第十一章遗传信息的传递与表达

1、第 十 一 章,遗传信息的传递与表达,主要内容,概述 dna的生物合成 rna的生物合成 蛋白质的生物合成,分子生物学(分子遗传学)中心法则,反映了从dnarna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,生物体的遗传信息贮存于dna分子的碱基排列顺序中，dna通过复制可将遗传信息准确地传递给子代，通过转录将遗传信息传给rna，然后以mrna为模板指导蛋白质的生物合成。 生物体中遗传信息传递的这种规律(dnarna 蛋白质)，称为遗传学的中心法则。,dna的生物合成,第

2、 一节,复制 是指遗传物质的传代，以母链dna为模板合成子链dna的过程。,一、dna的复制,复制的方式半保留复制 半不连续复制 有特定的起始点 双向复制,dna复制的特征,（一）半保留复制,dna生物合成时，母链dna解开为两股单链，各自作为模板(template)按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的dna，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全从新合成。两个子细胞的dna都和亲代dna碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制。,a g g t a c t g c c a c t g g,t c c a t g a c g g t g a c c,c c a c t g

3、g,g g t g a c c,a g g t a c t g,t c c a t g a c,t c c a t g a c,a g g t a c t g,a g g t a c t g c c a c t g g,t c c a t g a c g g t g a c c,a g g t a c t g c c a c t g g,t c c a t g a c g g t g a c c,+,母链dna,复制过程中形成的复制叉,子代dna,按半保留复制方式，子代dna与亲代dna的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。,半保留复制的意义,遗传的保守性，是物种

4、稳定性的分子基础，但不是绝对的。,（二）、半不连续复制,前导链 (leading strand),随从链 (lagging strand),顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为前导链。 另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链。复制中的不连续片段称为冈崎片段(okazaki fragment)。 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。,参与dna复制的物质,底物: datp, dgtp, dctp, dttp 聚合酶: 依赖dna的dna聚合酶，简写为 dna-pol 模板 : 解开成单链的dna母链 引物:

5、 提供3-oh末端使dntp可以依次聚合 其他的酶和蛋白质因子,1、dna聚合酶,全称：依赖dna的dna聚合酶 (dna-dependent dna polymerase) 简称：dna-pol,活性：1. 53 的聚合活性 2. 核酸外切酶活性,3 5外切酶活性,5 3外切酶活性,?,能切除突变的 dna片段。,能辨认错配的碱基对，并将其水解。,核酸外切酶活性,（1）原核生物的dna聚合酶,dna-pol dna-pol dna-pol （复制时起主要作用的酶）,（2）真核生物的dna聚合酶,dna-pol ,起始引发，有引物酶活性。,延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。,参与低保真度的复制

6、 。,在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。,在线粒体dna复制中起催化作用。,dna-pol ,dna-pol ,dna-pol ,dna-pol ,2、解螺旋酶 利用atp供能，作用于氢键，使dna双链解开成为两条单链 3、引物酶 复制起始时催化生成rna引物的酶 4、单链dna结合蛋白 在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整,、dna连接酶,连接dna链3-oh末端和相邻dna链5-p末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的dna链连接成一条完整的链。,dna连接酶(dna ligase)作用方式,（一）复制的起始,需要解决两个问题：,1. dna解开成单链，提供模板。,2

7、. 合成引物，提供3-oh末端。,一、复制的过程,3,5,3,5,引物是由引物酶催化合成的短链rna分子。,引物,引物酶,（二）复制的延长,复制的延长指在dna-pol催化下，dntp以dnmp的方式逐个加入引物或延长中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。,oh 3,3,目 录,复制过程简图,目 录,（三）复制的终止,水解引物 填补空缺 连接岗崎片段,随从链上不连续性片段的连接,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。,在复制过程中发生的dna突变称为dna损伤(dna damage)。,从分子水平来看，突变就是dna分子上碱基的改变。,二、dna损伤（突变）与修复,dn

8、a损伤后可产生三种结果 一、dna被完全修复 二、细胞死亡 三、基因突变,1、突变是进化、分化的分子基础 2、突变导致基因型改变 3、突变导致死亡 4、突变是某些疾病的发病基础（遗传病、肿瘤）,突变的意义,二、引发突变的因素,物理因素 紫外线(ultra violet, uv)、各种辐射,化学因素,三、突变的分子改变类型,错配 (mismatch) 缺失 (deletion) 插入 (insertion) 重排 (rearrangement),dna分子上的碱基错配称点突变(point mutation)。,（一）错配,镰形红细胞贫血病人hb (hbs) 亚基,正常成人hb (hba)亚基,（

9、二）缺失、插入和框移,缺失：一个碱基或一段核苷酸链从dna大分子上消失。,插入：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。,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。,缺失或插入都可导致框移突变 。,缺失引起框移突变,（三）重排,dna分子内较大片段的交换，称为重组或重排。,四、dna损伤的修复,修复(repairing) 是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复为原有的天然状态。,光修复 切除修复 重组修复 sos修复,修复的主要类型,（一）光修复,光修复酶(photolyase),uv,（二）切除修复,是细胞内最重要和有效的修复机制，主要由dna-

10、pol和连接酶完成。,e.coli的切除修复机制,目 录,（三）重组修复,逆转录酶的特点：,逆转录的概念：,三、逆转录现象,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,rna的生物合成 （转录）,第 二 节,转录 (transcription) 的概念 生物体以dna为模板合成rna的过程 。,转录,复制和转录的区别,参与转录的物质,原料: ntp (atp, utp, gtp, ctp) 模板: dna

11、 酶: rna聚合酶(rna polymerase, rna-pol) 其他蛋白质因子,一、转录模板,dna分子上转录出rna的区段，称为结构基因。 dna双链中按碱基配对规律能指引转录生成rna的一股单链，称为模板链，也称作有意义链。相对的另一股单链是编码链，也称为反意义链。,5gcagtacatgtc 3,3 c g t g a t g t a c a g 5,5gcacuacauguc 3,nala val his val c,编码链,模板链,mrna,蛋白质,转录,翻译,5 3,3 5,模板链,编码链,编码链,模板链,结构基因,不对称转录(asymmetric transcriptio

12、n),在dna分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录 ； 模板链并非永远在同一条单链上。,二、rna聚合酶,（一）原核生物的rna聚合酶,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),（一）转录起始,转录起始需解决两个问题： rna聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。 dna双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。,2. dna双链解开,1. rna聚合酶全酶(2)与模板结合,3. 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,转录起始过程,（二）转录延长,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

13、前移；,2. 在核心酶作用下，ntp不断聚合，rna链不断延长。,(nmp) n + ntp (nmp) n+1 + ppi,转录空泡(transcription bubble)：,rna-pol （核心酶） dna rna,依赖rho ()因子的转录终止 非依赖rho因子的转录终止,（三）转录终止,指rna聚合酶在dna模板上停顿下来不再前进，转录产物rna链从转录复合物上脱落下来。,分类,（一）、mrna的转录后加工,1、首、尾的修饰,5端形成 帽子结构(m7gpppgp ) 3端加上多聚腺苷酸尾巴(poly a tail),三、转录后的加工,2、mrna的剪接,核内的初级mrna (he

14、tero-nuclear rna, hnrna)：真核生物mrna的前体。,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。,断裂基因(splite gene),编码区 a、b、c、d,外显子(exon)和内含子(intron),外显子 在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟rna的核酸序列。 内含子 隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。,鸡卵清蛋白基因,hnrna,首、尾修饰,hnrna剪接,成熟的mrna,鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰,鸡卵清蛋白成熟mrna与

15、dna杂交电镜图,dna,mrna,（二）、trna的转录后加工,trna前体,trna核苷酸转移酶、连接酶,atp,adp,碱基修饰,（三）、rrna的转录后加工,第三节 蛋白质的生物合成（翻译）,protein biosynthesis (translation),蛋白质的生物合成，即翻译，就是将核酸中由 4 种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序 。,20种氨基酸(aa)作为原料 酶及众多蛋白因子，如if、eif atp、gtp、无机离子,参与蛋白质生物合成的物质,三种rna mrna rrna trna,一、mrna -翻译的直接

16、模板,mrna是遗传信息的携带者,遗传学将编码一个多肽链的遗传单位称为顺反子。 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mrna可编码几种功能相关的蛋白质。 真核mrna只编码一种蛋白质，为单顺反子。,遗传密码,mrna分子上从5至3方向，由aug开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码。,起始密码: aug,终止密码: uaa，uag，uga,遗传密码表,1. 简并性(degeneracy),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。,遗传密码的特点,2. 连续性,编码蛋

17、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。,3、方向性（direction） mrna中密码子的排列有一定的方向 起始密码aug位于mrna的5端 终止密码位于3端 翻译时从起始密码开始,沿5 3进行,直到出现终止密码。,4、 通用性(universal),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。 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。,二、trna的作用,反密码环,氨基酸臂,携带活化的氨基酸,识别mrna的遗传密码,u,摆动配对,目 录,三、rrna 与多种蛋白质构成核蛋白体,目 录,不同细胞核蛋

18、白体的组成,核蛋白体的功能:,小亚基:1、结合模板 、结合起始 、结合和水解 大亚基：、提供两个座位（位和位） 、具有转肽酶的活性 、结合多种蛋白因子（、）,（二）蛋白质合成酶系,氨基酰-trna合成酶 转肽酶 蛋白因子:if、ef、rf,供能物质及无机离子,（一）氨基酸的活化（准备阶段）,二、蛋白质生物合成过程,肽链合成的起始 肽链合成的延长 肽链合成的终止,整个过程可分为 ：,(二)翻译过程-核蛋白体循环 （中心环节）,一、起始阶段,指mrna和起始氨基酰-trna分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物 。,起始复合物形成,核蛋白体大小亚基分离； mrna在小亚基定位结合； 起始氨基酰-t

19、rna的结合； 核蛋白体大亚基结合。,if-3,if-1,1. 核蛋白体大小亚基分离,目 录,if-3,if-1,2. mrna在小亚基定位结合,目 录,if-3,if-1,3. 起始氨基酰trna( fmet-trnaimet )结合到小亚基,目 录,if-3,if-1,if-2,gtp,gdp,pi,4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,目 录,if-3,if-1,if-2,-gtp,gdp,pi,目 录,二、延长阶段,指根据mrna密码序列的指导，次序添加氨基酸从n端向c端延伸肽链，直到合成终止的过程。,肽链延长，每增加一个氨基酸，包括以下三步： 进位 成肽 转位,（一）进位,指根据

20、mrna下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-trna进入核蛋白体a位。,目 录,（二）转肽,是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。,（三）转位,延长因子ef-g有转位酶( translocase )活性，可结合并水解1分子gtp，促进核蛋白体向mrna的3侧移动 。,三、终止阶段,当mrna上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-trna中释出，mrna、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。,肽链合成终止过程,rf,目 录,多聚核蛋白体,使蛋白质合成高速、高效进行。,目 录,一、水解修饰 切除肽链n端的蛋氨酸 切除信号肽 其他形式的水解修饰,蛋白质合成后加工,

21、二、氨基酸的修饰,二硫键的形成 氨基酸的羟化 氨基酸的磷酸化 氨基酸的脂化、甲基化、糖苷化等,高级结构的修饰,（一）辅基连接 （二）亚基聚合 （三）疏水脂链的共价连接,抗生素(antibiotics) 是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物。,抗代谢药物 指能干扰生物代谢过程，从而抑制细胞过度生长的药物，如：6-mp。,某些毒素也作用于基因信息传递过程。,分子病-,蛋白质生物合成与医学,二、抗生素类,抗生素抑制蛋白质生物合成的原理,学习要点,掌握基因的概念、遗传信息传递的顺序。 掌握dna复制、半保留复制的概念。 熟悉转录、不对称转录的概念。 掌握三种rna在蛋白质生物合成中的作用 熟悉参

22、与蛋白质生物合成的重要酶和蛋白因子 熟悉蛋白质生物合成的过程 了解翻译后的加工，白质生物合成与医学的关系,选择题,1、合成dna的原料是： a. damp、dgmp、dcmp、dtmp b、amp、 gmp,、cmp、tmp c、datp、dgtp、dctp、dttp d、atp、gtp、ctp、ttp e、 dadp、dgdp、dcdp、dtdp,2、细胞中进行dna复制的部位是: a.核蛋白体 b. 细胞膜 c. 细胞核 d. 微粒体 e. 细胞浆,3、dna复制时，子链的合成是： a. 一条链 53， 另一条链35 b. 两条链均为53 c. 两条链均为连续合成 d. 两条链均为35 e. 两条链均为不连续合成,4、冈崎片段是指： a. dna模板上的dna片段 b. 引发酶催化合成的rna片段 c. 后随链上合成dna片段 d. 前导链合成的dna片段 e. 由dna连接酶合成的dna,5、下列关于逆转录的叙述哪一项是错误的？ a. 以rna为模板合成dna b. rna-dna杂交体是终