第三讲新遗传物质分子基础PPT课件.ppt

第三章遗传物质的分子基础 基因必须表现三种基本的功能 1 遗传功能即基因的复制 遗传物质必须贮存遗传信息 并能将其复制且一代一代精确地传递下去 2 表型功能即基因的表达 遗传物质必须控制生物体性状的发育和表达 3 进化功能即基因的变异 遗传物质必须发生变异 以适应外界环境的变化 没有变异就没有进化 遗传学诞生后 在二十世纪的上半叶 人们建立了基因遗传的染色体理论 认为基因存在于染色体上 但没有对基因的化学本质作出回答 1 第一节DNA是主要遗传物质 基因存在于染色体上 脱氧核糖核酸 DNA 核酸核糖核酸 RNA 组蛋白染色体蛋白质非组蛋白少量的拟脂与无机物质 27 6 66 分子遗传学拥有大量直接和间接证据 说明DNA是主要的遗传物质 2 一 DNA作为主要遗传物质的间接证据 大部分DNA存在于染色体上 RNA和蛋白质在细胞质内也很多 每个物种不同组织的细胞不论其大小和功能如何 它们的DNA含量是恒定的 精子或卵子中的DNA含量正好是体细胞的一半 而细胞内的RNA和蛋白质量在不同细胞间变化很大 另外 多倍体系列的一些物种 其细胞中DNA的含量随染色体倍数的增加 也呈现倍数性的递增 DNA在代谢上比较稳定 细胞内蛋白质和RNA分子与DNA分子不同 它们在迅速形成的同时 又不断分解 而原子一旦被DNA分子所摄取 则在细胞保持健全生长的情况下 保持稳定 不会离开DNA 基因突变与DNA分子的变异密切相关 用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时 其最有效的波长为260nm 这与DNA所吸收的紫外线光谱是一致的 3 一 细菌的转化肺炎双球菌有两种不同的类型 1 光滑型 S型 被一层多糖类的荚膜所保护 具有毒性 在培养基上形成光滑的菌落 2 粗糙型 R型 没有荚膜和毒性 在培养基上形成粗糙的菌落 二 DNA作为主要遗传物质的直接证据 在R型和S型内还可以按血清免疫反应不同 分成许多抗原型 常用R R 和S S S 等加以区别 4 1928年Criffith将少量无毒的R 型肺炎双球菌注入家鼠体内 再将大量无毒但已加热杀死的S 型肺炎双球菌注入同一只鼠体内 结果家鼠发病死亡 从死鼠体内分离出S 型的肺炎双球菌 肺炎双球菌转化实验 5 16后 Avery等用生物化学方法证明这种引起转化的物质是DNA 他们将S 型细菌的DNA提取物与R 型细菌混合在一起 在离体培养条件下 成功的使少数R 型细菌定向转化为S 型细菌 6 迄今 已经在几十种细菌和放线菌中成功地获得了遗传性状的定向转化 这些试验都证明起转化作用的物质是DNA 二 噬菌体的侵染与繁殖噬菌体是极小的低级生命类型 必须在电子显微镜下才可以看到 据研究T2噬菌体DNA进入到大肠杆菌内 可以利用大肠杆菌的材料来制造自己的DNA 蛋白质外壳和尾部 从而形成完整的新生的噬菌体 7 赫尔希等用同位素32P和35S分别标记T2噬菌体的DNA与蛋白质 因为P是DNA的组分 但不见于蛋白质 而S是蛋白质的组分 但不见于DNA 然后用标记的T2噬菌体 32P或35S 分别感染大肠杆菌 经10分钟后 用搅拌器甩掉附着于细胞外面的噬菌体外壳 8 第一种情况下 基本上全部放射活性见于细菌内而不被甩掉并可传递给子代 第二种情况下 放射性活性大部分见于被甩掉的外壳中 细菌内只有较低的放射性活性 且不能传递给子代这样看来 主要是由于DNA进入细胞内才产生完整的噬菌体 所以说DNA是具有连续性的遗传物质 9 三 烟草花叶病毒的感染和繁殖烟草花叶病毒 TMV 是由RNA与蛋白质组成的管状微粒 它的中心是单螺旋的RNA 外部是蛋白质的外壳 10 佛兰科尔 康拉特与辛格尔 Frankel Conrat H 和Singer B 把TMV的RNA与另一个病毒品系 HR Holmesribgrass 的蛋白质 重新合成混合的烟草花叶病毒 用它感染烟草叶片时 所产生的新病毒颗粒与提供RNA的品系完全一样 亦即亲本的RNA决定了后代的病毒类型 以上实例均直接证明DNA是生物主要的遗传物质 而在缺少DNA的生物中 RNA则为遗传物质 11 第二节核酸的化学结构 核酸 nucleicacid 是一种高分子的化合物 它的构成单元是核苷酸 nucleotide 两个核苷酸之间由3 和5 位的磷酸二脂键相连 核酸有两种 脱氧核糖核酸 DNA 和核糖核酸 RNA 两种核酸的主要区别如下 12 DNA通常是双链一般较长 RNA主要为单链 分子链较短 二 DNA的分子结构 一 DNA的双螺旋结构DNA分子是脱氧核苷酸的多聚体 含有4种脱氧核苷酸 脱氧腺嘌呤核苷酸 dATP 脱氧胸腺嘧啶核苷酸 dTTP 脱氧鸟嘌呤核苷酸 dGTP 脱氧胞嘧啶核苷酸 dCTP 13 1953年 瓦特森 Watson J D 和克里克 Crick F 根据碱基互补配对的规律以及对DNA分子的X射线衍射研究的成果 提出了著名的DNA双螺旋结构模型 这个模型最主要特点有 1 由两条互补的多核苷酸链以右手螺旋的形式 彼此以一定的空间距离 平行地环绕于同一轴上 很象一个扭曲起来的梯子 14 2 两条多核苷酸链走向为反向平行 antiparallel 即一条链磷酸二脂键为5 3 方向 而另一条为3 5 方向 二者刚好相反 3 每条长链的内侧是扁平的盘状碱基 碱基一方面与脱氧核糖相联系 另一方面通过氢键 hydrogenbond 与它互补的碱基相联系 相互层叠宛如一级一级的梯子横档 互补碱基对A与T之间形成两对氢键 而C与G之间形成三对氢键 上下碱基对之间的距离为3 4nm 15 4 每个螺旋为3 4nm长 刚好含有10个碱基对 其直径约为2nm 5 在双螺旋分子的表面大沟 majorgroove 和小沟 minorgroove 交替出现 由此可知 DNA的分子结构是由A T和C G两种核苷酸对从头到尾连接起来的 每个DNA分子一般有上万个这两种核苷酸对 但是它们在分子链内排列的位置和方向只有以下四种形式 对一特定物种的DNA分子来说 其碱基顺序是一定的 并且通常保持不变 这样才能保持该物种遗传特性的稳定 只有在特殊的条件下 改变其碱基顺序或位置或以碱基类似物代替某一碱基时 才出现遗传的变异 突变 16 DNA双螺旋结构的生物学意义 DNA双螺旋结构的提出开始 便开启了分子生物学时代 分子生物学使生物大分子的研究进入一个新的阶段 使遗传的研究深入到分子层次 生命之谜 被打开 人们清楚地了解遗传信息的构成和传递的途径 在以后的近50年里 分子遗传学 分子免疫学 细胞生物学等新学科如雨后春笋般出现 一个又一个生命的奥秘从分子角度得到了更清晰的阐明 DNA重组技术更是为利用生物工程手段的研究和应用开辟了广阔的前景 在人类最终全面揭开生命奥秘的进程中 化学已经并将更进一步地为之提供理论指导和技术支持 17 第三节DNA与蛋白质 蛋白质 protein 是由许多氨基酸 aminoacids 通过肽键 peptidebond 相连形成的高分子含氮化合物 18 蛋白质可以分为酶 运输蛋白 贮藏蛋白 收缩系统的蛋白 毒蛋白 抗体 激素 细胞因子 基因表达调控因子和结构蛋白等 蛋白质构成了生命体的基本结构 19 蛋白质的生物学重要性 蛋白质具有重要的生物学功能1 作为生物催化剂2 代谢调节作用3 免疫保护作用4 物质的转运和存储5 运动与支持作用6 参与细胞间信息传递 20 蛋白质的元素组成 主要有C H O N和S 有些蛋白质含有少量P或金属元素Fe Cu Zn Mn Co Mo 21 蛋白质的含氮量平均为16 通过样品含氮量计算蛋白质含量的公式 蛋白质含量 g 含氮量 g 6 25 蛋白质元素组成的特点 22 一 氨基酸 蛋白质的基本组成单位 存在自然界中的氨基酸有300余种 但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种 且均属L 氨基酸 甘氨酸除外 23 二 氨基酸的理化性质 1 两性解离及等电点 2 紫外吸收 3 茚三酮反应 24 肽键 peptidebond 是由一个氨基酸的 羧基与另一个氨基酸的 氨基脱水缩合而形成的化学键 一 肽 peptide 25 三 蛋白质的分类 根据蛋白质组成成分 根据蛋白质形状 26 四 蛋白质的分子结构包括 一级结构 primarystructure 二级结构 secondarystructure 三级结构 tertiarystructure 四级结构 quaternarystructure 27 定义 蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序 1 蛋白质的一级结构 主要化学键 肽键二硫键的位置属于一级结构研究范畴 28 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础 胰岛素的一级结构 30 21 29 2 蛋白质的二级结构 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构 即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置 并不涉及氨基酸残基侧链的构象 定义 稳定因素 氢键 30 蛋白质二级结构的主要形式 螺旋 helix 折叠 pleatedsheet 转角 turn 无规卷曲 randomcoil 31 1 螺旋 结构要点 多肽链主链围绕中心轴形成右手螺旋 侧链伸向螺旋外侧 每圈螺旋含3 6个氨基酸 螺距为0 54nm 每个肽键的亚氨氢和第四个肽键的羰基氧形成的氢键保持螺旋稳定 氢键与螺旋长轴基本平行 32 33 2 折叠 多肽链充分伸展 相邻肽单元之间折叠成锯齿状结构 侧链位于锯齿结构的上下方 两段以上的 折叠结构平行排列 两链间可顺向平行 也可反向平行 两链间的肽键之间形成氢键 以稳固 折叠结构 氢键与螺旋长轴垂直 34 35 36 3 转角和无规卷曲 转角 无规卷曲 没有确定规律性的肽链结构 肽链内形成180 回折 含4个氨基酸残基 第一个氨基酸残基与第四个形成氢键 第二个氨基酸残基常为Pro 37 转角 38 4 模体 蛋白质分子中 二个或三个具有二级结构的肽段 在空间上相互接近 形成一个具有特殊功能的空间构象 被称为模体 motif 39 5 影响二级结构形成的因素 氨基酸侧链所带电荷 大小及形状 影响 螺旋形成的因素 折叠形成条件 要求氨基酸侧链较小 40 3 蛋白质的三级结构 疏水键 离子键 氢键和VanderWaals力等 稳定因素 整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置 即肽链中所有原子在三维空间的排布位置 定义 41 纤连蛋白分子的结构域 结构域 domain 大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域 折叠得较为紧密 各行其功能 称为结构域 42 亚基之间的结合力主要是氢键和离子键 4 蛋白质的四级结构 蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用 称为蛋白质的四级结构 每条具有完整三级结构的多肽链 称为亚基 subunit 43 蛋白质功能多样性 44 第四节DNA的复制 一 DNA复制的一般特点 一 半保留复制 半保留复制 semiconservativereplication 复制时DNA双链解开并以每一单链为模板来形成另一对应的新链 DNA自身的复制方式 半保留复制 45 二 复制起点和复制方向 多数细菌及病毒 只有一个复制起点 控制整个染色体的复制 所以整个染色体也就是一个复制子 复制子 replicon 是指在同一个复制起点控制下合成的一段DNA序列 在真核生物中 每条染色体的DNA复制则是多起点的 多个复制起点共同控制一条染色体的复制 即每条染色体有多个复制子 46 真核生物的研究发现 其复制也是双向的 但近来发现 并不是所有的生物DNA的复制都是双向的 如 噬菌体T2 其DNA的复制就是沿一个方向进行的 5 3 大肠杆菌和其它许多原核生物的环状DNA复制是双向的 即DNA的复制从复制起点开始 向二个方向同时进行 最后相遇 完成复制 复制方向 从起点开始是沿着一个方向进行的呢 还是双向的 47 二 原核生物DNA合成 一 有关DNA合成的酶 1957年科恩伯格 Kornberg A 及其同事 从大肠杆菌中分离DNA聚合酶 polymerase 聚合酶 在有DNA 4种脱氧核苷酸及Mg 的情况下 在离体条件下可以合成DNA 后来发现 DNA聚合酶 只有在引物DNA提供3 端自由羟基的情况下 才使DNA链从5 向3 方向延伸 实际上在此实验体系中的DNA起着模板和引物的双重作用 48 DNA聚合酶 由一条多肽链组成 含有928个氨基酸 分子量约为109 000道尔顿 编码此酶的基因为polA 后来 从polA基因突变株中又分离出二种DNA聚合酶 分别命名为DNA聚合酶 I和DNA聚合酶 49 三种DNA聚合酶有一些共同的特性 从而决定DNA合成的特点 1 三种酶都只有5 3 聚合酶的功能 而没有3 5 聚合酶功能 说明DNA链的延伸只能从5 向3 端进行 2 它们都没有直接起始合成DNA的能力 只能在引物存在下进行链的延伸 因此 DNA的合成必须有引物引导才能进行 3 三种酶还都有核酸外切酶的功能 可对合成过程中发生的错识进行校正 从而保证DNA复制的高度准确性 50 二 DNA复制的过程 DNA的合成是半保留复制 分别以两条链互为模板 而合成两条互补新链 复制是双向的 DNA的合成必须有引物的引导 并且复制时链的延伸总是从5 向3 方向进行 DNA的合成过程 1 DNA双螺旋的解链 ATP提供能量 DNA双链由解旋酶解开后 单链DNA结合蛋白 SSB 马上结合在分开的单链上 从而保持其伸展状态 在大肠杆菌中 DNA的合成速度每分钟约为30 000bp 即双螺旋每分钟必须旋转3000次才能完全解旋 51 如果没有SSB的作用 分开的双链互补碱基对间又可重新配对 或者 在同一条链的互补碱基对间配对而形成发夹状结构 这种结构会阻止DNA聚合酶的作用 随着解链的进行 在DNA复制叉前面就会形成一种张力 而导致超螺旋的产生 DNA拓扑异构酶将DNA双链切开一个口子 使一条链旋转一圈 然后再将其共价相连 从而消除其张力 52 现在发现主要有二类DNA拓扑异构酶 DNA拓扑异构酶I 只对双链DNA中的一条链进行切割 产生切口 nick 每次切割只能去除一个超螺旋 此过程不需要外加能量 DNA拓扑异构酶II 可以对双链DNA的二条链同时进行切割 每次切割可以去除二个超螺旋 此过程需要ATP提供能量 53 2 DNA合成的开始 由于三种DNA聚合酶均需要DNA模板和3 端的自由 OH 才能进行DNA的合成 使DNA延伸 人们很早就发现RNA聚合酶 RNAploymerase 利用DNA模板 不需要特殊的引物可以直接合成RNA DNA合成前 以DNA为模板 根据碱基配对的原则 在一种特殊的RNA聚合酶 DNA引物酶 DNAprimase 的催化下 先合成一段长度为5 60个核苷酸的RNA引物 提供3 端自由 OH 然后 在DNA聚合酶III的作用下进行DNA的合成 54 3 一条DNA链连续合成 一条链不连续 从电子显微镜和放射自显影的结果可知 DNA两条新链的合成是从一个复制叉 replicatingfork 向着同一个方向延伸的 而组成DNA双螺旋的互补双链具有相反的方向 一条从5 3 而另地条3 5 为反向平行 二条DNA新链 只有一条DNA链的合成是连续的 而另一条则是不连续的 所以从整个DNA分子水平来看 DNA二条新链的合成方向是相反的 但是都是从5 向3 方向延伸 55 把一直从5 向3 方向延伸的链称作前导链 leadingstrand 它是连续合成的 另一条先沿5 3 方向合成一些片段 然后再由连接酶将其连起来的链 称为后随链 laggingstrand 其合成是不连续的 在前导链上 DNA引物酶只在起始点合成一次引物RNA DNA聚合酶III就可开始进行DNA的合成 56 每个 冈崎片段 的合成都需要先合成一段引物RNA 然后DNA聚合酶III才能进行DNA的合成 随后 引物RNA被切除 并为新合成的DNA片段所替代 在大肠杆菌中 引物RNA被切除过程是在DNA聚合酶 的催化下完成的 后随链上合成的DNA不连续单链小片段称为冈崎片段 后随链DNA的合成 57 因为DNA聚合酶I有5 3 端核酸外切酶的功能 它可以将RNA引物切除 同时利用其5 3 聚合酶功能 以临近 冈崎片段 的3 端自由 OH进行DNA的合成 从而将RNA引物替换为DNA链 最后由DNA连接酶 DNAligase 将 冈崎片段 连接起来 形成一条完整的新链 58 最后 简要说明一下RNA病毒中RNA的自我复制 大多数RNA病毒是单链的 这种RNA的复制一般是先以自己为模板合成一条互补的单链 通常称病毒原有的 起模板作用的链称为 链 而新复制的RNA链称为 链 这样就形成了双螺旋的复制类型 replicativeform 然后这个 链又从 链模板释放出来 它也以自己为模板复制出一条与自己互补的 链 于是形成了一条新生的病毒RNA 59 三 真核生物DNA合成 现在已有很多证据表明 真核生物DNA的复制基本上与原核生物相同 但比原核生物更为复杂 真核生物DNA的复制与原核生物主要不同点 1 DNA合成只是发生在细胞周期的某个时期 真核细胞DNA的合成只是在细胞周期的S期进行 而原核生物则在整个细胞生长过程中都可进行DNA合成 2 原核生物DNA的复制是单起点的 而真核生物染色体的复制则为多起点的 3 真核生物DNA合成所需的RNA引物及后随链上合成的 冈崎片段 的长度比原核生物要短 60 4 有二种不同的DNA聚合酶分别控制前导链和后随链的合成 在原核生物中有DNA聚合酶I II和III等三种聚合酶 并由聚合酶III同时控制二条链的合成 而在真核生物中共有 和 等五种DNA聚合酶 聚合酶 和 是DNA合成的主要酶 由聚合酶 控制不连续的后随链的合成 而聚合酶 则控制前导链的合成 所以其二条链的合成是在二种不同的DNA聚合酶的控制下完成 主要不同点 61 5 染色体端体的复制 原核生物的染色体大多数为环状 而真核生染色体为线状 端体 染色体其末端有特殊DNA序列组成的结构称为 根据DNA合成的过程 新链5 末端DNA是无法自动合成的 因为当末端的RNA引物被切除后 就没有3 端的自由羟基为DNA的合成作引物 在DNA的末端存在特殊的结构 并在含有RNA的端体酶 telomerase 的催化下完成末端的合成 主要不同点 62 真核生物与原核生物DNA合成的区别 63 第五节RNA的转录及加工 遗传物质不管其化学性质如何 其必须具有遗传 表达和变异等三种基本功能 下面我们介绍其第二个重要的功能 基因表达 基因的表达 第一步DNA转录 transcription 为RNA 然后由RNA再翻译 translation 成蛋白质 转录 就是以DNA双链之一的遗传密码为模板 把遗传密码以互补的方式转录到mRNA上 64 翻译 就是mRNA携带着转录的遗传密码 附着在核糖体上 把tRNA运来的各种氨基酸 按照mRNA的密码顺序 相互连接起来成为多肽链 并进一步折叠起来成为立体蛋白质分子 65 先介绍RNA的转录 一 三种RNA分子 信使RNA messengerRNA mRNA 转移RNA transferRNA tRNA 核糖体RNA ribosomalRNA rRNA 三种不同的RNA分子在基因的表达过程中起重要的作用 66 一 mRNA mRNA的功能就是把DNA上的遗传信息精确无误地转录下来 然后 由mRNA的碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序 是基因表达过程中遗传信息传递的中介 它起着传递信息的作用 因而称为信使RNA mRNA 在真核生物中 转录形成的RNA中 含由大量非编码序列 大约只有25 RNA经加工成为mRNA 最后翻译为蛋白质 未经加工的前体mRNA pre mRNA 在分子大小上差别很大 所以通常称为不均一核RNA heterogeneousnuclearRNA hnRNA 前面已经介绍 生物的遗传信息主要贮存于DNA的碱基序列中 但DNA并不直接决定蛋白质的合成 而且在真核细胞中 DNA主要存在于细胞核的染色体上 而蛋白质的合成中心却位于细胞质的核糖体上 因此 它需要一种中介物质 才能把DNA上控制蛋白质合成的遗传信息传递给核糖体 67 二 tRNA 如果说mRNA是合成蛋白质的蓝图 则核糖体是合成蛋白质的工厂 由于合成蛋白质的原材料 20种氨基酸与mRNA的碱基之间缺乏特殊的亲和力 因此 必须用一种特殊的RNA 转移RNA tRNA 把氨基酸搬运到核糖体上 tRNA能根据mRNA的遗传密码依次准确地将它携带的氨基酸连结成多肽链 每种氨基酸可与1 4种tRNA相结合 现在已知的tRNA的种类在40种以上 68 tRNA是最小的RNA 其分子量约为27000 25000 30000 由70到90个核苷酸组成 1969年以来 研究了来自各种不同生物 如 酵母 大肠杆菌 小麦 鼠等的十几种tRNA的结构 证明它们的碱基序列都能折叠成三叶草叶型 69 tRNA的结构的共性 1 5 端之末具有G 大部分 或C 2 3 端之末都以ACC的顺序终结 3 有一个富有鸟嘌呤的环 4 有一个反密码子环 其的顶端有三个暴露的碱基 称为反密码子 这一个反密码子可以与mRNA链上同自己互补的密码子配对 5 有一个胸腺嘧啶环 70 三 rRNA 核糖体RNA 它是组成核糖体的主要成分 而核糖体则是合成蛋白质的中心 原核生物的核糖体所含的rRNA 有5S 16S及23S等三种 S为沉降系数 sedimentationcoefficient 当用超速离心测定一个粒子的沉淀速度时 此速度与粒子的大小直接成比例 真核生物的核糖体 含有4种rRNA和约80种蛋白质 四种rRNA为5S 5 8S 18S和28S rRNA是单链 它包含不等量的A与U G与C 但是有广泛的双链区域 在双链区 碱基因氢鍵相连 表现为发夹式螺旋 rRNA在蛋白质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与mRNA的前导序列是互补的 这可能有助于mRNA与核糖体的结合 71 除了上述三种主要的RNA外 还有小核RNA smallnuclearRNA snRNA 是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体 spliceosome 的主要成份 另外 还有端体酶RNA telomeraseRNA 它与染色体末端的复制有关 以及反义RNA antisenseRNA 它参与基因表达的调控 上述各种RNA分子均为转录的产物 mRNA最后翻译为蛋白质 而rRNA tRNA及snRNA等并不翻译 其终产物即为RNA 72 二 RNA合成的一般特点 RNA的合成与DNA合成有以下三方面明显不同 1 所用的原料为核苷三磷酸 而在DNA合成时则为脱氧核苷三磷酸 2 只有一条DNA链被用作模板 而DNA合成时 两条链分别用作模板 3 RNA链的合成不需要引物 可以直接起始合成 而DNA合成一定要引物的引导 73 RNA DNA合成的区别 74 转录合成的RNA链 除了U替换为T以外 与用作模板的DNA链互补 而与另一条非模板链相同 如果转录的RNA是mRNA 其信息最后通过密码子决定蛋白质的合成 现在通常将用作模板 进行RNA转录的链称作模板链 templatestrand 而另一条则为非模板链 nontemplatestrand 75 RNA链的合成与DNA链的合成同样 也是从5 向3 端进行的 此过程由RNA聚合酶 RNApolymerase 催化 RNA聚合酶首先在启动子部位 promoter 与DNA结合 形成转录泡 transcriptionbubble 并开始转录 在原核生物中只有一种RNA聚合酶完成所有RNA的转录 而在真核生物中 有三种不同的RNA聚合酶控制不同类型RNA的合成 RNA的合成也同样遵循碱基配对的规则 只是U代替了T 76 三 原核生物RNA的合成 通常把转录后形成一个RNA分子的一段DNA序列称为一个转录单位 transcriptunit 一个转录单位可能刚好是一个基因 也可能含有多个基因 RNA的转录可以分为三步 1 RNA链的起始 2 RNA链的延长 3 RNA链的终止及新链的释放 77 在讨论有关RNA转录时通常要用到上游 upstream 和下游 downstream 二个概念 因为RNA的转录总是从5 向3 端进行 所以上游总是指RNA分子的5 端 而下游则指3 端 一 RNA聚合酶 催化转录的RNA聚合酶是一种由多个蛋白亚基组成的复合酶 如大肠杆菌的RNA聚合酶有五个亚基组成 其分子量为480 000道尔顿 含有 和 等四种不同的多肽 其中 为二个分子 亚基与RNA聚合酶的四聚体核心 2 的形成有关 亚基含有核苷三磷酸的结合位点 亚基含有与DNA模板的结合位点 因子的作用就是识别转录的起始位置 并使RNA聚合酶结合在启动子部位 78 二 链的起始 RNA链转录的起始首先是RNA聚合酶在 因子的作用下结合于DNA的启动子部位 并在RNA聚合酶的作用下 使DNA双链解开 形成转录泡 为RNA合成提供单链模板 并按照碱基配对的原则 结合核苷酸 然后 在核苷酸之间形成磷酸二脂键 使其相连 形成RNA新链 因子在RNA链伸长到8 9个核酸后 就被释放 然后由核心酶催化RNA的延伸 79 启动子位于RNA转录起始点的上游 因子对启动子的识别是转录起始的第一步 80 三 链的延伸 RNA链的延伸是在 因子释放以后 在RNA聚合酶四聚体核心酶的催化下进行 因RNA聚合酶同时具有解开DNA双链 并使其重新闭合的功能 随着RNA的延伸 RNA聚合酶使DNA双链不断解开和重新闭合 RNA转录泡也不断前移 合成新的RNA链 81 四 链的终止 当RNA链延伸遇到终止信号 terminationsignal 时 RNA转录复合体就发生解体 而使新合成的RNA链释放出来 现在发现在大肠杆菌中有二类终止信号 一类只有在存在蛋白质 的情况下 转录才会终止 称为依赖于 的终止 dependentterminator 第二类使转录终止不需要 的参与 所以称为不依赖于 的终止 independentterminator 实际上在原核生物中 RNA的转录 蛋白质的合成以及mRNA的降解通常可以是同时进行的 因为在原核生物中不存在核膜分隔的核 另外 RNA的转录和多肽链的合成都是从5 向3 方向进行 只要mRNA的5 端合成后 即可以进行蛋白质的翻译过程 在原核生物中mRNA的寿命一般只有几分种 因此 往往在3 端mRNA的转录还没有最后结束 5 端mRNA在完成多肽链的合成后 已经开始降解 82 四 真核生物RNA的转录及加工 一 真核生物RNA转录的特点真核生物与原核生物RNA的转录过程主要有以下几点不同 1 真核生物RNA的转录是在细胞核内进行而蛋白质的合成则是在细胞质内 所以 RNA转录后首先必须从核内运输到细胞质内 才能进行蛋白质的合成 83 2 真核生物mRNA分子一般只编码一个基因原核生物的一个mRNA分子通常含有多个基因 而少数较低等真核生物外 在真核生物中 一个mRNA分子一般只编码一个基因 3 真核生物RNA聚合酶较多在原核生物中只有一种RNA聚合酶催化所有RNA的合成 而在真核生物中则有RNA聚合酶I II III等三种不同酶 分别催化不同种类型RNA的合成 4 真核生物RNA聚合酶不能独立转录RNA在真核生物中 三种RNA聚合酶都必须在蛋白质转录因子的协助下才能进行RNA的转录 84 一 原核生物与真核生物RNA转录的区别1 真核生物RNA的转录是在细胞核内 翻译在细胞质中进行 原核生物则在核区同时进行转录翻译 2 真核生物一个mRNA只编码一个基因 原核生物一个mRNA编码多个基因 3 真核生物有RNA聚合酶 等三种不同的酶 原核生物则只有一种RNA聚合酶 4 真核生物中转录的起始更复杂 RNA的合成需要转录因子的协助进行转录 原核生物则较为简单 5 真核生物的mRNA转录后进行加工 然后运送到细胞质中进行翻译 原核生物无需进行加工 边转录边翻译 85 二 mRNA的加工 1 在mRNA前体的5 端加上7 甲基鸟嘌呤核苷的帽子 cap 2 在mRNA前体的3 端加上聚腺苷酸 poly A 的尾巴 3 如果基因中存在不编码的内含子序列 要进行剪接 将其切除 86 第六节核算研究技术简介核酸的研究历史和重要性1869Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一种含磷酸的有机物 当时称为核素 nuclein 后称为核酸 nucleicacid 此后几十年内 弄清了核酸的组成及在细胞中的分布 1944Avery等成功进行肺炎球菌转化