遺傳信息的傳遞與表達(dá)

遺傳信息的傳遞與表達(dá)第一頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二

DNA是生物體的遺傳物質(zhì)，DNA分子中特定的核苷酸順序決定著生物體的遺傳特征。

基因組：一個(gè)生物體的全部基因。某一物件只有一套基因組，除性細(xì)胞外，每個(gè)細(xì)胞包含機(jī)體全套基因組。

基因：核酸分子上具有一定結(jié)構(gòu)、功能并能編碼基因產(chǎn)物（蛋白質(zhì)、RNA）的一段核苷酸序列。按基因產(chǎn)物不同將基因分為蛋白質(zhì)基因和RNA基因；按基因功能不同將基因分為結(jié)構(gòu)基因（包括酶、結(jié)構(gòu)蛋白、其它不影響基因表達(dá)的蛋白基因）和調(diào)節(jié)基因（包括阻礙蛋白、激活蛋白的基因）。分子遺傳學(xué)的一些重要概念：第二頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二

復(fù)制：是以親代DNA為模板，合成子代DNA。將親代DNA分子的遺傳信息準(zhǔn)確傳遞到子代DNA分子的過(guò)程。

轉(zhuǎn)錄：是以DNA為模板合成RNA。將DNA分子中的遺傳信息傳遞給RNA的過(guò)程。

翻譯：是以mRNA分子上的密碼順序（堿基順序）為模板合成蛋白質(zhì)分子多肽鏈的過(guò)程。將mRNA中的遺傳信息傳遞給蛋白質(zhì)的過(guò)程。

基因表達(dá)：通過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯，基因的遺傳信息在細(xì)胞內(nèi)指導(dǎo)合成各種功能蛋白質(zhì)的過(guò)程。

逆轉(zhuǎn)錄：是以RNA為模板指導(dǎo)DNA的合成，見(jiàn)于RNA病毒。第三頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二生物學(xué)中心法則：即基因表達(dá)規(guī)律，遺傳信息傳遞、流向的法則，生物共同遵循的法則。第四頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二第一節(jié)DNA的生物合成DNA作為遺傳物質(zhì)最基本的特征即自我復(fù)制，自我復(fù)制是體內(nèi)合成DNA的主要方式。一、DNA自我復(fù)制（一）DNA自我復(fù)制的特征1.半保留復(fù)制：以親代DNA解開(kāi)的兩條單鏈分別為模板，以dATP、dGTP、dCTP、dTTP為原料，按照堿基配對(duì)原則（A=T，C≡G），各自合成新的互補(bǔ)鏈，成為兩個(gè)與親代DNA完全相同的子代DNA。在每個(gè)子代DNA分子的兩鏈中，一條是新合成的，另一條是保留親代的，故稱(chēng)為半保留復(fù)制。第五頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二第六頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.半不連續(xù)復(fù)制：在DNA復(fù)制時(shí)，一條子代鏈連續(xù)合成，稱(chēng)為前導(dǎo)鏈（領(lǐng)頭鏈）另一條子代鏈不連續(xù)分段合成，最后才連接成完整的長(zhǎng)鏈，稱(chēng)為滯后鏈（隨從鏈）合成方向？第七頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二3535解鏈方向3′5′3′3′5′順解鏈方向生成的子鏈，復(fù)制為連續(xù)進(jìn)行，稱(chēng)為領(lǐng)頭鏈。另一股鏈復(fù)制方向與解鏈方向相反，不能順著解鏈方向連續(xù)延長(zhǎng)，稱(chēng)為隨從鏈。領(lǐng)頭鏈連續(xù)復(fù)制而隨從鏈不連續(xù)復(fù)制，就是復(fù)制的半不連續(xù)性。復(fù)制中不連續(xù)片段稱(chēng)為岡崎片段復(fù)制叉第八頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.有特定的起始點(diǎn)：具有一些特定的核苷酸序列。原核生物：一個(gè)真核生物：多個(gè)4.雙向復(fù)制第九頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（二）復(fù)制過(guò)程及參與物質(zhì)原料：dNTP（ATP）1.解旋解鏈（暴露模板）（1）拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ：切單鏈（2）拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ：耗ATP切雙鏈（3）解鏈酶：破壞氫鍵（4）單鏈結(jié)合蛋白（SSB）：結(jié)合并固定彼此分離的DNA單鏈

局部解鏈后第十頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.引發(fā)：合成RNA引物引物酶：在起始位點(diǎn)處合成小段RNA，3′-OH可結(jié)合dNTP。3.DNA鏈的延長(zhǎng)（1）DNA聚合酶：依賴(lài)DNA的DNA聚合酶（DDDP）①作用：催化與模板配對(duì)的各dNTP間以3′5′-磷酸二酯鍵相連，同時(shí)水解掉焦磷酸。②分類(lèi)：第十一頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二第十二頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二第十三頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）延長(zhǎng)過(guò)程：前導(dǎo)鏈在DDDPⅢ作用下連續(xù)合成。DDDPⅢ和DDDPⅠ延長(zhǎng)岡崎片段。第十四頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二4.終止：DDDPⅠ切除引物，填補(bǔ)空缺①連接酶：連接各個(gè)岡崎片段②拓?fù)洚悩?gòu)酶：促使螺旋結(jié)構(gòu)形成二、DNA損傷與修復(fù)

（一）損傷因素:1.物理因素：紫外線、高溫、電離輻射等2.化學(xué)因素：脫氨劑、烷化劑等3.堿基自發(fā)性脫氨基4.生物因素：人體感染逆轉(zhuǎn)錄病毒第十五頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二PRRNNHOOCH3NNHOOCH3PRRNNHOOCH3NNHOOCH3UV嘧啶二聚體第十六頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（二）損傷后果（基因突變）DNA損傷的類(lèi)型谷酪蛋絲5’……GCA

GUA

CAU

GUC……丙纈組纈正常5’……GAG

UAC

AUG

UC……缺失C錯(cuò)配缺失插入重排移碼突變第十七頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二損傷后果：1.致死2.使生物體喪失某些功能（分子病或先天性代謝障礙）；體細(xì)胞突變可致腫瘤3.隱性突變4.進(jìn)化第十八頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（三）修復(fù)方式1.無(wú)差錯(cuò)修復(fù)（見(jiàn)于子代鏈損傷）直接修復(fù)(光復(fù)合作用)切除修復(fù)2.有差錯(cuò)修復(fù)（重組修復(fù)）見(jiàn)于親代鏈損傷第十九頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二DNA損傷后的重組修復(fù)第二十頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二第二十一頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二第二十二頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、逆轉(zhuǎn)錄合成DNA1、逆轉(zhuǎn)錄：在逆轉(zhuǎn)錄酶催化下，以RNA為模板合成DNA的過(guò)程。2、逆轉(zhuǎn)錄酶：作用：催化以RNA為模板合成DNA

催化RNA的水解催化以DNA為模板合成DNA特點(diǎn)：合成子代鏈的方向5′3′

需要Zn2+參與，以tRNA為引物無(wú)校正作用（易變異）3、意義（1）擴(kuò)充了生物學(xué)中心法則。（2）深化了人們對(duì)RNA病毒致癌機(jī)理的認(rèn)識(shí)。（3）有助于基因工程的實(shí)施。第二十三頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二第二十四頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二第二節(jié)RNA的生物合成一、不對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)錄（一）原料：ATP、GTP、CTP、UTP（二）模板：DNA分子雙鏈在轉(zhuǎn)錄中只有一條鏈起模板作用，稱(chēng)為模板鏈；與其互補(bǔ)的相應(yīng)鏈稱(chēng)為編碼鏈。不對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)錄：在DNA雙鏈中只轉(zhuǎn)錄模板鏈，不轉(zhuǎn)錄編碼鏈的轉(zhuǎn)錄方式。第二十五頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（三）RNA聚合酶（又稱(chēng)DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶，DDRP）（1）作用：作用及特點(diǎn)類(lèi)同DDDP。（2）組成及功能：核心酶：由ααββ′4個(gè)亞基構(gòu)成，參與起始主要使RNA鏈延長(zhǎng)δ亞基：辨認(rèn)起始點(diǎn)，即DNA模板鏈的啟動(dòng)子RNA聚合酶原核生物真核生物RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄的基因部位I28S18S5.8SrRNA核仁IImRNAsnRNA核質(zhì)IIItRNA5SrRNA核質(zhì)第二十六頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二特點(diǎn)：原核生物中的DDRP轉(zhuǎn)錄速度慢，無(wú)校正作用，可被利福霉素、利福平等藥物抑制。真核生物中的DDRP轉(zhuǎn)錄速度快，有校正作用。（四）不對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)錄的特點(diǎn)：1.不對(duì)稱(chēng)性：2.連續(xù)性：不需引物，連續(xù)合成3.單向性：5′→3′4.有特定的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)啟動(dòng)子（啟動(dòng)基因）：轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上的一段堿基順序，為DDRP識(shí)別及結(jié)合位點(diǎn)。結(jié)構(gòu)基因：能轉(zhuǎn)錄出mRNA然后翻譯成蛋白質(zhì)的DNA區(qū)段。第二十七頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、轉(zhuǎn)錄過(guò)程（以原核細(xì)胞為例）—RNA前體的生成（一）起始：1.δ因子識(shí)別啟動(dòng)子，α-亞基結(jié)合啟動(dòng)子，全酶結(jié)合于模板鏈；全酶結(jié)合處DNA變構(gòu)，局部打開(kāi)約17個(gè)堿基對(duì)的雙鏈，局部暴露出模板。2.GTP（ATP）配對(duì)結(jié)合于模板鏈，全酶催化下一個(gè)NTP與其形成磷酸二酯鍵，同時(shí)水解掉焦磷酸，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)磷酸二酯鍵形成，δ因子脫落，留下核心酶。因?yàn)镈NA雙鏈分子包含許多基因，而各個(gè)基因的模板鏈不都在同一條DNA鏈上。第二十八頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二第二十九頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（二）延長(zhǎng)：1.核心酶沿模板鏈3’→5’滑動(dòng)，不斷催化與模板配對(duì)并結(jié)合的NTP之間形成磷酸二酯鍵，使RNA鏈由5’→3’端延長(zhǎng)。（注：新合成的RNA鏈與DNA模板鏈方向相反，合成時(shí)遵守堿基配對(duì)原則：A=U，C≡G，T＝A）2.合成的RNA鏈脫離模板，DNA恢復(fù)雙鏈結(jié)構(gòu)第三十頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（三）終止：核心酶自身（或在ρ因子協(xié)助下）識(shí)別終止信號(hào)（終止子），停止滑動(dòng)。然后RNA鏈（即RNA前體），核心酶先后由模板鏈脫落，DNA恢復(fù)原狀。1.自動(dòng)終止：終止子處轉(zhuǎn)錄出發(fā)夾樣結(jié)構(gòu)RNA，阻止核心酶繼續(xù)滑行。2.依賴(lài)ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止：ρ因子：協(xié)助核心酶識(shí)別終止子的特殊蛋白質(zhì)，可使DNA-RNA雙鏈解開(kāi)，釋放出RNA，并與核心酶一同脫落。脫落的核心酶又可與δ因子結(jié)合為DDRP，重新開(kāi)始新的轉(zhuǎn)錄。第三十一頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三十二頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、轉(zhuǎn)錄后的加工和修飾（RNA前體的成熟）在細(xì)胞內(nèi)一系列酶的作用下，對(duì)新合成的RNA分子或RNA前體進(jìn)行各種化學(xué)修飾、添加、剪切、剪接、編輯等反應(yīng)，使之轉(zhuǎn)變?yōu)橛刑囟ㄉ锘钚缘某墒霷NA的過(guò)程。1、mRNA前體的加工（真核細(xì)胞內(nèi)mRNA前體又稱(chēng)核內(nèi)不均一RNA，hnRNA）（1）首尾修飾：在5’端加上“帽子”m7GPPP（7-甲基鳥(niǎo)嘌呤三磷酸核苷）；3’端接上“尾巴”polyA（多聚腺苷酸）。第三十三頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三十四頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）剪接：由hnRNA中切除內(nèi)含子（不編碼蛋白質(zhì)的DNA堿基順序轉(zhuǎn)錄出的RNA堿基順序）拼接外顯子（可被翻譯成蛋白質(zhì)的DNA堿基順序轉(zhuǎn)錄來(lái)的RNA堿基順序）。第三十五頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三十六頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二2、tRNA前體的加工（部位：胞漿）（1）剪切：分別在5’端和3’端切去一定的核苷酸序列等。（2）堿基修飾：A→Am、U→DHU、A→I、U→φ等，形成一些稀有堿基。這些堿基在蛋白質(zhì)合成過(guò)程中影響tRNA對(duì)密碼的識(shí)別。（3）3’端接上CCA，所以tRNA3’末端均為CCA-OH。第三十七頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三十八頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二3、rRNA前體的加工（部位：核仁）rRNA前體+蛋白質(zhì)→核糖體（亦稱(chēng)核蛋白體）第三十九頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二小結(jié)

基因轉(zhuǎn)錄也稱(chēng)之RNA合成，合成是按照5ˊ→3ˊ方向進(jìn)行的。RNA合成不需要預(yù)先存在的引物。

RNA合成需要DNA依賴(lài)性的RNA聚合酶全酶。E.coliRNA聚合酶是由5個(gè)亞基組成的，其中的σ亞基在轉(zhuǎn)錄起始時(shí)識(shí)別啟動(dòng)子。真核生物有3種不同的RNA聚合酶全酶，分別稱(chēng)之RNApolI、RNApolII和RNApolIII。轉(zhuǎn)錄包括3個(gè)階段：起始、延伸和終止。E.coli中的轉(zhuǎn)錄起始涉及RNA聚合酶全酶結(jié)合到－35和－10的啟動(dòng)子區(qū)中的特定序列。在RNA合成開(kāi)始之前，RNA聚合酶復(fù)合物需要經(jīng)歷一個(gè)由非活性的封閉性復(fù)合體到開(kāi)放性復(fù)合體的構(gòu)象變化。初級(jí)RNA轉(zhuǎn)錄物的轉(zhuǎn)錄后加工包括RNA剪接、5ˊ戴帽、3ˊ聚腺苷酸化以及tRNA堿基修飾。核酶是具有催化能力的RNA分子，它能夠在特定的部位切斷大的RNA分子。

rRNA和tRNA加工涉及大的前體轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的依次切斷，最后獲得功能性的RNA產(chǎn)物。真核生物的mRNA含有一個(gè)5ˊ-7-甲基鳥(niǎo)苷帽子和3ˊ聚腺苷酸尾巴，這兩種修飾都是通過(guò)特殊的酶加上去的。第四十頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三節(jié)蛋白質(zhì)的生物合成—翻譯一、參與翻譯的物質(zhì)（蛋白質(zhì)生物合成體系）（一）原料：氨基酸20種（二）酶及蛋白因子1.氨基酰tRNA合成酶氨基酸＋tRNA＋ATP→氨基酰-tRNA＋AMP＋PPi2.轉(zhuǎn)肽酶：促使肽鍵的形成3.蛋白因子：起始、延長(zhǎng)和終止因子第四十一頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二第四十二頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二起始因子原核生物（3種）：IF1、IF2、IF3真核生物（多種）：其中eIF2是合成調(diào)控的關(guān)鍵物質(zhì)延長(zhǎng)因子原核生物：EFTu、Ts和EFG真核生物：EFT1、EFT2終止因子：釋放因子（RF）原核生物（3種）真核生物（1種）第四十三頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（三）RNA1.mRNA（模板）密碼：mRNA中由5′→3′每三個(gè)相鄰的核苷酸組成一個(gè)三聯(lián)體代表一種氨基酸。數(shù)量：43=64-（UAA、UAG、UGA）=61其中UAA、UAG、UGA為終止密碼AUG為起始密碼，也代表蛋氨酸密碼特點(diǎn)：（1）簡(jiǎn)并性：一種氨基酸具有2個(gè)或以上密碼子的現(xiàn)象。第四十四頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二20種氨基酸中除蛋氨酸色氨酸外其余均有2~6個(gè)密碼。確定同一個(gè)氨基酸的不同密碼稱(chēng)為同義密碼密碼的頭兩個(gè)堿基就可以確定一個(gè)氨基酸

例如編碼甘氨酸的密碼有4個(gè)，都開(kāi)始于GG：GGU，GGC，GGA，和GGG。所以，即使3ˊ位的堿基突變，仍然會(huì)編碼同一個(gè)氨基酸到蛋白質(zhì)中。減少有害突變，確保遺傳的穩(wěn)定性

（2）通用性：幾乎所有生物體內(nèi)都使用同一套遺傳密碼表（除部分線粒體和葉綠素）第四十五頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二（3）方向性5ˊ（AUG）→（UAA、UAG、UGA）3ˊ翻譯生成的蛋白質(zhì)：N端→

C端（4）連續(xù)性翻譯時(shí)從起始密碼開(kāi)始，一個(gè)不漏地讀下去，直至碰到終止密碼。如果插入或刪除一個(gè)B，就會(huì)使該B以后的讀碼發(fā)生錯(cuò)誤，稱(chēng)為移碼。由于移碼引起的突變稱(chēng)移碼突變。遺傳密碼一般不重疊。（5）擺動(dòng)性tRNA與mRNA通過(guò)反密碼和密碼形成堿基配對(duì)相互作用，但這種配對(duì)作用存在某些變通性。

第四十六頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二位于反密碼子5ˊ（擺動(dòng)）位的核苷酸位于密碼子的3ˊ位的核苷酸A

C

G

U

I

U

G

U或C

G或A

U，C或A當(dāng)密碼與反密碼相互作用時(shí)，形成的三個(gè)堿基對(duì)只有兩個(gè)要求Watson-Crick堿基配對(duì)，即密碼與反密碼的3ˊ和中間的堿基形成Watson-Crick堿基配對(duì)，而反密碼的5ˊ位容許其它類(lèi)型的堿基配對(duì)。此特性能明顯加快翻譯的速度。第四十七頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.tRNA（搬運(yùn)氨基酸的工具）（1）tRNA反密碼環(huán)上的反密碼識(shí)別所要轉(zhuǎn)運(yùn)的AA種類(lèi)。（特異性結(jié)合氨基酸）（2）在氨基酸-tRNA合成酶（又稱(chēng)AA活化酶）催化下，tRNA的3’-OH末端連接相應(yīng)AA，生成氨基酰-tRNA。（3）反密碼與mRNA分子上的密碼按堿基配對(duì)原則相互識(shí)別（即密碼與反密碼方向相反、堿基互補(bǔ)），使所攜帶的AA按mRNA上的AA密碼順序“對(duì)號(hào)入座”。有時(shí)密碼的第三個(gè)堿基與反密碼不遵守堿基配對(duì)原則，叫不穩(wěn)定配對(duì)。第四十八頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二結(jié)合氨基酸結(jié)合氨基酰tRNA合成酶結(jié)合核蛋白體識(shí)別密碼子第四十九頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.rRNA：和蛋白質(zhì)組成核糖體（裝配機(jī)）（1）核糖體種類(lèi)：附著于粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體，合成細(xì)胞的外分泌蛋白。游離于胞漿中的核糖體，合成細(xì)胞固有蛋白。（2）核糖體結(jié)構(gòu)：小亞基：結(jié)合mRNA、氨基酰-tRNA、大亞基大亞基：有三個(gè)結(jié)合位點(diǎn)受位（A位）：結(jié)合氨基酰tRNA給位（P位）：結(jié)合肽酰tRNA出位（E位）：結(jié)合空載tRNA大亞基具有轉(zhuǎn)肽酶活性，能促使肽鍵形成并延長(zhǎng)肽鏈。（四）ATP、GTP、K+、Mg2+等第五十頁(yè)，共五十四頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、蛋白質(zhì)生物合成過(guò)程（以原