專題一DNA的生物合成

一、遺傳學(xué)的中心法則和反中心法則：

DNA通過復(fù)制將遺傳信息由親代傳遞給子代；通過轉(zhuǎn)錄和翻譯，將遺傳信息傳遞給蛋白質(zhì)分子，從而決定生物的表現(xiàn)型。DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯過程就構(gòu)成了遺傳學(xué)的中心法則。但在少數(shù)RNA病毒中，其遺傳信息貯存在RNA中。因此，在這些生物體中，遺傳信息的流向是RNA通過復(fù)制，將遺傳信息由親代傳遞給子代；通過反轉(zhuǎn)錄將遺傳信息傳遞給DNA，再由DNA通過轉(zhuǎn)錄和翻譯傳遞給蛋白質(zhì)，這種遺傳信息的流向就稱為反中心法則。二、DNA復(fù)制的特點1．半保留復(fù)制：DNA在復(fù)制時，以親代DNA的每一股作模板，合成完全相同的兩個雙鏈子代DNA，每個子代DNA中都含有一股親代DNA鏈，這種現(xiàn)象稱為DNA的半保留復(fù)制(semiconservativereplication)。DNA以半保留方式進行復(fù)制，是在1958年由M.Meselson和F.Stahl所完成的實驗所證明。

2．有一定的復(fù)制起始點：DNA在復(fù)制時，需在特定的位點起始，這是一些具有特定核苷酸排列順序的片段，即復(fù)制起始點。在原核生物中，復(fù)制起始點通常為一個，而在真核生物中則為多個。3．需要引物(primer)：DNA聚合酶必須以一段具有3'端自由羥基（3'-OH）的RNA作為引物，才能開始聚合子代DNA鏈。RNA引物的大小，在原核生物中通常為50～100個核苷酸，而在真核生物中約為10個核苷酸。

4．雙向復(fù)制：DNA復(fù)制時，以復(fù)制起始點為中心，向兩個方向進行復(fù)制。但在低等生物中，也可進行單向復(fù)制。

5．半不連續(xù)復(fù)制：由于DNA聚合酶只能以5'→3'方向聚合子代DNA鏈，因此兩條親代DNA鏈作為模板聚合子代DNA鏈時的方式是不同的。以3'→5'方向的親代DNA鏈作模板的子代鏈在聚合時基本上是連續(xù)進行的，這一條鏈被稱為領(lǐng)頭鏈(leadingstrand)。

而以5‘→3’方向的親代DNA鏈為模板的子代鏈在聚合時則是不連續(xù)的，這條鏈被稱為隨從鏈(laggingstrand)。DNA在復(fù)制時，由隨從鏈中先形成的一些子代DNA短鏈稱為岡崎片段(Okazakifragment)。岡崎片段的大小，在原核生物中約為1000～2000個核苷酸，而在真核生物中約為100個核苷酸。

5．半不連續(xù)復(fù)制：由于DNA聚合酶只能以5'→3'方向聚合子代DNA鏈，因此兩條親代DNA鏈作為模板聚合子代DNA鏈時的方式是不同的。以3'→5'方向的親代DNA鏈作模板的子代鏈在聚合時基本上是連續(xù)進行的，這一條鏈被稱為領(lǐng)頭鏈(leadingstrand)。而以5'→3'方向的親代DNA鏈為模板的子代鏈在聚合時則是不連續(xù)的，這條鏈被稱為隨從鏈(laggingstrand)。DNA在復(fù)制時，所形成的一些子代DNA短鏈稱為岡崎片段(Okazakifragment)。岡崎片段的大小，在原核生物中約為1000～2000個核苷酸，而在真核生物中約為100個核苷酸。

三、DNA復(fù)制的條件：1．底物：以四種脫氧核糖核酸(deoxynucleotidetriphosphate)為底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。

2．模板(template)：以親代DNA的兩股鏈解開后，分別作為模板進行復(fù)制。

3．引發(fā)體(primosome)和RNA引物(primer)：引發(fā)體由引發(fā)前體與引物酶（primase）組裝而成。引發(fā)前體是由若干蛋白因子聚合而成的復(fù)合體；引物酶本質(zhì)上是一種依賴DNA的RNA聚合酶（DDRP）。

4．DNA聚合酶（DNAdependentDNApolymerase,DDDP）：⑴種類和生理功能：在原核生物中，目前發(fā)現(xiàn)的DNA聚合酶有三種，分別命名為DNA聚合酶Ⅰ（polⅠ），DNA聚合酶Ⅱ（polⅡ），DNA聚合酶Ⅲ（polⅢ），這三種酶都屬于具有多種酶活性的多功能酶。polⅠ為單一肽鏈的大分子蛋白質(zhì)，具有5'→3'聚合酶活性、3'→5'外切酶活性和5'→3'外切酶的活性；其功能主要是去除引物、填補缺口以及修復(fù)損傷。polⅡ具有5'→3'聚合酶活性和3'→5'外切酶活性，其功能不明。polⅢ是由十種亞基組成的不對稱二聚體，具有5'→3'聚合酶活性和3'→5'外切酶活性，與DNA復(fù)制功能有關(guān)。

在真核生物中，目前發(fā)現(xiàn)的DNA聚合酶有五種。其中，參與染色體DNA復(fù)制的是polα（延長隨從鏈）和polδ（延長領(lǐng)頭鏈），參與線粒體DNA復(fù)制的是polγ，polε與DNA損傷修復(fù)、校讀和填補缺口有關(guān)，polβ只在其他聚合酶無活性時才發(fā)揮作用。

⑵DNA復(fù)制的保真性：為了保證遺傳的穩(wěn)定，DNA的復(fù)制必須具有高保真性。DNA復(fù)制時的保真性主要與下列因素有關(guān)：①遵守嚴格的堿基配對規(guī)律；②在復(fù)制時對堿基的正確選擇；③對復(fù)制過程中出現(xiàn)的錯誤及時進行校正。

5．DNA連接酶(DNAligase)：DNA連接酶可催化兩段DNA片段之間磷酸二酯鍵的形成，而使兩段DNA連接起來。該酶催化的條件是：①需一段DNA片段具有3'-OH，而另一段DNA片段具有5'-Pi基；②未封閉的缺口位于雙鏈DNA中，即其中有一條鏈是完整的；③需要消耗能量，在原核生物中由NAD+供能，在真核生物中由ATP供能。

6．單鏈DNA結(jié)合蛋白（singlestrandbindingprotein,SSB）：又稱螺旋反穩(wěn)蛋白（HDP）。這是一些能夠與單鏈DNA結(jié)合的蛋白質(zhì)因子。其作用為：①穩(wěn)定單鏈DNA，便于以其為模板復(fù)制子代DNA；②保護單鏈DNA，避免核酸酶的降解。7．解螺旋酶（unwindingenzyme）：又稱解鏈酶或rep蛋白，是用于解開DNA雙鏈的酶蛋白，每解開一對堿基，需消耗兩分子ATP。

8．拓撲異構(gòu)酶(topoisomerase)：拓撲異構(gòu)酶可將DNA雙鏈中的一條鏈或兩條鏈切斷，松開超螺旋后再將DNA鏈連接起來，從而避免出現(xiàn)鏈的纏繞。四、DNA生物合成過程：

1．復(fù)制的起始：

⑴預(yù)引發(fā)：①解旋解鏈，形成復(fù)制叉：由拓撲異構(gòu)酶和解鏈酶作用，使DNA的超螺旋及雙螺旋結(jié)構(gòu)解開，形成兩條單鏈DNA。單鏈DNA結(jié)合蛋白（SSB）結(jié)合在單鏈DNA上，形成復(fù)制叉。DNA復(fù)制時，局部雙螺旋解開形成兩條單鏈，這種叉狀結(jié)構(gòu)稱為復(fù)制叉。②引發(fā)體組裝：由引發(fā)前體蛋白因子識別復(fù)制起始點，并與引發(fā)酶一起組裝形成引發(fā)體。

⑵引發(fā)：在引發(fā)酶的催化下，以DNA鏈為模板，合成一段短的RNA引物。2．復(fù)制的延長：

⑴聚合子代DNA：由DNA聚合酶催化，以親代DNA鏈為模板，從5'→3'方向聚合子代DNA鏈。

⑵引發(fā)體移動：引發(fā)體向前移動，解開新的局部雙螺旋，形成新的復(fù)制叉，隨從鏈重新合成RNA引物，繼續(xù)進行鏈的延長。3．復(fù)制的終止：

⑴去除引物，填補缺口：RNA引物被水解，缺口由DNA鏈填補，直到剩下最后一個磷酸酯鍵的缺口。

⑵連接岡崎片段：在DNA連接酶的催化下，將岡崎片段連接起來，形成完整的DNA長鏈。

⑶真核生物端粒（telomere）的形成：端粒是指真核生物染色體線性DNA分子末端的結(jié)構(gòu)部分，通常膨大成粒狀。線性DNA在復(fù)制完成后，其末端由于引物RNA的水解而可能出現(xiàn)縮短。故需要在端粒酶（telomerase）的催化下，進行延長反應(yīng)。端粒酶是一種RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體，它可以其RNA為模板，通過逆轉(zhuǎn)錄過程對末端DNA鏈進行延長。五、DNA的損傷：

由自發(fā)的或環(huán)境的因素引起DNA一級結(jié)構(gòu)的任何異常的改變稱為DNA的損傷。常見的DNA的損傷包括堿基脫落、堿基修飾、交聯(lián)，鏈的斷裂，重組等。引起DNA損傷的因素有：1．自發(fā)因素：

(1)自發(fā)脫堿基：由于N-糖苷鍵的自發(fā)斷裂，引起嘌呤或嘧啶堿基的脫落。

(2)自發(fā)脫氨基：C自發(fā)脫氨基可生成U，A自發(fā)脫氨基可生成I。

(3)復(fù)制錯配：由于復(fù)制時堿基配對錯誤引起的損傷。2．物理因素：由紫外線、電離輻射、X射線等引起的DNA損傷。其中，X射線和電離輻射常常引起DNA鏈的斷裂，而紫外線常常引起嘧啶二聚體的形成，如TT，TC，CC等二聚體。3．化學(xué)因素：

(1)脫氨劑：如亞硝酸與亞硝酸鹽，可加速C脫氨基生成U，A脫氨基生成I。

(2)烷基化劑：這是一類帶有活性烷基的化合物，可提供甲基或其他烷基，引起堿基或磷酸基的烷基化，甚至可引起鄰近堿基的交聯(lián)。

(3)DNA加合劑：如苯并芘，在體內(nèi)代謝后生成四羥苯并芘，與嘌呤共價結(jié)合引起損傷。

(4)堿基類似物：如5-FU，6-MP等，可摻入到DNA分子中引起損傷或突變。

(5)斷鏈劑：如過氧化物，含巰基化合物等，可引起DNA鏈的斷裂。六、DNA突變的類型：

1．點突變：轉(zhuǎn)換——相同類型堿基的取代。顛換——不同類型堿基的取代。插入——增加一個堿基。缺失——減少一個堿基。

2．復(fù)突變：插入——增加一段順序。缺失——減少一段順序。倒位——一段堿基順序發(fā)生顛倒。易位——一段堿基順序的位置發(fā)生改變。重組——一段堿基順序與另一段堿基順序發(fā)生交換。

七、DNA突變的效應(yīng)：

1．同義突變：基因突變導(dǎo)致mRNA密碼子第三位堿基的改變但不引起密碼子意義的改變，其翻譯產(chǎn)物中的氨基酸殘基順序不變。

2．誤義突變：基因突變導(dǎo)致mRNA密碼子堿基被置換，其意義發(fā)生改變，翻譯產(chǎn)物中的氨基酸殘基順序發(fā)生改變。

3．無義突變：基因突變導(dǎo)致mRNA密碼子堿基被置換而改變成終止暗碼子，引起多肽鏈合成的終止。

4．移碼突變：基因突變導(dǎo)致mRNA密碼子堿基被置換，引起突變點之后的氨基酸殘基順序全部發(fā)生改變。八、DNA損傷的修復(fù)：

DNA損傷的修復(fù)方式可分為直接修復(fù)和取代修復(fù)兩大類。直接修復(fù)包括光復(fù)活、轉(zhuǎn)甲基作用和直接連接作用，均屬于無差錯修復(fù)。取代修復(fù)包括切除修復(fù)、重組修復(fù)和SOS修復(fù)，后二者屬于有差錯傾向修復(fù)。1．光復(fù)活：由光復(fù)活酶識別嘧啶二聚體并與之結(jié)合形成復(fù)合物，在可見光照射下，酶獲得能量，將嘧啶二聚體的丁酰環(huán)打開，使之完全修復(fù)。

2．轉(zhuǎn)甲基作用：在轉(zhuǎn)甲基酶的催化下，將DNA上的被修飾的甲基去除。此時，轉(zhuǎn)甲基酶自身被甲基化而失活。3．直接連接：DNA斷裂形成的缺口，可以在DNA連接酶的催化下，直接進行連接而封閉缺口。

4．切除修復(fù)：這種修復(fù)機制可適用于多種DNA損傷的修復(fù)。該修復(fù)機制可以分別由兩種不同的酶來發(fā)動，一種是核酸內(nèi)切酶，另一種是DNA糖苷酶。①特異性的核酸內(nèi)切酶（如原核中的UvrA、UvrB和UvrC）或DNA糖苷酶識別DNA受損傷的部位，并在該部位的5'端作一切口；②由核酸外切酶（或DNA聚合酶Ⅰ）從5'→3'端逐一切除損傷的單鏈；③在DNA聚合酶的催化下，以互補鏈為模板，合成新的單鏈片段以填補缺口；④由DNA連接酶催化連接片段，封閉缺口。5．重組修復(fù)：①DNA復(fù)制時，損傷部位導(dǎo)致子鏈DNA合成障礙，形成空缺；②此空缺誘導(dǎo)產(chǎn)生重組酶（重組蛋白RecA），該酶與空缺區(qū)結(jié)合，并催化子鏈空缺與對側(cè)親鏈進行重組交換；③對側(cè)親鏈產(chǎn)生的空缺以互補的子鏈為模板，在DNA聚合酶和連接酶的催化下，重新修復(fù)缺口；④親鏈上的損傷部位繼續(xù)保留或以切除修復(fù)方式加以修復(fù)。

6．SOS修復(fù)：這是一種在DNA分子受到較大范圍損傷并且使復(fù)制受到抑制時出現(xiàn)的修復(fù)機制，以SOS借喻細胞處于危急狀態(tài)。

專題二RNA的生物合成

一、RNA轉(zhuǎn)錄合成的特點：

在RNA聚合酶的催化下，以一段DNA鏈為模板合成RNA，從而將DNA所攜帶的遺傳信息傳遞給RNA的過程稱為轉(zhuǎn)錄。經(jīng)轉(zhuǎn)錄生成的RNA有多種，主要的是rRNA，tRNA，mRNA，snRNA和HnRNA。

1．轉(zhuǎn)錄的不對稱性：指以雙鏈DNA中的一條鏈作為模板進行轉(zhuǎn)錄，從而將遺傳信息由DNA傳遞給RNA。對于不同的基因來說，其轉(zhuǎn)錄信息可以存在于兩條不同的DNA鏈上。能夠轉(zhuǎn)錄RNA的那條DNA鏈稱為反意義鏈（模板鏈），而與之互補的另一條DNA鏈稱為有意義鏈（編碼鏈）。2．轉(zhuǎn)錄的連續(xù)性：RNA轉(zhuǎn)錄合成時，在RNA聚合酶的催化下，連續(xù)合成一段RNA鏈，各條RNA鏈之間無需再進行連接。

3．轉(zhuǎn)錄的單向性：RNA轉(zhuǎn)錄合成時，只能向一個方向進行聚合，RNA鏈的合成方向為5'→3'。

4．有特定的起始和終止位點：RNA轉(zhuǎn)錄合成時，只能以DNA分子中的某一段作為模板，故存在特定的起始位點和特定的終止位點。二、RNA轉(zhuǎn)錄合成的條件：1．底物：四種核糖核苷酸，即ATP，GTP，CTP，UTP。

2．模板：以一段單鏈DNA作為模板。

3．RNA聚合酶（DDRP）：RNA聚合酶在單鏈DNA模板以及四種核糖核苷酸存在的條件下，不需要引物，即可從5'→3'聚合RNA。

原核生物中的RNA聚合酶全酶由五個亞基構(gòu)成，即α2ββ'σ。σ亞基與轉(zhuǎn)錄起始點的識別有關(guān)，而在轉(zhuǎn)錄合成開始后被釋放，余下的部分（α2ββ'）被稱為核心酶，與RNA鏈的聚合有關(guān)。

真核生物中的RNA聚合酶分為三種：RNApolⅠ存在于核仁，對α-鵝膏蕈堿不敏感，用于合成rRNA前體；RNApolⅡ存在于核基質(zhì)，對α-鵝膏蕈堿極敏感，用于合成HnRNA；RNApolⅢ存在于核基質(zhì)，對α-鵝膏蕈堿敏感，用于合成tRNA前體、snRNA及5SrRNA。4．終止因子ρ蛋白：這是一種六聚體的蛋白質(zhì)，能識別終止信號，并能與RNA緊密結(jié)合，導(dǎo)致RNA的釋放。

5．激活因子：降解產(chǎn)物基因激活蛋白（CAP），又稱為cAMP受體蛋白（CRP），是一種二聚體蛋白質(zhì)。該蛋白與cAMP結(jié)合后，刺激RNA聚合酶與起始部位結(jié)合，從而起始轉(zhuǎn)錄過程。三、RNA轉(zhuǎn)錄合成的基本過程：1．識別：RNA聚合酶中的σ因子識別轉(zhuǎn)錄起始點，并促使核心酶結(jié)合形成全酶復(fù)合物。

位于基因上游，與RNA聚合酶識別、結(jié)合并起始轉(zhuǎn)錄有關(guān)的一些DNA順序稱為啟動子。在原核生物中的啟動子通常長約60bp，存在兩段帶共性的順序，即5'-TTGACA-3'和5'-TATAATG-3'，其中富含TA的順序被稱為Pribnow盒。真核生物的啟動子中也存在一段富含TA的順序，被稱為Hogness盒或TATA盒。2．起始：RNA聚合酶全酶促使局部雙鏈解開，并催化ATP或GTP與另外一個三磷酸核苷聚合，形成第一個3',5'-磷酸二酯鍵。

3．延長：σ因子從全酶上脫離，余下的核心酶繼續(xù)沿DNA鏈移動，按照堿基互補原則，不斷聚合RNA。4．終止：RNA轉(zhuǎn)錄合成的終止機制有兩種。

⑴自動終止：模板DNA鏈在接近轉(zhuǎn)錄終止點處存在相連的富含GC的區(qū)域，使RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物形成寡聚U及發(fā)夾形的二級結(jié)構(gòu)，引起RNA聚合酶變構(gòu)及移動停止，導(dǎo)致RNA轉(zhuǎn)錄的終止。

⑵依賴輔助因子的終止：由終止因子（ρ蛋白）識別特異的終止信號，并促使RNA的釋放。四、真核生物RNA轉(zhuǎn)錄后的加工修飾：1．mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工：

⑴加帽：即在mRNA的5'-端加上m7GTP的結(jié)構(gòu)。此過程發(fā)生在細胞核內(nèi)，即對HnRNA進行加帽。加工過程首先是在磷酸酶的作用下，將5'-端的磷酸基水解，然后再加上鳥苷三磷酸，形成GpppN的結(jié)構(gòu)，再對G進行甲基化。

⑵加尾：這一過程也是細胞核內(nèi)完成，首先由核酸外切酶切去3'-端一些過剩的核苷酸，然后再加入polyA。

⑶剪接：真核生物中的結(jié)構(gòu)基因基本上都是斷裂基因。結(jié)構(gòu)基因中能夠指導(dǎo)多肽鏈合成的編碼順序被稱為外顯子，而不能指導(dǎo)多肽鏈合成的非編碼順序就被稱為內(nèi)含子。真核生物HnRNA的剪接一般需snRNA參與構(gòu)成的核蛋白體參加，通過形成套索狀結(jié)構(gòu)而將內(nèi)含子切除掉。

⑷內(nèi)部甲基化：由甲基化酶催化，對某些堿基進行甲基化處理。

2．tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工：主要加工方式是切斷和堿基修飾。

3．rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工：主要加工方式是切斷。

專題三蛋白質(zhì)的生物合成一、蛋白質(zhì)生物合成體系：

生物體內(nèi)的各種蛋白質(zhì)都是生物體利用約20種氨基酸為原料自行合成的。蛋白質(zhì)的生物合成過程，就是將DNA傳遞給mRNA，再具體的解譯為蛋白質(zhì)中氨基酸排列順序的過程，這一過程被稱為翻譯（translation)。參與蛋白質(zhì)生物合成的各種因素構(gòu)成了蛋白質(zhì)合成體系，該體系包括：

1.mRNA：作為指導(dǎo)蛋白質(zhì)生物合成的模板。

mRNA中每三個相鄰的核苷酸組成三聯(lián)體，代表一個氨基酸的信息，此三聯(lián)體就稱為密碼。共有64種不同的密碼。遺傳密碼具有以下特點：171①連續(xù)性；②簡并性；③通用性；④方向性；⑤擺動性；⑥起始密碼：AUG；終止密碼：UAA、UAG、UGA。翻譯是指以mＲＮＡ為模板，合成具有一定氨基酸順序的蛋白質(zhì)的過程．遺傳密碼即密碼子，特點為：

１遺傳密碼是三聯(lián)體密碼每一個密碼子是由３個核苷酸構(gòu)成，它特異地編碼多肽鏈中的一個氨基酸．

２遺傳密碼無逗號。即密碼子之間沒有空格，閱讀時是連續(xù)的，一次閱讀３個核苷酸，也不能跳過任何信使的核苷酸．

一類由蛋白質(zhì)和核酸結(jié)合而成的復(fù)合蛋白質(zhì)。３遺傳密碼是不重迭的。閱讀時是以密碼子為單位，連續(xù)閱讀。即每個核苷酸三聯(lián)體相對獨立且在密碼子之間沒有空格。這樣任何核苷酸順序都可能以三種方式分成不同的密碼子，也就是說有三種讀框。蛋白合成所用的閱讀框架決定于起始密碼子的位置，偶爾在翻譯過程中也有讀框的改變移碼突變在基因組序列資料中，潛在的基因往往是根據(jù)開放閱讀框體;而定義也就是不間斷的有義密碼子的長序列，因為錯誤的閱讀框架往往含有一個或多個終止密碼子．

核蛋白體循環(huán)的過程是：啟動階段－－－肽鏈延長階段－－－－終止階段2.tRNA：在氨基酸t(yī)RNA合成酶催化下，特定的tRNA可與相應(yīng)的氨基酸結(jié)合，生成氨基酰tRNA，從而攜帶氨基酸參與蛋白質(zhì)的生物合成。

tRNA反密碼環(huán)中部的三個核苷酸構(gòu)成三聯(lián)體，可以識別mRNA上相應(yīng)的密碼，此三聯(lián)體就稱為反密碼。反密碼對密碼的識別，通常也是根據(jù)堿基互補原則，即A—U，G—C配對。這種配對稱為不穩(wěn)定配對。

能夠識別mRNA中5′端起動密碼AUG的tRNA稱為起動tRNA。在原核生物中，起動tRNA是tRNAfmet甲酰蛋氨酰；而在真核生物中，起動tRNA是tRNAmet。

3．rRNA和核蛋白體：原核生物中的核蛋白體大小為70S，可分為30S小亞基和50S大亞基。真核生物中的核蛋白體大小為80S，也分為40S小亞基和60S大亞基。核蛋白體的大、小亞基分別有不同的功能：

⑴小亞基：可與mRNA、GTP和起動tRNA結(jié)合。

⑵大亞基：①具有兩個不同的tRNA結(jié)合點。A位——受位或氨酰基位，可與新進入的氨基酰tRNA結(jié)合；P位——給位或肽?；?，可與延伸中的肽?；鵷RNA結(jié)合。②具有轉(zhuǎn)肽酶活性。在蛋白質(zhì)生物合成過程中，常常由若干核蛋白體結(jié)合在同一mRNA分子上，同時進行翻譯。由若干核蛋白體結(jié)合在一條mRNA上同時進行多肽鏈的翻譯所形成的念球狀結(jié)構(gòu)稱為多核蛋白體。

4．起動因子（IF）：這是一些與多肽鏈合成起動有關(guān)的蛋白因子。原核生物中存在3種起動因子，分別稱為IF1-3。在真核生物中存在9種起動因子（eIF）。其作用主要是促進核蛋白體小亞基與起動tRNA及模板mRNA結(jié)合。5．延長因子（EF）：原核生物中存在3種延長因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生物中存在2種（EF1，EF2）。其作用主要促使氨基酰tRNA進入核蛋白的受體，并可促進移位過程。

6．釋放因子（RF）：原核生物中有4種，在真核生物中只有1種。其主要作用是識別終止密碼，協(xié)助多肽鏈的釋放。7．氨基酰tRNA合成酶：該酶存在于胞液中，與特異氨基酸的活化以及氨基酰tRNA的合成有關(guān)。每種氨基酰tRNA合成酶對相應(yīng)氨基酸以及攜帶氨基酸的數(shù)種tRNA具有高度特異性。二、蛋白質(zhì)生物合成過程：

1．氨基酸的活化與搬運：氨基酸的活化以及活化氨基酸與tRNA的結(jié)合，均由氨基酰tRNA合成酶催化完成。反應(yīng)完成后，特異的tRNA3’端CCA上的2’或3’位自由羥基與相應(yīng)的活化氨基酸以酯鍵相連接，形成氨基酰tRNA。2．活化氨基酸的縮合——核蛋白體循環(huán)：活化氨基酸在核蛋白體上反復(fù)翻譯mRNA上的密碼并縮合生成多肽鏈的循環(huán)反應(yīng)過程，稱為核蛋白體循環(huán)。核蛋白體循環(huán)過程可分為三個階段：

⑴起動階段：①30S起動復(fù)合物的形成。在IF促進下，30S小亞基與mRNA的起動部位，起動tRNA（tRNAfmet），和GTP結(jié)合，形成復(fù)合體。②70S起動前復(fù)合體的形成。IF3從30S起動復(fù)合體上脫落，50S大亞基與復(fù)合體結(jié)合，形成70S起動前復(fù)合體。③70S起動復(fù)合體的形成。GTP被水解，IF1和IF2從復(fù)合物上脫落。

⑵肽鏈延長階段：①進位：與mRNA下一個密碼相對應(yīng)的氨基酰tRNA進入核蛋白體的受位。此步驟需GTP，Mg2+，和EF參與。②成肽：在轉(zhuǎn)肽酶的催化下，將給位上的tRNA所攜帶的甲酰蛋氨?；螂孽；D(zhuǎn)移到受位上的氨基酰tRNA上，與其α-氨基縮合形成肽鍵。給位上已失去蛋氨?；螂孽；膖RNA從核蛋白上脫落。③移位：核蛋白體向mRNA的3'-端滑動相當(dāng)于一個密碼的距離，同時使肽?；鵷RNA從受體移到給位。此步驟需EF（EFG）、GTP和Mg2+參與。此時，核蛋白體的受位留空，與下一個密碼相對應(yīng)的氨基酰tRNA即可再進入，重復(fù)以上循環(huán)過程，使多肽鏈不斷延長。⑶肽鏈終止階段：核蛋白體沿mRNA鏈滑動，不斷使多肽鏈延長，直到終止信號進入受位。①識別：RF識別終止密碼，進入核蛋白體的受位。②水解：RF使轉(zhuǎn)肽酶變?yōu)樗饷?，多肽鏈與tRNA之間的酯鍵被水解，多肽鏈釋放。③解離：通過水解GTP，使核蛋白體與mRNA分離，tRNA、RF脫落，核蛋白體解離為大、小亞基。

三、多肽鏈合成后的加工修飾：

1．一級結(jié)構(gòu)的加工修飾：

⑴N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：N端甲酰蛋氨酸是多肽鏈合成的起始氨基酸，必須在多肽鏈折迭成一定的空間結(jié)構(gòu)之前被切除。其過程是：①去甲酰化；②去蛋氨?；?。

⑵氨基酸的修飾：由專一性的酶催化進行修飾，包括糖基化、羥基化、磷酸化、甲?；?。

⑶二硫鍵的形成：由專一性的氧化酶催化，將-SH氧化為-S-S-。

⑷肽段的切除：由專一性的蛋白酶催化，將部分肽段切除。

2．高級結(jié)構(gòu)的形成：

⑴構(gòu)象的形成：在分子內(nèi)伴侶、輔助酶及分子伴侶的協(xié)助下，形成特定的空間構(gòu)象。

⑵亞基的聚合。

⑶輔基的連接。3．靶向輸送：蛋白質(zhì)合成后，定向地被輸送到其執(zhí)行功能的場所稱為靶向輸送。大多數(shù)情況下，被輸送的蛋白質(zhì)分子需穿過膜性結(jié)構(gòu)，才能到達特定的地點。因此，在這些蛋白質(zhì)分子的氨基端，一般都帶有一段疏水的肽段，稱為信號肽。分泌型蛋白質(zhì)的定向輸送，就是靠信號肽與胞漿中的信號肽識別粒子（SRP）識別并特異結(jié)合，然后再通過SRP與膜上的對接蛋白（DP）識別并結(jié)合后，將所攜帶的蛋白質(zhì)送出細胞。

第十三章基因表達調(diào)控

一、基因表達調(diào)控基本概念與原理：

1．基因表達的概念：基因表達（geneexpression）就是指在一定調(diào)節(jié)因素的作用下，DNA分子上特定的基因被激活并轉(zhuǎn)錄生成特定的RNA，或由此引起特異性蛋白質(zhì)合成的過程。2．基因表達的時間性及空間性：⑴時間特異性：基因表達的時間特異性(temporalspecificity)是指特定基因的表達嚴格按照特定的時間順序發(fā)生，以適應(yīng)細胞或個體特定分化、發(fā)育階段的需要。故又稱為階段特異性。

⑵空間特異性：基因表達的空間特異性（spatialspecificity）是指多細胞生物個體在某一特定生長發(fā)育階段，同一基因的表達在不同的細胞或組織器官不同，從而導(dǎo)致特異性的蛋白質(zhì)分布于不同的細胞或組織器官。故又稱為細胞特異性或組織特異性。

3．基因表達的方式：

⑴組成性表達：組成性基因表達（constitutivegeneexpression）是指在個體發(fā)育的任一階段都能在大多數(shù)細胞中持續(xù)進行的基因表達。其基因表達產(chǎn)物通常是對生命過程必需的或必不可少的，且較少受環(huán)境因素的影響。這類基因通常被稱為管家基因（housekeepinggene）。

⑵誘導(dǎo)和阻遏表達：誘導(dǎo)表達（induction）是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被激活，從而使基因的表達產(chǎn)物增加。這類基因稱為可誘導(dǎo)基因。阻遏表達（repression）是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被抑制，從而使基因的表達產(chǎn)物減少。這類基因稱為可阻遏基因。

4．基因表達的生物學(xué)意義：①適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖。②維持個體發(fā)育與分化。

5．基因表達調(diào)控的基本原理：

⑴基因表達的多級調(diào)控：基因表達調(diào)控可見于從基因激活到蛋白質(zhì)生物合成的各個階段，因此基因表達的調(diào)控可分為轉(zhuǎn)錄水平（基因激活及轉(zhuǎn)錄起始），轉(zhuǎn)錄后水平（加工及轉(zhuǎn)運），翻譯水平及翻譯后水平，但以轉(zhuǎn)錄水平的基因表達調(diào)控最重要。

⑵基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素：①順式作用元件：順式作用元件（cis-actingelement）又稱分子內(nèi)作用元件，指存在于DNA分子上的一些與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的特殊順序。②反式作用因子：反式作用因子（trans-actingfactor）又稱為分子間作用因子，指一些與基因表達調(diào)控有關(guān)的蛋白質(zhì)因子。反式作用因子與順式作用元件之間的共同作用，才能夠達到對特定基因進行調(diào)控的目的。③順式作用元件與反式作用因子之間的相互作用：大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白在與DNA結(jié)合之前，需先通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體或多聚體，然后再通過識別特定的順式作用元件，而與DNA分子結(jié)合。這種結(jié)合通常是非共價鍵結(jié)合。二、操縱子的結(jié)構(gòu)與功能：

在原核生物中，若干結(jié)構(gòu)基因可串聯(lián)在一起，其表達受到同一調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控，這種基因的組織形式稱為操縱子。典型的操縱子可分為控制區(qū)和信息區(qū)兩部分。信息區(qū)由一個或數(shù)個結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起組成；控制區(qū)通常由調(diào)節(jié)基因（阻抑蛋白編碼基因）、啟動基因（CRP和RNA聚合酶結(jié)合區(qū)）和操縱基因（阻抑蛋白結(jié)合位點）構(gòu)成。

1．原核生物乳糖操縱子：

原核生物乳糖操縱子(Lacoperon)的控制區(qū)包括調(diào)節(jié)基因，啟動基因（其CRP結(jié)合位點位于RNA聚合酶結(jié)合位點上游）和操縱基因；其信息區(qū)由β-半乳糖苷酶基因（lacZ），通透酶基因（lacY）和乙?；富颍╨acA）串聯(lián)在一起構(gòu)成。當(dāng)培養(yǎng)基中乳糖濃度升高而葡萄糖濃度降低時，乳糖作為誘導(dǎo)劑與阻抑蛋白結(jié)合，促使阻抑蛋白與操縱基因分離；另一方面，細胞中cAMP濃度升高，cAMP與CRP結(jié)合并使之激活，CRP與啟動基因結(jié)合并促使RNA聚合酶與啟動基因結(jié)合，基因轉(zhuǎn)錄激活。2．原核生物色氨酸操縱子：

色氨酸操縱子（trpoperon）屬于阻遏型操縱子，主要調(diào)控一系列用于色氨酸合成代謝的酶蛋白的轉(zhuǎn)錄合成。色氨酸操縱子通常處于開放狀態(tài)，其輔阻遏蛋白不能與操縱基因結(jié)合而阻遏轉(zhuǎn)錄。而當(dāng)色氨酸合成過多時，色氨酸作為輔阻遏物與輔阻遏蛋白結(jié)合而形成阻遏蛋白，后者與操縱基因結(jié)合而使基因轉(zhuǎn)錄關(guān)閉。色氨酸操縱子的調(diào)控還涉及轉(zhuǎn)錄衰減(attenuation)機制。即在色氨酸操縱子第一個結(jié)構(gòu)基因與啟動基因之間存在有一衰減區(qū)域，當(dāng)細胞內(nèi)色氨酸酸濃度很高時，通過與轉(zhuǎn)錄相偶聯(lián)的翻譯過程，形成一個衰減子結(jié)構(gòu)，使RNA聚合酶從DNA上脫落，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄終止。

3．原核生物轉(zhuǎn)錄的整體調(diào)控模式：

由成群的操縱子組成的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)稱為調(diào)節(jié)子。通過組成調(diào)節(jié)子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，對若干操縱子及若干蛋白質(zhì)的合成進行協(xié)同調(diào)控，從而達到整體調(diào)控的目的。典型的整體調(diào)控模式是SOS反應(yīng)，這是由一組與DNA損傷修復(fù)有關(guān)的酶和蛋白質(zhì)基因組成。在正常情況下，這些基因均被LexA阻遏蛋白封閉。當(dāng)有紫外線照射時，細菌體內(nèi)的RecA蛋白水解酶被激活，催化LexA阻遏蛋白裂解失活，從而導(dǎo)致與DNA損傷修復(fù)有關(guān)的基因表達。

三、真核基因組結(jié)構(gòu)特點：

1．轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子：真核基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物一般是單順反子（mono-cistron），即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA分子，并指導(dǎo)翻譯一條多肽鏈。

2．大量重復(fù)序列：真核基因組中含大量的重復(fù)序列，這些重復(fù)序列大部分是沒有特定生物學(xué)功能的DNA片段，可占整個基因組DNA的90%。根據(jù)重復(fù)頻率可將其分為高度重復(fù)序列、中度重復(fù)序列和單拷貝序列。

3．?dāng)嗔鸦颍赫婧松镏械幕蚓哂胁贿B續(xù)性，即一個基因的編碼序列往往被一些非編碼序列分隔開?；蛑心軌蜣D(zhuǎn)錄并進一步編碼多肽鏈合成的部分稱為外顯子（exon），而在轉(zhuǎn)錄后會被剪除的部分則稱為內(nèi)含子（intron）。

三、真核基因表達調(diào)控的特點：

1．RNA聚合酶活性受轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控：真核生物中存在RNApolⅠ、Ⅱ、Ⅲ三種不同的RNA聚合酶，分別負責(zé)轉(zhuǎn)錄不同的RNA。這些RNA聚合酶與相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子形成復(fù)合體，從而激活或抑制該酶的催化活性。

2．染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變參與基因表達的調(diào)控：真核生物DNA與組蛋白結(jié)合并形成核小體的結(jié)構(gòu)，再進一步形成染色質(zhì)。當(dāng)真核基因被激活時，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生改變。主要的改變有：

⑴單鏈DNA形成：基因被激活后，雙鏈DNA解開成單鏈以利于轉(zhuǎn)錄，從而形成一些對DNAaseⅠ的超敏位點。

⑵DNA拓樸結(jié)構(gòu)改變：天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構(gòu)象存在，當(dāng)基因激活后，則轉(zhuǎn)錄區(qū)前方的DNA拓樸結(jié)構(gòu)變?yōu)檎猿菪Ｕ猿菪勺璧K核小體形成，并促進組蛋白解聚。

⑶核小體不穩(wěn)定性增加：由于組蛋白修飾狀態(tài)改變，巰基暴露等原因而引起核小體結(jié)構(gòu)改變。4．正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)：真核基因一般都處于阻遏狀態(tài)，RNA聚合酶對啟動子的親和力很低。通過利用各種轉(zhuǎn)錄因子正性激活RNA聚合酶是真核基因調(diào)控的主要機制。

5．轉(zhuǎn)錄和翻譯過程分別進行：轉(zhuǎn)錄與翻譯過程分別存在于不同的亞細胞部位，可分別進行調(diào)控。

6．轉(zhuǎn)錄后加工修飾過程復(fù)雜：特別是mRNA，轉(zhuǎn)錄后僅形成其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物——HnRNA，然后再經(jīng)剪接、加帽、加尾等加工修飾，才能轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓膍RNA。四、真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件及激活機制：1．順式作用元件（分子內(nèi)作用元件）：

⑴啟動子：存在于結(jié)構(gòu)基因上游，與基因轉(zhuǎn)錄啟動有關(guān)的一段特殊DNA順序稱為啟動子。與原核生物類似，也含有一段富含TATA的順序，稱為TATA盒。除此之外，還可見CAAT盒和GC盒。

⑵增強子：位于結(jié)構(gòu)基因附近，能夠增強該基因轉(zhuǎn)錄活性的一段DNA順序稱為增強子。增強子的特點是：①在轉(zhuǎn)錄起始點5’或3’側(cè)均能起作用；②相對于啟動子的任一指向均能起作用；③發(fā)揮作用與受控基因的遠近距離相對無關(guān)；④對異源性啟動子也能發(fā)揮作用；⑤通常具有一些短的重復(fù)順序。

⑶沉默子：能夠?qū)蜣D(zhuǎn)錄起阻遏作用的DNA片段，屬于負性調(diào)控元件。2．反式作用因子（分子間作用因子）：真核生物反式作用因子通常屬于轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactor，TF）。

(1)轉(zhuǎn)錄因子的種類：①非特異性轉(zhuǎn)錄因子（基本轉(zhuǎn)錄因子）：非選擇性調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄表達的蛋白質(zhì)因子稱為非特異性轉(zhuǎn)錄因子。真核生物中存在的三種RNA聚合酶分別有相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子，即TFⅠ，TFⅡ，TFⅢ。其中，TFⅡ一共有六種亞類。TFⅡD是唯一能識別啟動子TATA盒并與之結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子，而TFⅡB則可促進聚合酶Ⅱ與啟動子的結(jié)合。②特異性轉(zhuǎn)錄因子：能夠選擇性調(diào)控某種或某些基因轉(zhuǎn)錄表達的蛋白質(zhì)因子稱為特異性轉(zhuǎn)錄因子。目前較清楚的是調(diào)控免疫球蛋白基因表達的核內(nèi)蛋白質(zhì)因子（NF）。(2)轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)：反式作用因子至少含有三個功能域，即DNA結(jié)合功能域，轉(zhuǎn)錄活性功能域和其它轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合功能域。DNA結(jié)合功能域帶共性的結(jié)構(gòu)主要有：①HTH和HLH結(jié)構(gòu)：由兩段α-螺旋夾一段β-折迭構(gòu)成，α-螺旋與β-折迭之間通過β-轉(zhuǎn)角或成環(huán)連接，即螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)和螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)。②鋅指結(jié)構(gòu)：見于TFⅢA和類固醇激素受體中，由一段富含半胱氨酸的多肽鏈構(gòu)成。每四個半光氨酸殘基或His殘基螯合一分子Zn2+，其余約12-13個殘基則呈指樣突出，剛好能嵌入DNA雙螺旋的大溝中而與之相結(jié)合。③亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)：見于真核生物DNA結(jié)合蛋白的C端，與癌基因表達調(diào)控有關(guān)。由兩段α-螺旋平行排列構(gòu)成，其α-螺旋中存在每隔7個殘基規(guī)律性排列的Leu殘基，Leu側(cè)鏈交替排列而呈拉鏈狀。兩條肽鏈呈鉗狀與DNA相結(jié)合。

⑶轉(zhuǎn)錄因子的作用特點：①同一DNA順式作用元件可被不同的轉(zhuǎn)錄因子所識別；②同一轉(zhuǎn)錄因子也可識別不同的DNA順式作用元件；③TF與TF之間存在相互作用；④當(dāng)TF與TF，TF與DNA結(jié)合時，可導(dǎo)致構(gòu)象改變；⑤TF在合成過程中，有較大的可變性和可塑性。

3．轉(zhuǎn)錄激活及其調(diào)控：真核RNA聚合酶Ⅱ的激活需要依賴多種轉(zhuǎn)錄因子，并與之形成復(fù)合體。其過程首先是由TFⅡD識別啟動子序列并與之結(jié)合；繼而RNA聚合酶Ⅱ與TFⅡD、B等聚合形成一個功能性的前起始復(fù)合體——PIC；最后，結(jié)合了增強子的轉(zhuǎn)錄因子與前起始復(fù)合體結(jié)合，從而形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體。

第十四章基因重組和基因工程

一、自然界的基因轉(zhuǎn)移和重組：

基因重組(generecombination)是指DNA片段在細胞內(nèi)、細胞間，甚至在不同物種之間進行交換，交換后的片段仍然具有復(fù)制和表達的功能。

1．接合作用：當(dāng)細胞與細胞相互接觸時，DNA分子即從一個細胞向另一個細胞轉(zhuǎn)移，這種遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)移方式稱為接合作用（conjugation）。

2．轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)染：由外來DNA引起生物體遺傳性狀改變的過程稱為轉(zhuǎn)化(transformation)。噬菌體常?？筛腥炯毦⑵銬NA注入細菌體內(nèi)，也可引起細菌遺傳性狀的改變。通過感染方式將外來DNA引入宿主細胞，并導(dǎo)致宿主細胞遺傳性狀改變的過程稱為轉(zhuǎn)染(transfection)。轉(zhuǎn)染是轉(zhuǎn)化的一種特殊形式。3．整合和轉(zhuǎn)導(dǎo):外來DNA侵入宿主細胞，并與宿主細胞DNA進行重組，成為宿主細胞DNA的一部分，這一過程稱為整合。整合在宿主細胞染色體DNA中的外來DNA，可以被切離出來，同時也可帶走一部分的宿主DNA，這一過程稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)(transduction)。來源于宿主DNA的基因稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)基因。4．轉(zhuǎn)座：轉(zhuǎn)座又稱為轉(zhuǎn)位（transposition），是指DNA的片段或基因從基因組的一個位置轉(zhuǎn)移到另一個位

置的現(xiàn)象。這些能夠在基因組中自由游動的DNA片段包括插入序列和轉(zhuǎn)座子兩種類型。

⑴插入序列：典型的插入序列（insertionsequence，IS）是長750-1500bp的DNA片段，由兩個分離的反向重復(fù)序列和一個轉(zhuǎn)座酶基因。當(dāng)轉(zhuǎn)座酶基因表達時，即可引起該序列的轉(zhuǎn)座。其轉(zhuǎn)座方式主要有保守性轉(zhuǎn)座和復(fù)制性轉(zhuǎn)座。⑵轉(zhuǎn)座子：轉(zhuǎn)座子(transposons)是可從一個染色體位點轉(zhuǎn)移到另一個位點的分散的重復(fù)序列，含兩個反向重復(fù)序列、一個轉(zhuǎn)座酶基因和其他基因（如抗生素抗性基因）。

免疫球蛋白重鏈基因由一組可變區(qū)基因（VH）和一組恒定區(qū)基因（CH）構(gòu)成，通過這些基因的選擇性轉(zhuǎn)座和重組，就可以轉(zhuǎn)錄表達出各種各樣的免疫球蛋白重鏈，以對付不同的抗原。5．基因重組的方式：

⑴位點特異性重組：在整合酶的催化下，兩段DNA序列的特異的位點處發(fā)生整合并共價連接，稱為位點特異性重組。

⑵同源重組：發(fā)生在同源DNA序列之間的重組稱為同源重組(homologousrecombination)。這種重組方式要求兩段DNA序列類似，并在特定的重組蛋白或酶的作用下完成。

二、重組DNA技術(shù)：

重組DNA技術(shù)又稱為基因工程（geneticengineering）或分子克隆(molecularcloning)，是指采用人工方法將不同來源的DNA進行重組，并將重組后的DNA引入宿主細胞中進行增殖或表達的過程。1．載體和目的基因的分離（分）：對載體DNA和目的基因分別進行分離純化，得到其純品。

⑴載體：常用的載體(vector)主要包括質(zhì)粒(plasmid)、噬菌體(phage)和病毒(virus)三大類。這些載體均需經(jīng)人工構(gòu)建，除去致病基因，并賦予一些新的功能，如有利于進行篩選的標志基因、單一的限制酶切點等①質(zhì)粒：是存在于天然細菌