第七章遗传信息传递的中心法则及基因表达

1、第七章 遗传信息传递的中心法遗传信息传递的中心法则及基因表达则及基因表达一、一、 遗传信息传递的遗传信息传递的 中心法中心法则则蛋白质蛋白质翻译翻译转录转录逆转录逆转录复制复制复制复制dnarna生物的遗传信息以密码的形式储生物的遗传信息以密码的形式储存在存在dna分子上，表现为特定的核苷分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，通过通过dna复制复制把亲代细胞所含的遗传把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些遗子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过传信息通过转录转录传递

2、给传递给rna，再由，再由rna通过通过翻译翻译转变成相应的蛋白质多转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使后代执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后来表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们又发现，在宿主细胞中一些人们又发现，在宿主细胞中一些rna病毒能以自己的病毒能以自己的rna为模板为模板复制复制出新出新的病毒的病毒rna，还有一些，还有一些rna病毒能以病毒能以其其rna为模板合成为模板合成dna，称为，称为逆转录逆转录这是中心法则的补充。这是中心法则的补充。 中心法则总结了生物体内遗传信息的流

3、动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。 dna复制过程是一个高度精确的过程，复制过程是一个高度精确的过程，据估计，大肠杆菌据估计，大肠杆菌dna复制复制109-1010碱基对碱基对仅出现一个误差，保证复制忠实性的原因主仅出现一个误差，保证复制忠实性

4、的原因主要有以下三点要有以下三点:a、dna聚合酶的高度专一性（严格遵循聚合酶的高度专一性（严格遵循 碱基配对原则）碱基配对原则）b、dna聚合酶的校对功能聚合酶的校对功能（错配碱基被（错配碱基被3-5 外切酶切除）外切酶切除）c、起始时以、起始时以rna作为引物作为引物dnadna聚合酶的聚合酶的3 3 - 5- 5 外切酶水解位点外切酶水解位点3 3 5 5 错配碱基错配碱基3 - 5 核酸外切核酸外切酶水解位点酶水解位点dna聚合酶的校对功能聚合酶的校对功能5 5 - -核酸核酸外切酶外切酶3 3 - -核酸核酸外切酶外切酶裂缝裂缝聚合中心聚合中心裂缝内部裂缝内部dna聚合酶的校对功能聚

5、合酶的校对功能聚合酶聚合酶错配硷基错配硷基复制方向复制方向正正 确确核苷酸核苷酸5 5 5 5 5 5 3 3 3 3 3 3 切除错配切除错配核苷酸核苷酸1 1、概念、概念2、逆转录酶、逆转录酶3、病毒逆转录过程病毒逆转录过程4 4、逆转录的生物学意义逆转录的生物学意义扩充了中心法则扩充了中心法则有助于对病毒致癌机制的了解有助于对病毒致癌机制的了解与真核细胞分裂和胚胎发育有关与真核细胞分裂和胚胎发育有关逆转录酶是分子生物学重要工具酶逆转录酶是分子生物学重要工具酶三种功能三种功能依赖依赖dna指导下的指导下的dna聚合酶活力聚合酶活力依赖依赖rna的的dna聚合酶活力聚合酶活力核糖核酸酶核糖核

6、酸酶h活力活力 以以rnarna为模板合成为模板合成dnadna，这，这与通常转录过程中遗传信息与通常转录过程中遗传信息从从dnadna到到rnarna的方向相反，故的方向相反，故称为逆转录作用。称为逆转录作用。逆转录过程中逆转录过程中cdna的合成的合成依赖依赖rna的的dna聚合酶聚合酶核糖核酸核糖核酸酶酶h活力活力依赖依赖dna的的dna聚合酶聚合酶逆逆转录病毒的生活周期逆转录病毒的生活周期生活周期rna衣壳衣壳被膜被膜逆转逆转录酶录酶转录转录转译转译整合入宿主细胞染色体整合入宿主细胞染色体dna进入细胞进入细胞丢失被膜丢失被膜丢失衣壳丢失衣壳逆转录逆转录rnarnacdna衣壳蛋衣壳蛋

7、白白被膜蛋被膜蛋白白逆转录逆转录酶酶 dna分子中的核苷酸序列发生突然而稳定的改变，从而导致分子中的核苷酸序列发生突然而稳定的改变，从而导致dna的复制以及后来的转录和翻译产物随之发生变化，表现出异常的遗传的复制以及后来的转录和翻译产物随之发生变化，表现出异常的遗传特性，称为特性，称为dna的突变。它包括由于的突变。它包括由于dna损伤和错配得不到修复而引损伤和错配得不到修复而引起的突变，以及由于不同起的突变，以及由于不同dna分子之间的交换而引起的遗传重组。分子之间的交换而引起的遗传重组。（二）（二）诱变剂的作用诱变剂的作用 碱基类似物碱基类似物(base analog) 碱基修饰剂碱基修饰

8、剂(base modifier) 嵌入染料嵌入染料(intercalation dye) 紫外线紫外线(ultraviolet)和电离辐射和电离辐射(ionizing radiation)（一）（一）突变的类型突变的类型 碱基对的置换碱基对的置换(substitution) 移码突变移码突变(framesshift mutation) -t-c-g-g-c-t-g-t-a-c-g- -a-g-c-c-g-a-c-a-t-g-c-转换转换 -t-c-g-a-g-c-t-g-t-a-c-g- -a-g-c-t-c-g-a-c-a-t-g-c-插入插入a -t-c-g-c-t-g-t-a-c-g-

9、-a-g-c-g-a-c-a-t-g-c-缺失缺失t野生型基因野生型基因 -t-c-g-a-c-t-g-t-a-c-g- -a-g-c-t-g-a-c-a-t-g-c- -t-c-g-t-c-t-g-t-a-c-g- -a-g-c-a-g-a-c-a-t-g-c-颠换颠换碱基对的置换碱基对的置换(substitution)移码突变移码突变(framesshift mutation) 某些物理化学因子，如紫外线、电离辐射和化学诱某些物理化学因子，如紫外线、电离辐射和化学诱变剂等，都有引起生物突变和致死的作用，其机理是作变剂等，都有引起生物突变和致死的作用，其机理是作用于用于dna，造成，造成dn

10、a结构和功能的破坏，称为结构和功能的破坏，称为dna的损的损伤伤. dna的修复主要有以下类型的修复主要有以下类型:暗修复暗修复（4）诱导修复诱导修复（sos修复）修复）（1）光裂合酶修复活光裂合酶修复活（2）切除修复切除修复（3）重组修复重组修复 dna紫外线损伤的光裂合酶修复紫外线损伤的光裂合酶修复1、形成嘧啶二聚体、形成嘧啶二聚体2、光复合酶结合于、光复合酶结合于损伤部位损伤部位3、酶被可见光激活、酶被可见光激活4、修复后酶被释放、修复后酶被释放dna的损伤和切除修复的损伤和切除修复碱基丢失碱基丢失碱基缺陷或错配碱基缺陷或错配结构缺陷结构缺陷切开切开 核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外

11、切酶切除切除dna聚合酶聚合酶dna连接连接酶酶ap核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶切开切开切除切除修复修复连接连接糖苷酶糖苷酶插入酶插入酶碱基碱基取代取代dna的重组修复的重组修复胸腺嘧啶胸腺嘧啶二聚体二聚体复制复制核酸酶及核酸酶及重组蛋白重组蛋白修复复制修复复制dna聚合酶聚合酶dna连接酶连接酶重组重组1、概念概念及及dna的有义链和反义链的有义链和反义链2、rna聚合酶及催化反应聚合酶及催化反应3 3、rnarna合成过程合成过程4 4、rnarna转录后的加工转录后的加工5 5、真核生物的、真核生物的rna合成合成转录的概念和转录的概念和dna的有义链和反义链的有义链和反义链

12、 启动子启动子（promoter) 终止子终止子(terminator)模板链（模板链（templatte strand） 反意义链反意义链(antisense strand)有意义链有意义链(sense strand)非信息区非信息区5 5 3 3 大肠杆菌rna聚合酶的结构示意图 核心酶核心酶( (2 2 ) )起始因子起始因子 和模板和模板dnadna结合结合起始和催化聚合反应起始和催化聚合反应？全酶全酶( ( ) )rna聚合酶催化的反应聚合酶催化的反应acgacguu模板模板dna5 3 5 3 新合成新合成rnarnarna合成过程合成过程起始起始双链双链dna局部解开局部解开磷酸

13、二酯磷酸二酯键形成键形成终止阶段终止阶段解链区到达解链区到达基因终点基因终点延长阶段延长阶段5 3 rna 启动子启动子（promoter) 终止子终止子(terminator)5 rna聚合酶聚合酶 5 3 5 3 5 5 3 离开离开rna链的延伸图解链的延伸图解3 3 rna-dna杂交螺旋杂交螺旋聚合酶的移动方向聚合酶的移动方向新生新生rna复链复链解链解链有义链有义链模板链（反义链）模板链（反义链）延长部位延长部位甲基化作用甲基化作用专一核酸内切酶专一核酸内切酶30s前体前体17strna25s专一核酸外切酶专一核酸外切酶16s rrnatrna23s rrna5s rrna专一核酸

14、外切酶专一核酸外切酶a a、切除、切除trnatrna前体两端多余的序列：前体两端多余的序列： 55端切除几到端切除几到1010个核苷酸。个核苷酸。b、末端添加：、末端添加：3-端添加端添加cca序列。序列。c、修饰：形成稀有碱基如、修饰：形成稀有碱基如dh2 。rnaaseprnaasefrnaaseprnaasefrnaasedrnaasedacc表示核酸内切酶的作用表示核酸内切酶的作用 表示核苷酸转移酶的作用表示核苷酸转移酶的作用 表示核酸外切酶的作用表示核酸外切酶的作用 表示异构化酶的作用表示异构化酶的作用 真核细胞真核细胞mrnamrna的加工的加工5 “帽子帽子”polya 3 顺

15、反子顺反子(cistron ) m7g-5 ppp-n-3 paaaaaaa-oh 5 5端接上一个端接上一个“帽子帽子”(cap)(cap)结构结构 3 3端添加端添加polya“polya“尾巴尾巴”, ,由由rnarna末端核苷酸转移酶催末端核苷酸转移酶催化化 剪接：剪去内含子剪接：剪去内含子(intron)(intron)，拼接外显子拼接外显子(extron)(extron)酵母酪氨酸酵母酪氨酸trna前体的加工前体的加工早转录本早转录本成熟成熟trna加工加工真核生物和原核生物转录的差别真核生物和原核生物转录的差别dna核核核糖体核糖体新生蛋白质新生蛋白质真核生物真核生物原核生物原核

16、生物mrna前体前体转运转运加工加工mrnamrna 真核生物中转录与复制在不同的区域真核生物中转录与复制在不同的区域 rna聚合酶不相同聚合酶不相同 启动子不同启动子不同 转录后转录后rna加工修饰不同加工修饰不同七、蛋白质翻译 基因的遗传信息在基因的遗传信息在转录过程中从转录过程中从dnadna转转移到移到mrnamrna，再由，再由mrnamrna将这种遗传信将这种遗传信息表达为蛋白质中息表达为蛋白质中氨基酸顺序的过程氨基酸顺序的过程叫做翻译。叫做翻译。 合成体系：合成体系：2020种氨种氨基酸基酸,mrna,mrna、trnatrna、核蛋白体、酶和因核蛋白体、酶和因子子, ,以及无机

17、离子、以及无机离子、atp atp 、gtp gtp 合成方合成方向：向：ncnc端。端。 参与蛋白质合成的三类参与蛋白质合成的三类rnarna及核糖体及核糖体1.rrna1.rrna 与蛋白质一起构成核糖体与蛋白质一起构成核糖体蛋白质合成蛋白质合成“工厂工厂” 核糖体结构组成核糖体结构组成 核糖体的基本功能核糖体的基本功能 结合结合mrnamrna，在，在mrnamrna上选择适当的区域开始翻译上选择适当的区域开始翻译 密码子（密码子（mrnamrna）和反密码子（）和反密码子（trnatrna）的正确配对）的正确配对 肽键的形成肽键的形成 存在存在 核糖体可游离存在，真核中，也可同内质网结

18、合，形成粗糙核糖体可游离存在，真核中，也可同内质网结合，形成粗糙的内质网。原核中，与的内质网。原核中，与mrnamrna形成串状形成串状多核糖体多核糖体原核生原核生物核糖物核糖体组成体组成真核生真核生物核糖物核糖体组成体组成 2. trna 结合氨基酸：结合氨基酸：一种氨基酸一种氨基酸有几种有几种trnatrna携带，结合携带，结合需要需要atpatp供能供能, ,氨基酸结氨基酸结合在合在trna3-ccatrna3-cca的位置。的位置。 反密码子：反密码子：每种每种trnatrna的反的反密码子，决定了所带氨密码子，决定了所带氨基酸能准确的在基酸能准确的在mrnamrna上上对号入座对号入

19、座 。 反密码子与反密码子与mrnamrna的第三个的第三个核苷酸配对时，不严格核苷酸配对时，不严格遵从碱基配对原则遵从碱基配对原则 3. mrna 携带着携带着dnadna的遗传信息，是的遗传信息，是多肽链的合成模板多肽链的合成模板 在在原核原核细胞内，存在时间细胞内，存在时间短，在转录的同时翻译短，在转录的同时翻译 在在真核真核细胞内，较稳定细胞内，较稳定蛋白质合成时，蛋白质合成时，mrnamrna结合结合于核糖体小亚基上，大亚于核糖体小亚基上，大亚 基结合带氨基酸的基结合带氨基酸的trnatrna，trnatrna的反密码子与的反密码子与mrnamrna密密码子配对，码子配对，atpat

20、p供能，合供能，合成蛋白质。成蛋白质。遗传密码子为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线性位为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线性位置的三个核苷酸单位称为密码子（置的三个核苷酸单位称为密码子（codencoden）或三联）或三联体密码。体密码。密码子的发现密码子的发现 统计学方法人工合成仅由一种核苷酸组成的多聚核苷酸，推测由哪一种氨基酸合成的多肽核糖体结合试验 1965年，nirenberg用poly u加入c14标记的20种aa,仅有苯丙氨酸的寡肽,uuu=苯丙氨酸,用此法破译了全部密码，编出遗传密码表。遗传密码遗传密码遗传密码子的特点遗传密码子的特点无标点、不重叠无标点、不重叠 密码子是不

21、重叠的，每个三联体中的三个核苷酸只编码一个氨基酸，核苷酸不重叠使用噬菌体x174中某些基因之间有重叠现象简并简并(degeneracy) 几种密码子对应于相同一种氨基酸。这些密码子为同义密码子通用性通用性 绝大多数密码子对各种生物都适用，某些线粒体中遗传密码有例外终止信号终止信号 uag、uaa、uga起始信号起始信号 aug（真核中起始为met、原核中起始为fmet,翻译中间为met）和氨酸的密码子(gug)(极少出现）四、蛋白质生物合成过程以以mrnamrna为模板，氨基酸经活化获得的氨酰为模板，氨基酸经活化获得的氨酰trnatrna为原料，为原料，gtpgtp、atpatp供能，在核糖体

22、中完成供能，在核糖体中完成。1.1.氨基酸的活化氨基酸的活化trnatrna在氨基酰在氨基酰-trna -trna 合成酶的帮助下，能够识别相应合成酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，并通过的氨基酸，并通过trnatrna氨基酸臂的氨基酸臂的 3-oh 3-oh 与氨基酸的与氨基酸的羧基形成活化酯氨基酰羧基形成活化酯氨基酰-trna-trna。氨基酰氨基酰-trna-trna的形成是一个两步反应过程：第一步是氨的形成是一个两步反应过程：第一步是氨基酸与基酸与 atp atp 作用作用, , 形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；形成氨基酰腺嘌呤核苷酸； 第二第二步是氨基酰基转移到步是氨基酰基转移到 trna

23、trna 的的 3-oh 3-oh 端上端上, , 形成氨基形成氨基酰酰-trna-trna。氨基酸活化图示氨基酸活化图示氨基酸活化的总反应式是：氨基酸活化的总反应式是： 氨基酰氨基酰-trna -trna 合成酶合成酶氨基酸氨基酸 + atp + trna + h2o + atp + trna + h2o 氨基酰氨基酰-trna + amp + -trna + amp + ppippi每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰-trna -trna 合成酶。它合成酶。它既催化氨基酸与既催化氨基酸与 atp atp 的作用的作用, , 也催化氨基酰基转移到也催化氨基酰基转移到 trnatrna。氨基酰氨基酰-trna -trna 合成酶具有高度的专一性。合成酶具有高度的专一性。 每一种氨基酰每一种氨基酰- -trna trna 合成酶只能识别一种相应的合成酶只能识别一种相应的 tr