第八章、遺傳的分子基礎(chǔ)

第八章、遺傳的分子基礎(chǔ)

本章重點：DNA和RNA的異同，遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯、半保留復制、遺傳密碼、簡并現(xiàn)象、中心法則，操縱子、基因的概念、基因突變。本章難點：蛋白質(zhì)的生物合成、基因的表達調(diào)控、DNA重組與轉(zhuǎn)化。1第一節(jié)

遺傳物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和功能

孟德爾的試驗證明了遺傳物質(zhì)的存在，但遺傳物質(zhì)究竟是什么？多學科的交叉和滲透，使遺傳學的研究從細胞水平推進到分子水平。遺傳的染色體理論認為：遺傳物質(zhì)位于細胞核內(nèi)；基因位于細胞核內(nèi)染色體上，染色體的主要化學成份—蛋白質(zhì)和核酸，何者為基因的化學基礎(chǔ)？作為遺傳物質(zhì)必需具備以下三種功能：第一，遺傳功能(復制與世代傳遞)；第二，表型功能(具有適當?shù)目刂菩誀畹谋磉_機制)；第三，進化功能(能夠產(chǎn)生變異滿足生物進化的要求)。二十世紀，由于物理學、化學和數(shù)學研究工作者的加入，在生物學與遺傳學研究領(lǐng)域形成了三個學派：物理學領(lǐng)域中的結(jié)構(gòu)學派、化學中的生化學派和數(shù)學中的信息學派。2一、DNA是遺傳物質(zhì)的證據(jù)（一）間接證據(jù)1.DNA含量的恒定性（每個物種不同組織的細胞不論其大小和功能如何，它們的DNA含量是恒定）；2.DNA代謝的穩(wěn)定性（DNA在代謝上是比較穩(wěn)定的）；3.DNA是所有生物染色體所共有的；4.基因突變與紫外線誘變波長的關(guān)系；用不同波長的紫外線誘發(fā)各種生物突變時，其最有效的波長為260nm，這與DNA所吸收的紫外線光譜是一致的，證明基因突變與DNA分子的變異密切相關(guān)。3（二）DNA是遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)

1．噬菌體侵染與繁殖試驗P是DNA的組成部分，但不存在于蛋白質(zhì)中；S存在于蛋白質(zhì)中，但DNA中沒有。Hershey和Chase分別用放射性同位系P32和S35標記，發(fā)現(xiàn)主要是由于DNA進入細胞內(nèi)才產(chǎn)生完整的噬菌體，可見DNA才是(噬菌體的)遺傳物質(zhì)。42．煙草花葉病毒拆合試驗煙草花葉病毒(TMV)是由RNA與蛋白質(zhì)構(gòu)成的管狀微粒，中心是單鏈螺旋RNA、外部是蛋白質(zhì)外殼。拆分感染試驗：將TMV的RNA與蛋白質(zhì)分離、提純；分別接種煙葉，發(fā)現(xiàn)RNA能使煙葉致病，而蛋白質(zhì)不能；用RNA酶處理RNA后接種煙葉也不能致病，表明RNA可能就是TMV的遺傳物質(zhì)。53．肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化

S型（光滑型）：多糖組成莢膜，分SI,SII,SIII，有毒性；R型（粗糙型）：無莢膜，分RI,RII,RIII，無毒性。象加熱殺死的SIII能使不致病的RII變成能致病的SIII，這種現(xiàn)象叫轉(zhuǎn)化（transformation）；把SIII死菌中能轉(zhuǎn)化RII的物質(zhì)叫轉(zhuǎn)化因子，分別用RNA酶、DNA酶和蛋白酶處理加熱殺死的SIII的DNA提取物，發(fā)現(xiàn)只有經(jīng)DNA酶處理的才無轉(zhuǎn)能力，證明轉(zhuǎn)化因子是DNA。綜上所述：到上世紀中期，多方面證據(jù)都直接或間接地表明DNA是主要的遺傳物質(zhì)，而在缺乏DNA的某些病毒中RNA就是遺傳物質(zhì)。6（三）DNA作為遺傳物質(zhì)的原因1．DNA的穩(wěn)定性：同一物種DNA含量相同，體細胞為性細胞的兩倍。2．DNA的特異性：不同物種DNA含量不同，且堿基成分也不同。3．DNA的多樣性：堿基的比例及排列順序多樣，4n種排列方式。4．DNA的連續(xù)性：DNA能準確地自我復制。5．DNA的可變性：堿基排列順序因外界因素的影響而部分改變（突變）。

7二、DNA和RNA的化學組成（一）核酸的早期研究雖然上世紀中才認識到DNA的生物學功能，核酸研究卻已有一百多年歷史：Mischer(1869)從外科繃帶上膿細胞核中分離出一種不同于蛋白質(zhì)的物質(zhì)，含磷量高、并具有很強的酸性。他將這種物質(zhì)稱核質(zhì)(素)(nuclein)；Kossel(1879)發(fā)現(xiàn)酵母等核質(zhì)具有A、G、T、C四種堿基；Altamm(1889)將核素命名為核酸(nucleicacid)。Kossel(1901)又發(fā)現(xiàn)核酸中具有碳水化合物(糖)；Levene(1909)研究表明：酵母核酸含有五碳糖—核糖；1929年又發(fā)現(xiàn)動物胸腺細胞核酸含有脫氧核糖，他將前者命名為核糖核酸(ribonucleicacid,RNA)，后者命名為脫氧核糖核酸(deoxy-ribonucleicacid,DNA)。并指出動、植物中均存在這兩種核酸。8（二）核酸的基本化學組成1．核酸是由許多個單核苷酸聚合而成的多核苷酸鏈。核苷酸由堿基、戊糖和磷酸三部分構(gòu)成。2.DNA和RNA所含戊糖的種類不同：DNA中戊糖為D-2-脫氧核糖，RNA所含的戊糖為D-核糖3.堿基:DNA含：A、T、C、G；RNA含：A、C、G、U。

910（三）DNA的結(jié)構(gòu)

1．DNA的一級結(jié)構(gòu)：指DNA分子中4種核苷酸的連接方式和排列順序。(1)Chargaff法則Chargaff于1946-1950年根據(jù)紙層析、離子交換層析和紫外分光光度試驗結(jié)果提出查伽夫定則：四種堿基的數(shù)量不是等量的；同一物種DNA堿基組成不變，而物種間則有很大不同；嘌呤堿基總量與嘧啶堿基的總量相等(A+G=T+C)，且腺嘌呤與胸腺嘧啶數(shù)相等“A”=“T”、鳥嘌呤與胞嘧啶數(shù)相等“G”=“C”。(2)核苷酸序列及其測定查伽夫定則表明：核酸并不是四核苷酸結(jié)構(gòu)的簡單重復，核酸的堿基序列信息可能具有重要意義。以后的研究表明：堿基序列正是核酸生物學功能的基礎(chǔ)，是遺傳信息的內(nèi)在形式。核酸序列分析技術(shù)是最重要的分子遺傳學研究技術(shù)，主要包括：Sanger雙脫氧法和MaxamandGillbert化學法?；诨瘜W法的DNA序列自動分析儀已成為常規(guī)實驗設(shè)備。

1112遺傳信息載體：脫氧核糖核酸（DNA）雙螺旋分子；長度單位：堿基對(bp)，千堿基對(Kb)，百萬堿基對(Mb)。腺嘌呤A胞嘧啶C鳥嘌呤G胸腺嘧啶T5’端磷酸3’端羥基脫氧核糖核苷酸組成多聚核苷酸鏈，兩條鏈互相盤繞形成雙螺旋132．DNA的二級結(jié)構(gòu)：指兩條核苷酸鏈反向平行盤繞所生成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。（１）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型1953年美國青年生物學家WatsnJD和英國中年物理學家CrickFHG根據(jù)堿基互補配對規(guī)律和DNA的X射線衍射研究，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并為以后拍攝的電鏡直觀形象所證實，從而奠定了分子遺傳學的基礎(chǔ)。要點：DNA分子是由兩條同軸反向互相纏繞的多核甘酸鏈組成的雙螺旋結(jié)構(gòu)；糖和磷酸排在外面構(gòu)成骨架,兩鏈相應(yīng)的核甘酸的堿基互相配對由氫鍵連接排列在內(nèi)側(cè)；雙螺旋直徑為20A，螺距為34A,包含10對堿基。（２）意義：DNA雙螺旋模型結(jié)構(gòu)同時表明，DNA可以按堿基互補配對原則進行半保留復制，而在此之前對復制方式人們對一無所知；DNA核苷酸順序規(guī)定該基因編碼蛋白質(zhì)的氨基酸順序；DNA中的遺傳信息就是堿基序列；并存在某種遺傳密碼，將核苷酸序列譯成蛋白質(zhì)氨基酸順序。在其后的幾十年中，科學家們沿著這兩條途徑前進，探明了DNA復制、遺傳信息表達與中心法則等內(nèi)容。14DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型1516（1）DNA雙螺旋進一步扭曲盤旋所形成的特定空間結(jié)構(gòu)。（2）超螺旋結(jié)構(gòu)是DNA高級結(jié)構(gòu)的主要形式：a.正超螺旋，與右手螺旋方向一致，使雙螺旋結(jié)構(gòu)更加緊密。b.負超螺旋，作用相反。3.DNA的高級結(jié)構(gòu)17（四）RNA的分子結(jié)構(gòu)

1．RNA的一級結(jié)構(gòu)：指RNA分子中4種核苷酸的連接方式和排列順序。2.RNA的分類及其二級結(jié)構(gòu)（1）mRNA:帽子結(jié)構(gòu)和尾巴，5’端的7’-甲基鳥苷帽子；3’端的polyA尾巴。（2）rRNA：單鏈RNA自行盤繞形成局部雙螺旋的多“莖”多“環(huán)”結(jié)構(gòu)，螺旋部分稱為“莖”或“臂”非螺旋部分稱為“環(huán)”，在螺旋區(qū)，A與U配對，G與C配對。在原核生物中5SrRNA和16SrRNA分別構(gòu)成大亞基和小亞基。(3)tRNA的二級結(jié)構(gòu)：三葉草形狀可分為：氨基酸接受區(qū)、反密碼區(qū)、二氫尿嘧啶區(qū)、TΨC區(qū)和可變區(qū)。除氨基酸接受區(qū)外，其余每個區(qū)都含有一個突環(huán)和一個臂。3．tRNA的三級結(jié)構(gòu)：倒“L”形，所有的tRNA折疊后形成大小相似及三維構(gòu)象相似的三級結(jié)構(gòu)，這有利于攜帶的氨基酸的tRNA進入核糖體的特定部位。在翻譯過程中轉(zhuǎn)運各種氨基酸至核糖體，按mRNA的密碼順序合成蛋白質(zhì)的作用。18

tRNA的二級結(jié)構(gòu)(三葉草形狀)rRNA二級結(jié)構(gòu)19tRNA的三級結(jié)構(gòu)20第二節(jié)

遺傳物質(zhì)體內(nèi)和體外復制

一、DNA在活體中的自我復制（一）DNA復制學說1．Watson復制假說(半保留復制)Watson等人根據(jù)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，認為DNA分子的復制時，首先從它的一端斷開成對堿基的氫鍵，因氫鍵較弱，常溫下就可解開，無需酶的作用。以分開的每條單鏈為模板，在復雜酶系統(tǒng)(DNA聚合酶I、Ⅲ，連接酶等)作用下，各自合成新的互補鏈而恢復雙螺旋結(jié)構(gòu)，兩個新的DNA分子與原來的完全一樣。由于新的DNA分子保留了原來親本DNA雙鏈的一條單鏈，因此這種復制方式稱為半保留復制。這已為1958年以來的大量試驗所證實，這種復制方式對保持生物遺傳的連續(xù)性和相對穩(wěn)定性具有重要的意義。212．科恩伯格(KornberA,1967)假說

經(jīng)過進一步研究發(fā)現(xiàn)，在復制中把相鄰核苷酸連在一起的DNA聚合酶，只能按5’→3’端的方向發(fā)揮作用。這樣，DNA只能使鏈之一嚴格按Watson假說連續(xù)合成，而另一條3’→5’方向的模板鏈上，就不能采用同樣的方式。為了服這一矛盾，Kornber于1967年提出在3’→5’方向的模板鏈上，新鏈的合成是倒退著進行的，即在3’→5’方向的鏈上，仍按5’→3’端的方向一段一段地合成DNA單鏈小片段，把這些小片段為稱岡崎片段(1000-2000個核苷酸長)，這些不相連的片段再由連接酶連起來，形成一條連續(xù)的單鏈，從而完成DNA的復制。223．岡崎復制假說

1968年岡崎等人根據(jù)相關(guān)研究認為在一個復制叉上的兩條子鏈都是通過岡崎片段的連接由不連續(xù)成為連續(xù)的，也就是說這兩條了鏈的復制都是從5’→3’端方向先合成許多不連續(xù)片段，然后再由連接酶連接而成的。1973年岡崎等人根據(jù)進一步的研究認為DNA的復制與RNA有關(guān)，在合成DNA片段之前，先由一種特殊類型的RNA聚合酶以DNA為模板，合成一小段約含幾十個核苷酸的RNA，這一小段RNA起著“引物”的作用，被稱為“引物RNA”。然后DNA聚合酶才開始起作用，按5’→3’端方向合成DNA片段。之后DNA聚合酶I將引物RNA除去，并彌補引物RNA的DNA片段，最后由DNA連接酶將其連成一條連續(xù)的DNA鏈。23（二）DNA復制的一般特點1、半保留復制：拆開的兩條單鏈，以各自為模板，從細胞核內(nèi)吸取與自己堿基互補的游離核苷酸，進行氫鍵結(jié)合，在酶系統(tǒng)的作用下，連接起來，各自形成一條新的互補鏈。2、復制起點和復制方向：DNA復制的起點(單起始點與多起始點)復制子、復制叉；復制的方向(單向與雙向)(l)原核生物：多數(shù)只有一個復制起點。(2)真核生物：有多個起點。3、DNA復制過程：起始、延伸、終止。(1)DNA雙螺旋的解鏈(解旋酶、拓撲異構(gòu)酶)(2)DNA合成：形成復制叉。一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)(半不連續(xù))：RNA引物、岡崎片斷、前導鏈、后隨鏈（后滯鏈）。(3)復制的終止。

244、DNA復制的調(diào)控(1)復制的拓撲學，拓撲異構(gòu)酶。(2)復制的酶學：DNA的酶促合成：DNA聚合酶ⅠⅡⅢ、αβγ；RNA引物酶；解旋酶；連接酶；拓撲異構(gòu)酶；外切酶、內(nèi)切酶……；(3)復制的忠實性(準確性，半保留復制)(4)雙鏈環(huán)狀DNA的復制（放射自顯影技術(shù)）；(5)復制的調(diào)控系統(tǒng)（細胞周期）。25復制叉的結(jié)構(gòu)26二、RNA在活體中的自我復制1、真核生物中的各種RNA的絕大部分是以染色體DNA為模板在核內(nèi)合成的(轉(zhuǎn)錄)。2．原核生物中的很多RNA病毒能以自身的RNA為模板合成RNA。先以自己為模板合成一條互補單鏈；（模板鏈稱“+”鏈，新復制的互補鏈稱“—”鏈）；以“—”鏈作為模板，復制出一條與自己互補的“+”鏈；“+”鏈成為一條新的RNA。3．反轉(zhuǎn)錄復制：有些RNA病毒能以自身的RNA為模板，在反轉(zhuǎn)錄酶的作用下，反向合成DNA，再以這段病毒DNA為模板合成新的病毒RNA。27三、核酸的體外合成與復制

（一）DNA的化學合成(固相合成)。（二）DNA的酶促合成。（三）DNA的變性、復性與雜交(1)DNA變性：指DNA雙鏈的氫鍵斷裂，變成單鏈的過程。可以引起核酸變性的因素很多，主要有熱變性(90-100℃)、酸堿變性、化學試劑變性(尿素、甲酰胺、甲醛)。DNA變性后理化性質(zhì)發(fā)生變化，如粘度增加、密度增加、增色效應(yīng)(260nm吸收值升高)等。(2)解鏈溫度(溶解溫度(meltingtemperature,Tm)：DNA的變性特點是爆發(fā)式的，變性作用發(fā)生在一個很窄的溫度范圍內(nèi)，通常把使DNA雙鏈解開一半的溫度稱為該DNA的熔點或溶解溫度(Tm)。Tm值一般在70-85℃之間，它的大小與DNA的均一性和GC的含量、介質(zhì)的離子強度等有有關(guān)。28(3)DNA復性：指變性的DNA在適當?shù)臈l件下，兩條彼此分開的鏈重新結(jié)合成為雙螺旋結(jié)構(gòu)的過程。變性的DNA在緩慢冷卻時可以復性，一般DNA的片段越大，復性越慢；DNA濃度越大，復性越快。復性反應(yīng)的速度可以用Cot來表示，Co為濃度，t為時間。(4)核酸分子雜交(hybridization)：指將不同來源的核酸放在一起，經(jīng)變性后，讓其復性，具有互補序列的異源DNA或RNA區(qū)段會結(jié)合，形成雜交的核酸雙鏈分子，如DNA/DNA,DNA/RNA,RNA/RNA等。分子雜交的基本方法主要有Southern印跡法、Northern印跡法、斑點印跡雜交、原位雜交、液相雜交和Western印跡法(蛋白)。2930（四）核酸的體外擴增

（聚合酶鏈式反應(yīng)polymerasechainreaction簡稱PCR）1、PCR的基本原理類似于DNA的體內(nèi)復制。首先待擴增DNA模板加熱變性解鏈，隨之將反應(yīng)混合物冷卻至某一溫度，這一溫度可使引物與待擴增DNA發(fā)生退火，再將溫度升高使退火引物在DNA聚合酶作用下得以延伸。這種變性-復性-延伸的過程就是一個PCR循環(huán)，PCR就是在合適條件下的這種循環(huán)的不斷重復。2、PCR的基本過程（1）DNA模板變性雙鏈DNA是通過95℃左右的高溫使其發(fā)生變性，形成單鏈DNA。（2）模板與引物退火45-55℃，兩個寡核苷酸引物分別與待擴增DNA兩端的序列互補。（3）引物延伸72℃左右在4種dNTP底物及Mg2+存在條件下，DNA聚合酶將單核苷酸從引物3′端摻入，沿模板延伸合成新股DNA，每一循環(huán)的產(chǎn)物可作為下一循環(huán)的模板。以上所述的變性、退火、延伸“三步曲”被確定為PCR的一輪循環(huán)，整個PCR過程一般需進行25-30輪的循環(huán)。31

PCR原理和過程（1）變性，在95℃高溫下模板雙鏈DNA解開成單鏈DNA。（2）退火，將反應(yīng)系統(tǒng)降至55℃，使引物能與模板單鏈DNA的特定部位配對結(jié)合。（3）鏈延伸：在72℃，以單鏈為模板，在引物的3’末端以互補原則合成新鏈。（4）引物是指與待擴增靶DNA兩端序列互補的寡核苷酸，兩段引物分別與相應(yīng)的一條DNA鏈3’端及5’端互補。每一周期可使目的基因擴增一倍，經(jīng)30個周期可擴增230目的基因片段。PCR技術(shù)是DNA操作的重大發(fā)明，Mullis等獲得了1993年諾貝爾獎。32第三節(jié)

遺傳信息的傳遞與遺傳密碼

一、中心法則及其發(fā)展1．中心法則(centraldogma)闡述生物世代、個體以及從遺傳物質(zhì)到性狀的遺傳信息流向，即遺傳信息在遺傳物質(zhì)復制、性狀表現(xiàn)過程中的信息流向。最初由Crick提出，并經(jīng)過了多次修正。2．中心法則的發(fā)展：反轉(zhuǎn)錄(逆轉(zhuǎn)錄、反轉(zhuǎn)錄酶合成cDNA、RNA的自我復制、DNA指導蛋白質(zhì)合成。目前認為生物界遺傳信息傳遞的中心法則為：

3334二、遺傳密碼（geneticcode）DNA分子是由四種核苷酸組成的多聚體，用A、T、C、G分別代表四種不同的堿基和密碼符號，那么DNA分子中將僅含有四種密碼符號。1．遺傳信息：就是指DNA分子中四種堿基的排列順序。一定的堿基排列順序表達一定的遺傳信息。2．遺傳學密碼最早的提出者：GeorgeGAMOW為俄裔理論物理學家，“隧道”理論和宇宙大爆炸理論的奠基者之一，他是“三聯(lián)體”密碼子的最早建議人。3．遺傳密碼：指決定氨基酸的mRNA上的堿基排列組合，是聯(lián)系核酸的堿基序列和蛋白質(zhì)的氨基酸序列的途徑。不同的堿基排列組合表示不同的遺傳密碼，決定不同的氨基酸。由三個堿基代表一種氨基酸，稱為密碼子（codon）或三聯(lián)體密碼。從1961年開始，經(jīng)過大量試驗，利用64個三聯(lián)體密碼分別找出了與它們對應(yīng)的氨基酸。1966-1967年全部完成了這套遺傳密碼的字典。3536（1）簡并性：3個堿基可以組合成64種密碼子，生物體內(nèi)只有20種氨基酸，出現(xiàn)同義密碼子；我們把一種氨基酸由一個以上的三聯(lián)體密碼所決定的現(xiàn)象稱為簡并現(xiàn)象。a.除trp（UGG）、met（AUG）只有一個三聯(lián)體密碼外，其余的都有兩個以上，其中絲氨酸、亮氨酸多達6個三聯(lián)體密碼。b.簡并現(xiàn)象對生物遺傳的穩(wěn)定性具有重要和意義：同義密碼越多遺傳穩(wěn)定性越高，突變成不同的密切翻譯成相同氨基酸的可能性越大。（2）普遍性與特殊性a.整個生物界，從病毒到人類，遺傳密碼都是通用的，這就從分子水平上說明了生命本質(zhì)的共同本質(zhì)和起源。b.AUGGUG兼有合成起始的作用（起始密碼）；UAA、UAG、UGA表示蛋白質(zhì)合成的終止信號（終止密碼，無義密碼）。c.有些生物的線粒體tRNA解讀時，個別密碼子有不同的翻譯方式。d.不同生物在翻譯時對簡并密碼具有不同的偏好性。（3）無逗號、不重疊4．反密碼子：tRNA上攜帶的遺傳密碼是與mRNA上的密碼互補的，這個與遺傳密碼互補的密碼被稱為反密碼子。密碼子與反密碼子間的正確識別是遺傳信息準確傳遞的保障。3．遺傳密碼的性質(zhì)37第四節(jié)

蛋白質(zhì)的生物合成

一、遺傳信息的轉(zhuǎn)錄與RNA的加工1、轉(zhuǎn)錄（1）定義：是以DNA為模板，在RNA聚合酶的作用下合成RNA的過程。（2）轉(zhuǎn)錄的過程可分為：轉(zhuǎn)錄起始、RNA鏈的延伸、RNA鏈的合成終止及釋放。（3）參與轉(zhuǎn)錄的RNA聚合酶A、原核生物RNA聚合酶全酶（α、β、β’、σ無催化作用，識別啟動子，參與轉(zhuǎn)錄的起始；核心酶（不包括σ）。功能：選擇模板鏈，識別起始區(qū)的啟動子；解開DNA部分雙螺旋鏈，產(chǎn)生長約17bp的單鏈DNA模板；選擇正確的rNTP底物并催化形成磷酸二酯鍵，使合成的RNA鏈不斷延伸；能識別轉(zhuǎn)錄終止信號（terminationsignal），停止轉(zhuǎn)錄。38B、真核生物RNA聚合酶RNA聚合酶I：位于核仁中，合成28S，18S，5.8SrRNAs，相對活性50-70%，對α-鵝膏的不敏感。RNA聚合酶II：位于核仁中，轉(zhuǎn)錄合成mRNA，某些snRNAs，相對活性20-40%，對α-鵝膏的高度敏感。RNA聚合酶III：位于核質(zhì)中，合成tRNA，5SrRNA，某些snRNAs，相對活性約10%，具有片段特異性，對α-鵝膏中等敏感。39２、RNA合成的一般特點

（1）所用原料為核苷三磷酸；在DNA合成時為脫氧核苷三磷酸。（2）只有一條DNA鏈被用作模板；DNA合成時，兩條鏈分別用作模板。（3）RNA鏈的合成不需要引物；DNA合成一定要引物的引導。（4）RNA鏈的合成與DNA鏈的合成同樣，也是從5’向3’端，由RNA聚合酶催化。（5）轉(zhuǎn)錄后形成一個RNA分子的一段DNA序列稱為一個轉(zhuǎn)錄單位；一個轉(zhuǎn)錄單位可能剛好是一個基因（單順反子），也可能含有多個基因（多順反子）。40RNA的轉(zhuǎn)錄過程41３、真核生物mRNA在轉(zhuǎn)錄后的加工（1）5’端加上帽子(7－甲基鳥嘌呤核苷)：在蛋白質(zhì)翻譯時識別起始位置及防止被RNA酶降解。（2）3’端加上尾巴(聚腺苷酸,polyA)：對增加mRNA的穩(wěn)定性及從細胞核向細胞質(zhì)的運輸具有重要作用。（3）切除非編碼序列(內(nèi)含子)，將編碼序列(外顯子)連接起來，才能進行蛋白質(zhì)的翻譯。４、真核生物與原核生物RNA的轉(zhuǎn)錄的不同點（1）真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄是在細胞核內(nèi)進行，而蛋白質(zhì)的合成則是在細胞質(zhì)內(nèi)。（2）原核生物的一個mRNA分子通常含有多個基因；而少數(shù)較低等真核生物外，真核生物一個mRNA分子一般只編碼一個基因。（3）原核生物只有一種RNA聚合酶催化所有RNA的合成；真核生物中則有RNA聚合酶I、II、III，分別催化不同種類型RNA的合成。（4）原核生物RNA聚合酶直接起始轉(zhuǎn)錄合成RNA；真核生物三種RNA聚合酶都必須在蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)助下才能進行RNA轉(zhuǎn)錄。

42真核生物mRNA的加工43二、遺傳信息的翻譯與蛋白質(zhì)的生物合成

1、翻譯：指以mRNA為模板，在核糖體上合成蛋白質(zhì)的過程。2、蛋白質(zhì)合成的主要元件（1）核糖體：核糖體是蛋白質(zhì)的合成場所（2）mRNA：攜帶遺傳信息，蛋白質(zhì)合成的直接模板（3）tRNA：負責轉(zhuǎn)運特異性氨基酸進行蛋白質(zhì)生物合成3、核糖體的結(jié)構(gòu)和功能（1）核糖體的分類：真核生物核糖體：60S、40S、原核生物核糖體：50S、30S。（2）核糖體結(jié)構(gòu)功能：核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所。44A、翻譯功能區(qū)：肽鏈合成的場所，占據(jù)了核糖體的2/3mRNA結(jié)合位點；肽基tRNA和甲酰甲硫氨酸t(yī)RNA結(jié)合位點(P位點)；氨酰tRNA結(jié)合位點(A位點)；肽鏈延伸輔助因子EF-Tu和EF-G的結(jié)合位點，EF-Tu起著協(xié)助氨酰tRNA進入核糖體的作用，而EF-G負責核糖體的轉(zhuǎn)位反應(yīng)；肽基轉(zhuǎn)移酶活性位點，肽基轉(zhuǎn)移酶負責在肽鏈合成中將位于P位點的肽基tRNA的肽鏈轉(zhuǎn)移到位于A位點的氨酰tRNA上；5SrRNA結(jié)合位點以及結(jié)合脫酰tRNA的E位點等B、出口功能區(qū)(exitdomain):多肽的出口，核糖體通過這個區(qū)域附著在膜上。45原核生物70S核糖體真核生物80S核糖體核糖體的結(jié)構(gòu)464、蛋白質(zhì)生物合成的過程（1）合成的起始：核糖體大小亞基、tRNA和mRNA在起始因子的協(xié)助下組合成起始復合物的過程。（2）肽鏈的延伸進位：氨基酰-tRNA進入核糖體的A位肽鏈形成：氨基酰-tRNA進位后，在轉(zhuǎn)肽酶的催化下，P位的肽基-tRNA的肽鏈轉(zhuǎn)移到A位的氨基酰-tRNA的氨基上，從而形成肽鍵移位：肽鍵形成后，核糖體沿mRNA向3’方向移動一個密碼子的距離。（3）翻譯的終止：終止密碼子進入A位，標志著翻譯的結(jié)束。47蛋白質(zhì)合成的起始48蛋白質(zhì)合成鏈的延伸49蛋白質(zhì)合成的終止50第五節(jié)

基因的表達調(diào)控

基因作用的調(diào)控機理相當復雜，原核生物有原核生物調(diào)控模式，真核生物有真核生物的調(diào)控模式。一、基因的概念及其演變1865年，孟德爾提出遺傳因子概念；1909年，Johannsen更名為“基因”；1910年，Morgan等確定基因存在于染色體上并呈線性排列；1926年，Morgan等提出“三位一體”的基因概念，認為基因是結(jié)構(gòu)、功能、突變和交換的最小遺傳單位；1957年，Benzer提出順反子學說，認為基因是并不是不可分割的最小單位，在一個基因內(nèi)部存在精細的結(jié)構(gòu)，可分解成三種更小的單位，即突變子（它是性狀突變時，產(chǎn)生突變的最小單位，可小到只有一個核苷酸對）、重組子（在發(fā)生性狀重組時，可交換的最小單位，又稱交換子，只有一個核苷酸對）、順反子（表示一個起作用的功能單位，又稱作用子，它是DNA分子上一個決定一條多肽鏈的完整功能單位，內(nèi)部是可分的，包含多個突變和重組單位，它是經(jīng)得起順反測驗的一個功能單位）。512、現(xiàn)代基因的概念1977年，Sharp等發(fā)現(xiàn)斷裂基因；1978年，Sanger發(fā)現(xiàn)了重疊基因。因此，現(xiàn)代基因的概念是：基因是DNA（有些病毒為RNA）分子上一段特定的核苷酸序列，它是具有重組、突變、轉(zhuǎn)錄或調(diào)控作用的遺傳功能單位，即基因是DNA分子上具有遺傳效應(yīng)的一段特定的核苷酸序列，是遺傳的功能單位。3、基因的一般結(jié)構(gòu)特征（1）外顯子和內(nèi)含子原核生物的基因是DNA分子的一個片段，連續(xù)編碼；真核生物的結(jié)構(gòu)編碼序列往往是不連續(xù)的，被非編碼序列隔開。編碼序列稱為外顯子，非編碼序列稱為內(nèi)含子。

GT-AG法則：每個內(nèi)含子的5’端起始的兩個核苷酸都是GT，3’端末尾的兩個核苷酸都是AG，這就是RNA剪接的信號，這種接頭形式被稱之為GT-AG法則。

開放閱讀框(ORF，openreadingframe)：結(jié)構(gòu)基因內(nèi)從起始密碼子開始到終止密碼子的一段核苷酸區(qū)域，其間不存在任何終止密碼，可編碼完整的多肽鏈，這一區(qū)域被稱為開放閱讀框。52

（2）信號肽序列在分泌蛋白基因的編碼序列中，起始密碼子之后，有一段編碼富含疏水氨基酸多肽的序列，稱為信號肽序列(Signalpeptidesequence)。它所編碼的信號肽行使著運輸?shù)鞍踪|(zhì)的功能。（3）側(cè)翼序列和調(diào)控序列

側(cè)翼序列(flankingsequence)：每個結(jié)構(gòu)基因在第一個和最后一個外顯子的外側(cè)，都有一段不被轉(zhuǎn)錄的非編碼區(qū)。5’非翻譯區(qū)（5’-untranslatedregion5’-UTR）：從轉(zhuǎn)錄起始位點至起始密碼子的一段非翻譯區(qū)。3’非翻譯區(qū)（3’-untranslatedregion3’-UTR）：從終子密碼子至轉(zhuǎn)錄終止的一段非翻譯區(qū)。（4）調(diào)控序列(regulatorsequence)對基因的有效表達起著調(diào)控作用的特殊序列，包括啟動子，增強子，終止子，核糖體結(jié)合位點，加帽和加尾信號等。53啟動子：是指準確而有效地啟始基因轉(zhuǎn)錄所需的一段特異的核苷酸序列。TATA框、CAAT框、GC框增強子：使啟動子發(fā)動轉(zhuǎn)錄的能力加強，具有組織特異性和細胞特異性。沉默子：是另一種與基因表達有關(guān)的調(diào)控序列，通過與蛋白的結(jié)合，對轉(zhuǎn)錄起阻抑作用。終止子：一段位于基因3’端非編碼區(qū)中與終止轉(zhuǎn)錄過程有關(guān)的序列，它由一段富含GC堿基的顛倒重復序列以及寡聚T組成，是RNA聚合酶停止工作的信號。加尾信號：真核生物mRNA的3’端都有一段多聚A尾巴(polyAtail)，它不是由基因編碼，而是在轉(zhuǎn)錄后通過多聚腺苷酸聚合酶作用加到mRNA上的。這個加尾過程受基因3’端非編碼區(qū)中一種叫做加尾信號序列的控制。核糖體結(jié)合位點：在原核生物基因翻譯起始位點周圍有一組特殊的序列，控制著基因的翻譯過程，SD序列是其中主要的一種。54啟動子的結(jié)構(gòu)55二、基因調(diào)控的模式（一）原核生物的基因調(diào)控操縱子（operon）就是從操縱基因以及相鄰的若干結(jié)構(gòu)基因所組成的功能單位，其中結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄受操縱基因的調(diào)控。乳糖操縱子模型（Jacob和Monod,1961），以大腸桿菌為例，它能利用乳糖作為唯一碳源。1、乳糖代謝需要三種酶：（lacZ)

-半乳糖苷酶：乳糖→半乳糖和葡萄糖；（lacY)滲透酶：增加糖的滲透，促進乳糖進入細胞；（lacA)轉(zhuǎn)乙酰酶：機理不明。在培養(yǎng)基上加入乳糖，以上三種酶大量增加，乳糖用完，這三種酶的合成停止。562、以上三個酶的基因轉(zhuǎn)錄受乳糖操縱子（operon）的三個結(jié)構(gòu)基因的控制，主要內(nèi)容：lacZ、lacY、lacA為三種酶結(jié)構(gòu)基因o：操縱基因（開關(guān)位點）i：調(diào)節(jié)基因：合成組蛋白（阻遏物）p:啟動基因當培養(yǎng)基內(nèi)沒有乳糖時，阻遏物接在操縱基因上，關(guān)閉操縱子，阻止核糖核酸聚合酶的通過→抑制基因的表達→關(guān)閉當培養(yǎng)基內(nèi)加入乳糖，乳糖作為誘導物與阻遏物結(jié)合→打開操縱子→基因表達。

LacI

P

O

LacZ

LacY

LacAβ-半乳糖苷酶β-半乳糖苷透性酶β-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶57（二）真核生物的基因調(diào)控1、與原核生物比較的相同點（1）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控+轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，以轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控為重要。（2）在真核生物結(jié)構(gòu)基因的是上游和下游（甚至內(nèi)部）也存在著許多特異的調(diào)控成份。2、與原核生物比較的不同點（1）原核染色體是裸露的DNA，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對基因的表達沒有明顯的調(diào)控。真核的染色質(zhì)DNA與組蛋白緊密結(jié)合形成的核小體，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對基因的調(diào)控是明顯的。（2）原核生物中有正調(diào)控和負調(diào)控（乳糖操縱子）

。真核生物迄今已知的主要是正調(diào)控，而且一個真核基因通常都有多個調(diào)控序列，必須有多個激活物同時特異地結(jié)合才能啟