第10章_复制转录与蛋白质合成

1、目目 录录基因信息传递基因信息传递第第 十十 章章Gene Communication and Signal Transduction目目 录录DNARNAPr复制复制转录转录逆转录逆转录翻译翻译 分子遗传学的中心法则分子遗传学的中心法则DNARNAPr复制复制转录转录逆转录逆转录翻译翻译目目 录录 目目 录录是指遗传信息的传递，以母链是指遗传信息的传递，以母链DNA为模板合成为模板合成子链子链DNA的过程。的过程。其实质是在酶促作用下，单其实质是在酶促作用下，单个的脱氧核苷酸通过个的脱氧核苷酸通过3 3，5 5- -磷酸二酯键聚合的过磷酸二酯键聚合的过程。程。复制复制亲代亲代DNA子代子代D

2、NA目目 录录1.DNA1.DNA复制方式复制方式: :半保留复制半保留复制* *概念：概念：在复制过程中，在复制过程中，DNA双螺旋解开双螺旋解开成为两条单链成为两条单链(亲代链亲代链)，以每一条单链为模，以每一条单链为模板，板，按照碱基配对规律按照碱基配对规律，各自合成一条与，各自合成一条与之互补的新链（子代链），形成两个结构之互补的新链（子代链），形成两个结构和碱基序列完全一致的子代和碱基序列完全一致的子代DNA，其中每其中每一个子代一个子代DNA分子中都保留一条来自亲代分子中都保留一条来自亲代的链。的链。 复制复制亲代亲代DNA子代子代DNAAGGTACTGCCACTGGTCCATGA

3、CGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母链母链DNA 复制过程中形成复制过程中形成的复制叉的复制叉子代子代DNA 目目 录录目目 录录按半保留复制方式，子代按半保留复制方式，子代DNA与亲代与亲代DNA的的碱基序列一致碱基序列一致半保留复制的意义半保留复制的意义1. 1.遗传的保守遗传的保守2. 2.物种的稳定物种的稳定3. 3.决定后代的生物学性状和代谢类型决定后代的生物学性状和代谢类型. .目目 录录

4、3 3 5 5 解链方向解链方向3 5 3 5 前导链前导链滞后链滞后链5 3 3.有特定的起始点有特定的起始点4.双向复制双向复制核酸链的合成方向：核酸链的合成方向：5 3目目 录录1、模板：、模板：已解开的已解开的DNA单链单链2、底物、底物(原料原料)：dATP, dGTP, dCTP, dTTP但在合成但在合成DNA链时以链时以dNMP为基本结构单位为基本结构单位3、引物、引物: 为一小段的为一小段的RNA分子，提供分子，提供3 -OH 末端与进入模板的第一个底物相连末端与进入模板的第一个底物相连（二）、参与（二）、参与DNA复制的物质复制的物质 目目 录录4、酶和蛋白因子、酶和蛋白因

5、子目目 录录原核生物的原核生物的DNA聚合酶聚合酶DNA-pol DNA-pol DNA-pol 目目 录录功能功能是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。 DNA-pol 目目 录录真核生物的真核生物的DNA聚合酶聚合酶DNA-pol 有有引物酶活性引物酶活性，可以合成一段，可以合成一段RNA引物。引物。延长延长DNA子链的主要酶，子链的主要酶，校读功能校读功能。在在DNA损伤中起修复作用损伤中起修复作用 。在复制过程中起在复制过程中起校读、修复和填补缺校读、修复和填补缺口的作用。口的作用。在在线粒体线粒体DNA复制中起催化作用。复制中起催化作用。DN

6、A-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol 目目 录录是一种是一种RNA聚合酶，复制起始时催化聚合酶，复制起始时催化生成生成RNA引物。引物。利用利用ATP供能，作用于氢键，使供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链双链解开成为两条单链消除超螺旋消除超螺旋目目 录录解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成目目 录录目目 录录与解开的与解开的DNA单链结合单链结合 1.防止解开的防止解开的DNA单链重新形成双螺旋。单链重新形成双螺旋。2.避免核酸酶的水解作用。避免核酸酶的水解作用。 目目 录录连接连接DNA链链3 -OH末端和相邻末端和相邻DNA链链5 -P末端，使

7、二者生成末端，使二者生成3 ,5 -磷酸二酯键，磷酸二酯键，从而把两段相邻的从而把两段相邻的DNA链连接成一条完链连接成一条完整的链。整的链。目目 录录目目 录录（三）、（三）、DNA生物合成过程生物合成过程 目目 录录1 1、复制的起始、复制的起始需要解决两个问题：需要解决两个问题：. DNA解开成单链，提供模板。解开成单链，提供模板。. 合成引物合成引物RNA，提供，提供3 -OH末端。末端。原核生物的原核生物的DNA生物合成生物合成 目目 录录 Dna A Dna B、 Dna CDNA拓扑异构酶拓扑异构酶引物引物酶酶SSB3 5 3 5 由由拓扑异构酶拓扑异构酶将将DNA双链解开，并由

8、双链解开，并由SSB结合于解开的单链上，形成复制叉，结合于解开的单链上，形成复制叉，引物酶引物酶合成合成RNA引物，结合于引物，结合于DNA复制起始点。复制起始点。目目 录录3 5 3 5 引物是由引物酶催化合成的短链引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。分子。 引物引物3 HO5引物引物酶酶SSB目目 录录2 2、复制的延长、复制的延长复制的延长指在复制的延长指在DNA聚合酶聚合酶催化下，催化下，以以DNA母链为模板，将母链为模板，将dNTP水解后以水解后以dNMP的方式逐个从的方式逐个从RNA引物的引物的3 -OH端端开始，通过开始，通过3,5-磷酸二酯键的连接，不断磷酸二酯键的连接，不

9、断合成合成DNA子链的过程。子链的过程。需需DNA聚合酶，聚合酶，4 dNTP 目目 录录 5 5 3 35 5dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH 33 3DNA聚聚 合酶合酶目目 录录，目目 录录3 3 5 5 解链方向解链方向3 5 3 5 前导链前导链滞后链滞后链5 3 目目 录录顺着解链方向生成的子链，复制是连续进顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为行的，这股链称为前导链前导链或或领头链领头链。另一股链因为复制的方向与解链方向相反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，不能顺着解链方向连续延长，这股不连

10、续复制的链称为续复制的链称为滞后链滞后链或或随从链随从链。复制中。复制中的不连续片段称为的不连续片段称为冈崎片段冈崎片段。 前导链前导链连续复制而连续复制而滞后链滞后链不连续复制，就不连续复制，就是复制的是复制的半不连续性半不连续性。 目目 录录5 5 5 RNA酶酶OHP5 DNA-pol dNTP5 5 PATP ADP+Pi5 5 DNA连接酶连接酶3 3、复制的终止、复制的终止目目 录录POO-O-OHO5POO-O-O335DNA连接酶连接酶ATPADP5353目目 录录复复制制过过程程简简图图目目 录录目目 录录目目 录录二、二、DNA损伤（突变）与修复损伤（突变）与修复目目 录录

11、某些理化因素导致遗传物质的结构某些理化因素导致遗传物质的结构与功能发生改变，而引起的遗传信息改与功能发生改变，而引起的遗传信息改变，均可称为变，均可称为突变。突变。DNA突变与损伤具体突变与损伤具体是指是指DNA分子分子上碱基的改变。上碱基的改变。 目目 录录（一）、引发突变的因素（一）、引发突变的因素1、物理因素、物理因素 紫外线紫外线(ultra violet, UV)、各种辐射、各种辐射 UV目目 录录2、化学因素、化学因素常见的化学诱变剂常见的化学诱变剂化合物类别化合物类别作作 用用 点点分子改变分子改变碱基类似物碱基类似物如：如：5-BUA 5-BU G- A - T - G - C

12、 -羟胺类（羟胺类（NH2OH）T C- T - A - C - G -亚硝酸盐（亚硝酸盐（NO2）C U- G - C - A - T -烷化剂烷化剂如：氮芥类，如：氮芥类，NitrominsG mGG mGDNA缺失缺失G目目 录录目目 录录目目 录录 突变导致死亡突变导致死亡 突变导致某些功能缺失突变导致某些功能缺失 突变导致基因型改变突变导致基因型改变, ,对表现型无影响对表现型无影响 突变是进化、分化的分子基础突变是进化、分化的分子基础 （二）基因突变的后果与类型（二）基因突变的后果与类型目目 录录突变的分子改变类型突变的分子改变类型 点突变点突变: :一个碱基发生转换、一个碱基发生

13、转换、缺失、插入缺失、插入 复突变复突变: :两个或以上碱基发生两个或以上碱基发生缺失、插入缺失、插入、倒位、移位、重排。、倒位、移位、重排。 目目 录录缺失缺失、插入插入缺失：缺失：一个碱基或一段核苷酸链从一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上大分子上消失。消失。插入：插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到到DNA大分子中间。大分子中间。移码突变移码突变是指三联体密码的阅读方式改变，造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。成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。 缺失或插入都可导致缺失或插入都可导致移码突变移码突变 。目目 录录谷谷

14、 酪酪 蛋蛋 丝丝5 G C A G U A C A U G U C 丙丙 缬缬 组组 缬缬正常正常5 G A G U A C A U G U C 缺失缺失C缺失引起移码突变缺失引起移码突变目目 录录二、二、DNA损伤的修复损伤的修复修复主要类型修复主要类型1、直接修复（既光修复）、直接修复（既光修复）2、切除修复、切除修复(1).碱基切除修复碱基切除修复(2).核苷酸切除修复核苷酸切除修复(3).碱基错配修复碱基错配修复3、重组修复、重组修复目目 录录光复活酶光复活酶 UV1、直接修复（光修复）、直接修复（光修复）目目 录录UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶聚合酶OHP 2. 2.切

15、除修复切除修复是细胞内最重要和是细胞内最重要和有效的修复机制，主要有效的修复机制，主要由由DNA-pol和连接酶和连接酶完成。完成。DNA连接酶连接酶ATP目目 录录目目 录录3.3.重组修复重组修复DNA损伤较大，未能及时修复就进行复制损伤较大，未能及时修复就进行复制的情况的情况复制时，损伤部位不作为模板，造成子链复制时，损伤部位不作为模板，造成子链上出现缺口，通过重组，将另一条正常的上出现缺口，通过重组，将另一条正常的母链相应部位填补到该缺口，母链相应部位填补到该缺口，DNA聚合酶聚合酶、连接酶再将其复原。、连接酶再将其复原。目目 录录三、逆转录三、逆转录Reverse Transcrip

16、tion目目 录录逆转录酶逆转录酶(reverse transcriptase) 逆转录逆转录(reverse transcription) 逆转录逆转录酶酶（一）逆转录病毒和逆转录酶（一）逆转录病毒和逆转录酶 目目 录录目目 录录逆转录病毒细胞内的逆转录现象逆转录病毒细胞内的逆转录现象RNA 模板模板逆转录酶逆转录酶DNA-RNA 杂杂化双链化双链逆转录逆转录酶酶单链单链DNA逆转录酶逆转录酶双链双链DNA目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录第二节第二节RNA的生物合成（转录）的生物合成（转录）RNA Biosynthesis, Transcription目

17、目 录录转录转录生物体以生物体以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程的过程 。 转转录录RNADNA 概述概述目目 录录参与转录的物质参与转录的物质原料（底物）原料（底物）: : NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板模板: : DNA酶酶: : RNA聚合酶聚合酶 (RNA polymerase, RNA-pol)其他蛋白质因子其他蛋白质因子目目 录录（一）、转录模板（一）、转录模板 DNA分子上能转录出分子上能转录出RNA的区段，称为的区段，称为结构结构基因基因。 DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为的一股单链，

18、称为模板链模板链。相对的另一。相对的另一股单链是股单链是编码链。编码链。一、不对称转录一、不对称转录目目 录录5GCAGTACATGTC 33 CGTCATGTACAG 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C编码链编码链模板链模板链mRNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译目目 录录5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链结构基因结构基因转录方向转录方向转录方向转录方向目目 录录不对称转录不对称转录 在在DNA分子双链上某一区段，一股链用分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录作模板指引转录，另一股链不转录 ；

19、模板链并非永远在同一条单链上。模板链并非永远在同一条单链上。目目 录录A A、原核生物的、原核生物的RNA聚合酶聚合酶 36512 决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 150618 催化功能催化功能 155613 结合结合DNA模板模板 70263 辨认起始点辨认起始点亚亚 基基分分 子子 量量功功 能能（二）、（二）、RNA聚合酶聚合酶目目 录录核心酶核心酶 (core enzyme)全酶全酶 (holoenzyme) 目目 录录目目 录录B B、真核生物的、真核生物的RNA聚合酶聚合酶 种类种类对鹅膏蕈碱对鹅膏蕈碱的反应的反应45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受

20、耐受极敏感极敏感中度敏感中度敏感转录产物转录产物hnRNAmRNA的前体的前体目目 录录二、转录过程二、转录过程The Process of Transcription（一）、转录的起始（一）、转录的起始 （二）、转录的延伸（二）、转录的延伸（三）、转录的终止（三）、转录的终止目目 录录（一）转录起始（一）转录起始转录起始需解决两个问题：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聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。起始区域。1. DNA双链解开，使其中的一条链作为转录双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。的模板。以原核生物为例以原核生物为例目目 录录RNA-Pol与

21、模板辨认、结合与模板辨认、结合5 3 3 5 结构基因结构基因启动子启动子RNA-polRNA聚合酶结合模板聚合酶结合模板DNA的部位，称为的部位，称为启启动子。动子。是位于结构基因转录起始点之前的一些是位于结构基因转录起始点之前的一些特殊核苷酸序列。特殊核苷酸序列。目目 录录2. DNA双链解开双链解开1. RNA聚合酶全酶聚合酶全酶( 2)与模板结合与模板结合 3. 在在RNA聚合酶作用下开始发生聚合反应，聚合酶作用下开始发生聚合反应，因因子脱落。子脱落。5 -pppG -OH + NTP 5 -pppGpN - OH 3 + ppi转录起始过程转录起始过程目目 录录（二）转录延长（二）转

22、录延长1. 亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶沿着聚合酶核心酶沿着DNA模板前移，边移动边解链。模板前移，边移动边解链。 2. 在在核心酶核心酶作用下，作用下，NTP不断聚合，不断聚合，RNA链链不断延长。不断延长。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi目目 录录转录形成的转录形成的DNA-RNA杂化双链很不稳定，杂化双链很不稳定，RNA会会从最初形成时的从最初形成时的55端开始脱落，而端开始脱落，而DNA双链又恢复双链又恢复为了原来的状态。为了原来的状态。目目 录录目目 录录目目 录录5 3 DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖

23、体核糖体RNARNA聚合酶聚合酶目目 录录（三）转录终止（三）转录终止指指RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板上停顿下来不模板上停顿下来不再前进，转录产物再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱链从转录复合物上脱落下来。落下来。 分类分类目目 录录A T P1. 依赖依赖 因子的转录终止因子的转录终止目目 录录2. 非依赖非依赖 因子的转录终止因子的转录终止DNA模板上靠近转录终止处，有些模板上靠近转录终止处，有些特殊的碱基序列特殊的碱基序列（终止子）（终止子），转录出，转录出RNA后，后，RNA产物形成特殊的结构会阻产物形成特殊的结构会阻止止RNA聚合酶继续向前，从而使转录终聚合酶继续向前，从而

24、使转录终止。止。目目 录录发卡结构使转录终止的机理发卡结构使转录终止的机理 使使RNA聚合酶变构，转录停顿；聚合酶变构，转录停顿； 使转录复合物趋于解离，使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。产物释放。5 pppG5 3 3 5 RNA-pol目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录ABCDEFGL12345677 700 bp目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录DNARNAPr复制复制转录转录逆转录逆转录翻译翻译转录和复制转录和复制 分子遗传学的中心法则分子遗传学的中心法则目目 录录目目

25、录录一、参与蛋白质合成的物质一、参与蛋白质合成的物质（一）、合成原料（一）、合成原料（20种种AA）（二）、酶及蛋白因子（二）、酶及蛋白因子 （三）、三种（三）、三种RNA(mRNA、tRNA、rRNA) （四）、供能物质及无机离子（四）、供能物质及无机离子目目 录录（一）、合成原料：（一）、合成原料：20种氨基酸种氨基酸（二）、酶及蛋白因子（二）、酶及蛋白因子1、氨基酰、氨基酰tRNA合成酶合成酶在在ATP存在下，能催化氨基酸活化以及与对应的存在下，能催化氨基酸活化以及与对应的tRNA结合结合2、转肽酶、转肽酶 形成肽键形成肽键3、蛋白因子、蛋白因子 如如IF（起始因子）、（起始因子）、EF

26、（延长因子）、（延长因子）、RF（释放因子）（释放因子）目目 录录1、 mRNA上与遗传密码上与遗传密码mRNA分子上从分子上从5 至至3 方向，由方向，由AUG开开始，每始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸的位置，称为个氨基酸的位置，称为三联体密码。三联体密码。起始密码：起始密码：AUG （蛋氨酸）（蛋氨酸）终止密码：终止密码：UAA，UAG，UGA 共共64个密码子，代表氨基酸的是个密码子，代表氨基酸的是61个个（三）（三）RNA目目 录录目目 录录,目目 录录l遗传密码子的特点遗传密码子的特点编码蛋白质氨基酸序列的各个编码蛋白质氨基酸序列的各个三联

27、体密码连续阅读，密码间既三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。无间断也无交叉。 目目 录录基因损伤引起基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致基发生插入或缺失，可能导致移码突移码突变变。 目目 录录遗传密码中，除色氨酸和蛋氨酸仅有一个密遗传密码中，除色氨酸和蛋氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有码子外，其余氨基酸有2-6个密码子为其编码。一个密码子为其编码。一般当密码子的前两个碱基相同，第三个不同时，般当密码子的前两个碱基相同，第三个不同时，所对应的氨基酸也不会改变。因此在一定程度上所对应的氨基酸也不会改变。因此在一定程度上减少了碱基突变引起的氨基酸序列的

28、改变。减少了碱基突变引起的氨基酸序列的改变。目目 录录-UCU- 丝氨酸丝氨酸-UCC-UCA-UCG-丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸目目 录录目目 录录（3）. 方向性方向性目目 录录目目 录录转运氨基酸的转运氨基酸的tRNA的反密码子需的反密码子需要通过碱基互补与要通过碱基互补与mRNA上的遗传密上的遗传密码反向配对结合，但反密码子与密码码反向配对结合，但反密码子与密码子之间不严格遵守常见的碱基互补配子之间不严格遵守常见的碱基互补配对规律，称为摆动配对。对规律，称为摆动配对。 目目 录录U摆动配对摆动配对目目 录录目目 录录反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂目目 录录目目 录录氨基酸氨

29、基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶l 氨基酸的活化氨基酸的活化每种氨基酸可有每种氨基酸可有26种种tRNA转运转运目目 录录*起始肽链合成的氨基酰起始肽链合成的氨基酰-tRNA目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录目目 录录（1）与模板）与模板mRNA结合结合（2）结合起始）结合起始tRNA（3）结合并水解）结合并水解ATP小亚基作用：小亚基作用：大亚基作用：大亚基作用：（1）提供三个）提供三个tRNA结合位点结合位点（2）有转肽酶的活性，可形成肽键）有转肽酶的活性，可形成肽键（3）结合参与蛋白质合成的三种蛋白因子）结合参与蛋白质

30、合成的三种蛋白因子目目 录录原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:A位：氨基酰位位：氨基酰位P位：肽酰位位：肽酰位E位：排出位位：排出位目目 录录大亚基上三大亚基上三个个tRNA的的结合位点结合位点目目 录录（四）供能物质与无机离子（四）供能物质与无机离子供能物质：供能物质： ATP， GTP无机离子：无机离子：Mg2+ ，K+目目 录录目目 录录整个翻译过程可分为整个翻译过程可分为 ：翻译过程从翻译过程从5 -AUG开始，按开始，按mRNA模板模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。出现。 目目 录录氨基酸的活化和转运氨基酸的活化和转运氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-t