《遗传信息传递》PPT课件.pptVIP

基因信息的传递(2),高 颖 大连医科大学生化教研室 ,转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,基因表达,转录（transcription） 生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。,转录,DNA,转录与复制的相似点： 1. 模板均为DNA 2. 延长机理都是形成磷酸二酯键 3. 方向均为53。,转录和复制的区别,参与转录的物质,原料: NTP（ATP, UTP, GTP, CTP） 模板: DNA 酶: RNA聚合酶（RNA polymerase, RNA-pol） 其他蛋白质因子,一、转录模板,能转录出RNA的DNA区段,模板链 (template strand),编码链 (coding strand),编码链,模板链,双链DNA分子中能作为模板转录出RNA的链，称为模板链。又叫有意义链（sense strand）或Watson链。 另一条互补链称为编码链，又叫反义链（antisense strand）或 Crick链。,转录产物RNA的碱基序列，除了 T 变U 外，其余与编码链相同。,不对称转录 (asymmetric transcription) 在DNA分子双链上某一区段，一股链可转录，另一股链不转录； 模板链并非永远在同一单链上。,二、RNA聚合酶（DDRP） 1. 原核生物的RNA聚合酶 E.coli的RNA聚合酶是由四种亚基组成的六聚体（ 2 ）,E. coli RNA聚合酶组分,RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,2. 真核生物的RNA聚合酶,RNA聚合酶、都由多个 亚基组成。有些亚基是三种酶所共有。 mRNA是各种RNA中寿命最短、 最不稳定的，需经常重新合成。因此RNA聚合酶是三种酶中最活跃的。,三、酶与模板的辨认结合 原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)，包括若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。 RNA聚合酶结合模板DNA的部位称为启动子(promoter)。是调控转录的关键部位。,原核生物启动子 35区：一致性序列为TTGACA 是RNA-pol的辨认位点 10区：一致性序列为TATAAT 又叫Pribnow盒 是RNA-pol的结合位点,真核生物启动子,转录过程 起始(initiation) 延长(elongation) 终止(termination),一、原核生物的转录过程,（一）转录起始 1. RNA聚合酶结合在转录模板的起始区域。 2. DNA双链解开，以一条链为模板，合成第一个磷酸二酯键。,2. DNA双链解开。,1. RNA聚合酶全酶(2)与模板结合。,3. 在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物。,5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + PPi,转录起始过程,RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3,转录起始复合物,（二）转录延长,1. 亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；,2. 在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。,(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi,转录的起始及延长过程,(三) 转录终止 RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。,分类：,依赖Rho ()因子的转录终止 非依赖Rho因子的转录终止,1. 依赖因子的转录终止 因子是同六聚体蛋白； 因子能结合RNA，与poly C的结合力最强； 因子还有ATP酶和解螺旋酶的活性。,2. 不依赖因子的转录终止 DNA模板上靠近终止处，有特殊的碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。,二、真核生物的转录过程,（一）转录起始,真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。,转录起始点,TATA盒,CAAT盒,GC盒,增强子,顺式作用元件(cis-acting element),1. 转录起始前的上游区段,AATAAA,切离加尾,转录终止点,修饰点,外显子,翻译起始点,内含子,OCT-1,OCT-1：ATTTGCAT八聚体,2. 转录因子,能直接或间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，统称为反式作用因子(trans-acting factors)。,反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子(trans-criptional factors, TF)。,参与RNA-pol 转录的TF,3. 转录起始前复合物 (pre-initiation complex, PIC),真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。,（二）转录延长,真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。,RNA-pol前移处处都遇上核小体。,转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。,RNA-Pol,RNA-Pol,RNA-Pol,核小体,转录延长中的核小体移位,转录方向,（三）转录终止,真核生物的转录后修饰 Post-transcriptional Modification,一、mRNA的转录后加工 (一)首尾的修饰 1. 5-端加帽：m7GpppG 2. 3-端加尾：多聚腺苷酸 (poly A),（二）mRNA的剪接,1. hnRNA 和 snRNA,核内的初级mRNA称为杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA) snRNA (small nuclear RNA),真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。,断裂基因(splite gene),非编码区 A G,编码区17,2. 外显子(exon)和内含子(intron),外显子 在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。 内含子 隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。,鸡卵清蛋白基因,hnRNA,首、尾修饰,hnRNA剪接,成熟的mRNA,鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰,碱基修饰,三、rRNA的转录后加工,5.8S和28S-rRNA,rDNA,内含子,内含子,28S,5.8S,18S,45S - rRNA,Protein Biosynthesis (Translation),蛋白质的生物合成(翻译),1954年，Paul Zamecnik及其同事实验证明体内蛋白质是由氨基酸合成的。1956年，他们发现了氨基酰-tRNA合成酶。 1958年，M. B. Hoagland和Zamecnik又发现蛋白质生物合成需要可溶性RNA为中介。 1961年，Howard Dintzis证明血红蛋白肽链合成方向是从N-末端向C-末端进行。 19611966年间，Nirencerg、Matthaei和Khorana先后确定了64个遗传密码。 19731976年，麦胚无细胞体系、兔网织无细胞体系分别建立，蛋白质合成的具体过程终于揭晓。,蛋白质的生物合成过程就是将mRNA分子中由碱基序列组成的遗传信息，通过遗传密码破译的方式转变成为蛋白质中的氨基酸排列顺序，因而称为翻译（translation)。,蛋白质合成体系 Protein Biosynthesis System,20种氨基酸作为原料 酶及蛋白因子，如IF、eIF等 ATP、GTP、无机离子,参与蛋白质生物合成的物质包括：,三种RNA mRNA rRNA tRNA,一、mRNA是蛋白质/多肽链合成的模板,在遗传信息传递过程中，DNA转录生成mRNA，mRNA作为蛋白质合成的直接模板，指导蛋白质多肽链的合成。 mRNA包括 5-非翻译区(5-untranslated region, 5-UTR) 开放阅读框架区(open reading frame, ORF) 3-非翻译区(3-untranslated region, 3-UTR),遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子（cistron）。 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子（polycistron）。 真核生物一个mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子（single cistron）。,原核生物mRNA,真核生物mRNA,目 录,（一）mRNA含有64种密码子,mRNA分子上每3个核苷酸构建一个密码子，编码某一特定氨基酸或作为蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码(triplet codon)，也称遗传密码子(genetic codon)。,起始密码(initiation codon): AUG,终止密码(termination codon): UAA、UAG、UGA,遗传密码表,目 录,遗传密码具有通用性 (universal),（二）遗传密码具有几个特性,从原核生物生物（包括病毒、细菌等）、真核生物以及人类都共同使用同一套遗传密码。 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。,密码子具有方向性(direction),起始密码子总是位于mRNA开放阅读框架的5末端，终止密码子位于3末端。 翻译的方向是从5到3末端。,3. 遗传密码具有连续性(commaless),密码子按5 3方向每3个一组阅读框架顺序翻译，无标点、不重叠，即连续性 mRNA开放阅读框架内发生一个或两个碱基插入或缺失，可引起移码突变(frameshift mutation)。翻译的蛋白质氨基酸顺序则发生改变。,4. 遗传密码具有简并性(degeneracy),目 录,简并性，即同一种氨基酸具有多个密码子，或者多个密码子代表一种氨基酸的现象。 遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅对应一个密码子外，其余氨基酸均有一个以上密码子为其编码。,简并性(degeneracy),目 录,编码同一氨基酸的不同密码子互称同义密码子；同义密码子之间的差异通常只在第3位碱基上，,5. 遗传密码具有摆动性（wobble）,密码子第3位碱基与tRNA反密码子的第1位碱基不严格遵守碱基配对规律，而是摆动碱基配对。,U,摆动配对,目 录,密码子、反密码子配对的摆动性,二、一种tRNA只能转运一种氨基酸但一种氨基酸可由几种tRNA转运,反密码环,氨基酸臂,tRNA的三级结构示意图,三、rRNA与蛋白质组成核糖体 ,目 录,蛋白质合成场所,核糖体的组成,目 录,原核生物核糖体 70 S Mt 2.7106 真核生物核糖体 80S Mt 4.2106,核糖体在蛋白质合成中有主要作用,具有结合mRNA的位点； 与起始因子、延长因子、释放因子及各种酶的 结合位点； 两个tRNA结合的位点，A位点是氨基酰tRNA结 合位点，P位点是肽酰tRNA结合位点。 通过将mRNA、氨基酰-tRNA和相关的蛋白因子放置在正确的位置来调节蛋白质的合成。 核糖体是合成蛋白质的场所。,20种氨基酸（AA） 酶及众多蛋白因子，如氨基酰-tRNA合成酶、起始因子(initiation factor，IF) 、延长因子（elongation factor，EF）、释放因子（release factor，RF）。 ATP、GTP 无机离子,四、蛋白质合成体系还需要其他辅助因子,大肠杆菌蛋白质合成的5个阶段所需化合物,1,氨基酸的活化,20,种氨基酸,20,种氨基酰,-,tRNA,合成酶,32,种（或多于,32,种）,tRNA,ATP,、,Mg,2+,2,起始,mRNA,N,-,甲酰甲硫氨酰,-,tRNA,fmer,mRNA,上的起始密码子（,AUG,）,30S,核糖体亚基,50S,核糖体亚基,起始因子（,IF,-,1, IF,-,2, IF,-,3,）,GTP,、,Mg,2+,3,延长,具有功能的,70S,核糖体（起始复合物）,密码子特异的氨基酰,-,tRNA,延长因子（,EF,-,Tu, EF,-,Ts, EF,-,G,）,GTP,、,Mg,2+,4,终止与释放,mRNA,上的终止密码,释放因子（,RF,-,1, RF,-,2, RF,-,3,）,5,折叠和翻译后的加工,特异酶、辅助因子、除去起始残基和信号肽所需的化合物，,水解过程，末端残基的修饰，磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅,基结合到蛋白质上,阶段,必需化合物,1,氨基酸的活化,20,种氨基酸,20,种氨基酰,-,tRNA,合成酶,32,种（或多于,32,种）,tRNA,ATP,、,Mg,2+,2,起始,mRNA,N,-,甲酰甲硫氨酰,-,tRNA,mRNA,上的起始密码子（,AUG,）,30S,核糖体亚基,50S,核糖体亚基,起始因子（,IF,-,1, IF,-,2, IF,-,3,）,GTP,、,Mg,2+,3,延长,具有功能的,70S,核糖体（起始复合物）,密码子特异的氨基酰,-,tRNA,延长因子（,EF,-,Tu, EF,-,Ts, EF,-,G,）,GTP,、,Mg,2+,4,终止与释放,mRNA,上的终止密码,释放因子（,RF,-,1, RF,-,2, RF,-,3,）,5,折叠和翻译后的加工,特异酶、辅助因子、除去起始残基和信号肽所需的化合物，,水解过程，末端残基的修饰，磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅,基结合到蛋白质上,阶段,必需化合物,原核生物核蛋白体结构模式,氨基酸 + tRNA,氨基酰- tRNA,ATP,AMPPPi,氨基酰-tRNA合成酶,（一）氨基酰-tRNA合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase),氨基酸的活化,真核生物： Met-tRNAiMet 原核生物： fMet-tRNAifMet,（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA,蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis,蛋白质合成中 mRNA模板的方向：5 3； 蛋白质的合成方向：N端 C端。 蛋白质合成过程： 起始 延长 终止,一、肽链合成起始,指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物 (translational initiation complex)。 参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiation factor，IF）。,参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiation factor，IF）。原核生物起始因子有三种： IF-1：占据A位防止结合其他tRNA。 IF-2：促进起始tRNA与小亚基结合。 IF-3：促进大小亚基分离，提高P位对结合起始tRNA敏感性。,S-D序列： 在原核生物mRNA起始密码AUG上游，存在49个富含嘌呤碱的一致性序列，如-AGGAGG-，称为S-D序列。又称为核蛋白体结合位点（ribosomal binding site，RBS),S-D序列,（一）原核生物翻译起始复合物形成,核蛋白体大小亚基分离； mRNA在小亚基定位结合； 起始氨基酰-tRNA的结合； 核蛋白体大亚基结合。,原核细胞中转录和翻译偶联,（二）真核生物翻译起始复合物形成,核蛋白体大小亚基分离； 起始氨基酰-tRNA结合； mRNA在核蛋白体小亚基就位； 核蛋白体大亚基结合。,真核生物翻译起始因子,真核生物翻译起始复合物形成过程,真核生物翻译起始的特点 核蛋白体是80S； 起始因子种类多； 起始tRNA的Met不需甲酰化； mRNA的5帽子和3poly A尾结构与mRNA在核蛋白体就位有关； 起始tRNA先与核蛋白体小亚基结合，然后再结合mRNA,二、肽链的延长,指按照mRNA密码序列的指导，依次添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。,肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环（ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸，分为以下三步： 进位（entrance） 成肽（peptide bond formation） 转位（translocation）,肽链合成的延长因子,真核生物肽链合成的延长过程与原核基本相似，但有不同的反应体系和延长因子。 另外，真核细胞核蛋白体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。,（四）真核生物延长过程,三、肽链合成的终止,当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。,终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release factor, RF),识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。 诱导转肽酶改变为酯酶活性，使肽链从核蛋白体上释放。,释放因子的功能,原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF,蛋白质合成后加工和输送Posttranslational Processing & Protein Transportation,从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象的功能蛋白。,主要包括,多肽链折叠为天然的三维结构 肽链一级结构的修饰 高级结构修饰,一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质,新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后进行，新生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模体、结构域到形成完整的空间构象。 大多数天然蛋白质折叠都需要其他酶和蛋白质的辅助。,几种有促进蛋白折叠功能的大分子,1. 分子伴侣 (molecular chaperon) 2. 蛋白二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI) 3. 肽-脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI),（1）热休克蛋白(