信息分子代谢课件

1、信息分子代谢第十一章第十一章 信息分子代谢信息分子代谢信息分子代谢 第一节第一节 DNA的生物合成的生物合成 第二节 RNA的生物合成 第三节第三节 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 第四节 基因突变和DNA损伤与修复 第五节第五节 基因工程简介基因工程简介 本章主要内容信息分子代谢教学目标教学目标 1.掌握DNA的半保留复制； 2.理解DNA的半不连续复制； 3.掌握RNA的生物合成； 4.掌握遗传密码的含义及作用； 5.了解蛋白质生物合成的过程； 6.了解基因的概念、突变与损伤修复； 7.了解基因工程. 信息分子代谢概 述 DNA DNA是生物体内的主要遗传物质，生物体的遗传信息以密码密码

2、的形式编码在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序，并通过DNA的复制由亲代传递给子代。 在后代的生长发育过程中，遗传信息遗传信息自DNA转录给RNA，然后翻译成特定的蛋白质，以执行各种生命功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状。信息分子代谢 中心法则 由Crick于1958年提出，它极大地推动了遗传学、分子生物学等的发展。DNA复制复制逆转录复制复制翻译 蛋白质蛋白质转录RNA信息分子代谢第一节 DNA 的生物合成v DNA DNA的合成方式有下列几种：的合成方式有下列几种： I I、 DNADNA的复制：的复制：以以DNADNA为模板合成为模板合成DNADNA。 IIII、 逆转录：逆转

3、录：以以RNARNA为模板合成为模板合成DNADNA。 IIIIII、DNADNA损伤后的修复合成：损伤后的修复合成：信息分子代谢I I、DNADNA的复制的复制 DNA复制的要点有：1） 半保留复制半保留复制2） 有起始点、终止点和方向性有起始点、终止点和方向性3） 半不连续复制半不连续复制4） 需要引物需要引物5） 新链的合成都是从新链的合成都是从5向向3端延伸。端延伸。信息分子代谢 一、一、DNA的半保留复制的半保留复制 由亲代DNA生成子代DNA时，每个新形成的子代DNA双链中，只有一条链是新合成的，而另一条链来自亲代DNA，这种复制方式叫半保留复制.实验证据实验证据是采用是采用同位素

4、同位素1515N N标记大肠杆菌标记大肠杆菌DNADNA获得的。获得的。定义：定义：信息分子代谢1515N-DNAN-DNA的密度大于的密度大于1414N-DNAN-DNA的密度的密度 DNADNA半保留复制实验依据半保留复制实验依据细菌(含15N -DNA)14N DNA15N DNA第一代普通培养基第二代普通培养基15N -DNA14N -DNA15N DNA 14N DNA14N DNA15N DNA 细菌DNA双链密度梯度离心实验过程从而表明子代中，一条链来自亲代，一条新合成。从而表明子代中，一条链来自亲代，一条新合成。信息分子代谢 DNADNA复制的基本条件复制的基本条件1.底物：d

5、NTP (dATP，dGTP，dCTP，dTTP)2. DNA聚合酶： 依赖DNA的DNA聚合酶3.模板：DNA的双链4.引物：一小段RNA5.其它酶和蛋白质因子：解链酶，解旋酶，单链结合蛋白，连接酶等信息分子代谢v 与与DNADNA复制有关的酶复制有关的酶简介 切断并连接DNA双链中的一股或双股，改变DNA分子拓扑构象，避免DNA分子打结、缠绕、连环，在复制全程中都起作用。 将DNA双链解开成为单链。 1拓扑异构酶拓扑异构酶2解螺旋酶解螺旋酶3引物酶引物酶4DNA聚合酶聚合酶5DNA连接酶连接酶是一种RNA聚合酶，在复制的起始点处以DNA为模板，催化合成一小段互补的RNA。 以DNA为模板，

6、dNTP为原料，催化DNA链自53 延长。DNA聚合酶的“校对”作用是DNA准确复制的重要保证。连接双链中的单链缺口。信息分子代谢 二、二、DNA的半不连续复制的半不连续复制 DNA复制时以双链为模板，分别合成两条新的DNA子链。DNA的双链是反向平行的，一条链是53，另一条是35，DNA聚合酶只能沿着53方向催化DNA链的合成。5353DNA解螺旋方向信息分子代谢 二、二、DNA的半不连续复制的半不连续复制 而以53方向链为模板时，先沿53方向合成较短的DNA片段然后在DNA连接酶作用下，再将这些片段连接起来，形成完整的 DNA链，这条链的合成是不连续的，称为随后链随后链，这些片段称为“冈崎

7、片段冈崎片段”。 双链解开以后，以以35方向链为模板方向链为模板，依据碱基互补配对原则可以顺利地按53方向合成新链。这条链的合成是连续的，称为前导链前导链；信息分子代谢 DNADNA半不连续复制几个基本概念半不连续复制几个基本概念半不连续复制半不连续复制在在DNADNA复制时，前导链是连续合成的复制时，前导链是连续合成的, ,而随后链的合成是不连续的，这种复制方式称为半不连而随后链的合成是不连续的，这种复制方式称为半不连续复制。续复制。冈崎片段冈崎片段DNADNA复制过程中，随后链的合成是先复制过程中，随后链的合成是先断续地合成一些断续地合成一些5 53 3 的短片段，这些不连续的小的短片段，

8、这些不连续的小片段以其发现者的名字命名称为片段以其发现者的名字命名称为“冈崎片段冈崎片段”。前导链前导链在在DNADNA复制时，合成方向与复制叉移动的方复制时，合成方向与复制叉移动的方向一致并连续合成的链。向一致并连续合成的链。随后链随后链合成方向与复制叉移动的方向相反，先形合成方向与复制叉移动的方向相反，先形成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的DNADNA链链。信息分子代谢 三、三、DNADNA的复制过程可分为下列三步：的复制过程可分为下列三步： （以原核生物大肠杆菌为例）（以原核生物大肠杆菌为例）1 1）复制起始）复制起始2 2）RNARNA引物

9、的合成引物的合成3 3）DNADNA链的延伸和终止链的延伸和终止信息分子代谢 1）复制的起始）复制的起始DNADNA的复制有固定的起始位点，叫做的复制有固定的起始位点，叫做复制起点复制起点。原核生物只有一个起点，真核生物有许多。原核生物只有一个起点，真核生物有许多。DNADNA双链解开后在原点处形成一个眼状结构，叫双链解开后在原点处形成一个眼状结构，叫复制眼。复制眼。随着复制的进行，在显微镜下可看到一个叉状结构，随着复制的进行，在显微镜下可看到一个叉状结构，叫叫复制叉复制叉。起点起点复制眼复制眼复制叉复制叉原核生物的双向复制示意图原核生物的双向复制示意图信息分子代谢 2）引物合成 3）DNA链

10、的延伸与终止 DNA的复制需要预先合成一段RNA引物，即一个与模板DNA的碱基顺序互补的RNA短片段。 DNA链沿53方向延伸，前导链是连续合成的；是连续合成的；随后链不连续合成，先形成许多冈崎片段，然后不连续合成，先形成许多冈崎片段，然后切除切除RNARNA引物，填补缺口，连接相邻的引物，填补缺口，连接相邻的DNADNA片段片段形成一条完形成一条完整的整的DNA链。链。信息分子代谢 复制过程中各酶和蛋白质因子的作用前导链前导链随后链随后链5533拓扑异构酶拓扑异构酶解链酶解链酶单链结合蛋白单链结合蛋白引物酶及引发体引物酶及引发体DNA连接酶连接酶冈崎片段冈崎片段冈崎片段冈崎片段DNA聚合酶聚

11、合酶引物引物引引 物物信息分子代谢DNA的双向复制的双向复制延伸延伸前导链前导链后随链后随链3535起点起点 DNA复制时，若从一个固定的起始点开始，同复制时，若从一个固定的起始点开始，同时向两个方向进行，时向两个方向进行，称为双向复制。称为双向复制。复制叉复制叉信息分子代谢IIII、逆转录、逆转录 概念概念 反转录酶发现的意义反转录酶发现的意义：3）这一发现在理论上完善发展了中心法则。 以RNA为模板合成DNA的过程。参与逆转录的酶是从致癌RNA病毒中发现，是以RNA指导的DNA聚合酶又称为反转录酶 。1）揭示了癌症发生的部分原因；2）反转录酶在基因工程上具有重要的应用价值；DNARNA反转

12、录反转录酶酶信息分子代谢第二节第二节 RNA的生物合成的生物合成 一、转录一、转录二、二、RNA复制复制RNA的生物合成有两种途径：信息分子代谢1 1、概念、概念以以DNADNA为模板合成为模板合成mRNAmRNA的过程称为转录。的过程称为转录。一、转录2、转录具有不对称性转录时用作模板的转录时用作模板的DNADNA链称为链称为模板链或反义链模板链或反义链；不作为模板的不作为模板的DNADNA链称为链称为编码链或有义链编码链或有义链。DNARNA转录转录即：即： DNA分子只有一股链可转录分子只有一股链可转录,另一股不转录另一股不转录; 模板链并非永远在同一单链上模板链并非永远在同一单链上.3

13、553信息分子代谢mRNA DNA转录示意图转录结束的转录结束的DNA又恢复双链结构又恢复双链结构未转录的未转录的DNA呈双链呈双链DNA单链单链DNA单链单链信息分子代谢 转录的基本条件四种核糖核苷三磷酸酸（ATPATP、GTPGTP、CTPCTP、UTPUTP）1、底物2、模板3、酶以双链DNA的一条链为模板。依赖DNA的RNA聚合酶， 催化3,5 -磷酸二酯键的形成。信息分子代谢 RNA聚合酶 大肠杆菌的RNA聚合酶，全酶由全酶由2 5个亚基组成；为核心酶为核心酶， 亚基：识别起始位点亚基：识别起始位点。 真核细胞的真核细胞的RNA聚合酶有聚合酶有I、三类分别担负着不同的功能。 核质tR

14、NA、 5SrRNA核质mRNA核仁rRNA（ 5SrRNA 除外）I在细胞内的分布转录的产物RNA聚合酶信息分子代谢转录过程：转录过程：原核生物的转录原核生物的转录1）起始： RNA聚合酶的亚基识别起始位点（启动子），核心酶与其结合后局部解开DNA双螺旋，开始“起始反应” 。形成第一个磷酸二酯键后, 亚基即脱落。不需要引物。2) 延长：以局部解开的DNA双螺旋的一条单链为模板，沿5- 3方向连续合成RNA。3）转录的终止：转录至终止信号（终止子）时转录停止，在特定蛋白因子作用下，合成的RNA链脱落下来。信息分子代谢 真核生物的转录真核生物的转录 与原核生物中的转录过程虽然大体上相似，也包括起

15、始、延伸、终止三个阶段 ，但又有所不同： 2）转录产物往往需要经过加工才能成为有功能的RNA;1）真核生物中转录不同的RNA需要不同的RNA聚合酶。信息分子代谢 转录产物的“加工” 转录生成的前体RNA，一般要经过必要的加工修饰，才能成为有功能的RNA分子，这个过程称为“转录后加工”。 加工成熟的真核生物mRNA的5端有帽结构， 3端有poly(A)尾 。 真核生物的RNA转录后加工修饰比原生物复杂的多。原核生物的mRNA不需加工，可以边转录边翻译。信息分子代谢DNA复制与转录比较：转录转录DNA复制复制信息分子代谢1.模板：都是DNA；2.原料：都需要核苷酸；3.合成方向：均为53方向；4.

16、酶：都需要依赖DNA的聚合酶；5.都遵循碱基互补配对原则；6.产物：为多聚核苷酸链。 复制和转录的相同点复制和转录的相同点信息分子代谢 复制和转录的不同点复制和转录的不同点： 转录转录模板模板 两股链均作为模板 仅一股链作为模板原料原料 dNTP NTP聚合酶聚合酶 DNA聚合酶 RNA聚合酶产物产物 子代DNA双链 mRNA;tRNA;rRNA配对配对 A-T；G-C A-U；T-A；G-C引物引物 需RNA引物 - 方式方式 半保留复制 不对称转录复制复制信息分子代谢二、RNA的复制 以DNA为模板合成RNA是生物界RNA合成的主要方式，但有些生物如某些病毒、噬菌体它们的遗传物质是RNA。

17、 当它们进入宿主细胞后，靠RNA的复制繁衍后代，即以自身RNA为模板，在RNA复制酶作用下，沿53方向合成新的RNA分子。RNA复制酶只能以病毒自身复制酶只能以病毒自身RNA为模板为模板。RNARNA酶信息分子代谢第三节第三节 蛋白质生物合成蛋白质生物合成翻译翻译 蛋白质的生物合成过程就是将蛋白质的生物合成过程就是将mRNA分子中由分子中由碱碱基序列基序列组成的遗传信息，通过组成的遗传信息，通过遗传密码遗传密码破译的方式转破译的方式转变成为蛋白质中的变成为蛋白质中的氨基酸排列顺序氨基酸排列顺序，因而称为翻译。，因而称为翻译。mRNA蛋白质蛋白质翻译翻译信息分子代谢小亚基小亚基：具有结合模板具有

18、结合模板mRNA的功能；的功能；A位：位：P位：位：转肽酶：转肽酶：大亚基大亚基肽基结合处(起始时是甲酰甲硫氨酰-tRNA) ，氨酰-tRNA接受部位。53小小 亚亚 基基大大 亚亚 基基PA位位位位 翻译场所核糖体将P位的肽基连接到A位的氨酰-tRNA上。mRNA信息分子代谢v 翻译模板翻译模板mRNA 遗传密码表示mRNA上四种碱基顺序与蛋白质中20种氨基酸顺序的一致关系 4种核苷酸共组成64个密码子个密码子，其中有1个起始密码子（AUG），3个终止密码子（UAG、UGA、UAA）。 mRNA分子上从分子上从5 至至3 方向，由方向，由AUG开始，每三个开始，每三个相邻的核苷酸为一组，在蛋

19、白质合成中代表一种氨基酸相邻的核苷酸为一组，在蛋白质合成中代表一种氨基酸或其他信息，称为或其他信息，称为遗传密码、三联体密码遗传密码、三联体密码或或密码子密码子。信息分子代谢 密码子的主要特点：密码子的主要特点：摆动性摆动性： 反密码子和密码子配对时，反密码子的第一位碱基与密码子的第三位碱基之间配对不严格，这种现象称为遗传密码的摆动。不重叠不重叠： 两个三联体密码子之间核苷酸不重叠使用。通用性通用性： 遗传密码在各类生物中几乎是通用的。简并性简并性： 几种密码子为同一种氨基酸编码，这些密码子为同义密码子无标点无标点：相邻两碱基之间无空位。信息分子代谢运载工具运载工具tRNA反密码子反密码子氨基

20、酸臂氨基酸臂密码子密码子反密码子反密码子tRNA是氨基酸的运载体，在翻译过程中起接合体作用。氨基酸必须与特定的tRNA结合后才能用于蛋白质合成。信息分子代谢 基因tRNArRNAmRNAOH搬运工具原料装配场所模板产物 蛋白质的生物合成所涉及的元件蛋白质的生物合成所涉及的元件信息分子代谢 蛋白质的生物合成过程可分为四步：第一步，氨基酸活化与转运第二步，肽链（蛋白质）合成的起始第三步，肽链（蛋白质）延长第四步，肽链（蛋白质）合成的终止信息分子代谢第一步、氨基酸的活化与转运第一步、氨基酸的活化与转运氨基酸的活化氨基酸的活化由由氨酰氨酰-tRNA合成酶催化合成酶催化，分两步进行：氨酰-tRNA是蛋白

21、质合成的直接底物。氨酰-tRNA合成酶对tRNA具有专一性，保证了翻译的正确性；密码子与反密码子严格配对，与tRNA上携带的氨基酸无关。换言之，一旦氨基酸连接到特定的tRNA上其去向就由反密码子决定了。A 、活化：氨基酸与ATP作用形成氨酰腺嘌呤核苷酸 B 、转移：将氨酰基转移到tRNA的3-OH上信息分子代谢第二步、多肽链合成的起始（原核生物）3、 70S起始复合物的形成： 50S与30S前起始复合物结合，形成具有起始功能70S起始复合物，即70SmRNAfMet-tRNAfMet复合物。1、核糖体30S小亚基附着于mRNA起始信号部位, 需起始因子 IF-3的参与;2、30S前起始复合物的

22、形成： 起始氨基酸fMet-tRNAfMet 与mRNA的AUG相结合，形成30SmRNAfMet-tRNAfMet ，需要GTP、起始因子IF-2的参与；信息分子代谢第三步，肽链（蛋白质）延长多肽链的延长需要经过进位、转肽、脱落和移位四个步骤。1）进位）进位：氨酰tRNA结合到核糖体的A位点，起始时甲酰甲硫氨 酰-tRNA结合到P位点。2）转肽）转肽：即P位上的肽基（起始时是甲酰甲硫氨酰-tRNAfMet ）被 转移到A位的氨基酸上，而tRNA留在P上。3）脱落）脱落：P部位上的tRNA脱落；4）移位）移位：核糖体沿53移动，使原处于A上带有肽链的tRNA 随即转到P部位，空出A位点继续接受

23、新的氨酰tRNA信息分子代谢 核糖体在mRNA上移动，遇到终止密码子（UAA、UGA、UAG）时，释放因子RF作用于A位点，肽链上的tRNA脱落并释放出新合成的多肽链。mRNA与核糖体分离，后者又解离出大、小亚基。 真核细胞的蛋白质合成过程与细菌大致相同，但也有所不同：如高等动物的起始氨基酸是甲硫氨酸；80S起始复合物的形成为： Met-tRNAmet 40S小亚基mRNA最后与60S结合形成80S复合物；起动因子、延长因子、终止因子等也有所不同。信息分子代谢蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成.swf蛋白质的生物合成信息分子代谢 多核糖体 生物体内蛋白质的合成常是多个核糖体在同一时间内与同一mR

24、NA相连，称为多核糖体。每一个核糖体都在mRNA模板的指导下，各自合成一条肽链，从而极大提高了蛋白质合成效率。多聚核糖体的核糖体个数，与模板mRNA的长度有关。53信息分子代谢 肽链合成后的肽链合成后的“加工处理加工处理” 由mRNA翻译出来的多肽链，一般需经各种方式的“加工处理”才能形成有生物学功能的蛋白质。1切除N端甲酰甲硫氨酸 ；2切除信号肽；3某些蛋白质中的一些羟基氨基酸的磷酸化；4二硫键的形成；5某些氨基酸的侧链基团的修饰，如羟基化、糖基化；6酶原的激活；7多肽链之间以及多肽链与辅助成分之间的缔合 ；8新生多肽链的空间折叠。信息分子代谢第四节 基因突变和DNA损伤与修复 一、基因突变

25、一、基因突变 即：基因组DNA分子上碱基的改变。上碱基的改变。突变因素：物理因素、化学因素、生物因素突变方式：自发突变、人工诱变；突变部位：体细胞突变、生殖细胞突变生殖细胞突变；基因突变结果基因突变结果：1）是生物进化的分子基础；）是生物进化的分子基础；2）是某些疾病的致病原因；）是某些疾病的致病原因；3）可能引起基因型的改变；）可能引起基因型的改变； 4）可能产生致死性突变；）可能产生致死性突变；信息分子代谢 二、二、DNA损伤的修复损伤的修复 主要有四种修复途径四种修复途径: : 光复活、切除修复、重组修复和诱导修复光复活、切除修复、重组修复和诱导修复。 DNA修复是细胞对DNA受损伤后的

26、一种反应，这种反应可能使DNA结构恢复原样，能重新执行它原有的功能；但有时并非能完全消除DNA的损伤，只是使细胞能够耐受这种DNA的损伤而能继续生存。DNA损伤损伤复制过程中发生的复制过程中发生的DNA突变。突变。信息分子代谢 光复活修复光复活修复 从单细胞生物到鸟类都有，而高等哺乳动物中从单细胞生物到鸟类都有，而高等哺乳动物中没有该酶。没有该酶。紫外光照射可使相邻的两个胸腺嘧啶紫外光照射可使相邻的两个胸腺嘧啶( T ) 形成二聚体形成二聚体. 光复活是可见光激活了光复活酶，而光复活酶光复活酶可可使二聚体使二聚体（TTTT、CTCT、CCCC）解聚为单体状态，解聚为单体状态，DNA完完全恢复正

27、常。全恢复正常。信息分子代谢 切除修复切除修复是将是将DNADNA分子中的受损分子中的受损伤部分切除，以完整伤部分切除，以完整的那条链为模板再重的那条链为模板再重新合成。新合成。DNA聚合酶特异核酸内切酶该修复发生在该修复发生在DNA复制前复制前核酸外切酶DNA连接酶信息分子代谢 重组修复重组修复 复制时，跳过复制时，跳过损伤部位，新链产损伤部位，新链产生缺口由母链弥补，生缺口由母链弥补，原损伤部位并没有原损伤部位并没有切除但在后代逐渐切除但在后代逐渐稀释。稀释。该修复发生在复制后该修复发生在复制后复复制制重重组组补补缺缺损损伤伤信息分子代谢 诱导修复诱导修复 修复过程诱导产生修复过程诱导产生

28、DNADNA修复有关的关键蛋白和修复有关的关键蛋白和酶，同时产生酶，同时产生无校对功能无校对功能的的DNADNA聚合酶。聚合酶。 当当DNA损伤面太大，复制难以正常进行时，损伤面太大，复制难以正常进行时，机体就会产生一种应急反应机体就会产生一种应急反应（SOS responseSOS response），即即诱导修复。诱导修复。诱导修复的结果一般是诱导修复的结果一般是导致癌变。导致癌变。信息分子代谢第五节第五节 基因工程简介基因工程简介 基因工程是指按照人类需要对遗传物质或基因进行加工改造，创造有稳定遗传性的生物新品系的工程。 基因工程中两种重要的工具酶是基因工程中两种重要的工具酶是限制性内限

29、制性内切酶切酶和和连接酶，连接酶，前者专一性地切割特定位点前者专一性地切割特定位点。信息分子代谢 限制性内切酶限制性内切酶信息分子代谢 基因工程是现代生物工程的核心。而真正的基因工程源于DNA重组技术的诞生，狭义的基因工程就是指基因重组技术。 基因工程利用内切酶可以专一性地切割基因工程利用内切酶可以专一性地切割DNA特定位点的特点，根据实际需要，把一些特定位点的特点，根据实际需要，把一些来源不同但有相同酶切末端的来源不同但有相同酶切末端的 DNA片段重新连片段重新连接起来。这就是接起来。这就是DNA体外重组技术的来由。体外重组技术的来由。信息分子代谢 1）基因重组）基因重组 基 因重组是指不同

30、DNA链的断裂和重新组合形成新DNA分子的过程。 限制性内切酶DNA连接酶连接酶 信息分子代谢 基因体外重组的步骤基因体外重组的步骤 一、目的基因的获取一、目的基因的获取 二、载体的选择二、载体的选择 三、目的基因与载体重组三、目的基因与载体重组 四、将重组体导入受体细胞四、将重组体导入受体细胞 五、筛选含重组体的克隆五、筛选含重组体的克隆信息分子代谢 一、目的基因的获取一、目的基因的获取 目的基因即人们需要的具有特定功能的基因。目的基因是受体中原本没有的基因，因此又被称为外源基因或外源DNA 。1）化学合成：序列已知且长度较小的基因可用化学方法合成。2） PCR技术扩增：3）从目的基因的基因文库中钓取。获得外源基因主要有三种途径获得外源基因主要有三种途径：信息分子代谢 二、载体的选择二、载体的选择 载体，即携带者，通过自身的DNA和目的基因连接形成一个新的DNA而携带目的基因进入受体。1）载体在携带目的基因之前、之后都可在受体细胞中正常存 在，可随受体细胞分裂而扩增和正常表达。2）携带目的基因时要有供筛选的标志，使人们能将携带目的基因的载体和没携带目的基因的载体区分开。3）载体要易于进入受体细胞。4）有