第十二章基因信息的传递课件.ppt

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成 一、一、DNAD

2、NA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 大肠杆菌的解螺旋酶大肠杆菌的解螺旋酶、与

3、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区结合，阻止复性和保护单链DNADNA不被核

4、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DNADN

5、A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.coliE.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

6、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 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

7、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.

8、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

9、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

10、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。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

11、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 3

12、5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、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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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，

18、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，

19、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

20、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有关。（2 2）拼接）拼接 多数真核基因是断裂基因，其转录产物通过拼接，去除内含子，使编码区（外显子）成为连续序列。有些内含子可以催化自身的拼接,有些内含子需要在有关酶的作用下才能拼接。2 2、真核真核tRNAtRNA前体的加工前体的加工 真核真核tRNAtRNA前体

21、的剪切、修饰过程与原核相似。前体的剪切、修饰过程与原核相似。3 3、核糖体核糖体RNARNA前体的转录后加工前体的转录后加工 细菌中的30rRNA前体经过多种酶的作用才成为成熟的rRNA。rRNA在成熟过程中可被甲基化，位点主要在核糖2-OH上。真核rRNA甲基化程度比原核的高，约1-2%的核苷酸被甲基化。真核生物的核仁是rRNA合成、加工和装配成核糖体的场所，大、小亚基分别组装后，通过核孔转移到胞质中参与核糖体循环。*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一、参与蛋白质生物合成的物质1、mRNA是遗传信息的载体（1）密码的连续性（2）密码的简并性（3）密码的通用性（4）密码的不重叠性（5）终止密码与起始密码2、tRNA是转运氨基酸的工具3、核糖体是肽链合成的分子“机器”二、蛋白质生物合成的机制1、蛋白质合成的方向2、氨基酸的活化3、蛋白质合成的过程（1）蛋白质合成的起始 （2）肽链的延伸 结合转肽 移位脱落（3）肽链的终止与释放（4）多聚核糖体（5）真核细胞蛋白质合成的特点 4、翻译后加工 （1）N-端Met或fMet的除去（2）二硫键的形成（3）氨基酸侧链的特殊修饰（4）辅基连接与亚基聚合（5）水解切除*