DNA复制、RNA转录、蛋白质翻译.ppt

第十一章DNA复制 RNA转录 蛋白质翻译 第一节DNA的复制与修复第二节RNA的生物合成和加工第三节蛋白质的生物合成 第一节DNA的复制与修复 DNA是由四种脱氧核糖核酸所组成的长链大分子 是遗传信息的携带者 生物体的遗传信息就贮存在DNA的四种脱氧核糖核酸的排列顺序中 DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代 通过转录和翻译 将遗传信息传递给蛋白质分子 从而决定生物的表现型 DNA的复制 转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则 一 DNA的复制 一 半保留复制DNA在复制时 以亲代DNA的每一股作模板 合成完全相同的两个双链子代DNA 每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链 这种现象称为DNA的半保留复制 二 DNA复制的起始点和方式复制子是DNA能独立进行复制的单位 需在特定的位点起始 可能还有终点 在原核生物中 复制起始点通常为一个 复制方向大多是双向的 也有单向的 而在真核生物中则为多个复制起始点 三 DNA聚合反应有关的酶 2 DNA聚合酶 在原核生物 大肠杆菌 中 目前发现的DNA聚合酶有五种 研究较多的有三种 分别命名为DNA聚合酶 pol DNA聚合酶 pol DNA聚合酶 pol 这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶 参与DNA复制的主要是pol 和pol pol 为单一肽链的大分子蛋白质 可被特异的蛋白酶水解为两个片段 其中的大片段称为Klenow片段 具有5 3 聚合酶活性和3 5 外切酶的活性 另一小片段有5 3 外切酶的活性 pol 由十种亚基组成 其中 亚基具有5 3 聚合DNA的酶活性 因而具有复制DNA的功能 而 亚基具有3 5 外切酶的活性 因而与DNA复制的校正功能有关 DNA pol 和DNA pol 为修复酶 DNA pol 真正起复制作用的酶 为复制酶 原核生物中的三种DNA聚合酶 核酸外切酶活性3 5 外切酶活性5 3 外切酶活性 3 DNA连接酶催化一条DNA链的3 末端与相邻的另一条DNA链的5 末端之间的磷酸二酯键的合成 与同一互补链结合并相邻 双链DNA切口 条件 需一段DNA片段具有3 OH 而另一段DNA片段具有5 Pi基 未封闭的缺口位于双链DNA中 即其中有一条链是完整的 需要消耗能量 四 DNA的半不连续复制 半不连续复制 双链DNA分子的两条链是反向平行的 而DNA聚合酶的方向都是5 3 当DNA复制时 一条链是连续合成的 称前导链 而另一条在5 3 方向合成小片段DNA 冈崎片段 然后通过酶将这些片段连接起来 这不连续合成的DNA链为滞后链 冈崎用电子显微镜看到了DNA复制过程中出现一些不连续片段 这些不连续片段只存在与DNA复制叉上其中的一股 后来就把这些不连续的片段称为冈崎片段 前导 滞后 1 复制的起始由蛋白因子识别复制起始点解旋解链 形成复制叉 由拓扑异构酶和解链酶作用 使DNA的超螺旋及双螺旋结构解开 碱基间氢键断裂 形成两条单链DNA 单链DNA结合蛋白 SSB 结合在两条单链DNA上 形成复制叉 DNA复制时 局部双螺旋解开形成两条单链 这种叉状结构称为复制叉 引发体组装 蛋白因子以及引物酶一起组装形成引发体 引发 在引物酶的催化下 以DNA为模板 合成一段短的RNA片段 从而获得3 端自由羟基 3 OH 五 DNA复制的过程 原核生物 起始 延长 终止 拓扑异构酶 又称DNA旋转酶 拓扑异构酶 可使DNA双链中的一条链切断 松开双螺旋后再将DNA链连接起来 从而避免出现链的缠绕 拓扑异构酶 可切断DNA双链 使DNA的超螺旋松解后 再将其连接起来 解螺旋酶又称解链酶或rep蛋白 是用于解开DNA双链的酶蛋白 每解开一对碱基 需消耗两分子ATP 单链DNA结合蛋白 SSB 这是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子 其作用为 使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在 即稳定单链DNA 便于以其为模板复制子代DNA 保护单链DNA 避免核酸酶的降解 引物酶 合成RNA 引物酶本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶 该酶以DNA为模板 聚合一段RNA短链引物 以提供自由的3 OH 使子代DNA链能够开始聚合 2 复制的延长由DNA聚合酶催化 以3 5 方向的亲代DNA链为模板 从5 3 方向聚合子代DNA链 在原核生物中 参与DNA复制延长的是DNA聚合酶 引发体向前移动 解开新的局部双螺旋 形成新的复制叉 滞后链重新合成RNA引物 继续进行链的延长 解 3 复制的终止去除引物 填补缺口 连接冈崎片段 在原核生物中 由DNA聚合酶 来水解去除RNA引物 并由该酶催化延长引物缺口处的DNA 直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口 在DNA连接酶的催化下 形成最后一个磷酸酯键 将冈崎片段连接起来 形成完整的DNA长链 前导 滞后 5 5 3 3 DNA复制过程模式图 DNA旋转酶 ATP ADP Pi DNA结合蛋白 引物RNA 引物酶 DNA聚合酶 DNA聚合酶 DNA连接酶 RNA引物 解旋酶 DNA聚合酶 复制叉移动方向 5 3 3 5 3 5 真核生物端粒的形成 端粒是指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构部分 通常膨大成粒状 线性DNA在复制完成后 其末端由于引物RNA的水解而可能出现缩短 故需要在端粒酶的催化下 进行延长反应 端粒酶是一种RNA 蛋白质复合体 它可以其RNA为模板 通过逆转录过程对末端DNA链进行延长 既有模板 又有逆转录酶 以自身的RNA为模板延长DNA单链 然后反折为双链 端粒酶与生物体的衰老 肿瘤的发生有关 端粒酶的作用机制 DNA复制的保真性 为了保证遗传的稳定 DNA的复制必须具有高保真性 DNA复制时的保真性主要与下列因素有关 1 遵守严格的碱基配对规律 2 DNA聚合酶在复制时对碱基的正确选择 3 对复制过程中出现的错误及时进行校正 二 DNA的损伤与修复 一 DNA的损伤 突变 由自发的或环境的因素引起DNA一级结构的任何异常的改变称为DNA的损伤 也称为突变 常见的DNA的损伤包括碱基脱落 碱基修饰 交联 链的断裂 重组等 引起突变的因素 1 自发因素 2 物理因素 由紫外线 电离辐射 X射线等引起的DNA损伤 3 化学因素 如亚硝酸与亚硝酸盐 DNA突变的效应 1 同义突变 基因突变导致mRNA密码子第三位碱基的改变但不引起密码子意义的改变 其翻译产物中的氨基酸残基顺序不变 但有时可引起翻译效率降低 2 误义突变 基因突变导致mRNA密码子碱基被置换 其意义发生改变 翻译产物中的氨基酸残基顺序发生改变 3 无义突变 基因突变导致mRNA密码子碱基被置换而改变成终止密码子 引起多肽链合成的终止 4 移码突变 基因突变导致mRNA密码子碱基被置换 引起突变点之后的氨基酸残基顺序全部发生改变 二 DNA损伤的修复 DNA损伤的修复方式可分为直接修复和取代修复两大类 错配修复 一 直接修复 1 光复活 这是一种广泛存在的修复作用 光复活能够修复任何嘧啶二聚体的损伤 其修复过程为 光复活酶识别嘧啶二聚体并与之结合形成复合物 在300 600nm可见光照射下 酶获得能量 将嘧啶二聚体的丁酰环打开 使之完全修复 光复活酶从DNA上解离 2 转甲基作用 在转甲基酶的催化下 将DNA上的被修饰的甲基去除 此时 转甲基酶自身被甲基化而失活 3 直接连接 DNA断裂形成的缺口 可以在DNA连接酶的催化下 直接进行连接而封闭缺口 二 取代修复 1 切除修复 这也是一种广泛存在的修复机制 可适用于多种DNA损伤的修复 该修复机制可以分别由两种不同的酶来发动 一种是核酸内切酶 另一种是DNA糖苷酶 内 2 重组修复 这是DNA的复制过程中所采用的一种有差错的修复方式 3 错配修复DNA在复制过程中发生错配 如果新合成的链被矫正 基因编码信息可得到恢复 但如果模板链被矫正 基因突变就被固定 第二节RNA的生物合成和加工 一 DNA指导下的RNA合成转录 DNA指导下的RNA合成在RNA聚合酶的催化下 以一段DNA链为模板合成RNA 从而将DNA所携带的遗传信息传递给RNA的过程称为转录 RNA转录合成时 只能以DNA分子中的某一段作为模板 故存在特定的起始位点和特定的终止位点 特定起始点和特定终止点之间的DNA链构成一个转录单位 启动子终止子 DNA指导的RNA聚合酶 单链DNA为模板 Mg2 四种核糖核苷三磷酸 NTP 为底物不需要引物从5 3 聚合RNA无校正功能 转录的不对称性 转录的不对称性就是指以双链DNA中的一条链作为模板进行转录 从而将遗传信息由DNA传递给RNA 对于不同的基因来说 其转录信息可以存在于两条不同的DNA链上 能够转录RNA的那条DNA链称为负链 模板链 而与之互补的另一条DNA链称为正链 编码链 模板链 编码链 5 5 3 3 5 5 RNA转录合成时 只能向一个方向进行聚合 所依赖的模板DNA链的方向为3 5 而RNA链的合成方向为5 3 合成的RNA中 如只含一个基因的遗传信息 称为单顺反子 如含有几个基因的遗传信息 则称为多顺反子 原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构成 即 2 亚基与转录起始点的识别有关 而在转录合成开始后被释放 余下的部分 2 被称为核心酶 与RNA链的聚合有关 真核生物中的RNA聚合酶可按其对 鹅膏蕈碱敏感性而分为三种 它们均由10 12个大小不同的亚基所组成 结构非常复杂 其功能也不同 RNA转录合成的基本过程 1 识别原核生物RNA聚合酶中的 因子识别转录起始点 并促使核心酶结合形成全酶复合物 位于基因上游 与RNA聚合酶识别 结合并起始转录有关的一些DNA顺序称为启动子原核生物的两个启动子 10序列和 35序列 RNA聚合酶与启动子结合后 可开始转录 原核生物启动子 TGTTGACA TATAAT 10区 35区 启动子 转录起始部位 1 基因转录区 5 RNA产物 5 5 3 3 编码链 模板链 真核生物的转录起始区上游也存在一段富含TA的顺序 被称为Hogness盒或TATA盒 除此之外 在真核生物中还可见到其他带共性的序列 如CAAT盒及GC盒等 真核生物的转录起始较为复杂 真核生物的转录起始较为复杂 目前已知RNA聚合酶 至少有六种不同的蛋白因子参与转录复合体的形成 这些蛋白因子被称为转录因子 trans criptionalfactor TF 包括TF A TF B TF D TF E TF F TF I 转录因子功能TF A稳定TF D结合TF B促进pol 结合TF D辨认TATA盒TF EATPaseTF F解旋酶 真核生物RNA聚合酶 转录因子及其功能 2 起始RNA聚合酶全酶促使局部双链解开 并催化ATP或GTP与另外一个三磷酸核苷聚合 形成第一个3 5 磷酸二酯键 3 延长 因子从全酶上脱离 余下的核心酶继续沿DNA链移动 按照碱基互补原则 不断聚合RNA 4 终止终止子 提供转录终止信号的DNA序列 RNA转录合成的终止机制有两种 1 自动终止 模板DNA链在接近转录终止点处存在相连的富含GC和AT的区域 使RNA转录产物形成寡聚U及发夹形的二级结构 引起RNA聚合酶变构及移动停止 导致RNA转录的终止 2 依赖辅助因子的终止 由终止因子 因子 识别特异的终止信号 并促使RNA的释放 二 RNA的转录后加工 原核生物的mRNA不需要翻译前修饰 但tRNA和rRNA需转录后加工 加工方式有切断 化学修饰等 rRNA前体分子被切割成成熟的23S 16S和5SrRNA以及一个tRNA tRNA也是切割前体分子生成 rRNA和tRNA还要进行化学修饰 如甲基化 16SrRNA 23SrRNA 5SrRNA tRNA RNA前体分子 真核生物中RNA的加工 mRNA的转录后加工1 加帽即在mRNA的5 端加上m7GTP的结构 此过程发生在合成一结束 在细胞核内 加工过程首先是在磷酸酶的作用下 将5 端的磷酸基水解 然后再加上鸟苷三磷酸 形成GpppN的结构 再对G进行甲基化 该帽可使RNA免受核酸酶降解 还在蛋白质合成的起始步骤中起作用 2 加尾这一过程也是细胞核内完成 首先由核酸外切酶切去3 端一些过剩的核苷酸 然后再加入polyA polyA结构与mRNA的半寿期有关 多聚腺苷酸尾保护最终的mRNA3 端免受核酸酶降解而稳定mRNA 还可增加mRNA翻译的效率 基因是DNA片段 DNA分子中最小的功能单位 真核生物中大部分蛋白质编码的基因是不连续的 为断裂基因 由于基因中内含子的存在 mRNA 1872bp 内含子 基因中不为多肽编码 不在mRNA中出现 外显子 为多肽编码的基因片段 3 剪接 切除内含子序列 将相邻外显子的末端连接起来形成功能性mRNA 这一过程为RNA剪接 真核生物RNA的剪接一般需核内小RNA snRNA 参与构成的核蛋白体参加 一些snRNA对RNA剪接具催化作用 是催化RNA 具有催化活性的RNA分子称为核酶 断裂基因有以下优点 1 几个外显子编码蛋白质的不同功能或结构区域 可加速新蛋白质的演化 外显子改组 2 可变剪接途径 使细胞从单一基因的原始转录物合成几种功能特异的蛋白质 外显子 4 内部甲基化 由甲基化酶催化 对某些碱基进行甲基化处理 真核生物mRNA的转录后加工修饰 tRNA的转录后加工 主要有以下几种加工方式 切断 剪接 化学修饰 rRNA的转录后加工 三 RNA指导下的RNA和DNA合成 一 RNA的复制RNA复制酶 RNA模板 Mg2 四种核糖核苷三磷酸 NTP 二 RNA的逆转录以RNA为模板合成DNA 逆转录酶 RNA为模板 Mg2 四种脱氧核糖核苷三磷酸 dNTP 需要引物 DNA合成方向5 3 第三节蛋白质的生物合成 蛋白质的生物合成过程 就是将DNA传递给mRNA的遗传信息 再具体的解译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程 这一过程被称为翻译 中心法则 遗传信息传递的规律 复制 转录 翻译 转录翻译DNARNA蛋白质mRNAtRNA反转录rRNA转录 翻译RNA 病毒 蛋白质 病毒 复制 复制 原料 20种氨基酸 条件 mRNA tRNA rRNAATP GTP等供能物质无机离子 有关的酶 蛋白因子等 翻译 以RNA中mRNA为模板 按照其核苷酸顺序所组成的密码指导蛋白质的合成的过程 一 遗传密码遗传密码 指mRNA中的核苷酸排列序列与蛋白质中的氨基酸排列序列的关系 mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体 代表一个氨基酸的信息 此三联体就称为密码子或三联密码 共有64种不同的密码 一个三联体密码 密码子 决定着一个氨基酸 四种核苷酸编成三联体可形成43个即64个密码子 其中 1 一个起始密码 AUG并兼作蛋氨酸的密码 2 三个终止密码 UAAUGAUAG 3 多数氨基酸拥有2 4个密码 遗传密码具有以下特点 连续性 简并性 通用性 但在线粒体或叶绿体中特殊 方向性 即解读方向为5 3 摆动性 起始密码 AUG 终止密码 UAA UAG UGA 遗传密码的连续性正确的阅读是从起始密码子开始 按一定的阅读框架连续读下去 直至遇到终止密码子为止 5 到3 方向阅读 不重复 无标点符号 移码突变 遗传密码的简并性即同一个氨基酸有两个或更多密码子的现象 只有色氨酸与甲硫氨酸仅有一个密码子 对应于同一种氨基酸的不同密码子为同义密码子 遗传密码的摆动性密码的简并性往往表现在密码子的第三位碱基上 tRNA上的反密码子与mRNA密码子配对时 密码子第一位和第二位碱基配对是严格的 第三位碱基可以有一定的变动 这种现象称为密码的摆动性 遗传密码的通用性各种低等和高等生物基本上共用同一套遗传密码 但存在一些差异 二 蛋白质合成 翻译 原核生物中翻译概述核糖体结合到mRNA分子上 从5 端向3 端阅读核苷酸序列 从N末端向C末端方向由氨基酸合成相应的蛋白质 所有氨基酸都共价结合到tRNA上形成氨酰tRNA 每个氨酰tRNA都有反密码子 与互补的mRNA上的密码子氢键结合 根据mRNA碱基序列使不同的氨基酸之间形成肽键 蛋白质合成存在三个阶段 起始 延伸 终止 起始 形成mRNA核糖体复合物 起始密码子结合起始氨酰tRNA 第一个氨酰tRNA 延伸 依次阅读密码子 多肽链在C端增加氨基酸而延长 终止 遇到终止密码子 因终止密码子无对应的氨酰tRNA tRNA是氨基酸的转运工具 能携带活化的氨基酸到核糖体 tRNA是三叶草形结构 氨基酸共价结合到tRNA3 端CCA序列的A残基上 氨酰tRNA的合成 tRNA反密码环中部的三个核苷酸构成三联体 可以识别mRNA上相应的密码 此三联体就称为反密码 anticoden 反密码对密码的识别 通常也是根据碱基互补原则 即A U G C配对 但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对 并不严格遵循碱基互补原则 如反密码第一个核苷酸为 则可与A U或C配对 如为U 则可与A或G配对 这种配对称为不稳定配对 tRNA有特异性 每个tRNA只运载一个氨基酸 因密码的简并性 存在几种带相应反密码子的tRNA运载同一种氨基酸 每种tRNA均有反密码 能与mRNA上相应的密码互补结合 碱基互补配对 酪 5 5 3 AUG GUUUACACA 酪氨酰 tRNA 反密码 mRNA 密码与反密码的碱基配对 合成氨酰tRNA的作用 1 接头作用 以保证正确的氨基酸序列 2 氨基酸的活化作用 氨基酸与tRNA之间的共价键是高能键 使氨基酸与延伸的多肽链末端形成肽键 不与tRNA相连的氨基酸不能加到延伸的多肽链上 氨基酸的活化 1 反应式 AA tRNA ATP 氨基酰 tRNA合成酶 氨基酰 tRNA AMP PPi 2 AA结合位置 AA的 羧基与tRNA3 末端腺苷酸中核糖2 或3 羟基以酯键相结合 起始密码子AUG编码甲硫氨酸 蛋氨酸 细胞中有两种携带甲硫氨酸的tRNA 能够识别mRNA中5 端起始密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA 称为起始tRNA tRNAiMet 另一种携带甲硫氨酸为tRNAMet 在原核生物中 有一甲酰化酶 使Met tRNAiMet中的氨基甲酰化成fMet tRNAifMet 新蛋白质N端的第一个氨基酸是N 甲酰甲硫氨酸 另一种携带甲硫氨酸的tRNAMet 识别非起始部位的甲硫氨酸密码AUG 两种甲硫氨酰 tRNA由同一甲硫氨酰 tRNA合成酶催化 被蛋白质合成因子 起始和延伸因子 所区别 在原核生物中核糖体大小为70S 可分为30S小亚基和50S大亚基 rRNA有三种 5S 16S 23S 其中 16S的rRNA参与构成核蛋白体的小亚基 而5S和23S的rRNA参与构成核蛋白体大亚基 在真核生物中核糖体大小为80S 也分为40S小亚基和60S大亚基 rRNA有四种 5S 5 8S 18S 28S 其中 18S的rRNA参与构成核蛋白体小亚基 其余的rRNA参与构成核蛋白体大亚基 核糖体的结构和功能 rRNA与蛋白质组成核蛋白体 核糖体 是蛋白质合成的场所 由大小两个亚基组成 核蛋白体的组装 大肠杆菌核蛋白体的空间结构为一椭圆球体 其30S亚基呈哑铃状 50S亚基带有三角 中间凹陷形成空穴 将30S小亚基抱住 两亚基的结合面为蛋白质生物合成的场所 核蛋白体的大 小亚基分别有不同的功能 小亚基 可与mRNA GTP和起始tRNA结合 沿5 3 方向移动 大亚基 有两个氨酰tRNA结合位点 受位 A位 右 氨酰基位 结合氨基酰 tRNA 给位 P位 左 肽酰基位 可与延伸中的肽酰基tRNA结合 成肽具有肽酰转移酶活性 将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA 形成肽键 具有GTPase活性 水解GTP 获得能量 AUGACA 5 蛋 苏 UGU GUU 3 受位 A位 给位 P位 大亚基 小亚基 蛋白质合成的起始蛋白质合成起始由起始因子催化 原核生物中 有三种起始因子 IF1IF2IF3 其作用主要是促进核糖体小亚基 30S 与fMet tRNAifMet 模板mRNA及GTP结合形成30S起始复合物 IF3从30S起动复合体上脱落 50S大亚基与复合体结合 形成70S起动前复合体 GTP被水解 IF1和IF2从复合物上脱落 此时 tRNAifMet的反密码UAC与mRNA上的起动密码AUG互补结合 tRNAifMet结合在核蛋白的给位 P位 AUGACA 5 3 AUGACA 5 3 UAC UAC AUGACA 5 3 小亚基 IF3mRNA IF1IF2fMet tRNAifMetGTP 大亚基 GDP PiIF1IF2 受位 给位 fMet fMet 肽链合成的起始阶段 IF3 IF3 IF1IF2IF3GTP 肽链合成的起始阶段 1 mRNA与小亚基结合2 AUG与蛋氨酰 tRNA结合3 大小亚基结合 蛋白质合成的延伸1 进位 氨基酰 tRNA进入受位 2 转肽 形成肽键 在肽酰转移酶 转肽酶 作用下 给位与受位结合 3 移位 核糖体向3 端移动一个密码子的位置 空出受位 不断地进位 转肽 移位 使肽链延长 AUGACA 5 3 UAC 蛋 苏 UGU AUGACA 5 UAC 蛋 苏 UGU GUU AUGACA 5 UAC 蛋 苏 UGU GUU AUGACA 5 蛋 苏 UGU GUU 3 3 3 GTPGDP PiEF T GDP Pi GTP 起始复合体 进位 转肽 移位 Mg K 肽链合成的延伸阶段 肽链合成的延伸阶段 1 氨基酰 tRNA进位 2 在转肽酶作用下 形成肽键 3 核糖体向3 端移动一个密码子 继续进位 转肽 移位的循环 蛋白质合成的终止核糖体沿mRNA链滑动 不断使多肽链延长 直到终止信号进入受位 1 识别 释放因子 RF 识别终止密码 进入核糖体的受位 2 水解 RF使转肽酶变为水解酶 多肽链与tRNA之间的酯键被水解 多肽链释放 3 解离 通过水解GTP 使核糖体与mRNA分离 tRNA RF脱落 核糖体解离为大 小亚基 AUGUAA 5 UAC AUGUAA 5 UAC 3 3 终 终 AUGUAA 5 UAC 3 终 5 3 UAC 终