高中生物《遺傳信息的傳遞》學(xué)案3 浙科版必修2

1、遺傳信息的傳遞學(xué)習(xí)目標(biāo)2 掌握DNA的復(fù)制過(guò)程。3 掌握DNA、RNA和蛋白質(zhì)合成的原料和主要酶類。4 掌握遺傳信息的傳遞流程。5 理解DNA的修復(fù)種類和修復(fù)的意義。6 理解轉(zhuǎn)錄、翻譯的過(guò)程和蛋白質(zhì)合成與醫(yī)學(xué)的關(guān)系。7 了解轉(zhuǎn)錄后加工過(guò)程和轉(zhuǎn)錄的調(diào)控。DNA是遺傳的主要物質(zhì)，遺傳信息以堿基排列順序的方式貯藏在DNA分子中?；颍╣ene）是編碼生物活性物質(zhì)的DNA片斷。DNA通過(guò)復(fù)制把遺傳信息由親代傳遞給子代，通過(guò)轉(zhuǎn)錄將遺傳信息傳遞到RNA分子上，后者指導(dǎo)蛋白質(zhì)的生物合成，這一過(guò)程稱為翻譯。遺傳信息傳遞的這種規(guī)律稱為中心法則（central dogma）。70年代Temin和Baltimore

2、分別從致癌RNA病毒中發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶，可以RNA為模板指導(dǎo)DNA的合成，遺傳信息的傳遞方向和上述轉(zhuǎn)錄過(guò)程相反，故稱為逆轉(zhuǎn)錄（reverse transcription），并發(fā)現(xiàn)某些病毒中的RNA也可以進(jìn)行復(fù)制，這樣就對(duì)中心法則提出了補(bǔ)充和修正，修正與補(bǔ)充后的中心法則如圖11-l。 DNA為主導(dǎo)的中心法則是單向的信息流，體現(xiàn)了遺傳的保守性；補(bǔ)充修正后的中心法則，使RNA也處于中心地位，預(yù)示著RNA可能有更廣泛的功能。2 DNA的生物合成（復(fù)制）一、DNA的復(fù)制（一）DNA復(fù)制的方式Watson和Crick在提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型時(shí)即推測(cè)，在DNA復(fù)制過(guò)程中，兩條螺旋的多核苷酸鏈之間的氫鍵斷開(kāi)，然

3、后以每條鏈各作為模板在其上合成新的互補(bǔ)鏈。這樣新形成的兩個(gè)子代DNA分子與原來(lái)DNA分子的堿基順序完全相同。每個(gè)子代DNA分子的一條鏈來(lái)自于親代，而另一條鏈則是新合成的產(chǎn)物，這種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。1958年經(jīng)Messelson與Stahl實(shí)驗(yàn)證實(shí)了Watson和Crick的DNA半保留復(fù)制假說(shuō)。他們將細(xì)菌培養(yǎng)在以15NH4Cl為唯一氮源的培養(yǎng)基中，經(jīng)多代培養(yǎng)之后，細(xì)胞內(nèi)所有的DNA是含15N的重DNA，其密度比普通14NDNA的密度大，在密度梯度離心時(shí)，15NDNA形成的區(qū)帶在14NDNA形成的區(qū)帶下放。 然后把含15N的細(xì)菌轉(zhuǎn)入14N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，讓細(xì)胞生長(zhǎng)幾代，并在不同時(shí)間取樣進(jìn)行

4、分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，第一代之后，DNA只出現(xiàn)一條區(qū)帶，位于15NDNA和14NDNA之間，這條區(qū)帶的DNA是由14NDNA和15NDNA組成的。經(jīng)兩代之后，出現(xiàn)二條區(qū)帶，一條為 14NDNA，另一條為14N15NDNA。三代后，則14NDNA分子逐漸增多，而 14N15NDNA分子不再增加，這些結(jié)果及解釋可用圖112來(lái)表示，證明DNA的復(fù)制是以半保留復(fù)制的方式進(jìn)行的。 圖112 DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)圖解（二）參與DNA復(fù)制的酶類復(fù)制是在酶催化下的核苷酸聚合過(guò)程，需要多種酶和蛋白質(zhì)因子參與。 1DNA聚合酶 DNA聚合酶又稱 DNA指導(dǎo)的DNA聚合酶（DNA directed DNA poly

5、merase,DDDP）。在大腸桿菌提取液中發(fā)現(xiàn)了三種DNA聚合酶，分別稱為DNA聚合酶、 。它們都是以DNA為模板催化DNA合成的酶。DNA聚合酶是一條單鏈多肽，其功能有：催化DNA沿5à3方向延長(zhǎng)。具有3à5外切酶的活性。5à3外切酶活性。DNA聚合酶的作用尚不完全清楚。DNA聚合酶是復(fù)制時(shí)起主要作用的酶，催化反應(yīng)速度最快，每分鐘能催化9000個(gè)核苷酸聚合。在大腸桿菌體內(nèi)，大多數(shù)新的DNA鏈的合成都是由聚合酶所催化的。DNA聚合酶也有3à5核酸外切酶的活性，能切除錯(cuò)配的核苷酸。 在真核細(xì)胞中含有數(shù)種DNA聚合酶，主要有、等四種， DNA聚合酶和是DN

6、A復(fù)制時(shí)起主要作用的酶， DNA聚合酶有最強(qiáng)的核酸外切酶活性，DNA聚合酶存在于線粒體內(nèi)，參與線粒體DNA的復(fù)制。2引物酶 引物酶（primase）是一種特殊的RNA聚合酶。在DNA復(fù)制過(guò)程中，需要合成一小段RNA作為引物（primer），此RNA引物的堿基與DNA模板是互補(bǔ)的。引物酶即催化引物的合成。3解旋和解鏈酶類 細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制時(shí)必須先解開(kāi)DNA的超螺旋與雙螺旋結(jié)構(gòu)。解鏈酶、拓?fù)洚悩?gòu)酶、單鏈結(jié)合蛋白可完成該作用。 4.DNA連接酶 催化以氫鍵結(jié)合于模板DNA鏈的兩個(gè)DNA片段連接起來(lái)，但并沒(méi)有連接單獨(dú)存在的DNA單鏈的作用。 DNA連接酶不但是DNA復(fù)制所必需的，而且也是在DNA損傷的

7、修復(fù)及重組DNA中不可缺少的酶。 （三）DNA的復(fù)制過(guò)程1起始 DNA復(fù)制的起始先要解開(kāi)DNA雙螺旋，這主要靠解鏈酶和拓?fù)洚悩?gòu)酶使DNA先解開(kāi)一段雙鏈，形成復(fù)制點(diǎn)，由于每個(gè)復(fù)制點(diǎn)的形狀象一個(gè)叉子，故稱復(fù)制叉（replication fork）。由于單鏈結(jié)合蛋白的結(jié)合，引物酶以解開(kāi)DNA雙鏈的一段DNA為模板，以核苷三磷酸為底物，按53方向合成一小段RNA引物（5100個(gè)核苷酸）。引物3-OH末端就是合成新的 DNA的起點(diǎn)。圖11-3引生物化學(xué)與分子生物學(xué)P239圖12-8 2延伸 在RNA引物的3-OH末端，DNA聚合酶催化四種脫氧核苷三磷酸，分別以DNA的兩條鏈為模板，同時(shí)合成兩條新的DNA

8、鏈。由于DNA分子的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?，而新鏈的合成方向必須?3方向進(jìn)行，因此，新合成的鏈中有一條鏈合成方向與復(fù)制叉前進(jìn)方向一致，故合成能順利地（的）連續(xù)進(jìn)行，此鏈稱為領(lǐng)頭鏈；而另一條鏈合成方向與復(fù)制叉前進(jìn)方向相反，稱隨從鏈。隨從鏈?zhǔn)遣贿B續(xù)合成的，這些不連續(xù)的DNA片段稱岡崎片段。當(dāng)岡崎片段延長(zhǎng)至一定長(zhǎng)度，直到前一個(gè)RNA引物的5-末端為止，然后在DNA聚合酶的作用下，水解除去RNA引物，并依據(jù)模板的堿基順序，填補(bǔ)降解引物后留下的空隙。 3終止 復(fù)制叉中，領(lǐng)頭鏈可以不斷地延長(zhǎng)，隨從鏈?zhǔn)欠譃閷槠蝸?lái)延長(zhǎng)的。在DNA聚合酶的作用下，岡崎片段的引物被切除，并由DNA聚合酶催化填補(bǔ)空隙，此時(shí)第一個(gè)

9、片段的3-OH端和第二個(gè)片段的5-P端仍是游離的，DNA連接酶在這個(gè)復(fù)制的最后階段起作用，把片段之間所剩的小缺口通過(guò)生成磷酸二酯鍵而接合起來(lái)，成為真正連續(xù)的子鏈。 二、DNA的損傷與修復(fù)合成在DNA復(fù)制的過(guò)程中，DNA可能發(fā)生自發(fā)突變。環(huán)境因素，如電離輻射、紫外線照射、化學(xué)誘變劑及致癌病毒等也常能引起DNA分子的突變。DNA分子結(jié)構(gòu)的任何異常改變都可看作是DNA損傷。生物體內(nèi)有修復(fù)系統(tǒng)可使受損傷的DNA得以修復(fù)，以保持機(jī)體的正常功能和遺傳的穩(wěn)定性。如果損傷未能修復(fù)，可以導(dǎo)致生物體某些功能的缺失或死亡，也可以通過(guò)DNA的復(fù)制將變異傳給子代DNA，造成基因突變?；蛲蛔?cè)谖锓N的變異和進(jìn)化上有十分重

10、要的意義。基因突變也是分子病和細(xì)胞癌變的重要原因。（一）DNA的損傷某些物理及化學(xué)因素，如紫外線、電離輻射、化學(xué)誘變劑等，都能使DNA在復(fù)制過(guò)程中發(fā)生突變，這一過(guò)程叫DNA損傷。其實(shí)質(zhì)就是DNA分子上堿基改變?cè)斐蒁NA結(jié)構(gòu)和功能的破壞。主要機(jī)制如下： 1紫外線照射引起DNA分子中相鄰的胸腺嘧啶堿基之間形成二聚體，從而使DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄受到阻礙。 2某些化學(xué)誘變劑，例如堿基的類似物5-溴尿嘧啶和2-氨基嘌呤可摻入到DNA分子中，并引起特異的堿基轉(zhuǎn)換突變，干擾DNA的復(fù)制。 3抗生素及其類似物，如放線菌素D、阿霉素等，能嵌入DNA雙螺旋的堿基對(duì)之間干擾DNA的復(fù)制及轉(zhuǎn)錄。 此外還有脫氨基物質(zhì)、烷

11、化劑、亞硝酸鹽等均可阻礙DNA的正常復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。 （二）DNA損傷的修復(fù)5 光修復(fù) 可見(jiàn)光能激活光復(fù)活酶，催化胸腺嘧啶二聚體分解為單體。光復(fù)活酶幾乎存在于所有的生物細(xì)胞中(圖11-6)。圖11-6引生物化學(xué)與分子生物學(xué)P243圖12-10 2切除修復(fù) 是人體細(xì)胞內(nèi)DNA的主要修復(fù)機(jī)制，需要特異的核酸內(nèi)切酶、DNA聚合酶I和DNA連接酶等參與。其作用機(jī)制如圖11-7。圖11一7引生物化學(xué)與分子生物學(xué)P243圖12-113重組修復(fù) 當(dāng)DNA損傷范圍較大，復(fù)制時(shí)損傷部位不能作為模板指導(dǎo)子鏈的合成，即在子鏈上形成缺口。這時(shí)可以通過(guò)重組作用，將另一股正常的母鏈填補(bǔ)到該缺口，而正常母鏈上又出現(xiàn)了缺口，但因

12、有正常子鏈作為模板可在DNA聚合酶I和連接酶的作用下，使母鏈完全復(fù)原 (圖11-8) 。圖11-8引生物化學(xué)與分子生物學(xué)P244圖12-12DNA損傷的修復(fù)是生物體的一項(xiàng)重要功能。DNA修復(fù)能力的異?？赡芘c衰老和某些疾?。ㄈ缒[瘤）的發(fā)生有關(guān)。第二節(jié) RNA的生物合成（轉(zhuǎn)錄） 生物體以DNA為模板再合成一條與DNA鏈互補(bǔ)的RNA鏈，此過(guò)程即為轉(zhuǎn)錄。通過(guò)轉(zhuǎn)錄，生物體的遺傳信息由DNA傳遞給RNA。 DNA分子上的遺傳信息是決定蛋白質(zhì)氨基酸順序的原始模板，通過(guò)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA是蛋白質(zhì)合成的直接模板，指導(dǎo)合成mRNA的DNA區(qū)段稱為結(jié)構(gòu)基因，轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物還有tRNA和rRNA，他們不是翻譯的模板，但參

13、與蛋白質(zhì)的合成。 轉(zhuǎn)錄與復(fù)制有相似之處，如合成方向都是5à3，核苷酸都以磷酸二酯鍵連接，但仍有不同。主要區(qū)別如下： 1轉(zhuǎn)錄所用原料是四種三磷酸核苷（NTP）。 2轉(zhuǎn)錄中合成RNA時(shí)以尿嘧啶（U）與腺嘌呤（A）配對(duì)。 3不是DNA雙鏈中的兩股都可以轉(zhuǎn)錄，DNA雙鏈在轉(zhuǎn)錄中只有一條鏈起模板作用稱為模板鏈，與其互補(bǔ)的相應(yīng)鏈則不具備指導(dǎo)轉(zhuǎn)錄的作用稱為編碼鏈。DNA雙鏈分子包含許多基因，而各個(gè)基因的模板鏈不都在同一股DNA鏈上，這種現(xiàn)象稱為不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄。不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象說(shuō)明：當(dāng)DNA分子上一股鏈可轉(zhuǎn)錄時(shí)，另一股鏈不被轉(zhuǎn)錄；模板鏈并非永遠(yuǎn)在同一股鏈上。4參與轉(zhuǎn)錄的酶為RNA聚合酶，合成起始階段不需要

14、引物。1 RNA聚合酶RNA聚合酶又稱為DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶（DNA directed RNA polymerase，DDRP），原核細(xì)胞只有一種RNA聚合酶，由五個(gè)亞基（2）組成全酶。亞基功能是辨認(rèn)起始點(diǎn)，脫離了亞基的剩余部分2稱為核心酶。真核細(xì)胞RNA聚合酶有三種，分別為RNA聚合酶、，他們專一地轉(zhuǎn)錄不同的基因，產(chǎn)生不同的產(chǎn)物。2 轉(zhuǎn)錄的過(guò)程（一）起始階段 轉(zhuǎn)錄是在DNA模板的特殊部位開(kāi)始的，此部位稱為啟動(dòng)子，位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游。亞基無(wú)催化作用，與模板DNA啟動(dòng)子結(jié)合，能識(shí)別轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)。當(dāng)RNA聚合酶滑動(dòng)到起始位點(diǎn)后，RNA聚合酶與模板之間形成疏松復(fù)合物。進(jìn)入互補(bǔ)的第一、第二個(gè)三磷酸

15、核苷，在RNA聚合酶的催化下形成3，5-磷酸二酯鍵，同時(shí)釋放出焦磷酸，通常RNA鏈由ATP或GTP起始，所以ATP或GTP就成為RNA鏈的5-端。 （二）延長(zhǎng)階段 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)3,5-磷酸二酯鍵形成時(shí)，因子便脫落下來(lái)。RNA鏈的延伸即完全由核心酶催化。核心酶沿DNA模板鏈的3 à5方向移動(dòng)，按堿基配對(duì)原則合成RNA鏈，RNA鏈的延伸是按5à3方向進(jìn)行的。在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中，核心酶沿DNA模板鏈的3 à5方向推進(jìn)，待轉(zhuǎn)錄的DNA雙螺旋循序松解，轉(zhuǎn)錄完畢的DNA雙鏈又形成螺旋結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在DNA模板鏈上正在延伸的RNA鏈從5-末端開(kāi)始逐步地從DNA模板鏈上游離出來(lái)（圖1110）

16、。圖1110轉(zhuǎn)錄的延長(zhǎng)階段 （三）終止階段 待核心酶沿模板3 à5方向滑行到終止信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)錄即告終止。原核生物轉(zhuǎn)錄終止有二種類型：一種是不依賴因子的終止，由于終止區(qū)域富含CG堿基重復(fù)序列，使新合成的RNA鏈形成發(fā)夾樣結(jié)構(gòu)，阻止RNA聚合酶的滑動(dòng)，RNA鏈的延伸即終止；另一類是依賴因子的轉(zhuǎn)錄終止，因子進(jìn)入終止區(qū)域，能與RNA鏈結(jié)合，它能利用ATP水解釋放的能量使RNA鏈釋放。轉(zhuǎn)錄終止后，核心酶從DNA模板上脫落下來(lái)，與因子結(jié)合重新形成全酶，開(kāi)始一條新的RNA鏈合成。 圖1111 RNA合成過(guò)程示意圖引生物化學(xué)與分子生物學(xué)P253圖13-43 轉(zhuǎn)錄后的加工和修飾原核生物除tRNA外，RN

17、A分子從基因模板轉(zhuǎn)錄后就可以轉(zhuǎn)運(yùn)到核糖體上參與蛋白質(zhì)的合成。真核生物則不同，幾乎所有RNA轉(zhuǎn)錄的初級(jí)產(chǎn)物都需經(jīng)過(guò)一系列加工后才成為有生物活性的RNA分子。這一變化稱轉(zhuǎn)錄后的加工（posttranscriptional processing），加工過(guò)程包括鏈的斷裂、拼接和化學(xué)修飾。（一）mRNA前體的加工 真核生物mRNA的前體是核不均一RNA（hnRNA），轉(zhuǎn)錄后加工包括對(duì)其5-端和3-端的首尾修飾以及對(duì)hnRNA的剪接等。 1首、尾的修飾 真核生物mRNA的3 -末端加“帽”是在核內(nèi)進(jìn)行的，通過(guò)鳥(niǎo)苷酸轉(zhuǎn)移酶作用連接鳥(niǎo)苷酸，再進(jìn)行甲基化修飾，形成5m7GpppG“帽子”結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖11-12）。

18、mRNA 3-末端的多聚腺苷酸（polyA）也是轉(zhuǎn)錄后加上去的，先由特異的核酸外切酶切去3-末端一些核苷酸，然后在核內(nèi)多聚腺苷酸聚合酶催化下，在 3-端形成約為 30200個(gè) A的 polyA。2hnRNA的剪接 哺乳動(dòng)物細(xì)胞核內(nèi)的hnRNA分子中的核苷酸序列約有 50%75%不出現(xiàn)在胞漿的mRNA分子中，此部分插入序列無(wú)表達(dá)活性，稱為內(nèi)含子，在轉(zhuǎn)錄后加工中被切除；有表達(dá)活性的結(jié)構(gòu)基因序列稱為外顯子，在轉(zhuǎn)錄加工中相關(guān)的外顯子拼接起來(lái)，成為具有翻譯功能的模板。（圖 1112）圖1112引生物化學(xué)與分子生物學(xué)P256圖13-7（二）tRNA前體的加工 轉(zhuǎn)錄后的tRNA前體需經(jīng)過(guò)剪接、修飾等加工過(guò)程

19、才能成熟，成為具有特定生物活性的tRNA。其加工過(guò)程主要有以下步驟：剪切：分別在5-端和3-端切去一定的核苷酸序列以及tRNA反密碼環(huán)的部分插入序列；甲基化反應(yīng)：AàAm ,GàGm；還原反應(yīng)：尿嘧啶（U）還原為二氫尿嘧啶（DHU）脫氨基反應(yīng)；腺嘌呤（A）à次黃嘌呤（I）；堿基轉(zhuǎn)位反應(yīng)：Uà（假尿嘧啶核苷酸） 3-端切去多余堿基后，加上CCA-OH3，形成tRNA柄部結(jié)構(gòu)。 （三）rRNA前體的加工 真核細(xì)胞中rRNA前體為45SrRNA，經(jīng)加工生成28S、 18S與5.8SrRNA。它們?cè)谠嫁D(zhuǎn)錄中的相對(duì)位置是28SrRNA位于3-末端， 18SrRN

20、A靠近5-末端，5.8SrRNA位于兩者之間。另外，由RNA聚合酶催化合成的5SrRNA，經(jīng)過(guò)修飾與28SrRNA和5.8SrRNA及有關(guān)蛋白質(zhì)一起，裝配成核糖體的大亞基；而18SrRNA與有關(guān)蛋白質(zhì)一起，裝配成核糖體的小亞基（圖1113）。然后，通過(guò)核孔轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中。作為蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所，參與蛋白質(zhì)的合成。圖1113引生物化學(xué)與分子生物學(xué)P258圖13-8第三節(jié) 蛋白質(zhì)的生物合成生物體的生命活動(dòng)幾乎都是通過(guò)蛋白質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。蛋白質(zhì)生物合成的過(guò)程，就是DNA通過(guò)RNA到蛋白質(zhì)分子之間遺傳信息傳遞的過(guò)程，是生物體遺傳特征到生命活動(dòng)特征表現(xiàn)的過(guò)程。即遺傳信息貯存于DNA分子，通過(guò)轉(zhuǎn)錄成mRNA，由

21、mRNA傳遞的遺傳信息被翻譯成為蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序，因此蛋白質(zhì)生物合成過(guò)程，又稱為翻譯。一、參與翻譯的分子 （一）RNA在翻譯中的作用 1mRNA mRNA是結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，含有DNA的遺傳信息，是合成蛋白質(zhì)的直接模板。mRNA分子沿 5 à 3方向，從AUG開(kāi)始，每三個(gè)核苷酸為一組形成三聯(lián)體，組成一個(gè)遺傳密碼（genetic codon），這些密碼不僅分別代表20種氨基酸，而且還具有起動(dòng)信號(hào)和終止信號(hào)的作用。 遺傳密碼共64個(gè)（表11-3），具有以下特點(diǎn)： （1）簡(jiǎn)并性：即一個(gè)氨基酸具有兩種以上的密碼子，稱為密碼的簡(jiǎn)并性。 （2）連續(xù)性：mRNA分子中含有密碼子的區(qū)域稱為閱

22、讀框，其5-端是一個(gè)起始密碼，閱讀方向從5-端起點(diǎn)開(kāi)始，連續(xù)不斷地向3-端閱讀，直至終止密碼出現(xiàn)，如mRNA鏈上插入一個(gè)堿基或刪去一個(gè)堿基，就會(huì)導(dǎo)致讀碼錯(cuò)誤，由此引起的突變稱移碼突變。（3）擺動(dòng)性：密碼子與反密碼子的配對(duì)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不遵守堿基配對(duì)原則的現(xiàn)象，稱為遺傳密碼的擺動(dòng)性。該現(xiàn)象常見(jiàn)于密碼子的第三位堿基與反密碼子的第一位堿基雖不嚴(yán)格互補(bǔ)，也能相互辨認(rèn)。（4）通用性：目前這套密碼，基本上通用于生物界所有物種、近十年研究表明，在線粒體和葉綠體中的密碼與“通用密碼”有一些差別。2 tRNA tRNA是一類分子較小的RNA，內(nèi)含稀有堿基較多，是轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的工具，tRNA分子的反密碼環(huán)上的反密碼子與

23、mRNA上的密碼子配對(duì)，tRNA的3-末端CCAOH是氨基酸的結(jié)合位點(diǎn)，一種氨基酸可以和26種tRNA特異結(jié)合，所以tRNA可以通過(guò)反密碼子準(zhǔn)確地按照mRNA密碼子順序，使所攜帶的氨基酸“對(duì)號(hào)入坐”，密碼子與反密碼子配對(duì)時(shí)方向相反，如果都按5 à3方向排序，則反密碼子的第一個(gè)核苷酸與mRNA密碼子的第三個(gè)核苷酸配對(duì)。表113 遺傳密碼表因生物化學(xué)與分子生物學(xué)p264表14-1 3 rRNA rRNA分子與多種蛋白質(zhì)共同構(gòu)成核糖體的大小亞基，核糖體是蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所。小亞基有結(jié)合模板mRNA的功能，核糖體能沿著mRNA5 à3方向閱讀遺傳密碼；大亞基有轉(zhuǎn)肽酶活性，大亞基上

24、還有結(jié)合氨基酰-tRNA的部位（A位）和結(jié)合肽酰-tRNA的部位（P位）（圖11-14），核糖體的這些功能使其在蛋白質(zhì)合成過(guò)程中起了“裝配機(jī)”的作用。圖11-14 核糖體 （二）蛋白質(zhì)合成酶系 在蛋白質(zhì)生物合成過(guò)程中起主要作用的酶有： 1氨基酰-tRNA合成酶 在ATP的存在下，催化氨基酸活化，以便與tRNA結(jié)合，生成氨基酰-tRNA。此酶的特異性很高，每一種酶只催化一種特定的氨基酸與其相應(yīng)的tRNA結(jié)合。胞液中存在有20種以上的氨基酰-tRNA合成酶。 2轉(zhuǎn)肽酶 存在于核糖體大亞基上，是組成核糖體的蛋白質(zhì)成分之一，作用是使“P位”上肽酰-tRNA的肽?；D(zhuǎn)移至“A位”氨基酰-tRNA的氨基上

25、，使?；c氨基結(jié)合形成肽鍵，使合成的肽鏈延長(zhǎng)。 3轉(zhuǎn)位酶 此酶活性存在于延長(zhǎng)因子EF-G，在其作用下核糖體向mRNA的3-端移動(dòng)相當(dāng)于一個(gè)密碼子的距離，使下一個(gè)密碼子定位于A位。（三）其他因子 在蛋白質(zhì)合成的各階段還有多種重要的因子參與反應(yīng)： 1其它蛋白質(zhì)因子 如起始因子（IF）、延長(zhǎng)因子（EF）、終止因子或釋放因子（RF）； 2Mg2+、K+等無(wú)機(jī)離子；3ATP、GTP等供能物質(zhì)。二、蛋白質(zhì)生物合成的過(guò)程 （一）氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運(yùn)在蛋白質(zhì)分子中，氨基酸通過(guò)氨基與羧基互相連接形成肽鍵，但氨基與羧基的反應(yīng)性不強(qiáng)，必須經(jīng)過(guò)活化才能彼此相連。氨基酸與tRNA結(jié)合為氨基酰tRNA的過(guò)程稱為氨基酸的活化

26、。這一反應(yīng)是由氨基酰tRNA合成酶催化的，并由ATP供給能量。其反應(yīng)如下： tRNA的3-末端CCA-OH是氨基酸的結(jié)合位點(diǎn)。氨基酸與tRNA 3-末端游離的-OH以酯鍵相結(jié)合形成的氨基酰-tRNA，即為活化型的氨基酸。 （二）核糖體循環(huán)（翻譯過(guò)程）多肽鏈的合成是蛋白質(zhì)合成的中心環(huán)節(jié)。這一階段就是將mRNA所攜帶的遺傳密碼按一定順序逐個(gè)翻譯成氨基酸，并形成肽鏈的過(guò)程，因此常將這一階段稱為“翻譯”過(guò)程。該過(guò)程從核糖體大、小亞基在mRNA上聚合開(kāi)始，至核糖體解聚為兩個(gè)亞基離開(kāi)mRNA而告終；解聚后的大、小亞基又可重新聚合，開(kāi)始另一條肽鏈的合成。因此，又將翻譯過(guò)程稱為核糖體循環(huán)。一條多肽鏈在核糖體上

27、的酶促合成是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，為了敘述方便，通常分起始、延伸和終止三個(gè)階段來(lái)討論，以下是原核生物的翻譯過(guò)程。1起始階段 首先形成由核糖體的大小亞基、mRNA與甲酰蛋氨酰tRNA（fMettRNAfMet）共同構(gòu)成的70S起始復(fù)合物，形成過(guò)程需起始因子（IF1、IF2、IF3）以及GTP與Mg2+的參與（圖1115）。圖1115 核糖體循環(huán)（翻譯過(guò)程）的起始階段引生物化學(xué)與分子生物學(xué)P267圖14-1 起始階段最重要的是讓fMet-tRNAfMet準(zhǔn)確地結(jié)合在mRNA分子的起始密碼子AUG上。在形成的起始復(fù)合體中，mRNA結(jié)合于小亞基上，且起始密碼子AUG正位于小亞基上。借反密碼子UAC結(jié)合于起始

28、密碼子AUG上的fMet-tRNAfMet正處于大亞基的P位（肽位）上。A位（氨基酰位）的小亞基上是mRNA鏈上的第二個(gè)密碼子，該位置還空著，這樣就為肽鏈的延伸做好了準(zhǔn)備。 2延伸階段 在起始復(fù)合體的基礎(chǔ)上，各種氨基酰-tRNA按mRNA上密碼子的順序在核糖體上一一對(duì)號(hào)入座，由tRNA帶到核糖體上的氨基酰基依次以肽鍵相連接，直到新生肽鏈達(dá)到應(yīng)有的長(zhǎng)度為止。新生肽鏈每增長(zhǎng)一個(gè)氨基酸單位都要經(jīng)過(guò)進(jìn)位、轉(zhuǎn)肽和移位三步反應(yīng)（圖1116）。圖1116 延伸階段引生物化學(xué)與分子生物學(xué)P268圖14-2（1）進(jìn)位：按照mRNA鏈上位于核糖體A位的密碼子，氨基酰-tRNA對(duì)號(hào)入座，并通過(guò)反密碼子結(jié)合在mRNA

29、位于A位密碼子上。剛進(jìn)位的這個(gè)氨基酰-tRNA正好位于大亞基的A位上。這一反應(yīng)由蛋白質(zhì)性質(zhì)的延伸因子1（elongation factor1，EF1）催化，由GTP供能，Mg2+為輔助因子。（2）轉(zhuǎn)肽：大亞基上有轉(zhuǎn)肽酶存在，在該酶的催化下，P位上的肽酰-tRNA的肽?；ǖ谝淮窝由旆磻?yīng)為蛋氨?；┺D(zhuǎn)移到A位上氨基酰-tRNA的氨基酰基的氨基上形成肽鍵，并使新生肽鏈延長(zhǎng)一個(gè)氨基酸單位。該反應(yīng)需要Mg2+及K+。（3）移位：在蛋白質(zhì)性質(zhì)的延伸因子2（EF2）催化下，核糖體沿mRNA的3-末端移動(dòng)一個(gè)密碼子的距離。此時(shí)，原位于P位的密碼子離開(kāi)了P位，結(jié)合于該位密碼子上的空載tRNA也離開(kāi)了核糖體；原

30、位于A位上的密碼子連同結(jié)合于其上的肽酰-tRNA一起進(jìn)入P位；而與之相鄰的下一個(gè)密碼子進(jìn)入A位，為另一個(gè)氨基酰-tRNA進(jìn)位準(zhǔn)備了條件。移位消耗的能量由GTP供給，并需要Mg2+ 參與。新生肽鏈每增加一個(gè)氨基酸單位都需經(jīng)過(guò)上述三步反應(yīng)。由上述反應(yīng)可見(jiàn)，核糖體沿mRNA鏈從5 à3滑動(dòng)，這正是mRNA上密碼子的閱讀方向。肽鏈由氨基末端向羧基末端增長(zhǎng)。由氨基酸活化算起，新生肽鏈每增長(zhǎng)一個(gè)氨基酸單位要消耗四個(gè)高能磷酸鍵。多肽鏈合成的速度很快，據(jù)估算，每秒鐘可翻譯約40個(gè)密碼子，即每秒鐘可以使肽鏈延長(zhǎng)40個(gè)左右氨基酸殘基。3終止階段 當(dāng)肽鏈合成至A位上出現(xiàn)終止信號(hào)（UAA，UAG，UGA）時(shí)

31、，只有釋放因子（RF）能辨認(rèn)終止密碼，進(jìn)入A位。RF的結(jié)合可誘導(dǎo)轉(zhuǎn)肽酶變構(gòu)，使P位上的肽鏈被水解釋放下來(lái)，然后由GTP供能使tRNA及RF釋出，核糖體與mRNA分離，最終核糖體也解聚成大、小亞基。解聚后的大小亞基又可重新聚合形成起始復(fù)合物，開(kāi)始另一條肽鏈的合成，故此過(guò)程稱為核糖體循環(huán)。細(xì)胞內(nèi)合成多肽時(shí)并不是單個(gè)核糖體，而是多個(gè)核糖體相隔一定距離結(jié)合在同一條mRNA模板上，呈串珠狀排列，各自進(jìn)行翻譯，合成相同的多肽鏈，這就是多核糖體（圖 1117）。通過(guò)多個(gè)核糖體在一條mRNA上同時(shí)進(jìn)行翻譯，可以大大加快蛋白質(zhì)合成的速度，使mRNA得到充分的利用。圖 1117 多核糖體（三）翻譯后加工大多數(shù)新合

32、成的多肽鏈需要經(jīng)過(guò)一定的加工和修飾才具有生物活性，這種肽鏈合成后的加工過(guò)程稱翻譯后加工。主要包括以下幾方面：1肽鏈N-端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸切除，參與切除的酶是氨基肽酶。2部分肽段的水解切除，例如酶原的激活，就是在專一的蛋白酶作用下，肽鏈的某一處或多處被切除部分的肽段后，使分子構(gòu)象發(fā)生改變，從而形成酶的活性中心，使酶具有催化活性。 3氨基酸殘基的修飾，如絲氨酸、蘇氨酸羥基的磷酸化，脯氨酸、賴氨酸的羥基化，組氨酸的甲基化等。4二硫鍵的形成，在空間位置相近的兩個(gè)半胱氨酸之間氧化形成二硫鍵，維持蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。四、蛋白質(zhì)生物合成的調(diào)控 蛋白質(zhì)生物合成的調(diào)控，包括DNA水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平和翻譯

33、水平的調(diào)控，其中以轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控研究最多。操縱子學(xué)說(shuō)是轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控的經(jīng)典學(xué)說(shuō)。操縱子是由一組結(jié)構(gòu)基因，加上其上游的啟動(dòng)子和操縱基因組成。啟動(dòng)子是結(jié)合RNA聚合酶的部位，操縱基因是結(jié)合阻遏物的部位，位于啟動(dòng)子與結(jié)構(gòu)基因之間，它是RNA聚合酶能否通過(guò)的開(kāi)關(guān)。在操縱子的上游還存在調(diào)節(jié)基因，調(diào)節(jié)基因是通過(guò)調(diào)節(jié)阻遏蛋白的合成來(lái)控制操縱基因的開(kāi)關(guān)。 乳糖操縱子是最早研究發(fā)現(xiàn)的操縱子，該操縱子在大腸桿菌中調(diào)節(jié)乳糖代謝。在無(wú)乳糖存在時(shí)，調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，使RNA聚合酶不能通過(guò)操縱基因，困而結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄；當(dāng)大腸桿菌得到乳糖供應(yīng)時(shí)，乳糖作為誘導(dǎo)物與阻遏蛋白結(jié)合，并使阻遏蛋白發(fā)生變構(gòu)，使之失去

34、與操縱基因結(jié)合的活性，于是結(jié)合在啟動(dòng)子上的RNA聚合酶就能通過(guò)操縱基因到達(dá)結(jié)構(gòu)基因，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生mRNA，合成半乳糖苷酶、半乳糖通透酶及半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶，增加了對(duì)乳糖的利用。這種由誘導(dǎo)物開(kāi)放基因的調(diào)控方法，稱為誘導(dǎo)作用。當(dāng)培養(yǎng)基中存在葡萄糖時(shí)，上述誘導(dǎo)現(xiàn)象并不出現(xiàn)，這是因?yàn)榇竽c桿菌乳糖操縱子的表達(dá)，不僅需要誘導(dǎo)物以解除阻遏蛋白的阻遏作用，還需要其它調(diào)節(jié)蛋白的調(diào)節(jié)，其中主要是cAMP-分解代謝基因活化蛋白（cAMP-catabolite gene activator protein，cAMP-CAP）。當(dāng)cAMP濃度增高時(shí)，cAMP即與CAP結(jié)合成復(fù)合物，使CAP構(gòu)象改變成為活性形式，這種活性構(gòu)象使

35、其易與特異啟動(dòng)部位結(jié)合，由此使RNA聚合酶激活，并推動(dòng)RNA聚合酶前移，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。細(xì)胞內(nèi)cAMP水平與葡萄糖分解代謝有關(guān)，胞內(nèi)葡萄糖充足時(shí)，細(xì)菌總是先利用葡萄糖，cAMP水平下降，CAP促進(jìn)操縱子轉(zhuǎn)錄作用不會(huì)明顯；當(dāng)葡萄糖接近用盡，cAMP增加，同時(shí)由于乳糖誘導(dǎo)細(xì)菌的cAMP合成增加，cAMP-CAP復(fù)合物形成，能促進(jìn)乳糖操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，所以大腸桿菌的乳糖操縱子兼有正（cAMPCAP）、負(fù)（阻遏蛋白）雙重調(diào)節(jié)控制（圖1118）。圖11-18在原核生物中，其他類型的操縱子機(jī)制與乳糖操縱子大同小異，但這些機(jī)制不能用以說(shuō)明真核生物的調(diào)控原理。哺乳動(dòng)物真核細(xì)胞的基因調(diào)控比操縱子系統(tǒng)更為復(fù)雜。五、蛋白質(zhì)生物合成與醫(yī)學(xué)的關(guān)系 無(wú)論那種生物，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成出現(xiàn)障礙時(shí)，其生命活動(dòng)必受到嚴(yán)重影響。如人體內(nèi)只要個(gè)別蛋白質(zhì)的生物合成出現(xiàn)異常，對(duì)健康就會(huì)造成很大的危害。根據(jù)同樣的原理，用藥物抑制微生物的蛋白質(zhì)合成，可抑制其生長(zhǎng)與繁殖，以達(dá)到治療的目的。可見(jiàn)，蛋白質(zhì)的生物合成與醫(yī)學(xué)的關(guān)系甚為密切。 （一）分子病由于DNA分子上堿基的變化（基因突變），引起mRNA和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變異，導(dǎo)致體內(nèi)某些