第十二章基因信息的传递

1、 第十二章第十二章 基因信息的传递基因信息的传递 第一节第一节 dnadna的生物合成的生物合成* * 第二节第二节 rnarna的转录的转录* * 第三节第三节 翻译翻译蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成* * 1 1、dnadna半保留复制半保留复制 半保留复制：半保留复制：在复制过程中，首先亲代双链解开，然后以每条链作为模板，在其上合成互补的子代链，结果每个子代dna分子中有一条链完全来自亲代dna，另一条是新合成的。 1953年，watson和crick在提出dnadna双螺双螺旋结构模型旋结构模型时就推测dna可能按照半保留机制进行自我复制。第一节第一节 dnadna的生物合成的生物合

2、成 一、一、dnadna指导的指导的dnadna的生物合成的生物合成dnadna复制复制 （一）（一）dnadna复制的机制复制的机制15n标记的e.coli. dna密度梯度离心试验meselson和stahl， 1958年 2 2、半不连续复制、半不连续复制 dna聚合酶催化的方向是5，3，。 前导链： 滞后链： 1968年，发现冈崎片段 （二）参与（二）参与dnadna复制的有关物质复制的有关物质 1 1、 dnadna聚合酶聚合酶 （1 1）聚合作用）聚合作用 （2 2）3 3 5 5外切酶活性外切酶活性 （3 3） 5 5 3 3外切酶活性外切酶活性 2 2、 解螺旋酶解螺旋酶 大肠

3、杆菌的解螺旋酶大肠杆菌的解螺旋酶、与与reprep蛋蛋白共同作用，将白共同作用，将dnadna两条链解开。两条链解开。 解螺旋酶解螺旋酶i i、iiii、iiiiii沿着模板链的沿着模板链的5353方向随着复制叉的前进而移动，而方向随着复制叉的前进而移动，而reprep蛋白则在另一条模板链上沿蛋白则在另一条模板链上沿3535方向方向移动。移动。 3 3、 单链单链dnadna结合蛋白（结合蛋白（ssbssb） 复制叉上的解螺旋酶，沿双链复制叉上的解螺旋酶，沿双链dnadna前进，前进，产生单链区，大量的单链产生单链区，大量的单链dnadna结合蛋白与单链结合蛋白与单链区结合，阻止复性和保护单链

4、区结合，阻止复性和保护单链dnadna不被核酸酶不被核酸酶降解。降解。 4 4、 拓扑异构酶（拓扑异构酶（或称旋转酶）或称旋转酶） 属dna拓扑异构酶，可引入负超螺旋，消除复制叉前进时带来的扭曲张力。 拓扑异构酶分两类：i和ii，广泛存在于原核生物和真核生物。 (1) 拓扑异构酶i 使dna的一条链发生断裂和再连接，反应无须供给能量，主要集中在活性转录区，与转录有关。 (2)拓扑异构酶 使dna的两条链同时断裂和再连接，当它引入超螺旋时需要由atp供给能量。分布在染色质骨架蛋白和核基质部，与复制有关。 5 5、 dnadna连接酶连接酶 连接双链连接双链dnadna上的切口。上的切口。 大肠杆

5、菌连接酶只能在模板上连接大肠杆菌连接酶只能在模板上连接dnadna缺缺口。口。t t4 4dnadna连接酶即可连接粘性末端的连接酶即可连接粘性末端的dnadna，又，又可连接平齐末端的双链可连接平齐末端的双链dnadna。 e.coli.e.coli.和其它细菌的和其它细菌的dnadna连接酶以连接酶以nadnad为为能源，动物细胞和噬菌体能源，动物细胞和噬菌体dnadna连接酶以连接酶以atpatp为为能源。能源。 6 6、 rnarna引物和引发酶引物和引发酶 细胞内，细胞内，dnadna的复制需要引物（的复制需要引物（dnadna或或rnarna），引物酶或），引物酶或rnarna聚合

6、酶可合成聚合酶可合成6-106-10个碱个碱基的基的rnarna引物。引物。 dnadna复制为什么要用复制为什么要用rnarna引物？（为什么引物？（为什么dnadna聚合酶要用引物，聚合酶要用引物，rnarna聚合酶不需要引聚合酶不需要引物？）物？） 从模板复制最初几个核酸时，碱基堆集力从模板复制最初几个核酸时，碱基堆集力和氢键都较弱，易发生错配和氢键都较弱，易发生错配 新复制的最初几个核苷酸，没有与模板形新复制的最初几个核苷酸，没有与模板形成稳定双链，成稳定双链，dnadna聚合酶的聚合酶的5 5，33，校对功能难校对功能难发挥作用。发挥作用。 （三）（三）dnadna复制过程复制过程

7、1 1、起始起始 （1 1）复制的起始点和方向）复制的起始点和方向 复制起点是以一条链为模板起始dna合成的一段序列。有时，两条链的复制起点并不在同一点上（不对称复制，如d环复制）。 多数生物的复制起点，都是dna呼吸作用强烈的区段，即经常开放的区段，富含a.t，而且可能含有大量的反向重复和保守序列。环状环状dna复制起点复制起点 （2 2）dnadna复制的起始复制的起始 引发：引发：当dna的双螺旋解开后，合成rna引物的过程。 引发体：引发体：引物合成酶与各种蛋白质因子（dnab、dnac、n、nni）构成的复合体，负责rna引物的合成。 引发体沿着模板链53方向移动（与冈崎片段合成的方

8、向正好相反，而与复制叉移动的方向相同），移到一定位置上即可引发rna引物的合成。 e.coli.dna复制原点ori c，由245bp组成，三组13bp重复序列（近5端处），四组9 bp重复序列（另一端处）。 2 2、复制、复制的延长的延长 前导链只需要一个rna引物，后随链的每一个冈崎片段都需要一个rna引物，链的延长反应由dna pol.催化。 复制体：复制体：在dna合成的生长点（既复制叉上）分布着许多与复制有关的酶和辅助因子，它们在dna的模板链形成离散的复合物，彼此配合进行高度精确的复制，称为复制体。 复制体沿着复制叉方向前进就合成dna。3 3、复制的终止、复制的终止rnarna引

9、物的切除及缺口补齐：引物的切除及缺口补齐：dna poldna pol的的5 5， 3 3，外切活力，切除外切活力，切除rnarna引物。引物。dnapoldnapol的的5 5， 3 3，合成活性补齐缺口。合成活性补齐缺口。dnadna切口的连接：切口的连接：dna ligasedna ligase，动物、真核由，动物、真核由atpatp供能，原核由供能，原核由nadnad供能。供能。dnadna合成的终止：合成的终止：环状环状dnadna、线性、线性dnadna，复制叉相遇即终止。，复制叉相遇即终止。（四）真核生物（四）真核生物dnadna复制的特殊规律复制的特殊规律 1 1、 复制起点和

10、单位复制起点和单位 真核生物染色体dna是多复制子，有多个复制起点，可以多点起始，分段进行复制。每个复制子大多在100-200bp之间，比细菌染色体dna（单复制子）小得多。 试验证据：5-氟脱氧胞苷标记 真核生物dna复制叉移动的速度此原核的慢，如哺乳动物复制叉移动的速度每分钟1-3kb，细菌每分钟5kb。 真核生物染色体全部复制完成前，起点不再从新开始复制。而在快速生长的原核生物中，起点可以连续发动复制。真核生物在快速生长时，可采用更多的复制起点同时复制。如黑腹果蝇，早期胚胎细胞中相邻复制起点的平均距离为7.9kb，而在培养的成体细胞中，平均距离为40kb，成体细胞只利用一部分复制起点。

11、2、真核生物的染色体在全部复制完成前，各起始点上不能开始下一轮的dna复制。在原核生物中，在起始点上可以连续地开始新的dna复制。 3 3、 复制过程中组蛋白的装配复制过程中组蛋白的装配 核小体的结构核小体的结构 试验证据：试验证据：环己酮亚胺抑制组蛋白合成，电子显微镜下观察 二、二、rnarna指导的指导的dnadna的生物合成的生物合成逆转逆转录录 逆转录: 以rna为模板，合成dna。与通常转录过程中遗传信息流从dna到rna的方向相反。 ( (一一) )逆转录酶逆转录酶 由一个亚基和一个亚基组成，含有zn2+，具有三种酶活力。 1 1、rna指导的dna聚合酶活力（以rna为模板，合成

12、一条互补 的dna，形成rnadna杂种分子）。 2 2、rnase h酶活力，水解rnadna杂种分子中的rna，可沿 35和53两个方向起外切酶作用。 3 3、dna指导的dna聚合酶活力。 模板：模板：rnarna或或dnadna 以自身病毒类型的rna为模板时，该酶的反转录活力最大，但是带有适当引物的任何种类的rna都能作为合成dna的模板。 引物：引物：rnarna或或dnadna 底物：底物：dntp 二价阳离子：二价阳离子：mg2+或mn2+ 真核mrna3端有polya，加入oligo dt后，可以作为逆转录酶的模板，合成cdna。 三、三、 dna的损伤及修复的损伤及修复 1

13、、dna的损伤 一些物理化学因子如紫外线、电离辐射和化学诱变剂均可引起dna损伤，破坏其结构与功能。然而在一定条件下，生物机体能使这种损伤得到修复。 紫外线可使dna分子中同一条链上两个相邻的胸腺嘧啶碱基之间形成二聚体（tt），两个t以共价键形成环丁烷结构。ct、cc间也可形成少量二聚体（ct、cc），使复制、转录受阻。 2、dna的修复 细胞内具有一系列起修复作用的酶系统，可以除去dna上的损伤，恢复dna的双螺旋结构。目前已知有4种酶修复系统：光复活、切除修复、重组修复、sos反应诱导的修复，后三种不需要光，又称为暗修复。（1 1）光修复）光修复 1949年已发现光复活现象，可见光（最有效

14、400nm）可激活光复活酶，此酶能分解由于紫外线形成的嘧啶二聚体。高等哺乳动物没有此酶。 （2 2）切除修复）切除修复 在一系列酶的作用下，将dna分子中受损伤部分切除，并以完整的那一条链为模板，合成出切去部分，dna恢复正常结构。 特异性核酸内切酶识别嘧啶二聚体嘧啶二聚体部位，在嘧啶二聚体嘧啶二聚体55端邻近处切开，在端邻近处切开，在dna单链上形成一缺口。 dna聚合酶以未损伤链为模板，按53方向进行修补。 dna聚合酶发挥发挥外切酶作用，按53方向切除嘧啶二聚体嘧啶二聚体损伤处。 dna连接酶连接。 第二节第二节 rnarna的转录的转录* * rnarna转录转录: :以一段dna的遗

15、传信息为模板，在rna聚合酶作用下，合成出对应的rna的过程，或在dna指导下合成rna。 转录产物：转录产物：mrna 、rrna、 trna、小rna 除某些病毒基因组rna外，绝大多数rna分子都来自dna转录的产物。 dnadna正链：正链：与mrna序列相同的dna链。 dnadna负链：负链：与正链互补的dna链。 转录是基因表达的第一步，也是最关键的一步。一、催化一、催化rnarna合成的酶合成的酶1 1、rnarna聚合酶聚合酶rna合成的基本特征底物：ntp（atp、gtp、ctp、utp）rna链生长方向：53不需引物需dna模板 (1) (1) 原核细胞聚合酶原核细胞聚合

16、酶 e.coli和其它原核细胞一样，只有一种rna聚合酶，合成各种rna（mrna、trna、rrna）。 e.coli rna聚合酶全酶由六个亚基组成，2 ，另有两个zn2+。 无亚基的酶叫核心酶，核心酶只能使已开始合成的rna链延长，而不具备起始合成活性，加入亚基后，全酶才具有起始合成rna的能力，因此，亚基称为起始因子。e.coli rna聚合酶各亚基的大小与功能：(2)(2)真核细胞真核细胞rnarna聚合酶聚合酶 真核生物的转录机制要复杂得多，有三种细胞核内的rna聚合酶： 除了细胞核rna聚合酶外，还分离到线粒体和叶绿体rna聚合酶，它们的结构简单，能转录所有种类的rna，类似于细

17、菌rna聚合酶。二、转录的过程二、转录的过程 1 1、转录的、转录的起始起始 转录是从dna模板上特定的部位开始的,这一部位称为启动子.rna聚合酶结合到dna双链的启动子上，局部解开双螺旋，第一个核苷酸(通常为gtp或atp )结合到转录起始位点，即开始rna链的延伸。 起始过程中，因子起关键作用，它能使聚合酶迅速地与dna的启动子结合，亚基与结合时，亚基的构象有利于核心酶与启动子紧密结合，转录起始后，亚基便从全酶中解离出来。然后nusa亚基结合到核心酶上，由nusa亚基识别序列序列。 转录起点是+1，上游是-1。 2 2、链的、链的延伸延伸 转录起始后，亚基释放，离开核心酶， nusa亚基

18、结合到核心酶上,使核心酶的亚基构象变化，与dna模板亲和力下降，在dna上移动速度加快，由nusa亚基识别序列序列,使rna链不断延长。 3 3、转录的、转录的终止终止 rna聚合酶到达转录终止点时，在终止辅助因子的作用下下，聚合反应停止，rna链和聚合酶脱离dna模板链，nusa又被亚基所取代。 由此形成rna聚合酶起始复合物与终止复合物两种形式的循环。 三、三、rnarna转录后的加工修饰转录后的加工修饰 rna聚合酶合成的原初转录产物，要经过剪切、修 饰、拼接等过程，才能转变成成熟的rna分子，此过程 称rnarna转录后的加工转录后的加工。 1 1、真核生物真核生物mrnamrna前体

19、的加工前体的加工 mrna原初转录物是分子量很大的前体，在核内加工过程中形成分子大小不等的中间产物，它们被称为核内不均一rna（hn rna）。其中，约有25%可转变成成熟的mrna。 hnrna半寿期很短，比细胞质中的mrna更不稳定，一般在几分钟至1小时。而细胞质mrna的半寿期为1-10小时，神经细胞mrna最长可达数年。 hnrna转变成mrna的加工过程主要包括： a. 5末端形成帽子结构 b. 3末端切断并加上polya c. 剪接除去内含子对应的序列,拼接外显子. （1）戴帽加尾）戴帽加尾 参与的酶: rna三磷酸酶，mrna鸟苷酰转移酶，mrna（鸟嘌呤-7）甲基转移酶，mrna（核苷-2）甲基转移酶。 5帽子的功能 a.保护mrna，避免5端受核酸外切酶的降解 b.在翻译过程中起信号识别作用，协助核糖体与mrna结合，使翻译从aug开始。 加尾尾:hnrna链由rnaase切断，由多聚腺苷酸聚合酶催化，加上polya，atp为供体。 加尾信号：aataaa、ygtgtgyy（y为嘧啶）。 核内hnrna的3端也有多聚腺苷酸，表明加尾过程早在核内已经完成。hnrna中的poly（a）比mrna略长，平均150-200nt。 polya的功能: a. 防止核酸外切酶对mrna信息序列的降解，起缓冲作用。 b. 与mrna从细胞核转移到细胞质