细胞生物学课程第9章基因信息的传递与蛋白质合成

第九章基因信息的传递与蛋白质合成,学习目的与要求,1.掌握基因的概念及结构特点，转录和翻译的基本过程。2.掌握乳糖操纵子的调控方式及真核生物基因调控的特点。3.熟悉转录和翻译后的加工和修饰过程。4.了解肽链合成后的输送过程，基因表达的特点和方式。,第一节基因与基因的结构,一、基因的概念,按照分子生物学理论，基因的概念应当是：编码有功能蛋白质多肽链或RNA分子所必需的全部核酸序列（即DNA序列）。根据上述概念，一个基因的结构包括两部分：编码蛋白质肽链或RNA分子的核酸序列（编码区）保证转录所必需的非编码的调控序列（位于编码区上游5端的启动子序列、内含子（intron）和位于编码区下游3端的终止子序列）。结构基因与调控基因的概念,二、基因组的概念,“基因组”是表示某物种单倍体的总DNA，即含有生物一整套遗传信息的遗传物质，泛指一个细胞或病毒的全部遗传信息。,三、中心法则,已知的遗传信息传递流向：,遗传信息传递的中心法则,*DNA通过复制，将基因信息代代相传。*DNA通过基因表达，决定了蛋白质的结构、功能。*RNA参与DNA遗传信息的表达*RNA也可作为某些病毒遗传信息的载体,四、基因的结构与特点,基因的结构,人类结构基因(真核基因）有4个区域：编码区，包括外显子与内含子；前导区，位于编码区上游，相当于mRNA5末端非编码区（非翻译区）；尾部区，位于mRNA3末端编码区下游，相当于末端非编码区（非翻译区）；调控区，包括启动子和增强子等。,1.断裂基因,mRNA,1872bp,内含子（intron)：基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现。,外显子（exons）：为多肽编码的基因片段。,：由于内含子的存在导致基因呈不连续状态。,例外：组蛋白基因(histongene)和干扰素基因(interferongene)没有内含子。原核细胞无内含子!,原核启动子,2.启动子,真核启动子,真核细胞启动子与原核启动子结构差异，主要由TATA盒及其上游的CAAT盒和/或GC盒组成。,3.终止子,基因末端具有转录终止功能的特定序列。终止子序列转录后形成发夹结构，使RNA聚合酶脱落，终止转录。,4.基因家族,含义:真核生物的基因组中有许多来源相同,结构相似,功能相关的基因,这样的一组基因称为一个基因家族(genefamily).特点：基因家族的成员可以串联排列在一起,形成基因簇(genecluster)或串联重复基因,如rRNA,tRNA和组蛋白的基因;有些基因家族的成员也可位于不同的染色体上,如干扰素、珠蛋白基因;有些成员不产生有功能的基因产物,这种基因称为假基因。,5.重复序列,几乎所有的真核细胞（酵母除外）的基因组DNA中都具有重复序列。重复序列可分为以下类型：(1)低度重复序列，一般有1-10个拷贝。(2)中度重复序列，有10-1000拷贝。属于非编码序列。如人类Alu家族，功能可能与转录调控、hnRNA加工有关。(3)高度重复序列，几千个拷贝，数可达106以上,往往分布于着丝粒区和染色体端部，如卫星DNA。可能与基因表达调控及染色体结构的维持有关。,6.移动基因,概念：移动基因（movablegene）又叫转位因子（transposableelements）,由于它可以在染色体基因组上移动，甚至可在不同染色体间跃迁，故又称跳跃基因（jumpinggene）。有三种类型：1.插入序列（IS），其长度为数百个到数千个碱基对之间。2.转位子（Tn)，即两侧的IS和一个中心序列（带有标记基因）3.噬菌体Mu和D108。逆转录病毒本身实际上就是转位子！,7.重叠基因,8.假基因,假基因:与有功能的基因在核苷酸顺序的组成上非常相似,却不具有正常功能的基因。正常基因在染色体的不同位置上的复制品,由于突变积累的结果而丧失活性。例如：非洲爪蟾核糖体5sRNA的基因编码蛋白质的结构基因也有相应的假基因。如小鼠、兔和人的或球蛋白的假基因。,第二节、基因的转录,（一）基因转录的一般特点（二）原核细胞的基因转录（三）真核细胞的基因转录与转录后加工,（一）基因转录的一般特点,以DNA双螺旋中反义链为为模板，按照碱基互补配对原则，以四种核苷三磷酸ATP、GTP、CTP、UTP为原料，在RNA聚合酶作用下，合成RNA的过程。,1.转录基本特征,对一个基因组，转录只发生在一部分基因。RNA的合成方向是:53RNA合成的起始不需要引物。RNA合成以NTP（ATP、GTP、CTP、UTP）为底物，遵循严格的碱基互补配对原则。新合成的RNA5端具有三磷酸结构，第一个常为嘌呤核苷酸。不对称转录,2.不对称转录,为模板链，也称反义链，与mRNA互补；为编码链，也称有意义链；,（二）原核细胞的基因转录,1.原核细胞基因转录的主要因子,（1）原核细胞只有一种RNA聚合酶。（2）因子:识别基因末端的终止信号，停止转录。,亚基识别启动子序列，使RNA聚合酶全酶(2)与模板结合形成复合物;结合DNA模板，解开双链；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（RNA聚合酶的核心酶+DNA模板+转录产物RNA）;因子在合成8-9个核苷酸后，解离下来。,转录起始不需引物！,2.转录起始阶段,3.延长阶段,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35方向前移；2.在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链53方向不断延长。(NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPi,转录空泡(transcriptionbubble)：,RNA-pol（核心酶）DNARNA形成空泡状结构，,原核生物转录过程中的羽毛状现象,1.依赖Rho()因子的转录终止2.非依赖Rho因子的转录终止,3.转录终止阶段,分类,原核生物的转录终止,因子(Pr),1.识别结合富含C的RNA链,功能:,2.ATPase活性,3.解螺旋酶(helicase)活性,1.依赖Rho因子的转录终止,因子解螺旋酶活性使DNA/RNA杂化双链拆离，利于产物从转录复合物种释放。,2.不依赖Rho因子的转录终止,RNA转录后，形成特殊的结构，以终止转录。特点：RNA单链内部接近终止区域有富含G-C配对区，形成稳定的二级结构（茎环或发夹结构）。在发夹结构的下游有polyU结构。,茎环结构使转录终止的机理,茎环结构改变RNApol的结构，使其失活，转录停顿；茎环结构的形成使转录复合物趋于解体，polyU加速这一过程，RNA产物释放。,4.原核生物转录后加工,（1）mRNA不需要加工，合成后即可作为模板参与蛋白质合成。（2）tRNA和rRNA需要进一步剪切修饰，才能成为具有生物活性的成熟分子,原核生物中rRNA前体的加工,rRNA的初级转录产物30S前体加工后产物：三种rRNA:5S、16S、23SRNA,三者比例为1：1：1。,tRNA转录后的加工,tRNA的加工是在RNAaseP、RNAaseF、RNAaseD的共同参与下完成的。,（三）真核细胞的基因转录与转录后加工特点,起始、延长和终止三个阶段。真核生物的转录主要特点是：1.多种RNA聚合酶对应多种转录因子，合成不同的RNA，2.多种类型的启动子为不同的RNA聚合酶所用3.转录时或转录后有广泛的RNA加工,1.真核生物的RNA聚合酶,2.mRNA的合成,mRNA是唯一具有编码蛋白质功能的RNA分子。由RNA聚合酶II催化合成。通用转录因子参与形成转录起始复合物。mRNA的初级转录产物大小各不相同，称为不均一核RNA(hnRNA).,3.成熟的mRNA需经戴帽、加尾和剪接等加工,5端接上一个“帽子”(CAP)结构3端添加PolyA“尾巴”,由RNA末端核苷酸转移酶催化剪接：剪去内含子(intron)，拼接外显子(extron),（1）帽子结构的生成,新生mRNA达到25-30bp长度时，5端的第一个核苷酸接上一个三磷酸鸟嘌呤，并甲基化修饰，形成一个7-甲基鸟嘌呤三磷酸的帽子结构（m7Gppp）。功能：被核糖体小亚基识别，有利于mRNA最初翻译的准确性；防止被核酸酶水解，增强mRNA的稳定性；,真核生物mRNA5-端帽子结构,“Cap”mGpppGmp,7,5-5连接,（2）添加PolyA“尾巴,转录的mRNA前体在3端加上多聚腺苷酸(polyA）尾巴。内切酶识别AAUAAA序列，并切除末端11-30个核苷酸；多聚腺苷酸聚合酶在尾部加上一段多聚腺苷酸尾巴。长度：100200个AMP。功能：防止核酸酶水解，它的长短与维持mRNA作为翻译模板的活性，以及mRNA本身稳定性的因素有关。有利于mRNA从核到细胞质的运输。,（3）mRNA的剪接,mRNA前体分子（hnRNA)中含有内含子序列，需要切除并把外显子连接起来。剪接的必要序列:5GU和3AG及内含子3端上游的分支点。剪接是通过剪接体（一种核糖核蛋白颗粒snRNP)完成的,现已发现sn-RNAU1、U2U6等类别。,GU,AG,A,剪接过程,U1和U2snRNP分别结合到内含子的5剪接点和分支点位置，与其它snRNP共同装配成剪切体；5端被切断并与分支点序列的A形成套索结构；3端剪切点被切割，两端的外显子连接；,4.rRNA分子的合成后加工,rRNA基因为多拷贝基因，串联排列于特定的核仁染色质区段。原料：在RNA聚合酶I催化下转录成原始rRNA前体45SrRNA,加工场所：核仁产物：剪切成28S，18S和5.8SrRNA，形成核糖体的大小亚基。5SrRNA：核仁外基因编码，RNA聚合酶催化下转录，转录后无需加工,（1）加工过程,rRNA的剪接不需要蛋白质的参与，是一种自身剪接！,（2）核酶,具有酶促活性的RNA称为核酶。,什么是核酶(ribozyme)？,上世纪80年代初，T.R.Cech在研究四膜虫的rRNA剪接中，发现反应体系中除去所有蛋白质后，剪接过程仍能完成，说明rRNA本身就有酶的催化作用。,核酶的功能：切割RNA,切割DNA,RNA连接、磷酸酶等活性。催化效率：低。核酶研究的意义：核酶的发现，对中心法则作了重要补充（RNARNA)；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，是潜在的基因治疗的有力工具（破坏HIV病毒等）。,5.tRNA的加工修饰,真核细胞内tRNA基因特性：多个拷贝成簇存在(1300)；前体约100bp，RNA聚合酶III转录，需要剪接和化学修饰,RNAaseP内切酶连接酶,tRNA核苷酸转移酶,ATP,ADP,碱基修饰,（2）还原反应如：UDHU,（3）核苷内的转位反应：,如：U（尿嘧啶核苷）,（4）脱氨反应如：AI（次黄嘌呤核苷酸）,（1）甲基化：如：AAm,6、DNA复制与转录的不同点,模板两股链均复制模板链局部合成方式半保留复制不对称转录原料dNTPNTP聚合酶DDDPDDRP碱基配对A-T，G-CA-U，T-A，G-C,相同点,模板：均为DNA;遵循碱基配对原则地点：细胞核；新链方向为53条件：ATP，Mg；都生成磷酸二酯键,产物子代双链DNAmRNA.tRNA.rRNA,引物需要不需要,2,7、原核生物与真核生物转录的区别,原核真核,转录与翻译几乎同时进行转录在胞核；翻译在胞浆,RNA聚合酶1种I，II，III,起始点识别-35区，-10区TATA盒等顺式作用元件,转录终止依赖或不依赖于因子AATAAA修饰点,转录产物多顺反子单顺反子,转录后修饰无或很少复杂,第三节蛋白质的生物合成,概述,翻译：生物体内蛋白质的合成将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。参与翻译的生物大分子包括：核糖体场所mRNA模板tRNA翻译员多种蛋白质因子协助因子,一、遗传信息翻译的基本原理,（一）mRNA携带指导蛋白质合成的遗传密码（二）tRNA携带特定的氨基酸并能识别mRNA上的密码子,（一）mRNA携带指导蛋白质合成的遗传密码,遗传密码：mRNA上的碱基排列顺序。mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表某种特定氨基酸或肽链合成的起、止信号，此三联体就称为密码子。起始密码：AUG；终止密码：UAA、UAG、UGA;,1.密码子的特点,遗传密码具有以下特点连续性；简并性；（除Trp、Met）通用性；（但在线粒体或叶绿体中特殊）摆动性；方向性，即解读方向为53；,连续性,指密码子必须按53方向三个一组读码框往下阅读，无标点、不重叠、不跳格。正确的读码框的确立是由核糖体识别在编码序列开头处的起始密码AUG。,简并性,除甲硫氨酸和色氨酸对应一种密码子外，其它的氨基酸对应着一种以上的密码子，这种多种密码子编码同一氨基酸的现象称为密码的简并.编码同一氨基酸的密码子称为同义密码子，通常只在第3位碱基上不同，这样可减少有害突变。,通用性,从原核到真核生物，几乎所有生物基本共用同一套遗传密码。线粒体以及少数生物基因组的密码子有变异（如在酵母、哺乳动物、果蝇线粒体中，AUA=Met而非Ile，UGA=Trp而非终止码。）,摆动性,密码子第3位碱基与tRNA反密码子不严格遵从碱基配对规律（摆动碱基配对),密码子第3个位置又称摆动位置；,（二）tRNA携带特定的氨基酸并能识别mRNA上的密码子,20种氨基酸与mRNA的碱基之间缺乏特异的识别作用。tRNA蛋白质合成的接合器。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。,1.tRNA的反密码子与副密码子,tRNA作为译员，必须精通两种语言：一种是RNA语言，是用它的反密码子识别mRNA上的密码子的；另一种是蛋白质的语言，tRNA分子上决定其携带氨基酸的区域叫做副密码子。实验证明tRNA氨基酸接受臂上的G3U70是tRNAAla（丙氨酸-tRNA）独有的副密码子。,2.氨酰-tRNA的合成,酶：特异的氨酰-tRNA合成酶。氨酰tRNA合成酶的种类与标准氨基酸的数量一样都为20种。过程分两步：1）氨基酸的活化：氨基酸和ATP形成氨酰-AMP.2）氨基酸与tRNA的连接：活化的氨酰基被转移到tRNA上形成氨酰-tRNA，并释放AMP。,几种不同的氨酰-tRNA合成酶,3.tRNA转运氨基酸的机制,二、蛋白质合成的场所核糖体,核糖体是合成蛋白质的细胞器，几乎存在于所有的细胞内。其唯一的功能是按照mRNA的指令由氨基酸高效且精确地合成多肽链。,（一)核糖体的类型,按存在方式分：游离核糖体：分布于细胞质基质、线粒体、叶绿体基质；附着核糖体：即膜结合核糖体，和rER及核膜结合。按性质分为两种基本类型：70S的核糖体：存在于原核细胞；80S的核糖体：存在于真核细胞；55S的核糖体：存在于线粒体,（二）核糖体的构成,核糖体是蛋白质和rRNA的复合物；不同的核糖体，r蛋白和rRNA成分和数量差异很大；,（三）核糖体的立体构型,大亚单位呈半圆形，一侧伸出三个突起，中央有一凹陷。小亚单位呈长条形，约于1/3长度处有一细的缢痕，使小亚单位分为大小两个部分。二者结合起来时，凹陷部位彼此对应，形成一隧道。在不进行蛋白质合成时，大小亚基呈游离状态；,（四）核糖体是蛋白质合成的场所,游离核糖体负责合成的是细胞内某些基础性的蛋白质。附着核糖体合成的是一些分泌性蛋白质和内膜系统的膜蛋白。核糖体上存在多个与多肽链合成有关的活性位点：,1.核糖体上主要的位点,与mRNA的结合位点；位于小亚基上氨酰基位点，又称A位点；肽酰基位点，又称P位点；肽酰转移酶的催化位点：催化A位和P位氨基酸间形成肽键；与蛋白质合成有关的其它起始因子、延伸因子和终止因子的结合位点。,三、蛋白质合成的一般过程,五个阶段：氨基酸的活化多肽链合成的起始肽链的延长肽链的终止和释放蛋白质合成后的加工修饰,1.氨基酸的活化氨酰tRNA的合成,氨基酰-tRNA合成酶的催化下合成；不同的专一性的合成酶合成不同的氨基酰-tRNA，具有绝对的专一性和校正功能。,2.翻译的起始,起始阶段：核糖体的大亚基、小亚基和mRNA及起始氨基酰-tRNA装配成起始复合物的过程。原核生物翻译起始复合物形成过程：大小亚基处于分离状态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。,3.肽链的延长(核糖体循环),肽链的延长是一个多因子参与的过程：肽链延长因子（EF）、GTP、Mg2+及K+；肽链逐步延长，包括进位、成肽和移位三个步骤延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongationfactor,EF)原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：EF-1（EF1-、EF1-）EF-2,4.肽链终止阶段,当肽链延长到mRNA分子上出现终止密码子时，各种氨基酰-tRNA就不能进位，只有终止因子可识别和结合到核糖体的A位上。转肽酶将P位上的tRNA所携带的多肽链水解释放出来。接着在核蛋白释放因子参与下，tRNA也从P位上脱落。核糖体解聚，并与mRNA分离。解聚后的核糖体大、小亚基在需要时又可再次结合，重新进入核糖体循环。,多聚核糖体,多个核糖体聚合在同一mRNA分子上，同时进行肽链合成。第一个核糖体离起始密码子已有一段距离（一般超过80个核苷酸）之后，另一个核糖体的大、小亚基就可与mRNA聚合，合成新的起始复合体，开始另一条多肽链的合成。,四、肽链合成后的加工修饰,肽链从核蛋白体释放后，经过细胞内各种修饰处理过程，成为有活性的成熟蛋白质，称为翻译后加工。大部分在内质网中进行加工。主要包括以下几类：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,多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶、蛋白辅助。促进蛋白折叠功能的大分子分子伴侣：蛋白质因子：HSP酶：蛋白二硫键异构酶(PDI),（二）一级结构的修饰,化学修饰如磷酸化、甲基化、二硫键的形成等，往往改变多肽链氨基酸的性质和组成，并为空间结构的形成提供基础。包括以下几类：1.肽链N端的修饰2.个别氨基酸的修饰(共价修饰）3.多肽链的水解修饰,1.肽链N端的修饰,原核：去除甲酰甲硫氨酸（原核）或它后面的一些氨基酸水解除去，包括一些信号肽序列。真核：去除甲硫氨酸和信号序列,2.共价修饰,磷酸化：有些酶的活性中心含有磷酸化的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基。这些磷酸化的氨基酸残基都是在肽链合成后相应残基的-OH被磷酸化而形成的。糖基化、乙酰化（如组蛋白）、甲基化、ADP-核糖化、羟化等。胶原蛋白的前体在合成后（Gly-X-Y)，经羟化，其肽链中的脯氨酸及赖氨酸残基可分别转变为羟脯氨酸及羟赖氨酸残基。,3.多肽链的水解修饰,无活性的酶原转变为有活性的酶，常需要去掉一部分肽链。多是在细胞外转变为酶（如消化酶类）；蛋白质前体中不必要肽段的切除是在细胞内进行的。胰岛素原变为胰岛素。,（三）高级结构的修饰,1.亚基聚合：2.辅基连接：3.疏水脂链的共价连接,五、蛋白质的降解,（1）泛素-蛋白酶体途径（2）溶酶体途径,泛素-蛋白酶体途径,第四节基因的表达调控,一、基因表达调控一般特点,1.时间性和空间性2.组成性表达和适应性表达两种方式3.多层次的调控方式,时间特异性或发育阶段特异性：按照功能需要，某一特定基因表达严格按照一定的时间顺序发生，称为时间的特异性；,空间特异性或组织细胞特异性：在多细胞生物在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，表达的强度不同，种类不同。红细胞的血红蛋白表皮的角蛋白肌肉细胞的肌动蛋白基因和肌球蛋白基因,2.两种表达方式：,（1）组成性表达：某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因。例如：微管蛋白各种组蛋白（2）适应性表达：一些基因的表达受环境因素的诱导或阻遏。可诱导基因：细菌的半乳糖代谢酶。,3.表达的多层次调节,最主要的是转录水平的调节。,二、原核基因表达调控,原核细胞的基因表达机制比较简单，调节的关键步骤是转录水平的调控。大多数基因的表达调控是通过操纵子机制实现的。,乳糖操纵子调控机制,乳糖存在：大肠杆菌进行乳糖代谢所需要的三种酶（半乳糖苷酶，渗透酶，转乙酰酶）的量在急剧增加乳糖用完：乳糖代谢基因不表达，乳糖代谢酶合成停止操纵元（子）模型，：三个酶的基因转录受一个开关单位的控制，这种开关单位即为操纵元。,1.阻遏蛋白的负性调控,没有乳糖：阻遏蛋白与操纵序列结合，阻碍了RNA聚合酶与启动子的结合。（有极低水平的-半乳糖苷酶表达）乳糖存在，乳糖转变为半乳糖与阻遏蛋白结合阻遏蛋白与操纵序列解离，基因转录开放。,2.CAP的正性调控,无葡萄糖时cAMP的含量升高，CAP与cAMP结合而活化，与乳糖操纵子的启动子上游的CAP结合位点相结合，增强RNA聚合酶的转录活性。,三、真核基因的表达调控,（一）DNA的变化,1.基因剂量与基因扩增：蟾蜍（昆虫、鱼、两栖）：卵母细胞发育中rDNA拷贝数由600200万，临时扩增4000倍。2.