生物化學(xué) 第10章 遺傳信息的傳遞

遺傳信息的傳遞

基因（gene）

DNA分子上為生物活性物質(zhì)編碼的功能片段中心法則（centraldogma）遺傳信息傳遞方向的規(guī)律第1節(jié)DNA的生物合成

DNA的復(fù)制、反轉(zhuǎn)錄、修復(fù)在新合成的子代DNA分子中一條鏈來自親代，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

一、DNA的復(fù)制（一）DNA復(fù)制的方式半保留復(fù)制

semiconservativereplication

AGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATC親代子代（二）參與DNA復(fù)制的物質(zhì)模板親代DNA的兩條單鏈底物

dATP

、dGTP

、dCTP

、dTTPDNA聚合酶解旋、解鏈酶類引物酶DNA連接酶解旋、解鏈酶類解鏈酶(helicase)解開DNA雙鏈中氫鍵，消耗ATP單鏈DNA結(jié)合蛋白（single-strandedDNA-bindingprotein）與DNA單鏈結(jié)合，維持復(fù)制中模板的單鏈狀態(tài)防止核酸酶對(duì)DNA單鏈進(jìn)行水解，保護(hù)單鏈完整拓?fù)洚悩?gòu)酶（topoisomerase)復(fù)制前：松弛DNA超螺旋，克服扭結(jié)現(xiàn)象復(fù)制后：形成超螺旋（需ATP供能）引物酶(primase)DNA復(fù)制時(shí)需要合成一小段RNA作為引物（primer)引物酶催化合成引物合成原料：ATP、GTP、CTP、UTP合成方向5’→3’DNA聚合酶（DNApolymerase)DNA聚合酶的作用特點(diǎn)：按堿基互補(bǔ)規(guī)律，以5/→3/方向延伸DNA鏈原核DNA聚合酶①polⅠ：3′→5′外切酶活性，參與DNA修復(fù)校正5′→3′外切酶、聚合酶活性，②polⅡ：功能尚不清楚，聚合酶Ⅰ、III缺失時(shí)暫時(shí)起作用③polⅢ：復(fù)制時(shí)起主要作用的酶具3/-5/核酸外切酶活性，校正作用真核DNA聚合酶α、β、γ、δ、ε五種5′→3′聚合活性α兼有引物酶的作用DNA連接酶(DNAligase)連接DNA的3’-OH和另一DNA鏈的5’-磷酸形成3/，5/-磷酸二酯鍵（三）DNA的復(fù)制過程1、起始階段形成復(fù)制叉引物酶催化合成RNA引物DNA復(fù)制示意圖拓?fù)洚悩?gòu)酶解鏈酶5/3/3’5’5’單鏈DNA結(jié)合蛋白引物酶RNA引物5’3’3’（三）DNA的復(fù)制過程2、延長(zhǎng)階段A--T、G--C堿基配對(duì)規(guī)則領(lǐng)頭鏈和隨從鏈岡崎片段DNA復(fù)制示意圖拓?fù)洚悩?gòu)酶解鏈酶5/3/3/5/3/5/DNA聚合酶Ⅲ單鏈DNA結(jié)合蛋白DNA聚合酶Ⅰ領(lǐng)頭鏈隨從鏈DNA連接酶岡崎片段引物酶RNA引物（三）DNA的復(fù)制過程3、終止階段水解引物DNA連接酶連接缺口二、反轉(zhuǎn)錄(reversetranscription)概念：以RNA為模板合成DNA的過程酶：反轉(zhuǎn)錄酶

以RNA為模板合成DNA

水解RNA-DNA雜交鏈以DNA為模板合成DNA反轉(zhuǎn)錄酶----------------------------------------RNaseH----------------------------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------cDNA整合入宿主細(xì)胞DNA分子中病毒RNARNA-cDNA

雜交體cDNA雙股cDNA宿主細(xì)胞DNA分子整合了cDNA的宿主細(xì)胞DNA分子反轉(zhuǎn)錄酶意義：擴(kuò)充了中心法則基因工程重要的工具酶反轉(zhuǎn)錄過程三、DNA的修復(fù)合成

（一）DNA損傷的類型點(diǎn)突變(pointmutation)（堿基錯(cuò)配）轉(zhuǎn)換(transition)：AG或CT

顛換(transversion)：嘌呤堿嘧啶堿移碼突變(frameshiftmutation)缺失或插入1個(gè)或幾個(gè)核苷酸二聚體形成（二）DNA損傷的修復(fù)光修復(fù)切除修復(fù)重組修復(fù)SOS修復(fù)光修復(fù)紫外輻射DNA鏈上兩個(gè)胸腺嘧啶殘基間形成二聚體光修復(fù)酶切除修復(fù)

主要修復(fù)方式核酸內(nèi)切酶DNApolⅠ，DNAligase重組修復(fù)

見于DNA損傷

范圍較大時(shí)第2節(jié)

RNA的生物合成轉(zhuǎn)錄

生物體以DNA為模板合成RNA的過程一、參與轉(zhuǎn)錄的主要物質(zhì)模板底物RNA聚合酶終止因子轉(zhuǎn)錄模板轉(zhuǎn)錄的模板：某條DNA單鏈中的某一區(qū)段模板鏈：DNA雙鏈中被轉(zhuǎn)錄的那條鏈編碼鏈：與模板鏈對(duì)應(yīng)的另一條鏈DNA5′……GGAGTACATGTC…3′（編碼鏈，+,）

3′……CCTCATGTACAG…5′（模板鏈，-，）↓（轉(zhuǎn)錄）5′……GGAGUACAUGUC……3′

mRNA

↓（翻譯）

N……Ala…Val…His…Val…C多肽

5/3/3/5/不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄：

1、DNA分子上只有一條鏈可轉(zhuǎn)錄2、模板鏈并非永遠(yuǎn)在同一條單鏈上RNA合成方向：5/→3/不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄（asymmetrictranscription）底物RNA聚合酶的底物（RNA合成的原料）：

ATP、GTP、CTP、UTPRNA聚合酶全酶=核心酶+σ因子二、轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄起始2、轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)3、轉(zhuǎn)錄終止（原核生物）②催化形成第一個(gè)3/，5/-磷酸二酯鍵（第一個(gè)核苷酸總是GTP或ATP）①σ因子識(shí)別、結(jié)合啟動(dòng)子-10核苷酸——TATAAT（Pribnow盒）富含AT-35核苷酸——TTGACA啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄起始(transcriptioninitiation)核心酶催化按堿基互補(bǔ)配對(duì)（A-UT-AC-G）原則沿5/-3/方向延伸RNA鏈2、轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)(transcriptionelongation)終止不依賴ρ因子的終止依賴ρ因子的終止terminator3、轉(zhuǎn)錄終止（transcriptiontermination）不依賴ρ因子的終止1、GC豐富，重復(fù)序列2、形成發(fā)夾樣結(jié)構(gòu)依賴ρ因子的終止三、轉(zhuǎn)錄后的加工轉(zhuǎn)錄過程中的5/端加帽與3/端加尾的修飾5’端加帽7-甲基鳥苷三磷酸

3’端加尾多聚腺苷酸非均一核RNA（hnRNA）

：轉(zhuǎn)錄生成的初級(jí)mRNAhnRNA的拼接

切除內(nèi)含子(intron)，拼接外顯子(exon)非編碼序列編碼序列（一）mRNA轉(zhuǎn)錄后的加工（二）tRNA轉(zhuǎn)錄后的加工1、剪切2、堿基的化學(xué)修飾3、添加氨基酸臂（3’端CCA-OH）（三）rRNA前體的加工

DNA和RNA生物合成的比較

復(fù)制轉(zhuǎn)錄模板

DNA兩條鏈模板鏈原料

dNTPNTP酶DNA聚合酶RNA聚合酶產(chǎn)物雙鏈DNAmRNAtRNArRNA配對(duì)A-TG-CA-UT-AG-C第3節(jié)

蛋白質(zhì)的生物合成翻譯

生物體以mRNA為模板合成蛋白質(zhì)的過程一、參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì)RNA(mRNAtRNArRNA）原料：氨基酸酶其他因子（蛋白質(zhì)因子、ATP和GTP、無機(jī)離子）

1、mRNA——翻譯的直接模板CAACUGCAGACAUAUAUGAUACAAUUUGAUCAGUAU5/3/-Gln-Leu-Gln-Thr-Tyr-Met-Ile-Gln-Phe-Asp-Gln-Tyr-（一）RNAmRNA分子上沿5/-3/方向，每三個(gè)連續(xù)的核苷酸組成一個(gè)三聯(lián)體，稱密碼子或遺傳密碼共有64種

61種編碼20種氨基酸起始密碼：AUG

編碼甲硫氨酸3種UAA、UAG、UGA終止密碼

遺傳密碼：遺傳密碼表第一堿基（5/-端）第二堿基第三堿基（3/-端）終止終止**在mRNA起始部位的AUG為起始信號(hào)簡(jiǎn)并性方向性擺動(dòng)性通用性連續(xù)性遺傳密碼的特點(diǎn)多種密碼子編碼同一種氨基酸同義密碼第1、2位第3位決定密碼的特異性擺動(dòng)方向性：5/——3/擺動(dòng)性：密碼子的第3位和反密碼子的第1位不嚴(yán)格互補(bǔ)通用性：適用于所有物種連續(xù)性：各密碼子連續(xù)無中斷簡(jiǎn)并性：擺動(dòng)性沿5/-3/方向連續(xù)閱讀插入堿基缺失堿基移碼突變連續(xù)性：2、tRNA——轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的工具Ser5’Tyr5’密碼子與反密碼子的配對(duì)反密碼子識(shí)別密碼子（tRNA）（mRNA）3、核糖體——蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所rRNA+蛋白質(zhì)核糖體（核蛋白體）大亞基小亞基小亞基結(jié)合mRNAS-D序列5’3’小亞基大亞基P位：結(jié)合肽酰-tRNA的部位A位：結(jié)合氨基酰-tRNA的部位E位：卸載tRNA的排出部位（二）蛋白質(zhì)合成的重要酶類氨基酰-tRNA合成酶轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)位酶（三）其他因子其他蛋白質(zhì)因子：起始因子（IF）延長(zhǎng)因子（EF）釋放因子（RF）Mg2+、K+等無機(jī)離子。能源物質(zhì)二、蛋白質(zhì)生物合成的過程mRNA中堿基的排列順序蛋白質(zhì)中的氨基酸的排列順序翻譯起始延長(zhǎng)終止進(jìn)位成肽轉(zhuǎn)位

（一）氨基酸的活化氨基酸+ATP+tRNA氨基酰-tRNA合成酶氨基酰-tRNA+AMP+PPi（二）核糖體循環(huán)——起始階段起始復(fù)合體大亞基mRNA甲酰甲硫氨酰-tRNA小亞基IF-1，2，3GTP（二）核糖體循環(huán)——延長(zhǎng)階段進(jìn)位成肽轉(zhuǎn)位1、延長(zhǎng)因子（EF）、轉(zhuǎn)肽酶、轉(zhuǎn)位酶2、GTP條件：過程：進(jìn)位

延伸因子（EF）催化

GTP供能成肽轉(zhuǎn)肽酶催化轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)位酶催化（二）核糖體循環(huán)——終止階段A位上出現(xiàn)終止密碼（UAA、UAG、UGA），在釋放因子（RF）、GTP及轉(zhuǎn)肽酶作用下，多肽鏈水解（三）蛋白質(zhì)生物合成后的加工肽鏈N-端(甲酰甲硫氨酸)的切除個(gè)別氨基酸的化學(xué)修飾羥基化、甲基化