公衛(wèi)執(zhí)助輔導生物化學大綱基因信息的傳遞

1、第 九 單元基因信息的傳遞第一節(jié)DNA的生物合成DNA生物合成有DNA復制和反轉(zhuǎn)錄兩種方式。DNA復制是指遺傳物質(zhì)的傳代。復制是指以母鏈為模板合成子鏈DNA的過程。復制的分子基礎(chǔ)是堿基配對規(guī)律和DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。復制的化學本質(zhì)是酶促的生物細胞單核苷酸聚合。 一、復制基本規(guī)律1.半保留復制：DNA合成時，母鏈DNA解開為兩股單鏈，各自作為模板按堿基配對規(guī)律，合成與模板互補的子鏈。子代細胞的DNA，一股單鏈從親代完整的接受過來，另一股單鏈則完全重新合成，這種復制方式為半保留復制。2.半不連續(xù)復制： DNA復制時，兩條子鏈合成的情況不同，一條鏈連續(xù)合成，另一條鏈不連續(xù)合成。以復制叉向前移動的方向為標

2、準，一條模板鏈是5到3走向，在其上DNA能連續(xù)合成；另一條鏈模板鏈是3到5走向，在其上DNA也是5到3方向合成，但與復制叉方向正好相反，所以隨著復制叉的移動，形成許多不連續(xù)的片段，最后連成一條完整的DNA鏈。因此，這種復制方式為不連續(xù)復制。 3.雙向復制 ： 復制起始點：DNA復制在DNA特定的位點起始，叫復制起始點。原核生物只有一個復制起始點（單點復制），真核生物可有多個復制起始點（多點復制）。 復制子：復制起始點到復制終點形成一個復制單位。原核有一個復制子，真核有多個復制子，復制子之間形成“眼睛”結(jié)構(gòu)。多數(shù)為定點雙向復制。二、復制的酶學 （一）DNA聚合的參與物 1.原料：dNTP（dAT

3、P，dGTP，dCTP，dTTP）。2.模板：DNA兩條鏈分別做模板。 3.引物：小段寡核苷酸，多為RNA（提供3一0H末端）。 4.多種酶：DNA聚合酶、引物酶或RNA聚合酶、解螺旋酶、DNA拓撲異構(gòu)酶、單鏈DNA結(jié)合蛋白。5.Mg 2+（二） DNA聚合酶（DNA依賴的DNA聚合酶、DNA-pol） 1.原核生物DNA聚合酶 （1）原核生物DNA聚合酶有三種：DNA聚合酶I：切除引物、填補空隙，在修復合成中起主要作用DNA聚合酶：在復制中起主要作用的聚合酶（2）用蛋白水解酶將DNA pol l部分水解可得兩個片段：大片段（Klenow片段），75kD，活性：5-3聚合活性、3- 5外切活性

4、；小片段，36kD，活性：5-3外切活性。2.真核生物DNA聚合酶（1）真核生物復制延長中起主要催化作用的是DNA聚合酶。 （2）真核生物復制中起校讀、修復和填補引物缺口作用的聚合酶是DNA聚合酶。3.DNA聚合酶的反應(yīng)特點（1）以4種dNTP為底物； （2）反應(yīng)需要接受模板的指導，不能催化游離的dNTP的聚合；（3）反應(yīng)需有引物3一0H存在； （4）鏈延長方向5一3；（5）產(chǎn)物DNA的性質(zhì)與模板相同。（6）有校正糾錯的功能（三）引物酶或RNA聚合酶 細胞內(nèi)，DNA的復制需要引物（DNA或RNA），引物酶或RNA聚合酶可合成610個堿基的RNA引物。（四）解螺旋酶大腸桿菌的解螺旋酶利用ATP供

5、能，使DNA雙鏈解開成兩條單鏈。 （五）DNA拓撲異構(gòu)酶 1.拓撲異構(gòu)酶功能 松解超螺旋、防止打結(jié)。2.拓撲異構(gòu)酶分類：拓撲異構(gòu)酶I和，廣泛存在于原核生物和真核生物。 （1）拓撲異構(gòu)酶I：使DNA的一條鏈發(fā)生斷裂和再連接，反應(yīng)無須供給能量，主要集中在活性轉(zhuǎn)錄區(qū)，與轉(zhuǎn)錄有關(guān)。（2）拓撲異構(gòu)酶：使DNA的兩條鏈同時斷裂和再連接，當它引入超螺旋時需要由ATP供給能量。 （六）單鏈DNA結(jié)合蛋白復制叉上的解螺旋酶，沿雙鏈DNA前進，產(chǎn)生單鏈區(qū)，大量的單鏈DNA結(jié)合蛋白與單鏈區(qū)結(jié)合，阻止重新生成雙鏈和保護單鏈DNA不被核酸酶降解。即復制中維持模板的單鏈狀態(tài)并保護單鏈的完整 。 （七）DNA連接酶通過形成

6、磷酸二酯鍵，連接在互補基礎(chǔ)上的雙鏈DNA上的切口。三、DNA生物合成過程（一） 起始階段1.螺旋松弛與解鏈DNA解旋、解鏈、形成復制叉。參與酶：拓撲異構(gòu)酶、解鏈酶（解螺旋酶）、單鏈結(jié)合蛋白（SSB）。2.引發(fā)（合成RNA引物）復制起始點：DNA復制在DNA特定的位點起始，叫復制起始點。原核生物只有一個復制起始點，真核生物可有多個復制起始點。（1）復制叉在復制DNA雙螺旋分子的分叉處。（2）引物酶按著單鏈堿基互補合成RNA引物。原核生物復制時的RNA引物較長，真核生物的引物較短。（3）引發(fā)體 將與復制有關(guān)的基因命名為Dna，DnaB是解旋酶，DnaG是引物酶。DnaA，DnaB，DnaC，Dna

7、G和其他一些復制因子組成聚合體，再和DNA結(jié)合組成引發(fā)體。除去DnaG的聚合物叫引發(fā)前體，前體可反復和引物酶結(jié)合，合成引物。（二）鏈延長復制需同時滿足兩條鏈反向平行、新鏈從5 3 延長、邊解鏈邊復制。復制的延長指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式逐個加入引物或延長中的子鏈上，即按堿基互補原則新鏈不斷的延長。1.新合成鏈的延長方向：5端 3端。2.堿基配對雙鏈反向平行：AT，TA，GC，CG。3.半不連續(xù)復制：先導鏈（領(lǐng)頭鏈）連續(xù)合成、隨從鏈分段合成。（寫字板）復制時兩條鏈分別作模板，但方向相反。新鏈合成方向與母鏈解鏈方向相同 連續(xù)合成 領(lǐng)頭鏈新鏈合成方向與母鏈解鏈方向相反 不連續(xù)

8、合成 隨從鏈，合成岡崎片段。4.岡崎片段：復制中不連續(xù)片段被命名為岡崎片段。隨從鏈中的DNA片段。原核生物的岡崎片段較長，真核生物的岡崎片段較短。 （三）終止1.原核生物是環(huán)狀DNA，單復制子復制。從起始點開始進行雙向復制各進行180 0，同時在終止點上匯合。去除引物，填補空隙，連接岡崎片段形成完整DNA分子。 2.真核生物（1）染色體線性DNA分子末端有端粒結(jié)構(gòu)，需端粒酶完成終止。（2）端粒酶：由RNA和蛋白質(zhì)組成，RNA作為模板，蛋白組分催化末端DNA合成，故端粒酶實質(zhì)上屬于一種特殊的反轉(zhuǎn)錄酶。四、反轉(zhuǎn)錄（逆轉(zhuǎn)錄） 反轉(zhuǎn)錄是指以RNA為模板，即按照RNA中的核苷酸順序合成DNA的過程。這與

9、通常轉(zhuǎn)錄過程中遺傳信息流從DNA到RNA的方向相反。 逆轉(zhuǎn)錄酶RNA DNA（一）反轉(zhuǎn)錄病毒和反轉(zhuǎn)錄酶1.RNA病毒的基因組是RNA而不是DNA，其復制方式是反轉(zhuǎn)錄，也稱反轉(zhuǎn)錄病毒。2.反轉(zhuǎn)錄的信息流動方向：RNA-DNA3.反轉(zhuǎn)錄酶活性：RNA依賴的DNA聚合酶活性、DNA依賴的DNA聚合酶活性、RNA水解酶活性。4.反應(yīng)體系： RNA模板、原料（dNTP）、引物（tRNA）、反轉(zhuǎn)錄酶。（二）意義補充中心法則；揭示了反轉(zhuǎn)錄病毒的致癌機制；為基因工程提供工具和思路。 第二節(jié)RNA的生物合成 一、RNA的生物合成（轉(zhuǎn)錄）的概念轉(zhuǎn)錄是以DNA的一條鏈為模板，4種NTP為原料，在DNA指導的RNA聚

10、合酶 （DDRP）作用下，按堿基配對規(guī)律生成RNA鏈。二、轉(zhuǎn)錄體系的組成及轉(zhuǎn)錄過程（一）轉(zhuǎn)錄體系的組成1.原料、RNA聚合酶及其他蛋白因子。2.轉(zhuǎn)錄模板 轉(zhuǎn)錄是以DNA的一條鏈為模板。（1）模板鏈（Watson鏈） :是雙鏈DNA中按堿基配對規(guī)律能指引轉(zhuǎn)錄生成RNA的一股單鏈。（2）編碼鏈（Crick鏈） : 與模板鏈互補的單鏈，其堿基序列與mRNA基本相同（只有T和u的差別）。轉(zhuǎn)錄的堿基 互補規(guī)律：A-U、T-A、C-G。（3）不對稱轉(zhuǎn)錄：在DNA分子雙鏈上，一股鏈用作模板指引轉(zhuǎn)錄，而另一股鏈不轉(zhuǎn)錄；模板鏈并不總是在同一單鏈上。3.RNA聚合酶（1）原核生物RNA聚合酶原核生物的RNA聚合酶

11、只有一種，可以催化不同種類的RNA合成。RNA聚合酶由四種五個亞基構(gòu)成，亞基有各自的功能。原核生物的RNA聚合酶可被利福平抑制 （2）真核生物RNA聚合酶有多種，不同RNA由不同聚合酶催化生成。1）RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄生成rRNA2）RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄生成mRNA前體3）RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄生成小分子RNA（tRNA，5SrRNA，snRNA等）4.模板與酶的辨認結(jié)合：原核生物以RNA聚合酶全酶結(jié)合到DNA的啟動子上來啟動轉(zhuǎn)錄，其中由亞基辨認啟動子，其他亞基相互配合。（二）轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄過程包括起始、延長、終止。原核生物和真核生物的RNA-pol種類不同，結(jié)合模板的特性不一樣，轉(zhuǎn)錄起始過程有較大區(qū)別。1

12、.起始（1）s因子辨認轉(zhuǎn)錄起始點，RNA聚合酶與模板結(jié)合轉(zhuǎn)錄起始部位也稱啟動子。啟動子是在轉(zhuǎn)錄起始點上游的特殊堿基序列，一般包括RNA聚合酶識別、結(jié)合、起始轉(zhuǎn)錄的特殊序列，如TATA盒。原核生物啟動子原核生物轉(zhuǎn)錄起始復合物RNA-pol（ 2 ）-DNA-pppGpN-OH 3（2）DNA雙鏈解開，按堿基互補摻入核苷酸第一個磷酸二酯鍵生成，s亞基脫落。（3）真核生物轉(zhuǎn)錄起始前復合物（PIC） ：真核生物的轉(zhuǎn)錄起始上游區(qū)段比原核生物多樣化，轉(zhuǎn)錄起始時，RNA-pol不直接結(jié)合模板，需要先和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合。轉(zhuǎn)錄因子TFD的TBP亞基結(jié)合TATA，在TFA和B的促進和配合下，形成D-A-B-DNA復合

13、體。TFF結(jié)合RNA-pol進入啟動子的核心區(qū)TATA，、接著TFE和TFF進入而完成PIC的裝配。2.鏈延長鏈延長方向：5端-3端。RNA聚合酶在模板鏈的移動方向：3端-5端。堿基配對：AU，TA，GC，CG。（1）原核生物因子從全酶上脫離，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。1）酶和DNA結(jié)合較松，向前滑動，按與模板堿基配對不斷合成RNA。2）轉(zhuǎn)錄泡：RNA聚合酶所在區(qū)，有17個堿基對解鏈，有12個堿基對形成DNA-RNA雜交鏈，前后DNA都是雙鏈。3）RNA聚合酶核心酶、DNA和RNA組成的復合物，也叫轉(zhuǎn)錄復合物。（寫字板）4）為多順反子轉(zhuǎn)錄（1個啟動子，數(shù)

14、個結(jié)構(gòu)基因）。5）轉(zhuǎn)錄后一般不需特別加工。（2）真核生物1）真核生物RNA聚合酶不能直接與DNA結(jié)合，需與TFD等因子結(jié)合形成復合物。2）為單順反子轉(zhuǎn)錄（1個啟動子，1個結(jié)構(gòu)基因）。3）轉(zhuǎn)錄后需加工。3.終止（1）原核生物1）依賴因子（終止因子）的轉(zhuǎn)錄終止：因子與轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物結(jié)合，結(jié)合后因子和RNA聚合酶發(fā)生構(gòu)象改變，從而使RNA聚合酶停頓。2）非依賴因子的轉(zhuǎn)錄終止：轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的3端有多個連續(xù)的u，在連續(xù)u的5上游可形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)。（2）真核生物mRNA在修飾點處被切斷。轉(zhuǎn)錄終止的修飾點：讀碼框架下游的AATAAA序列，及再下游有相當多的GT序列。三、真核生物轉(zhuǎn)錄后修飾轉(zhuǎn)錄生成的RNA是初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。

15、真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄后，需進行首尾修飾，以及對mRNA鏈進行剪接。mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工1.首、尾的修飾“戴帽”：5端添加mGpppG一結(jié)構(gòu)?！凹游病保?端添加多聚腺苷酸（poly A）結(jié)構(gòu)。2.剪接去除“內(nèi)含子”和連接“外顯子”（1）內(nèi)含子：隔斷基因的線性表達而在剪接過程中被除去的核酸序列。（2）外顯子：在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達為成熟RNA的核酸序列。 3.化學修飾甲基化等。4.RNA編輯：是遺傳信息在轉(zhuǎn)錄水平發(fā)生改變，由一個基因產(chǎn)生不止一種蛋白質(zhì)。第三節(jié)蛋白質(zhì)生物合成一、蛋白質(zhì)的生物合成體系反應(yīng)體系：原料：20種氨基酸模板：mRNA場所：核糖體氨基酸的“搬運工具”：tRNA酶

16、與蛋白質(zhì)因子：氨基酰tRNA合成酶、轉(zhuǎn)肽酶起始因子、延長因子、終止因子能量：ATP、GTP無機離子：K+、Mg2+（一）翻譯模板mRNA及遺傳密碼1.mRNA是遺傳信息的攜帶者，是蛋白質(zhì)合成的直接模板?；靖拍睿海?）順反子：遺傳學將編碼一個多肽的遺傳單位稱順反子。（2）多順反子：原核細胞中數(shù)個結(jié)構(gòu)基因常串連為一個轉(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)。轉(zhuǎn)錄后一般不需特別加工。（3）單順反子：真核結(jié)構(gòu)基因的遺傳信息是不連續(xù)的，mRNA轉(zhuǎn)錄后需要加工，成熟才成為翻譯的模板，一個mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)。2. mRNA上存在遺傳密碼。（1）概念：密碼子：mRNA中每3個核苷酸組成一

17、組，代表相應(yīng)的氨基酸或翻譯起始、終止信號。起始密碼：5端AUG，編碼甲酰甲硫氨酸（細菌）或甲硫氨酸（高等動物）。終止密碼：UAA，UAG或UGA（不編碼相應(yīng)的氨基酸）。（2）密碼數(shù)量：64個，表示氨基酸的密碼有61個。（3）遺傳密碼的特點連續(xù)性：編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。 簡并性：多個密碼可編碼同一種氨基酸，即一種氨基酸可由多個密碼表示編碼同一種氨基酸的多個密碼稱同義密碼。其原因是由于密碼子與反密碼子之間存在不穩(wěn)定配對（擺動性或搖擺性）。通用性：蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。擺動性反密碼與密碼間不嚴格遵守常見的堿基配對規(guī)律，稱為擺

18、動配對。主要發(fā)生在密碼子的第3位（3端）與反密碼子的第1位之間（5端）。tRNA反密碼子第一個核苷酸（5端）與mRNA密碼子的第三個核苷酸（3端）配對時，除AU、GC外，還可有UG、IC、IA、IU等。 （二）核糖體是多肽鏈合成的裝置1.構(gòu)成（1）原核生物中的核糖體大小為70S，可分為30S小亞基和50S大亞基。由16S rRNA， 5S rRNA，23S rRNA和蛋白質(zhì)組成。（2）真核生物中的核糖體大小為80S，也分為40S小亞基和60S大亞基。由18S rRNA， 5S rRNA，28S rRNA，5.8S rRNA和蛋白質(zhì)組成。 2.功能 核糖體的大、小亞基分別有不同的功能。 （1）小

19、亞基可與mRNA、GTP和起始氨基酰tRNA結(jié)合。（2）大亞基具有轉(zhuǎn)肽酶活性；具有兩個不同的tRNA結(jié)合點。A位受位或氨?；?，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。 （三）tRNA與氨基酸的活化 tRNA在蛋白質(zhì)合成中攜帶氨基酸并保證氨基酸準確就位。 一種tRNA可攜帶一種氨基酸；而一種氨基酸可有數(shù)種tRNA攜帶，參與蛋白質(zhì)的合成。1.氨基酸的活化： 氨基酸的羧基與特異tRNA結(jié)合形成氨基酰一tRNA，連接位置是tRNA的3-C-C-A-OH,此過程由氨基酰一tRNA合成酶（特異識別氨基酸、tRNA）催化。2.起始肽鏈合成的氨基酰一tRNA 原核

20、生物：起始密碼只能辨認甲?；募琢虬彼?。 真核生物：與甲硫氨酸結(jié)合的tRNA至少有兩種。 3.通過密碼和反密碼的不穩(wěn)定配對使氨基酸運到準確的位置。 （四）蛋白質(zhì)因子 包括 啟動因子、延長因子、終止因子。二、蛋白質(zhì)生物合成過程翻譯過程從閱讀框架的5一AUG開始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長肽鏈，直至終止密碼出現(xiàn)。整個翻譯過程可分為起始，延長，終止。（一）肽鏈的合成起始 指mRNA和起始氨基酰一tRNA分別與核糖體結(jié)合而形成翻譯起始復合物。該過程需要多種起始因子和GTP參加。（參與該過程的多種蛋白質(zhì)因子稱為起始因子）1.原核生物翻譯起始復合物形成 （1）核糖體大小亞基分離。 （2）mRNA在

21、小亞基就位。 SD序列AGGA與16SrRNA 3端UCCU互補。SD序列：原核生物mRNA起始密碼AUG上游約813個核苷酸部位，存在49個核苷酸的一致序列，富含嘌呤堿基，如一AGGAGG一，為核糖體結(jié)合位點。 （3）起始氨基酰一tRNA的結(jié)合（甲酰蛋氨酰-tRNA）。 （4）核糖體大亞基結(jié)合。 2.真核生物翻譯起始復合物形成 （1）核糖體大小亞基分離。 （2）起始氨基酰一tRNA與小亞基結(jié)合 （蛋氨酰tRNA）。（3）mRNA在核蛋白體小亞基就位。 （4）核糖體大亞基結(jié)合。（二）肽鏈的延長 根據(jù)mRNA密碼序列的指導，依次添加氨基酸從N端向C端延伸肽鏈，直到合成終止的過程。 肽鏈的延長也稱

22、為核蛋白體循環(huán)。 核蛋白體循環(huán)： 肽鏈延長在核蛋白體上連續(xù)性循環(huán)式進行，每次循環(huán)增加一個氨基酸，包括以下三步： 進位、成肽、轉(zhuǎn)位。1.進位指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導，使相應(yīng)氨基酰-tRNA進入核蛋白體A位。該過程消耗GTP.堿基配對 除Au、Gc外，還可有uG、Ic、IA、Iu等。2.成肽是由轉(zhuǎn)肽酶催化的肽鍵形成過程。肽鏈合成方向N端 C端。3.移位 需要消耗GTP核糖體沿mRNA從5 3移動一個密碼的距離肽鏈長度預(yù)測：起始密碼AUG到終止密碼之間的密碼子數(shù)目。（三）肽鏈合成的終止 1.當核糖體A位出現(xiàn)mRNA的終止密碼后，終止因子（釋放因子） 與其結(jié)合，多肽鏈合成停止。2.轉(zhuǎn)肽酶起水解作用使肽鏈從肽酰一tRNA中釋放3.mRNA、核蛋白體大、小亞基等分離等分離，重新利用。釋放因子RF功能：識別終止密碼和誘導轉(zhuǎn)肽酶改變?yōu)轷ッ富钚云鹚庾饔?。進而使合成的肽鏈脫落并促進mRNA與核糖體分離。在體內(nèi)合成多肽鏈時是多核蛋白體循環(huán)。 多肽鏈合成后還需要剪切、側(cè)鏈修飾、亞