遗传信息传递的中心法则及基因表达.ppt

第七章 遗传信息传递的中心法则及基因表达,一、 遗传信息传递的 中心法则,生物的遗传信息以密码的形式储存在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，通过DNA复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过转录传递给RNA，再由RNA通过翻译转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们又发现，在宿主细胞中一些RNA病毒能以自己的RNA为模板复制出新的病毒RNA，还有一些RNA病毒能以其RNA为模板合成DNA，称为逆转录这是中心法则的补充。,中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。,二、基因复制的忠实性,DNA复制过程是一个高度精确的过程，据估计，大肠杆菌DNA复制109-1010碱基对仅出现一个误差，保证复制忠实性的原因主要有以下三点:,a、DNA聚合酶的高度专一性（严格遵循 碱基配对原则）,b、DNA聚合酶的校对功能（错配碱基被3-5 外切酶切除）,c、起始时以RNA作为引物,DNA聚合酶的3- 5 外切酶水解位点,DNA聚合酶的校对功能,DNA聚合酶的校对功能,聚合酶,错配硷基,复制方向,正 确核苷酸,5,5,5,3,3,3,切除错配核苷酸,三、逆 转 录 作 用,1、概念,2、逆转录酶,3、病毒逆转录过程,4、逆转录的生物学意义,扩充了中心法则 有助于对病毒致癌机制的了解 与真核细胞分裂和胚胎发育有关 逆转录酶是分子生物学重要工具酶,三种功能,逆转录过程中cDNA的合成,逆逆转录病毒的生活周期 生活周期,RNA,衣壳,被膜,逆转录酶,转录,转译,整合入宿主细胞染色体DNA,进入细胞,丢失被膜,丢失衣壳,逆转录,RNA,RNA,cDNA,衣壳蛋白,被膜蛋白,逆转录酶,四、DNA的突变,DNA分子中的核苷酸序列发生突然而稳定的改变，从而导致DNA的复制以及后来的转录和翻译产物随之发生变化，表现出异常的遗传特性，称为DNA的突变。它包括由于DNA损伤和错配得不到修复而引起的突变，以及由于不同DNA分子之间的交换而引起的遗传重组。,（二）诱变剂的作用 碱基类似物(base analog) 碱基修饰剂(base modifier) 嵌入染料(intercalation dye) 紫外线(ultraviolet)和电离辐射(ionizing radiation),（一）突变的类型 碱基对的置换(substitution) 移码突变(framesshift mutation),DNA突变的类型,野生型基因,碱基对的置换(substitution),移码突变 (framesshift mutation),五、DNA的损伤与修复,某些物理化学因子，如紫外线、电离辐射和化学诱变剂等，都有引起生物突变和致死的作用，其机理是作用于DNA，造成DNA结构和功能的破坏，称为DNA的损伤. DNA的修复主要有以下类型:,暗修复,（4）诱导修复（SOS修复）,（1）光裂合酶修复活,（2）切除修复,（3）重组修复,DNA紫外线损伤的光裂合酶修复,1、形成嘧啶二聚体,2、光复合酶结合于 损伤部位,3、酶被可见光激活,4、修复后酶被释放,DNA的损伤和切除修复,碱基丢失,碱基缺陷或错配,结构缺陷,切开,核酸内切酶,核酸外切酶,切除,DNA聚合酶,DNA连接酶,AP核酸内切酶,核酸外切酶,切开,切除,修复,连接,糖苷酶,插入酶,碱基取代,DNA的重组修复,胸腺嘧啶二聚体,复制,核酸酶及重组蛋白,修复复制,DNA聚合酶,DNA连接酶,重组,六、DNA指导下RNA的合成（转录）,1、概念及DNA的有义链和反义链,2、RNA聚合酶及催化反应,3、RNA合成过程,4、RNA转录后的加工 5、真核生物的RNA合成,转录的概念和DNA的有义链和反义链,转录是在 DNA的指导下的RNA聚合酶的催化下，按照硷基配对的原则，以四种核苷酸为原料合成一条与模板DNA互补的RNA 的过程。RNA的转录从DNA模板的特定位点开始，并在一定的位点终止。此转录区域为一个转录单位。,启动子（promoter),终止子(terminator),模板链（templatte strand） 反意义链(antisense strand),有意义链(sense strand),非信息区,DNA,5,5,3,3,大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图,核心酶(2),起始因子,和模板DNA结合 起始和催化聚合反应 ？,全酶( ),RNA聚合酶催化的反应,A,C,G,A,C,G,U,U,模板DNA,5,3,新合成RNA,RNA合成过程,起始,双链DNA局部解开,磷酸二酯键形成,终止阶段,解链区到达基因终点,延长阶段,RNA,启动子（promoter),终止子(terminator),RNA链的延伸图解,原核生物中rRNA前体的加工,甲基化作用 专一核酸内切酶,30S前体,17S,tRNA,25S,专一核酸外切酶,16S rRNA,tRNA,23S rRNA,5S rRNA,专一核酸外切酶,tRNA前体分子的加工,a、切除tRNA前体两端多余的序列： 5端切除几到10个核苷酸。,b、末端添加：3-端添加CCA序列。,c、修饰：形成稀有碱基如DH2 。,RNAaseP,RNAaseF,RNAaseP,RNAaseF,RNAaseD,RNAaseD,ACC,表示核酸内切酶的作用,表示核苷酸转移酶的作用,表示核酸外切酶的作用,表示异构化酶的作用,真核细胞mRNA的加工,5 “帽子”,PolyA 3,顺反子(cistron ),AAAAAAA-OH, 5端接上一个“帽子”(CAP)结构 3端添加PolyA“尾巴”,由RNA末端核苷酸转移酶催化 剪接：剪去内含子(intron)，拼接外显子(extron),酵母酪氨酸tRNA前体的加工,早转录本,成熟tRNA,加工,真核生物和原核生物转录的差别,DNA,核,核糖体,新生蛋白质,真核生物,原核生物,mRNA前体,转运,加工,mRNA,mRNA, 真核生物中转录与复制在不同的区域 RNA聚合酶不相同 启动子不同 转录后RNA加工修饰不同,七、蛋白质翻译,基因的遗传信息在转录过程中从DNA转移到mRNA，再由mRNA将这种遗传信息表达为蛋白质中氨基酸顺序的过程叫做翻译。 合成体系：20种氨基酸,mRNA、tRNA、核蛋白体、酶和因子,以及无机离子、ATP 、GTP 合成方向：NC端。,参与蛋白质合成的三类RNA及核糖体,1.rRNA 与蛋白质一起构成核糖体蛋白质合成“工厂” 核糖体结构组成 核糖体的基本功能 结合mRNA，在mRNA上选择适当的区域开始翻译 密码子（mRNA）和反密码子（tRNA）的正确配对 肽键的形成 存在 核糖体可游离存在，真核中，也可同内质网结合，形成粗糙的内质网。原核中，与mRNA形成串状多核糖体,原核生物核糖体组成,真核生物核糖体组成,2. tRNA 结合氨基酸：一种氨基酸有几种tRNA携带，结合需要ATP供能,氨基酸结合在tRNA3-CCA的位置。 反密码子：每种tRNA的反密码子，决定了所带氨基酸能准确的在mRNA上对号入座 。 反密码子与mRNA的第三个核苷酸配对时，不严格遵从碱基配对原则,3. mRNA 携带着DNA的遗传信息，是多肽链的合成模板 在原核细胞内，存在时间短，在转录的同时翻译 在真核细胞内，较稳定 蛋白质合成时，mRNA结合于核糖体小亚基上，大亚 基结合带氨基酸的tRNA，tRNA的反密码子与mRNA密码子配对，ATP供能，合成蛋白质。,遗传密码子,为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线性位置的三个核苷酸单位称为密码子（Coden）或三联体密码。 密码子的发现 统计学方法 人工合成仅由一种核苷酸组成的多聚核苷酸，推测由哪一种氨基酸合成的多肽 核糖体结合试验 1965年，Nirenberg用poly u加入C14标记的20种aa,仅有苯丙氨酸的寡肽,UUU=苯丙氨酸,用此法破译了全部密码，编出遗传密码表。,遗传密码,遗传密码子的特点 无标点、不重叠 密码子是不重叠的，每个三联体中的三个核苷酸只编码一个氨基酸，核苷酸不重叠使用噬菌体x174中某些基因之间有重叠现象 简并(degeneracy) 几种密码子对应于相同一种氨基酸。这些密码子为同义密码子 通用性 绝大多数密码子对各种生物都适用，某些线粒体中遗传密码有例外 终止信号 UAG、UAA、UGA 起始信号 AUG（真核中起始为Met、原核中起始为fMet,翻译中间为Met）和氨酸的密码子(GUG)(极少出现）,四、蛋白质生物合成过程,以mRNA为模板，氨基酸经活化获得的氨酰tRNA为原料，GTP、ATP供能，在核糖体中完成。,1.氨基酸的活化,tRNA在氨基酰-tRNA 合成酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，并通过tRNA氨基酸臂的 3-OH 与氨基酸的羧基形成活化酯氨基酰-tRNA。 氨基酰-tRNA的形成是一个两步反应过程：第一步是氨基酸与 ATP 作用, 形成氨基酰腺嘌呤核苷酸； 第二步是氨基酰基转移到 tRNA 的 3-OH 端上, 形成氨基酰-tRNA。,氨基酸活化图示,氨基酸活化的总反应式是：,氨基酰-tRNA 合成酶 氨基酸 + ATP + tRNA + H2O 氨基酰-tRNA + AMP + PPi 每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰-tRNA 合成酶。它既催化氨基酸与 ATP 的作用, 也催化氨基酰基转移到 tRNA。 氨基酰-tRNA 合成酶具有高度的专一性。 每一种氨基酰-tRNA 合成酶只能识别一种相应的 tRNA。 tRNA 分子能接受相应的氨基酸, 决定于它特有的碱基顺序, 而这种碱基顺序能够被氨基酰-tRNA 合成酶所识别。,氨基酸的活化,2.在核糖体上合成肽链,氨基酰-tRNA通过反密码臂上的三联体反密码子识别mRNA上相应的遗传密码，并将所携带的氨基酸按mRNA遗传密码的顺序安置在特定的位置，最后在核糖体中合成肽链。,肽链的合成过程（以原核为例） 起始 延伸 终止与释放,肽链合成的起始,起始密码的识别 首先辨认出mRNA链上的起始点（AUG），核糖体小亚基上的16S rRNA和mRNA的SD序列（位于起始位点上游413个核苷酸）结合 N甲酰甲硫氨酸tRNA的活化形成 起始复合物的形成（图示）,肽链的延长,进位 （氨酰tRNA进入A位点） 参与因子：延长因子EFTu（Tu）、EFTs（Ts）、GTP、氨酰tRNA 肽链的形成 肽酰基从P位点转移到A位点，形成新的肽链 移位（translocase） 在移位因子（移位酶）EFG的作用下，核糖体沿mRNA（5-3）作相对移动，使原来在A位点的肽酰tRNA回到P位点,肽链的延伸过程,肽链合成的终止与释放 识别mRNA的终止密码子，水解所合成肽链与tRNA间的酯键，释放肽链 R1识别UAA、UAG R2识别UAA、UGA R3影响肽链的释放速度 RR帮助P位点的tRNA残基脱落，而后核糖体脱落,多核糖体,在细胞内一条mRNA链上结合着多个核糖体，甚至可多到几百个。蛋白质开始合成时，第一个核糖体在mRNA的起始部位结合，引入第一个蛋氨酸，然后核糖体向mRNA的3端移动一定距离后，第二个核糖体又在mRNA的起始部位结合，现向前移动一定的距离后，在起始部位又结合第三个核糖体，依次下去，直至终止。每个核糖体都独立完成一条多肽链的合成，所以这种多核糖体可以在一条mRNA链上同时合成多条相同的多肽链，这就大大提高了翻译的效率,真核细胞蛋白质合成的特点,核糖体为80S，由60S的大亚基和40S的小亚基组成 起始密码AUG 起始tRNA为MettRNA 起始复合物结合在mRNA 5端AUG上游的帽子结构，真核mRNA无富含嘌呤的SD序列（除某些病毒mRNA外） 已发现的真核起始因子有近9种（eukaryote Initiation factor,eIF） eIF4A.eIF4E.P220复合物称为帽子结构结合蛋白复合物（CBPC） 肽链终止因子（EF1 EF1 ）及释放因子（RF）,线粒体、叶绿体内蛋白质的合成同于原核细胞,肽链合成后的“加工处理”,N端改造 fMet的切除 信号肽（能透膜，进行蛋白质的锚定）的切除 氨基酸的修饰/改造 肽链内或肽链间的二硫键的形成、乙酰化、甲基化 氨基酸残基的修饰（Pro-OH/Cys-OH） 4.糖基化 （Asp、Ser、Thr、Asn） 5. 某些多肽要经特殊的酶切一段肽链后才有生物活性(如：胰岛素) 6. 高级结构的形成 在分子伴侣的协助下形成正确的结构 7.锚定（定位）,蛋白质生物合成的调节,转录水平调节 转录后水平调节 翻译水平调节 蛋白质合成抑制剂： 抗生素类阻断剂 a. 链霉素、卡那霉素、新霉素等，主要抑制革兰氏阴性细菌蛋白质合成的三个阶段：50S起始复合物的形成，使氨基酰tRNA从复合