基因存在于染色體上課件

第11章遺傳的分子基礎(chǔ)Genetics第11章遺傳的分子基礎(chǔ)Genetics目錄第一節(jié)DNA作為主要遺傳物質(zhì)的證據(jù)第二節(jié)DNA的分子結(jié)構(gòu)第三節(jié)DNA的復(fù)制第四節(jié)DNA與蛋白質(zhì)合成第五節(jié)基因的概念與發(fā)展第六節(jié)遺傳工程2目錄第一節(jié)DNA作為主要遺傳物質(zhì)的證據(jù)2第一節(jié)DNA作為主要遺傳物質(zhì)的證據(jù)基因存在于染色體上。從化學(xué)上分析，生物的染色體是核酸和蛋白質(zhì)的復(fù)合物。其中，核酸主要是脫氧核糖核酸(DNA)，在染色體中平均約占27%；其次是核糖核酸(RNA)約占6%；蛋白質(zhì)約占66%，主要有組蛋白與非組蛋白兩種，其中組蛋白的含量比較穩(wěn)定，根據(jù)細(xì)胞的類(lèi)型與代謝活動(dòng)，非組蛋白的含量與性質(zhì)變化較大。此外，還含有少量的擬脂與無(wú)機(jī)物質(zhì)。3第一節(jié)DNA作為主要遺傳物質(zhì)的證據(jù)基因存在于染色體上。3DNA作為主要遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)

大部分DNA存在于染色體上，而RNA和蛋白質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)也很多。每個(gè)物種不同組織的細(xì)胞不論其大小和功能如何，它們的DNA含量是恒定的，而且精子或卵子中的DNA含量正好是體細(xì)胞的一半；而細(xì)胞內(nèi)的RNA和蛋白質(zhì)量在不同細(xì)胞間變化很大。另外，多倍體系列的一些物種，其細(xì)胞中DNA的含量隨染色體倍數(shù)的增加，也呈現(xiàn)倍數(shù)性的遞增。4DNA作為主要遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)大部分DNA存在于染色體上DNA作為主要遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)

DNA在代謝上比較穩(wěn)定。細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和RNA分子與DNA分子不同，它們?cè)谘杆傩纬傻耐瑫r(shí)，又不斷分解。用不同波長(zhǎng)的紫外線誘發(fā)各種生物突變時(shí)，其最有效的波長(zhǎng)均為260nm。這與DNA所吸收的紫外線光譜是一致的，亦即在260nm處吸收最多。這證明基因突變是與DNA分子的變異密切相聯(lián)系的。5DNA作為主要遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)DNA在代謝上比較穩(wěn)定。細(xì)DNA作為主要遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)(一)細(xì)菌的轉(zhuǎn)化

(二)噬菌體的侵染(三)煙草花葉病毒的感染6DNA作為主要遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)(一)細(xì)菌的轉(zhuǎn)化6(一)細(xì)菌的轉(zhuǎn)化

肺炎雙球菌有兩種不同的類(lèi)型：一種是光滑型(S型)，被一層多糖類(lèi)的莢膜所保護(hù)，具有毒性，在培養(yǎng)基上形成光滑的菌落。另一種是粗糙型(R型)，沒(méi)有莢膜和毒性，在培養(yǎng)基上形成粗糙的菌落。在R型和S型內(nèi)還可以按血清免疫反應(yīng)的不同，分成許多抗原型，常用IR、IIR和IS、IIS、IIIS等加以區(qū)別。7(一)細(xì)菌的轉(zhuǎn)化肺炎雙球菌有兩種不同的類(lèi)型：7(一)細(xì)菌的轉(zhuǎn)化

1928年，Griffith首次將一種類(lèi)型的肺炎雙球菌IIR轉(zhuǎn)化為另一種類(lèi)型IIIS，實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌遺傳性狀的定向轉(zhuǎn)化。8(一)細(xì)菌的轉(zhuǎn)化1928年，Griffith首次將一種類(lèi)型(一)細(xì)菌的轉(zhuǎn)化

實(shí)驗(yàn)的方法是先將少量無(wú)毒的IIR型肺炎雙球菌注入家鼠體內(nèi)，再將大量有毒但已加熱(65oC)殺死的IIIS型肺炎雙球菌注入。結(jié)果，家鼠發(fā)病死亡。從死鼠體內(nèi)分離出的肺炎雙球菌全部是IIIS型。9(一)細(xì)菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的方法是先將少量無(wú)毒的IIR型肺炎雙(一)細(xì)菌的轉(zhuǎn)化

可以肯定，被加熱殺死的IIIS型肺炎雙球菌必然含有某種促成這一轉(zhuǎn)變的活性物質(zhì)。但當(dāng)時(shí)并不知道這種物質(zhì)是什么。10(一)細(xì)菌的轉(zhuǎn)化可以肯定，被加熱殺死的IIIS型肺炎雙球(一)細(xì)菌的轉(zhuǎn)化

十六年后，Avery等用生物化學(xué)方法證明這種活性物質(zhì)是DNA。他們不僅成功地重復(fù)了上述的試驗(yàn)，而且將IIIS型細(xì)菌的DNA提取物與IIR型細(xì)菌混合在一起，在離體培養(yǎng)的條件下，也成功地使少數(shù)IIR型細(xì)菌定向轉(zhuǎn)化為IIIS型細(xì)菌。其所以確認(rèn)導(dǎo)致轉(zhuǎn)化的物質(zhì)是DNA，是因?yàn)樵撎崛∥锊皇艿鞍酌?、多糖酶和核糖核酸酶的影響，而只能為DNA酶所破壞。11(一)細(xì)菌的轉(zhuǎn)化十六年后，Avery等用生物化學(xué)方法證明這(一)細(xì)菌的轉(zhuǎn)化

12(一)細(xì)菌的轉(zhuǎn)化12(二)噬菌體的侵染

Hershey等用同位素32P和35S分別標(biāo)記T2噬菌體的DNA與蛋白質(zhì)。因?yàn)镻是DNA的組分，但不見(jiàn)于蛋白質(zhì)；而S是蛋白質(zhì)的組分，但不見(jiàn)于DNA。然后用標(biāo)記的T2噬菌體(32P或35S)分別感染大腸桿菌，經(jīng)10分鐘后，用攪拌器甩掉附著于細(xì)胞外面的噬菌體外殼。13(二)噬菌體的侵染Hershey等用同位素32P和35S分(二)噬菌體的侵染

在第一種情況下，基本上全部放射活性見(jiàn)于細(xì)菌內(nèi)而不被甩掉并可傳遞給子代。14(二)噬菌體的侵染在第一種情況下，基本上全部放射活性見(jiàn)于細(xì)(二)噬菌體的侵染

在第二種情況下，放射性活性大部分見(jiàn)于被甩掉的外殼中，細(xì)菌內(nèi)只有較低的放射性活性，且不能傳遞給子代。15(二)噬菌體的侵染在第二種情況下，放射性活性大部分見(jiàn)于被甩(三)煙草花葉病毒的感染煙草花葉病毒(TMV)是由RNA(不是DNA)與蛋白質(zhì)組成的管狀微粒，它的中心是單螺旋的RNA，外部是由蛋白質(zhì)組成的外殼。16(三)煙草花葉病毒的感染煙草花葉病毒(TMV)是由RNA(不(三)煙草花葉病毒的感染如果將TMV的RNA與蛋白質(zhì)分開(kāi)，把提純的RNA接種到煙葉上，可以形成新的TMV而使煙草發(fā)病；單純利用它的蛋白質(zhì)接種，就不能形成新的TMV，煙草繼續(xù)保持健壯。如果事先用RNA酶處理提純的RNA，再接種到煙草上，也不能產(chǎn)生新的TMV。這說(shuō)明在不含DNA的TMV中，RNA就是遺傳物質(zhì)。17(三)煙草花葉病毒的感染如果將TMV的RNA與蛋白質(zhì)分開(kāi)，把(三)煙草花葉病毒的感染為了進(jìn)一步論證上述的結(jié)論，F(xiàn)rankel-Conrat,和Singer把TMV的RNA與另一個(gè)病毒品系(HR,Holmesribgrass)的蛋白質(zhì)，重新合成混合的煙草花葉病毒，用它感染煙草葉片時(shí)，所產(chǎn)生的新病毒顆粒與提供RNA的品系完全一樣，亦即親本的RNA決定了后代的病毒類(lèi)型。18(三)煙草花葉病毒的感染為了進(jìn)一步論證上述的結(jié)論，F(xiàn)rank結(jié)論以上實(shí)例均直接證明DNA是生物主要的遺傳物質(zhì)，而在缺少DNA的生物中，RNA則為遺傳物質(zhì)。19結(jié)論以上實(shí)例均直接證明DNA是生物主要的遺傳物質(zhì)，而在缺第二節(jié)DNA的分子結(jié)構(gòu)與復(fù)制1、兩種核酸及其分布2、DNA的分子結(jié)構(gòu)3、RNA的分子結(jié)構(gòu)20第二節(jié)DNA的分子結(jié)構(gòu)與復(fù)制1、兩種核酸及其分布201、兩種核酸及其分布

核酸(nucleicacid)是一種高分子的化合物，它的構(gòu)成單元是核苷酸(nucleotide)，是核苷酸的多聚體。每個(gè)核苷酸包括三部分：五碳糖、磷酸和環(huán)狀的含氮堿基；這種堿基包括雙環(huán)結(jié)構(gòu)的嘌呤(purine)和單環(huán)結(jié)構(gòu)的嘧啶(pyrimidine)。兩個(gè)核苷酸之間由3’和5’位的磷酸二脂鍵相連。211、兩種核酸及其分布核酸(nucleicacid)是一種OHOCH2糖HHH一個(gè)核苷酸

一磷酸腺苷(AMP)OHNH2NNNN堿基POOHHOO磷酸2’3’4’5’1’核苷酸核苷H+-22OHOCH2糖HHH一個(gè)核苷酸

一磷酸腺苷(AMP)OHNH1、兩種核酸及其分布

核酸有兩種：脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。兩種核酸的主要區(qū)別如下：(1)DNA含的糖分子是脫氧核糖，RNA含的是核糖；(2)DNA含有的堿基是腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)、鳥(niǎo)嘌呤(G)和胸腺嘧啶(T)；RNA含有的堿基前三個(gè)與DNA完全相同，只有最后一個(gè)胸腺嘧啶被尿嘧啶(U)所代替(圖)。231、兩種核酸及其分布核酸有兩種：脫氧核糖核酸(DNA)和核嘧啶NH2ONNNHN鳥(niǎo)嘌呤NN腺嘌呤NNNH2NONH2NONH2N胞嘧啶尿嘧啶(RNA)CH3NONONHNONONH胸腺嘧啶(DNA)嘌呤24嘧啶NH2ONNNHN鳥(niǎo)嘌呤NN腺嘌呤NNNH2NONH2N1、兩種核酸及其分布

(3)DNA通常是雙鏈，RNA主要為單鏈；DNA的分子鏈一般較長(zhǎng)，而RNA分子鏈較短。(4)真核生物的絕大部分DNA存在于細(xì)胞核內(nèi)的染色體上，它是構(gòu)成染色體的主要成分之一，還有少量的DNA存在于細(xì)胞質(zhì)中的葉綠體、線粒體等細(xì)胞器內(nèi)。RNA在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中都有，核內(nèi)則更多地集中在核仁上，少量在染色體上。細(xì)菌也含有DNA和RNA。多數(shù)噬菌體只有DNA；多數(shù)植物病毒只有RNA；動(dòng)物病毒有些含有RNA，有些含有DNA。251、兩種核酸及其分布(3)DNA通常是雙鏈，RNA主要為2、DNA的分子結(jié)構(gòu)(一)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)

(二)DNA構(gòu)型的變異

262、DNA的分子結(jié)構(gòu)(一)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)26(一)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA分子是脫氧核苷酸的多聚體。因?yàn)闃?gòu)成DNA的堿基通常有四種，所以，脫氧核苷酸也有四種，即：脫氧腺嘌呤核苷酸(dATP)脫氧胸腺嘧啶核苷酸(dTTP)脫氧鳥(niǎo)嘌呤核苷酸(dGTP)脫氧胞嘧啶核苷酸(dCTP)(圖)27(一)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA分子是脫氧核苷酸的多聚體。因(一)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)1953年，瓦特森(Watson,J.D.)和克里克(Crick,F.)根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)的規(guī)律以及對(duì)DNA分子的X射線衍射研究的成果，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。這個(gè)模型已為以后拍攝的電鏡直觀形象所證實(shí)。28(一)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)1953年，瓦特森(Watson,(一)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)這個(gè)空間構(gòu)型滿足了分子遺傳學(xué)需要解答的許多問(wèn)題，例如：DNA的復(fù)制、DNA對(duì)于遺傳信息的貯存及其改變和傳遞等，從而奠定了分子遺傳學(xué)的基礎(chǔ)。29(一)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)這個(gè)空間構(gòu)型滿足了分子遺傳學(xué)需要解(一)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)瓦特森(Watson,J.D.)和克里克(Crick,F.)模型最主要特點(diǎn)有：(1)兩條多核苷酸鏈以右手螺旋的形式，彼此以一定的空間距離，平行地環(huán)繞于同一軸上，很象一個(gè)扭曲起來(lái)的梯子。30(一)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)瓦特森(Watson,J.D.(一)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)(2)兩條多核苷酸鏈走向?yàn)榉聪蚱叫?。即一條鏈磷酸二脂鍵為5’－3’方向，而另一條為3’－5’方向，二者剛好相反。亦即一條鏈對(duì)另一條鏈?zhǔn)穷嵉惯^(guò)來(lái)的，這稱為反向平行。31(一)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)(2)兩條多核苷酸鏈走向?yàn)榉聪蚱?一)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)(3)每條長(zhǎng)鏈的內(nèi)側(cè)是扁平的盤(pán)狀堿基，堿基一方面與脫氧核糖相聯(lián)系，另一方面通過(guò)氫鍵與它互補(bǔ)的堿基相聯(lián)系，相互層疊宛如一級(jí)一級(jí)的梯子橫檔?；パa(bǔ)堿基對(duì)A與T之間形成兩對(duì)氫鍵，而C與G之間形成三對(duì)氫鍵。上下堿基對(duì)之間的距離為3.4?。32(一)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)(3)每條長(zhǎng)鏈的內(nèi)側(cè)是扁平的盤(pán)狀糖-磷酸骨架HPOHOOOCH2HOHPOOHOOOCH2HPOOHHOOOCH2NH2NNNNOONH2NNHNNNONH2NBASESD

N

AOHPOHOOOCH2HOOH2NNHNNNHHPOHOOCH2OONOH2NNHH2OHOHPOOHOOCH2CH3OOHNNH2O33糖-磷酸骨架HPOHOOOCH2HOHPOOHOOOCH2H(一)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)(4)每個(gè)螺旋為34?(3.4nm)長(zhǎng)，剛好含有10個(gè)堿基對(duì)，其直徑約為20?。(5)在雙螺旋分子的表面大溝(majorgroove)和小溝(minorgroove)交替出現(xiàn)。34(一)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)(4)每個(gè)螺旋為34?(3.4n(二)DNA構(gòu)型的變異

近來(lái)發(fā)現(xiàn)DNA的構(gòu)型并不是固定不變的，除主要以瓦特森和克里克提出的右手雙螺旋構(gòu)型存在外，還有許多變型。所以現(xiàn)在一般將瓦特森和克里克提出的雙螺旋構(gòu)型稱作B-DNA。B-DNA35(二)DNA構(gòu)型的變異近來(lái)發(fā)現(xiàn)DNA的構(gòu)型并不是固定不變(二)DNA構(gòu)型的變異

B-DNA是DNA在生理狀態(tài)下的構(gòu)型。生活細(xì)胞中極大多數(shù)DNA以B-DNA形式存在。但當(dāng)外界環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，DNA的構(gòu)型也會(huì)發(fā)生變化。實(shí)際上在生活細(xì)胞內(nèi)，B-DNA一螺圈也并不是正好10個(gè)核苷酸對(duì)，而平均一般為10.4對(duì)。B-DNA36(二)DNA構(gòu)型的變異B-DNA是DNA在生理狀態(tài)下的構(gòu)(二)DNA構(gòu)型的變異

當(dāng)DNA在高鹽濃度下時(shí)，則以A-DNA形式存在。A-DNA是DNA的脫水構(gòu)型，它也是右手螺旋，但每螺圈含有11個(gè)核苷酸對(duì)。A-DNA比較短和密，其平均直徑為23?。大溝深而窄，小溝寬而淺。在活體內(nèi)DNA并不以A構(gòu)型存在，但細(xì)胞內(nèi)DNA-RNA或RNA-RNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，卻與A-DNA非常相似。A-DNA37(二)DNA構(gòu)型的變異當(dāng)DNA在高鹽濃度下時(shí)，則以A-D(二)DNA構(gòu)型的變異

現(xiàn)在還發(fā)現(xiàn)，某些DNA序列可以以左手螺旋的形式存在，稱為Z-DNA。當(dāng)某些DNA序列富含G-C，并且在嘌呤和嘧啶交替出現(xiàn)時(shí)，可形成Z-DNA。Z-DNA除左手螺旋外，其每個(gè)螺圈含有12個(gè)堿基對(duì)。分子直徑為18?，并只有一個(gè)深溝?，F(xiàn)在還不知道，Z-DNA在體內(nèi)是否存在。Z-DNA38(二)DNA構(gòu)型的變異現(xiàn)在還發(fā)現(xiàn)，某些DNA序列可以以左(二)DNA構(gòu)型的變異

DNA結(jié)構(gòu)除上述構(gòu)型變化外，在體內(nèi)還以超螺旋的形式存在。從病毒到高等生物，DNA在生物體內(nèi)均表現(xiàn)為負(fù)超螺旋(negativesupercoil)形式。負(fù)超螺旋是DNA復(fù)制過(guò)程中，在拓?fù)洚悩?gòu)酶的催化下形成?，F(xiàn)在已有很多證據(jù)表明，這種負(fù)超螺旋結(jié)構(gòu)與DNA復(fù)制、重組以及基因的表達(dá)和調(diào)控有關(guān)。39(二)DNA構(gòu)型的變異DNA結(jié)構(gòu)除上述構(gòu)型變化外，在體內(nèi)(二)DNA構(gòu)型的變異

IllustrationofDNAsupercoiling40(二)DNA構(gòu)型的變異IllustrationofD3、RNA的分子結(jié)構(gòu)就化學(xué)組成上看，RNA也是由四種核苷酸組成的多聚體。它與DNA的不同，首先在于以U代替了T，其次是用核糖代替了脫氧核糖，此外，還有一個(gè)重要的不同點(diǎn)，就是絕大部分RNA以單鏈形式存在，但可以折疊起來(lái)形成若干雙鏈區(qū)域。413、RNA的分子結(jié)構(gòu)就化學(xué)組成上看，RNA也是由四種核苷酸3、RNA的分子結(jié)構(gòu)在這些區(qū)域內(nèi)，凡互補(bǔ)的堿基對(duì)間可以形成氫鍵。有一些以RNA為遺傳物質(zhì)的動(dòng)物病毒含有雙鏈RNA。423、RNA的分子結(jié)構(gòu)在這些區(qū)域內(nèi)，凡互補(bǔ)的堿基對(duì)間可以形成氫第三節(jié)DNA的復(fù)制1、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)2、原核生物DNA合成3、真核生物合成的特點(diǎn)43第三節(jié)DNA的復(fù)制1、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)431、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)(一)半保留復(fù)制：Watson和Crick發(fā)表了DNA雙螺旋模型之后不久，于同年又緊接著發(fā)表了DNA半保留復(fù)制的復(fù)制機(jī)理，這一建立在堿基互補(bǔ)基礎(chǔ)上的機(jī)制為轉(zhuǎn)錄、修復(fù)、重組、分子雜交等奠定了基礎(chǔ)。441、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)(一)半保留復(fù)制：441、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)(一)半保留復(fù)制：Watson和Crick認(rèn)為：“DNA自我復(fù)制并不依賴于特異的蛋白質(zhì)的合成，DNA雙螺旋中的每一條互補(bǔ)DNA鏈，在合成它的一條互補(bǔ)新鏈時(shí)都可以作為模板”。451、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)(一)半保留復(fù)制：451、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)(一)半保留復(fù)制：復(fù)制時(shí)“連接互補(bǔ)鏈的氫鍵必須斷裂，兩條鏈還必須解纏和分離。很可能這種單鏈本身可以呈螺旋構(gòu)型，并作為模板，游離的核苷酸通過(guò)形成氫鍵自動(dòng)地結(jié)合到它上面”。這就是DNA復(fù)制的半保留模型。461、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)(一)半保留復(fù)制：461、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)(二)復(fù)制起點(diǎn)和復(fù)制方向：在極大多數(shù)細(xì)菌及病毒中，只有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)，控制整個(gè)染色體的復(fù)制。所以整個(gè)染色體也就是一個(gè)復(fù)制子(replicon)。復(fù)制子是指在同一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)控制下合成的一段DNA序列。471、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)(二)復(fù)制起點(diǎn)和復(fù)制方向：471、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)(二)復(fù)制起點(diǎn)和復(fù)制方向：在真核生物中，每條染色體的DNA復(fù)制則是多起點(diǎn)的，多個(gè)復(fù)制起點(diǎn)共同控制一條染色體的復(fù)制，即每條染色體有多個(gè)復(fù)制子。481、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)(二)復(fù)制起點(diǎn)和復(fù)制方向：481、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)491、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)491、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)(二)復(fù)制起點(diǎn)和復(fù)制方向：大腸桿菌和其它許多原核生物的環(huán)狀DNA復(fù)制是雙向的。即DNA的復(fù)制從復(fù)制起點(diǎn)開(kāi)始，向二個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行，最后相遇，完成復(fù)制。真核生物的復(fù)制也是雙向的。501、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)(二)復(fù)制起點(diǎn)和復(fù)制方向：501、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)(二)復(fù)制起點(diǎn)和復(fù)制方向：但近來(lái)發(fā)現(xiàn)，并不是所有的生物DNA的復(fù)制都是雙向的，如：噬菌體P2，其DNA的復(fù)制就是沿一個(gè)方向進(jìn)行的。511、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)(二)復(fù)制起點(diǎn)和復(fù)制方向：512、原核生物DNA合成

(一)有關(guān)DNA合成的酶(二)DNA復(fù)制的過(guò)程

522、原核生物DNA合成(一)有關(guān)DNA合成的酶52(一)有關(guān)DNA合成的酶1957年Kornberg及其同事，從大腸桿菌中分離出DNA聚合酶I（polymeraseI），這種聚合酶在有DNA、4種脫氧核苷酸及Mg++的情況下，在離體條件下可以合成DNA。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，DNA聚合酶I并不能直接起始DNA的合成，只有在引物DNA提供3’端自由羥基的情況下，才使DNA鏈從5’向3’方向延伸。53(一)有關(guān)DNA合成的酶1957年Kornberg及其同事(一)有關(guān)DNA合成的酶DNA聚合酶I由一條多肽鏈組成，含有928個(gè)氨基酸，分子量約為109,000道爾頓，編碼此酶的基因?yàn)閜olA。但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)此酶可能不是直接控制大腸桿菌體內(nèi)DNA復(fù)制的酶。因?yàn)榇嗣冈隗w外合成DNA的速度很慢，另外其合成單鏈DNA比合成雙鏈DNA效率要高得多，同時(shí)發(fā)現(xiàn)它既能合成DNA，也能降解DNA。54(一)有關(guān)DNA合成的酶DNA聚合酶I由一條多肽鏈組成，含(一)有關(guān)DNA合成的酶DNA聚合酶I除具有5’－3’聚合酶功能外，還具有3’－5’核酸外切酶和5’－3’核酸外切酶的功能。后來(lái)，從polA基因突變株中又分離出二種DNA聚合酶，分別命名為DNA聚合酶II和DNA聚合酶III。并發(fā)現(xiàn)在含有DNA聚合酶I的正常菌株中也同樣含有這二種酶。55(一)有關(guān)DNA合成的酶DNA聚合酶I除具有5’－3’聚合(一)有關(guān)DNA合成的酶DNA聚合酶II是一種起修復(fù)作用的DNA聚合酶，具有5’－3’核酸聚合酶的功能外，還有3’－5’核酸外切酶的功能，但是沒(méi)有5’－3’外切酶的功能。它由一條多肽鏈組成，其分子量約為90,000道爾頓。DNA聚合酶III結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，它至少有20個(gè)亞基組成，其全酶(holoenzyme)分子量達(dá)167,500道爾頓。具有5’－3’聚合酶的功能，也有3’－5’核酸外切酶的功能，但是沒(méi)有5’－3’外切酶功能?，F(xiàn)在已經(jīng)證實(shí)它才是活體細(xì)胞內(nèi)真正控制DNA合成的酶。56(一)有關(guān)DNA合成的酶DNA聚合酶II是一種起修復(fù)作用的(一)有關(guān)DNA合成的酶57(一)有關(guān)DNA合成的酶57(一)有關(guān)DNA合成的酶這三種DNA聚合酶有一些共同的特性，從而決定DNA合成的特點(diǎn)：如三種酶都只有5’－3’聚合酶的功能，而沒(méi)有3’－5’聚合酶功能，說(shuō)明DNA鏈的延伸只能從5’向3’端進(jìn)行。它們都沒(méi)有直接起始合成DNA的能力，只能在引物存在下進(jìn)行鏈的延伸，因此，DNA的合成必須有引物引導(dǎo)才能進(jìn)行。三種酶還都有核酸外切酶的功能，可對(duì)合成過(guò)程中發(fā)生的錯(cuò)誤進(jìn)行校正，從而保證DNA復(fù)制的高度準(zhǔn)確性。58(一)有關(guān)DNA合成的酶這三種DNA聚合酶有一些共同的特性(二)DNA復(fù)制的過(guò)程

從上面的討論，我們知道：DNA的合成是半保留復(fù)制；復(fù)制是雙向的；DNA的合成必須有引物的引導(dǎo)；復(fù)制時(shí)鏈的延伸總是從5’向3’方向進(jìn)行。下面我們介紹DNA的合成過(guò)程。59(二)DNA復(fù)制的過(guò)程從上面的討論，我們知道：59(二)DNA復(fù)制的過(guò)程

(1)、DNA雙螺旋的解鏈(2)、DNA合成的開(kāi)始(3)、一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)60(二)DNA復(fù)制的過(guò)程(1)、DNA雙螺旋的解鏈60(1)、DNA雙螺旋的解鏈DNA半保留復(fù)制分別以兩條鏈為模板，而合成兩條互補(bǔ)新鏈，因此，在合成前必須使雙螺旋二條鏈解開(kāi)。DNA的解旋過(guò)程是由DNA解旋酶(helicase)催化下完成，由ATP提供解旋所需的能量。61(1)、DNA雙螺旋的解鏈DNA半保留復(fù)制分別以兩條鏈為模板(1)、DNA雙螺旋的解鏈DNA雙鏈由解旋酶解開(kāi)后，單鏈DNA結(jié)合蛋白(SSB)馬上結(jié)合在分開(kāi)的單鏈上，從而保持其伸展?fàn)顟B(tài)。如果沒(méi)有SSB的作用，分開(kāi)的雙鏈互補(bǔ)堿基對(duì)間又可重新配對(duì)?；蛘?，在同一條鏈的互補(bǔ)堿基對(duì)間配對(duì)而形成發(fā)夾狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會(huì)阻止DNA聚合酶的作用。62(1)、DNA雙螺旋的解鏈DNA雙鏈由解旋酶解開(kāi)后，單鏈DN(1)、DNA雙螺旋的解鏈單鏈DNA結(jié)合蛋白解旋酶63(1)、DNA雙螺旋的解鏈單鏈DNA結(jié)合蛋白解旋酶63(1)、DNA雙螺旋的解鏈在DNA復(fù)制時(shí)，雙螺旋每分鐘必須旋轉(zhuǎn)3000次才能完全解旋。隨著解鏈的進(jìn)行，在DNA復(fù)制叉前面就會(huì)形成一種張力，而導(dǎo)致超螺旋的產(chǎn)生。這種張力主要是通過(guò)DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶作用而消除的。解旋酶64(1)、DNA雙螺旋的解鏈在DNA復(fù)制時(shí)，雙螺旋每分鐘必須旋(1)、DNA雙螺旋的解鏈主要有二類(lèi)DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶：DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶I：只對(duì)雙鏈DNA中的一條鏈進(jìn)行切割，產(chǎn)生切口(nick)，每次切割只能去除一個(gè)超螺旋，此過(guò)程不需要外加能量。65(1)、DNA雙螺旋的解鏈主要有二類(lèi)DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶：65(1)、DNA雙螺旋的解鏈主要有二類(lèi)DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶：DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶II：可以對(duì)雙鏈DNA的二條鏈同時(shí)進(jìn)行切割。每次切割可以去除二個(gè)超螺旋，此過(guò)程需要ATP提供能量。66(1)、DNA雙螺旋的解鏈主要有二類(lèi)DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶：66(2)、DNA合成的開(kāi)始DNA雙鏈解開(kāi)后，接下去就可以進(jìn)行DNA的合成。在DNA合成前，以DNA為模板，根據(jù)堿基配對(duì)的原則，在一種特殊的RNA聚合酶－DNA引物酶的催化下，先合成一段長(zhǎng)度為5－60個(gè)核苷酸的RNA引物，提供3’端自由－OH。然后，在DNA聚合酶III的作用下進(jìn)行DNA的合成。引物酶RNA引物DNA聚合酶III67(2)、DNA合成的開(kāi)始DNA雙鏈解開(kāi)后，接下去就可以進(jìn)行D(3)、一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)從電子顯微鏡和放射自顯影的結(jié)果可知，DNA兩條新鏈的合成是從一個(gè)復(fù)制叉(replicatingfork)向著同一個(gè)方向延伸的。而組成DNA雙螺旋的互補(bǔ)雙鏈具有相反的方向，一條從5’－3’，另一條3’－5’，為反向平行。68(3)、一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)從電子顯微鏡和放射(3)、一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)但我們知道，三種DNA聚合酶都只有5’－3’聚合酶的功能，而沒(méi)有3’－5’聚合酶功能。這樣二條DNA鏈在延伸時(shí)就產(chǎn)生了矛盾。最初人們想法尋找一種具有3’－5’方向聚合功能的酶，但是沒(méi)有成功。那么，二條DNA新鏈到底是如何合成的呢？69(3)、一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)但我們知道，三種D(3)、一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)后來(lái)發(fā)現(xiàn)，只有一條DNA鏈的合成是連續(xù)的，而另一條則是不連續(xù)的。所以從整個(gè)DNA分子水平來(lái)看，DNA二條新鏈的合成方向是相反的，但是都是從5’向3’方向延伸。70(3)、一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)后來(lái)發(fā)現(xiàn)，只有一條(3)、一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)現(xiàn)在一般把一直從5’向3’方向延伸的鏈稱作前導(dǎo)鏈(leadingstrand)，它是連續(xù)合成的。而另一條先沿5’－3’方向合成一些片段，然后再由連接酶將其連起來(lái)的鏈，稱為后隨鏈(laggingstrand)，其合成是不連續(xù)的。71(3)、一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)現(xiàn)在一般把一直從5(3)、一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)這種不連續(xù)合成是由岡崎等人首先發(fā)現(xiàn)的，所以現(xiàn)在將后隨鏈上合成的DNA不連續(xù)單鏈小片段稱為岡崎片段(Okazakifragment)。72(3)、一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)這種不連續(xù)合成是由(3)、一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)因此，在前導(dǎo)鏈上，DNA引物酶只在起始點(diǎn)合成一次引物RNA，DNA聚合酶III就可開(kāi)始進(jìn)行DNA的合成，而在后隨鏈上，每個(gè)“岡崎片段”的合成都需要先合成一段引物RNA，然后DNA聚合酶III才能進(jìn)行DNA的合成。73(3)、一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)因此，在前導(dǎo)鏈上，(3)、一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)隨后，引物RNA被切除，并為新合成的DNA片段所替代。在大腸桿菌中，此過(guò)程是在DNA聚合酶I的催化下完成的。74(3)、一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)隨后，引物RNA被(3)、一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)因?yàn)镈NA聚合酶I有5’－3’端核酸外切酶的功能，它可以將RNA引物切除，同時(shí)利用其5’－3’聚合酶功能，以臨近“岡崎片段”的3’端自由－OH進(jìn)行DNA的合成，從而將RNA引物替換為DNA鏈。最后由DNA連接酶(DNAligase)將“岡崎片段”連接起來(lái)，形成一條完整的新鏈。75(3)、一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)因?yàn)镈NA聚合酶IRNA病毒中RNA的自我復(fù)制大多數(shù)RNA病毒是單鏈的。這種RNA的復(fù)制一般是先以自己為模板合成一條互補(bǔ)的單鏈，通常將病毒原有的、起模板作用的鏈稱為“＋”鏈，而新復(fù)制的RNA鏈稱為“－”鏈，這樣就形成了雙螺旋的復(fù)制類(lèi)型(replicativeform)。然后這個(gè)“－”鏈又從“＋”鏈模板釋放出來(lái)，它也以自己為模板復(fù)制出一條與自己互補(bǔ)的“＋”鏈，于是形成了一條新的病毒RNA。76RNA病毒中RNA的自我復(fù)制大多數(shù)RNA病毒是單鏈的。這種R3、真核生物DNA合成的特點(diǎn)

現(xiàn)在已有很多證據(jù)表明，真核生物DNA的復(fù)制基本上與原核生物相同，但比原核生物更為復(fù)雜。主要有以下幾方面的不同：(1)DNA合成只是發(fā)生在細(xì)胞周期的某個(gè)時(shí)期：真核細(xì)胞DNA的合成只是在細(xì)胞周期的S期進(jìn)行，而原核生物則在整個(gè)細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程中都可進(jìn)行DNA合成。773、真核生物DNA合成的特點(diǎn)現(xiàn)在已有很多證據(jù)表明，真核生物3、真核生物合成的特點(diǎn)

(2)原核生物DNA的復(fù)制是單起點(diǎn)的，而真核生物染色體的復(fù)制則為多起點(diǎn)的。例如果蠅的最大一條染色體含有6.5×107堿基對(duì)，現(xiàn)在已經(jīng)知道果蠅DNA的合成速度每分鐘約2600堿基對(duì)，如果復(fù)制也象原核生物一樣是單起點(diǎn)的話，那么大約需要17.5天才能完成DNA的復(fù)制，而實(shí)際上果蠅胚胎DNA的復(fù)制只需要3－4分鐘。只有9－10分鐘，其細(xì)胞核就發(fā)生一次分裂。因此，大概需要7000個(gè)左右的復(fù)制起點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行DNA復(fù)制才能在3－4分鐘點(diǎn)內(nèi)完成整個(gè)染色體的復(fù)制。783、真核生物合成的特點(diǎn)(2)原核生物DNA的復(fù)制是單起點(diǎn)3、真核生物合成的特點(diǎn)

真核生物DNA復(fù)制的多起點(diǎn)特性為后來(lái)的許多實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。并且發(fā)現(xiàn)快速生長(zhǎng)的細(xì)胞比生長(zhǎng)速度較慢的細(xì)胞每條染色體的復(fù)制起點(diǎn)要多。所以在真核生物中前導(dǎo)鏈的合成并不象原核生物那樣是連續(xù)的，而是以半連續(xù)的方式，由一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)控制一個(gè)復(fù)制子的合成，最后由連接酶將其連接成一條完整的新鏈。793、真核生物合成的特點(diǎn)真核生物DNA復(fù)制的多起點(diǎn)特性為后來(lái)3、真核生物合成的特點(diǎn)

(3)真核生物DNA合成所需的RNA引物及后隨鏈上合成的“岡崎片段”的長(zhǎng)度比原核生物要短。在原核生物中引物的長(zhǎng)度約為10－60個(gè)核苷酸，“岡崎片段”的長(zhǎng)度為1000－2000個(gè)核苷酸；而在真核生物中引物的長(zhǎng)度只有10個(gè)核苷酸，而“岡崎片段”的長(zhǎng)度約為原核生物的十分之一，只有100－150核苷酸。803、真核生物合成的特點(diǎn)(3)真核生物DNA合成所需的RNA3、真核生物合成的特點(diǎn)

(4)有二種不同的DNA聚合酶分別控制前導(dǎo)鏈和后隨鏈的合成(圖3－21)。在原核生物中有DNA聚合酶I、II和III等三種聚合酶，并由聚合酶III同時(shí)控制二條鏈的合成。而在真核生物中共有α、β、γ、δ和ε等五種DNA聚合酶。813、真核生物合成的特點(diǎn)(4)有二種不同的DNA聚合酶分別控3、真核生物合成的特點(diǎn)

聚合酶α和δ是DNA合成的主要酶，由聚合酶α控制不連續(xù)的后隨鏈的合成，而聚合酶δ則控制前導(dǎo)鏈的合成，所以其二條鏈的合成是在二種不同的DNA聚合酶的控制下完成。聚合酶β可能與DNA修復(fù)有關(guān)，而γ則是線粒體中發(fā)現(xiàn)的唯一一種DNA聚合酶。823、真核生物合成的特點(diǎn)聚合酶α和δ是DNA合成的主要酶，由3、真核生物合成的特點(diǎn)

833、真核生物合成的特點(diǎn)833、真核生物合成的特點(diǎn)

(5)染色體端體的復(fù)制：原核生物的染色體大多數(shù)為環(huán)狀，而真核生染色體為線狀，在DNA的末端存在特殊的結(jié)構(gòu)，并在含有RNA的端體酶(telomerase)的催化下完成末端的合成。843、真核生物合成的特點(diǎn)(5)染色體端體的復(fù)制：原核生物的染第四節(jié)DNA與蛋白質(zhì)合成一、RNA的轉(zhuǎn)錄及加工二、遺傳密碼與蛋白質(zhì)的翻譯85第四節(jié)DNA與蛋白質(zhì)合成一、RNA的轉(zhuǎn)錄及加工85一、RNA的轉(zhuǎn)錄及加工遺傳物質(zhì)不管其化學(xué)性質(zhì)如何，其必須具有遺傳、表達(dá)和變異等三種基本功能。前面已經(jīng)介紹了DNA是主要的遺傳物質(zhì)，它的結(jié)構(gòu)以及復(fù)制即其遺傳功能。下面我們介紹其第二個(gè)重要的功能—基因表達(dá)?；虻谋磉_(dá)，第一步就是DNA轉(zhuǎn)錄(transcription)為RNA，然后由RNA再翻譯(translation)成蛋白質(zhì)。下面我們先介紹RNA的轉(zhuǎn)錄。86一、RNA的轉(zhuǎn)錄及加工遺傳物質(zhì)不管其化學(xué)性質(zhì)如何，其必須具有1、三種RNA分子

現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)主要有三種不同的RNA分子在基因的表達(dá)過(guò)程中起重要的作用。它們是：信使RNA(messengerRNA，mRNA)轉(zhuǎn)移RNA(transferRNA，tRNA)核糖體RNA(ribosomalRNA，rRNA)。871、三種RNA分子現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)主要有三種不同的RNA分子在基因(一)mRNA

生物的遺傳信息主要貯存于DNA的堿基序列中，但DNA并不直接決定蛋白質(zhì)的合成。而且在真核細(xì)胞中，DNA主要存在于細(xì)胞核的染色體上，而蛋白質(zhì)的合成中心卻位于細(xì)胞質(zhì)的核糖體上。因此，它需要一種中介物質(zhì)，才能把DNA上控制蛋白質(zhì)合成的遺傳信息傳遞給核糖體。88(一)mRNA生物的遺傳信息主要貯存于DNA的堿基序列中(一)mRNA

這種中介物質(zhì)是一種特殊的RNA，它起著傳遞信息的作用，因而稱為信使RNA(mRNA)。mRNA的功能就是把DNA上的遺傳信息精確無(wú)誤地轉(zhuǎn)錄下來(lái)，然后，由mRNA的堿基順序決定蛋白質(zhì)的氨基酸順序，是基因表達(dá)過(guò)程中遺傳信息傳遞的中介。89(一)mRNA這種中介物質(zhì)是一種特殊的RNA，它起著傳遞(一)mRNA

在真核生物中，轉(zhuǎn)錄形成的RNA中，含有大量非編碼序列，大約只有25％RNA經(jīng)加工成為mRNA，最后翻譯為蛋白質(zhì)。因?yàn)檫@種未經(jīng)加工的前體mRNA(pre-mRNA)在分子大小上差別很大，所以通常稱為不均一核RNA(heterogeneousnuclearRNA，hnRNA)。90(一)mRNA在真核生物中，轉(zhuǎn)錄形成的RNA中，含有大量(二)tRNA

如果說(shuō)mRNA是合成蛋白質(zhì)的藍(lán)圖，則核糖體是合成蛋白質(zhì)的工廠。但是，合成蛋白質(zhì)的原材料—20種氨基酸與mRNA的堿基之間缺乏特殊的親和力。因此，必須用一種特殊的RNA—轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)把氨基酸搬運(yùn)到核糖體上，tRNA能根據(jù)mRNA的遺傳密碼依次準(zhǔn)確地將它攜帶的氨基酸連結(jié)成多肽鏈。每種氨基酸可與1－4種tRNA相結(jié)合，現(xiàn)在已知的tRNA的種類(lèi)在40種以上。91(二)tRNA如果說(shuō)mRNA是合成蛋白質(zhì)的藍(lán)圖，則核糖(二)tRNA

tRNA是最小的RNA。其分子量約為27000(25000－30000)，由70到90個(gè)核苷酸組成。而且具有稀有堿基的特點(diǎn)，稀有堿基除假尿嘧啶核苷與次黃嘌呤核苷外，主要是甲基化了的嘌呤和嘧啶。這類(lèi)稀有堿基一般是tRNA在DNA模板轉(zhuǎn)錄后，經(jīng)過(guò)特殊的修飾而成的。92(二)tRNAtRNA是最小的RNA。其分子量約為27(二)tRNA

tRNA的結(jié)構(gòu)具有如下的共性(圖3－23)：(1)5’端之末具有G(大部分)或C。(2)3’端之末都以ACC的順序終結(jié)。(3)有一個(gè)富有鳥(niǎo)嘌呤的環(huán)。(4)有一個(gè)反密碼子環(huán)，在這一環(huán)的頂端有三個(gè)暴露的堿基，稱為反密碼子(anti-codon)。這一個(gè)反密碼子可以與mRNA鏈上同自己互補(bǔ)的密碼子配對(duì)。(5)有一個(gè)胸腺嘧啶環(huán)。93(二)tRNAtRNA的結(jié)構(gòu)具有如下的共性(圖3－23(二)tRNA

94(二)tRNA94(三)rRNA

核糖體RNA，它是組成核糖體的主要成分，而核糖體則是合成蛋白質(zhì)的中心。rRNA一般與核糖體蛋白質(zhì)結(jié)合在一起，形成核糖體(ribosome)。原核生物的核糖體所含的rRNA，有5S、16S及23S等三種。而真核生物的核糖體比原核生物復(fù)雜，含有4種rRNA和約80種蛋白質(zhì)。四種rRNA為5S、5.8S、18S和28S。rRNA是單鏈，它包含不等量的A與U、G與C，但是有廣泛的雙鏈區(qū)域。在雙鏈區(qū)，堿基因氫鍵相連，表現(xiàn)為發(fā)夾式螺旋。95(三)rRNA核糖體RNA，它是組成核糖體的主要成分，(三)rRNA

rRNA在蛋白質(zhì)合成中的功能尚未完全明了。但16S的rRNA3’端有一段核苷酸序列與mRNA的前導(dǎo)序列是互補(bǔ)的，這可能有助于mRNA與核糖體的結(jié)合。96(三)rRNArRNA在蛋白質(zhì)合成中的功能尚未完全明了2、RNA合成的一般特點(diǎn)RNA的合成與DNA合成從總體上來(lái)看非常相似。但有以下三方面明顯不同：(1)所用的原料為核苷三磷酸，而在DNA合成時(shí)則為脫氧核苷三磷酸；(2)只有一條DNA鏈被用作模板，而DNA合成時(shí)，兩條鏈分別用作模板；(3)RNA鏈的合成不需要引物，可以直接起始合成，而DNA合成一定要引物的引導(dǎo)。972、RNA合成的一般特點(diǎn)RNA的合成與DNA合成從總體上來(lái)看2、RNA合成的一般特點(diǎn)轉(zhuǎn)錄合成的RNA鏈，除了U替換為T(mén)以外，與用作模板的DNA鏈互補(bǔ)，而與另一條非模板鏈相同。如果轉(zhuǎn)錄的RNA是mRNA，其信息最后通過(guò)密碼子決定蛋白質(zhì)的合成?，F(xiàn)在通常將用作模板，進(jìn)行RNA轉(zhuǎn)錄的鏈稱作模板鏈(templatestrand)；而另一條則為非模板鏈(nontemplatestrand)。982、RNA合成的一般特點(diǎn)轉(zhuǎn)錄合成的RNA鏈，除了U替換為T(mén)以2、RNA合成的一般特點(diǎn)RNA鏈的合成與DNA鏈的合成同樣，也是從5’向3’端進(jìn)行的，此過(guò)程由RNA聚合酶(RNApolymerase)催化。RNA聚合酶首先在啟動(dòng)子部位(promoter)與DNA結(jié)合，形成轉(zhuǎn)錄泡(transcriptionbubble)，并開(kāi)始轉(zhuǎn)錄。992、RNA合成的一般特點(diǎn)RNA鏈的合成與DNA鏈的合成同樣，2、RNA合成的一般特點(diǎn)在原核生物中只有一種RNA聚合酶完成所有RNA的轉(zhuǎn)錄，而在真核生物中，有三種不同的RNA聚合酶控制不同類(lèi)型RNA的合成。RNA的合成也同樣遵循堿基配對(duì)的規(guī)則，只是U代替了T。1002、RNA合成的一般特點(diǎn)在原核生物中只有一種RNA聚合酶完成3、原核生物RNA的合成(一)、RNA聚合酶(二)、鏈的起始(三)、鏈的延伸(四)、鏈的終止1013、原核生物RNA的合成(一)、RNA聚合酶1013、原核生物RNA的合成現(xiàn)在通常把轉(zhuǎn)錄后形成一個(gè)RNA分子的一段DNA序列稱為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位(transcriptunit)。一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位可能剛好是一個(gè)基因，也可能含有多個(gè)基因。在細(xì)菌等原核生物中一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位通常含有多個(gè)基因，而真核生物中則大多只含有一個(gè)基因。1023、原核生物RNA的合成現(xiàn)在通常把轉(zhuǎn)錄后形成一個(gè)RNA分子的3、原核生物RNA的合成RNA的轉(zhuǎn)錄可以分為三步(圖3－24)：(1)RNA鏈的起始；(2)RNA鏈的延長(zhǎng)；(3)RNA鏈的終止及新鏈的釋放。在討論有關(guān)RNA轉(zhuǎn)錄時(shí)通常要用到上游(upstream)和下游(downstream)二個(gè)概念，在此有必要對(duì)其進(jìn)行解釋。因?yàn)镽NA的轉(zhuǎn)錄總是從5’向3’端進(jìn)行，所以上游總是指RNA分子的5’端，而下游則指3’端。1033、原核生物RNA的合成RNA的轉(zhuǎn)錄可以分為三步(圖3－243、原核生物RNA的合成1043、原核生物RNA的合成104(一)、RNA聚合酶

催化轉(zhuǎn)錄的RNA聚合酶是一種由多個(gè)蛋白亞基組成的復(fù)合酶。如大腸桿菌的RNA聚合酶有五個(gè)亞基組成，其分子量為480,000道爾頓，含有α、β、β’和δ等四種不同的多肽，其中α為二個(gè)分子。所以其全酶(holoenzyme)的組成是α2ββ’δ。105(一)、RNA聚合酶催化轉(zhuǎn)錄的RNA聚合酶是一種由多個(gè)蛋白(一)、RNA聚合酶

α亞基與RNA聚合酶的四聚體核心(α2ββ’)的形成有關(guān)。β亞基含有核苷三磷酸的結(jié)合位點(diǎn)；β’亞基含有與DNA模板的結(jié)合位點(diǎn)；而Sigma(δ)因子只與RNA轉(zhuǎn)錄的起始有關(guān)，與鏈的延伸沒(méi)有關(guān)系，一旦轉(zhuǎn)錄開(kāi)始，δ因子就被釋放，而鏈的延伸則由四聚體核心酶(coreenzyme)催化。所以，δ因子的作用就是識(shí)別轉(zhuǎn)錄的起始位置，并使RNA聚合酶結(jié)合在啟動(dòng)子部位。106(一)、RNA聚合酶α亞基與RNA聚合酶的四聚體核心(α2(二)、鏈的起始

RNA鏈轉(zhuǎn)錄的起始首先是RNA聚合酶在δ因子的作用下結(jié)合于DNA的啟動(dòng)子部位，并在RNA聚合酶的作用下，使DNA雙鏈解開(kāi)，形成轉(zhuǎn)錄泡，為RNA合成提供單鏈模板，并按照堿基配對(duì)的原則，結(jié)合核苷酸，然后，在核苷酸之間形成磷酸二脂鍵，使其相連，形成RNA新鏈。δ因子在RNA鏈伸長(zhǎng)到8－9個(gè)核酸后，就被釋放，然后由核心酶催化RNA的延伸。107(二)、鏈的起始RNA鏈轉(zhuǎn)錄的起始首先是RNA聚合酶在δ因(二)、鏈的起始

啟動(dòng)子位于RNA轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游，δ因子對(duì)啟動(dòng)子的識(shí)別是轉(zhuǎn)錄起始的第一步。對(duì)大腸桿菌大量基因的啟動(dòng)子(圖3－25)部位測(cè)序發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)錄開(kāi)始位置的上游10個(gè)和35個(gè)核苷酸位置有二段DNA的序列比較保守，分別稱為－10序列(－10sequence)和－35序列(－35sequence)。108(二)、鏈的起始啟動(dòng)子位于RNA轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游，δ因子對(duì)(二)、鏈的起始

因?yàn)樯鲜龆涡蛄惺谴蟛糠只虻膯?dòng)子所共有，所以又稱作共有序列(consensussequence)。－10共有序列在非模板鏈為T(mén)ATAAT，－35共有序列則為T(mén)TGACA。δ因子首先識(shí)別和接合于－35序列，所以該序列又稱為識(shí)別序列(recognitionsequence)。而富含AT的－10序列則與DNA的解鏈有關(guān)，因?yàn)锳與T之間只有二對(duì)氫鍵，比較容易解開(kāi)。另外，在－10和－35序列之間的核苷酸數(shù)目是高度保守的，其長(zhǎng)度從不少于15個(gè)或者超過(guò)20個(gè)核苷酸。109(二)、鏈的起始因?yàn)樯鲜龆涡蛄惺谴蟛糠只虻膯?dòng)子所共有(二)、鏈的起始

110(二)、鏈的起始110(三)、鏈的延伸

RNA鏈的延伸是在δ因子釋放以后，在RNA聚合酶四聚體核心酶的催化下進(jìn)行。因RNA聚合酶同時(shí)具有解開(kāi)DNA雙鏈，并使其重新閉合的功能。隨著RNA的延伸，RNA聚合酶使DNA雙鏈不斷解開(kāi)和重新閉合。RNA轉(zhuǎn)錄泡也不斷前移，合成新的RNA鏈(圖3－26)。111(三)、鏈的延伸RNA鏈的延伸是在δ因子釋放以后，在RNA(三)、鏈的延伸

112(三)、鏈的延伸112(三)、鏈的延伸

在大腸桿菌中轉(zhuǎn)錄泡的大小約為18堿基對(duì)，而RNA合成的速度，每分鐘約為40堿基對(duì)。實(shí)際上，DNA模板與新合成的RNA鏈之間配對(duì)非常少，可能只有3堿基對(duì)，所以現(xiàn)在認(rèn)為并不是DNA模板與RNA鏈之間的氫鍵使轉(zhuǎn)錄復(fù)合體得于穩(wěn)定。113(三)、鏈的延伸在大腸桿菌中轉(zhuǎn)錄泡的大小約為18堿基對(duì)，(四)、鏈的終止

當(dāng)RNA鏈延伸遇到終止信號(hào)(terminationsignal)時(shí)，RNA轉(zhuǎn)錄復(fù)合體就發(fā)生解體，而使新合成的RNA鏈釋放出來(lái)?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)在大腸桿菌中有二類(lèi)終止信號(hào)：一類(lèi)只有在存在蛋白質(zhì)ρ的情況下，轉(zhuǎn)錄才會(huì)終止，稱為依賴于ρ的終止(ρ–dependentterminator)。第二類(lèi)使轉(zhuǎn)錄終止不需要ρ的參與，所以稱為不依賴于ρ的終止(ρ-independentterminator)。114(四)、鏈的終止當(dāng)RNA鏈延伸遇到終止信號(hào)(termina(四)、鏈的終止

實(shí)際上在原核生物中，RNA的轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)的合成以及mRNA的降解通?？梢允峭瑫r(shí)進(jìn)行的。因?yàn)樵谠松镏胁淮嬖诤四し指舻暮?，另外，RNA的轉(zhuǎn)錄和多肽鏈的合成都是從5’向3’方向進(jìn)行，只要mRNA的5’端合成后，即可以進(jìn)行蛋白質(zhì)的翻譯過(guò)程。在原核生物中mRNA的壽命一般只有幾分鐘。因此，往往在3’端mRNA的轉(zhuǎn)錄還沒(méi)有最后結(jié)束，5’端mRNA在完成多肽鏈的合成后，已經(jīng)開(kāi)始降解。115(四)、鏈的終止實(shí)際上在原核生物中，RNA的轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)的4、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工真核生物與原核生物RNA的轉(zhuǎn)錄過(guò)程總體上基本相同，但是，其過(guò)程要復(fù)雜得多，主要有以下幾點(diǎn)不同(圖3－27)：首先，真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄是在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行，而蛋白質(zhì)的合成則是在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，所以，RNA轉(zhuǎn)錄后首先必須從核內(nèi)運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)內(nèi)，才能進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成。其次，原核生物的一個(gè)mRNA分子通常含有多個(gè)基因，在真核生物中，一個(gè)mRNA分子一般只編碼一個(gè)基因。1164、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工真核生物與原核生物RNA的轉(zhuǎn)錄4、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工第三、在原核生物中只有一種RNA聚合酶催化所有RNA的合成，而在真核生物中則有RNA聚合酶I、II、III等三種不同酶，分別催化不同種類(lèi)型RNA的合成。三種RNA聚合酶都是有10個(gè)以上亞基組成的復(fù)合酶。聚合酶I存在于細(xì)胞核內(nèi)，催化合成除5SrRNA以外的所有rRNA；聚合酶II催化合成mRNA前體，即不均一核RNA(hnRNA)；聚合酶III催化tRNA和小核RNA的合成。1174、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工第三、在原核生物中只有一種RN4、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工第四、在原核生物中，RNA聚合酶可以直接起始轉(zhuǎn)錄合成RNA。在真核生物中，三種RNA聚合酶都必須在蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)助下才能進(jìn)行RNA的轉(zhuǎn)錄。另外，RNA聚合酶對(duì)轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子的識(shí)別，也比原核生物更加復(fù)雜。1184、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工第四、在原核生物中，RNA聚合4、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工如對(duì)聚合酶II來(lái)說(shuō)，至少有三個(gè)DNA的保守序列與其轉(zhuǎn)錄的起始有關(guān)，第一個(gè)稱為T(mén)ATA框(TATAbox)，具有共有序列TATAAAA，其位置在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游約為25個(gè)核苷酸處，它的作用可能與原核生物中的－10共有序列相似，與轉(zhuǎn)錄起始位置的確定有關(guān)。1194、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工如對(duì)聚合酶II來(lái)說(shuō)，至少有三個(gè)4、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工第二個(gè)共有序列稱為CCAAT框(CCAATbox)，具有共有序列GGCCAATCT，位于轉(zhuǎn)錄起始位置上游約50－500個(gè)核苷酸處。如果該序列缺失會(huì)極大地降低生物的活體轉(zhuǎn)錄水平。第三個(gè)區(qū)域一般稱為增強(qiáng)子(enhancer)，其位置可以在起始位置的上游，也可以在基因的下游或者在基因之內(nèi)。它可能雖不直接與轉(zhuǎn)錄復(fù)合體結(jié)合，但可以顯著提高轉(zhuǎn)錄效率。1204、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工第二個(gè)共有序列稱為CCAAT框4、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工1214、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工1214、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工大多數(shù)真核生物的mRNA在轉(zhuǎn)錄后必須進(jìn)行下面三方面的加工后(圖3－28)，才能運(yùn)送到細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行蛋白質(zhì)的翻譯。1、在mRNA前體的5’端加上7－甲基鳥(niǎo)嘌呤核苷的帽子(cap)。當(dāng)RNA鏈合成大概達(dá)到30個(gè)核苷酸后，就在其5’端加上一個(gè)7－甲基鳥(niǎo)嘌呤核苷的帽子，它含有二個(gè)甲基和稀有的5’－5’三磷酸鍵。其作用主要是在蛋白質(zhì)翻譯時(shí)幫助識(shí)別起始位置以及防止被RNA酶降解。1224、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工大多數(shù)真核生物的mRNA在轉(zhuǎn)錄4、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工2、在mRNA前體的3’端加上聚腺苷酸(poly(A))的尾巴。真核生物中在RNA聚合酶II催化下合成mRNA的前體hnRNA，比實(shí)際mRNA要長(zhǎng)一些。一般hnRNA的轉(zhuǎn)錄終止于加poly(A)尾巴的3’末端的下游1000－2000個(gè)核苷酸處，然后由核酸內(nèi)切酶對(duì)其進(jìn)行加工，切除多余的核苷酸。核酸內(nèi)切酶一般在保守的共有序列AAUAAA的下游11－30個(gè)核苷酸處停止切割。最后在poly(A)聚合酶的催化下加上大約200個(gè)聚腺苷酸poly(A)尾巴，此過(guò)程一般稱為聚腺苷酸化(polyadenylation)。它對(duì)增加mRNA的穩(wěn)定性以及從細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)的運(yùn)輸具有重要作用。1234、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工2、在mRNA前體的3’端加上4、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工3、如果基因中存在不編碼的內(nèi)含子序列，要進(jìn)行剪接，將其切除。真核生物基因與原核生物基因的一個(gè)顯著的不同就是真核生物的大多數(shù)基因含有大量的非編碼序列?，F(xiàn)在一般將一個(gè)基因中編碼蛋白質(zhì)合成的序列稱為外顯子(exon)，而非編碼的序列則稱為內(nèi)含子(intron)。剛轉(zhuǎn)錄的hnRNA既含有編碼序列，也含有非編碼序列。因此，必須對(duì)hnRNA進(jìn)行剪接，切除這些非編碼序列，并將編碼序列連接起來(lái)，才能進(jìn)行蛋白質(zhì)的翻譯。1244、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工3、如果基因中存在不編碼的內(nèi)含4、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工現(xiàn)在已經(jīng)證實(shí)不同的RNA主要有三種RNA剪接的方式：第一、某些tRNA前體的剪接過(guò)程首先是在剪接內(nèi)切核酸酶(splicingendonuclease)的催化下，非常精確地在內(nèi)含子與外顯子的交界處進(jìn)行切割，并在一種特殊的剪接連接酶(splicingligase)的催化下重新連接起來(lái)，而成為成熟的tRNA。1254、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工現(xiàn)在已經(jīng)證實(shí)不同的RNA主要有4、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工第二、某些rRNA前體的內(nèi)含子是在RNA分子本身的催化下完成，在此過(guò)程中發(fā)生一系列磷酯鍵的轉(zhuǎn)移，不需要外界能量，也不需要蛋白質(zhì)酶的參與，所以稱為RNA自剪接(self-splicing)，這種具有自動(dòng)催化活性的RNA有時(shí)也稱為核酶(ribozyme)。1264、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工第二、某些rRNA前體的內(nèi)含子4、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工第三、mRNA前體hnRNA的內(nèi)含子是在復(fù)雜的核酸蛋白質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)－核酸剪接體(spliceosome)的作用下完成。核酸剪接體的結(jié)構(gòu)有點(diǎn)象核糖體，它是由被稱為小核RNA(smallnuclearRNA，snRNA)的小分子RNA和蛋白質(zhì)共同組成?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)大部分基因的內(nèi)含子在5’端為GU，3’端為AG，并存在一些其它的共有序列。在剪接時(shí)首先是核酸剪接體的裝配及對(duì)內(nèi)含子共有序列的識(shí)別；然后對(duì)RNA在內(nèi)含子與外顯子交界處進(jìn)行切割再重新連接起來(lái)而成為成熟的mRNA。1274、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工第三、mRNA前體hnRNA的二、遺傳密碼與蛋白質(zhì)的翻譯1、遺傳密碼2、蛋白質(zhì)的合成3、中心法則及其發(fā)展128二、遺傳密碼與蛋白質(zhì)的翻譯1、遺傳密碼1281、遺傳密碼前面我們已經(jīng)介紹，DNA分子是由四種核苷酸組成的多聚體。這四種核苷酸的不同在于所含堿基的不同，即A、T、C、G四種堿基的不同。用A、T、C、G分別代表四種密碼符號(hào)，則DNA分子中將含有四種密碼符號(hào)。以一個(gè)DNA含有1000對(duì)核苷酸來(lái)說(shuō)，這四種密碼的排列組合就可以有41000種形式，可以表達(dá)出無(wú)限信息。1291、遺傳密碼前面我們已經(jīng)介紹，DNA分子是由四種核苷酸組成的1、遺傳密碼遺傳密碼(geneticcode)又是如何翻譯呢?首先是以DNA的一條鏈為模板合成與它互補(bǔ)的mRNA，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)的規(guī)律，在這條mRNA鏈上，A變?yōu)閁，T變?yōu)锳，C變?yōu)镚，G變?yōu)镃。因此，這條mRNA上的遺傳密碼與原來(lái)模板DNA的互補(bǔ)DNA鏈?zhǔn)且粯拥?，所不同的只是U代替了T。然后再由mRNA上的遺傳密碼翻譯成多肽鏈中的氨基酸序列。1301、遺傳密碼遺傳密碼(geneticcode)又是如何翻譯1、遺傳密碼堿基與氨基酸兩者之間的密碼關(guān)系，顯然不可能是一個(gè)堿基決定一個(gè)氨基酸。因此，一個(gè)堿基的密碼子(codon)是不能成立的。如果是兩個(gè)堿基決定一個(gè)氨基酸，那么兩個(gè)堿基的密碼子可能的組合將是42=16。這種比現(xiàn)存的二十種氨基酸還差四種，因此不敷應(yīng)用。1311、遺傳密碼堿基與氨基酸兩者之間的密碼關(guān)系，顯然不可能是一個(gè)1、遺傳密碼如果是每三個(gè)堿基決定一種氨基酸，這三個(gè)堿基的密碼子可能的組合將是43＝64種。這比二十種氨基酸多出四十四種。所以會(huì)產(chǎn)生過(guò)剩密碼子，可以認(rèn)為是由于每個(gè)特定的氨基酸是由一個(gè)或一個(gè)以上的三聯(lián)體(triplet)密碼所決定的。一個(gè)氨基酸由一個(gè)以上的三聯(lián)體密碼所決定的現(xiàn)象，稱為簡(jiǎn)并(degeneracy)。1321、遺傳密碼如果是每三個(gè)堿基決定一種氨基酸，這三個(gè)堿基的密碼1、遺傳密碼每種三聯(lián)體密碼譯成什么氨基酸呢？從1961年開(kāi)始，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，分別利用64個(gè)已知三聯(lián)體密碼，找出了與它們對(duì)應(yīng)的氨基酸。1966－1967年，全部完成了這套遺傳密碼的字典(表3－3)。1331、遺傳密碼每種三聯(lián)體密碼譯成什么氨基酸呢？從1961年開(kāi)始1、遺傳密碼1341、遺傳密碼1341、遺傳密碼從表3－3可以看出，大多數(shù)氨基酸都有幾個(gè)三聯(lián)體密碼，多則六個(gè)，少則二個(gè)，這就是上面提到過(guò)的簡(jiǎn)并現(xiàn)象。只有色氨酸與甲硫氨酸這兩種氨基酸例外，每種氨基酸只有一個(gè)三聯(lián)體密碼。此外，還有三個(gè)三聯(lián)體密碼UAA、UAG、UGA不編碼任何氨基酸，是蛋白質(zhì)合成的終止信號(hào)。三聯(lián)體密碼AUG在原核生物中編碼甲?；琢虬彼幔谡婧松镏芯幋a甲硫氨酸，并起合成起點(diǎn)作用。GUG編碼纈氨酸，在某些生物中也兼有合成起點(diǎn)的作用。1351、遺傳密碼從表3－3可以看出，大多數(shù)氨基酸都有幾個(gè)三聯(lián)體密1、遺傳密碼在分析簡(jiǎn)并現(xiàn)象時(shí)可以看到，當(dāng)三聯(lián)體密碼的第一個(gè)、第二個(gè)堿基決定之后，有時(shí)不管第三個(gè)堿基是什么，往往決定同一個(gè)氨基酸。例如，脯氨酸是由下列的四個(gè)三聯(lián)體密碼決定：CCU、CCC、CCA、CCG。也就是說(shuō)，在一個(gè)三聯(lián)體密碼上，第一個(gè)、第二個(gè)堿基比第三個(gè)堿基更為重要，這就是產(chǎn)生簡(jiǎn)并現(xiàn)象的基礎(chǔ)。1361、遺傳密碼在分析簡(jiǎn)并現(xiàn)象時(shí)可以看到，當(dāng)三聯(lián)體密碼的第一個(gè)、1、遺傳密碼同義的密碼子越多，生物遺傳的穩(wěn)定性越大。因?yàn)橐坏〥NA分子上的堿基發(fā)生突變時(shí)，突變后所形成的三聯(lián)體密碼，可能與原來(lái)的三聯(lián)體密碼翻譯成同樣的氨基酸，或者化學(xué)性質(zhì)相近的氨基酸，在多肽鏈上就不會(huì)表現(xiàn)任何變異或者變化不明顯。因而簡(jiǎn)并現(xiàn)象對(duì)生物遺傳的穩(wěn)定性具有重要的意義。1371、遺傳密碼同義的密碼子越多，生物遺傳的穩(wěn)定性越大。因?yàn)橐坏?、遺傳密碼除1980年以來(lái)發(fā)現(xiàn)某些生物的線粒體tRNA在解讀個(gè)別密碼子時(shí)，有不同的翻譯方式外(表3－4)，整個(gè)生物界，從病毒到人類(lèi)，遺傳密碼都是通用的：即所有的核酸語(yǔ)都是由四個(gè)基本堿基符號(hào)所編成；所有的蛋白質(zhì)語(yǔ)都是由20種氨基酸所編成，它們共同的語(yǔ)言寫(xiě)成不同的文章(生物種類(lèi)和生物性狀)。共同語(yǔ)言說(shuō)明了生命的共同本質(zhì)和共同起源；不同文章說(shuō)明了生物變異的原因和進(jìn)化的無(wú)限歷程。1381、遺傳密碼除1980年以來(lái)發(fā)現(xiàn)某些生物的線粒體tRNA在解1、遺傳密碼1391、遺傳密碼1391、遺傳密碼綜上所述，現(xiàn)在已經(jīng)證實(shí)遺傳密碼主要有下列基本的特性：(1)遺傳密碼為三聯(lián)體：即三個(gè)堿基決定一個(gè)氨基酸。(2)遺傳密碼間不能重復(fù)利用：除近來(lái)發(fā)現(xiàn)的少數(shù)情況外，在一個(gè)mRNA上每個(gè)堿基只屬于一個(gè)密碼子。(3)遺傳密碼間無(wú)逗號(hào)：即在翻譯過(guò)程中，遺傳密碼的譯讀是連續(xù)的。(4)遺傳密碼間存在簡(jiǎn)并現(xiàn)象：除二個(gè)氨基酸外，所有氨基酸都有一種以上的密碼子編碼。1401、遺傳密碼綜上所述，現(xiàn)在已經(jīng)證實(shí)遺傳密碼主要有下列基本的特1、遺傳密碼綜上所述，現(xiàn)在已經(jīng)證實(shí)遺傳密碼主要有下列基本的特性：(5)遺傳密碼的有序性(ordered)：決定同一個(gè)氨基酸或性質(zhì)相近的不同氨基酸的多個(gè)密碼子，往往只是最后一個(gè)堿基發(fā)生變化。(6)遺傳密碼包含起始密碼子和終止密碼子：蛋白質(zhì)翻譯的起始和終止有專門(mén)的密碼子所決定。(7)遺傳密碼的通用性：除線粒體等極少數(shù)情況外(表3－4)，遺傳密碼從病毒到人類(lèi)是通用的。1411、遺傳密碼綜上所述，現(xiàn)在已經(jīng)證實(shí)遺傳密碼主要有下列基本的特2、蛋白質(zhì)的合成蛋白質(zhì)是由20種不同的氨基酸組成的多肽鏈，每種蛋白質(zhì)都有其特定的氨基酸序列。前面我們已經(jīng)介紹，遺傳信息貯存于DNA里，由DNA所含的堿基序列決定氨基酸序列的過(guò)程即蛋白質(zhì)的合成過(guò)程，也就是基因的表達(dá)過(guò)程，實(shí)際上包括遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個(gè)步驟。上一節(jié)我們已對(duì)由DNA合成mRNA的轉(zhuǎn)錄過(guò)程作了詳細(xì)介紹。下面我們主要介紹蛋白質(zhì)的合成，也就是遺傳信息的翻譯過(guò)程。1422、蛋白質(zhì)的合成蛋白質(zhì)是由20種不同的氨基酸組成的多肽鏈，每2、蛋白質(zhì)的合成翻譯就是mRNA攜帶著轉(zhuǎn)錄的遺傳密碼附著在核糖體(ribosome)上，把由tRNA運(yùn)來(lái)的各種氨基酸，按照mRNA的密碼順序，相互聯(lián)結(jié)起來(lái)成為多肽鏈，并進(jìn)一步折疊成為立體的蛋白質(zhì)分子的過(guò)程。翻譯過(guò)程非常復(fù)雜，有大量的蛋白質(zhì)及RNA參與。蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所糖核體至少由50多種多肽和3－5種RNA分子組成；至少有20種氨基酸活化酶，決定氨基酸的活化；有40到60種tRNA分子負(fù)責(zé)氨基酸的輸送；還有大量的可溶性蛋白質(zhì)參與多肽鏈的起始、延伸和終止。1432、蛋白質(zhì)的合成翻譯就是mRNA攜帶著轉(zhuǎn)錄的遺傳密碼附著在核2、蛋白質(zhì)的合成(一)、核糖體

(二)、在核糖體上合成蛋白質(zhì)(1)、鏈的起始

(2)、鏈的延伸(3)、鏈的終止

1442、蛋白質(zhì)的合成(一)、核糖體144(一)、核糖體

核糖體是合成蛋白質(zhì)的中心，是rRNA與核糖體蛋白結(jié)合起來(lái)的小顆粒。在細(xì)菌的細(xì)胞內(nèi)，核糖體散見(jiàn)于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)；它在高等生物細(xì)胞質(zhì)中，大多附著于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上。在細(xì)胞內(nèi)含有大量的核糖體，在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)約含有200,000個(gè)核糖體，約占整個(gè)細(xì)胞干物重的25％。核糖體包含大小不同的兩個(gè)亞基，由鎂離子Mg++結(jié)合起來(lái)，雖然不同生物核糖體的大小不同，但具有大致相同的三維結(jié)構(gòu)，一般呈不倒翁形(圖3－29)。145(一)、核糖體核糖體是合成蛋白質(zhì)的中心，是rRNA與核糖體(一)、核糖體

146(一)、核糖體146(一)、核糖體

大腸桿菌，包括其它原核生物的核糖體為70S，分子量為2.6×106道爾頓，由50S大亞基和30S小亞基結(jié)合而成；大亞基包括5S和23S兩種rRNA和31種多肽；小亞基包括16SrRNA和21種多肽。高等生物的核糖體為80S，由60S大亞基和40S小亞基組成。大亞基包含5S、5.8S和28S三種rRNA以及49種多肽；小亞基包含18SrRNA和33種多肽。147(一)、核糖體大腸桿菌，包括其它原核生物的核糖體為70S，(一)、核糖體

核糖體rRNA與mRNA一樣也是DNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物。在真核生物中rRNA的合成主要在細(xì)胞核的核仁區(qū)域進(jìn)行。rRNA基因轉(zhuǎn)錄首先形成rRNA前體，然后通過(guò)轉(zhuǎn)錄后加工形成成熟rRNA。如在大腸桿菌中轉(zhuǎn)錄先產(chǎn)生30S的rRNA前體，再切割為5S、15S和23S三種rRNA及一種4S的tRNA。而在哺乳動(dòng)物中，5.8S、18S和28S三種rRNA由45S的rRNA前體分割而成，而5SrRNA則由另外基因轉(zhuǎn)錄而成。核糖體RNA在轉(zhuǎn)錄后，除加工成為成熟的rRNA外，其堿基還發(fā)生甲基化，這可能與核糖體的穩(wěn)定性有關(guān)。148(一)、核糖體核糖體rRNA與mRNA一樣也是DNA轉(zhuǎn)錄的(一)、核糖體

在研究過(guò)的所有生物中，均發(fā)現(xiàn)rRNA基因是以多拷貝的形式存在的。在大腸桿菌中rRNA基因存在于其染色體的三個(gè)不同區(qū)域，而在真核生物中rRNA基因有數(shù)百到幾千個(gè)拷貝，其5.8S-18S-28SrRNA基因通常串連地存在于染色體的核仁組織中心(nucleolarorganizerregion)區(qū)域。而5SrRNA基因則存在于其它染色體上，但其拷貝數(shù)同樣也很多。這也就解釋了單個(gè)細(xì)胞中為何有會(huì)有大量核糖體的原因。149(一)、核糖體在研究過(guò)的所有生物中，均發(fā)現(xiàn)rRNA基因是以(一)、核糖體

在蛋白質(zhì)合成過(guò)程中，核糖體是以70S(80S)存在，因?yàn)橹挥羞@種狀態(tài)才能維持它們生理上的活性。一般說(shuō)來(lái)，rRNA在細(xì)胞內(nèi)遠(yuǎn)較mRNA穩(wěn)定，可以反復(fù)用來(lái)進(jìn)行多肽的合成，而且核糖體本身的特異性小，這就是說(shuō)，同一核糖體根據(jù)與其結(jié)合的mRNA不同，可以合成不同種類(lèi)的多肽。150(一)、核糖體在蛋白質(zhì)合成過(guò)程中，核糖體是以70S(80S(二)、在核糖體上合成蛋白質(zhì)

前面我們已經(jīng)介紹，mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板，而tRNA則作為運(yùn)載工具將氨基酸運(yùn)送到核糖體上蛋白質(zhì)合成的位置，從而完成蛋白質(zhì)的合成。但是，在翻譯開(kāi)始以前，各種氨基酸，必須在ATP的參與下先進(jìn)行活化，然后在氨基酰tRNA合成酶(aminoacyltRNAsynthetase)催化下，與其相對(duì)應(yīng)的tRNA結(jié)合形成氨基酰tRNA。151(二)、在核糖體上合成蛋白質(zhì)前面我們已經(jīng)介紹，mRNA是蛋(二)、在核糖體上合成蛋白質(zhì)

現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)總共有20種氨基酰tRNA合成酶，即一種氨基酸，一種合成酶。氨基酸與其相對(duì)應(yīng)的tRNA結(jié)合是否準(zhǔn)確，對(duì)蛋白質(zhì)合成的準(zhǔn)確與否非常關(guān)鍵，因此也有人將氨基酸與其相對(duì)應(yīng)的tRNA的結(jié)合，稱為第二遺傳密碼(secondgeneticcode)。152(二)、在核糖體上合成蛋白質(zhì)現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)總共有20種氨基酰tR(二)、在核糖體上合成蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)的合成與RNA的合成一樣，可將其分為鏈的起始、延伸和終止三個(gè)階段分別進(jìn)行介紹。153(二)、在核糖體上合成蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的合成與RNA的合成一樣(1)、鏈的起始在大腸桿菌中，蛋白質(zhì)多肽鏈合成的起始至少需要核糖體小亞基、一個(gè)mRNA分子、決定起始的氨?；鵷RNA、GTP、Mg++以及至少三種可溶性蛋白質(zhì)起始因子(initiationfactors，IFs)IF1、IF2和IF3的參與。在原核生物中，蛋白質(zhì)合成的起始密碼子為AUG，編碼甲?；琢虬彼帷?54(1)、鏈的起始在大腸桿菌中，蛋白質(zhì)多肽鏈合成的起始至少需(1)、鏈的起始蛋白質(zhì)合成開(kāi)始時(shí)，首先是決定蛋白質(zhì)起始的甲?；琢虬滨＃璽RNA與起始因子IF2結(jié)合形成第一個(gè)復(fù)合體。同時(shí)，核糖體小亞基與起始因子IF3和mRNA結(jié)合形成第二個(gè)復(fù)合體。此過(guò)程中在起始密碼子前面大約7個(gè)核苷酸的一段mRNA保守序列(AGGAGG)起著關(guān)鍵作用。它與核糖體小亞基16SrRNA3’端的一段堿基序列互補(bǔ)，可能起著識(shí)別作用。當(dāng)該序列發(fā)生改變后，mRNA就不能翻譯或者翻譯效率很低。155(1)、鏈的起始蛋白質(zhì)合成開(kāi)始時(shí)，首先是決定蛋白質(zhì)起始的甲(1)、鏈的起始接著二個(gè)復(fù)合體在起始因子IF1和一分子GDP的作用下，形成一個(gè)完整的30S起始復(fù)合體。此時(shí)，甲酰化甲硫氨酰－tRNA通過(guò)tRNA的反密碼子識(shí)別起始密碼子AUG，而直接進(jìn)入核糖體的P位(peptidyl，P)并釋放出IF3。最后與50S大亞基結(jié)合，形成完整的70S核糖體，此過(guò)程需要水解一分子GDP以提供能量，同時(shí)釋放出IF1和IF2，完成肽鏈的起始(圖3－30)。156(1)、鏈的起始接著二個(gè)復(fù)合體在起始因子IF1和一分子GD(1)、鏈的起始157(1)、鏈的起始157(1)、鏈的起始真核生物蛋白質(zhì)合成的起始與原核生物基本相同，只是更加復(fù)雜一些罷了。例如需要的起始因子更加多些。但也有兩點(diǎn)明顯的不同：第一是蛋白質(zhì)合成的起始氨基酸為甲硫氨酸而不是甲酰化甲硫氨酸；其次是合成的起始位置一般是在mRNA5’端的第一個(gè)起始密碼子AUG位置，而不是在一個(gè)特殊的起始序列處。158(1)、鏈的起始真核生物蛋白質(zhì)合成的起始與原核生物基本相同(2)、鏈的延伸肽鏈的延伸在原核生物和真核生物中基本一致。當(dāng)甲酰化甲硫氨酰－tRNA(或甲硫氨酰－tRNA)結(jié)合在P位后，與其相臨的一個(gè)三聯(lián)體密碼位置就稱為A位(aminoacyl，A)。根據(jù)反密碼子與密碼子配對(duì)的原則，第二個(gè)氨基酰tRNA就進(jìn)入A位，此過(guò)程需要帶有一分子GTP的延伸因子Tu(elongationfactor，EF－Tu)的參與。EF－TuGTP則是在延伸因子Ts的作用下水解一分子的GTP而形成的。隨后，在轉(zhuǎn)肽酶(peptidyltransferase)的催化下，在A位的氨基酰tRNA上的氨基酸殘基與在P位上的氨基酸的碳末端間形成多肽鍵。159(2)、鏈的延伸肽鏈的延伸在原核生物和真核生物中基本一致。(2)、鏈的延伸過(guò)去認(rèn)為核糖體50S大亞基本身就有轉(zhuǎn)肽酶的活性，但現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)50S大亞基中的23SRNA才真正具有轉(zhuǎn)肽酶的活性。此過(guò)程水解與EF－Tu結(jié)合的GTP而提供能量。最后是核糖體向前移一個(gè)三聯(lián)體密碼，原來(lái)在A位的多肽－tRNA轉(zhuǎn)入P位，而原在P位的tRNA離開(kāi)核糖體。此過(guò)程需要延伸因子G(EF－G)和水解GTP提供能量。這樣空出的A位就可以接合另外一個(gè)氨基酰tRNA從而開(kāi)始第二輪的多肽鏈延伸(圖3－31)。160(2)、鏈的延伸過(guò)去認(rèn)為核糖體50S大亞基本身就有轉(zhuǎn)肽酶的(2)、鏈的延伸161(2)、鏈的延伸161(2)、鏈的延伸多肽鏈的延伸速度非?？?，在大腸桿菌中，多肽鏈上每增加一個(gè)氨基酸只需0.05秒，也就是說(shuō)合成一個(gè)300個(gè)氨基酸的多肽鏈只需要15秒鐘。162(2)、鏈的延伸多肽鏈的延伸速度非常快，在大腸桿菌中，多肽(3)、鏈的終止當(dāng)多肽鏈的延伸遇到UAA、UAG和UGA等終止密碼子進(jìn)入核糖體的A位時(shí)，多肽鏈的延伸就不再進(jìn)行。對(duì)終止密碼子的識(shí)別，需要多肽鏈釋放因子(releasefactor，RF)的參與。在大腸桿菌中有二類(lèi)釋放因子RF1和RF2，RF1識(shí)別UAA和UAG；RF2識(shí)別UAA和UGA。在真核生物中則只有一種釋放因子(eRF)，可以識(shí)別所有三種終止密碼子。163(3)、鏈的終止當(dāng)多肽鏈的延伸遇到UAA、UAG和UGA等(3)、鏈的終止當(dāng)釋放因子結(jié)合在核糖體的A位后，改變了轉(zhuǎn)肽酶的活性，在新合成多肽鏈的末端加上水分子，從而使多肽鏈從P位tRNA上釋放出來(lái)，離開(kāi)核糖