大学生物化学《基因信息的传递》教学课件

基因信息的传递DNA复制·转录·翻译·中心法则生物化学教学课件课程导览01中心法则总览遗传信息流动的全局框架02DNA复制机制半保留与半不连续复制03转录过程解析原核与真核机制对比04翻译与密码核糖体读取遗传密码05调控与考点表达调控与高频考点梳理中心法则总览遗传信息流动的全局地图从DNA到蛋白质，生命信息的传递法则01中心法则的提出与发展遗传信息流动的核心法则1958年克里克提出中心法则，描述遗传信息的传递方向常规路径DNA复制DNA转录为RNARNA翻译为蛋白质特殊路径RNA复制逆转录，以及理论上的DNA直接翻译1970年因逆转录现象确认而修正，区分常规与特殊路径唯一例外朊病毒通过蛋白质构象改变传递信息，是目前已知的唯一例外遗传信息传递的五条路径常规路径普遍存在于所有生物细胞，特殊路径仅见于特定生物常规路径3项DNA→DNA复制DNA→RNA转录RNA→蛋白质翻译普遍存在于所有生物细胞特殊路径2项RNA→RNARNA复制，仅见于RNA病毒RNA→DNA逆转录，最早在RNA致癌病毒中发现，后见于人类白细胞仅存在于特定生物中心法则的研究进展中心法则在修正中不断完善人类DNA聚合酶θ可将RNA序列逆向写入DNA，首次证实细胞自身具备RNA到DNA的信息回写能力信息回写突破RNA→DNA

逆向回写细胞自身具备回写能力非编码RNA功能拓展功能拓展丰富基因表达调控认识知识稳定性中心法则核心内容属稳定知识随科研进展持续补充复制转录翻译三大过程对比项目复制转录翻译模板DNA两条链DNA一条链mRNA原料脱氧核苷酸核糖核苷酸氨基酸产物DNARNA肽链场所细胞核细胞核核糖体配对A-T,C-GA-U,T-AA-U,C-GDNA复制机制复制即传承半保留复制，遗传稳定性的分子基石02半保留复制与实验证据半保留复制是DNA复制最本质的特征每个子代DNA由一条亲代母链和一条新合成子链构成Meselson与Stahl实验115N标记大肠杆菌在15N培养基中标记214N培养转入14N培养基培养3密度梯度离心按密度分离DNA条带子一代全部为中带（一条15N链+一条14N链）子二代出现轻带与中带结论证实DNA按半保留方式复制，保证遗传信息准确传递DNA复制的酶系与蛋白因子解旋酶水解ATP供能，持续解旋双螺旋引物酶以核糖核苷酸为原料合成RNA引物DNA聚合酶催化脱氧核苷酸聚合，沿

5′→3′

方向延伸DNA连接酶连接冈崎片段为完整链单链结合蛋白维持模板单链状态拓扑异构酶缓解超螺旋复制的起始：解旋与引物边解旋边复制，复制并非先全部解旋后再启动合成解旋：打开双链相关蛋白识别DNA上的复制起点，使双链局部解旋形成单链区解旋酶结合单链区，持续解旋形成两个相反方向延伸的复制叉引物：提供起始端DNA聚合酶无法从头合成，必须在已有链的3′羟基末端添加核苷酸引物酶合成约5-10个核苷酸的RNA引物，提供3′羟基起始位点半不连续复制与复制叉聚合酶只能沿5′到3′方向合成，是半不连续复制的根本原因复制叉是复制的核心结构，所有合成步骤均围绕其展开前导链连续模板方向一致模板方向与复制叉前进方向一致连续合成连续合成，仅需

1个

引物后随链不连续模板方向相反模板方向与复制叉前进方向相反不连续合成不连续合成，形成多个冈崎片段多个引物需多个RNA引物复制的终止与保真机制››1步骤01引物切除缺口填补引物切除，缺口由脱氧核苷酸填补2步骤02片段连接连成完整链冈崎片段连接成完整链3步骤03形成子代分子复制完成形成两个与亲代完全相同的DNA分子保真性三层保障碱基互补配对—保证新链序列准确DNA聚合酶校对—合成中即时纠错错配修复系统—复制后终验修复转录过程解析DNA到RNA的信息抄录三大聚合酶分工，转录因子精密调控03转录概述与三大聚合酶转录以DNA一条链为模板合成RNA，是基因表达的第一步聚合酶位置主要产物聚合酶Ⅰ核仁rRNA聚合酶Ⅱ核基质mRNA、snRNA聚合酶Ⅲ核基质tRNA、5SrRNA转录全过程分为起始、延长、终止三个阶段；真核生物存在三种RNA聚合酶，分工明确转录全过程分为起始、延长、终止三个阶段原核生物的转录起始1σ因子辨认启动子σ因子辨认启动子，使全酶结合到转录起始区域。2DNA双链局部解开DNA双链局部解开，以一条链为模板。3合成第一个磷酸二酯键合成第一个磷酸二酯键，启动RNA合成。4转录泡形成转录泡由局部打开的DNA、RNA聚合酶核心酶与新生RNA构成。σ因子识别启动子，引导全酶开启转录原核转录的终止方式依赖ρ因子2项六聚体结构ρ因子为六聚体，能结合RNA，与polyC结合力最强双重酶活性具有ATP酶和解螺旋酶活性，促使转录终止不依赖ρ因子2项特殊碱基序列DNA模板靠近终止处有特殊碱基序列发夹结构形成RNA产物形成发夹结构，改变聚合酶构象使酶停止移动真核启动子与顺式调控元件核心启动子定位转录起点TATA盒与起始子TATA盒（约

-30

位）与起始子功能控制转录的

精确起始上游元件调控起始效率CAAT盒与GC盒CAAT盒（约

-70到-80

位）与GC盒（约

-80到-110

位）功能控制转录起始的

频率和强度真核转录因子与起始复合物真核转录起始在转录因子协助下完成真核转录起始由转录因子按序组装，TFⅡD

与

TFⅡH

是关键节点TFⅡD核心作用2项唯一结合者唯一能结合

TATA盒

的蛋白质组装起点结合

TATA盒

后募集TFⅡB组装顺序4步第一步TFⅡD结合

TATA盒，募集TFⅡB第二步RNA聚合酶Ⅱ结合启动子，再由

TFⅡE与TFⅡH

结合第三步TFⅡH

具解旋酶活性，打开DNA双链形成转录泡第四步TFⅡH磷酸化RNA聚合酶Ⅱ的

CTD，使聚合酶脱离启动子进入延伸真核mRNA的转录后加工真核mRNA转录后需经过加工才能成为成熟mRNA真核mRNA前体需经加帽、加尾、剪接三类加工，方可转变为成熟mRNA加工后成熟的mRNA才进入细胞质，参与后续翻译5′端加帽形成m7G帽结构：识别起始密码子并保护5′端免受降解3′端加尾添加polyA尾：提升mRNA稳定性并协助核输出剪接切除内含子，连接外显子：生成连续可翻译的编码序列翻译与密码核酸语言译成蛋白语言核糖体流水线，密码子精准配对04遗传密码的破译与特性每三个相邻碱基构成一个密码子，决定一个氨基酸64种密码子总数61种编码氨基酸3种终止密码子连续性密码子间无间隔，连续读取简并性多个密码子对应同一氨基酸，增强容错性（丝氨酸仅有一个密码子，不具简并性）通用性生物界共用同一套密码表摆动性密码子第三位碱基可灵活配对方向性沿

5′→3′

方向解读AUG起始密码子，同时编码甲硫氨酸AUG常见密码子对应关系密码子编码结果AUG甲硫氨酸、起始信号UAA、UAG、UGA终止信号UUU、UUC苯丙氨酸密码子与反密码子按碱基互补配对原则识别，tRNA携带对应氨基酸。核糖体结构与功能位点60%rRNA40%蛋白质核糖体组成核糖体由约

60%

的rRNA和

40%

的蛋白质组成原核核糖体（70S）30S小亚基50S大亚基真核核糖体（80S）40S小亚基60S大亚基A位点接收新进入的氨基酰-tRNAP位点结合起始tRNA或肽酰-tRNAE位点释放空载tRNA翻译起始与起始复合物翻译起始的任务是找到密码的起点1识别5′帽真核起始复合物首先识别mRNA前端的

5′帽

结构2扫描mRNA沿mRNA向后扫描，锁定第一个起始密码子

AUG3起始tRNA进入起始tRNA携带

甲硫氨酸

进入P位点4大亚基结合核糖体大亚基结合上来，形成完整的翻译工厂起始复合物形成后，核糖体进入延伸阶段，开始肽链合成翻译延伸的三步循环进位携带新氨基酸的

tRNA

凭借反密码子配对进入

A位点成肽肽酰转移酶催化

P位与

A位氨基酸之间形成肽键，该酶本质是一种

核酶移位核糖体消耗

GTP，沿mRNA向

3′端移动一个密码子；空载tRNA经

E位点排出，A位点重新空出进位→成肽→移位·循环往复翻译终止与翻译后加工终止密码子无对应tRNA，释放因子进入A位点翻译延伸是一个不断重复的循环过程无对应tRNA终止密码子无对应tRNA释放因子进入释放因子进入A位点，促使多肽链释放亚基分离脱落大小亚基分离脱落翻译后加工新合成肽链无生物活性，需折叠与加工修饰加工后蛋白质运输至特定部位行使功能调控与考点从机制到应用的收束表达调控与考点，知识闭环的最后一环05基因表达调控的分子层次转录因子与顺式元件结合，激活或抑制转录基因表达调控可发生在转录、转录后加工、翻译、翻译后加工等多个水平，其中转录水平调控最为关键顺式调控元件启动子增强子位于DNA上反式调控因子转录因子染色质重塑因子为蛋白质转录后与翻译水平调控基因表达调控贯穿转录后至翻译后多个层级转录后加工选择性剪接产生不同成熟mRNA翻译水平调节起始因子（如eIF4E）翻译后加工通过修饰影响蛋白质活性表观遗传不改变碱基序列，DNA甲基化及组蛋白甲基化、乙酰化均可导致表观遗传现象中心法则的特殊路径与拓展中心法则在实验证据推动下不断修正与完善RNA复制与逆转录特殊传递路径是中心法则的特殊传递路径最早发现逆转录最早在RNA致癌病毒中发现拓展与例外2021年研究研究发现人类DNA聚合酶θ具逆转录活性朊病毒通过蛋白质构象改变传递信息，是已知的唯一例外高频考点与易错警示高频考点聚焦合成方向、聚合酶分工与密码子特性核心考点复制时新链合成方向为

5′到3′转录时识别启动子的是RNA聚合酶全酶，含

σ因子真核RNA聚合酶

Ⅱ

催化合成mRNA密码子的

简并性

增强了生物的容错性易错警示DNA复制的引物是

RNA，而非