基因信息的傳遞與蛋白質(zhì)合成

1、第九章 基因信息的傳遞與蛋白質(zhì)合成第一節(jié)基因及其結(jié)構(gòu)基因(gene):是細(xì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì)的最小功能單位，是負(fù)載有特定遺傳信息的 DNA片段。結(jié)構(gòu)基因(structural gene):編碼非調(diào)控因子的任何蛋白質(zhì)和RNA的基因。調(diào)控基因(regulatory gene):編碼調(diào)節(jié)其他基因表達(dá)的白質(zhì)或RNA的基因。人類基因組約有3.0X 109 bp, 23萬個基因。(一)原核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)特點編碼區(qū)：能夠轉(zhuǎn)錄為相應(yīng)的mRNA進(jìn)而指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的基因區(qū)段在原核細(xì)胞中是連續(xù)的，功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)排列。非編碼區(qū)：占整個基因組小部分，不能轉(zhuǎn)錄為 mRNA編碼蛋白質(zhì)的區(qū)段由編 碼區(qū)上游和下游的DNA序列

2、組成。啟動子(promoter):位于結(jié)構(gòu)基因上游，包含轉(zhuǎn)錄起始點和RNA聚合酶識 別及結(jié)合的部位。 起始點：DNA模板鏈上開始進(jìn)行轉(zhuǎn)錄作用的位點。 識別部位：RNA聚合酶的6因子識別 DNA分子的部位，中心位于-35區(qū)，共 有序列是5 -TTGACA-3。 結(jié)合部位：在DNA分子上與RNA聚合酶核心酶緊密結(jié)合的序列，中心位于-10 區(qū)，共同序列為 5 -TATAAT-3 ,又稱為 Pribnow 盒(pribnow box) (二)真核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)特點由編碼區(qū)和非編碼區(qū)兩部分組成， 編碼區(qū)是不連續(xù)的，被非編碼區(qū)所隔斷，因而 真核細(xì)胞基因也稱為斷裂基因。.斷裂基因(split gene)：由

3、若干內(nèi)含子和外顯子構(gòu)成的不連續(xù)鑲嵌結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)基 因。內(nèi)含子(intron)：指插入在結(jié)構(gòu)基因內(nèi)部能夠被轉(zhuǎn)錄，但不能指導(dǎo)蛋白質(zhì)生物 合成的非編碼順序。GT-AG法則：在內(nèi)含子的5端多以GT開始，3端多以AG結(jié)束，是普遍存在 于真核細(xì)胞基因中RNA剪接的識別信號。 外顯子(exon)：指在結(jié)構(gòu)基因中能夠被轉(zhuǎn)錄，并能指導(dǎo)蛋白質(zhì)生物合成的編碼 順序。啟動子真核生物啟動子由TATA盒及其上游的CAAT盒和/或GC盒組成。TATA盒(TATA boX :在轉(zhuǎn)錄起始位點上游-25-35 bp區(qū)段，是以TATA為核心 的序列，RNA聚合酶及其他蛋白質(zhì)因子的結(jié)合位點。終止子(terminator)存在于基因末端

4、具有轉(zhuǎn)錄終止功能的特定順序。轉(zhuǎn)錄后形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，使 RNA聚合酶從模板上脫離，終止轉(zhuǎn)錄。.基因家族(gene family)真核細(xì)胞基因組中來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的一組基因，是由一個祖 先基因經(jīng)重復(fù)和變異形成的，是真核細(xì)胞基因結(jié)構(gòu)最顯著的特征之一?；蚣易蹇煞譃槎悾篈.基因家族的成員成簇存在，串聯(lián)排列于特殊的染色體區(qū)段上，形成基因簇(gene cluster),可同時轉(zhuǎn)錄，合成功能相關(guān)或相同的產(chǎn)物，如組蛋白、rRNA基因家族；B.基因家族成員分散存在，廣泛分布于整個染色體，甚至可存在于不同的染色體 上，如干擾素、珠蛋白等基因家族。. DNA重復(fù)序列單一序列(unique sequenc

5、e :基因組中，編碼蛋白質(zhì)的基因只有一個或幾個拷DNA重復(fù)序列(repetitive sequence):基因組中，編碼蛋白質(zhì)的基因有多個拷貝。中度重復(fù)序列(middle repetitive sequences):由相對較短的序列組成，重復(fù)次數(shù) 在101000之間，屬非編碼序列，散在分布于基因組中，與基因調(diào)控有關(guān)。高度重復(fù)序列(highly repetitive sequence :由基因組中非常短的序列(一般小于100bp)組成，在基因組中的重復(fù)次數(shù)在幾千次以上，常成簇分布于染色體著 絲粒區(qū)及染色體的端部，可能與基因表達(dá)調(diào)控及染色體結(jié)構(gòu)維持有關(guān)。第二節(jié) 基因轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后加工一、基因轉(zhuǎn)錄的一

6、般特點基因轉(zhuǎn)錄：是遺傳信息從DNA流向RNA的過程，即 將DNA分子上的核甘酸序列轉(zhuǎn) 變?yōu)镽NA分子上核甘酸序列的過程。轉(zhuǎn)錄的本質(zhì)：是一個以DNA雙螺旋鏈中反義鏈為模板， 以四種核甘三磷酸 ATR GTR CTP UTP為原料，在RNA聚合酶作用下，遵循堿基互補配對原則， 合成RNA的過程。 模板鏈(template strand)或反義鏈(antisense strand):在雙鏈 DNA中，作為轉(zhuǎn)錄 模板的鏈，與mRNA互補。編碼鏈(coding strand)或有意義鏈(sense strand):與模板鏈互補的另一條鏈，與轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的序列相同。二、真核細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)錄真核生物的轉(zhuǎn)錄同樣可分

7、為起始、延長和終止3個階段。真核生物轉(zhuǎn)錄的主要特點是：有多種RNA聚合酶分別合成不同類別的 RNA有多種類型的啟動子為不同的 RNA聚合酶所用；有多種轉(zhuǎn)錄因子 (transcription factor)；真核生物于轉(zhuǎn)錄時或轉(zhuǎn)錄后有廣泛的RNA加工。真核細(xì)胞中含有多種RNA聚合酶，它們專一性地轉(zhuǎn)錄不同基因而生成各不相同 的產(chǎn)物。種類細(xì)胞內(nèi)定位轉(zhuǎn)錄的基因RNA聚合酶1核仁5 跑RNA, 18SrRNA W28SrRNARNA聚合酶II核質(zhì)所有編碼蛋白的基因，snciRNA,和某些snRN網(wǎng)RNA聚合酶也核質(zhì)tRNA, 5S rRNA 某些 snRNA 和其他小 RNA1.mRNA合成mRNA是R

8、NA中唯一具有編碼蛋白質(zhì)功能的RNA分子。由RNA聚合酶n催化 通用轉(zhuǎn)錄因子（general transcription factor ）參與形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。 mRNA的初級轉(zhuǎn)錄本大小各不相同，被稱為不均一核RNA （heterogeneous nuclear RNA ,hnRNA）2.mRNA加工 戴帽：5末端加上7-甲基鳥喋吟三磷酸（m7Gppp）的帽子結(jié)構(gòu)。作用：被核糖體小亞基識別，有利于mRNA最初翻譯的準(zhǔn)確性；防止被核酸酶水解，增強mRNA的穩(wěn)定性 加尾：3末端加上由200250個腺甘酸組成的多聚腺甘酸（poly-A）的尾巴。作用：可使mRNA 3端穩(wěn)定，防止被核酸酶水解；有利于

9、 mRNA由細(xì)胞核到細(xì)胞質(zhì)的轉(zhuǎn) 運。剪接：是將RNA前體分子中內(nèi)含子切除，將外顯子拼接的過程。完成hnRNA剪接需要有三個必需的序列：5 GU序列，3 AG序列和分支點。mRNA前體的剪接是通過剪接體（spliceosome）完成的。剪接體組成：核糖核蛋白顆粒（ small nuclear ribonucleoprotein particle , snRNP）snRN3；NA（snRNGl蛋白質(zhì)（二）rRNA分子的合成后加工rRNA基因為多拷貝基因，串聯(lián)排列于特定的核仁染色質(zhì)區(qū)段。在RNA聚合酶I催化下轉(zhuǎn)錄形成原始rRNA前體 45S rRNA,最終剪切為28s 18S和5.8SrRNA。rR

10、NA的剪接不需要任何蛋白質(zhì)的參與即可發(fā)生，進(jìn)行的是自身剪接。rRNA前體的加工發(fā)生在核仁中，最終裝配成核糖體的大、小亞基。（三）tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工真核細(xì)胞tRNA的基因，成簇存在并被間隔區(qū)分開，在RNA聚合酶出的作用下被轉(zhuǎn)錄為 tRNA前體。tRNA前體的剪接tRNA前體的5末端和反密碼環(huán)的區(qū)域被部分切除并拼接形成成熟的tRNA。tRNA前體的化學(xué)修飾通過化學(xué)修飾形成稀有堿基。常見的堿基修飾有：還原反應(yīng)；轉(zhuǎn)位反應(yīng)；脫氨反應(yīng)； 甲基化反應(yīng)。3端加上CCA（四）5S rRNA的合成加工5s rRNA是一類特殊的rRNA分子，由核仁外的基因編碼；5s rDNA為串聯(lián)排列的多拷貝基因；在RNA聚合酶

11、III的作用下，5S rDNA轉(zhuǎn)錄為5S rRNA,無需剪切加工，即可轉(zhuǎn)運至核仁，直 接參與核糖體大亞基的組裝。第三節(jié) 蛋白質(zhì)的生物合成生物體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成稱為翻譯，是以mRNA為模板，指導(dǎo)特定的氨基酸序列合成的過程。參與翻譯的生物大分子包括核糖體、mRNA、tRNA及多種蛋白質(zhì)因子。(一 )mRNA攜帶指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的遺傳密碼遺傳密碼(genetic code): mRNA上的堿基排列順序。在mRNA鏈上3個相鄰的堿基可以決定一個特定的氨基酸，這種核甘酸三聯(lián)體被稱為密碼子(codon)。遺傳密碼特點：通用性(universal):從原核生物到真核生物，幾乎所有生物體中的遺傳密碼都是通用的。簡

12、并性(degeneracy):多個密碼子決定同一氨基酸。連續(xù)性(commaless)：在翻譯過程中，遺傳密碼的閱讀是連續(xù)的。方向性(direction ) ： mRNA中密碼子的閱讀方向為 5 一 3。第三個故尋融UCAGu里雨魯疆*些立s si Mtt身總半 HE*現(xiàn)止色就B*U C A GC安 matMMieMfiae里電懈融ItffW 精敢 精科It IVftHAss) 始 SSIKM 語Mis 蠡“ 矗天粵 天意期絲惠 希盟G(KM 1丙HUM 西盅 茂 BURSq2lj1:天答善甘鼠 甘量修 甘也U C A G(二)tRNA既能識別mRNA上的密碼子又能攜帶特定的氨基酸t(yī)RNA識別m

13、RNA上的密碼子：反密碼子(anticodon )的堿基互補配對作用。tRNA攜帶特定氨基酸：氨酰-tRNA合成酶催化。氨基酸的活化：氨基酸與 ATP在氨酰-tRNA合成酶作用下形成氨酰-AMP。氨基酸與tRNA的連接：活化氨基酸的氨?；晦D(zhuǎn)移至tRNA分子上形成氨酰-tRNA(aminoacyl-tRNA)并釋放 AMP 。擺動性(wobble):密碼子的前兩位堿基在和反密碼子配對時，遵循正常的堿基互補配對原 則，而第三位堿基的配對具有一定的靈活性。(三)蛋白質(zhì)合成的場所一一核糖體核糖體是合成蛋白質(zhì)的機器，其功能是按照mRNA的指令由氨基酸合成蛋白質(zhì)。核糖體是由rRNA和蛋白質(zhì)組成的大分子復(fù)

14、合物：亞基rRNAr蛋白打 at”.31用片片手里顯占工1丁 UV.期應(yīng)1陋二舊n乳的博蟠49408aal.mRNA結(jié)合位點位于核糖體小亞基。原核生物30S小亞基通過16S rRNA的3端與mRNA 5端起始密碼子上游 SD序歹U(Shine-Dalgarno sequence) 配對結(jié)合。真核生物中，核糖體 40S小亞基識別mRNA的帽子結(jié)構(gòu)，使 mRNA與核糖體結(jié)合。.P位(peptidyl-tRNA site)起始氨酰-tRNA和肽酰-tRNA結(jié)合的位置。.A位(aminoacyl site )氨酰tRNA結(jié)合的位置。.轉(zhuǎn)肽酶(transpeptidase)活性部位 位于P位和A位的連接

15、處，催化肽鍵的形成。.參與蛋白質(zhì)合成的因子的結(jié)合部位(四)蛋白質(zhì)生物合成可分為五個階段：氨基酸的活化；多肽鏈合成的起始；肽鏈的延長；肽鏈的終止和釋放；蛋白質(zhì)合成后的加工修飾。氨基酸活化是蛋白質(zhì)生物合成的預(yù)備階段：氨基酸+tRNA+ATP氨基氨基酰tRNA+AMP+PPi-tRNA合成起始階段：指大亞基、小亞基、酶 mRNA和具有啟動作用的起始氨基酰 -tRNA裝配為起始復(fù)合 物的過程。肽鏈延長是多因子參與的核糖體循環(huán)過程：進(jìn)位(registration )：特異的氨酰-tRNA進(jìn)入A位。成肽(peptide formation )： P位上的氨基酸連接到 A位氨基酸的氨基，形成肽鍵。轉(zhuǎn)位(tr

16、anslocation)：核糖體沿 mRNA 5端向3端移動一個密碼子距離。(五)肽鏈合成后的加工修飾.肽鏈氨基端的修飾N-甲酰甲硫氨酸或甲硫氨酸的去除：甲酰基經(jīng)脫甲?；杆?， 甲硫氨酸或者氨基端的一些氨基酸殘基由氨肽酶水解。.共價修飾：磷酸化、糖基化、羥基化、甲基化、乙酰化和二硫鍵形成等。.多肽鏈的水解修飾前體蛋白水解產(chǎn)生活性蛋白；多肽鏈經(jīng)水解后產(chǎn)生幾種不同的蛋白質(zhì)或多肽。.亞基聚合：許多蛋白質(zhì)由兩個以上亞基構(gòu)成，需要各亞基通過非共價鍵聚合成多聚體才能表現(xiàn)出完整的生物活性，如人血紅蛋白。.多肽折疊：新生肽鏈必須逐步折疊成天然空間構(gòu)象才能成為有活性的功能蛋白，折疊過程需要分子伴侶參與。.輔基連接：有些結(jié)合蛋白和帶輔基的酶，合成后需要結(jié)合相應(yīng)輔基，才能成為天然功能蛋 白質(zhì)。第五節(jié)基因的信息傳遞與醫(yī)學(xué)蛋白質(zhì)降解異常與神經(jīng)退行性疾?。捍蠖鄶?shù)神經(jīng)退行性疾病與細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外錯 誤折疊蛋白不能被有效降解和消除有關(guān)：老年性癡呆癥