遭核酸酶的攻擊；免遭核酸酶的攻擊；n也能與帽結(jié)合蛋白質(zhì)復(fù)合體也能與帽結(jié)合蛋白質(zhì)復(fù)合體(cap-binding complex of protein)結(jié)合，并參與結(jié)合，并參與mRNA和核糖和核糖體的結(jié)合，啟動(dòng)蛋白質(zhì)的生物合成體的結(jié)合，啟動(dòng)蛋白質(zhì)的生物合成2. mRNA在在3 -末末端加上多聚腺苷酸尾端加上多聚腺苷酸尾 5 -AAUAAA-5 -AAUAAA-核酸酶核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAA GTGTGTG轉(zhuǎn)錄終止的修

32、飾點(diǎn)轉(zhuǎn)錄終止的修飾點(diǎn)5 5 3 3 3 3 加尾加尾AAAAAAA 3 mRNApoly A的有無與長短，是維持的有無與長短，是維持mRNA作為翻譯作為翻譯模板的活性，以及增加模板的活性，以及增加mRNA本身穩(wěn)定性的因本身穩(wěn)定性的因素。素。一般真核生物在胞漿內(nèi)出現(xiàn)的一般真核生物在胞漿內(nèi)出現(xiàn)的mRNA，其，其poly A長度為長度為100至至200個(gè)核苷酸之間，也有少數(shù)例個(gè)核苷酸之間，也有少數(shù)例外。外。3. mRNA的剪接的剪接 外顯子：外顯子：在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達(dá)為成熟現(xiàn)，并表達(dá)為成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。 內(nèi)含子：內(nèi)含子：在斷裂基因及

33、其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，而在剪接過程中被除去的核酸序列?，F(xiàn)，而在剪接過程中被除去的核酸序列。 真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個(gè)編碼區(qū)和非真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個(gè)編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因。的完整蛋白質(zhì)，這些基因稱為斷裂基因。 斷裂基因斷裂基因(splite gene)編碼區(qū)編碼區(qū) A、B、C、D非編碼區(qū)非編碼區(qū)mRNA的剪接的剪接 除去除去hnRNAhnRNA中的內(nèi)含子，將外顯子連接。中的內(nèi)含子

34、，將外顯子連接。 snRNA (small nuclear RNA)核內(nèi)的蛋白質(zhì)核內(nèi)的蛋白質(zhì)snRNP（組成剪接體（組成剪接體, , splicesome）snRNA雞卵清蛋白成熟雞卵清蛋白成熟mRNA與與DNA雜交電鏡圖雜交電鏡圖DNAmRNA雞卵清蛋白基因雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾首、尾修飾hnRNA剪接剪接成熟的成熟的mRNA雞雞卵卵清清蛋蛋白白基基因因及及其其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄錄、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄錄后后修修飾飾（二）（二）tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工的轉(zhuǎn)錄后加工tRNA前體前體RNA pol TGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNARNAaseP、內(nèi)、內(nèi)切酶切酶tRNA核苷酸轉(zhuǎn)移酶、連接酶核苷酸轉(zhuǎn)

35、移酶、連接酶ATPADP堿基修飾堿基修飾（2）還原反應(yīng)）還原反應(yīng) 如：如：U DHU （3）核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應(yīng)）核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應(yīng) 如：如：U （4）脫氨反應(yīng)）脫氨反應(yīng) 如：如：A I 如：如：A Am（1）甲基化）甲基化（1 1）（1 1）（3 3）（2 2）（4 4）（三）（三）rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工的轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄45S - rRNA剪切剪切18S - rRNA5.8S和和28S-rRNArDNA內(nèi)含子內(nèi)含子內(nèi)含子內(nèi)含子28S5.8S18Sn蛋白質(zhì)的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成，即，即翻譯翻譯，就是將，就是將mRNA中由中由 4 種種核苷酸序列核苷酸序列編碼的遺傳編碼的遺傳信息，解讀為蛋白質(zhì)一

36、級結(jié)構(gòu)中信息，解讀為蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)中20種種氨氨基酸的排列順序基酸的排列順序 的過程。的過程。 三種三種RNAmRNA（messenger RNA, 信使信使RNA）rRNA（ribosomal RNA, 核糖體核糖體RNA）tRNA（transfer RNA, 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移RNA）（一）合成原料（一）合成原料3個(gè)連續(xù)的堿基，每個(gè)有個(gè)連續(xù)的堿基，每個(gè)有4種種(A, U, G, C)選選擇，則可組成擇，則可組成4*4*4 = 64種密碼種密碼蛋白質(zhì)合成原料為蛋白質(zhì)合成原料為20種氨基酸，加上起始種氨基酸，加上起始和終止信號，和終止信號，3個(gè)連續(xù)堿基完全可以代表前個(gè)連續(xù)堿基完全可以代表前述信息。述信息

37、。（二）合成模板（二）合成模板遺傳密碼遺傳密碼mRNA分子上從分子上從5 至至3 方向，由方向，由AUG開開始，每始，每3個(gè)核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個(gè)核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個(gè)氨基酸或蛋白質(zhì)合成的起始、終止信號，個(gè)氨基酸或蛋白質(zhì)合成的起始、終止信號，稱為稱為三聯(lián)體密碼三聯(lián)體密碼(triplet coden)。起始密碼起始密碼(initiation coden): AUG 終止密碼終止密碼(termination coden): UAA，UAG，UGA nAUG第一次出現(xiàn)于第一次出現(xiàn)于mRNA靠近靠近5端時(shí)，它不僅編端時(shí)，它不僅編碼碼Met，還作為翻譯起始信號。當(dāng)，還作為翻譯起始信號。當(dāng)

38、AUG位于位于mRNA中部時(shí)，僅編碼中部時(shí)，僅編碼Met。nUAA、UAG、UGA這這3組為終止密碼，提供翻譯組為終止密碼，提供翻譯終止信號，不編碼任何氨基酸。終止信號，不編碼任何氨基酸。遺遺傳傳密密碼碼表表目 錄n遺傳密碼的特點(diǎn)遺傳密碼的特點(diǎn)1. 方向性方向性(directional)翻譯時(shí)遺傳密碼的閱讀方向是翻譯時(shí)遺傳密碼的閱讀方向是53，即讀，即讀碼從碼從mRNA的起始密碼子的起始密碼子AUG開始，按開始，按53的方向逐一閱讀，直至終止密碼子。的方向逐一閱讀，直至終止密碼子。 NC肽鏈延伸方向肽鏈延伸方向53讀碼方向讀碼方向2. 連續(xù)性連續(xù)性(non-punctuated)編碼蛋白質(zhì)氨基

39、酸序列的各個(gè)三聯(lián)體密編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼子及密碼子的各堿基之間碼連續(xù)閱讀，密碼子及密碼子的各堿基之間既無間隔也無交叉。既無間隔也無交叉。 AlaValHisMet終止密碼終止密碼基因損傷引起基因損傷引起mRNA閱讀框架內(nèi)的堿基發(fā)閱讀框架內(nèi)的堿基發(fā)生插入或缺失，可能導(dǎo)致框移突變生插入或缺失，可能導(dǎo)致框移突變(frameshift mutation)。 3. 簡并性簡并性(degeneracy)遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸僅遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸僅有一個(gè)密碼子外，其余氨基酸有有一個(gè)密碼子外，其余氨基酸有2、3、4個(gè)或多至個(gè)或多至6個(gè)三聯(lián)體為其編碼。個(gè)三聯(lián)體為

40、其編碼。目 錄目 錄4. 通用性通用性(universal)5. 擺動(dòng)性擺動(dòng)性(wobble)轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的tRNA的反密碼需要通過的反密碼需要通過堿基互補(bǔ)與堿基互補(bǔ)與mRNA上的遺傳密碼反向配對結(jié)上的遺傳密碼反向配對結(jié)合，但反密碼與密碼間不嚴(yán)格遵守常見的堿合，但反密碼與密碼間不嚴(yán)格遵守常見的堿基配對規(guī)律，稱為擺動(dòng)配對?；鋵σ?guī)律，稱為擺動(dòng)配對。 擺動(dòng)配對擺動(dòng)配對目 錄反密碼環(huán)反密碼環(huán)氨基酸臂氨基酸臂（三）運(yùn)載工具（三）運(yùn)載工具tRNA的三級結(jié)構(gòu)示意圖的三級結(jié)構(gòu)示意圖目 錄（四）合成場所（四）合成場所核核糖糖體體的的組組成成目 錄核糖體核糖體核糖體核糖體原核生物翻譯過程中核糖體結(jié)構(gòu)模

41、式原核生物翻譯過程中核糖體結(jié)構(gòu)模式:A位位(受位受位)：氨基酰位：氨基酰位(aminoacyl site)P位位(給位給位)：肽酰位：肽酰位(peptidyl site)E位：排出位位：排出位(exit site)目 錄（五）蛋白質(zhì)生物合成所需酶、蛋白質(zhì)因（五）蛋白質(zhì)生物合成所需酶、蛋白質(zhì)因子等子等1. 重要的酶類重要的酶類3. 能源物質(zhì)及離子能源物質(zhì)及離子2. 蛋白質(zhì)因子蛋白質(zhì)因子氨基酰氨基酰-tRNA合成酶；轉(zhuǎn)肽酶；轉(zhuǎn)位酶合成酶；轉(zhuǎn)肽酶；轉(zhuǎn)位酶起始因子，延長因子，釋放因子起始因子，延長因子，釋放因子ATP，GTP氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨

42、基酰-tRNA合成酶合成酶二、二、 氨基酸的活化氨基酸的活化n氨基酰氨基酰- -tRNAtRNA合成酶對底物氨基酸和合成酶對底物氨基酸和tRNAtRNA都有都有高度特異性。高度特異性。n氨基酰氨基酰- -tRNAtRNA合成酶具有校正活性合成酶具有校正活性(proofreading (proofreading activity) activity) 。n氨基氨基酰酰- -tRNAtRNA的表示方法：的表示方法：Ala-Ala-tRNAtRNAAlaAla Ser-Ser-tRNAtRNASerSerMet-Met-tRNAtRNAMetMetn翻譯的起始翻譯的起始(initiation)(in

43、itiation)n翻譯的延長翻譯的延長(elongation)(elongation)n翻譯的終止翻譯的終止(termination )(termination )也稱為廣義的核糖體循環(huán)。也稱為廣義的核糖體循環(huán)。整個(gè)翻譯過程可分為整個(gè)翻譯過程可分為 ：翻譯過程從閱讀框架的翻譯過程從閱讀框架的5 -AUG開始，按開始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長肽鏈，直模板三聯(lián)體密碼的順序延長肽鏈，直至終止密碼出現(xiàn)。至終止密碼出現(xiàn)。 三、三、 肽鏈的生物合成過程肽鏈的生物合成過程1. 1. 起始起始（一）原核生物的肽鏈合成過程（一）原核生物的肽鏈合成過程IF-3IF-1核糖體大小亞基分離核糖體大小亞基分離53IF-3IF-1mRNA在小亞基定位結(jié)合在小亞基定位結(jié)合IF-3IF-1IF-2GTP起始起始 fMet-tRNAfmet 結(jié)合到小亞基結(jié)合到小亞基53IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi核糖體大亞基結(jié)合，起始復(fù)合物形成核糖體大亞基結(jié)合，起始復(fù)合物形成53IF-3IF-153IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi肽鏈延長在核糖體上連續(xù)性循環(huán)式進(jìn)行，又稱為肽鏈延長在核糖體上連續(xù)性循環(huán)式進(jìn)行，又稱為狹義的狹義的核糖體循環(huán)核糖體循環(huán)(ribosomal cycle)，每次循環(huán)，每次循環(huán)增加一個(gè)氨基酸，包