分子生物學 第二章

第二章

生物信息的傳遞分子生物學第二章生物信息的傳遞DNA間的傳遞DNA的復制DNA到RNA的傳遞轉(zhuǎn)錄與剪接RNA到蛋白質(zhì)間的傳遞

蛋白翻譯與轉(zhuǎn)運

細胞信號傳遞

分子生物學第二章第一節(jié)DNA復制分子生物學第二章

生命延續(xù)的奧秘--DNA復制分子生物學第二章拓撲結(jié)構(gòu)問題1953年，Watson&Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)同年，提出復制的可能方式：

兩條母鏈均可作為模板來合成新的DNA鏈

半保留復制DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的難題—拓撲結(jié)構(gòu)問題：

復制時兩條鏈如何打開？

分子生物學第二章復制方式的假說彌散式復制半保留復制全保留復制

分子生物學第二章半保留復制的實驗證明—Meselson-Stahl實驗在含有15NH4Cl的培養(yǎng)基中培養(yǎng)大腸桿菌將細菌轉(zhuǎn)移到正常培養(yǎng)基（含14NH4Cl）分別于細菌分裂一次和兩次后取樣，密度梯度離心

分子生物學第二章復制方式的確定分子生物學第二章拓撲異構(gòu)酶—解旋酶解決了拓撲問題催化斷裂-再連接反應的酶。在DNA分子一條或兩條鏈上形成切口，通過切口解開螺旋。分子生物學第二章復制DNA的復制發(fā)生在細胞周期的S期起始延伸終止分子生物學第二章復制起始—雙向復制真核和原核基因組中形成兩個復制叉（復制眼），分別以一條鏈為模板，雙向復制每條鏈復制中，DNA合成方向相同：5’到3’兩條鏈復制行進的方向相反分子生物學第二章大腸桿菌復制起點復制起點oriC，長約254bp2個重復基序1）9核苷酸5拷貝DnaA蛋白結(jié)合位點結(jié)合30個DnaA2）13核苷酸3拷貝富含AT幾個解旋相關(guān)蛋白

DnaA,HU,DnaCDnaB解旋酶分子生物學第二章酵母復制起點自主復制序列ARS，不足200bp含四個具相似序列的亞結(jié)構(gòu)域：

A1+B1起始識別序列約40bp，為起始識別復合物（ORC)結(jié)合部位B2+B3與大腸桿菌復制起點相似結(jié)合ARS結(jié)合因子（ABF1)分子生物學第二章復制延伸在復制起點形成復制叉母代雙鏈中一條連續(xù)復制，稱前導鏈；一條不連續(xù)，稱滯后鏈（半不連續(xù)）DNA聚合酶引物分子生物學第二章參與DNA復制的DNA聚合酶細菌5個，其中DNA聚合酶III是復制酶真核生物9個，其中DNA聚合酶δ是復制酶分子生物學第二章后滯鏈非連續(xù)合成合成方向同前導鏈：5’到3’最初形成一些短的片段，稱岡崎片段

分子生物學第二章引物與引發(fā)酶RNA引物引發(fā)酶合成8-12bp的引物引發(fā)酶不是轉(zhuǎn)錄酶分子生物學第二章大腸桿菌復制需要多種蛋白的協(xié)作拓撲異構(gòu)酶、解旋酶(DnaB)：解旋復制酶：復制引發(fā)酶；提供引物單鏈結(jié)合蛋白（SSB)：穩(wěn)定打開的雙鏈

連接酶：連接岡崎片段其它蛋白分子生物學第二章大腸桿菌DNA復制終止存在終止序列：Tus蛋白識別位點Tus蛋白的不同結(jié)合方向控制了復制叉是否能夠通過分子生物學第二章DNA復制的特點半保留復制---DNA的兩條單鏈分別作為模板復制與之互補的單鏈;DNA的復制具有方向性,只能從5’→3’;DNA的兩條單鏈的復制是非對稱性的,3’鏈為連續(xù)復制,5’鏈為間斷復制;DNA的復制必需先在復制起始點合成一段引物.分子生物學第二章第二節(jié)轉(zhuǎn)錄與剪接分子生物學第二章細菌的轉(zhuǎn)錄調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始1）組成型控制：依賴于啟動子結(jié)構(gòu)2）調(diào)節(jié)型控制：操縱子學說，依賴于調(diào)解蛋白水平轉(zhuǎn)錄合成1）延伸階段2）終止階段無轉(zhuǎn)錄后加工分子生物學第二章細菌RNA聚合酶結(jié)構(gòu)：核心酶+σ亞基1）核心酶：α2ββ’2）σ亞基：啟動子特異性結(jié)合分子生物學第二章細菌啟動子結(jié)構(gòu)決定轉(zhuǎn)錄的基礎(chǔ)水平細菌啟動子共有序列是可變的1）-10框：T80A95T45A60A50T96

影響啟動子復合物從封閉向開放的轉(zhuǎn)換2）-35框：T82T84G78A65C54A45

影響σ亞基識別，從而影響RNA聚合酶結(jié)合轉(zhuǎn)錄起始點附近及轉(zhuǎn)錄單位前50個核苷酸序列影響轉(zhuǎn)錄起始后的延伸不同的基因可能有不同的最有效啟動子啟動子序列突變可能改變轉(zhuǎn)錄起始的基礎(chǔ)水平分子生物學第二章不同的σ亞基識別不同的啟動子σ70：標準σ亞基，指導大多數(shù)基因轉(zhuǎn)錄特定條件下其它σ亞基被激活分子生物學第二章非標準的σ亞基和其識別序列分子生物學第二章操縱子及其相關(guān)概念操縱子(operon)，指一組在基因組中彼此相鄰的基因，兩基因頭尾間可能僅隔一兩個核苷酸。操縱子的所有基因都作為一個單位表達。結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)，編碼非調(diào)控因子的基因。調(diào)控基因(regulatorgene)，編碼調(diào)控蛋白（阻抑物）的基因。阻抑物(repressor)，能阻止基因表達的蛋白質(zhì)，可與操縱基因結(jié)合來阻止轉(zhuǎn)錄。操縱基因(operator)，位于啟動子下游可與阻抑物結(jié)合的DNA元件，當與阻抑物結(jié)合后調(diào)節(jié)啟動子抑制轉(zhuǎn)錄，常為回文序列。誘導物(inducer)，通過與阻抑物結(jié)合激活基因轉(zhuǎn)錄的小分子物質(zhì)。分子生物學第二章乳糖操縱子操縱子：lacI;lacZ+Y+A結(jié)構(gòu)基因:lacZ+Y+A調(diào)控基因:lacI阻抑物:lacI編碼蛋白操縱基因:O啟動子：P調(diào)控物：異乳糖分子生物學第二章乳糖操縱子的調(diào)控分子生物學第二章輔阻抑物與色氨酸操縱子輔阻抑物(co-repressor)，結(jié)合到阻抑物上來抑制轉(zhuǎn)錄的小分子。分子生物學第二章轉(zhuǎn)錄的延伸階段：轉(zhuǎn)錄泡的形成轉(zhuǎn)錄中RNA聚合酶將兩條DNA鏈暫時分開，形成轉(zhuǎn)錄泡，接著使用其中的一條聯(lián)作為模板，指導合成互補的RNA。轉(zhuǎn)錄泡的長度是12-14bp，其中RNA-DNA雜合鏈的長度是8-9bp。分子生物學第二章轉(zhuǎn)錄的終止--兩種終止子（1）內(nèi)源性(固有性)終止子(intrinsicterminator)，在體外沒有任何其它因子的參與時，仍能終止轉(zhuǎn)錄的某些位點。特征：1）反向回文序列轉(zhuǎn)錄后形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，在發(fā)夾的基部有GC富含區(qū)；2）轉(zhuǎn)錄單元最末端連續(xù)6個U殘基。ρ-依賴性終止子(Rhodependentterminator)，需要ρ因子輔助。特征：1）形成發(fā)夾不如內(nèi)源性終止子牢固，但可以使RNA聚合酶暫停；2）ρ因子有解旋酶活性，當RNA聚合酶暫停時，它跟上并打開RNA-DNA堿基配對，釋放出轉(zhuǎn)錄物，終止轉(zhuǎn)錄。分子生物學第二章轉(zhuǎn)錄的終止--兩種終止子（2）分子生物學第二章延伸和終止的調(diào)控抗終止，抗終止蛋白結(jié)合到操縱子起始處附近的抗終止位點上，再與RNA聚合酶結(jié)合，使RNA聚合酶通過終止信號繼續(xù)轉(zhuǎn)錄。衰減作用，出現(xiàn)在與氨基酸的生物合成相關(guān)的酶的操縱子，如色氨酸操縱子中。

分子生物學第二章抗終止分子生物學第二章色氨酸操縱子的衰減作用分子生物學第二章色氨酸操縱子的衰減作用轉(zhuǎn)錄起始點與trpE基因間可形成兩個發(fā)夾：其中小的為終止信號，而大的更靠近起始點也更穩(wěn)定；兩發(fā)夾環(huán)位置重疊，一次只能形成一個；RNA聚合酶與RNA轉(zhuǎn)錄物5’端核糖體間相對位置決定形成哪一個發(fā)夾環(huán)：

若核糖體暫停，形成大發(fā)夾，繼續(xù)轉(zhuǎn)錄，并隨即翻譯成蛋白；

核糖體隨RNA聚合酶移動，會占據(jù)形成大發(fā)夾環(huán)莖部的位置，只能形成小發(fā)夾，終止轉(zhuǎn)錄。色氨酸的量可調(diào)節(jié)大小發(fā)夾環(huán)的形成；終止信號上游有一個可編碼14個氨基酸（內(nèi)含兩個色氨酸）的短ORF，色氨酸不足時蛋白質(zhì)合成停止，核糖體暫停，則聚合酶繼續(xù)轉(zhuǎn)錄，反之則終止。分子生物學第二章真核細胞轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始1）激活物2）阻抑物轉(zhuǎn)錄合成1）啟動子清除、脫離與加帽反應2）延伸因子3）合成終止與多聚腺苷酸化轉(zhuǎn)錄后加工：內(nèi)含子剪接分子生物學第二章激活物(activator)激活轉(zhuǎn)錄起始的蛋白質(zhì)可能結(jié)合于啟動子區(qū)域，影響單個基因的轉(zhuǎn)錄，也可能結(jié)合于增強子區(qū)域，影響多個基因的轉(zhuǎn)錄可與前起始復合物相互作用，作用的部位稱為激活域(activationdomain)。激活域的常見結(jié)構(gòu)包括：1）酸性結(jié)構(gòu)域，富含Asp和Glu2）富含Gln的結(jié)構(gòu)域3）富含Pro的結(jié)構(gòu)域分子生物學第二章阻抑物對于真核生物轉(zhuǎn)錄起始，激活物是主體，阻抑物相對較少大多結(jié)合于上游啟動子或沉默子根據(jù)所處環(huán)境不同，一些蛋白可能既有激活作用又有阻抑作用，如NC2對于有TATA框的啟動子起抑制作用，而對無TATA框的啟動子有激活作用阻抑物可能與前起始復合物相互作用分子生物學第二章真核轉(zhuǎn)錄真核與原核RNA聚合酶具有結(jié)構(gòu)上的相似性真核轉(zhuǎn)錄的三個結(jié)構(gòu)特征：1）5’端加帽2）3’端加尾3）內(nèi)含子剪接合成與加工同時延伸因子的存在分子生物學第二章啟動子清除、脫離與加帽反應啟動子清除，前起始復合物向開始合成的復合體過渡啟動子脫離，聚合酶離開啟動子，形成轉(zhuǎn)錄物加帽發(fā)生于轉(zhuǎn)錄物達30bp前。分子生物學第二章加帽反應加一個G到5’端—鳥苷酸轉(zhuǎn)移酶G甲基化---鳥嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶帽子結(jié)構(gòu)在不同生物中甲基化程度不同。分子生物學第二章延伸因子真核轉(zhuǎn)錄物更長，需要延伸因子來幫助聚合酶以保持轉(zhuǎn)錄復合物穩(wěn)定分子生物學第二章合成終止與加尾反應Poly(A)聚合酶是加尾酶3’端內(nèi)部切斷，再加尾加尾信號AATAAA,位于加尾處上游10-30bp切割處為CA，其后有富含GU區(qū)輔助因子：CPSF與CstF加尾與終止同時分子生物學第二章內(nèi)含子剪接內(nèi)含子類型GU-AG內(nèi)含子的保守剪接位點序列內(nèi)含子剪接途徑：套索結(jié)構(gòu)剪接裝置的中心是細胞核小RNA(snRNA)選擇性剪接分子生物學第二章內(nèi)含子類型分子生物學第二章GU-AG內(nèi)含子的保守剪接位點序列剪接位點：外顯子—內(nèi)含子交界處序列5’端含GU：5’-AG↓GUAAGU-3’(供體位點)3’端含AG：5’-PyPyPyPyPyPyNCAG↓-3’(受體位點,Py：C或U)分子生物學第二章內(nèi)含子剪接途徑—套索結(jié)構(gòu)分支位點，內(nèi)含子內(nèi)部的含A位點，序列在酵母中完全保守為：5’-UACUAAC-3’，在動物中為5’-PyNPyPyPuAPy-3’5’剪接位點被剪開，內(nèi)含子5’端連接到分支位點A的2’位置，形成套索3’剪接位點被剪開，內(nèi)含子以套索形式釋放，左右外顯子相連分子生物學第二章剪接裝置的中心是細胞核小RNA(snRNA)剪接裝置/剪接體，參與剪接的非mRNA裝置，包括核小核糖核蛋白snRNP(snRNA+蛋白)和其他相關(guān)蛋白。中心組分：五種snRNA(U1、2、4、5、6)待命復合體：起始剪接。U1+SF1等前剪接復合物：與分支位點結(jié)合。待命+U2剪接體：3’剪接點套索。前剪接+U4/5/6分子生物學第二章選擇性剪接使轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組比基因組更復雜分子生物學第二章第三節(jié)

蛋白質(zhì)合成分子生物學第二章蛋白質(zhì)合成三種RNA1)mRNA：密碼子，指導蛋白質(zhì)合成2)tRNA：反密碼子，識別并轉(zhuǎn)運氨基酸3)rRNA：核糖體的主要成分三個過程1)翻譯的起始2)肽鏈的延伸3)翻譯的終止分子生物學第二章mRNA與密碼子mRNA上每3個核苷酸翻譯成蛋白質(zhì)多肽鏈上的1個氨基酸，稱為密碼子(codon)。

分子生物學第二章密碼子特性連續(xù)性：一個接一個兼并性：多個密碼子對應某一個氨基酸同義密碼子通用性：多物種通用、多細胞通用、多基因通用特殊密碼子起始密碼子(AUG)，也編碼甲硫氨酸(Met)終止密碼子(UAA,UAG,UGA)

分子生物學第二章tRNA與反密碼子tRNA三葉草結(jié)構(gòu)受體臂連接氨基酸(氨酰化)反密碼子臂與mRNA配對分子生物學第二章密碼子—反密碼子相互作用特異性

密碼子與反密碼子配對擺動性

密碼子第三個核苷酸與反密碼子第一個核苷酸配對不嚴格1)G-U配對2)反密碼子中第1位的次黃嘌呤(I)可與A、C、U配對分子生物學第二章rRNA與核糖體核糖體是把氨基酸組裝成蛋白質(zhì)的工廠rRNA是核糖體的主要成分之一核糖體可以解離成大小兩個亞基分子生物學第二章核糖體有三個tRNA結(jié)合位點A位點：新到來的氨酰tRNA結(jié)合位點P位點：肽酰tRNA結(jié)合位點E位點：去氨酰tRNA釋放位點所以tRNA在核糖體中的移動順序是A到P到E（與mRNA方向相同）。分子生物學第二章翻譯因子參與了蛋白質(zhì)的合成起始因子：細菌IF；真核eIF延伸因子：細菌EF;真核eEF釋放因子：細菌RF；真核eRF核糖體再循環(huán)因子：細菌RRF分子生物學第二章翻譯起始細菌和真核生物翻譯方式上的主要差別階段細菌：翻譯起始復合體直接建立在起始密碼子上mRNA序列上有核糖體結(jié)合位點真核：間接定位起始位點需要帽子結(jié)構(gòu)和polyA尾介導

分子生物學第二章細菌SD序列細菌mRNA中核糖體結(jié)合位點，與核糖體16SrRNA結(jié)合位于起始密碼子上游3-10核苷酸之間分子生物學第二章細菌翻譯起始分子生物學第二章真核生物翻譯起始前起始復合體組裝前起始復合體：40S亞基+起始tRNA+起始因子帽結(jié)合復合體（起始因子）使前起始復合體結(jié)合于mRNA5’端polyA結(jié)合蛋白（PAB)與帽結(jié)合復合體一起時前起始復合體結(jié)合于mRNA5’端分子生物學第二章真核生物翻譯起始分子生物學第二章翻譯延伸氨酰tRNA結(jié)合到A位（氨酰tRNA*EF-Tu*GTP復合體)與P位氨基酸形成肽鍵易位（EF-G*GTP)脫酰化tRNA，EF-G，GDP釋放分子生物學第二章翻譯終止終止反應本身需要從最后一個肽酰-tRNA上釋放肽鏈終止后反應需要釋放tRNA和mRNA，并解聚核糖體

分子生物學第二章第三節(jié)

蛋白質(zhì)的加工與命運分子生物學第二章蛋白質(zhì)加工折疊，需要分子伴侶水解，

蛋白酶前肽的剪切

信號肽切除

多蛋白水解加工化學修飾低等生物內(nèi)含肽剪切分子生物學第二章蛋白質(zhì)折疊：正確的三級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的變性(去折疊、不正確折疊)與復性(正確折疊)某些小分子蛋白當去除變性劑時具有自動折疊的能力分子生物學第二章大分子蛋白質(zhì)常常不能自發(fā)折疊當變性劑去除后，這些蛋白具有形成不溶性聚合體的趨勢。這是因為在一般折疊途徑的第一步，多肽試圖避免其疏水集團與水接觸，這時多肽會形成相互糾纏的網(wǎng)絡(luò)。大蛋白傾向于陷入無效的折疊支路中，即形成不正確折疊的可能更大，且所形成的不正確折疊太過穩(wěn)定。