1、第第2章章 遗传物质的分子基础遗传物质的分子基础第第2节节 核酸的化学结构核酸的化学结构染色体染色体DNA（27）蛋白质蛋白质（66）RNA（6）组蛋白组蛋白（含量比较稳定，（含量比较稳定，与与DNADNA大致相等）大致相等）非组蛋白非组蛋白 碱基结构碱基结构核苷和核苷酸核苷和核苷酸磷酸二脂键磷酸二脂键DNADNA分子结构分子结构和表示方法和表示方法DNADNA双螺旋结构双螺旋结构右手螺旋右手螺旋反向平行（反向平行（antiparallelantiparallel）内侧是扁平的盘状碱基内侧是扁平的盘状碱基两 条 链 的 碱 基 以 氢 键两 条 链 的 碱 基 以 氢 键（hydrogen b
2、ondhydrogen bond）与互补）与互补碱基相连碱基相连A AT T；C GC G上下碱基对相距上下碱基对相距0.34nm0.34nm每个螺旋长每个螺旋长3.4nm3.4nm，10bp10bp，直径直径2nm2nm大沟（大沟（major groovemajor groove）和）和小沟（小沟（minor grooveminor groove）氢氢 键键DNADNA结构模型结构模型DNADNA结构示意图结构示意图碱基排列顺序的多样性碱基排列顺序的多样性DNADNA分子是由分子是由A-TA-T和和C-GC-G两种两种bpbp连接起来的，每个连接起来的，每个DNADNA分子一般有成千上万个分
3、子一般有成千上万个bpbp在每一个位置上只有在每一个位置上只有4 4种可能：种可能：A A、T T、C C、G G 假设假设DNADNA分子长分子长1000bp1000bp，就可能有，就可能有4 410001000种不同的排种不同的排列形式，列形式，4 410001000种不同的分子结构种不同的分子结构反映出来的就反映出来的就可能可能是是4 410001000种不同性质的基因。种不同性质的基因。生物体的碱基顺序是稳定的生物体的碱基顺序是稳定的v对特定的生物体来说，对特定的生物体来说，DNADNA分子中的碱分子中的碱基顺序通常是保持不变，这样才能保持基顺序通常是保持不变，这样才能保持该遗传特性的
4、稳定该遗传特性的稳定v只有在特殊的条件下，改变其碱基顺序只有在特殊的条件下，改变其碱基顺序或用碱基类似物代替某一碱基时，才出或用碱基类似物代替某一碱基时，才出现可遗传的变异（现可遗传的变异（突变突变）核苷酸和脱氧核苷酸核苷酸和脱氧核苷酸RNARNA结构结构tRNA结构结构tRNAtRNA分子中含有稀有碱基分子中含有稀有碱基tRNAtRNA的三维结构的三维结构第第3节节 DNA复制复制DNA replicationDNADNA复制的一般特点复制的一般特点 原料：原料：dNTP，互补配对原则互补配对原则 半保留复制半保留复制 半不连续复制半不连续复制 需要引物需要引物 新链的延伸方向只能是新链的延
5、伸方向只能是5 3半保留复制半保留复制 semiconservative semiconservative replicationreplication复制起始点复制起始点 复制起始点复制起始点 replication originreplication origin，oriori DNA DNA分子的复制是在特定位置开始的，这个位分子的复制是在特定位置开始的，这个位点称为复制起始点。点称为复制起始点。原核生物原核生物DNADNA只有一个复制起始点。只有一个复制起始点。真核生物真核生物DNADNA有多个复制起始点。有多个复制起始点。复制子复制子 repliconreplicon 一个复制起始点
6、控制下复制的一段一个复制起始点控制下复制的一段DNADNA 原核生物原核生物DNADNA只有一个复制子只有一个复制子 真核生物每条染色体上有多个复制子真核生物每条染色体上有多个复制子原核生物复制子原核生物复制子真核生物真核生物DNADNA多复制起始点电镜图多复制起始点电镜图复制叉复制叉 replication forkreplication fork 半不连续复制半不连续复制 先导链先导链 随后链随后链 冈崎片断冈崎片断 引物引物 primerprimer原核生物原核生物DNADNA复制复制DNADNA复制所需要的酶复制所需要的酶 引物酶引物酶 primeraseprimerase DNADN
7、A聚合酶聚合酶 DNA polymeraseDNA polymerase DNADNA连接酶连接酶 DNA ligaseDNA ligase 解旋酶解旋酶 helicasehelicase 拓扑异构酶拓扑异构酶DNA复制过程复制过程 起始起始 延伸延伸 终止终止DNADNA复制小结复制小结真核生物DNA的复制特点 细胞周期的特定时期复制细胞周期的特定时期复制 多起点复制多起点复制 冈崎片断较原核生物短冈崎片断较原核生物短 核小体全保留复制核小体全保留复制 染色体端粒的复制染色体端粒的复制细胞周期的特定时期复制细胞周期的特定时期复制 原核生物在整个细胞生长过程中都可以原核生物在整个细胞生长过程中
8、都可以进行进行DNADNA复制复制 真核生物真核生物DNADNA在在S S期复制期复制端粒端粒DNA的复制的复制端粒酶端粒酶 telomerasetelomeraseRNA的复制的复制 有些病毒不含有些病毒不含DNADNA，以，以RNARNA为遗传物质为遗传物质 RNARNA在在RNARNA聚合酶作用下先合成聚合酶作用下先合成“”链链“”链从链从“”链模板上释放出来链模板上释放出来“”链作为模板再合成链作为模板再合成“”链链 线性线性DNADNA末端不能复制末端不能复制 每复制一次每复制一次DNADNA序列就要缩短一节！序列就要缩短一节！端粒酶是一种核糖核蛋白，含有一个端粒酶是一种核糖核蛋白，
9、含有一个RNARNA分子分子 这个这个RNARNA分子就是合成端粒序列的模板分子就是合成端粒序列的模板 在体细胞中，端粒酶是没有活性的，胚胎细胞在体细胞中，端粒酶是没有活性的，胚胎细胞和肿瘤细胞中有端粒酶活性和肿瘤细胞中有端粒酶活性第第4节节 RNA转录与加工转录与加工 转录转录 transcriptiontranscription：以：以DNADNA为模板，在为模板，在RNARNA聚合酶的催化下，以聚合酶的催化下，以ATPATP、CTPCTP、GTPGTP和和UTPUTP为原料，合成为原料，合成RNARNA的过程。的过程。转录是基因表达的中心环节转录是基因表达的中心环节RNARNA分类分类
10、mRNAmRNA，messenger RNAmessenger RNA tRNAtRNA，transfer RNAtransfer RNA rRNArRNA，ribosomal RNAribosomal RNArRNArRNA的类型的类型 原核生物有原核生物有3 3种种rRNArRNA：5S5S、16S16S、23S23S 真核生物有真核生物有4 4种种rRNArRNA：5S5S、5.8S5.8S、18S18S、28S28SRNARNA合成的一般特点合成的一般特点 不需要引物不需要引物 原料为原料为NTPNTP，不是，不是dNTPdNTP 只有一条只有一条DNADNA链用作模板链用作模板有关概
11、念有关概念 模板链模板链 template strandtemplate strand 非模板链非模板链 nontemplate strandnontemplate strand 编码链编码链 coding strand(coding strand(有意义链）有意义链）非编码链非编码链 noncoding strandnoncoding strand原核生物原核生物RNARNA的合成的合成RNA聚合酶聚合酶 在在E.coli中中 全酶全酶holoenzyme 2 亚基的功能是识别转录起始点亚基的功能是识别转录起始点 核心酶核心酶 core enzyme 2 RNA链的延伸由核心酶催化链的延伸由
12、核心酶催化启动子启动子 promotorpromotor DNADNA分子上分子上RNARNA聚合酶最先识别和结合部位。聚合酶最先识别和结合部位。PromotorPromotor在转录起始点的上游在转录起始点的上游原核生物启动子由原核生物启动子由2个元件个元件3个要素组成个要素组成1 1、1010序列（序列（Pribnow boxPribnow box）转录起始点上游转录起始点上游1010位置，位置，consensus consensus sequencesequence是是TATAPuATGTATAPuATG2 2、3535序列（序列（Sextama boxSextama box）RNARN
13、A聚合酶所覆盖的区域，共有序列是聚合酶所覆盖的区域，共有序列是TTGACATTGACA，位于，位于3535位置。位置。是是RNARNA聚合酶对转录模板的初始识别位点，聚合酶对转录模板的初始识别位点，决定启动子的强度。决定启动子的强度。3 3、1010区和区和3535区间的距离区间的距离 两个元件之间的距离却至关重要两个元件之间的距离却至关重要;相距相距17bp17bp时，转录效率最高。时，转录效率最高。终止子终止子 terminatorterminator 提供转录终止信号的提供转录终止信号的DNADNA序列序列 内在终止子，不依赖内在终止子，不依赖因子因子 依赖依赖因子的终止子因子的终止子终
14、止子的结构特征终止子的结构特征 发夹结构发夹结构 polyUpolyU序列序列 真正起终止作用的真正起终止作用的不是不是DNADNA序列，而是序列，而是转录生成的转录生成的RNARNA结构结构转录泡转录泡RNARNA的合成的合成 起始起始 延伸延伸 终止和释放终止和释放转录和翻译同时进行转录和翻译同时进行在原核生物中，转录、翻译以及在原核生物中，转录、翻译以及mRNAmRNA的降解通的降解通常是同时进行的。常是同时进行的。因为在原核生物中不存在核膜包裹的细胞核。因为在原核生物中不存在核膜包裹的细胞核。RNARNA的转录和多肽链的合成都是从的转录和多肽链的合成都是从5353，只要只要mRNAmR
15、NA的的55端合成后，即可开始翻译。端合成后，即可开始翻译。在原核生物中在原核生物中mRNAmRNA的寿命一般只有几分钟。的寿命一般只有几分钟。往往在往往在33端端mRNAmRNA的转录还没有最后结束，的转录还没有最后结束，55端端mRNAmRNA在完成多肽链的合成后，已经开始降解。在完成多肽链的合成后，已经开始降解。真核生物真核生物RNARNA的合成与加工的合成与加工真核生物真核生物RNARNA合成的特点合成的特点1 1：v 真核生物真核生物RNARNA的转录在细胞核内进行的转录在细胞核内进行v转录完成后需要运送到核外，因此寿命较转录完成后需要运送到核外，因此寿命较长长真核生物真核生物RNA
16、RNA合成的特点合成的特点2 2：v真核生物一个真核生物一个mRNAmRNA分子一般只含有一个基因分子一般只含有一个基因 v单顺反子单顺反子mRNAmRNAv原核生物中大多为多顺反子原核生物中大多为多顺反子mRNA mRNA 真核生物真核生物RNARNA合成的特点合成的特点3 3：v真核生物有几种真核生物有几种RNARNA聚合酶聚合酶 vRNARNA聚合酶聚合酶 除除5S rRNA5S rRNA以外的所有以外的所有rRNArRNAvRNARNA聚合酶聚合酶 mRNA mRNA前体（核不均一前体（核不均一RNARNA，hnRNA)hnRNA)vRNARNA聚合酶聚合酶 5SrRNA 5SrRNA
17、、tRNAtRNA、小核、小核RNARNA 真核生物真核生物RNARNA合成的特点合成的特点4 4：v真核生物真核生物RNARNA聚合酶不能独立转录聚合酶不能独立转录RNARNAv特定的基因需要特定的转录因子特定的基因需要特定的转录因子真核生物真核生物RNARNA合成的特点合成的特点5 5：v真核生物启动子结构复杂真核生物启动子结构复杂v不同的聚合酶使用的启动子不同不同的聚合酶使用的启动子不同v不同的启动子含有的保守序列不同不同的启动子含有的保守序列不同vRNARNA聚合酶聚合酶 的启动子结构最复杂的启动子结构最复杂真核生物启动子元件真核生物启动子元件真核生物真核生物RNARNA合成后的加工合
18、成后的加工 rRNArRNA转录后的甲基化转录后的甲基化mRNAmRNA转录后的加工转录后的加工v 加帽加帽当当mRNAmRNA合成到合成到30b30b时时在在55端加端加7 7甲基鸟嘌呤核苷甲基鸟嘌呤核苷5555v 加尾加尾转录完成后，在特定位置切去一节，转录完成后，在特定位置切去一节，加加polyApolyARNARNA末端腺苷酸转移酶末端腺苷酸转移酶v 帽子和尾巴对帽子和尾巴对mRNAmRNA的稳定性以及的稳定性以及运输具有重要作用运输具有重要作用v 剪接剪接 splicingsplicing成熟成熟mRNAmRNA与模板与模板DNADNA的比较的比较第第5节节 遗传密码和蛋白质的翻译遗
19、传密码和蛋白质的翻译遗传密遗传密码字典码字典遗传密码的主要特征遗传密码的主要特征v三联体密码三联体密码v密码子间无间隔，遗传密码的译读是连续的。密码子间无间隔，遗传密码的译读是连续的。v密码子间存在简并现象（密码子间存在简并现象（degeneracydegeneracy）v最后一个碱基具有灵活性最后一个碱基具有灵活性v包含起始密码子和终止密码子包含起始密码子和终止密码子 v遗传密码子的通用性：除极少数情况外遗传密码遗传密码子的通用性：除极少数情况外遗传密码从病毒到人类都是通用的从病毒到人类都是通用的蛋白质的合成蛋白质的合成v蛋白质的生物合成称为翻译蛋白质的生物合成称为翻译 translatio
20、ntranslationvmRNAmRNA携带从携带从DNADNA上转录的遗传密码附着在核糖上转录的遗传密码附着在核糖体上，由体上，由tRNAtRNA来运送来运送aaaa，按照，按照mRNAmRNA上的密码顺上的密码顺序，连接成多肽链，并进一步加工成有生物活序，连接成多肽链，并进一步加工成有生物活性的性的proteinprotein分子。分子。v合成蛋白质的原料是合成蛋白质的原料是2020种种aaaav核糖体是合成核糖体是合成proteinprotein的场所的场所v氨基酸的顺序由氨基酸的顺序由mRNAmRNA上的密码子决定上的密码子决定原核生物和真核生物核糖体比较原核生物和真核生物核糖体比较
21、tRNAtRNA的二维结构的二维结构tRNAtRNA的三维结构的三维结构氨酰氨酰tRNAtRNA合成酶合成酶aminoacyl tRNA aminoacyl tRNA synthetasesynthetaseAminoacyladenylic acidAminoacyladenylic acid腺苷酸化氨基酰腺苷酸化氨基酰翻译起始翻译起始多多肽肽链链的的延延伸伸多肽链的终止多肽链的终止终止密码子终止密码子 UAA UAG UGAUAA UAG UGA多肽链释放因子多肽链释放因子E.coli RF1 RF2E.coli RF1 RF2真核生物真核生物 eRFeRF多肽链末端加多肽链末端加H2OH
22、2O多肽链离开多肽链离开P P位位核糖体解体核糖体解体多聚核糖体多聚核糖体思考题：思考题：真核生物蛋白质合成的起始与原核生物真核生物蛋白质合成的起始与原核生物有何不同？有何不同？多肽链的加工多肽链的加工v刚刚合成的多肽链，很多不具有生物活性刚刚合成的多肽链，很多不具有生物活性v不同链的缔合不同链的缔合v共价修饰共价修饰v卷曲或折叠卷曲或折叠v成为具有立体结构、有生物活性的蛋白质成为具有立体结构、有生物活性的蛋白质v结构蛋白（作为细胞的组成部分）、功能蛋白结构蛋白（作为细胞的组成部分）、功能蛋白（如血红蛋白等）、酶（如血红蛋白等）、酶 血红蛋白的立体结构血红蛋白的立体结构中心法则中心法则 central dogmacentral dogma
