核苷酸代谢与遗传信息的表达

第十章核苷酸代谢与遗传信息的表达和调控 许昌卫生学校 核苷酸是构成核酸的基本单位 人体所需的核苷酸都是由机体自身合成的 食物中的核酸或核苷酸类物质基本上不能被人体所利用 在核酸类物质的水解产物中 只有磷酸和戊糖可被吸收利用 食物中核酸的消化 核苷酸类物质在人体具有多方面的生理功用 作为合成核酸的原料 如ATP GTP CTP UTP用于合成RNA dATP dGTP dCTP dTTP用于合成DNA 作为能量的贮存和供应形式 除ATP之外 还有GTP UTP CTP等 参与代谢或生理活动的调节 如环核苷酸cAMP和cGMP作为激素的第二信使 参与构成酶的辅酶或辅基 如在NAD NADP FAD FMN CoA中均含有核苷酸的成分 作为代谢中间物的载体 如用UDP携带糖基 用CDP携带胆碱 乙醇胺或甘油二酯 用腺苷携带蛋氨酸 形成SAM 等 核苷酸的代谢包括合成代谢和分解代谢 体内核苷酸的合成途径有二 1 从头合成途径 利用磷酸核糖 氨基酸 一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料 经一系列酶促反应合成核苷酸的过程 是体内核苷酸主要途径 肝脏是主要部位 在细胞液中 2 补救途径 指利用分解代谢产生的自由嘌呤碱合成嘌呤核苷酸的过程 这一途径可在大多数组织细胞中进行 一 核苷酸的合成代谢 一 嘌呤核苷酸的合成代谢1 嘌呤核苷酸的从头合成 通过利用一些简单的前体物 如5 磷酸核糖 氨基酸 一碳单位及CO2等 逐步合成嘌呤核苷酸的过程称为从头合成途径 1 合成部位 这一途径主要见于肝 其次为小肠和胸腺 所有合成反应在胞液中进行 嘌呤碱合成的元素来源 2 从头合成过程 1 IMP的合成 2 AMP和GMP的生成 3 ATP和GTP的生成 R 5 P 5 磷酸核糖 PP 1 R 5 P 磷酸核糖焦磷酸 在谷氨酰胺 甘氨酸 一碳单位 二氧化碳及天冬氨酸的逐步参与下 IMP H2N 1 R 5 P 5 磷酸核糖胺 ATP和GTP的生成 嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的 IMP的合成需5个ATP 6个高能磷酸键 AMP或GMP的合成又需1个ATP 3 嘌呤核苷酸从头合成特点 利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷 经过简单的反应 合成嘌呤核苷酸的过程 称为补救合成 或重新利用 途径 2 嘌呤核苷酸的补救合成途径 1 定义 腺嘌呤磷酸核糖转移酶 APRT 次黄嘌呤 鸟嘌呤磷酸核糖转移酶 HGPRT 腺苷激酶 2 参与补救合成的酶 3 合成过程 4 补救合成的生理意义 补救合成节省从头合成时的能量和一些氨基酸的消耗 体内某些组织器官 如脑 骨髓等只能进行补救合成 自毁容貌症 由于基因缺陷 HGPRT缺失 表现为尿酸增高及神经异常 自毁容貌症患者在发病时会毁坏自己的容貌 用各种器械把脸弄得狰狞可怕 这种疾病患者常常被束缚在床上或轮椅上 自毁容貌症患者大多死于儿童时代 很少活到20岁以后 现有的医疗技术对此无计可施 而只能寄希望于基因治疗 基因治疗技术将大大提高人类的素质 降低新生儿遗传病的发生率 例如 对孕妇作例行的产前检查 一俟发现尚在母腹中的婴儿患有遗传性疾病 则马上就可施行基因手术 二 嘧啶核苷酸的合成代谢 从头合成途径补救合成途径 1 嘧啶核苷酸的从头合成 主要是肝细胞胞液 嘧啶核苷酸的从头合成是指利用磷酸核糖 氨基酸 一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料 经过一系列酶促反应 合成嘧啶核苷酸的途径 1 定义 2 合成部位 3 嘧啶合成的元素来源 2 嘧啶核苷酸的补救合成 三 脱氧核苷酸的生成 二磷酸脱氧核苷 NDP dNDP 二磷酸核糖核苷 NADP NADPH H 核糖核苷酸还原酶 Mg2 还原型硫氧化还原蛋白 SH 2 氧化型硫氧化还原蛋白 硫氧化还原蛋白还原酶 FAD 脱氧核苷酸的生成 3 dUMP 脱氧胸苷一磷酸dTMP dTMP的生成 二 核苷酸的分解代谢 核苷酸 核苷酸酶 Pi 核苷 核苷磷酸化酶 1 磷酸核糖 碱基 一 嘌呤核苷酸的分解代谢嘌呤核苷酸的分解首先是在核苷酸酶的催化下 脱去磷酸生成嘌呤核苷 然后再在核苷酶的催化下分解生成嘌呤碱 最后在黄嘌呤氧化酶的作用下氧化生成尿酸 再经尿液排出体外 嘌呤碱的最终代谢产物 AMP GMP H 次黄嘌呤 G X 黄嘌呤 黄嘌呤氧化酶 黄嘌呤氧化酶 嘌呤核苷酸的分解代谢 尿酸是嘌呤核苷酸在人体内分解代谢的终产物 但在鸟类 尿酸则可继续分解产生尿囊素 正常人血浆中尿酸含量约为0 12 0 36mmol L 2 6mg 尿酸水溶性较差 当血浆中尿酸含量超过8mg 时 即可形成尿酸盐晶体 痛风症患者由于体内嘌呤核苷酸分解代谢异常 可致血中尿酸水平升高 以尿酸钠晶体沉积于软骨 关节 软组织及肾 临床上表现为皮下结节 关节疼痛等 二 嘧啶核苷酸的分解代谢 嘧啶碱的降解过程主要在肝细胞中进行 不同类型的嘧啶碱 其分解代谢的途径和终产物不同 胞嘧啶 NH3 尿嘧啶 二氢尿嘧啶 H2O CO2 NH3 丙氨酸 胸腺嘧啶 脲基异丁酸 氨基异丁酸 H2O 丙二酸单酰CoA 乙酰CoA TAC 肝 尿素 甲基丙二酸单酰CoA 琥珀酰CoA TAC 糖异生 三 核苷酸的抗代谢物 能够抑制核苷酸合成的一些抗代谢药物 通常是属于嘌呤 嘧啶 氨基酸 叶酸和核苷的类似物 主要通过对代谢酶的竞争性抑制作用 来干扰或抑制嘌呤核苷酸的合成 因而具有抗肿瘤治疗作用 一 碱基类似物1 嘌呤类似物 6 巯基嘌呤 6 巯基鸟嘌呤 8 氮杂鸟嘌呤等 2 嘧啶类似物 主要的抗代谢嘧啶类似物是5 氟尿嘧啶 5 FU 5 FU在体内可转变为F dUMP 其结构与dUMP相似 可竞争性抑制胸苷酸合酶的活性 从而抑制胸苷酸的合成 二 氨基酸类似物 氮杂丝氨酸类似谷氨酰胺 可抑制CTP的合成 临床上应用较多的氨基酸类似物包括氮杂丝氨和6 重氮 5 氧正亮氨酸 这些氨基酸类似物的分子结构与谷氨酰胺类似 因而可干扰谷氨酰胺在嘌呤核苷酸合成中的作用 抑制嘌呤核苷酸的合成 三 叶酸类似物叶酸类似物包括氨蝶呤及甲氨蝶呤 能竞争性抑制二氢叶酸还原酶 减少体内四氢叶酸的生成 使嘌呤核苷酸合成过程中所需一碳单位的供应受阻而抑制其合成 四 核苷类似物 阿糖胞苷和环胞苷属于核苷类似物 能抑制CDP还原成dCDP 第二节DNA的生物合成 生物体内DNA的合成包括三个方面 1 以DNA作为模板指导的DNA合成称为复制 即将DNA携带的信息传至子代DNA 2 DNA合成也可以RNA为模扳指导合成 通常将其称作反转录作用 见于RNA病毒 3 当各种因素引起DNA损伤时 损伤DNA可进行修复合成 校正错误 完成正确合成 以保持DNA结构的稳定性和遗传信息的准确性 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 在RNA病毒中 其遗传信息贮存在RNA分子中 因此 在这些生物体中 遗传信息的流向是RNA通过复制 将遗传信息由亲代传递给子代 通过反转录将遗传信息传递给DNA 再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质 这种遗传信息的流向就称为反中心法则 反映了从DNA RNA 蛋白质的遗传信息主流 揭示了生物体内遗传信息的贮存 传递和表达的规律 转录 RNA 翻译 蛋白质 DNA RNA 病毒 复制 复制 翻译 蛋白质 病毒 反转录 一 DNA的复制 一 DNA复制的概念和方式1 复制的概念 以亲代DNA为模板合成子代DNA 将遗传信息准确地复制到子代DNA分子上 这一过程叫复制 2 复制方式 半保留复制以亲代DNA双链为模板以碱基互补方式合成子代DNA 这样新形成的子代DNA中 一条链来自亲代DNA 而另一条链则是新合成的 这种复制方式叫半保留复制 半保留复制的实验证据 1958年Meselson和Stahl用同位素15N标记大肠杆菌DNA 首先证明了DNA的半保留复制 该实验首先将大肠杆菌在含15N的培养基中培养数代后 使其DNA中的碱基氮均转变为15N 然后将大肠杆菌移至只含14N的培养基中同步培养一代 二代 三代 分别提取DNA 作密度梯度离心 将具有不同密度的DNA分离开 DNA半保留复制的证据 3 复制的原料 以三磷酸脱氧核苷 dNTP即dATP dCTP dGTP dTTP 为原料 二 参与DNA复制的酶类及蛋白因子复制是在酶催化下的核苷酸聚合过程 需要多种酶和因子的共同参与 1 DNA拓扑异构酶 拓扑异构酶对DNA分子既能水解又能连接磷酸二酯键 其主要作用是解开DNA超螺旋结构 对DNA分子兼有内切酶和连接酶的功能 使DNA分子的紧密状态变为松弛状态 有利于DNA双链分开 2 解链酶 解链酶又称解螺旋酶 其作用是解开DNA双链 解链酶能辨认复制的起始点并与之结合 先解开一小段DNA 这一小段单链DNA可作为模板引导DNA新链的合成 在DNA复制过程中 解链酶可沿着模板向着复制方向移动 逐渐解开双链 每解开1个碱基对 需消耗2分子ATP 3 单链DNA结合蛋白 SSB 作为模板的DNA总要处于单链状态 因为符合碱基配对 解开的DNA单链又总会有形成双链的倾向 以使分子达到稳定状态和免受细胞内核酸酶的降解 SSB能与解开双螺旋的DNA单链结合 在复制过程中防止单链重新形成双螺旋 保持单链状态以便于进行复制 同时还可以防止单链DNA被核酸酶水解 SSB不象DNA聚合酶那样沿着复制方向向前移动 而是不断结合 脱离的 4 引物酶复制是在一小段RNA引物的基础上加进脱氧核苷酸的 催化引物合成的是一种RNA聚合酶 因它不同于催化转录过程的RNA聚合酶 遂称为引物酶 在复制的起始点 在DNA模板链的指导下 以NTP为底物 按碱基配对原则 引物酶催化RNA引物的合成 5 DNA聚合酶DNA聚合酶又称DNA指导的DNA聚合酶 DDDP 其主要作用是在DNA模板链的指导下 以三磷酸脱氧核苷 dNTP即dATP dCTP dGTP dTTP 为底物 按碱基配对原则 将三磷酸脱氧核苷逐个地加到寡聚核苷酸的3 末端上 并催化核苷酸之间3 5 磷酸二酯键的形成 从而将dNTP沿着5 3 方向聚合成为多核苷酸 在原核生物中 目前发现的DNA聚合酶有三种 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 在真核细胞至少有5种DNA聚合酶 分别称为DNA聚合酶 DNA聚合酶 和 是DNA复制时起主要作用的酶 DNA聚合酶 主要参与DNA损伤的修复 DNA聚合酶 存在于线粒体内 参与线粒体DNA的复制 6 DNA连接酶 DNA连接酶能连接DNA链3 OH末端和相邻DNA链的5 磷酸末端 使二者生成磷酸二酯键 从而把两段相邻的DNA链连接成完整的链 这一反应需消耗ATP 作用 在有模板指导的条件下 催化2个DNA片段 两片段间的距离为1个3 5 磷酸二酯键的键长 的连接 原理 在一个DNA片段的3 OH末端和另一个DNA片段的5 P末端形成3 5 磷酸二酯键 从而实现连接 特点 原核细胞 需辅助因子NAD 真核细胞 不需辅助因子NAD 但需耗能 ATP 参与DNA复制的酶与蛋白因子总览图 三 DNA的生物合成过程 1 复制的起始DNA复制的起始阶段 由下列两步构成 1 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 四聚体结合在两条单链DNA上 形成复制叉 2 引发体组装和引物合成 由解螺旋酶 引物酶和DNA复制起始区域形成引发体 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 领头链连续复制而随从链不连续复制 就是复制的半不连续性 真核细胞 具有多个起始位点 原核细胞 仅有一个复制起始位点 但往往是双向复制 或领头链 III 2 链的延长 引物合成后 由DNApol 真核细胞为DNA聚合酶 或 催化 在引物3 OH末端逐一添加与模板链对应互补的脱氧核苷磷酸 使新合成的链不断延长 领头链 链的延长方向 5 3 与解链方向 复制叉移动方向 相同 为连续合成 随从链 链的延长方向 5 3 与解链方向 复制叉移动方向 相反 为不连续合成 分段合成的DNA片段 最初被命名为冈崎片段 前导链 滞后链 冈崎片段 前导链 以3 5 方向的亲代链为模板连续合成的子代链 滞后链 以5 3 方向的亲代链为模板的子代链先逆复制叉移动方向合成冈崎片段 再连接成滞后链 3 复制的终止 1 水解引物及填补空隙冈崎片段合成后 由DNApol 真核细胞可能是DNA聚合酶 水解去除RNA引物 并填补留下的空隙 5 3 聚合 2 完整双链DNA分子的形成填补空隙后 DNA片段与片段之间还有一个缺口 一个3 5 磷酸二酯键的长度 由DNA连接酶催化连接成完整的链 从而产生完整的双链DNA分子 DNA复制过程简图 二 DNA的损伤 突变 与修复 在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤 遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变 均可称为突变 从分子水平来看 突变就是DNA分子上碱基的改变 一 DNA损伤的常见因素1 自发因素2 诱发因素 1 物理因素 由紫外线 电离辐射 X射线等引起的DNA损伤 其中 X射线和电离辐射常常引起DNA链的断裂 而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成 如TT TC CC等二聚体 这些嘧啶二聚体由于形成了共价键连接的环丁烷结构 因而会引起复制障碍 2 化学因素 化学因素是DNA损伤的主要因素 3 生物因素 二 基因突变的类型1 点突变 DNA分子上单一碱基的改变称点突变 1 转换发生在同型碱基之间 即嘌呤代替另一嘌呤 或嘧啶代替另一嘧啶 2 颠换发生在异型碱基之间 即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤 镰形红细胞贫血病人Hb HbS 亚基 正常成人Hb HbA 亚基 2 插入或缺失 原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到DNA大分子中间为插入 一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失为缺失 框移突变是指三联体密码的阅读方式改变 造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变 缺失引起框移突变 三 DNA损伤修复DNA复制过程所发生的突变 碱基配对错误 由核内DNA聚合酶 以其校读功能予以纠正 若碱基错配频频发生或损伤范围大 则需采用以下修复方式进行修复 修复的主要类型 光修复切除修复重组修复SOS修复 1 光修复 直接修复 这是一种广泛存在的修复作用 能够修复任何嘧啶二聚体的损伤 修复过程由光修复酶催化完成 2 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 切除修复机制的基本过程是将受损的DNA片段切除 然后再以对侧链为模板 重新合成新链进行修复 切除修复 由3种酶共同参与完成 DNApolI DNA连接酶 3 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 修复时 利用重组蛋白的核酸酶活性 将另一股健康亲链与损伤缺口相互交换 重组修复过程 重组修复 亦称复制后修复 4 SOS修复 DNA分子受到较大范围的损伤 细胞对危急状态所作出的反应 机制 引起DNA较长期的 广泛的突变 SOS调节网诱导产生的DNA聚合酶特异性低 识别碱基能力差 使修复部位仍存在较多错配的碱基 但细胞能继续生存 后果 二 反转录 概念以RNA为模板 dNTP为原料 反转录酶催化 按碱基配对规律合成DNA的过程 反转录酶 又称为依赖RNA的DNA聚合酶 DNA RNA RNA 病毒 反向转录酶存在于所有致癌RNA病毒中 其功能可能与病毒的恶性转化作用有关 但它也存在于某些正常细胞中 在细胞分化与胚胎发生中可能起某些作用 反转录病毒和反转录酶的发现 提出了一个重要的医学问题 病毒致癌及癌基因 反转录的医学意义 病毒RNA RNA DNA杂化分子 cDNA 前病毒 双链DNA 逆转录示意图 反转录的医学意义 癌基因 能在体外引起细胞恶性转化 在体内诱发肿瘤的基因 细胞癌基因或原癌基因 存在于生物正常细胞基因组中的癌基因 正常情况下基因处于静止或低表达的状态 当受到致癌刺激被活化并发生异常时则可发生细胞癌变 病毒癌基因 存在于致瘤病毒中的能使靶细胞发生恶性转化的基因 抑癌基因 是一类抑制细胞过度生长 增殖从而遏制肿瘤形成的基因 如Rb P53 P16等 癌基因与抑癌基因之间一般处于动态平衡状态 是一种反转录病毒 可引起获得性免疫缺陷综合征 AIDS 艾滋病 反转录酶在基因工程 分子病的基因治疗方面也有重要作用 人类免疫缺陷病毒 HIV 反转录的医学意义 第三节RNA的生物合成 一 转录的概念和方式 一 转录的概念在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 经转录生成的RNA有多种 主要的是rRNA tRNA mRNA等 二 转录的方式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链称为模板链 也称作有意义链 与模板链互补的另一条DNA链称为编码链 也称为反义链 能转录出RNA的DNA区段称为结构基因 模板链 编码链 编码链 模板链 模板链和编码链的相对性 模板链 编码链与转录及翻译的关系 三 转录的原料 NTP ATP UTP GTP CTP 二 转录酶 RNA聚合酶RNA聚合酶又称为依赖DNA的RNA聚合酶 DDRP 原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构成 即 2 1 2 被称为核心酶 与RNA链的聚合有关 2 亚基与转录起始点的识别有关 在转录合成开始后被释放 3 全酶的作用 转录起始 真核细胞的RNA聚合酶有三种 分别是RNA聚合酶 RNA聚合酶 和RNA聚合酶 RNA聚合酶 RNA聚合酶 分别负责合成rRNA和mRNA RNA聚合酶 则催化转录生成5srRNA和tRNA 三 转录的基本过程RNA的转录过程大体可分为起始 延长和终止三个阶段 转录全过程均需RNA聚合酶催化 原核生物转录起始需要核心酶加上 因子即全酶参与 延长过程是核心酶催化下的核苷酸聚合 Rho 因子参与转录的终止 真核细胞和原核细胞在延长过程是基本相同的 而在转录的起始和终止方面却有较多的不同 一 起始阶段首先由RNA聚合酶的 因子辨认DNA的启动子部位 并带动RNA聚合酶的全酶与启动子结合 形成复合物 同时使DNA分子的局部构象改变 结构松驰 解开一段RNA双链 约10几个碱基对 暴露出DNA模板链 在DNA模板链转录起点碱基的引导下 第一个核糖核苷酸进入相应的位置 配对结合 转录起点的碱基多为T或C 因此第一个结合的NTP多为ATP或GTP 二 延长阶段 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 1 亚基脱落 RNA pol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 RNA转录的延长 三 终止阶段当核心酶滑行到DNA模板链的终止部位即停顿下来不再前进 转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来 就是转录终止 原核生物转录终止有两种类型 1 依赖 因子终止的转录 因子能与转录产物RNA结合 使RNA聚合酶停顿 因子还有ATP酶活性和解螺旋酶活性 它能利用ATP水解释放的能量 使RNA链从模板DNA链上拆开 并从转录复合物中释放出来 2 不依赖 因子终止的转录 在DNA模板链上靠近终止处有些特殊碱基序列 即较丰富的A T配对区或G C配对区 是转录终止信号 当核心酶遇到终止信号后 RNA转录产物就形成特殊的发夹样结构 阻止核心酶的滑动 RNA链的延长便终止 转录终止后 核心酶也从DNA模板链上脱落下来 与 因子重新结合为全酶进行下一次的转录 这样合成的RNA是初级转录物 即RNA前体 RNA聚合酶 因子附在RNA链上 因子 RNA链形成一个发夹结构 转录停止 因子利用ATP能滑行 因子发挥解螺旋酶活性 解开发夹和RNA DNA 依赖Rho因子的转录终止 不依赖 因子的转录终止 四 转录后的加工真核细胞中转录生成的RNA是初级转录产物 均需经过一定程度的加工才具有活性 新生的无活性的RNA转变为有活性的RNA的过程 称为RNA的成熟 转录后的加工 包括链的断裂 拼接和化学修饰等 一 mRNA的转录后加工真核生物mRNA转录后 需进行5 端和3 端的修饰以及对hnRNA进行剪接 1 首 尾修饰 指在mRNA的5 端加 帽 3 端加 尾 5 端加 帽 是在核内进行的 在hnRNA的5 末端加上一个m7GpppG 帽 结构 其功能与蛋白质生物合成的起始有关 mRNA3 末端接上一段约30 200个polyA 该结构称为 尾 其功能是引导mRNA由细胞核向细胞质转移 2 mRNA的剪接真核细胞的mRNA前体称核内不均一RNA 它是由断裂基因转录的 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 包含有内含子和外显子的区段 所以其分子量比成熟的mRNA大几倍 甚至数十倍 剪接就是把hnRNA中的内含子除去 把外显子拚接起来 成为具有翻译功能的模板 mRNA 3 甲基化作用 除帽子结构甲基化外 mRNA内部还有甲基化的核苷酸 主要是在嘌呤环的第六位上甲基化 4 RNA编辑RNA编辑作用是指在RNA水平上改变遗传信息的过程 RNA编辑作用说明 基因的编码序列经过转录后加工 是可有多用途分化的 因此也称为分化加工 二 tRNA的转录后加工 主要有以下几种加工方式 切断 剪接 3 末端 CCA序列添加 化学修饰 tRNA前体 RNApol tRNA前体的转录合成 tRNA前体的切断和剪接加工 tRNA的碱基修饰 tRNA3 末端 CCA序列的添加 rRNA前体的转录和剪接加工 五 核酶核酶 具有催化活性的RNA称为核酶 核酶研究的意义核酶的发现 对中心法则作了重要补充 核酶的发现是对传统酶学的挑战 利用核酶的结构设计合成人工核酶 第四节蛋白质的生物合成 翻译 一 翻译的概念蛋白质的生物合成过程 就是将DNA传递给mRNA的遗传信息 再具体转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 二 翻译的反应体系蛋白质生物合成的原料是氨基酸 氨基酸在mRNA的指引下逐一聚合 聚合过程中 氨基酸需由tRNA携带 蛋白质合成的全过程是在由rRNA和蛋白质所组成的核蛋白体大分子上进行的 也就是说 蛋白质的生物合成 是需要mRNA为模板 tRNA为运载体 核蛋白体为装配场所共同协调完成的 此外 翻译过程还需众多的蛋白质因子和酶的参与 一 mRNA的直接模板作用在mRNA分子中 核苷酸的排列顺序包含有多肽链中氨基酸的排列顺序 mRNA通过其模板作用传递DNA的遗传信息 即引导蛋白质多肽链的合成 mRNA分子从5 至3 方向 以AUG开始 每3个相邻的碱基组成的三联体 就是决定一个氨基酸的遗传密码 又称密码子 这样 三联体密码子在mRNA分子上的排列顺序就决定了多肽链中氨基酸的排列顺序 因为蛋白质分子中共有20种氨基酸 故至少有20种密码子 实际上 mRNA分子中共有64个密码子 43 其中有三个密码子 UAA UAG UGA 不代表任何氨基酸 只代表多肽链合成的终止信号 称为终止密码 位于mRNA的3 端 其余的均代表氨基酸 AUG除代表蛋氨酸外 如出现在mRNA的5 端起始区 又代表多肽链合成的起动信号 故AUG又是起始密码 从mRNA5 端起始密码子AUG到3 端终止密码子之间的核苷酸序列 各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链 称为开放阅读框 AUG UAA ORF 遗传密码具有以下特点 1 连续性 指编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读 密码间既无间断也无交叉 基因损伤引起mRNA开放阅读框内的碱基发生插入或缺失 可能导致框移突变 2 简并性 遗传密码中 除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外 其余氨基酸有2 3 4个或多至6个三联体为其编码 同一氨基酸存在多个不同的遗传密码的现象称为遗传密码的简并性 遗传密码的简并性在保持遗传稳定性上具有重要意义 3 摆动性 转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反平行配对结合 但反密码与密码之间常常不严格遵守碱基配对规律 称为摆动配对 3 通用性 蛋白质生物合成的整套密码 从原核生物到人类都通用 已发现少数例外 如动物细胞的线粒体 植物细胞的叶绿体等 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先 二 tRNA是转运氨基酸的工具所有tRNA的二级结构均是三叶草形 其氨基酸臂的3 CCA OH是氨基酸的结合位点 反密码环顶端的反密码子与mRNA上的密码子配对结合 tRNA携带的氨基酸 是由mRNA上三联体密码决定的 因此 tRNA可将氨基酸准确地带到指定的位置 tRNA与氨基酸结合生成氨基酰 tRNAtRNA与氨基酸的结合是在氨基酰 tRNA合成酶的作用下完成的 氨基酸 ATP 酶 氨基酰 AMP 酶 PPi氨基酰 AMP 酶 tRNA 氨基酰 tRNA AMP 酶 tRNA的反密码子与mRNA的密码子配对结合反密码子与密码子结合时 二者的方向是相反的 如果都从5 端至3 端方向阅读 mRNA密码子的第一 二 三位碱基与tRNA反密码子的第三 二 一位碱基相对应 密码子的第一 二位碱基与反密码子的第三 二位碱基的配对严格遵循A U G C的碱基配对原则 而其第三位碱基与反密码子的第一位碱基的配对则不严格 常出现 摆动配对 即碱基不严格互补也能互相辨认 tRNA碱基组成的特点是有很多稀有碱基 其中次黄嘌呤常出现于反密码的第一位 可以与密码第三位的A C或U配对 这是最常见的摆动配对 正因为密码子的第三位存在摆动现象 以及反密码子与密码子存在摆动配对结合的特点 才可以使携带同一种氨基酸的tRNA能结合到几种同义密码子上 使与密码子相对应的氨基酸进入准确的位置 三 rRNA与蛋白质构成核蛋白体是蛋白质合成的场所核蛋白体由大 小亚基构成 大亚基有转肽酶活性和两个tRNA结合部位 一个是结合肽酰 tRNA的部位 P位 另一个是结合氨基酰 tRNA的部位 A位 小亚基有结合模板mRNA的功能 在大小亚基之间有容纳mRNA的部位 核蛋白体能沿着mRNA5 3 方向阅读遗传密码 四 参与翻译的其他因子在蛋白质合成过程中还需要供能物质ATP GTP和无机离子Mg2 K 等的参与 转肽酶 蛋白因子主要有起始因子 IF 真核细胞的写作eIF 延长因子 EF 释放因子 RF 等 它们参与蛋白质合成过程中氨基酰 tRNA对模板的识别和附着 核蛋白体沿mRNA模板的相对移动 合成终止时肽链的解离等环节 三 蛋白质生物合成 翻译 的过程 和核蛋白体结合的mRNA在开始合成蛋白质时 读码框架从5 3 方向阅读遗传密码 tRNA携带活化的氨基酸在核蛋白体上缩合成肽链 肽链的延长是从N C方向进行的 肽链的生成可分为起始 延长和终止三个阶段 一 翻译的起始翻译起始是指把核蛋白体的大小亚基 mRNA和带有甲酰甲硫氨酸的起始tRNA fmet tRNAfmet 聚合成为翻译起始复合物 起始过程需要起始因子 IF 1 IF 2 IF 3 以及GTP和Mg2 的参与 核蛋白体大 小亚基结合小亚基 mRNA和fmet tRNAfmet结合完成后 翻译起始复合物就形成了 这时 核蛋白体大亚基上的P位 肽位 已被fmet tRNAfmet和mRNA上的起始密码子AUG所占据 但A位 氨基酰位 是空着的 而且mRNA上与AUG相邻的第二个三联体密码子已相应于A位上 与这个密码子对应的氨基酰 tRNA即可到达A位而进入延长阶段 肽链合成的起始 30S亚基 mRNAIF3 IF1复合物 30S mRNA GTP fMet tRNA IF2 IF1复合物 70S起始复合物 mRNA 30S亚基 IF3 IF 1 70S起始复合物 二 肽链的延长起始复合物形成后 随即对mRNA上的遗传密码进行连续地翻译 即各种氨基酰 tRNA按照mRNA上三联体密码子的顺序依次进入核蛋白体上 使肽链延长 翻译过程的肽链延长也称为核蛋白体循环 每次循环可分为进位 注册 成肽和转位三个步骤 每循环一次 肽链延长一个氨基酸 如此不断重复 直到肽链合成终止 这一过程需要肽链延长因子 EF GTP Mg2 和K 的参与 1 进位 又称注册 指根据mRNA上遗传密码的指引 进入核蛋白体大亚基的A位 在起始复合物中 大亚基上对应于mRNA的第二位密码子的A位是空着的 起始复合物形成后 由mRNA上的第二位密码子决定的氨基酰 tRNA进入A位 并通过其反密码子与密码子互补结合 此步骤需GTP Mg2 和EF T参与 2 转肽在大亚基上的转肽酶的催化下 P位上的fmet tRNAfmet中甲酰甲硫氨酸的酰基转移到A位 与A位上的氨基酰 tRNA的氨基结合成第一个肽键 这样就在A位上形成一个二肽酰 tRNA P位上的tRNA随之从大亚基上脱落下来 此时P位成为空位 成肽过程需要Mg2 和K 的参与 3 转位上述二肽形成之后 在转位酶催化下 并在EF G和Mg2 的共同参与以及GTP供能的情况下 核蛋白体向mRNA的3 端方向移动相当于一个密码子的距离 此时A位上的二肽酰 tRNA移至P位 A位留空 而mRNA上的第三个密码子与空着的A位相对应 至此 第一循环完成 又回复到循环开始时的状态 所不同的是 此时P位上由循环开始时的fmet tRNAfmet变成了二肽酰 tRNA 接着 第三号氨基酸就按第三个密码子的指引进入A位注册 开始下一轮循环 形成三肽酰 tRNA 同样地 按进位 成肽 转位循环一次 就在肽链上增加一个氨基酸残基 可见 核蛋白体阅读mRNA密码子是从5 向3 方向进行的 而肽链的合成是从N 端向C 端方向进行的 蛋白质多肽链合成的速度很快 据估算 每秒钟可翻译约40个密码子 即每秒钟可以使肽链延长40个左右氨基酸残基 核蛋白体循环的反应过程 三 翻译的终止翻译的终止包括 终止密码的辨认 肽链从tRNA上水解释出 mRNA脱离核蛋白体 大小亚基解聚 当肽链延长直到A位出现终止密码 UAA UAG UGA 无氨基酰 tRNA与之对应 此时 释放因子 RF 能识别终止密码 进入A位 RF与大亚基的结合 可诱导转肽酶变构 激活转肽酶 使P位上的多肽链从tRNA上分离 然后由GTP供能 使tRNA RF和mRNA均从核蛋白体上脱落下来 在IF的作用下 核蛋白体解聚成大 小亚基 解聚后的大 小亚基又可重新进入翻译过程 循环使用 狭义上 核蛋白体循环指翻译延长 广义上则包括整个翻译过程 多肽链合成的终止过程 四 翻译后加工 一 新生肽链的折叠 二 N 端蛋氨酸切除 三 个别氨基酸的修饰 四 水解切除部分肽段 例如酶原的激活 五 亚基聚合和辅基连接 四 蛋白质合成与医学的关系蛋白质生物合成自复制 转录和翻译的不同过程均有抑制剂能加以阻断 抑制剂包括抗菌素和毒素等 一 复制阻断剂 二 转录阻断剂 三 翻译阻断剂 第五节基因表达调控的基本原理 一 基因表达的概念和意义1 基因 负载特定遗传信息的DNA片段 包括由编码序列 非编码序列和内含子组成的DNA区域 2 基因组 指来自一个遗传体系的一整套遗传信息 在真核生物体 基因组是指一套完整的单倍体的染色体DNA和线粒体DNA的全部序列 3 基因表达 基因所携带的遗传信息 经过转录 翻译等 产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程 但对于rRNA tRNA编码基因 表达仅是转录成RNA的过程 4 基因表达调控 基因表达是在一定调节机制控制下进行的 生物体随时调整不同基因的表达状态 以适应环境 维持生长和发育的需要 人类基因组含3 4万个基因 在某一特定时期 基因组中只有一部分基因处于表达状态 在一定调节机制控制下 大多数基因经历基因激活 转录及翻译等过程 产生具有特定生物学功能的蛋白质分子 赋予细胞或个体一定的功能或形态表型 但并非所有基因表达过程都产生蛋白质 rRNA tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达 二 基因表达的特异性无论是病毒 细菌 还是多细胞生物 乃至高等哺乳类动物及人 基因表达表现为严格的规律性 即时间 空间特异性 生物物种愈高级 基因表达规律愈复杂 愈精细 这是生物进化的需要及适应 一 时间特异性概念 指按功能需要 某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生 又称阶段特异性 在多细胞生物从受精卵到组织 器官形成的各个不同发育阶段 相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭 表现为与分化 发育阶段一致的时间性 二 空间特异性概念 在个体生长全过程 某种基因产物在个体按不同组织空间或顺序出现 基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异 实际上是由细胞在器官的分布决定的 又称细胞特异性或组织特异性 在多细胞生物个体某一发育 生长阶段 同一基因产物在不同的组织器官表达多少是不一样的 在同一生长阶段 不同的基因表达产物在不同的组织 器官分布也不完全相同 三 基因表达的方式不同的基因对内 外环境信号刺激的反应性不同 按对刺激的反应性 基因表达的方式或调节类型存在很大差异 一 组成性表达管家基因 某些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可少 这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达 通常称之为管家基因 管家基因较少受环境因素的影响 被视为基本的或组成性基因表达 例如 三羧酸循环基因 二 适应性表达有一些基因表达极易受环境变化影响 随外环境信号变化 这类基因表达水平可呈现升高或降低的现象 诱导 环境变化使其表达增强的过程 阻遏 环境变化使其表达产物水平降低的过程 诱导和阻遏是同一事物的两种表现形式 在生物界普遍存在 也是生物体适应环境的基本途径 三 协调表达 在一定机制控制下 功能上相关的一组基因 无论其为何种表达方式 均需协调一致 共同表达 即协调调节 四 基因表达调控的主要环节和因素目前已有证据表明 基因结构活化 转录起始 转录后加工及转运 翻译及翻译后加工等均为基因表达调控的控制点 转录起始是基因表达的基本控制点 五 基因转录的调节系统原核基因转录是多顺反子形式 即转录生成的mRNA可以表达功能相关的数种蛋白质 而真核基因的转录产物为单顺反子 即一个基因通过转录mRNA翻译产生一条多肽链 原核生物的基因表达调控方式是操纵子模式 操纵子是几个功能相关的蛋白质的编码基因 结构基因 串联在一起 受其上游的调控序列共同调节 构成一个转录单位 操纵子的结构 P S1 S2 S3 启动子 结构基因1 2 3 O 操纵基因 调控区 结构基因 操纵子 I 乳糖操纵子的工作原理 P Z Y A 启动子 分解代谢乳糖的三种酶基因 O 操纵基因 调控区 结构基因 阻遏蛋白 乳糖 变构 阻遏蛋白变构失活 阻遏蛋白 乳糖操纵子 Lac I 阻遏物