生物化学讲义第九章基因信息的传递

1第九章基因信息的传递【目的和要求】1.掌握DNA的复制的定义及特征。2．熟悉参与DNA复制的酶及DNA复制过程。3．掌握引发DNA损伤的因素和损伤的类型及修复。4．掌握逆转录的定义，转录的定义及特点。5．熟悉转录的过程和转录后的加工。6．掌握参与蛋白质生物合成的物质及遗传密码的定义及特点。7．掌握；，熟悉蛋白质生物合成的过程8.了解蛋白质生物合成与医学的关系【本章重难点】1.DNA复制的定义、特征及过程。2．转录的定义、特点及过程，转录后的加工。3．遗传密码的定义、特点及三类RNA在蛋白质生物合成中作用。4．蛋白质生物合成的过程。学习内容第一节DNA的生物合成第二节RNA的的生物合成第三节蛋白质的生物合成第一节DNA的生物合成一、DNA的复制：以亲代DNA为模板合成子代DNA，将遗传信息准确地复制到子代DNA分子上的过程。遗传中心法则：2复制复制DNARNA转录RNA蛋白质逆转录蛋白质翻译1．DNA复制的特征（1）半保留复制（2）半不连续复制（3）有特定的起始点（4）双向复制2．参与DNA复制的物质（1）模板：DNA的两股链。（2）底物：四种dNTP（即dATP、dTTP、dCTP、dGTP）。（3）引物：RNA.。（4）DNA聚合酶：真核生物有五种：DNA聚合酶α、β、γ、δ、ε；原核生物的DNA聚合酶有：polⅠ、polⅡ、polⅢ三类。原核生物DNA聚合酶性质和功能比较polⅠpolⅡpolⅢ分子量1090001200004000005′→3′聚合作用＋＋＋3′→5′核酸外切酶作用＋＋＋5′→3′核酸外切酶作用＋－＋主要功能校读、填补空隙？复制酶切除引物（5）引物酶：一种RNA聚合酶。能以DNA为模板，识别DNA复制的起始点，催化一段引物RNA的合成。引物以氢键与模板结合。（6）解链和解旋酶类：3①拓扑异构酶：有内切酶、连接酶功能，分为酶Ⅰ、酶Ⅱ。酶Ⅰ又称ω蛋白可切开一股链，不需消耗ATP。酶Ⅱ又称旋转酶在消耗ATP的作用下，可切断双链，且分开双链。②解链酶解开一个碱基对，消耗2个分子ATP。作用在复制叉处，可沿模板随复制叉伸展（5′→3′）而移动。③单链结合蛋白（SSB）稳定解开的单链DNA，阻止复性和保护单链部分不被核酸酶水解。（7）DNA连接酶催化以氢键结合于模板DNA的两个DNA片段通过磷酸二酯键连接起来。在DNA复制、修复和基因工程中起作用。参加DNA复制酶的主要作用作用分子量（万）引物酶合成RNA引物6解链酶解开DNA双链6.5SSB稳定已解开的单链7.4拓扑酶Ⅱ克服解链中的打结缠绕40拓扑转型拓扑酶Ⅰ切断DNA中的一股链，在解旋中不致打――结，又可封闭切口，使DNA变为松弛态。polⅢ真正的‘复制酶’55polⅠ填补引物遗留空隙10.9DNA连接酶连接5′－P和3′－OH末端7.43．复制的过程（1）复制的起始①拓扑异构酶将正超螺旋转变为负超螺旋；解链酶消耗ATP将氢键打断把DNA由双链变为单链。②SSB与单链DNA结合，起稳定单链避免核酸酶水解的作用。③引物酶以解开的DNA单链为模板，以dNTP为原料，按5′→3′方向催化引物RNA的生成（十几个～数十个核苷酸链等）。随从链不连续，需多次合成引物。4（2）复制的延长①在引物RNA上延长DNA链在DNApolⅠ催化下，以四种dNTP为原料、按碱基配对的原则、在引物3′-OH端开始，沿5′→3′方向逐个加入脱氧核苷酸，使DNA链得以延长。②复制的不连续性模板DNA的两股单链：一条链的方向与解链方向相同，子链DNA可沿5′→3′方向连续合成，这条链称前导链；而另一条链与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，必须等待模板链解出足够长度，复制才能开始并延长，这些不连续的片断称冈崎片断，这条链称随从链。（3）复制的终止在DNA合成的片段内，由DNA聚合酶I外切酶活性切除RNA引物，致使各片段之间形成空隙，然后由DNA聚合酶I的聚合酶活性催化填补空隙，最后由DNA连接酶将这些片段再连接起来，成为一条长链。二、DNA的损伤与修复1．引发DNA损伤的因素：（1）紫外线的照射（2）碱基和核苷酸的类似物的作用（3）抗菌素及其类似物的作用2．基因突变的后果及类型（3）后果：致死；功能缺失；改变基因型；进化（4）类型：点突变；复突变3．损伤的修复（1）光修复（2）切除修复（3）重组修复（4）SOS修复其中切除修复是人体细胞内DNA的主要修复机制。三、逆转录1．概念：逆转录又称为反转录，是RNA指导下的DNA合成作用，即以RNA为模板，由dNTP聚合生成DNA的作用，遗传信息的流动呈逆方向进行，所以称逆转录作用。在致癌的RNA病毒中，有逆转录酶的存在。2．逆转录酶有三种作用：RNA指导的DNA合成反应；RNA的水解反应；DNA指导的DNA合成。3．逆转录过程：以病毒基因RNA为模板，在反转录酶的作用下，先合成一条与模板RNA互补的DNA单链，产物与模板形成DNA-RNA杂交分子。然后，以新合成的DNA单链为模板，合成另一条互补的DNA链，形成双链DNA分子，方向5′5－3′。反转录合成的DNA分子，一旦整合到宿主染色体基因组中，可导致宿主细胞癌变。端粒酶类似于逆转录酶：由RNA和蛋白质组成，该酶利用自身RNA为模板，催化染色体DNA端区的合成，防止染色体缩短。4．逆转录病毒：是一类RNA病毒，因含逆转录酶而得名。人类免疫缺陷病毒（HIV）也是一种逆转录病毒，因它的感染导致艾滋病。第二节RNA的生物合成一、不对称转录1．转录的模板（1）转录的不对称性：[1]DNA分子双链上只有一股可以转录。可转录生成RNA的一个链称模板链；相对的一股不能转录生成RNA的链称编码链。[2]不同基因的模板链可在DNA分子的不同链上。（2）酶与模板的结合在原核生物，多数转录起始区有5′－TATAATPu序列，因富含AT，解链温度低，编码链与模板链易分离，有利于RNA聚合酶发挥作用2．RNA聚合酶（1）原核生物RNA聚合酶有全酶（α2ββ‘σ）和核心酶（α2ββ‘）两种形式。α亚基决定转录的特异性，β亚基与转录全过程有关，β‘亚基结合DNA模板上，σ辨认转录起始点，活细胞的转录起始需要全酶，但至转录延长阶段，仅需要核心酶。受抗结核菌药物利福平或利福霉素的特异性抑制。（2）真核生物RNA聚合酶有三种分别是：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。RNA聚合酶Ⅰ的转录产物是45SrRNS,RNA聚合酶Ⅱ转录产物是hnRNA，RNA聚合酶Ⅲ转录产物是5SrRNA、tRNA、snRNA。鹅膏覃碱是真核生物RNA聚合酶的特异性抑制剂。3．转录的特点（1）不对称性（2）连续性（3）单向性（4）有特定的起始和终止位点二、转录的过程RNA转录过程可分为三个阶段：起始、延长和终止。1．起始：σ因子辨认DNA的启始点，全酶与启动子结合，DNA双链分子局6部发生构象变化和结构松散，解开10～20个碱基对形成转录空泡。以四种三磷酸核苷为原料（NTP），按碱基互补原则，首先生成四磷酸二核苷(pppGpN’-OH)。RNA聚合酶（全酶）－DNA－pppGpN’-OH结构称为转录起始复合物。σ亚基从复合物脱落，RNA聚合酶构象改变，形成核心酶，与模板结合松弛，按3′－5′方向沿DNA模板链向前移动，并以四种NTP为原料，按5′-3′方向合成RNA链。2．延伸：酶－DNA－RNA复合物称转录复合物。由于模板的DNA双链比新合成的DNA-RNA杂化双链结构稳定，故DNA双螺旋的力把RNA排斥在外，仅保留较短的新合成RNA链与DNA模板链互补结合，从5′端开始的大部分RNA链则伸展出转录空泡外，转录后的DNA随即重新成为双螺旋。3．终止：当核心酶移动到DNA模板的转录终止部位时，转录终止。转录终止的机理有两种机制。一是，在原核细胞中有一种ρ因子，它可识别并结合转录终止信号，使核心酶停止移动，导RNA聚合反应停止；二是，转录终止部位有特殊的碱基序列，即一段GC富集区、随后是一段AT富集区。在GC富集区内组成一段反向重复序列，转录至此生成的RNA在相应序列中形成了发卡结构，使RNApol脱离模板而终止转录。三、转录后的加工转录后生成的是RNA前体，即未成熟RNA。RNA前体不具有生物学活性，还需要在酶的作用下加工后才能成为有活性的成熟的RNA。RNA加工部位主要在细胞内及少数在胞浆中进行。各种RNA的加工过程有自己的特点，但加工的类型主要有以下几种：①剪切和剪接；②末端添加核苷酸；③化学修饰；④RNA编辑1．mRNA前体的加工：①剪接：去除内含子部分，再将外显子部分连接起来。②5′末端加“帽”，甲基三磷酸双鸟苷（mGpppmG）。③3′末端加尾：mRNA前体分子3′末端在多聚A聚合酶的催化下，由ATP聚合形成多聚A尾。④化学修饰：mRNA中含有少量稀有碱基是经转录后化学修饰形成的（如碱基被甲化）。⑤RNA编辑：某些mRNA转录后还需插入、删除和取代某些核苷酸残基，才具有翻译功能，并改变了原有DNA模板上的遗传信息。2．tRNA前体的加工：tRNA前体在酶的作用下，先切除5′与3′末端多余的核苷酸，再去除内含子进行剪接；其3′末端加-CCA以及碱基的化学修饰，如某些碱基的甲基化；U加氢还原为DHU。73．rRNA前体的加工：染色体DNA中rRNA基因为多拷贝，这些rRNA基因纵向串联并重复排列。重复单位之间由非转录的间隔区将其分开。某些间隔区的转录产物为tRNA。原核生物rRNA的前体30S，在RNaseⅢ及核酸酶的作用下，切除间隔区序列，产生成熟的16S、23S、5SrRNA及成熟的tRNA；16SrRNA上某些碱基被甲基化。真核生物的5SrRNA自成体系进行加工，但加工甚少；45SrRNA前体包括58S、28S和18SrRNA，45SrRNA在核酸酶的几次剪切下产生相应成熟的几种rRNA分子；并在加工过程中使分子进行广泛地甲基化。第三节蛋白质的生物合成一、参与蛋白质生物合成的物质1．合成原料：20种氨基酸；2．酶及蛋白因子（1）氨基酰tRNA合成酶（2）转肽酶（3）蛋白因子：起始因子（IF）；延长因子（EF）；释放因子（RF）3．RNA（1）mRNA：mRNA分子中，每三个相连的核苷酸决定一个氨基酸，三个核苷酸组成的三联体称为一个“遗传密码”。①起始密码（AUG），终止密码（UAG、UAA、UGA）。②遗传密码的特性：连续性；简并性；方向性；通用性；摆动性（2）tRNA：以氨基酰tRNA的形式活化氨基酸；通过其反密码子与mRNA密码子的对应结合来确定氨基酸的转运位置（3）rRNA：与多种蛋白质共同构成核糖体；核糖体是多肽链合成的场所；参加蛋白质生物合成的各种成分，最终均需结合在核糖体上，再将氨基酸按特定的顺序聚合成多肽链4．供能物质及无机离子：合成过程中需ATP或GTP提供能源，并需Mg+、K+二、蛋白质生物合成的过程——翻译1．氨基酸的活化与转运：氨基酸与相应tRNA在氨基酰-tRNA合成酶的催化下，生成氨基酰-tRNA，再转运到核蛋白体大亚基的给位和受位。rRNA参与构成核蛋白体，核蛋白体是蛋白质合成的场所。核蛋白体包括大、小两个亚基，小亚基可与mRNA结合，大亚基有给位P位、受位A位和排出位E位，可接受氨基酰-tRNA转运进入。82．“核糖体循环”：肽链合成的起始、延长和终止过程（1）起始阶段：在起始因子的作用下，mRNA、核蛋白体小亚基、甲硫氨酰-tRNA和核蛋白体大亚基形成起始复合体。（2）延长阶段：氨基酰-tRNA按照mRNA的密码子序列把相应的氨基酸转运到核蛋白体中，在延长因子、GTP、Mg2+和K+的参与下，“进位-成肽-转位”连续进行，氨基酸通过肽键结合形成多肽。（3）终止阶段：合成到mRNA终止密码时，释放因子辨认终止密码进入受位，促进肽链C端与tRNA3＇-羟基酯键的水解，释放出多肽链，mRNA也从核蛋白体释放出来。三、翻译后的加工1.多数多肽链合成后需经过一定的加工、修饰，才能转变成具有特定生物学功能的蛋白质2.加工修饰的方法：切除N端起始的氨基酸；形成二硫键；肽段的水解；氨基酸侧链的修饰；辅基的结合及亚基的聚合等。四、蛋白质