1、第三章 遺傳信息的傳遞,第一節(jié) DNA的復制,什么是DNA的復制？,DNA分子的復制是指以DNA分子為模板合成一個新的與親代模板結構相同的子代DNA分子的過程。,DNA分子是在什么時間進行復制的？,在間期進行復制,動物細胞有絲分裂周期圖,DNA分子是在什么時間進行復制的？,在減數(shù)第一次分裂前的間期進行復制,DNA分子是在什么時間進行復制的？,DNA復制發(fā)生在細胞有絲分裂的間期和減數(shù)第一次分裂前的間期。,積極思維：,分析： 1、離心處理后，為什么子一代DNA只有雜合鏈？ 2、子二代DNA出現(xiàn)了輕鏈和雜合鏈，說明了什么？,(一)DNA半保留復制,一、DNA復制的基本規(guī)律,A,A,A,T,T,T,G

2、,G,G,G,C,C,C,A,T,C,DNA 平 面 模 式 圖,DNA 復 制 過 程,思考：1、DNA復制需要哪些基本條件？ 2、復制過程有何主要特點？ 3、復制形成的子代DNA和親代DNA 有何關系？,DNA復制后產(chǎn)生的每個子代DNA分子中，都有一條單鏈是原DNA保留下來的，而另一條單鏈是新合成的。這種復制方式稱為半保留復制。,解旋,合成,復旋,(二) 半不連續(xù)復制,半不連續(xù)復制(semi-discontinuous replication)：在DNA 復制過程中，一條子鏈的復制是連續(xù)的，而另一條子鏈的復制是不連續(xù)的。 岡崎片段(Okazaki fragment)：DNA后隨鏈的復制是先

3、以53方向不連續(xù)合成許多小片段，然后連接成一條完整的子鏈。,課堂練習,選擇題：,1、某些藥物可以抑制腫瘤細胞DNA的復制，從而達到控制癌癥的目的。這些藥物作用的細胞正處于細胞周期的（ ） A 間期 B 前期 C 中期 D 不能確定,2、下列關于DNA復制過程的正確順序是（ ） 互補堿基對間氫鍵斷裂 互補堿基對之間形成氫鍵DNA分子在解旋酶作用下解旋 以母鏈為模板進行堿基互補配對 子鏈與母鏈盤旋成雙螺旋結構 A B C D,A,C,課堂練習,3、DNA分子解旋時，下列哪一組堿基被解開（ ） A 鳥嘌呤和腺嘌呤 B 胸腺嘧啶和胞嘧啶 C 腺嘌呤和胸腺嘧啶 D 腺嘌呤和胞嘧啶,C,4、下面關于DNA

4、復制過程的描述，錯誤的是（ ） A 復制需要能量 B邊解旋邊復制 C 復制需要氨基酸和酶 D 復制遵循堿基互補配對原則,C,5、若對一個DNA分子進行標記, 經(jīng)過4次復制后，含有標記DNA分子數(shù)占DNA總數(shù)的（ ） A 1/6 B 1/8 C 1/4 D 1/2,B,根據(jù)半保留復制和堿基互補配對原則,1、與復制有關的堿基計算,一個DNA連續(xù)復制n次后，共有多少個DNA？多少條脫氧核苷酸鏈？母鏈多少條？子鏈多少條？,DNA分子數(shù)=,2n,脫氧核苷酸鏈數(shù)=,2n+1,母鏈數(shù)=,子鏈數(shù)=,2,2n+1 2,解析：所用知識為“半保留復制”和“堿基互補配對原則”，并圖示分析。,連續(xù)第一次復制,連續(xù)第二次

5、復制,連續(xù)第n次復制,解：,答：一個DNA連續(xù)復制n次后，共有2n個DNA，2n+1條脫氧核苷酸鏈，母鏈2條，子鏈2n+1 2條,有關DNA中的堿基計算,二、DNA復制所需的條件,酶 ： 能量： 原料： 原則： 時間： 場所： 模板 ：,解旋酶、聚合酶、連接酶,四種游離的脫氧核苷酸,堿基互補配對原則,發(fā)生在細胞周期的間期,主要在細胞核內,DNA解開的兩條單鏈,ATP是直接的能源物質,為什么復制能形成兩條完全相同的DNA，并且它們都和親代DNA一樣？,AGAACGAG,TCTTGCTC,AGAACGAG,TCTTGCTC,AGAACGAG,TCTTGCTC,+,1、DNA分子的獨特的雙螺旋結構為

6、復制DNA提供精確的模板。,為什么復制能形成兩條完全相同的DNA，并且它們都和親代DNA一樣？,AGAACGAG,TCTTGCTC,AGAACGAG,TCTTGCTC,AGAACGAG,TCTTGCTC,+,堿基互補配對能力保證了復制能夠 準確無誤地進行。,復制起始點,復制叉,復制起始點,(一)DNA復制的起始,三、DNA復制的一般過程,復制起始點,復制叉,先導鏈,后導鏈（延遲鏈）,RNA引物,崗崎片段,(二) DNA復制的延伸,第一階段：雙鏈DNA不斷解螺旋； 第二階段：前導鏈的合成； 第三階段：后隨鏈上RNA引物的合成； 第四階段：岡崎片段的合成； 最后階段：RNA引物去除和岡崎片段連接。

7、,(三) DNA復制的終止,環(huán)狀DNA單向復制終止于復制起點附近，線狀和環(huán)狀DNA雙向復制的終點不固定。 在復制終止階段還需進行RNA引物切除、缺口補齊和岡崎片段的連接，以產(chǎn)生完整的DNA鏈。,四、原核生物和真核生物DNA的復制特點,都是半保留和半不連續(xù)復制； 復制過程都存在起始、延伸和終止三個階段； 都必須有相應功能的酶和蛋白質參與。,(一)相同點：,原核生物 真核生物 復制起點 1個 很多個 復制子 1個 多個 復制速率 快 慢 岡崎片段 較長 較短 第二輪復制開始 結束前 結束后 在第一輪復制,(二)不同點,1、復制的起點和速率,2、復制方式,型復制：原核生物的染色體和質粒DNA。,A.

8、 環(huán)狀雙鏈DNA及復制起始點 B. 復制中的兩個復制叉 C. 復制接近終止點(termination, ter),滾環(huán)復制,滾環(huán)式復制：病毒、細菌F因子、真核生物rRNA基因。,D環(huán)復制方式：哺乳動物的線粒體DNA。,3、真核生物染色體末端DNA的復制,進一步加工,染色體DNA是線性分子； 端粒(telimere)和端粒酶(telomerase)用于解決5端空缺問題； 端粒是真核生物染色體兩端的一種短片段重復序列單鏈末端，可形成特殊的發(fā)夾結構，如四膜蟲端粒的重復序列是GGGGTT。,第二節(jié) DNA轉錄,轉錄是以DNA為模板，在RNA聚合酶的作用下，合成RNA的過程。 在由DNARNA蛋白質的過

9、程中，轉錄是一個中心環(huán)節(jié)。 對于大多數(shù)基因而言，轉錄是基因表達的第一步，也是最關鍵的步驟。,轉錄,一、DNA轉錄的基本特征,原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: DNA 酶: RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol) 其他蛋白質因子,參與轉錄的物質,1、原核生物的RNA聚合酶,二、RNA聚合酶,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),RNA聚合酶全酶在轉錄起始區(qū)的結合,2、真核生物的RNA聚合酶,原核生物一個轉錄區(qū)段可視為一個轉錄單位，稱為操縱子(operon)，包括若干個結構基因及其上游(upstream)的調控序

10、列。,RNA聚合酶結合模板DNA的部位，稱為啟動子(promoter)。,三、基因轉錄的一般過程,(一)轉錄起始,1） RNA聚合酶全酶(2)與模板結合 2） DNA雙鏈解開 3） 在RNA聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反應，形成轉錄起始復合物,（二）轉錄延長,1）亞基脫落，RNApol聚合酶核心酶變構，與模板結合松弛，沿著DNA模板前移； 2）在核心酶作用下，NTP不斷聚合，RNA鏈不斷延長。,5,3,DNA,原核生物轉錄過程中的羽毛狀現(xiàn)象,核糖體,RNA,RNA聚合酶,（三）轉錄終止,概念：指RNA聚合酶在DNA模板上停頓下來不再前進，轉錄產(chǎn)物RNA鏈從轉錄復合物上脫落下來。 分類：依賴Rho

11、 ()因子的轉錄終止；非依賴Rho因子的轉錄終止。,A T P,1）依賴 Rho因子的轉錄終止,2）非依賴 Rho因子的轉錄終止,DNA模板上靠近終止處，有些特殊的堿基序列(如莖環(huán)、發(fā)夾結構)，轉錄出RNA后，RNA產(chǎn)物形成特殊的結構來終止轉錄。 原理：使RNA聚合酶變構，轉錄停頓；使轉錄復合物趨于解離，RNA產(chǎn)物釋放。,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3,RNA,5TTGCAGCCTGA

12、CAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3,DNA,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3,莖環(huán)(stem-loop)/發(fā)夾(hairpin)結構,幾種主要的加工方式,1. 剪接(splicing),2. 剪切(cleavage),3.修飾(modification),4.添加(addition),四、RNA轉錄后的加工(Post-transcriptional Modification),1、首、尾的修飾,5端形成 帽子結構(m7GpppGp ) 3端加上多

13、聚腺苷酸尾巴(poly A tail),（一）mRNA的轉錄后加工,2、mRNA的剪接,核內的初級mRNA稱為雜化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA) snRNA (small nuclear RNA)+核內的蛋白質組成小分子核糖核酸蛋白體（snRNP） snRNP與hnRNA結合成為并接體,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錄、轉錄后加工,tRNA前體,（二）tRNA的轉錄后加工,1、剪接,3、堿基修飾,（三）rRNA的轉錄后加工,最簡單的核酶二級結構槌頭狀結構 (hammerhead structure)

14、,底物部分,通常為60個核苷酸左右 同一分子上包括有催化部份和底物部份 催化部份和底物部份組成錘頭結構,除rRNA外，tRNA、mRNA的加工也可采用自我剪接方式。,四膜蟲rRNA內含子的二級結構,如四膜蟲rRNA的剪接采用自我剪接方式,5-端核苷酸序列,第四節(jié) 蛋白質的生物合成,Protein Biosynthesis (Translation),參與蛋白質生物合成的物質包括：,原料：氨基酸 模板：mRNA 運載工具：tRNA 裝配場所：核蛋白體 能量：GTP，ATP 酶：氨基酰tRNA合成酶，轉肽酶 因子：起始因子(IF)，延長因子(EF)，釋放因子(RF)，核蛋白體釋放因子(RR),一、

15、遺傳密碼,1961年，Nirenberg 證明了mRNA的模板作用。,遺傳密碼的連續(xù)性,重疊密碼,非重疊連續(xù)的密碼,不連續(xù)的密碼,遺傳密碼的簡并性,遺傳密碼的擺動性,二、核糖體的結構和功能,核糖體的組成,原核生物核糖體的組成,核糖體的組成,原核生物翻譯過程中核糖體結構模式:,P位：肽酰位 (peptidyl site),A位：氨基酰位 (aminoacyl site),E位：排出位 (exit site),1、肽鏈合成的起始,三、蛋白質生物合成的過程,2、肽鏈的延長,3、肽鏈的終止,四、肽鏈的修飾,從核蛋白體釋放出的新生多肽鏈不具備蛋白質生物活性，必需經(jīng)過不同的翻譯后復雜加工過程才轉變?yōu)樘烊粯?/p>

16、象的功能蛋白。 主要包括,多肽鏈折疊為天然的三維結構 肽鏈一級結構的修飾 高級結構修飾,新生肽鏈,天然構象及功能蛋白質,二級結構 模序 結構域等,折疊產(chǎn)生,條件,分子伴侶,折疊酶,N端在核蛋白體上一出現(xiàn)折疊即開始,蛋白質的生物活性不僅依賴于其正確的氨基酸順序，而且依賴于其正確的空間結構。新生肽鏈必需經(jīng)過一系列嚴格而復雜的折疊過程，才能形成具有正確空間結構的有活性的蛋白質。,1、多肽鏈折疊為天然功能構象的蛋白質,（1）氨基酸殘基的化學修飾：由專一性的酶催化進行修飾，包括糖基化、羥基化、磷酸化、甲?；取?（2）N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：N端甲酰蛋氨酸，必須在多肽鏈折迭成一定的空間結構之前被切

17、除。 去甲?；?甲酰化酶 甲酰蛋氨酸-肽 甲酸 + 蛋氨酸-肽 去蛋氨?；?蛋氨酸氨基肽酶 蛋氨酰-肽 蛋氨酸 + 肽,2、肽鏈一級結構的修飾,（3）信號肽的切除：被信號肽酶切除。 （4）切除前體中功能不需要的肽段：在專一性的蛋白水解酶作用下完成。 （5）二硫鍵的形成：由專一性的氧化酶催化，將-SH氧化為-S-S-。,選擇性剪接的實際例子： - 原肌球蛋白 mRNA (-tropomyosin),1）亞基聚合,蛋白質與糖、脂類、核酸、血紅素等結合形成糖蛋白、Lp、核蛋白、Hb等。,具有四級結構的蛋白質需進行亞基之間的聚合，如血紅蛋白4個亞基的聚合。,2）輔基連接,某些蛋白質(如G蛋白等)翻

18、譯后需要在特殊位點連接疏水性較強的鏈或多異戊二烯鏈等。這些蛋白質通過脂鏈嵌入疏水膜脂雙層，定位成為特殊脂膜內在蛋白，是具有生物功能的蛋白質。,3）疏水脂鏈的共價連接,3、高級結構的修飾,第四節(jié) 基因表達調控,基因表達是指儲存遺傳信息的基因經(jīng)過一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整個過程。 典型的基因表達是基因經(jīng)過轉錄、翻譯，產(chǎn)生有生物活性的蛋白質的過程。 rRNA或tRNA的基因經(jīng)轉錄和轉錄后加工，產(chǎn)生成熟的rRNA或tRNA，也是rRNA或tRNA的基因表達。,一、原核生物基因表達調控,1）DNA元件： 原核生物的操縱子：啟動序列、操縱序列等調節(jié)序列及下游的編碼序列串聯(lián)組成。 真核生物的順式作用元件

19、：啟動子、增強子、抑制子。 2）調節(jié)蛋白、特異因子、阻遏蛋白 3）RNA聚合酶,1、基因表達調控的要素,2、操縱子模型,3、乳糖操縱子,負調控,正調控,5、基因表達的時序調控,1981年，Losick and Pero提出因子級聯(lián)調控模型。 RNA聚合酶因子在不同時期的級聯(lián)式轉換是實現(xiàn)細菌和噬菌體的基因表達時序調控的一種重要分子基礎。,沙門菌鞭毛素基因的調節(jié),6、DNA序列重排的調控,二、真核基因表達調控,真核生物表達調控是多層次的，包括DNA及染色體水平、轉錄水平、轉錄后RNA加工和運輸水平、翻譯水平以及蛋白質加工水平等。 轉錄水平的調控是最主要的調控方式，一般以單順反子轉錄形式進行。,1、順式作用元件與反式作用元件,（二）轉錄水平的調控,順式作用元件(cis-acting element)：與結構基因連鎖的轉錄調控區(qū)域，包括增強子、啟動子、沉默子及應答元件等。,反式作用元件(trans-acting element)：能