第一章 微生物的信息儲存與傳遞

1、 第一章 微生物的信息儲存與傳遞一、教學(xué)大綱要求1. 掌握脫氧核糖核酸(DNA)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象，熟悉DNA的包裝與復(fù)制。2. 掌握RNA的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)錄過程，3. 掌握基因調(diào)控的基本特點，熟悉乳糖操縱子和色氨酸操縱子調(diào)控的特點。掌握蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)，熟悉蛋白質(zhì)的合成過程。【教材內(nèi)容精要】一、DNA(一)DNA結(jié)構(gòu)和構(gòu)象脫氧核糖核酸(DNA)是所有生命細(xì)胞的遺傳物質(zhì)，其基本重復(fù)單位是脫氧核糖核苷酸，它由一個五碳脫氧核糖、磷酸基和4種含氮堿基中的一種堿基組成。這4種堿基是胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)、腺嘌呤(A)和鳥嘌呤(G)。核苷酸通過磷酸二酯鍵連在一起形成分子骨架。兩股反方向平行的DNA鏈通過非共價

2、的氫鍵結(jié)合形成雙螺旋。C與G、A與T相對。A：T和G：C的相互作用叫作互補堿基配對。細(xì)胞內(nèi)多數(shù)DNA都是B型DNA。這是一種右手螺旋，每10個堿基成一個螺旋。DNA分子中有大溝和小溝。(二)DNA的定量與標(biāo)識DNA的重量用道爾頓(dalton)來計，長度用微米或堿基對(bp)數(shù)來計。另一種標(biāo)識方法是53方向的分子堿基序列。通常只需列出一個鏈的序列，另一條鏈可以通過互補堿基配對推算出來。(三)單倍體雙倍體原核與真核的DNA組裝過程不同。細(xì)菌是單倍體(haploid，monoploid)，只有一個拷貝的一個染色體，分散在細(xì)胞質(zhì)中。真核細(xì)胞的DNA以一定數(shù)量的染色體形式位于細(xì)胞核中，被核膜與細(xì)胞質(zhì)隔

3、開。每個染色體都有兩個拷貝(雙倍體)。真核細(xì)胞通過有絲分裂保證每個后代細(xì)胞都得到每個染色體的一個拷貝，通過減數(shù)分裂產(chǎn)生繁殖用單倍體配子。 (四)DNA的包裝DNA通過引入超螺旋，使分子結(jié)構(gòu)更緊密。引入超螺旋的酶叫做拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomerases)。在原核生物中，DNA與蛋白質(zhì)和RNA結(jié)合，形成具有獨立超螺旋的4050個環(huán)，這種結(jié)構(gòu)有時叫做擬核(nucleoid)。在真核生物中，DNA與蛋白質(zhì)形成染色體位于細(xì)胞核內(nèi)。這里DNA蛋白質(zhì)復(fù)合體叫做染色質(zhì)(chromatin)。染色質(zhì)的初級結(jié)構(gòu)是DNA纏繞在組蛋白上，形成一個鏈叫核小體(nucleosomes)。該鏈進(jìn)一步纏繞成螺線管。第三級

4、結(jié)構(gòu)是DNA與非組蛋白支架蛋白結(jié)合，形成緊密濃縮結(jié)構(gòu)，叫做分裂中期染色體。(五)DNA復(fù)制 DNA復(fù)制是通過底物上的堿基與模板DNA鏈裸露的堿基互補配對，以原DNA鏈為模板合成新DNA鏈的過程。因為新的DNA鏈?zhǔn)怯梢粭l舊鏈和一條新合成的鏈組成，所以又叫半保留復(fù)制(semiconservative replication)。1.復(fù)制泡 復(fù)制的第一階段包括對復(fù)制起點的識別，在細(xì)菌染色體上只有一個，叫oriC。多蛋白復(fù)合體結(jié)合此位點，打開螺旋并啟動復(fù)制。DNA合成發(fā)生在兩條母鏈上，并且雙向延伸形成電鏡下呈“”型的結(jié)構(gòu)，稱為復(fù)制泡(replication bubble)。DNA合成所在的兩個位點被稱為

5、復(fù)制叉。復(fù)制叉沿著DNA鏈前進(jìn)，一邊解開DNA雙鏈，一邊合成兩條新的DNA互補鏈并將其后的DNA鏈重新形成絞鏈，直到兩個復(fù)制叉在終止點相遇。此時復(fù)制完成的兩個環(huán)形DNA仍連在一起，只有當(dāng)拓?fù)洚悩?gòu)酶在DNA雙鏈上形成缺口后才得到兩個獨立的DNA分子。2.DNA聚合酶 細(xì)菌中負(fù)責(zé)DNA合成的酶是DNA聚合酶，另外DNA聚合酶I也起一定作用，并參予DNA的修復(fù)過程。新合成的DNA鏈沿53方向延伸。DNA聚合酶還具有核酸外切酶活性，它可以從53及35雙向切除核苷酸，故DNA聚合酶具有校對作用，使DNA合成中的錯誤率(亦即突變率)達(dá)到10-8以下。 3.引物 RNA聚合酶(引物酶)可在DNA合成起始點產(chǎn)

6、生一段與DNA模板鏈配對的RNA片段(即引物)。RNA聚合酶不需3-OH基團(tuán)來起始RNA的合成，DNA的合成在DNA聚合酶達(dá)到一個引物后停止，DNA聚合酶從鏈上釋放，而由DNA聚合酶I結(jié)合在其位點上。DNA聚合酶I具有35的核酸外切酶活性，脫氧核苷酸鏈上的缺口由DNA連接酶來連接。4.前導(dǎo)鏈和滯后鏈 由于DNA只能在53的方向上合成，因此只有一條鏈可持續(xù)地合成，這條鏈被稱作前導(dǎo)鏈。而另一條鏈則被稱作滯后鏈，它只能以許多小片段(岡崎片段)的形式合成。因此滯后鏈需不斷地起始合成，而該功能由引發(fā)體來行使，這些片段的連接是通過DNA聚合酶切除RNA引物和DNA連接酶封閉缺口來完成的。5.真核生物的復(fù)制

7、 真核生物和原核生物復(fù)制的最大區(qū)別是其更大的基因組和其線性排列。真核生物復(fù)制的特點：染色體上有許多復(fù)制起點；前導(dǎo)鏈和滯后鏈由不同的DNA聚合酶合成。其岡崎片段較原核生物小；由于在滯后鏈上持續(xù)起始DNA的合成，其存在著不被復(fù)制的末端序列(又稱端粒，telomeres)。因此染色體會不斷縮短，只有含RNA序列的端粒酶(telomerase)可以解決這個問題。端粒酶可通過添加大量的六聚寡核苷酸來延伸染色體末端，并以此作為模板進(jìn)行DNA復(fù)制。6.滾環(huán)式復(fù)制 常發(fā)生在噬菌體和病毒中，其機制是：DNA中的一條鏈產(chǎn)生缺口來提供3-OH基團(tuán)，在解旋酶和單鏈結(jié)合蛋白(SSB)作用下產(chǎn)生一個復(fù)制叉，有缺口的鏈被置

8、換。脫氧核苷酸被加入到3-OH基團(tuán)產(chǎn)生一條前導(dǎo)鏈，被置換的鏈作為滯后鏈合成的模板。但在有些噬菌體等，這種復(fù)制可以持續(xù)合成超過一個環(huán)狀DNA長度的叫作串聯(lián)體的多基因組長度的線性細(xì)長分子。二RNA(一)細(xì)胞中的RNA分子1RNA的結(jié)構(gòu)RNA與DNA不同的是它含有核糖而非脫氧核糖、它含有尿嘧啶(U)而不是胸腺嘧啶(T)。RNA常為一條單鏈分子，但它也可形成雙鏈二級結(jié)構(gòu)。2細(xì)胞中的RNA分子核糖體RNA(rRNAs) 含量最豐富，參與蛋白合成。rRNA通過大小及沉降系數(shù)進(jìn)行分類，rRNA序列高度保守。轉(zhuǎn)運RNA(tRNAs)可將核酸序列轉(zhuǎn)換為相應(yīng)氨基酸序列。信使RNA(mRNAs)它們產(chǎn)生于DNA的轉(zhuǎn)

9、錄(transcription)并作為蛋白合成的模板。3具催化功能的RNA分子有些RNA具有酶催化活性(有時稱之為核酶，ribozymes)。其中最常見的是內(nèi)含子，它可以將自身從轉(zhuǎn)錄的RNA上切除并將相鄰兩個外顯子拼接在一起。(二)轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄是指以DNA為模板，在RNA聚合酶作用下，利用三磷酸核苷酸為底物，合成mRNA和穩(wěn)定RNA分子的過程。1.DNA依賴型RNA聚合酶蛋白質(zhì)通過信使RNA(mRNA)來實現(xiàn)從DNA編碼合成。RNA的合成過程稱作轉(zhuǎn)錄，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄的酶稱作RNA聚合酶。RNA合成的機制與DNA復(fù)制相似，是聚合產(chǎn)生一個與DNA分子互補的核苷酸序列。在真核生物中一個mRNA分子僅攜帶一個基

10、因產(chǎn)物的信息；而在細(xì)菌中一個mRNA分子中可含多個基因信息，這些多順反子mRNAs(polycistronic mRNAs)是由細(xì)菌基因組的組裝所決定的，需要同步發(fā)揮作用的基因產(chǎn)物形成一個轉(zhuǎn)錄單元以便協(xié)同調(diào)控其合成過程。這些轉(zhuǎn)錄單元被稱作操縱子(operons)。RNA聚合酶結(jié)合在基因或操縱子起始信號的特異位點被稱為啟動子(promoter)。真細(xì)菌只有一種DNA依賴型RNA聚合酶；而真核生物至少有三種RNA聚合酶，分別稱之為I，。它們負(fù)責(zé)不同核區(qū)的不同類型的轉(zhuǎn)錄作用。古細(xì)菌有許多與真核RNA聚合酶相似的RNA聚合酶，大腸桿菌完整的RNA聚合酶(又稱作全酶，holoenzyme)包含有五個亞基

11、：兩個亞基，、及亞基各一個。其中亞基(又稱因子)與啟動子的結(jié)合是轉(zhuǎn)錄精確起始所必需的，但它在核心酶(包含2、亞基)合成RNA鏈進(jìn)行轉(zhuǎn)錄起始后馬上脫落被釋放下來。一個細(xì)菌可有多種識別不同啟動子序列的因子。與原核RNA聚合酶不同的是，真核生物的RNA聚合酶需要附加的轉(zhuǎn)錄因子來協(xié)助RNA合成的起始。2.轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄分為三個階段： (1)起始：RNA聚合酶識別并結(jié)合到啟動子上，打開DNA螺旋堿基暴露，產(chǎn)生一個單鏈的模板，這個結(jié)構(gòu)被稱作“轉(zhuǎn)錄泡”。最初的兩個核苷酸進(jìn)入復(fù)合體并與模板發(fā)生堿基配對，RNA聚合酶在兩個核苷酸間形成磷酸二酯鍵并釋放一個焦磷酸。(2)延伸：因子從酶復(fù)合體上釋放，RNA聚合酶核心酶

12、沿DNA模板前行。解開一小段DNA、合成一互補的RNA片段。RNA以53方向合成，當(dāng)轉(zhuǎn)錄泡沿著DNA模板前進(jìn)時，新合成的RNA從DNA上解離下來，于是在轉(zhuǎn)錄泡后面的DNA重新形成螺旋。(3)終止：DNA中一段特殊序列可作為基因結(jié)束的信號，于是轉(zhuǎn)錄停止。RNA聚合酶和新合成的mRNA鏈從DNA上釋放下來。其中作為RNA合成模板的那條DNA鏈被稱為反義鏈，而與RNA鏈具相同序列的非模板鏈被稱作有義鏈。3.啟動子啟動子含有與RNA聚合酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的保守序列，很多啟動子在轉(zhuǎn)錄起始位點上游有兩個保守DNA序列。若以第一個被轉(zhuǎn)錄的堿基作為+1位，在轉(zhuǎn)錄起始點上游區(qū)域相應(yīng)值為負(fù)數(shù)，則這兩個保守序列分別被

13、稱作-10和-35保守區(qū)，。經(jīng)常被轉(zhuǎn)錄的啟動子叫作強啟動子，一般含有與共有序列相當(dāng)接近的-10和-35序列，而弱啟動子則與共有序列有很大區(qū)別。此外，調(diào)控轉(zhuǎn)錄的序列也存在于轉(zhuǎn)錄起始位點的上游區(qū)域。4.RNA的加工在細(xì)菌中，編碼蛋白的mRNA在翻譯前不需任何加工作用，蛋白可在核糖體結(jié)合位點(即翻譯起始信號)被轉(zhuǎn)錄且RNA聚合酶從上面游離下來后迅速啟始合成。 在真核生物中，大多數(shù)蛋白編碼基因含有在翻譯成的蛋白中不存在的序列，稱之為內(nèi)含子(introns)。轉(zhuǎn)錄后的mRNA中這些序列被剪除，而僅留下稱之為外顯子 (exons) 的蛋白編碼序列。真核mRNA還需要5端加入甲基化鳥嘌呤帽和3端加一連串腺嘌

14、呤尾(聚腺苷酸尾)的進(jìn)一步修飾過程。與原核生物不同，真核生物中的轉(zhuǎn)錄和翻譯發(fā)生在細(xì)胞不同的區(qū)域。三基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)(gene expression)調(diào)控作用貫穿于細(xì)胞中遺傳信息的整個流通過程：轉(zhuǎn)錄、mRNA的后加工、mRNA的轉(zhuǎn)換、翻譯和酶作用過程。調(diào)控大多發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，即調(diào)控蛋白通過調(diào)節(jié)RNA聚合酶與啟動子的結(jié)合，影響RNA合成的數(shù)量來進(jìn)行調(diào)控。(一)調(diào)控的基本特點1有些基因始終表達(dá)，這類基因稱作組成型基因；而僅在需要時才表達(dá)的基因稱為誘導(dǎo)型基因。2調(diào)控是特異的。3調(diào)控系統(tǒng)中有檢測細(xì)胞當(dāng)前狀況的傳感途徑及產(chǎn)生反應(yīng)開啟(或關(guān)閉)基因轉(zhuǎn)錄的效應(yīng)途徑。4調(diào)控可以是正調(diào)控，也可以是負(fù)調(diào)控。正調(diào)

15、控由激活蛋白(也稱轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)蛋白，apoinducer)來啟動轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行。負(fù)調(diào)控的基因表達(dá)通常是開放的，除非有阻遏子(repressor)作用才會關(guān)閉。5基因可以處于多種調(diào)控系統(tǒng)的作用之下。(二)乳糖操縱子lac操縱子包括三個結(jié)構(gòu)基因：lacZ、lacY和lacA。它們共用一個啟動子Plac進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，分別依次編碼：-半乳糖苷酶、乳糖透過酶及乳糖轉(zhuǎn)乙酰酶。這些酶僅在培養(yǎng)基中有乳糖而缺乏葡萄糖的情況下才需要。因此lac操縱子在兩個水平上受到調(diào)控，一個為負(fù)調(diào)控系統(tǒng)，由阻遏子(LacI蛋白)在乳糖缺乏關(guān)閉基因；另一個為總體性的調(diào)控系統(tǒng)，即降解物阻遏(catabolite repression)，它只在葡

16、萄糖濃度下降到一定程度后才開放基因表達(dá)。(三)色氨酸操縱子trp(色氨酸)操縱子編碼在色氨酸合成中起作用的酶。該操縱子在多種不同的水平上進(jìn)行調(diào)控：它有一種負(fù)調(diào)控機制，其阻遏子叫輔助阻遏子(aporepressor，阻遏物蛋白又稱原阻遏物，無活性)，它只有在輔(助)阻遏物(corepressor) 色氨酸存在下才能抑制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行。而在色氨酸缺乏時，阻遏子失活基因表達(dá)。另外，色氨酸基因表達(dá)還受弱化子的調(diào)控，即在色氨酸存在時轉(zhuǎn)錄提前終止。四 蛋白質(zhì)細(xì)胞內(nèi)的遺傳信息決定多肽序列并組成蛋白質(zhì)，氨基酸序列決定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、受修飾的特征、在細(xì)胞內(nèi)外的位置及功能。(一)細(xì)胞中的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)由一條或多條具有三維

17、結(jié)構(gòu)的多肽鏈組成。多肽鏈由L型氨基酸通過肽鍵連成序列，有機體中的蛋白質(zhì)由相同的20種氨基酸組成。氨基酸的性質(zhì)和排列決定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。 ( 二)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)有四級結(jié)構(gòu)：1一級結(jié)構(gòu)靠肽鍵連接而成的氨基酸線性序列構(gòu)成了多肽。每條多肽鏈具有一個氨基末端(N-末端)和一個羧基末端(C-末端)。蛋白質(zhì)的最終結(jié)構(gòu)取決于組成它的氨基酸的側(cè)鏈基團(tuán)。2二級結(jié)構(gòu)多肽鏈中氨基酸間的氫鍵使蛋白質(zhì)表現(xiàn)出規(guī)律的構(gòu)象。最常見的結(jié)構(gòu)是-螺旋和-折疊。3三級結(jié)構(gòu)在氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)間不同的弱鍵作用下，蛋白質(zhì)形成三級結(jié)構(gòu)。弱鍵鞏固了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)：非極性基團(tuán)間的疏水作用、離子鍵、氫鍵、范德華力。 4四級結(jié)構(gòu) 當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)由一條以

18、上多肽鏈組成時，即為四級結(jié)構(gòu)。四級結(jié)構(gòu)的鍵與三級結(jié)構(gòu)的鍵相同。這些多肽鏈經(jīng)折疊、修飾形成最終的蛋白質(zhì)。(三)翻譯1.遺傳密碼在mRNA中三堿基序列叫做一個密碼子(codon)，編碼某種氨基酸。每一氨基酸可被1至6個密碼子編碼，有些密碼子是蛋白質(zhì)合成起始和終止的信號。遺傳密碼在生物系統(tǒng)中通用。tRNA上有三堿基序列叫做反密碼子(anticodon)，它可與mRNA上的密碼子序列配對，連于tRNA另一端的是相應(yīng)于密碼子的某個氨基酸。細(xì)胞中蛋白質(zhì)的合成過程被稱為翻譯(translation)。2.核糖體核糖體的作用是結(jié)合mRNA與tRNA的復(fù)合物，使氨基酸間形成肽鍵，保證蛋白質(zhì)合成的精確度。核糖體由大、小兩個亞基組成，其成分是rRNA和蛋白質(zhì)。核糖體及其中的mRNA分子大小常用沉降系數(shù)來表示。其數(shù)值與該物質(zhì)的大小、形狀及密度有關(guān)。原核與真核生物的核糖體在大小、亞基等方面有差異(表1-1)。某些作用于細(xì)菌核糖體的抗生素，對真核細(xì)胞無作用。表1-1 原核與真核生物核糖體的比較 核糖體原核生物(70S)真核生物(80S)核糖體亞基30S(小)50S(大)40S(小)60S