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文檔簡介

遺傳信息的傳遞與表達第一頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二

DNA是生物體的遺傳物質(zhì),DNA分子中特定的核苷酸順序決定著生物體的遺傳特征。

基因組:一個生物體的全部基因。某一物件只有一套基因組,除性細(xì)胞外,每個細(xì)胞包含機體全套基因組。

基因:核酸分子上具有一定結(jié)構(gòu)、功能并能編碼基因產(chǎn)物(蛋白質(zhì)、RNA)的一段核苷酸序列。按基因產(chǎn)物不同將基因分為蛋白質(zhì)基因和RNA基因;按基因功能不同將基因分為結(jié)構(gòu)基因(包括酶、結(jié)構(gòu)蛋白、其它不影響基因表達的蛋白基因)和調(diào)節(jié)基因(包括阻礙蛋白、激活蛋白的基因)。分子遺傳學(xué)的一些重要概念:第二頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二

復(fù)制:是以親代DNA為模板,合成子代DNA。將親代DNA分子的遺傳信息準(zhǔn)確傳遞到子代DNA分子的過程。

轉(zhuǎn)錄:是以DNA為模板合成RNA。將DNA分子中的遺傳信息傳遞給RNA的過程。

翻譯:是以mRNA分子上的密碼順序(堿基順序)為模板合成蛋白質(zhì)分子多肽鏈的過程。將mRNA中的遺傳信息傳遞給蛋白質(zhì)的過程。

基因表達:通過轉(zhuǎn)錄和翻譯,基因的遺傳信息在細(xì)胞內(nèi)指導(dǎo)合成各種功能蛋白質(zhì)的過程。

逆轉(zhuǎn)錄:是以RNA為模板指導(dǎo)DNA的合成,見于RNA病毒。第三頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二生物學(xué)中心法則:即基因表達規(guī)律,遺傳信息傳遞、流向的法則,生物共同遵循的法則。第四頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二第一節(jié)DNA的生物合成DNA作為遺傳物質(zhì)最基本的特征即自我復(fù)制,自我復(fù)制是體內(nèi)合成DNA的主要方式。一、DNA自我復(fù)制(一)DNA自我復(fù)制的特征1.半保留復(fù)制:以親代DNA解開的兩條單鏈分別為模板,以dATP、dGTP、dCTP、dTTP為原料,按照堿基配對原則(A=T,C≡G),各自合成新的互補鏈,成為兩個與親代DNA完全相同的子代DNA。在每個子代DNA分子的兩鏈中,一條是新合成的,另一條是保留親代的,故稱為半保留復(fù)制。第五頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二第六頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二2.半不連續(xù)復(fù)制:在DNA復(fù)制時,一條子代鏈連續(xù)合成,稱為前導(dǎo)鏈(領(lǐng)頭鏈)另一條子代鏈不連續(xù)分段合成,最后才連接成完整的長鏈,稱為滯后鏈(隨從鏈)合成方向?第七頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二3535解鏈方向3′5′3′3′5′順解鏈方向生成的子鏈,復(fù)制為連續(xù)進行,稱為領(lǐng)頭鏈。另一股鏈復(fù)制方向與解鏈方向相反,不能順著解鏈方向連續(xù)延長,稱為隨從鏈。領(lǐng)頭鏈連續(xù)復(fù)制而隨從鏈不連續(xù)復(fù)制,就是復(fù)制的半不連續(xù)性。復(fù)制中不連續(xù)片段稱為岡崎片段復(fù)制叉第八頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二3.有特定的起始點:具有一些特定的核苷酸序列。原核生物:一個真核生物:多個4.雙向復(fù)制第九頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二(二)復(fù)制過程及參與物質(zhì)原料:dNTP(ATP)1.解旋解鏈(暴露模板)(1)拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ:切單鏈(2)拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ:耗ATP切雙鏈(3)解鏈酶:破壞氫鍵(4)單鏈結(jié)合蛋白(SSB):結(jié)合并固定彼此分離的DNA單鏈

局部解鏈后第十頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二2.引發(fā):合成RNA引物引物酶:在起始位點處合成小段RNA,3′-OH可結(jié)合dNTP。3.DNA鏈的延長(1)DNA聚合酶:依賴DNA的DNA聚合酶(DDDP)①作用:催化與模板配對的各dNTP間以3′5′-磷酸二酯鍵相連,同時水解掉焦磷酸。②分類:第十一頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二第十二頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二第十三頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二(2)延長過程:前導(dǎo)鏈在DDDPⅢ作用下連續(xù)合成。DDDPⅢ和DDDPⅠ延長岡崎片段。第十四頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二4.終止:DDDPⅠ切除引物,填補空缺①連接酶:連接各個岡崎片段②拓?fù)洚悩?gòu)酶:促使螺旋結(jié)構(gòu)形成二、DNA損傷與修復(fù)

(一)損傷因素:1.物理因素:紫外線、高溫、電離輻射等2.化學(xué)因素:脫氨劑、烷化劑等3.堿基自發(fā)性脫氨基4.生物因素:人體感染逆轉(zhuǎn)錄病毒第十五頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二PRRNNHOOCH3NNHOOCH3PRRNNHOOCH3NNHOOCH3UV嘧啶二聚體第十六頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二(二)損傷后果(基因突變)DNA損傷的類型谷酪蛋絲5’……GCA

GUA

CAU

GUC……丙纈組纈正常5’……GAG

UAC

AUG

UC……缺失C錯配缺失插入重排移碼突變第十七頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二損傷后果:1.致死2.使生物體喪失某些功能(分子病或先天性代謝障礙);體細(xì)胞突變可致腫瘤3.隱性突變4.進化第十八頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二(三)修復(fù)方式1.無差錯修復(fù)(見于子代鏈損傷)直接修復(fù)(光復(fù)合作用)切除修復(fù)2.有差錯修復(fù)(重組修復(fù))見于親代鏈損傷第十九頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二DNA損傷后的重組修復(fù)第二十頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二第二十一頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二第二十二頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二三、逆轉(zhuǎn)錄合成DNA1、逆轉(zhuǎn)錄:在逆轉(zhuǎn)錄酶催化下,以RNA為模板合成DNA的過程。2、逆轉(zhuǎn)錄酶:作用:催化以RNA為模板合成DNA

催化RNA的水解催化以DNA為模板合成DNA特點:合成子代鏈的方向5′3′

需要Zn2+參與,以tRNA為引物無校正作用(易變異)3、意義(1)擴充了生物學(xué)中心法則。(2)深化了人們對RNA病毒致癌機理的認(rèn)識。(3)有助于基因工程的實施。第二十三頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二第二十四頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二第二節(jié)RNA的生物合成一、不對稱轉(zhuǎn)錄(一)原料:ATP、GTP、CTP、UTP(二)模板:DNA分子雙鏈在轉(zhuǎn)錄中只有一條鏈起模板作用,稱為模板鏈;與其互補的相應(yīng)鏈稱為編碼鏈。不對稱轉(zhuǎn)錄:在DNA雙鏈中只轉(zhuǎn)錄模板鏈,不轉(zhuǎn)錄編碼鏈的轉(zhuǎn)錄方式。第二十五頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二(三)RNA聚合酶(又稱DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶,DDRP)(1)作用:作用及特點類同DDDP。(2)組成及功能:核心酶:由ααββ′4個亞基構(gòu)成,參與起始主要使RNA鏈延長δ亞基:辨認(rèn)起始點,即DNA模板鏈的啟動子RNA聚合酶原核生物真核生物RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄的基因部位I28S18S5.8SrRNA核仁IImRNAsnRNA核質(zhì)IIItRNA5SrRNA核質(zhì)第二十六頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二特點:原核生物中的DDRP轉(zhuǎn)錄速度慢,無校正作用,可被利福霉素、利福平等藥物抑制。真核生物中的DDRP轉(zhuǎn)錄速度快,有校正作用。(四)不對稱轉(zhuǎn)錄的特點:1.不對稱性:2.連續(xù)性:不需引物,連續(xù)合成3.單向性:5′→3′4.有特定的起始點和終止點啟動子(啟動基因):轉(zhuǎn)錄起始點上的一段堿基順序,為DDRP識別及結(jié)合位點。結(jié)構(gòu)基因:能轉(zhuǎn)錄出mRNA然后翻譯成蛋白質(zhì)的DNA區(qū)段。第二十七頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二二、轉(zhuǎn)錄過程(以原核細(xì)胞為例)—RNA前體的生成(一)起始:1.δ因子識別啟動子,α-亞基結(jié)合啟動子,全酶結(jié)合于模板鏈;全酶結(jié)合處DNA變構(gòu),局部打開約17個堿基對的雙鏈,局部暴露出模板。2.GTP(ATP)配對結(jié)合于模板鏈,全酶催化下一個NTP與其形成磷酸二酯鍵,同時水解掉焦磷酸,當(dāng)?shù)谝粋€磷酸二酯鍵形成,δ因子脫落,留下核心酶。因為DNA雙鏈分子包含許多基因,而各個基因的模板鏈不都在同一條DNA鏈上。第二十八頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二第二十九頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二(二)延長:1.核心酶沿模板鏈3’→5’滑動,不斷催化與模板配對并結(jié)合的NTP之間形成磷酸二酯鍵,使RNA鏈由5’→3’端延長。(注:新合成的RNA鏈與DNA模板鏈方向相反,合成時遵守堿基配對原則:A=U,C≡G,T=A)2.合成的RNA鏈脫離模板,DNA恢復(fù)雙鏈結(jié)構(gòu)第三十頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二(三)終止:核心酶自身(或在ρ因子協(xié)助下)識別終止信號(終止子),停止滑動。然后RNA鏈(即RNA前體),核心酶先后由模板鏈脫落,DNA恢復(fù)原狀。1.自動終止:終止子處轉(zhuǎn)錄出發(fā)夾樣結(jié)構(gòu)RNA,阻止核心酶繼續(xù)滑行。2.依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止:ρ因子:協(xié)助核心酶識別終止子的特殊蛋白質(zhì),可使DNA-RNA雙鏈解開,釋放出RNA,并與核心酶一同脫落。脫落的核心酶又可與δ因子結(jié)合為DDRP,重新開始新的轉(zhuǎn)錄。第三十一頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二第三十二頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二三、轉(zhuǎn)錄后的加工和修飾(RNA前體的成熟)在細(xì)胞內(nèi)一系列酶的作用下,對新合成的RNA分子或RNA前體進行各種化學(xué)修飾、添加、剪切、剪接、編輯等反應(yīng),使之轉(zhuǎn)變?yōu)橛刑囟ㄉ锘钚缘某墒霷NA的過程。1、mRNA前體的加工(真核細(xì)胞內(nèi)mRNA前體又稱核內(nèi)不均一RNA,hnRNA)(1)首尾修飾:在5’端加上“帽子”m7GPPP(7-甲基鳥嘌呤三磷酸核苷);3’端接上“尾巴”polyA(多聚腺苷酸)。第三十三頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二第三十四頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二(2)剪接:由hnRNA中切除內(nèi)含子(不編碼蛋白質(zhì)的DNA堿基順序轉(zhuǎn)錄出的RNA堿基順序)拼接外顯子(可被翻譯成蛋白質(zhì)的DNA堿基順序轉(zhuǎn)錄來的RNA堿基順序)。第三十五頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二第三十六頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二2、tRNA前體的加工(部位:胞漿)(1)剪切:分別在5’端和3’端切去一定的核苷酸序列等。(2)堿基修飾:A→Am、U→DHU、A→I、U→φ等,形成一些稀有堿基。這些堿基在蛋白質(zhì)合成過程中影響tRNA對密碼的識別。(3)3’端接上CCA,所以tRNA3’末端均為CCA-OH。第三十七頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二第三十八頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二3、rRNA前體的加工(部位:核仁)rRNA前體+蛋白質(zhì)→核糖體(亦稱核蛋白體)第三十九頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二小結(jié)

基因轉(zhuǎn)錄也稱之RNA合成,合成是按照5ˊ→3ˊ方向進行的。RNA合成不需要預(yù)先存在的引物。

RNA合成需要DNA依賴性的RNA聚合酶全酶。E.coliRNA聚合酶是由5個亞基組成的,其中的σ亞基在轉(zhuǎn)錄起始時識別啟動子。真核生物有3種不同的RNA聚合酶全酶,分別稱之RNApolI、RNApolII和RNApolIII。轉(zhuǎn)錄包括3個階段:起始、延伸和終止。E.coli中的轉(zhuǎn)錄起始涉及RNA聚合酶全酶結(jié)合到-35和-10的啟動子區(qū)中的特定序列。在RNA合成開始之前,RNA聚合酶復(fù)合物需要經(jīng)歷一個由非活性的封閉性復(fù)合體到開放性復(fù)合體的構(gòu)象變化。初級RNA轉(zhuǎn)錄物的轉(zhuǎn)錄后加工包括RNA剪接、5ˊ戴帽、3ˊ聚腺苷酸化以及tRNA堿基修飾。核酶是具有催化能力的RNA分子,它能夠在特定的部位切斷大的RNA分子。

rRNA和tRNA加工涉及大的前體轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的依次切斷,最后獲得功能性的RNA產(chǎn)物。真核生物的mRNA含有一個5ˊ-7-甲基鳥苷帽子和3ˊ聚腺苷酸尾巴,這兩種修飾都是通過特殊的酶加上去的。第四十頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二第三節(jié)蛋白質(zhì)的生物合成—翻譯一、參與翻譯的物質(zhì)(蛋白質(zhì)生物合成體系)(一)原料:氨基酸20種(二)酶及蛋白因子1.氨基酰tRNA合成酶氨基酸+tRNA+ATP→氨基酰-tRNA+AMP+PPi2.轉(zhuǎn)肽酶:促使肽鍵的形成3.蛋白因子:起始、延長和終止因子第四十一頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二第四十二頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二起始因子原核生物(3種):IF1、IF2、IF3真核生物(多種):其中eIF2是合成調(diào)控的關(guān)鍵物質(zhì)延長因子原核生物:EFTu、Ts和EFG真核生物:EFT1、EFT2終止因子:釋放因子(RF)原核生物(3種)真核生物(1種)第四十三頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二(三)RNA1.mRNA(模板)密碼:mRNA中由5′→3′每三個相鄰的核苷酸組成一個三聯(lián)體代表一種氨基酸。數(shù)量:43=64-(UAA、UAG、UGA)=61其中UAA、UAG、UGA為終止密碼AUG為起始密碼,也代表蛋氨酸密碼特點:(1)簡并性:一種氨基酸具有2個或以上密碼子的現(xiàn)象。第四十四頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二20種氨基酸中除蛋氨酸色氨酸外其余均有2~6個密碼。確定同一個氨基酸的不同密碼稱為同義密碼密碼的頭兩個堿基就可以確定一個氨基酸

例如編碼甘氨酸的密碼有4個,都開始于GG:GGU,GGC,GGA,和GGG。所以,即使3ˊ位的堿基突變,仍然會編碼同一個氨基酸到蛋白質(zhì)中。減少有害突變,確保遺傳的穩(wěn)定性

(2)通用性:幾乎所有生物體內(nèi)都使用同一套遺傳密碼表(除部分線粒體和葉綠素)第四十五頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二(3)方向性5ˊ(AUG)→(UAA、UAG、UGA)3ˊ翻譯生成的蛋白質(zhì):N端→

C端(4)連續(xù)性翻譯時從起始密碼開始,一個不漏地讀下去,直至碰到終止密碼。如果插入或刪除一個B,就會使該B以后的讀碼發(fā)生錯誤,稱為移碼。由于移碼引起的突變稱移碼突變。遺傳密碼一般不重疊。(5)擺動性tRNA與mRNA通過反密碼和密碼形成堿基配對相互作用,但這種配對作用存在某些變通性。

第四十六頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二位于反密碼子5ˊ(擺動)位的核苷酸位于密碼子的3ˊ位的核苷酸A

C

G

U

I

U

G

U或C

G或A

U,C或A當(dāng)密碼與反密碼相互作用時,形成的三個堿基對只有兩個要求Watson-Crick堿基配對,即密碼與反密碼的3ˊ和中間的堿基形成Watson-Crick堿基配對,而反密碼的5ˊ位容許其它類型的堿基配對。此特性能明顯加快翻譯的速度。第四十七頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二2.tRNA(搬運氨基酸的工具)(1)tRNA反密碼環(huán)上的反密碼識別所要轉(zhuǎn)運的AA種類。(特異性結(jié)合氨基酸)(2)在氨基酸-tRNA合成酶(又稱AA活化酶)催化下,tRNA的3’-OH末端連接相應(yīng)AA,生成氨基酰-tRNA。(3)反密碼與mRNA分子上的密碼按堿基配對原則相互識別(即密碼與反密碼方向相反、堿基互補),使所攜帶的AA按mRNA上的AA密碼順序“對號入座”。有時密碼的第三個堿基與反密碼不遵守堿基配對原則,叫不穩(wěn)定配對。第四十八頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二結(jié)合氨基酸結(jié)合氨基酰tRNA合成酶結(jié)合核蛋白體識別密碼子第四十九頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二3.rRNA:和蛋白質(zhì)組成核糖體(裝配機)(1)核糖體種類:附著于粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體,合成細(xì)胞的外分泌蛋白。游離于胞漿中的核糖體,合成細(xì)胞固有蛋白。(2)核糖體結(jié)構(gòu):小亞基:結(jié)合mRNA、氨基酰-tRNA、大亞基大亞基:有三個結(jié)合位點受位(A位):結(jié)合氨基酰tRNA給位(P位):結(jié)合肽酰tRNA出位(E位):結(jié)合空載tRNA大亞基具有轉(zhuǎn)肽酶活性,能促使肽鍵形成并延長肽鏈。(四)ATP、GTP、K+、Mg2+等第五十頁,共五十四頁,編輯于2023年,星期二二、蛋白質(zhì)生物合成過程(以原

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