1、第七章 遗传信息传递的中心法遗传信息传递的中心法则及基因表达则及基因表达2022-11-111一、一、遗传信息传递的遗传信息传递的 中心法中心法则则蛋白质蛋白质翻译翻译转录转录逆转录逆转录复制复制复制复制DNARNA生物的遗传信息以密码的形式储生物的遗传信息以密码的形式储存在存在DNADNA分子上，表现为特定的核苷分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，通过通过DNADNA复制复制把亲代细胞所含的遗传把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些遗子代细胞的生长发育过程中，这些遗
2、传信息通过传信息通过转录转录传递给传递给RNARNA，再由，再由RNARNA通过通过翻译翻译转变成相应的蛋白质多转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使后代执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后来表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们又发现，在宿主细胞中一些人们又发现，在宿主细胞中一些RNARNA病毒能以自己的病毒能以自己的RNARNA为模板为模板复制复制出新出新的病毒的病毒RNARNA，还有一些，还有一些RNARNA病毒能以病毒能以其其RNARNA为模板合成为模板合成DNADNA，称为，称为逆转录逆
3、转录这是中心法则的补充。这是中心法则的补充。中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。2022-11-112 DNADNA复制过程是一个高度精确的过程，复制过程是一个高度精确的过程，据估计，大肠杆菌据估计，大肠杆菌DN
4、ADNA复制复制10109 9-10-101010碱基对碱基对仅出现一个误差，保证复制忠实性的原因主仅出现一个误差，保证复制忠实性的原因主要有以下三点要有以下三点:a a、DNADNA聚合酶的高度专一性（严格遵循聚合酶的高度专一性（严格遵循 碱基配对原则）碱基配对原则）b b、DNADNA聚合酶的校对功能聚合酶的校对功能（错配碱基被（错配碱基被3-53-5 外切酶切除）外切酶切除）c c、起始时以、起始时以RNARNA作为引物作为引物2022-11-113DNADNA聚合酶的聚合酶的3 3-5-5 外切酶水解位点外切酶水解位点3 3 5 5 错配碱基错配碱基3-5 核酸外切核酸外切酶水解位点酶
5、水解位点2022-11-1142022-11-115DNADNA聚合酶的校对功能聚合酶的校对功能5 5-核酸核酸外切酶外切酶3 3-核酸核酸外切酶外切酶裂缝裂缝聚合中心聚合中心裂缝内部裂缝内部2022-11-116DNADNA聚合酶的校对功能聚合酶的校对功能聚合酶聚合酶错配硷基错配硷基复制方向复制方向正正 确确核苷酸核苷酸5 5 5 5 5 5 3 3 3 3 3 3 切除错配切除错配核苷酸核苷酸2022-11-1171 1、概念、概念2 2、逆转录酶、逆转录酶3、病毒逆转录过程病毒逆转录过程4 4、逆转录的生物学意义逆转录的生物学意义扩充了中心法则扩充了中心法则有助于对病毒致癌机制的了解有助
6、于对病毒致癌机制的了解与真核细胞分裂和胚胎发育有关与真核细胞分裂和胚胎发育有关逆转录酶是分子生物学重要工具酶逆转录酶是分子生物学重要工具酶三种功能三种功能依赖依赖DNA指导下的指导下的DNA聚合酶活力聚合酶活力依赖依赖RNA的的DNA聚合酶活力聚合酶活力核糖核酸酶核糖核酸酶H活力活力 以以RNARNA为模板合成为模板合成DNADNA，这，这与通常转录过程中遗传信息与通常转录过程中遗传信息从从DNADNA到到RNARNA的方向相反，故的方向相反，故称为逆转录作用。称为逆转录作用。2022-11-118逆转录过程中逆转录过程中cDNAcDNA的合成的合成依赖依赖RNA的的DNA聚合酶聚合酶核糖核酸
7、核糖核酸酶酶H活力活力依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶2022-11-119逆逆转录病毒的生活周期逆转录病毒的生活周期生活周期RNARNA衣壳衣壳被膜被膜逆转逆转录酶录酶转录转录转译转译整合入宿主细胞染色体整合入宿主细胞染色体DNADNA进入细胞进入细胞丢失被膜丢失被膜丢失衣壳丢失衣壳逆转录逆转录RNARNARNARNAcDNAcDNA衣壳蛋衣壳蛋白白被膜蛋被膜蛋白白逆转录逆转录酶酶2022-11-1110 DNADNA分子中的核苷酸序列发生突然而稳定的改变，从而导致分子中的核苷酸序列发生突然而稳定的改变，从而导致DNADNA的复制以及后来的转录和翻译产物随之发生变化，表现出异常的遗传的复
8、制以及后来的转录和翻译产物随之发生变化，表现出异常的遗传特性，称为特性，称为DNADNA的突变。它包括由于的突变。它包括由于DNADNA损伤和错配得不到修复而引损伤和错配得不到修复而引起的突变，以及由于不同起的突变，以及由于不同DNADNA分子之间的交换而引起的遗传重组。分子之间的交换而引起的遗传重组。（二）（二）诱变剂的作用诱变剂的作用 碱基类似物碱基类似物(base analog)base analog)碱基修饰剂碱基修饰剂(base modifier)base modifier)嵌入染料嵌入染料(intercalation dye)intercalation dye)紫外线紫外线(ult
9、raviolet)ultraviolet)和电离辐射和电离辐射(ionizing ionizing radiation)radiation)（一）（一）突变的类型突变的类型 碱基对的置换碱基对的置换(substitution)(substitution)移码突变移码突变(framesshift mutation)(framesshift mutation)2022-11-1111-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-转换转换-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-插入插入A-T-C-G
10、-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失缺失T野生型基因野生型基因-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-颠换颠换碱基对的置换碱基对的置换(substitution)(substitution)移码突变移码突变(framesshift(framesshift mutation)mutation)2022-11-1112 某些物理化学因子，如紫外线、电离辐射和化学诱某些物理化学因子，如紫外线、电离辐射和化学诱变剂等，都有引起生
11、物突变和致死的作用，其机理是作变剂等，都有引起生物突变和致死的作用，其机理是作用于用于DNADNA，造成，造成DNADNA结构和功能的破坏，称为结构和功能的破坏，称为DNADNA的损的损伤伤.DNA.DNA的修复主要有以下类型的修复主要有以下类型:暗修复暗修复（4）诱导修复诱导修复（SOSSOS修复）修复）（1）光裂合酶修复活光裂合酶修复活（2）切除修复切除修复（3）重组修复重组修复 2022-11-1113DNADNA紫外线损伤的光裂合酶修复紫外线损伤的光裂合酶修复1 1、形成嘧啶二聚体、形成嘧啶二聚体2 2、光复合酶结合于、光复合酶结合于损伤部位损伤部位3 3、酶被可见光激活、酶被可见光激
12、活4 4、修复后酶被释放、修复后酶被释放2022-11-1114DNADNA的损伤和切除修复的损伤和切除修复碱基丢失碱基丢失碱基缺陷或错配碱基缺陷或错配结构缺陷结构缺陷切开切开 核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶切除切除DNADNA聚合酶聚合酶DNADNA连接连接酶酶APAP核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶切开切开切除切除修复修复连接连接糖苷酶糖苷酶插入酶插入酶碱基碱基取代取代2022-11-1115DNADNA的重组修复的重组修复胸腺嘧啶胸腺嘧啶二聚体二聚体复制复制核酸酶及核酸酶及重组蛋白重组蛋白修复复制修复复制DNADNA聚合酶聚合酶DNADNA连接酶连接酶重组重组2022-
13、11-11161 1、概念概念及及DNADNA的有义链和反义链的有义链和反义链2 2、RNARNA聚合酶及催化反应聚合酶及催化反应3 3、RNARNA合成过程合成过程4 4、RNARNA转录后的加工转录后的加工5 5、真核生物的、真核生物的RNARNA合成合成2022-11-1117转录的概念和转录的概念和DNADNA的有义链和反义链的有义链和反义链 启动子启动子（promoter)promoter)终止子终止子(terminator)(terminator)模板链（模板链（templatte strandtemplatte strand）反意义链反意义链(antisense(antisens
14、e strand)strand)有意义链有意义链(sense(sense strand)strand)非信息区非信息区5 5 5 5 3 3 3 3 2022-11-1118大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图 核心酶核心酶(2 2)起始因子起始因子 和模板和模板DNADNA结合结合起始和催化聚合反应起始和催化聚合反应？全酶全酶()2022-11-1119RNARNA聚合酶催化的反应聚合酶催化的反应A AC CG GA AC CG GU UU U模板模板DNADNA5 5 3 3 5 3 新合成新合成RNARNA2022-11-1120RNARNA合成过合成过程程起始起始双链双链DNADNA局部解
15、开局部解开磷酸二酯磷酸二酯键形成键形成终止阶段终止阶段解链区到达解链区到达基因终点基因终点延长阶段延长阶段5 3 RNARNA 启动子启动子（promoter)promoter)终止子终止子(terminator)(terminator)5 RNA聚合酶聚合酶 5 3 5 3 5 5 3 离开离开2022-11-1121RNARNA链的延伸图解链的延伸图解3 3 RNA-DNA杂交螺旋杂交螺旋聚合酶的移动方向聚合酶的移动方向新生新生RNA复链复链解链解链有义链有义链模板链（反义链）模板链（反义链）延长部位延长部位2022-11-1122甲基化作用甲基化作用专一核酸内切酶专一核酸内切酶30S30
16、S前体前体17S17StRNAtRNA25S25S专一核酸外切酶专一核酸外切酶16S 16S rRNArRNAtRNAtRNA23S 23S rRNArRNA5S 5S rRNArRNA专一核酸外切酶专一核酸外切酶2022-11-1123a a、切除、切除tRNAtRNA前体两端多余的序列：前体两端多余的序列：55端切除几到端切除几到1010个核苷酸。个核苷酸。b b、末端添加：、末端添加：3-3-端添加端添加CCACCA序列。序列。c c、修饰：形成稀、修饰：形成稀有有碱基如碱基如DHDH2 2 。RNAasePRNAasePRNAaseFRNAaseFRNAasePRNAasePRNAas
17、eFRNAaseFRNAaseDRNAaseDRNAaseDRNAaseDA AC CC C表示核酸内切酶的作用表示核酸内切酶的作用 表示核苷酸转移酶的作用表示核苷酸转移酶的作用 表示核酸外切酶的作用表示核酸外切酶的作用 表示异构化酶的作用表示异构化酶的作用 2022-11-1124真核细胞真核细胞mRNAmRNA的加工的加工5 5 “帽子帽子”PolyPolyA A 3 3 顺反子顺反子(cistron )(cistron )m7G-5 ppp-N-3 pAAAAAAA-OHAAAAAAA-OH 5 5端接上一个端接上一个“帽子帽子”(CAP)(CAP)结构结构 33端添加端添加PolyA“
18、PolyA“尾巴尾巴”,由由RNARNA末端核苷酸转移酶催末端核苷酸转移酶催化化 剪接：剪去内含子剪接：剪去内含子(intron)(intron)，拼接外显子拼接外显子(extron)(extron)2022-11-1125酵母酪氨酸酵母酪氨酸tRNAtRNA前体的加工前体的加工早转录本早转录本成熟成熟tRNAtRNA加工加工2022-11-1126真核生物和原核生物转录的差别真核生物和原核生物转录的差别DNADNA核核核糖体核糖体新生蛋白质新生蛋白质真核生物真核生物原核生物原核生物mRNAmRNA前体前体转运转运加工加工mRNAmRNAmRNAmRNA 真核生物中转录与复制在不同的区域真核生
19、物中转录与复制在不同的区域 RNARNA聚合酶不相同聚合酶不相同 启动子不同启动子不同 转录后转录后RNARNA加工修饰不同加工修饰不同2022-11-1127 皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、心、肺、肾等多脏器严重损害的，全身性疾病，而且不少患者同时伴有恶性肿瘤。它的1症状表现如下：1、早期皮肌炎患者，还往往伴有全身不适症状，如-全身肌肉酸痛，软弱无力，上楼梯时感觉两腿费力；举手梳理头发时，举高手臂很吃力；抬头转头缓慢而费力。皮肌炎图片皮肌炎的症状表现七、蛋白质翻译 基因的遗传信息在基因的遗传信息在转录过程中从转录过程中从DNADNA转移到转移到mRNAmRNA，再，再由由mRNAmRNA将这种
20、遗将这种遗传信息表达为蛋白传信息表达为蛋白质中氨基酸顺序的质中氨基酸顺序的过程叫做翻译。过程叫做翻译。合成体系：合成体系：2020种氨种氨基酸基酸,mRNA,mRNA、tRNAtRNA、核蛋白体、酶和因核蛋白体、酶和因子子,以及无机离子、以及无机离子、ATP ATP、GTP GTP 合成方合成方向：向：NCNC端。端。2022-11-1129参与蛋白质合成的三类参与蛋白质合成的三类RNARNA及核糖及核糖体体1.rRNA1.rRNA 与蛋白质一起构成核糖体与蛋白质一起构成核糖体蛋白质合成蛋白质合成“工厂工厂”核糖体结构组成核糖体结构组成 核糖体的基本功能核糖体的基本功能结合结合mRNAmRNA
21、，在，在mRNAmRNA上选择适当的区域开始翻译上选择适当的区域开始翻译密码子（密码子（mRNAmRNA）和反密码子（）和反密码子（tRNAtRNA）的正确配对）的正确配对肽键的形成肽键的形成 存在存在 核糖体可游离存在，真核中，也可同内质网结合，形成粗糙的核糖体可游离存在，真核中，也可同内质网结合，形成粗糙的内质网。原核中，与内质网。原核中，与mRNAmRNA形成串状形成串状多核糖体多核糖体2022-11-11302022-11-1131原核生原核生物核糖物核糖体组成体组成真核生真核生物核糖物核糖体组成体组成2022-11-1132 2.tRNA 结合氨基酸：结合氨基酸：一种氨基酸一种氨基酸
22、有几种有几种tRNAtRNA携带，结合携带，结合需要需要ATPATP供能供能,氨基酸结氨基酸结合在合在tRNA3-CCAtRNA3-CCA的位置。的位置。反密码子：反密码子：每种每种tRNAtRNA的反的反密码子，决定了所带氨密码子，决定了所带氨基酸能准确的在基酸能准确的在mRNAmRNA上对号入座上对号入座 。反密码子与反密码子与mRNAmRNA的第三的第三个核苷酸配对时，不严个核苷酸配对时，不严格遵从碱基配对原则格遵从碱基配对原则 2022-11-11333.mRNA 携带着携带着DNADNA的遗传信息，是的遗传信息，是多肽链的合成模板多肽链的合成模板 在在原核原核细胞内，存在时间短，细胞
23、内，存在时间短，在转录的同时翻译在转录的同时翻译 在在真核真核细胞内，较稳定细胞内，较稳定蛋白质合成时，蛋白质合成时，mRNAmRNA结结合于核糖体小亚基上，大合于核糖体小亚基上，大亚亚 基结合带氨基酸的基结合带氨基酸的tRNAtRNA，tRNAtRNA的反密码子的反密码子与与mRNAmRNA密码子配对，密码子配对，ATPATP供能，合成蛋白质。供能，合成蛋白质。2022-11-1134遗传密码子为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线性位为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线性位置的三个核苷酸单位称为密码子（置的三个核苷酸单位称为密码子（CodenCoden）或三）或三联体密码。联体密码。密码
24、子的发现密码子的发现 统计学方法人工合成仅由一种核苷酸组成的多聚核苷酸，推测由哪一种氨基酸合成的多肽核糖体结合试验 1965年，Nirenberg用poly u加入C14标记的20种aa,仅有苯丙氨酸的寡肽,UUU=苯丙氨酸,用此法破译了全部密码，编出遗传密码表。2022-11-1135遗传密码遗传密码2022-11-1136遗传密码子的特点遗传密码子的特点无标点、不重叠无标点、不重叠 密码子是不重叠的，每个三联体中的三个核苷酸只编码一个氨基酸，核苷酸不重叠使用噬菌体x174中某些基因之间有重叠现象简并简并(degeneracy)(degeneracy)几种密码子对应于相同一种氨基酸。这些密码
25、子为同义密码子通用性通用性 绝大多数密码子对各种生物都适用，某些线粒体中遗传密码有例外终止信号终止信号 UAG、UAA、UGA起始信号起始信号 AUG（真核中起始为Met、原核中起始为fMet,翻译中间为Met）和氨酸的密码子(GUG)(极少出现）2022-11-1137四、蛋白质生物合成过程以以mRNAmRNA为模板，氨基酸经活化获得的氨酰为模板，氨基酸经活化获得的氨酰tRNAtRNA为为原料，原料，GTPGTP、ATPATP供能，在核糖体中完成供能，在核糖体中完成。1.1.氨基酸的活化氨基酸的活化tRNAtRNA在氨基酰在氨基酰-tRNA-tRNA 合成酶的帮助下，能够识别相应合成酶的帮助
26、下，能够识别相应的氨基酸，并通过的氨基酸，并通过tRNAtRNA氨基酸臂的氨基酸臂的 3-OH 3-OH 与氨基酸的与氨基酸的羧基形成活化酯氨基酰羧基形成活化酯氨基酰-tRNA-tRNA。氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA的形成是一个两步反应过程：第一步是的形成是一个两步反应过程：第一步是氨基酸与氨基酸与 ATP ATP 作用作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；第二第二步是氨基酰基转移到步是氨基酰基转移到 tRNA tRNA 的的 3-OH 3-OH 端上端上,形成氨基形成氨基酰酰-tRNA-tRNA。2022-11-1138氨基酸活化图示氨基酸活化图示2022-11-1139
27、氨基酸活化的总反应式是：氨基酸活化的总反应式是：氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA 合成酶合成酶氨基酸氨基酸 +ATP+tRNA+H2O +ATP+tRNA+H2O 氨基酰氨基酰-tRNA+AMP+PPi-tRNA+AMP+PPi每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰-tRNA-tRNA 合成酶。它合成酶。它既催化氨基酸与既催化氨基酸与 ATP ATP 的作用的作用,也催化氨基酰基转移到也催化氨基酰基转移到 tRNAtRNA。氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA 合成酶具有高度的专一性。合成酶具有高度的专一性。每一种氨基酰每一种氨基酰-tRNA tRNA 合成酶只能识别
28、一种相应的合成酶只能识别一种相应的 tRNAtRNA。tRNA tRNA 分子能接受相应的氨基酸分子能接受相应的氨基酸,决定于它特有的碱基顺序决定于它特有的碱基顺序,而这种碱基顺序能够被氨基酰而这种碱基顺序能够被氨基酰-tRNA-tRNA 合成酶所识别。合成酶所识别。2022-11-1140氨基酸的活化氨基酸的活化2022-11-11412.2.在核糖体上合成肽链在核糖体上合成肽链 氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA通过反密码臂上的三联体反密码通过反密码臂上的三联体反密码子识别子识别mRNAmRNA上相应的遗传密码，并将所携带上相应的遗传密码，并将所携带的氨基酸按的氨基酸按mRNAmRNA遗传密
29、码的顺序安置在特定遗传密码的顺序安置在特定的位置，最后在核糖体中合成肽链。的位置，最后在核糖体中合成肽链。2022-11-1142起始密码的识别起始密码的识别起始复合物的形成起始复合物的形成2022-11-1143肽链的延长肽链的延长2022-11-1144核糖体移动方向P位点A位点2022-11-1145进位进位核糖体移位核糖体移位肽链的形成肽链的形成2022-11-1146肽基转移酶肽基转移酶2022-11-11472022-11-11482022-11-1149多核糖体多核糖体 2022-11-1150l 核糖体为核糖体为80S80S，由，由60S60S的大亚基和的大亚基和40S40S的
30、小亚基组成的小亚基组成l 起始密码起始密码AUGAUGl 起始起始tRNAtRNA为为MetMettRNAtRNAl 起始复合物起始复合物结合在结合在mRNA 5mRNA 5端端AUGAUG上游的上游的帽子结构帽子结构，真核真核mRNAmRNA无富含嘌呤的无富含嘌呤的SDSD序列（除某些病毒序列（除某些病毒mRNAmRNA外）外）l 已发现的真核起始因子有近已发现的真核起始因子有近9 9种（种（eukaryote eukaryote Initiation factor,eIFInitiation factor,eIF）eIF4A.eIF4E.P220eIF4A.eIF4E.P220复合物称为复合物称为帽子结构结合蛋白复合物（帽子结构结合蛋白复合物（CBPCCBPC）l 肽链终止因子（肽链终止因子（EF1EF1 EF1 EF1 ）及释放因子（）及释放因子（RFRF）2022-11-11512022-11-11522022-11-1153蛋白质生物合成的调节2022-11-1154 e.e.亚胺环己酮（放线菌酮）亚胺环己酮（放线菌酮）2022-11-1155
