1、第十一章 遺傳信息的傳遞與表達(dá) DNA的生物合成 (復(fù)制),(DNA Biosynthesis，Replication),復(fù)制是指以親代DNA為模板合成子鏈DNA的過程。,(Basic Rules and System of DNA Replication ),第一節(jié) 復(fù)制基本規(guī)律與體系,一、復(fù)制的基本規(guī)律,(一)半保留復(fù)制,1.概念 DNA合成時(shí)，以親代DNA解開的兩股單鏈為模板，按堿基配對規(guī)律，合成子代DNA的過程。子代DNA，一股單鏈來源于親代，另一股單鏈為新合成。子代和親代的DNA堿基序列一致。這種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。,(1)密度梯度實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持半保留復(fù)制的設(shè)想。,含重氮-D

2、NA的細(xì)菌,第一代,第二代,梯度離心結(jié)果,2.半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和意義,(2)子鏈繼承母鏈遺傳信息的幾種可能方式,按半保留復(fù)制方式，子代DNA與親代DNA的堿基序列一致，即子代保留了親代的全部遺傳信息，體現(xiàn)了遺傳的保守性。是物種穩(wěn)定性的分子基礎(chǔ)，但不是絕對的。,(3)半保留復(fù)制的意義,1.原核生物復(fù)制時(shí)，DNA從起始點(diǎn)向兩個(gè)方向解鏈，形成兩個(gè)延伸方向相反的復(fù)制叉，稱為雙向復(fù)制。,(三)雙向復(fù)制,環(huán)狀雙鏈DNA及 復(fù)制起始點(diǎn) B. 復(fù)制中的兩個(gè)復(fù)制叉 C. 復(fù)制接近終止點(diǎn),(二)固定起始點(diǎn),復(fù)制是從具有特異堿基序列的復(fù)制起始點(diǎn)開始。原核生物(一個(gè)起始點(diǎn))，真核生物(多個(gè)起始點(diǎn))。,2.真核生物

3、每個(gè)染色體有多個(gè)起始點(diǎn)，是多復(fù)制子的復(fù)制。習(xí)慣上把兩個(gè)相鄰起始點(diǎn)之間的距離定為一個(gè)復(fù)制子。復(fù)制子是獨(dú)立完成復(fù)制的功能單位。,(四)復(fù)制的半不連續(xù)性,領(lǐng)頭鏈 (leading strand),隨從鏈 (lagging strand),順解鏈方向生成的子鏈，復(fù)制為連續(xù)進(jìn)行，稱為領(lǐng)頭鏈。,另一股鏈復(fù)制方向與解鏈方向相反，不能順著解鏈方向連續(xù)延長，稱為隨從鏈。,復(fù)制中不連續(xù)片段稱為岡崎片段(okazaki fragment)。,領(lǐng)頭鏈連續(xù)復(fù)制而隨從鏈不連續(xù)復(fù)制，就是復(fù)制的半不連續(xù)性。,1.DNA-pol的核酸外切酶活性和及時(shí)校讀,A：DNA-pol的外切酶活性切除錯(cuò)配堿基；并用其聚合活性摻入正確配對的

4、底物。 B：堿基配對正確， DNA-pol不表現(xiàn)活性。,(五)復(fù)制的高保真性,2.復(fù)制保真性的堿基選擇,a) DNA聚合酶靠其大分子結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)非共價(jià)(氫鍵)與共價(jià)鍵(磷酸二酯鍵) 的有序形成。 b) 嘌呤的化學(xué)結(jié)構(gòu)能形成順式和反式構(gòu)型，與相應(yīng)的嘧啶形成氫鍵配對，嘌呤應(yīng)處于反式構(gòu)型。,3.DNA復(fù)制保真性依賴三種機(jī)制,a) 遵守嚴(yán)格的堿基配對規(guī)律。 b) 聚合酶在復(fù)制延長時(shí)對堿基的選擇功能。 c) 復(fù)制出錯(cuò)時(shí)DNA-pol的及時(shí)校讀功能。,二、DNA復(fù)制的體系,(一) 底物(substrate) dATP, dGTP, dCTP, dTTP。,(二) 模板(template) 解開成單鏈的DNA母

5、鏈。,(三) 引物(primer) 提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合的RNA(DNA)片斷。,(四) 酶和蛋白因子,1.DNA聚合酶,全稱為依賴DNA的DNA聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase)，簡稱DNA-pol。,(1)活性：53 的聚合活性；3 5外切酶活性能辨認(rèn)錯(cuò)配的堿基對，并將其水解； 5 3外切酶活性能切除突變的 DNA片段。,大腸桿菌E.coli中的三種DNA聚合酶,DNA-pol(109kD),小片段,5 核酸外切酶活性,大片段/Klenow 片段,DNA聚合酶活性 ， 5 核酸外切酶活性,N 端,C 端,DNA-pol ,Klenow片段

6、是實(shí)驗(yàn)室合成DNA的常用工具酶。,功能:對復(fù)制中的錯(cuò)誤進(jìn)行校讀，對復(fù)制和修復(fù)中出現(xiàn)的空隙進(jìn)行填補(bǔ)。,DNA-pol (120kD),DNA-pol II基因發(fā)生突變，細(xì)菌依然能存活。它參與DNA損傷的應(yīng)急狀態(tài)修復(fù)。,功能：是原核生物復(fù)制延長中真正起催化作用的酶。,DNA-pol (250kD),(3)真核生物的DNA聚合酶,(1)解螺旋酶(helicase) 利用ATP供能，打開氫鍵，使DNA雙鏈解開成為兩條單鏈。,(2)引物酶(primase) 復(fù)制起始時(shí)催化生成RNA引物的酶。 (3)單鏈DNA結(jié)合蛋白(single stranded DNA binding protein, SSB) 在

7、復(fù)制中維持模板處于單鏈狀態(tài)并保護(hù)單鏈的完整。,2.其他酶與蛋白因子,拓?fù)洚悩?gòu)酶 切斷DNA雙鏈中一股鏈，使DNA解鏈旋轉(zhuǎn)不致打結(jié)；適當(dāng)時(shí)候封閉切口，DNA變?yōu)樗沙跔顟B(tài)。反應(yīng)不需ATP。,拓?fù)洚悩?gòu)酶 切斷DNA分子兩股鏈，斷端通過切口旋轉(zhuǎn)使超螺旋松弛。利用ATP供能連接斷端， DNA分子進(jìn)入負(fù)超螺旋狀態(tài)。,(4)DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶(DNA topoisomerase) 指理順DNA鏈，改變超螺旋狀態(tài)的酶，分為I型和II型。,(5)DNA連接酶(DNA ligase) 連接DNA鏈3-OH末端和相鄰DNA鏈5-P末端，使二者生成磷酸二酯鍵，從而把兩段相鄰的DNA鏈連接成一條完整的鏈。,第二節(jié) DNA

8、復(fù)制的過程 (The Process of DNA Replication),(一)復(fù)制的起始,需要解決兩個(gè)問題,DNA解開成單鏈，提供模板。,合成引物，提供3-OH末端。,一、原核生物的DNA生物合成,E.coli復(fù)制起始點(diǎn) oriC,1. DNA解鏈的起始點(diǎn),Dna A,Dna B、 Dna C,DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶,引物酶,SSB,3,5,3,5,2. 引發(fā)體和引物,含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA復(fù)制起始區(qū)域的復(fù)合結(jié)構(gòu)稱為引發(fā)體。,3,5,3,5,引物是由引物酶催化合成的短鏈RNA分子。,引物,引物酶,OH 3,3,復(fù)制的延長指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式逐個(gè)

9、加入引物或延長中的子鏈上，其化學(xué)本質(zhì)是磷酸二酯鍵的不斷生成。,(二)復(fù)制的延長,領(lǐng)頭鏈的合成,1.領(lǐng)頭鏈的延長,領(lǐng)頭鏈沿著5/ 3/方向可以連續(xù)的延長。,2.隨從鏈的延長,復(fù)制簡圖,復(fù) 制 延 長 動(dòng) 畫,1.原核生物基因是環(huán)狀DNA，雙向復(fù)制的復(fù)制片段在復(fù)制的終止點(diǎn)(ter)處匯合。,(三)復(fù)制的終止,2.隨從鏈上不連續(xù)性片段的連接,二、真核生物的DNA生物合成,真核生物 DNA 復(fù)制在細(xì)胞周期的S期進(jìn)行，也可分為起始、延長和終止三個(gè)階段，每個(gè)階段的基本過程與原核生物DNA復(fù)制相似，但存在不少差異。,1.真核生物每個(gè)染色體有多個(gè)起始點(diǎn)，是多復(fù)制子復(fù)制。復(fù)制有時(shí)序性，即復(fù)制子以分組方式激活而不

10、是同步起動(dòng)。 2.復(fù)制的起始需要DNA-pol（引物酶活性）和pol（解螺旋酶活性）參與。還需拓?fù)涿负蛷?fù)制因子(replication factor, RF)。 3.增殖細(xì)胞核抗原(proliferation cell nuclear antigen, PCNA)在復(fù)制起始和延長中起關(guān)鍵作用。,(一)復(fù)制的起始,(二)復(fù)制的延長,真核生物的聚合酶催化子鏈的延長，并有校正功能。引物和岡崎片段 (約200bp) 都比較短。,1.染色體DNA呈線狀，復(fù)制在末端停止。 2.復(fù)制中岡崎片段的連接，復(fù)制子之間的連接。 3.染色體兩端DNA子鏈上復(fù)制的RNA引物，去除后留下空隙。,(三)復(fù)制的終止,1. 端

11、粒(telomere)指真核生物染色體線性DNA分子末端的結(jié)構(gòu)。,(四)端粒與端粒酶,4. 端粒酶 (telomerase),端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR) 端粒酶協(xié)同蛋白 (human telomerase associatedprotein 1, hTP1) 端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶 (human telomerase reverse transcriptase, hTRT),5.端粒酶催化作用的爬行模型,真核DNA復(fù)制后，兩個(gè)5末端的引物被切除，缺口無法填補(bǔ)，故DNA將面臨多次復(fù)制而逐漸縮短的問題。,第三節(jié) DNA損傷與修復(fù),突變(Mutation)是指DNA

12、分子中堿基序列的改變，又稱為DNA損傷(DNA damage)。,意義,突變是進(jìn)化、分化的分子基礎(chǔ) 突變導(dǎo)致基因型改變 突變導(dǎo)致死亡 突變是某些疾病的發(fā)病基礎(chǔ),(DNA Damage and Repair),一、引發(fā)突變的因素,1.物理因素 紫外線(ultra violet, UV)、各種輻射,(一)自發(fā)因素,(二)誘發(fā)因素,復(fù)制過程中發(fā)生的突變，可發(fā)生10-16頻率的突變。,2. 化學(xué)因素,3. 生物因素,如逆轉(zhuǎn)錄病毒等。,(三)突變的類型,DNA分子上的堿基錯(cuò)配稱點(diǎn)突變(point mutation)。,(1) 轉(zhuǎn)換:發(fā)生在同型堿基之間，即嘌呤代替 另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。 (2)

13、顛換:發(fā)生在異型堿基之間，即嘌呤變嘧 啶或嘧啶變嘌呤。,1.錯(cuò)配 (mismatch),2.重排(rearrangement),DNA分子內(nèi)較大片段的交換，稱為重組或重排。,3.缺失(deletion)、插入(insertion)和框移(frame-shift),(1)缺失：一個(gè)堿基或一段核苷酸鏈從DNA大分子上消失。,(2)插入：原來沒有的一個(gè)堿基或一段核苷酸鏈插入到DNA大分子中間。,(3)缺失或插入都可導(dǎo)致框移突變 。,框移突變是指三聯(lián)體密碼的閱讀方式改變，造成蛋白質(zhì)氨基酸排列順序發(fā)生改變。,二、DNA損傷的修復(fù),修復(fù)(repairing) ：是對已發(fā)生分子改變的補(bǔ)償措施，使其回復(fù)原有的

14、天然狀態(tài)。,(二)切除修復(fù),是細(xì)胞內(nèi)最重要和有效的修復(fù)機(jī)制，主要由DNA-pol和連接酶完成。,E.coli的切除修復(fù)機(jī)制,切 除 修 復(fù),(三)重組修復(fù),(四)SOS修復(fù),1.當(dāng)DNA損傷難以復(fù)制時(shí)，而誘發(fā)出一系列復(fù)雜的反應(yīng)。 2.在E. coli，各種與修復(fù)有關(guān)的基因，組成一個(gè)稱為調(diào)節(jié)子(regulon)的網(wǎng)絡(luò)式調(diào)控系統(tǒng)。 3.這種修復(fù)特異性低，對堿基的識別、選擇能力差。通過SOS修復(fù)，復(fù)制如能繼續(xù)，細(xì)胞可存活。但DNA保留的錯(cuò)誤較多，導(dǎo)致較廣泛、長期的突變。,第十二章 RNA的生物合成 (轉(zhuǎn)錄),(RNA Biosynthesis, Transcription),轉(zhuǎn)錄是指以DNA為模板合

15、成RNA的過程 。,復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別,第一節(jié) 轉(zhuǎn)錄基本規(guī)律與體系,一、不對稱轉(zhuǎn)錄,1. DNA分子上轉(zhuǎn)錄出RNA的區(qū)段，稱為結(jié)構(gòu)基因(structural gene)。結(jié)構(gòu)基因中能轉(zhuǎn)錄生成RNA的一股單鏈，稱為模板鏈(template strand)，也稱作有意義鏈或Watson鏈。另一股單鏈?zhǔn)蔷幋a鏈(coding strand)，也稱為反義鏈或Crick鏈。,(一)轉(zhuǎn)錄的模板,(Basic Rules and System of Transcription),2. 在包含多個(gè)基因的DNA分子中，各基因的模板鏈并不總在同一條鏈上，在某個(gè)基因節(jié)段以其中某一條鏈為模板進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，而在另一個(gè)基因節(jié)段上

16、則以其對應(yīng)單鏈為模板，這種選擇性稱不對稱轉(zhuǎn)錄。,(二) 轉(zhuǎn)錄的特點(diǎn),1. 轉(zhuǎn)錄的不對稱性 2. 轉(zhuǎn)錄方向的單向性 3. 轉(zhuǎn)錄不需要引物形成連續(xù)性 4. 轉(zhuǎn)錄過程有特定起始和終止點(diǎn),二、 RNA轉(zhuǎn)錄的體系,(一)模板,結(jié)構(gòu)基因雙鏈中的一股鏈。,(二)原料,4種核糖核苷酸：ATP、UTP、GTP、CTP。,(三)RNA聚合酶,1.原核生物的RNA聚合酶,RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合,DNA,原核生物的RNA聚合酶,2.真核生物的RNA聚合酶,RNA轉(zhuǎn)錄時(shí)除需以上物質(zhì)外，還需要一些蛋白因子參與。如原核生物使轉(zhuǎn)錄過程終止因子。真核生物聚合酶啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄時(shí)的轉(zhuǎn)錄因子。,(四)蛋白因子,第二節(jié) RNA轉(zhuǎn)

17、錄過程,(一)轉(zhuǎn)錄起始,轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個(gè)問題 (1)RNA聚合酶必須準(zhǔn)確地結(jié)合在轉(zhuǎn)錄模板的起始區(qū)域。 (2)DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉(zhuǎn)錄的模板。,一、原核生物的轉(zhuǎn)錄過程,(The Process of Transcription),(2) DNA雙鏈解開。,(1) RNA聚合酶全酶(2)與模板保守序列結(jié)合。,(3) 在RNA-pol作用下形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。,RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3,(4)轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物:,2. 轉(zhuǎn)錄起始過程,原核生物啟動(dòng)子的保守序列,(二)轉(zhuǎn)錄延長,1. 亞基脫落，RNApol核心酶變構(gòu)，與模板結(jié)合松弛，沿著DNA模板推進(jìn)，

18、NTP不斷聚合RNA鏈不斷延長。,(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi,轉(zhuǎn)錄空泡(transcription bubble)：,RNA-pol (核心酶) DNA RNA,2.原核生物轉(zhuǎn)錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象,轉(zhuǎn)錄延長,1.依賴 (Rho)因子的轉(zhuǎn)錄終止 因子以六聚體形式存在，協(xié)助RNA-pol識別終止信號，與轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物結(jié)合，RNA和RNA-pol一起從模板上脫落。,(三)轉(zhuǎn)錄終止,2.非依賴因子的轉(zhuǎn)錄終止 DNA模板上靠近終止處，有些特殊的堿基序列，可轉(zhuǎn)錄出具有莖環(huán)結(jié)構(gòu)的RNA，來終止轉(zhuǎn)錄。,二、真核生物的轉(zhuǎn)錄起始,(一)轉(zhuǎn)錄起始,1. 轉(zhuǎn)錄因子,(1)能直接、間接辨認(rèn)和結(jié)

19、合轉(zhuǎn)錄上游區(qū)段DNA的蛋白質(zhì)，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種，統(tǒng)稱為反式作用因子(trans-acting factors)。,(2)反式作用因子中，直接或間接結(jié)合RNA聚合酶的，則稱為轉(zhuǎn)錄因子(transcriptional factors, TF)。,真核生物的轉(zhuǎn)錄起始上游區(qū)有不同DNA序列的順式作用元件，轉(zhuǎn)錄起始時(shí)，RNA-pol不直接結(jié)合模板，由轉(zhuǎn)錄因子識別起始部位。,參與RNA-pol轉(zhuǎn)錄的TF,*CTD(carboxyl terminal domain) : RNA-pol大亞基羧基末端結(jié)構(gòu)域。,* TAF(TBP associated factors) :TBP輔助因子。在不同的基因轉(zhuǎn)錄中有不同

20、的TAF輔助。,* TBP(TATA binding protein) : TATA結(jié)合蛋白。,轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn),TATA盒,CAAT盒,GC盒,增強(qiáng)子,順式作用元件(cis-acting element),2. 轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段,AATAAA,切離加尾,轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn),修飾點(diǎn),外顯子,翻譯起始點(diǎn),內(nèi)含子,3. 轉(zhuǎn)錄起始前復(fù)合物 (pre-initiation complex, PIC),(二)轉(zhuǎn)錄延長,真核生物轉(zhuǎn)錄延長過程與原核生物大致相似，但因有核膜相隔，沒有轉(zhuǎn)錄與翻譯同步的現(xiàn)象。,(三)轉(zhuǎn)錄終止,和轉(zhuǎn)錄后修飾密切相關(guān)。,三、轉(zhuǎn)錄后的加工修飾,主要的修飾方式有剪接、剪切、修飾、添加。,剪切(cl

21、eavage),剪接(splicing),(一) 真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工,1. 5端形成 帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppNm)。 2. 3端加上多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)。,3.mRNA的剪接,真核生物結(jié)構(gòu)基因，由若干個(gè)編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，稱為斷裂基因。,(1) 斷裂基因(splite gene),(2)外顯子(exon)在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達(dá)為成熟RNA的核酸序列。 (3)內(nèi)含子(intron)隔斷基因的線性表達(dá)而在剪接過程中被除去的核酸序列。,雞卵清蛋白基因,hnRNA,首、尾修飾,hnRNA剪接,成熟的mRNA,雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄

22、、轉(zhuǎn)錄后修飾,轉(zhuǎn)錄,內(nèi)切酶,tRNA核苷酸轉(zhuǎn)移酶、連接酶,ATP,ADP,tRNA前體,(二) tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工,1. 轉(zhuǎn)錄后剪切,tRNA,2. 堿基修飾,(2)還原反應(yīng),如：U DHU,(3)核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應(yīng),如：U ,(4)脫氨反應(yīng),如：A I,如：A Am,(1)甲基化,T環(huán),(三) rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工,第三節(jié) 逆轉(zhuǎn)錄,一、逆轉(zhuǎn)錄與逆轉(zhuǎn)錄酶,(一) 逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象,(Reverse Transcription),1.逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于逆轉(zhuǎn)錄病毒。 2.cDNA是指以RNA為模板，經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄合成的與RNA堿基序列互補(bǔ)的DNA鏈。,二、逆轉(zhuǎn)錄研究的意義,(一) 逆轉(zhuǎn)錄酶和逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象，是分子生

23、物學(xué)研究中的重大發(fā)現(xiàn)，發(fā)展了中心法則。 (二) 逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象說明至少在某些生物，RNA同樣兼有遺傳信息傳代與表達(dá)功能。 (三) 對逆轉(zhuǎn)錄病毒的研究，拓寬了20世紀(jì)初已注意到的病毒致癌理論。,第三節(jié) 蛋白質(zhì)的生物合成(翻譯),蛋白質(zhì)的生物合成，即翻譯，就是將核酸中由 4 種核苷酸序列編碼的遺傳信息，通過遺傳密碼破譯的方式解讀為蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)中20種氨基酸的序列 。,(Protein Biosynthesis，Translation),第一節(jié) 蛋白質(zhì)生物合成體系,2. 20種編碼氨基酸作為原料。 3. 酶及眾多蛋白因子，如IF、eIF。 4. ATP、GTP、無機(jī)離子。,(一)合成原料,1. 三種R

24、NA,一、蛋白質(zhì)生物合成的原料和所需酶類,(Protein Biosynthesis System),(二)酶及蛋白因子,1氨基酰-tRNA合成酶 ATP存在下合成氨基酰-tRNA，具有絕對特異性。 2轉(zhuǎn)肽酶 催化核糖體“P位”上的肽?；D(zhuǎn)移至“A位”的氨基酰-tRNA的氨基上，使酰基與氨基縮合形成肽鍵。 3轉(zhuǎn)位酶 催化核糖體向mRNA的3端移動(dòng)定位于“A位”。 4蛋白因子 起始因子(initiation factor，IF); 延長因子(elongation factor，EF); 釋放因子（releasing factor，RF）。 5能量物質(zhì)及離子 能量物質(zhì)為ATP和GTP；無機(jī)離子有M

25、g2+和K+等。,二、mRNA與遺傳密碼,1.遺傳學(xué)將編碼一個(gè)多肽的遺傳單位稱為順反子。 2.原核細(xì)胞中數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，轉(zhuǎn)錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關(guān)的蛋白質(zhì)，為多順反子(polycistron) 。 3.真核mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)，為單順反子(single cistron) 。,(一)順反子(cistron),原核生物的多順反子,真核生物的單順反子,PPP,5,3,蛋白質(zhì),mG -,5,3,蛋白質(zhì),PPP,(二) 遺傳密碼及其特點(diǎn),(1)mRNA分子上從5至3方向，由AUG開始，每3個(gè)核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個(gè)氨基酸或蛋白質(zhì)合成的起始、終止信號，稱為三聯(lián)體密碼(

26、triplet coden)。,(2)起始密碼(initiation coden): AUG,(4)從mRNA 5端起始密碼子AUG到3端終止密碼子之間的核苷酸序列，各個(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一個(gè)蛋白質(zhì)多肽鏈，稱為開放閱讀框架(open reading frame, ORF)。,1. 連續(xù)性(commaless),遺傳密碼表,2. 簡并性(degeneracy) 遺傳密碼中，除色氨酸和蛋氨酸僅有一個(gè)密碼子外，其余氨基酸均有多個(gè)密碼子。,4. 通用性(universal),5. 擺動(dòng)性(wobble),轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的tRNA的反密碼需要通過堿基互補(bǔ)與mRNA上的遺傳密碼反向配對結(jié)合，但反密碼與密碼

27、間不嚴(yán)格遵守常見的堿基配對規(guī)律，稱為擺動(dòng)配對。,(1) 整套密碼從原核生物到人類都通用，但動(dòng)物細(xì)胞的線粒體、植物細(xì)胞的葉綠體例外。 (2)密碼的通用性證明各種生物進(jìn)化自同一祖先。,起始密碼子位于mRNA鏈的5-端，終止密碼子位于3-端，翻譯時(shí)沿53方向進(jìn)行，直到終止密碼子為止，相應(yīng)多肽鏈的合成從N端向C端延伸。,3.方向性(direction),密碼子、反密碼子配對的擺動(dòng)現(xiàn)象,A U C,U,不同細(xì)胞核糖體的組成,核糖體,三、rRNA與核糖體,(一) 核糖體由大、小兩個(gè)亞基組成，是蛋白質(zhì)合成的場所。,(二) 原核生物翻譯過程中核糖體結(jié)構(gòu)模式,2. A位：氨基酰位，又稱受位。,1. P位：肽酰位

28、，又稱給位。,3. E位：排出位。,四、tRNA與氨基酸的活化,(一)氨基酸的活化,1.氨基酰-tRNA合成,2. 氨基酰-tRNA合成酶對氨基酸和tRNA特異性高；具有校正活性。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla 、Ser-tRNASer、Met-tRNAMet,真核生物： Met-tRNAiMet 原核生物： fMet-tRNAifMet,(二)起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA,1.第一步反應(yīng),2. 第二步反應(yīng),氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E,第二節(jié) 蛋白質(zhì)生物合成過程,翻譯過程從閱讀框架的5-AUG開始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長肽鏈，直

29、至終止密碼出現(xiàn)。,(The Process of Protein Biosynthesis ),一、原核生物翻譯過程,1. 核糖體大小亞基分離； 2. mRNA在小亞基定位結(jié)合； 3. 起始氨基酰-tRNA的結(jié)合； 4. 核糖體大亞基結(jié)合。,指mRNA和起始氨基酰-tRNA分別與核糖體結(jié)合而形成翻譯起始復(fù)合物 (translational initiation complex)。,(一)起始,IF-3,IF-1,1. 核糖體大小亞基分離,IF-3,IF-1,2. mRNA在小亞基定位結(jié)合,S-D序列,在起始密碼子的上游約813個(gè)核苷酸部位有一段富含嘌呤堿基（如-AGGAGG-）的特殊保守序列，

30、稱為SD序列，可被核糖體小亞基16S rRNA 辨認(rèn)互補(bǔ)結(jié)合。 緊接SD序列后的小核苷酸序列，可被核糖體小亞基蛋白rpS-1識別并結(jié)合。,IF-3,IF-1,3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )結(jié)合到小亞基,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4. 核糖體大亞基結(jié)合，起始復(fù)合物形成,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,翻譯起始階段總結(jié),原核肽鏈合成的延長因子,(二)延長,肽鏈延長包括進(jìn)位、成肽、轉(zhuǎn)位三步，在核糖體上連續(xù)性循環(huán)式進(jìn)行，又稱為核糖體循環(huán)(ribosomal cycle)，每次循環(huán)增加一個(gè)氨基酸。,1.進(jìn)位(注冊,registr

31、ation),(1) fMet-tRNAfMet占據(jù)P位，A位空缺。 (2) 第2個(gè)密碼子相應(yīng)的氨基酰-tRNA與EF-Tu-GTP結(jié)合，其反密碼子識別密碼子，進(jìn)入A位。 (3) EF-Tu水解GTP，EF-Tu和GDP從核糖體釋出，重新形成Tu-Ts二聚體。,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,2.成肽,是由轉(zhuǎn)肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過程。,3.轉(zhuǎn)位,延長因子EF-G有轉(zhuǎn)位酶活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，促進(jìn)核蛋白體向mRNA的3側(cè)移動(dòng) 。,fMet,fMet,1. 當(dāng)mRNA上終止密碼出現(xiàn)后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核糖

32、體等分離的過程。,(三)終止,2. 識別終止密碼，RF-1特異識別UAA、UAG；而RF-2可識別UAA、UGA。,3. 誘導(dǎo)改變轉(zhuǎn)肽酶的酯酶活性為水解活性，使肽鏈從核糖體上釋放。,RF,與原核生物相比，真核生物肽鏈延長過程有不同的反應(yīng)體系和延長因子。真核細(xì)胞核糖體沒有E位，轉(zhuǎn)位時(shí)卸載的tRNA直接從P位脫落。,(二) 延長,(三) 終止,與原核生物相比，真核生物翻譯終止只有一種釋放因子eRF，可識別所有終止密碼子。,(一)起始,二、真核生物翻譯過程,1. 核糖體大小亞基分離； 2. 起始氨基酰-tRNA結(jié)合； 3. mRNA在核糖體小亞基就位； 4. 核糖體大亞基結(jié)合。,真核生物翻譯起始復(fù)合

33、物形成過程,(二)使蛋白質(zhì)合成高速、高效進(jìn)行。,電鏡下的多聚核糖體現(xiàn)象,三、多聚核糖體(polysome),(一)指多個(gè)核糖體附在同一條mRNA上合成蛋白質(zhì)而形成的串珠狀聚合物。,四、翻譯后加工和輸送,新生多肽鏈需要酶和其他蛋白質(zhì)輔助，經(jīng)過折疊、修飾等加工才能轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粯?gòu)象的功能蛋白質(zhì)。,(一)多肽鏈折疊為天然構(gòu)象的功能蛋白質(zhì),(1)熱休克蛋白(HSP): HSP70、HSP40和GreE族 (2)伴侶素(chaperonins): GroEL和GroES家族,2. 蛋白二硫鍵異構(gòu)酶 (PDI) 3. 肽-脯氨酰順反異構(gòu)酶 (PPI),1. 分子伴侶,鴉片促黑皮質(zhì)素原(POMC)的水解修飾,(

34、二)一級結(jié)構(gòu)的修飾,1.肽鏈N端的修飾 2.個(gè)別氨基酸的修飾 3.多肽鏈的水解修飾,(三)高級結(jié)構(gòu)的修飾,(四)蛋白質(zhì)合成后的靶向輸送,1. 指蛋白質(zhì)合成后需定向輸送到發(fā)揮功能的細(xì)胞靶部位的過程。,2.新生分泌蛋白的N端，可引導(dǎo)其自身轉(zhuǎn)移到細(xì)胞靶部位的保守氨基酸序列，稱信號序列(signal sequence)或信號肽(signal peptide) 。,1亞基的聚合 如血紅蛋白通過非共價(jià)鍵將亞基聚合成寡聚體。 2輔基的連接 如糖蛋白、脂蛋白、各種酶等，合成后需與輔基連接，才具有活性。 3疏水脂鏈的共價(jià)連接 如Ras蛋白、G蛋白等需嵌入疏水雙層膜脂，才具有活性。,五、蛋白質(zhì)生物合成與醫(yī)學(xué),(一

35、)分子病,由于基因突變導(dǎo)致蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而引起生物體某些結(jié)構(gòu)和功能的異常，這種疾病稱為分子病。分子病最典型的代表為鐮刀型紅細(xì)胞貧血病。,(二) 抗生素對蛋白質(zhì)合成的影響,1.抗生素類是微生物產(chǎn)生的能夠殺滅或抑制細(xì)菌的一類藥物。,抑制蛋白質(zhì)生物合成的原理,(1)白喉毒素(diphtheria toxin),2.其他干擾蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì),(2)干擾素(interferon，IFN),干擾素誘導(dǎo)eIF2磷酸化而失活,干擾素誘導(dǎo)病毒RNA降解,1961年，法國科學(xué)家F. Jacob和J. Monod通過研究大腸桿菌乳糖代謝的調(diào)節(jié)機(jī)制，提出了著名的操縱子學(xué)說，從而開創(chuàng)了基因表達(dá)調(diào)控研究的新

36、紀(jì)元。 對基因表達(dá)調(diào)控的研究是目前分子生物學(xué)領(lǐng)域最重要的研究內(nèi)容之一。,(Regulation of Gene Expression),第十四章 基因表達(dá)調(diào)控,第一節(jié) 基因表達(dá)調(diào)控的 概念和原理,(Concept and principle： Regulation of Gene Expression),一、基因表達(dá)調(diào)控的概念,(一)基因表達(dá)(gene expression) 是指基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子的過程。,(二)基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性,1.時(shí)間特異性,某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時(shí)間特異性。,多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性

37、又稱階段特異性。,2.空間特異性,某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達(dá)的空間特異性。,空間特異性是由細(xì)胞在器官的分布決定的，故又稱細(xì)胞或組織特異性。,二、原核生物基因表達(dá)調(diào)控,(一)參與原核生物基因表達(dá)調(diào)控的蛋白因子,1. RNA聚合酶,RNA聚合酶與DNA的親和力，影響轉(zhuǎn)錄。,2.因子,4. 激活蛋白,3. 阻遏蛋白,主要參與RNA聚合酶對啟動(dòng)序列的識別。,能夠與特異操縱序列結(jié)合，阻斷基因表達(dá)。,增強(qiáng)RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合能力。,1.操縱子的結(jié)構(gòu)與功能,一個(gè)操縱子=調(diào)節(jié)序列+啟動(dòng)序列+操縱序列+編碼序列,調(diào)節(jié)序列(inhibitor,I):編碼一種阻遏蛋白(repr

38、essor) 。,啟動(dòng)序列(promoter,P):結(jié)合RNA聚合酶，啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。,操縱序列(operator,O):阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn)。,編碼序列(coding sequence):編碼功能性蛋白，26個(gè)。,(二)原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式, 操縱子機(jī)制,操縱子(operon)是原核生物中幾個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因成簇串聯(lián)排列組成的一個(gè)基因表達(dá)的協(xié)同單位。操縱子的本質(zhì)是DNA序列。,2. 乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)及其調(diào)節(jié)機(jī)制,控制區(qū),CAP結(jié)合位點(diǎn),啟動(dòng)序列,操縱 序列,編碼基因 Z： -半乳糖苷酶 Y： 透酶 A：乙?；D(zhuǎn)移酶,信息區(qū),調(diào)控序列,代謝產(chǎn)物基因激活蛋白(catabolite gene act

39、ivator protien,CAP),(1)阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié),沒有乳糖存在時(shí),有乳糖存在時(shí),(2)CAP的正性調(diào)節(jié),(3)阻遏蛋白與CAP的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié),低半乳糖時(shí) (有阻遏蛋白),高半乳糖時(shí) (無阻遏蛋白),葡萄糖濃度低 cAMP 濃度高 (有CAP),葡萄糖濃度高 cAMP 濃度低 (無CAP),(一)順式作用元件(cis-acting element),可影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列,三、真核基因基因表達(dá)的調(diào)節(jié),1.啟動(dòng)子 真核基因啟動(dòng)子是RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)以及一個(gè)以上的功能組件。,2. 增強(qiáng)子(enhancer) 指遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)、決定基因的時(shí)間、空間特異性、增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。,3.沉默子(silencer) 某些基因的負(fù)性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時(shí)，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。,B：增強(qiáng)子或沉默子,A：啟動(dòng)子,(二)反式作用因子(trans-acting factor),1.基本轉(zhuǎn)錄因子(general transcription factors),是RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)子所必需的一組蛋白因子，決定三種RNA(mRNA、tRNA及rR