遺傳信息傳遞的中心法則及基因表達(dá)

第七章遺傳信息傳遞的中心法則及基因表達(dá)2024/11/101一、遺傳信息傳遞的中心法則

蛋白質(zhì)翻譯轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)制DNARNA生物的遺傳信息以密碼的形式儲(chǔ)存在DNA分子上，表現(xiàn)為特定的核苷酸排列順序。在細(xì)胞分裂的過程中，通過DNA復(fù)制把親代細(xì)胞所含的遺傳信息忠實(shí)地傳遞給兩個(gè)子代細(xì)胞。在子代細(xì)胞的生長發(fā)育過程中，這些遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄傳遞給RNA，再由RNA通過翻譯轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的蛋白質(zhì)多肽鏈上的氨基酸排列順序，由蛋白質(zhì)執(zhí)行各種各樣的生物學(xué)功能，使后代表現(xiàn)出與親代相似的遺傳特征。后來人們又發(fā)現(xiàn)，在宿主細(xì)胞中一些RNA病毒能以自己的RNA為模板復(fù)制出新的病毒RNA，還有一些RNA病毒能以其RNA為模板合成DNA，稱為逆轉(zhuǎn)錄這是中心法則的補(bǔ)充。

中心法則總結(jié)了生物體內(nèi)遺傳信息的流動(dòng)規(guī)律，揭示遺傳的分子基礎(chǔ)，不僅使人們對(duì)細(xì)胞的生長、發(fā)育、遺傳、變異等生命現(xiàn)象有了更深刻的認(rèn)識(shí)，而且以這方面的理論和技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展了基因工程，給人類的生產(chǎn)和生活帶來了深刻的革命。2024/11/102二、基因復(fù)制的忠實(shí)性

DNA復(fù)制過程是一個(gè)高度精確的過程，據(jù)估計(jì)，大腸桿菌DNA復(fù)制109-1010堿基對(duì)僅出現(xiàn)一個(gè)誤差，保證復(fù)制忠實(shí)性的原因主要有以下三點(diǎn):a、DNA聚合酶的高度專一性（嚴(yán)格遵循堿基配對(duì)原則）b、DNA聚合酶的校對(duì)功能（錯(cuò)配堿基被3’-5’

外切酶切除）c、起始時(shí)以RNA作為引物2024/11/103DNA聚合酶的3

-5

外切酶水解位點(diǎn)3′3′5′5′錯(cuò)配堿基3′-5′核酸外切酶水解位點(diǎn)2024/11/1042024/11/105DNA聚合酶的校對(duì)功能

5′-核酸外切酶3′-核酸外切酶裂縫聚合中心裂縫內(nèi)部2024/11/106DNA聚合酶的校對(duì)功能聚合酶錯(cuò)配鹼基復(fù)制方向正確核苷酸5′5′5′3′3′3′切除錯(cuò)配核苷酸2024/11/107三、逆轉(zhuǎn)錄作用1、概念2、逆轉(zhuǎn)錄酶3、病毒逆轉(zhuǎn)錄過程4、逆轉(zhuǎn)錄的生物學(xué)意義擴(kuò)充了中心法則有助于對(duì)病毒致癌機(jī)制的了解與真核細(xì)胞分裂和胚胎發(fā)育有關(guān)逆轉(zhuǎn)錄酶是分子生物學(xué)重要工具酶三種功能依賴DNA指導(dǎo)下的DNA聚合酶活力依賴RNA的DNA聚合酶活力核糖核酸酶H活力

以RNA為模板合成DNA，這與通常轉(zhuǎn)錄過程中遺傳信息從DNA到RNA的方向相反，故稱為逆轉(zhuǎn)錄作用。2024/11/108逆轉(zhuǎn)錄過程中cDNA的合成

依賴RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依賴DNA的DNA聚合酶2024/11/109逆逆轉(zhuǎn)錄病毒的生活周期

生活周期RNA衣殼被膜逆轉(zhuǎn)錄酶轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)譯整合入宿主細(xì)胞染色體DNA進(jìn)入細(xì)胞丟失被膜丟失衣殼逆轉(zhuǎn)錄RNARNAcDNA衣殼蛋白被膜蛋白逆轉(zhuǎn)錄酶2024/11/1010

四、DNA的突變

DNA分子中的核苷酸序列發(fā)生突然而穩(wěn)定的改變，從而導(dǎo)致DNA的復(fù)制以及后來的轉(zhuǎn)錄和翻譯產(chǎn)物隨之發(fā)生變化，表現(xiàn)出異常的遺傳特性，稱為DNA的突變。它包括由于DNA損傷和錯(cuò)配得不到修復(fù)而引起的突變，以及由于不同DNA分子之間的交換而引起的遺傳重組。（二）誘變劑的作用

堿基類似物(baseanalog)

堿基修飾劑(basemodifier)

嵌入染料(intercalationdye)

紫外線(ultraviolet)和電離輻射(ionizingradiation)（一）突變的類型

堿基對(duì)的置換(substitution)

移碼突變(framesshiftmutation)2024/11/1011

DNA突變的類型

-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-轉(zhuǎn)換

-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-插入A

-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失T野生型基因

-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-

-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-顛換堿基對(duì)的置換(substitution)移碼突變(framesshiftmutation)2024/11/1012五、DNA的損傷與修復(fù)

某些物理化學(xué)因子，如紫外線、電離輻射和化學(xué)誘變劑等，都有引起生物突變和致死的作用，其機(jī)理是作用于DNA，造成DNA結(jié)構(gòu)和功能的破壞，稱為DNA的損傷.DNA的修復(fù)主要有以下類型:暗修復(fù)（4）誘導(dǎo)修復(fù)（SOS修復(fù)）（1）光裂合酶修復(fù)活（2）切除修復(fù)（3）重組修復(fù)

2024/11/1013DNA紫外線損傷的光裂合酶修復(fù)1、形成嘧啶二聚體2、光復(fù)合酶結(jié)合于損傷部位3、酶被可見光激活4、修復(fù)后酶被釋放2024/11/1014DNA的損傷和切除修復(fù)堿基丟失堿基缺陷或錯(cuò)配結(jié)構(gòu)缺陷切開核酸內(nèi)切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA連接酶AP核酸內(nèi)切酶核酸外切酶切開切除修復(fù)連接糖苷酶插入酶堿基取代2024/11/1015DNA的重組修復(fù)胸腺嘧啶二聚體復(fù)制核酸酶及重組蛋白修復(fù)復(fù)制DNA聚合酶DNA連接酶重組2024/11/1016六、DNA指導(dǎo)下RNA的合成（轉(zhuǎn)錄）1、概念及DNA的有義鏈和反義鏈2、RNA聚合酶及催化反應(yīng)3、RNA合成過程4、RNA轉(zhuǎn)錄后的加工5、真核生物的RNA合成2024/11/1017轉(zhuǎn)錄的概念和DNA的有義鏈和反義鏈

轉(zhuǎn)錄是在DNA的指導(dǎo)下的RNA聚合酶的催化下，按照鹼基配對(duì)的原則，以四種核苷酸為原料合成一條與模板DNA互補(bǔ)的RNA

的過程。RNA的轉(zhuǎn)錄從DNA模板的特定位點(diǎn)開始，并在一定的位點(diǎn)終止。此轉(zhuǎn)錄區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)轉(zhuǎn)錄單位。

啟動(dòng)子（promoter)

終止子(terminator)模板鏈（templattestrand）反意義鏈(antisensestrand)有意義鏈(sensestrand)非信息區(qū)DNA5′5′3′3′2024/11/1018大腸桿菌RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)示意圖

核心酶(α2ββ

)起始因子β

——和模板DNA結(jié)合β——起始和催化聚合反應(yīng)α——？全酶(αββ

)2024/11/1019RNA聚合酶催化的反應(yīng)ACGACGUU模板DNA5′3′5′3′新合成RNA2024/11/1020RNA合成過程起始雙鏈DNA局部解開磷酸二酯鍵形成終止階段解鏈區(qū)到達(dá)基因終點(diǎn)延長階段5

3

RNA

啟動(dòng)子（promoter)

終止子(terminator)5

RNA聚合酶

5

3

5

3

5

5

3

離開2024/11/1021RNA鏈的延伸圖解3′3′RNA-DNA雜交螺旋聚合酶的移動(dòng)方向新生RNA復(fù)鏈解鏈有義鏈模板鏈（反義鏈）延長部位2024/11/1022原核生物中rRNA前體的加工

甲基化作用專一核酸內(nèi)切酶30S前體17StRNA25S專一核酸外切酶16SrRNAtRNA23SrRNA5S

rRNA專一核酸外切酶2024/11/1023tRNA前體分子的加工a、切除tRNA前體兩端多余的序列：

5’—端切除幾到10個(gè)核苷酸。b、末端添加：3’-端添加CCA序列。c、修飾：形成稀有堿基如DH2。RNAasePRNAaseFRNAasePRNAaseFRNAaseDRNAaseDACC

表示核酸內(nèi)切酶的作用表示核苷酸轉(zhuǎn)移酶的作用表示核酸外切酶的作用

表示異構(gòu)化酶的作用

2024/11/1024真核細(xì)胞mRNA的加工5′

“帽子”PolyA

3′

順反子(cistron)

m7G-5′ppp-N-3′pAAAAAAA-OH

5′端接上一個(gè)“帽子”(CAP)結(jié)構(gòu)

3′端添加PolyA“尾巴”,由RNA末端核苷酸轉(zhuǎn)移酶催化

剪接：剪去內(nèi)含子(intron)，拼接外顯子(extron)2024/11/1025酵母酪氨酸t(yī)RNA前體的加工早轉(zhuǎn)錄本成熟tRNA加工2024/11/1026真核生物和原核生物轉(zhuǎn)錄的差別

DNA核核糖體新生蛋白質(zhì)真核生物原核生物mRNA前體轉(zhuǎn)運(yùn)加工mRNAmRNA

真核生物中轉(zhuǎn)錄與復(fù)制在不同的區(qū)域

RNA聚合酶不相同

啟動(dòng)子不同

轉(zhuǎn)錄后RNA加工修飾不同2024/11/1027

皮肌炎是一種引起皮膚、肌肉、心、肺、腎等多臟器嚴(yán)重?fù)p害的，全身性疾病，而且不少患者同時(shí)伴有惡性腫瘤。它的1癥狀表現(xiàn)如下：1、早期皮肌炎患者，還往往伴有全身不適癥狀，如-全身肌肉酸痛，軟弱無力，上樓梯時(shí)感覺兩腿費(fèi)力；舉手梳理頭發(fā)時(shí)，舉高手臂很吃力；抬頭轉(zhuǎn)頭緩慢而費(fèi)力。皮肌炎圖片——皮肌炎的癥狀表現(xiàn)七、蛋白質(zhì)翻譯基因的遺傳信息在轉(zhuǎn)錄過程中從DNA轉(zhuǎn)移到mRNA，再由mRNA將這種遺傳信息表達(dá)為蛋白質(zhì)中氨基酸順序的過程叫做翻譯。合成體系：20種氨基酸,mRNA、tRNA、核蛋白體、酶和因子,以及無機(jī)離子、ATP、GTP合成方向：N→C端。2024/11/1029參與蛋白質(zhì)合成的三類RNA及核糖體1.rRNA

與蛋白質(zhì)一起構(gòu)成核糖體——蛋白質(zhì)合成“工廠”核糖體結(jié)構(gòu)組成

核糖體的基本功能結(jié)合mRNA，在mRNA上選擇適當(dāng)?shù)膮^(qū)域開始翻譯密碼子（mRNA）和反密碼子（tRNA）的正確配對(duì)肽鍵的形成

存在核糖體可游離存在，真核中，也可同內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合，形成粗糙的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。原核中，與mRNA形成串狀——多核糖體2024/11/10302024/11/1031原核生物核糖體組成真核生物核糖體組成2024/11/10322.tRNA

結(jié)合氨基酸：一種氨基酸有幾種tRNA攜帶，結(jié)合需要ATP供能,氨基酸結(jié)合在tRNA3‘-CCA的位置。

反密碼子：每種tRNA的反密碼子，決定了所帶氨基酸能準(zhǔn)確的在mRNA上對(duì)號(hào)入座。反密碼子與mRNA的第三個(gè)核苷酸配對(duì)時(shí)，不嚴(yán)格遵從堿基配對(duì)原則

2024/11/10333.mRNA

攜帶著DNA的遺傳信息，是多肽鏈的合成模板在原核細(xì)胞內(nèi)，存在時(shí)間短，在轉(zhuǎn)錄的同時(shí)翻譯在真核細(xì)胞內(nèi)，較穩(wěn)定蛋白質(zhì)合成時(shí)，mRNA結(jié)合于核糖體小亞基上，大亞基結(jié)合帶氨基酸的tRNA，tRNA的反密碼子與mRNA密碼子配對(duì)，ATP供能，合成蛋白質(zhì)。2024/11/1034遺傳密碼子為一個(gè)氨基酸編碼進(jìn)入蛋白質(zhì)多肽鏈特定線性位置的三個(gè)核苷酸單位稱為密碼子（Coden）或三聯(lián)體密碼。密碼子的發(fā)現(xiàn)

統(tǒng)計(jì)學(xué)方法人工合成僅由一種核苷酸組成的多聚核苷酸，推測(cè)由哪一種氨基酸合成的多肽核糖體結(jié)合試驗(yàn)1965年，Nirenberg用polyu加入C14標(biāo)記的20種aa,僅有苯丙氨酸的寡肽,UUU=苯丙氨酸,用此法破譯了全部密碼，編出遺傳密碼表。2024/11/1035遺傳密碼2024/11/1036遺傳密碼子的特點(diǎn)無標(biāo)點(diǎn)、不重疊

密碼子是不重疊的，每個(gè)三聯(lián)體中的三個(gè)核苷酸只編碼一個(gè)氨基酸，核苷酸不重疊使用噬菌體

x174中某些基因之間有重疊現(xiàn)象簡并(degeneracy)

幾種密碼子對(duì)應(yīng)于相同一種氨基酸。這些密碼子為同義密碼子通用性絕大多數(shù)密碼子對(duì)各種生物都適用，某些線粒體中遺傳密碼有例外終止信號(hào)

UAG、UAA、UGA起始信號(hào)

AUG（真核中起始為Met、原核中起始為fMet,翻譯中間為Met）和氨酸的密碼子(GUG)(極少出現(xiàn)）2024/11/1037四、蛋白質(zhì)生物合成過程以mRNA為模板，氨基酸經(jīng)活化獲得的氨酰tRNA為原料，GTP、ATP供能，在核糖體中完成。1.氨基酸的活化tRNA在氨基酰-tRNA合成酶的幫助下，能夠識(shí)別相應(yīng)的氨基酸，并通過tRNA氨基酸臂的3'-OH與氨基酸的羧基形成活化酯－氨基酰-tRNA。氨基酰-tRNA的形成是一個(gè)兩步反應(yīng)過程：第一步是氨基酸與ATP作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；第二步是氨基?；D(zhuǎn)移到tRNA的3'-OH端上,形成氨基酰-tRNA。2024/11/1038氨基酸活化圖示2024/11/1039氨基酸活化的總反應(yīng)式是：

氨基酰-tRNA合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O

氨基酰-tRNA+AMP+PPi每一種氨基酸至少有一種對(duì)應(yīng)的氨基酰-tRNA合成酶。它既催化氨基酸與ATP的作用,也催化氨基?；D(zhuǎn)移到tRNA。氨基酰-tRNA合成酶具有高度的專一性。每一種氨基酰-tRNA合成酶只能識(shí)別一種相應(yīng)的tRNA。tRNA分子能接受相應(yīng)的氨基酸,決定于它特有的堿基順序,而這種堿基順序能夠被氨基酰-tRNA合成酶所識(shí)別。2024/11/1040氨基酸的活化2024/11/10412.在核糖體上合成肽鏈氨基酰-tRNA通過反密碼臂上的三聯(lián)體反密碼子識(shí)別mRNA上相應(yīng)的遺傳密碼，并將所攜帶的氨基酸按mRNA遺傳密碼的順序安置在特定的位置，最后在核糖體中合成肽鏈。肽鏈的合成過程（以原核為例）起始延伸終止與釋放2024/11/1042肽鏈合成的起始起始密碼的識(shí)別首先辨認(rèn)出mRNA鏈上的起始點(diǎn)（AUG），核糖體小亞基上的16SrRNA和mRNA的SD序列（位于起始位點(diǎn)上游4－13個(gè)核苷酸）結(jié)合N－甲酰甲硫氨酸－tRNA的活化形成起始復(fù)合物的形成（圖示）2024/11/1043肽鏈的延長進(jìn)位

（氨酰tRNA進(jìn)入A位點(diǎn)）參與因子：延長因子EFTu（Tu）、EFTs（Ts）、GTP、氨酰tRNA肽鏈的形成肽?；鶑腜位點(diǎn)轉(zhuǎn)移到A位點(diǎn)，形成新的肽鏈移位（translocase）在移位因子（移位酶）EF－G的作用下，核糖體沿mRNA（5’-3’）作相對(duì)移動(dòng)，使原來在A位點(diǎn)的肽酰－tRNA回到P位點(diǎn)2024/11/1044核糖體移動(dòng)方向P位點(diǎn)A位點(diǎn)2024/11/1045進(jìn)位核糖體移位肽鏈的形成2024/11/1046延長過程中肽鏈的生成肽基轉(zhuǎn)移酶2024/11/1047肽鏈的延伸過程2024/11/1048肽鏈合成的終止與釋放識(shí)別mRNA的終止密碼子，水解所合成肽鏈與tRNA間的酯鍵，釋放肽鏈R1識(shí)別UAA、UAGR2識(shí)別UAA、UGAR3影響肽鏈的釋放速度RR幫助P位點(diǎn)的tRNA殘基脫落，而后核糖體脫落2024/11/1049多核糖體在細(xì)胞內(nèi)一條mRNA鏈上結(jié)合著多個(gè)核糖體，甚至可多到幾百個(gè)。蛋白質(zhì)開始合成時(shí)，第一個(gè)核糖體在mRNA的起始部位結(jié)合，引入第一個(gè)蛋氨酸，然后核糖體向mRNA的3’端移動(dòng)一定距離后，第二個(gè)核糖體又在mRNA的起始部位結(jié)合，現(xiàn)向前移動(dòng)一定的距離后，在起始部位又結(jié)合第三個(gè)核糖體，依次下去，直至終止。每個(gè)核糖體都獨(dú)立完成一條多肽鏈的合成，所以這種多核糖體可以在一條mRNA鏈上同時(shí)合成多條相同的多肽鏈，這就大大提高了翻譯的效率

2024/11/1050真核細(xì)胞蛋白質(zhì)合成的特點(diǎn)核糖體為80S，由60S的大亞基和40S的小亞基組成起始密碼AUG起始tRNA為Met－tRNA起始復(fù)合物結(jié)合在mRNA5’端AUG上游的帽子結(jié)構(gòu)，真核mRNA無富含嘌呤的SD序列（除某些病毒mRNA外）已發(fā)現(xiàn)的真核起始因子有近9種（eukaryoteInitiationfactor,eIF）eIF4A.eIF4E.P220復(fù)合物稱為帽子結(jié)構(gòu)結(jié)