《DNA与蛋白质合成》PPT课件

第三节DNA与蛋白质合成DNA（基因）蛋白质生理生化性状一、性状与蛋白质人体有10万余种，其结构功能性状（一）酶白化病-缺乏酪氨酸氧化酶，黑尿症-缺乏尿黑酸氧化酶（二）运载蛋白血红蛋白链第六位AA谷氨酸缬AA，红细胞镰刀型贫血症。细胞中缺少一种促进小分子通过细胞膜的运载蛋白，使胱氨酸等通过膜受阻，出现胱氨酸尿症。（三）结构蛋白肌肉中肌纤维蛋白含量成分运动员素质潜能；皮肤中胶原蛋白皮肤弹性,（四）激素胰岛素不足引起糖尿病；男性脑下垂体产生促性腺激素，维持精子形成（五）抗原、抗体抗原：如红细胞表面特殊蛋白，决定不同血型抗体：无球蛋白血症（六）受体细胞膜或细胞内大分子蛋白质，能选择性与一定活性物质结合，产生特定生理效应。X染色体隐性遗传（Tfmtfm缺乏雄性激素受体），导致睾丸女性化46，XY；,二、RNA的转录和加工（一）转录在RNA聚合酶催化下，以DNA分子中的信息链为模板，合成各种RNA的过程。1、RNA聚合酶体外RNA聚合酶可使DNA分子中两条链同时转录，而在活体内只能是其中的一条链，这条叫信息链。RNA聚合酶是一种复杂的蛋白质，由6个多肽构成，其中5个构成核心酶，第六个（）因子识别转录起始区。,2、转录过程（1）识别、起始因子识别转录起始区（启动子，常高AT区且核苷酸顺序不对称），RNA聚合酶与DNA结合，转录开始后因子从酶中分离出。（2）转录RNA链延长以DNA分子中的信息链为模板（35），根据碱基配对原则，U代替T合成一条单链的RNA，方向为53即转录方向。（3）合成终止在DNA分子上有转录终止区，因子识别，转录停止，酶和RNA从DNA分子上脱离。DNA分子重新螺旋。转录在细胞核中，合成的RNA从核中出来进入细胞质中指导蛋白质合成。,（二）三种RNA分子信使RNA(mRNA)；转运RNA(tRNA)；核糖体RNA(rRNA)1、mRNA遗传信息的携带者，是以DNA信息链为模板转录的单链RNA，作为蛋白质合成的模板2、tRNA将AA运送到核糖体上，已知60余种。（1）特点单链分子较小的RNA，约7090个核苷酸组成，由DNA分子某一区段转录（tRNA）。除AUCG外，还有稀有碱基D（双氢尿嘧啶）；I（次黄嘌呤）（假尿嘧啶）。具专一性。每种tRNA转运一种AA。结构相似。不同的tRNA单链折叠成“三叶草”式结构,（2）“三叶草”式结构（二级结构）三环一臂AA臂所有tRNA3均为CCA，是转录后加上的，最末端腺苷酸的3OH与AA的羧基结合脱去H2O，形成氨酰基tRNA，AA附着到tRNA上。,反密码环与AA臂相对，环中央有一个能与mRNA密码子相配对的反密码子，读码35。反密码环密码子第三位碱基对应的常为稀有碱基，其具有“摆动性”，第一、二位配对即可配对，保证一种反密码子能识别代表一种AA的所有兼并密码。如苯丙氨酸密码有UUU；UUC；UUA都能被AAI识别而带入苯丙氨酸。双氢尿嘧啶环AA附着到AA臂上需要特定专一氨酰基tRNA合成酶，该环能识别这种酶。胸腺嘧啶环识别核糖体并与之结合。还有些小环作用不清。由于在各个双链区形成45个三个氢键对，故结构稳定。,3、rRNA由DNA分子某区段转录（rRNA基因，多个拷贝）的单链RNA但通常以发夹式折叠，在互补的碱基间形成氢键，有广泛的双链区。与蛋白质一起形成核糖体的大小亚基。（三）RNA复制,（四）转录后加工1、mRNA转录后加工原核生物一般无加工。真核生物转录后需要经过切割、拼接、修饰和改造。（1）在5端加上一个7甲基鸟苷作为帽子，所有真核生物都有，可促进与核糖体结合，延长mRNA寿命。（2）在帽子的5末端，一般有23个核苷酸被甲基化，可能能提高mRNA在蛋白质合成中效率。（3）在3端加上一条“尾”即具有150200个腺苷酸的序列多聚（A）(polyA)，对mRNA稳定起作用，而且可能对mRNA进入细胞质有帮助。（4）前体mRNA的有相当一部分被切除，保留的连接起来将来在蛋白质合成中编码蛋白质，称为编码序列或外显子。,2、rRNA和tRNA加工rRNA：断裂和甲基化tRNA：（1）在3和5端都切去一定核苷酸序列（2）核苷酸修饰常C5甲基化（3）在3端加上3个核苷酸CCA（五）转录与复制复制转录重要酶DNA聚合酶RNA聚合酶模板DNA分子两条链全部序列DNA分子信息链某些区段结果两条相同DNA分子若干个单链RNA,三、蛋白质合成(翻译)按mRNA碱基排列顺序，通过tRNA将各种AA按顺序连接成肽链，构成蛋白质的一级结构的过程。,（一）遗传密码19531961年尼恩贝格等人，人工体外合成肽链证实。mRNA上三个相连的核苷酸（碱基）决定一种AA，这种三联体遗传密码（密码子）。1966年，64种密码子全部破译（61种有意义，3种无意义），并编制了遗传密码表。,1、起始密码读码方向53，AUG(极少GUG)起始信号甲酰甲硫氨酸5有S-D序列（49个核苷酸）与小亚基中16SrRNA3一段序列互补，促进mRNA与小亚基结合。2、终止密码UAA、UAG、UGA3、无逗号性4、不重叠性5、兼并性，苯丙氨酸UUU,UUC,UUA；与tRNA反密码子稀有碱基摆动性对应6、统一性，生物界通用，不适线粒体(二)核糖体1、组成rRNA60%，单链折叠由rRNA基因转录蛋白质40，多种蛋白质附着在rRNA纤丝上形成一定结构。,2、结构一个核糖体含大小两个亚基，其大小用S值表示,大亚基：有2个tRNA结合部位A位（氨酰基部位）：专门接受带AA的tRNA（AAtRNA）P位（肽酰基部位）专门接受带肽链的tRNA（肽链-tRNA）A、P位各占据3个碱基空间，相距很近。,小亚基：识别mRNA上起始密码AUG（16S有一序列与mRNA上S-D序列互补），与mRNA结合占6个碱基空间。,A位tRNA带的AA有游离的NH2，而P位肽链-tRNA的肽链与tRNA脱离后有羧基，在肽链合成酶作用下连成肽链,（三）蛋白质合成氨基酸需要先激活,1、多肽链的起始起始因子三步：（1）形成30SmRNAIF-3复合物30S识别mRNA的起始密码和S-D序列，在IF-3作用下两者结合（30SmRNAIF-3复合物），占据6个碱基空间（2）形成30S起始复合物30SmRNAIF-3复合物在IF-1和IF-2作用下，与带甲酰甲硫氨酸tRNA（fmet-tRNAf)及GTP结合，形成30S起始复合物，释放出IF-3（3）形成70S起始复合物50S加入，水解GTP形成70S起始复合物，释放IF-1和IF-2，fmet-tRNAf位于50S的P位。,可溶性蛋白起始因子,1、形成30SmRNAIF-3复合物,2、形成30S起始复合物,3、形成70S起始复合物,2、多肽链的延长：三步（1）结合按mRNA的密码，带相应氨基酸的tRNA（AAtRNA）在延长因子EFTU和GTP参与下，即AAtRNA先与EFTU和GTP结合（fmet-tRNAf例外）后进入50S的A位（2）成肽在肽基转移酶催化下，P位fmet-tRNAf分离，fmet的羧基与A位AAtRNA的AA的氨基形成肽键。（3）移位P位fmet-tRNAf由于P位fmet与A位的AA结合，OHtRNAf从P位推出，A位复合物移位到P位，与此同时70S沿mRNA的53移动一个密码子。A位空出，新的AAtRNA进入，EFTS促使EFTU和GDP从复合物中释放加入循环，肽链不断延长。,2、多肽链的延长延长因子EF,(1)结合AAtRNA在延长因子EFTU和GTP参与下，进入50S的A位,(2)成肽在肽基转移酶催化下，P位fmet-tRNAf分离，fmet的羧基与A位AAtRNA的AA的氨基形成肽键。,（3）移位由于P位fmet与A位的AA结合，OHtRNAf从P位推出，同时70S沿mRNA的53移动一个密码子。A位空出，新的AAtRNA进入。,3、肽链合成终止释放因子,多聚核糖体：指一条mRNA分子同时结合多个核糖体，形成一串核糖体的现象。意义：大大提高了蛋白质合成的效率。,四、中心法则及其发展（一）中心法则：1957年Crick遗传信息从DNAmRNA蛋白质三种生物大分子间传递法则。要点：（1）DNA分子中碱基排列顺序即为遗传信息；（2）DNA分子通过半保留复制，使子代DNA与亲代相同；（3）以DNA分子中信息链为模板，根据碱基互补原理合成mRNA，将信息传递到mRNA；（4）mRNA上三个相连的碱基决定一个AA，根据mRNA上密码子顺序合成肽链,（二）中心法则发展1、RNA的反转录,2、RNA的自我复制,3、DNA指导的蛋白质合成变性的单链DNA在离体条件下可以直接与核糖体结合，指导蛋白质的合成,第四节基因概念及发展,一、经典遗传学关于基因的概念达尔文“泛生子“（一）孟德尔：1865年1909年把控制性状的因子称为遗传因子。（二）约翰逊：1909年提出基因(gene)取代遗传因子，基因是控制性状的符号。（三）摩尔根：1926年（1）基因具有染色体的主要特性（2）交换单位（3）突变单位（4）功能单位基因在染色体上以线性排列（念珠学说），是遗传的功能单位、突变单位、重组单位。即“三位一体”的基因概念,二、近代遗传学关于基因的概念（一）基因功能研究发展了基因概念生化遗传及早期分子遗传研究发展了基因的概念，“一个基因一个酶”，基因表达为蛋白质；基因的核苷酸序列决定蛋白质氨基酸序列。,（二）基因精细结构1、位置效应位置效应：基因在染色体上位置不同对性状表现的作用(程度)也可能不同。果蝇16A区段(Bar基因)重复处于染色体的不同位置对其个体眼面大小(小眼数目)的效应不同。顺式影响大，反式影响小。位置效应表明：染色体并非基因的简单容纳器，基因在染色体上的位置也对其功能具有重要影响。,2.互补试验Benzer(1955)用E.Coli烈性噬菌体T4突变型遗传研究：T4野生型在E.ColiB和E.ColiK()上都能产生小而不规则噬菌斑。T4突变品系按表型可分为：rI、rII、rIII三类。其中rII在E.ColiB上产生快速溶菌现象，形成大而圆噬菌斑，在E.ColiK()上不能生长。,试验方法：最初得到8个不同的r突变型品系（ra、rb等），8个突变基因均定位于T4DNA的一个区段内(rII区段)；将8种突变型两两组合混和感染E.ColiB菌株(双重感染)；从混和培养物中提取噬菌体颗粒感染E.coliK()。试验结果1：在菌落上获得了许多小而粗糙的野生型噬菌斑。可求出重组值。,双重感染试验,结果分析：回复突变的频率很小，不会产生如此高频率的野生型噬菌体(斑)；所以野生型只能由重组产生。Benzer先后分离到400多个不同的rII突变。在rII区段内存在如此多的基因显然是不可能的。结论：基因内部有更小的重组单位，野生型产生于基因内重组，从而推翻了经典遗传学基因不可分性的性质。,rII区段存在多种突变的结构表明：基因也并非最小突变单位。Benzer提出用突变子(muton)来描述基因突变的最小单位。理论上突变子和重组子都是一个核苷酸对或者碱基对(bp)。所以基因内每个碱基均可能发生突变，任意两个碱基间均能发生交换重组。,试验结果2：rII突变型可以分为A、B两组，A组任一个突变型与B组任一个突变型同时感染E.ColiK时，可在其中增殖，引起溶菌，释放出两种噬菌体，即可以互补。但A组内任两个突变型或B组内任两个突变型，则不能互补。,噬菌体复制,rA、rB基因产物都有，A组任一个突变型与B组任一个突变型同时感染E.ColiK时，rA突变型有完整的rB基因，能产生B产物，同样rB突变型能产生A产物，在E.ColiK中两种基因产物都有，可以复制。两个都为rB突变型只能产生A产物，无B产物，不能复制，表现不能互补。,重组试验可知，A组所有突变点在r区一边，是一个作用单位，B组所有突变点在r区另一边，是另一个作用单位。即基因是功能单位。,根据两突变反式双杂合体有无互补作用可以判断它们是否为同一个功能单位的突变：这种测验称为互补测验，也称为顺反测验(cis-transtest)。Benzer将顺反测验所确定的最小遗传功能单位称为顺反子(cistron)，顺反子内发生的突变间不能互补。,顺反子：在反式结构中不能互补的所有突变点在染色体上所占的一个区域，称为一个顺贩子即一个基因。,（三）基因顺反子，是功能单位（指导一条肽链合成），含多个突变子和重组子。Benzer提出“一个顺反子一条多肽链”。,顺式同一或不同一顺反子都表现为互补，不能判断。,（四）基因是含特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传的最小功能单位,1，基因本质（1）一个基因DNA分子上一定区段，在mRNA上起始密码AUG，终止密码UAA或UAG或UGA（一条染色体一个DNA分子若干个基因）（2）一个基因转录的mRNA的核苷酸顺序与肽链AA顺序对应。（3）携带有特殊遗传信息转录成RNA翻译成多肽链，或对其它基因的活动起调控作用(如调节基因、启动基因、操纵基因)（4）基因与基因间有基因间序列（AUGUAA基因间序列AUGUAA）,结构基因：可编码蛋白质基因，基因mRNA肽链RNA基因tRNA基因tRNA（只转录不翻译）rRNA基因rRNA不转录基因启动基因：起点，RNA聚合酶识别结合部位，操纵基因：转录开关，调节基因活性,三、基因概念的新发展1、操纵子（operon）1961年法国雅各布（Jacob）和莫若德（Monod）大肠杆菌乳糖操纵子模型。操纵子：是细菌中与同一生化功能有关紧密连锁的基因受某一基因调控。发展：基因不仅是传递遗传信息的载体，又具有调控其他基因表达活性功能。,2、根据功能基因分类：,2、重叠基因(overlappinggene)：1977年英国桑格（Sanger）在X174（噬菌体）发现,指在同一段DNA顺序上，由于阅读框架不同或终止早晚不同，同时编码两个以上基因的现象。A、一个基因序列完全在另一个基因序列中（套叠基因）；B、两个基因共1个核甘酸。发展：不同基因可共同一段序列，打破传统“不重叠的”基因概念。,3、隔裂基因(splitgene)：指基因内部被一个或更多不翻译的编码序列即内含子所隔裂。内含子(intron)：基因内非编码的DNA序列，在成熟mRNA中不出现；外显子(extron)：基因内编码的DNA序列，在成熟mRNA中出现。,发展：真核生物结构基因编码蛋白质的序列不连贯，打破传统“连续”基因概念。,4、跳跃基因(jumpinggene)：即转座因子，指染色体组上可以转移的基因，可以是编码蛋白质序列也可是不编码的序列。,转座：在转座酶作用下，转座因子直接从染色体上切下插入新位置，或转座因子DNA序列RNACDNA插入染色体新位置，原序