第四章 细胞核的功能 分子细胞与组织2015

第四章细胞核nucleus,第一节核被膜第二节染色质和染色体第三节核仁第四节遗传物质的复制第五节遗传信息的表达,细胞、个体乃至物种的遗传特性要在代代相传中得到维持，有赖于遗传物质完整、准确的复制并分配至子代细胞。,减数分裂与有丝分裂,DNA复制(DNAreplication)：由一个亲代双链DNA产生两个子代双链DNA的过程（3.2109个核苷酸对）艰巨任务：在细胞分裂期之前迅速而精确地完成DNA复制（S期约8小时）,第四节遗传物质的复制replicationofthegenomicmaterials一、DNA复制过程及其特征二、DNA复制的有关酶类和蛋白质,一、DNA复制过程及其特征半保留复制复制从复制起始点开始复制叉、双向复制和复制泡复制叉的不对称性：前导链、后随链和冈崎片段校读纠错机制整个染色体的复制,DNA复制过程,DNA复制从复制起始点开始，在起始蛋白为首的一个多酶复合体的作用下，双链解开，形成两个方向相反的复制叉。在复制叉上，DNA聚合酶分别以DNA双链中的一条为模板，4种三磷酸脱氧核苷酸为原料，合成两条新的DNA链。随着复制叉向相反两个方向推进，就形成复制泡。复制泡在各个复制起始点发生并增大，使DNA分子得到完整复制。,DNA复制:由一个亲代DNA双螺旋产生两个子代DNA的过程。,1.半保留复制（semi-conservativereplication）,C,G,T,A,G,C,A,T,C,G,G,C,以一条DNA链作为模板（旧链）复制新链，复制后的双螺旋含一条旧链和一条新链。,1.半保留复制,母链,复制,复制,DNA复制后，两个新合成的双螺旋DNA都是原来双螺旋DNA的精确复制品，各含有1条原来的旧链和1条合成的新链，这称为半保留复制。,复制,2.复制从复制起始点(replicationorigins)开始,1.复制起始位点能被起始蛋白识别并结合2.通常为富含A、T碱基的重复序列,复制起始位点：含特殊的DNA序列，在细菌只有一个位点，在真核细胞有多个位点。,复制的起始与双链解旋过程由大量功能特异的蛋白质和酶参与,复制从复制起始点开始向两个方向推进,细菌环状DNA分子,在真核细胞的染色体上，复制叉由多处复制起始位点向两个方向移动，参与的蛋白质与酶更多样。,3.复制叉、双向复制和复制泡(replicationforks,two-directionreplication&replicationbubbles),复制叉:已经打开的2条单链与未解开的双链间形成的Y形结构。,复制从复制起始点开始向两个方向推进，形成两个反向的复制叉。,复制叉replicationfork,4.复制叉的不对称性(asymmetryofreplicationfolk)前导链、后随链和冈崎片段,问题：一条新链:53方向合成另一条新链如何合成？,提示：1.DNA聚合酶只能催化单核苷酸53方向加入2.53连续合成将使链延长与复制叉推进相反,?,4.复制叉的不对称性：前导链、后随链和冈崎片段,答案：一条新链：53方向不间断合成前导链另一条新链：53方向间断合成后随链,间断合成的新链后随链,RNA引物,冈崎片段,连接,新DNA延伸,RNA引物的生成,旧链,新链,切除RNA引物,旧链,在后随链合成中，由DNA聚合酶在RNA引物的3-OH上合成一段多核苷酸链，此DNA片段和RNA引物构成冈崎片段，细菌的冈崎片段长10002000个核苷酸，真核细胞的冈崎片段长100200个核苷酸。,冈崎片段（Okazakifragments）,DNA聚合酶I,53切除RNA引物53填充脱氧核苷酸,DNA连接酶：连接两个DNA片段,冈崎片段的连接:,卡通,DNA的双向复制示意图,复制叉内部结构是不对称的：一条链不间断地合成，并率先发生，因而叫作前导链另一条链间断合成，由冈崎片段连接而成，并滞后发生，因而叫作后随链。(后随链合成滞后的原因）后随链中核苷酸聚合的方向与链延伸的方向是相反的，而链延伸的方向与复制叉推进的方向是一致的。图示,复制的主要步骤在复制起始点打开双链合成一段RNA引物前导链开始合成（DNA链在RNA引物后开始合成）后随链开始合成(冈崎片段在引物后开始合成）,卡通2,复制过程中DNA聚合酶的校读纠错作用一、在新的核苷酸中碱基刚刚与对应碱基结合、尚未与新链末端共价联结的时候，聚合酶就对配对进行校对。碱基配对错误使DNA合成暂停。二、“核酸外切校读”。如果联结在RNA引物3OH末端的是错配核苷酸，多聚酶切除错配者，直至正确配对的核苷酸作为引物的3末端才开始DNA合成。,6整个染色体的完整复制,多个复制泡不断形成，染色质各个区段固定的先后顺序进行复制，其先后顺序与染色质的松解有关。端粒酶和端粒结构保证真核染色体末端的完整复制。DNA新链合成完毕后立即就有组蛋白与之装配，新的核小体形成。,从快速分裂的核中提取的DNA,复制泡,return,多个复制泡不断发生，各个区段复制顺序固定,端粒酶保证真核染色体（后随链）末端的完整复制,卡通,组蛋白加入，形成新的核小体,二、DNA复制的有关酶类和蛋白质一系列酶和其他蛋白质组成复合体，作为一个整体沿DNA分子移动，相互协调完成两条链上的复制过程。奇迹的创造者,参加大肠杆菌DNA复制的蛋白质及其功能蛋白质功能DnaA蛋白(起始因子)识别起始顺序在复制起始点打开双链DnaB蛋白(解旋酶)松解DNA双螺旋DnaC蛋白辅助解旋酶结合到起始点DNA拓扑异构酶I和II解除DNA超螺旋并防止链缠绕DnaG蛋白(引物酶)合成RNA引物(前导链上一个,后随链上多个引物)SSB蛋白(单链结合蛋白)结合至单链DNA维持其单链状态滑动钳夹帮助DNA聚合酶稳定结合于模板链上DNA聚合酶III*延长新链(53聚合酶活性:以DNA为模板,在RNA引物3-OH加上dNTP)*错配校读(35外切酶活性:切除错配dNTP)DNA聚合酶I在岗崎片段之间除去引物并填补空隙,错配校读DNA连接酶连接岗崎片段3-OH与5-P,4.人类的巴氏小体实际上是一条异染色质化的性染色体。,2.核纤层蛋白被磷酸化后参与核膜重建。,核仁的主要功能是合成rRNA和组装核糖体。,3.核被膜的外层实际上是内质网的延续。,5.由于异染色质DNA并不表达，所以异染色质DNA内不含有基因。,6.组蛋白H1不参与串珠状染色质形式的包装。,7.组蛋白核心八聚体和DNA的结合具有序列特异性的特点。,8.细菌DNA复制往往有多个复制起始点。,1.80S核糖体的大亚基由构成：A28SrRNA、5SrRNA、5.8SrRNAB28SrRNA、16SrRNAC18SrRNAD49种蛋白质,2.下列那些结构不属于异染色质A.端粒B.着丝粒C.巴氏小体D.复制起始位点,3.细胞核主要由组成。A核纤层与核骨架B核小体C染色质和核仁D核被膜,4.染色质由以下成分构成：A组蛋白B非组蛋白CDNAD少量RNA,请描述DNA复制的过程，描述内容必须包括以下术语：复制起始点多酶复合体解链复制叉模板RNA引物复制泡前导链后随链冈崎片段DNA聚合酶DNA连接酶,第四章细胞核,第一节核被膜第二节染色质和染色体第三节核仁第四节遗传物质的复制第五节遗传信息的表达,受精卵胚胎干细胞各种细胞,分化,分化：基因选择性表达的结果红细胞：专一表达血红蛋白细胞：表达胰岛素,分化,一个人的不同细胞源于同一个细胞(一个受精卵)，携带完全相同的遗传信息却有着截然不同的形态和功能。怎么会这样呢？,第五节遗传信息的表达Expressionofthegenomicinformation一、基因的转录transcription从DNA到RNA二、基因的翻译translation从RNA到蛋白质,分子生物学的中心法则Centraldogma细胞内的基因先将它的遗传信息转录在mRNA上，再经过翻译，将特定的遗传信息翻译为特定的蛋白质。从细菌到人类的所有细胞都遵循这一法则表达遗传信息,一、基因的转录从DNA到RNA（一）转录过程（二）有意义链和反意义链（三）真核RNA的转录后加工,ComparisonofDNAandRNAFeatureDNARNASugardeoxyriboseriboseBasepairingA-T/G-CA-U/G-CStructuredoublehelixsinglestrandedstructures,rRNA和tRNA能发生分子内的碱基配对，易于折叠成三维结构，从而发挥结构分子和酶活性组分的作用,DNA双螺旋结构,在RNA合成酶系作用下，以DNA的一条链上的一段序列为模板，按照碱基配对原则，以4种三磷酸核苷酸(A,U,G,C)为原料，合成一个与模板序列互补的RNA分子。转录产物主要有信使RNA(mRNA)、核糖体RNA（rRNA）和转运RNA（tRNA）。,（一）转录过程,转录产生与一条DNA链互补的RNA链,（一）转录过程,protein,translation,一个基因,外显子,内含子,调控序列,protein,translation,一个基因,外显子,内含子,调控序列,启动子和终止子：是一段特殊的DNA序列，对RNA聚合酶发出开始转录和结束转录的信号。,原核细胞的启动子DNA链上转录酶识别和结合的部位，结合后启动转录过程,起始点,酶识别部位,不同的原核生物启动子区序列的比较,酶结合部位Pribnowbox,启动子,由RNA聚合酶转录,RNA聚合酶：催化基因转录过程，所以又叫转录酶。作用是解开DNA双链，以其中的反基因链为模板，将4种三磷酸核苷酸聚合成与模板互补的RNA链。,RNA聚合酶催化的细菌基因的转录:RNA聚合酶遇到启动子序列就与之结合,打开双链开始转录,RNA链不断延长，直至遇到终止子停止转录。卡通,原核生物和真核生物的RNA聚合酶，均能在模板链的转录起始部位，催化2个游离的NTP形成磷酸二酯键而引发转录的起始，转录的起始不需引物，这也是转录与复制在起始阶段的一大区别。,三种转录产物：,信使RNA(mRNA)传递遗传信息核糖体RNA(rRNA)作为结构分子和酶组分转运RNA(tRNA)作为衔接分子,基因链:基因遗传信息所在的DNA单链，正链，密码链。反基因链:与基因链互补的那条DNA单链，也称负链，是作为RNA合成模板的链。mRNA链：序列与基因链相同，只是用U替代了T。,(二)有意义链和反意义链sense/antisensestrands,基因链链,反基因链,一段细菌染色体上多个基因的转录方向理论上任何一段DNA的两条链都可以转录出两个RNA分子，但实际上一段DNA上总是只有一条链作为RNA的模板，即反基因链，由此转录出来的RNA链序列与模板链互补，与基因链相同。启动子一般位于基因上游，转录酶结合上启动子，就决定了启动了哪个基因的转录。,5,3,5,3,3,5,细菌基因与真核生物基因的比较,(三)真核细胞RNA的转录和加工Transcriptionandprocessing,细菌的大部分基因编码序列是不间断的,真核细胞的基因一般都是外显子和内含子交替排列,细胞内产生的RNA的种类RNA种类功能mRNA编码蛋白质rRNA形成核糖体的一部分并参与蛋白质的合成tRNA蛋白质合成中作为mRNA与氨基酸之间的连接物miRNA用于未成熟mRNA的拼接、蛋白质向内质网的转运以及其他细胞过程,真核生物有3种RNA聚合酶，催化不同的RNA合成RNA聚合酶识别rRNA启动子RNA聚合酶识别mRNA启动子RNA聚合酶识别小分子RNA启动子，催化tRNA和5SrRNA合成,mRNA(真核加工)rRNA(真核、原核均加工)tRNA(真核、原核均加工),(三)真核细胞RNA的转录和加工,真核生物,原核生物,原核生物和真核生物的转录、翻译过程,细胞核,转录,转录,翻译,翻译,mRNA的加工作用1.加帽(capping)增加稳定性5-三磷酸-7-甲基鸟苷2.加尾(tailing)稳定性和转运有关3-PolyA(腺苷酸）序列3.拼接（splicing）切除内含子并联结外显子,初级转录产物,成熟mRNA,帽子,多聚A尾,加尾信号,装配成核糖体小亚基,装配成核糖体大亚基,45SrRNA前体,45SrRNA前体加工1.两种化学修饰甲基化和假尿苷2.内含子被切除形成三个独立的rRNA分子（18S、5.8S、28S）,tRNA加工,剪接（内含子短）碱基修饰前tRNA的碱基约有10%需要酶促修饰,二、基因的翻译从RNA到蛋白质（一）密码（二）翻译过程（三）翻译的场所-核糖体3种RNA在此紧密合作,遗传信息的翻译是指以新生的mRNA为模板，把核苷酸三联子遗传密码翻译成氨基酸序列，合成多肽的过程，是基因表达的最终目的。蛋白质的生物合成发生在核糖体上，三种成熟的RNA分子从核进入胞质后在此各自发挥