遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)課件

第三章遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)第二節(jié)

核酸的分子結(jié)構(gòu)

1、DNA的分子結(jié)構(gòu)2、RNA的分子結(jié)構(gòu)

tRNArRNAmRNA第三節(jié)

DNA復(fù)制DNA的復(fù)制概念DNA復(fù)制(replication)：DNA分子在DNA合成酶系的作用下，合成與自身分子結(jié)構(gòu)相同的子代DNA的過程。復(fù)制親代DNA子代DNA一、DNA復(fù)制所需的酶及蛋白質(zhì)

DNA解旋酶：利用ATP供能，作用于氫鍵，解開DNA雙螺旋鏈。DNA單鏈結(jié)合蛋白：在復(fù)制中維持模板處于單鏈狀態(tài)并保護(hù)單鏈的完整。引物酶：復(fù)制起始時(shí)催化生成RNA引物的酶。

DNA聚合酶(DNApolymerase,DNA-pol)：原核細(xì)胞–DNA聚合酶I、II、III真核細(xì)胞–DNA聚合酶α、β、δ、ε?；钚裕?.5

3

聚合活性2.5

3

核酸外切酶活性3.3

5

核酸外切酶活性(DNA聚合酶I&DNA聚合酶δ)

連接酶：催化相鄰DNA片段間的3’-OH與5’-PO4間形成磷酸二酯鍵，從而使DNA片段連接在一起。DNA連接酶ATPADPHO5’3’5’3’3’5’5’3’端粒酶：在DNA復(fù)制終止時(shí)發(fā)揮作用的一種酶，由RNA與具有反轉(zhuǎn)錄酶活性的蛋白質(zhì)組成。功能：以自帶RNA片段為模板，催化補(bǔ)齊DNA端粒末端的重復(fù)序列，避免DNA在復(fù)制中逐漸縮短。普通的正常細(xì)胞中無端粒酶活性。具有反轉(zhuǎn)錄酶性質(zhì)的端粒酶。二、DNA復(fù)制的特征1、半保留性復(fù)制形成的子代DNA中，一條單鏈來自親代模板DNA，另一條單鏈則為完全重新合成的互補(bǔ)鏈。這種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母鏈DNA

復(fù)制過程中形成的復(fù)制叉子代DNA

3’5’引物酶兩條DNA單鏈的復(fù)制從固定起點(diǎn)開始，向兩側(cè)相反方向推進(jìn)（各自分別沿新合成鏈的5’

3’方向）。2、雙向性復(fù)制叉(replicationfork)3、多起點(diǎn)性真核生物DNA復(fù)制有多個(gè)起始點(diǎn)。習(xí)慣上把具有一個(gè)DNA復(fù)制起點(diǎn)的復(fù)制單位稱為復(fù)制子(replicon)。因此真核生物的DNA復(fù)制是多復(fù)制子的雙向復(fù)制，最終互相連接。4、不連續(xù)性DNA聚合酶催化DNA鏈合成方向：5’

3’5’5’3’復(fù)制子3’3

5

3

5

解鏈方向3′5′3′3′5′前導(dǎo)鏈(leadingstrand)后隨鏈(laggingstrand)RNA引物前導(dǎo)鏈(leadingstrand)：合成方向同復(fù)制叉推進(jìn)方向一致，連續(xù)合成。后隨鏈(laggingstrand)：合成方向同復(fù)制叉推進(jìn)方向相反，短片段、不連續(xù)合成。復(fù)制中的不連續(xù)片段稱為岡崎片段(okazakifragment)。

5、不同步性不同復(fù)制子在復(fù)制時(shí)間上存在差異。常染色質(zhì)復(fù)制早于異染色質(zhì)。復(fù)制過程簡(jiǎn)圖引物酶前導(dǎo)鏈3、1、滾動(dòng)復(fù)制：σ復(fù)制

λ噬菌體增殖、真核生物rDNA擴(kuò)增2、θ-型復(fù)制大腸桿菌DNA復(fù)制3、線粒體（mtDNA）的D環(huán)復(fù)制三、環(huán)狀雙鏈DNA復(fù)制方式人mtDNA是一個(gè)長(zhǎng)為16,569bp的雙鏈閉合環(huán)狀分子，外環(huán)含G較多，稱重鏈(H鏈)，內(nèi)環(huán)含C較多，稱輕鏈(L鏈)。mtDNA結(jié)構(gòu)緊湊，沒有內(nèi)含子，唯一的非編碼區(qū)是D環(huán)區(qū)，長(zhǎng)約1,000bp左右。D環(huán)區(qū)包括mtDNA重鏈復(fù)制起始點(diǎn)，重輕鏈轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)子。線粒體的H鏈?zhǔn)?2種多肽鏈、12SrRNA、16SrRNA和14種tRNA的轉(zhuǎn)錄模板，L鏈?zhǔn)?種多肽鏈和8種tRNA轉(zhuǎn)錄的模板。mtDNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：第四節(jié)RNA的轉(zhuǎn)錄與加工轉(zhuǎn)錄(transcription)：

以DNA為模板合成RNA的過程。轉(zhuǎn)錄RNADNA

DNA雙鏈中作為轉(zhuǎn)錄模板的一股單鏈稱為模板鏈(templatestrand)，也稱作反義鏈(antisensestrand)。相對(duì)的另一股互補(bǔ)單鏈，其堿基序列與轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物相同，稱為編碼鏈(codingstrand)，也稱為有義鏈。5

3

3

5

模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別A-U，T-A，G-CA-T，G-C配對(duì)mRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈DNA（半保留復(fù)制）產(chǎn)物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板鏈轉(zhuǎn)錄（不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄）兩股鏈均復(fù)制模板轉(zhuǎn)錄復(fù)制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配對(duì)mRNA，tRNA，rRNA子代雙鏈DNA（半保留復(fù)制）產(chǎn)物RNA聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶酶NTPdNTP原料模板鏈轉(zhuǎn)錄（不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄）兩股鏈均復(fù)制模板轉(zhuǎn)錄復(fù)制一、轉(zhuǎn)錄的基本過程—起始、延長(zhǎng)、終止1.轉(zhuǎn)錄的起始原核生物的RNA聚合酶：4種亞基α,β,β’,

。其中

亞基識(shí)別轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)，稱為轉(zhuǎn)錄的起始因子。核心酶全酶

真核生物的RNA聚合酶(

3種)：RNA聚合酶I、II、III.亞基種類多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。種類IIIIII分布核仁核基質(zhì)核基質(zhì)產(chǎn)物45SrRNAhnRNA5SrRNA、tRNA前體對(duì)鵝膏蕈堿的反應(yīng)不敏感極敏感中度敏感啟動(dòng)子(promoter)

：RNA聚合酶開始結(jié)合于模板DNA的部位。注意區(qū)分：?jiǎn)?dòng)子是模板DNA上最開始與RNA聚合酶結(jié)合的一段DNA序列；轉(zhuǎn)錄的起始因子是RNA聚合酶上的一個(gè)蛋白質(zhì)亞基

。原核細(xì)胞中RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)子：TATAATGATATTAC啟動(dòng)子識(shí)別部位啟動(dòng)子結(jié)合部位(Pribnowbox)轉(zhuǎn)錄起始因子

亞基識(shí)別啟動(dòng)子識(shí)別部位，并介導(dǎo)RNA聚合酶全酶結(jié)合于啟動(dòng)子結(jié)合部位，從而啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。真核細(xì)胞中RNA聚合酶結(jié)合的啟動(dòng)子：

3種RNA聚合酶分別識(shí)別各自的啟動(dòng)子序列。RNA聚合酶II的啟動(dòng)子

TATA框

CAAT框------CAAT-----TATA轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)-26~30bp-75bp結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶結(jié)合部位，控制轉(zhuǎn)錄起始的精確性。與RNA聚合酶結(jié)合，控制轉(zhuǎn)錄起始的頻率。轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactor,TF)：轉(zhuǎn)錄過程中與DNA特殊序列結(jié)合從而調(diào)控轉(zhuǎn)錄進(jìn)程的蛋白質(zhì)。在真核細(xì)胞中，只有當(dāng)啟動(dòng)子的DNA序列上結(jié)合一個(gè)或多個(gè)特異的DNA結(jié)合蛋白時(shí)，才成為有功能的啟動(dòng)子，可被聚合酶所識(shí)別。

RNA聚合酶—轉(zhuǎn)錄因子—啟動(dòng)子真核細(xì)胞中RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合需要轉(zhuǎn)錄因子參與。轉(zhuǎn)錄因子：

TFIIB

TFIIDTFIIE

TFIIS-RNApol-TATA框形成復(fù)合物，啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。促進(jìn)轉(zhuǎn)錄延伸。2.轉(zhuǎn)錄的延伸原核細(xì)胞中：轉(zhuǎn)錄起始后，

亞基從全酶上脫落，核心酶沿模板鏈移動(dòng)，RNA鏈沿5’

3’方向延長(zhǎng)。真核細(xì)胞中：轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過程與原核細(xì)胞大致相似，轉(zhuǎn)錄因子TFIIE與TFIIS有促進(jìn)延長(zhǎng)的作用。3.轉(zhuǎn)錄的終止RNA聚合酶在DNA模板上移動(dòng)到終止位點(diǎn)，停止作用，產(chǎn)物RNA鏈從模板上脫落。

依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止非依賴ρ

因子的轉(zhuǎn)錄終止原核細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄終止依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止ρ因子識(shí)別DNA上終止序列并與之結(jié)合當(dāng)RANpol移至終止位點(diǎn)，與ρ因子結(jié)合RAN鏈脫離模板，轉(zhuǎn)錄終止非依賴ρ

因子的轉(zhuǎn)錄終止DNA模板上靠近終止處，有些特殊的堿基序列，轉(zhuǎn)錄出RNA后，RNA產(chǎn)物局部形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，引起轉(zhuǎn)錄終止。5′pppG53

35RNA-pol二、轉(zhuǎn)錄后的加工DNA分子上轉(zhuǎn)錄出RNA的區(qū)段，稱為結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)。真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)基因一般是不連續(xù)的，稱為斷裂基因（splitgene），由編碼蛋白質(zhì)的序列和非編碼蛋白質(zhì)的序列構(gòu)成。CABD編碼區(qū)A、B、C、D非編碼區(qū)外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)外顯子斷裂基因上可編碼蛋白質(zhì)，表達(dá)為成熟RNA的核酸序列。內(nèi)含子在斷裂基因中出現(xiàn)在外顯子之間，在剪接過程中被除去的核酸序列，不參與編碼蛋白質(zhì)。1.原核細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄后的加工mRNA：不需剪切加工。

tRNA：切除5’及3’端點(diǎn)附加序列，在3’端附加CCA序列，對(duì)特定堿基進(jìn)行化學(xué)修飾。

rRNA：將rRNA

前體剪切成5S、16S、23SrRNA。原核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)基因是連續(xù)的，不含內(nèi)含子。（1）mRNA前體的加工2.真核細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄后的加工核不均一RNA（heterogeneousnuclearRNA,hnRNA）成熟的mRNA戴帽剪接加尾戴帽在hnRNA5’端加上帽子結(jié)構(gòu)，即7-甲基鳥嘌呤核苷-5’-三磷酸鳥苷(m7GpppG……)。在hnRNA合成到30個(gè)核苷酸時(shí)開始形成。作用：封閉hnRNA5’端，穩(wěn)定hnRNA，防其被降解；為核糖體小亞基識(shí)別位點(diǎn)，幫助mRNA與核糖體小亞基結(jié)合。鳥苷酸轉(zhuǎn)移酶甲基化酶加尾在3

端加上含100~200個(gè)A的多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)。

作用：穩(wěn)定mRNA,并幫助其由核輸出至胞質(zhì)。AAUAAAAAUAAA剪接切除hnRNA中的內(nèi)含子，拼接外顯子。剪接信號(hào)剪接體互相識(shí)別保證精確剪接內(nèi)含子5’端的GC，3’端的AG——剪切位點(diǎn)

內(nèi)含子3’端上游UACUAAC序列中的A——分支點(diǎn)、交叉點(diǎn)小分子RNA：U1-U6(smallnuclearRNA,snRNA)核內(nèi)的蛋白質(zhì)小分子核糖核蛋白顆粒（smallnuclearribonucleoproteinparticle,snRNP）剪接體:U1snRNP、U2snRNP

……U6snRNP剪接過程①

U1snRNP

結(jié)合5’剪切位點(diǎn)；U2snRNP

結(jié)合分支點(diǎn)。②U4、U5、U6snRNP以復(fù)合體形式結(jié)合于內(nèi)含子，形成剪接體。③

分支點(diǎn)上的A向5’端剪接點(diǎn)靠近。④內(nèi)含子與外顯子在5’端剪接點(diǎn)處斷開，斷開的內(nèi)含子5’端與A相連，形成套索狀結(jié)構(gòu)。⑤5’端外顯子的3’-OH與3’端外顯子的5’-PO4結(jié)合，內(nèi)含子3’剪切點(diǎn)被切除。⑥剪切體及套索結(jié)構(gòu)脫離，剪接過程結(jié)束。剪切過程中需要ATP提供能量。hnRNA的選擇性剪接234561234123561（2）rRNA前體的加工轉(zhuǎn)錄(RNApolI)45SrRNA前體18SrRNA28SrRNArDNA內(nèi)含子內(nèi)含子28S5.8S18S剪接5.8SrRNA5SrRNA（3）tRNA前體的加工tRNA前體RNApolⅢDNARNaseP核酸內(nèi)切酶前導(dǎo)序列內(nèi)含子tRNA核苷酸轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)運(yùn)Aa的結(jié)合位點(diǎn)其它堿基修飾（三）轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)真核細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的主要方式

----基因附近的DNA序列與相關(guān)的DNA結(jié)合蛋白結(jié)合，促進(jìn)或抑制靶基因的轉(zhuǎn)錄。

順式作用元件（cis-actingelement）：對(duì)基因轉(zhuǎn)錄有調(diào)節(jié)活性的DNA序列。

反式作用因子（trans-actingfactor）：與順式作用元件結(jié)合的蛋白質(zhì)，又稱轉(zhuǎn)錄因子。順式作用元件啟動(dòng)子：包括TATA框、CAAT框及GC框（GGGCGG）等；增強(qiáng)子：能增強(qiáng)啟動(dòng)子功能活性、加速基因轉(zhuǎn)錄的DNA序列，位置比較自由（可位于基因上下游、或內(nèi)含子中，距離可遠(yuǎn)可近）。

由多個(gè)增強(qiáng)體組成。沉默子：與增強(qiáng)子作用相反的負(fù)性調(diào)控元件，阻遏基因轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)TATA盒CAAT盒GC盒增強(qiáng)子順式作用元件(cis-actingelement)轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)外顯子內(nèi)含子啟動(dòng)子沉默子反式作用因子通用（基本）轉(zhuǎn)錄因子：結(jié)合啟動(dòng)子TATA框，幫助RNApol與啟動(dòng)子結(jié)合，參與轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)。在3種RNApol間通用。特定轉(zhuǎn)錄因子：與特定順式作用元件結(jié)合，調(diào)節(jié)特定基因的轉(zhuǎn)錄。

轉(zhuǎn)錄激活因子：多為增強(qiáng)子結(jié)合蛋白；

轉(zhuǎn)錄抑制因子：多為沉默子結(jié)合蛋白，或通過結(jié)合激活因子等抑制基因的表達(dá)。反式作用因子在結(jié)構(gòu)上一般具有DNA結(jié)合域、轉(zhuǎn)錄激活域、其他蛋白結(jié)合域三個(gè)功能域；DNA結(jié)合域以非組蛋白形成不同結(jié)構(gòu)模式：鋅指結(jié)構(gòu)(Zincfinger)α螺旋-轉(zhuǎn)角-α螺旋結(jié)構(gòu)(helix-turn-helixmotif)亮氨酸拉鏈基序(Lencinezippermotif，ZIP)螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)(helix-loop-helixmotif，HLH)螺旋-環(huán)-螺旋亮氨酸拉鏈螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋鋅指第五節(jié)遺傳密碼與蛋白質(zhì)合成一、遺傳密碼的性質(zhì)：1、43=64密碼子20種AA；2、每三個(gè)相鄰的堿基構(gòu)成決定一種aa的密碼子3、特征：①閱讀方向：5’→3’②具有簡(jiǎn)并性：同義密碼子同一種aa可以由兩種或兩種以上的密碼子所決定。起始密碼子：AUG

終止密碼子：UAA、UGA、UAG③具有通用性：病毒、原核細(xì)胞、真核細(xì)胞④不重疊、無逗號(hào)⑤例外如：線粒體密碼（表9-2）二、tRNA與遺傳密碼1、氨基酸的活化：aa+tRNA+ATP（氨基酰tRNA合成酶）→aa-tRNA+AMP+PPi2、tRNA的種類：起始tRNA延伸tRNA同工tRNA校正tRNA3、tRNA反密碼子與mRNA密碼子的識(shí)別：①aa-tRNA（蛋白質(zhì)因子作用）→TψCG環(huán)與5.8SrRNA分子的互補(bǔ)關(guān)系→進(jìn)入核糖體。②反密碼子中第3個(gè)搖擺問題。③校正tRNA。1、原核生物70S的核糖體

真核是生物80S的核糖體

三、核糖體的結(jié)構(gòu)與功能

與mRNA的結(jié)合位點(diǎn)

與新?lián)饺氲陌滨?tRNA的結(jié)合位點(diǎn)——氨酰基位點(diǎn)，又稱A位點(diǎn)

與延伸中的肽酰-tRNA的結(jié)合位點(diǎn)——肽?；稽c(diǎn)，又稱P位點(diǎn)

肽酰轉(zhuǎn)移后與即將釋放的tRNA的結(jié)合位點(diǎn)——E位點(diǎn)(exitsite)

與肽酰tRNA從A位點(diǎn)轉(zhuǎn)移到P位點(diǎn)有關(guān)的轉(zhuǎn)移酶

(即延伸因子EF-G)的結(jié)合位點(diǎn)

與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的其它起始因子、延伸因子和終止因子的結(jié)合位點(diǎn)2、核糖體上具有一系列與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的

結(jié)合位點(diǎn)與催化位點(diǎn)：3、蛋白質(zhì)的合成