遺傳信息的復制和表達

一、DNA的復制1、DNA聚合酶原核生物中的DNA聚合酶，目前已發(fā)現(xiàn)的有3種，即DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ш。實際在DNA復制中起主要作用的是DNA聚合酶Ш；DNA聚合酶Ⅰ主要與DNA的損傷修復有關；DNA聚合酶Ⅱ的作用還不十分清楚。真核生物的DNA聚合酶也有3種，分別為α、β、γ，其中，DNA聚合酶α在DNA復制中起作用，DNA聚合酶β在DNA損傷修復中起作用，DNA聚合酶γ的作用不詳。第十二章遺傳信息的復制和表達2、DNA復制過程DNA的復制，首先要解開雙鏈，形成局部單鏈，然后才能以單鏈為模板，以細胞核中游離的核苷酸為原料，復制新的DNA。復制方式為半保留復制。DNA的半保留復制：在DNA復制過程中，各以雙螺旋DNA的其中一條鏈為模板，新生的互補鏈和母鏈構成子代DNA分子，這種復制方式叫半保留復制。（1）原核生物的DNA復制（環(huán)狀DNA）①

DNA解旋主要需要：單鏈結合蛋白（SSB蛋白）：使單鏈比較穩(wěn)定，便于復制進行DNA解鏈酶：水解ATP，使DNA雙鏈解開解旋過程：雙鏈DNA拓樸異構酶Ⅰ超螺旋DNA解鏈酶局部解開雙鏈較穩(wěn)定的單鏈SSB蛋白②

岡崎片段和半不連續(xù)復制這種復制方式叫半不連續(xù)復制，簡單地說，它是指先導鏈的連續(xù)復制和滯后鏈的不連續(xù)復制。DNA聚合酶Ш只能從5′3′方向合成核苷酸鏈。DNA雙鏈解開后，一條鏈是3′5′方向，以這條鏈為模板，可以從5′3′連續(xù)合成新的DNA鏈，這條先合成的鏈叫先導鏈。但以另一條5′3′方向的鏈為模板的話，DNA聚合酶Ш就無法從3′5′方向連續(xù)合成新鏈。實際上，DNA聚合酶Ш是先從5′3′方向合成許多小片段，稱岡崎片段，然后再由DNA連接酶把這些片段連成一條完整的鏈。這條新合成的鏈叫滯后鏈。③

復制的引發(fā)和終止先導鏈和滯后鏈的復制，都不能直接由DNA聚合酶來合成，而需要RNA引物。先導鏈的RNA引物由RNA聚合酶合成，然后在DNA聚合酶Ш的作用下，通過堿基互補配對，合成新的DNA鏈。而滯后鏈的RNA引物由引發(fā)體形成，然后由DNA聚合酶Ш合成岡崎片段。岡崎片段形成后，RNA酶H切除RNA引物，并由DNA聚合酶Ⅰ填補缺口，再由DNA連接酶將岡崎片段連成一條完整的鏈。復制的總過程：雙鏈DNA拓樸異構酶Ⅰ超螺旋DNA解鏈酶單鏈DNA(與SSB蛋白結合)RNA聚合酶RNA引物DNA聚合酶ШDNA新鏈(先導鏈)引發(fā)體RNA引物DNA聚合酶Ш岡崎片段RNA酶HRNA引物降解DNA聚合酶Ⅰ補齊缺口DNA新鏈(滯后鏈)DNA連接酶（2）真核生物和原核生物DNA復制的區(qū)別與聯(lián)系聯(lián)系：均為半保留復制和半不連續(xù)復制，復制過程及復制過程中所需要的酶都相似。區(qū)別：①真核生物的DNA有多個復制起點，而原核生物只有一個復制起點。（真核生物）（原核生物）

②真核生物的DNA只有在第一次復制完成后才能開始第二次復制，而原核生物在第一次復制尚未完成時即可進行第二次復制。二、DNA與Pr合成DNA指導Pr的合成，要經(jīng)過轉錄和翻譯2個階段，即DNA先指導合成mRNA，然后再由mRNA指導Pr合成。1、轉錄概念：以DNA中的一條鏈為模板，根據(jù)堿基互補配對原則，合成mRNA，并把DNA上的遺傳信息傳給mRNA，這個過程叫轉錄。在轉錄時，雙鏈DNA中只有1條鏈用來指導mRNA的合成，因此就有了編碼鏈和反義鏈之分。堿基序列除U變成T外，其余和mRNA相同的DNA鏈。堿基序列與mRNA互補的DNA鏈，它是mRNA合成的模板。編碼鏈：反義鏈：（1）RNA聚合酶（RNApol）①原核生物的RNApol識別模板鏈和轉錄起始位點2個α亞基1個β亞基1個β′亞基催化轉錄過程全酶σ因子：核心酶②真核生物的RNApolⅠ：合成rRNAⅡ:合成hnRNA（mRNA前體）Ш：合成tRNA、5SrRNA（2）啟動子原核生物的啟動子包括3個部分：①

Pribnow框（－10序列）一般為TATAAT，是RNApol的牢固結合位點。②Sextama框（－35序列）一般為TTGACA，是RNApol的初始結合位點，決定啟動子的強弱。③

CAP位點位于－35序列的上游，是啟動子上與CAP－cAMP復合物結合的位點。（CAP是指cAMP的受體Pr）當CAP－cAMP復合物結合到CAP位點上之后，可使附近的G－C堿基對穩(wěn)定性降低，并促進－10序列解開雙鏈，有利于轉錄的進行。CAP位點－35－10＋1＋20mRNA真核生物RNApolⅡ的啟動子包括4個部分：①帽子位點：是轉錄的起始位點，一般為A②

TATA框：－25序列（相當于原核生物的－10序列），一般為TATAATAAT功能與DNA雙鏈的解開有關決定轉錄起始位置（缺乏時，轉錄從多個位點開始）③

CAAT框：－75序列（相當于原核生物的－35序列），一般為GGGTCAATCT功能與RNApol的結合有關控制著起始的頻率④增強子（促進轉錄進行）特點：具有遠距離效應，無方向性；具有組織特異性和細胞特異性（3）轉錄的起始和延伸（以原核生物為例）σ因子識別起始位點全酶與－35序列結合封閉的啟動子復合物（二元復合物，含RNApol、DNA）復合物由－35向－10移動，使－10序列成為單鏈開放的啟動子復合物（二元復合物，含RNApol、DNA）復合物移到＋1，β亞基催化2個核苷酸形成一個3′－5′磷酸二酯鍵形成三元復合物（含RNApol、DNA、mRNA）σ因子脫離復合物繼續(xù)移動，mRNA延伸階段開始CAP位點－35－10＋1＋20（4）轉錄的終止所有原核生物轉錄的終止子之前，都會形成一個回文結構，其堿基序列對稱排列（如AAGCGCTT），此處合成的mRNA會形成一個發(fā)夾結構：轉錄的終止子有2類：依賴ρ因子的終止子回文結構下游序列G/C含量低無固定特征不依賴ρ因子的終止子G/C含量高含6～8個A①依賴ρ因子的終止ρ因子是一種NTP酶，在三元復合物的移動過程中會結合到mRNA的5′端，ρ因子水解NTP，并利用水解釋放的能量，逐漸向mRNA的3′端移動。當三元復合物到達終止子后，由于mRNA形成發(fā)夾結構，因此復合物停止前進，等待ρ因子結合到mRNA的3′－OH上，使三元復合物解體，mRNA和RNApol就與DNA分離開來。三元復合物mRNAρ因子5′RNApolDNA3′②不依賴ρ因子的終止這種終止方式是因為mRNA到達終止位點后，形成了發(fā)夾結構和多聚U，使mRNA和DNA之間的結合力減弱（A－U之間的作用力較弱），從而使mRNA從DNA上脫離下來。2、翻譯以mRNA為模板的Pr合成過程叫做翻譯或轉譯，其場所是核糖體，原料是aa，能量來源是ATP、GTP。（1）遺傳密碼mRNA上的遺傳信息存在于遺傳密碼中。經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn)，遺傳密碼是三聯(lián)體密碼，即三個核苷酸決定一個aa。遺傳密碼的特點主要有：①

連續(xù)性2個密碼子之間沒有任何其它核苷酸相隔。②簡并性A、U、G、C四種核苷酸，每3個組成一個密碼，總共可以有64個密碼，但組成生物體的aa只有20種，因此，必然會出現(xiàn)幾個密碼共同決定一個aa的情況。（遺傳密碼表）③通用性遺傳密碼在所有生物中幾乎都是通用的，只有個別例外，如：UGA一般是個終止密碼子，但在人的線粒體中可編碼Try。注意：起始密碼子一般為AUG，少數(shù)細菌中為GUG；終止密碼子為UAA、UAG、UGA。遺傳密碼中決定aa的主要是前2個堿基，第三個堿基的改變，在很多時候往往不改變aa的種類。（2）Pr的生物合成（以原核生物為例）包括肽鏈的起始、延伸和終止3個過程。①起始核糖體30S小亞基附著到mRNA的起始密碼子處GTP起始因子IF1、IF2、IF3與fMet－tRNA（N－甲酰甲硫氨酰tRNA）結合30S起始復合物50S大亞基GTP水解；IF1、IF2、IF3釋放70S核糖體②

延伸核糖體大亞基上有2個tRNA結合位點，即P位點和A位點，起始tRNA，即fMet－tRNA首先與P位點結合，然后：aa－tRNA延伸因子EF－TuGTPaa－tRNA－EF－Tu－GTP復合物aa－tRNA進入A位點GTP水解EF－Tu－GDP釋放mRNA肽酰轉移酶P位點的aa或肽基與A位點的aa之間形成肽鍵，同時P位點的tRNA卸載，脫離移位酶GTP核糖體沿mRNA的5′3′方向移動1個密碼子的距離，使原來A位點的肽酰tRNA進入P位點，空出A位點準備下一個aa－tRNA的進入。上述過程不斷重復，肽鏈延伸。mRNA肽鏈5′3′PAPA③

終止當肽鏈延伸到終止密碼子處時，由終止因子RF識別終止密碼子，并使肽酰轉移酶的活性轉變成水解酶活性，使P位點上的肽鏈不再連接到A位點上的aa上，同時還水解P位點上的肽鏈與tRNA之間的化學鍵，使肽鏈釋放。肽鏈一旦釋放，核糖體就從mRNA上脫離，解離成50S和30