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基因信息的传递(2),高 颖 大连医科大学生化教研室,转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,基因表达,转录（transcription）生物体以DNA为模板合成RNA的过程。,转录,DNA,转录与复制的相似点：1.模板均为DNA2.延长机理都是形成磷酸二酯键3.方向均为53。,转录和复制的区别,参与转录的物质,原料:NTP（ATP,UTP,GTP,CTP）模板:DNA酶:RNA聚合酶（RNA polymerase,RNA-pol）其他蛋白质因子,一、转录模板,能转录出RNA的DNA区段,模板链(template strand),编码链(coding strand),编码链,模板链,双链DNA分子中能作为模板转录出RNA的链，称为模板链。又叫有意义链（sense strand）或Watson链。另一条互补链称为编码链，又叫反义链（antisense strand）或 Crick链。,转录产物RNA的碱基序列，除了 T 变U 外，其余与编码链相同。,不对称转录(asymmetric transcription)在DNA分子双链上某一区段，一股链可转录，另一股链不转录；模板链并非永远在同一单链上。,二、RNA聚合酶（DDRP）1.原核生物的RNA聚合酶E.coli的RNA聚合酶是由四种亚基组成的六聚体（2）,E.coli RNA聚合酶组分,RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,2.真核生物的RNA聚合酶,RNA聚合酶、都由多个亚基组成。有些亚基是三种酶所共有。mRNA是各种RNA中寿命最短、最不稳定的，需经常重新合成。因此RNA聚合酶是三种酶中最活跃的。,三、酶与模板的辨认结合原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)，包括若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。RNA聚合酶结合模板DNA的部位称为启动子(promoter)。是调控转录的关键部位。,原核生物启动子35区：一致性序列为TTGACA是RNA-pol的辨认位点10区：一致性序列为TATAAT又叫Pribnow盒是RNA-pol的结合位点,真核生物启动子,转录过程起始(initiation)延长(elongation)终止(termination),一、原核生物的转录过程,（一）转录起始 1.RNA聚合酶结合在转录模板的起始区域。2.DNA双链解开，以一条链为模板，合成第一个磷酸二酯键。,2.DNA双链解开。,1.RNA聚合酶全酶(2)与模板结合。,3.在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物。,5-pppG-OH+NTP 5-pppGpN-OH 3+PPi,转录起始过程,RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH 3,转录起始复合物,（二）转录延长,1.亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；,2.在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。,(NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPi,转录的起始及延长过程,(三)转录终止RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。,分类：,依赖Rho()因子的转录终止非依赖Rho因子的转录终止,1.依赖因子的转录终止因子是同六聚体蛋白；因子能结合RNA，与poly C的结合力最强；因子还有ATP酶和解螺旋酶的活性。,2.不依赖因子的转录终止DNA模板上靠近终止处，有特殊的碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。,二、真核生物的转录过程,（一）转录起始,真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。,转录起始点,TATA盒,CAAT盒,GC盒,增强子,顺式作用元件(cis-acting element),1.转录起始前的上游区段,AATAAA,切离加尾,转录终止点,修饰点,外显子,翻译起始点,内含子,OCT-1,OCT-1：ATTTGCAT八聚体,2.转录因子,能直接或间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，统称为反式作用因子(trans-acting factors)。,反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子(trans-criptional factors,TF)。,参与RNA-pol 转录的TF,3.转录起始前复合物(pre-initiation complex,PIC),真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。,（二）转录延长,真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。,RNA-pol前移处处都遇上核小体。,转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。,RNA-Pol,RNA-Pol,RNA-Pol,核小体,转录延长中的核小体移位,转录方向,（三）转录终止,真核生物的转录后修饰Post-transcriptional Modification,一、mRNA的转录后加工(一)首尾的修饰1.5-端加帽：m7GpppG2.3-端加尾：多聚腺苷酸(poly A),（二）mRNA的剪接,1.hnRNA 和 snRNA,核内的初级mRNA称为杂化核RNA(hetero-nuclear RNA,hnRNA)snRNA(small nuclear RNA),真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。,断裂基因(splite gene),非编码区 AG,编码区17,2.外显子(exon)和内含子(intron),外显子在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。内含子隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。,鸡卵清蛋白基因,hnRNA,首、尾修饰,hnRNA剪接,成熟的mRNA,鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰,碱基修饰,三、rRNA的转录后加工,5.8S和28S-rRNA,rDNA,内含子,内含子,28S,5.8S,18S,45S-rRNA,Protein Biosynthesis(Translation),蛋白质的生物合成(翻译),1954年，Paul Zamecnik及其同事实验证明体内蛋白质是由氨基酸合成的。1956年，他们发现了氨基酰-tRNA合成酶。1958年，M.B.Hoagland和Zamecnik又发现蛋白质生物合成需要可溶性RNA为中介。1961年，Howard Dintzis证明血红蛋白肽链合成方向是从N-末端向C-末端进行。19611966年间，Nirencerg、Matthaei和Khorana先后确定了64个遗传密码。19731976年，麦胚无细胞体系、兔网织无细胞体系分别建立，蛋白质合成的具体过程终于揭晓。,蛋白质的生物合成过程就是将mRNA分子中由碱基序列组成的遗传信息，通过遗传密码破译的方式转变成为蛋白质中的氨基酸排列顺序，因而称为翻译（translation)。,蛋白质合成体系Protein Biosynthesis System,20种氨基酸作为原料 酶及蛋白因子，如IF、eIF等 ATP、GTP、无机离子,参与蛋白质生物合成的物质包括：,三种RNA mRNA rRNA tRNA,一、mRNA是蛋白质/多肽链合成的模板,在遗传信息传递过程中，DNA转录生成mRNA，mRNA作为蛋白质合成的直接模板，指导蛋白质多肽链的合成。mRNA包括5-非翻译区(5-untranslated region,5-UTR)开放阅读框架区(open reading frame,ORF)3-非翻译区(3-untranslated region,3-UTR),遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子（cistron）。原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子（polycistron）。真核生物一个mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子（single cistron）。,原核生物mRNA,真核生物mRNA,目 录,（一）mRNA含有64种密码子,mRNA分子上每3个核苷酸构建一个密码子，编码某一特定氨基酸或作为蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码(triplet codon)，也称遗传密码子(genetic codon)。,起始密码(initiation codon):AUG,终止密码(termination codon):UAA、UAG、UGA,遗传密码表,目 录,遗传密码具有通用性(universal),（二）遗传密码具有几个特性,从原核生物生物（包括病毒、细菌等）、真核生物以及人类都共同使用同一套遗传密码。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。,密码子具有方向性(direction),起始密码子总是位于mRNA开放阅读框架的5末端，终止密码子位于3末端。翻译的方向是从5到3末端。,3.遗传密码具有连续性(commaless),密码子按5 3方向每3个一组阅读框架顺序翻译，无标点、不重叠，即连续性mRNA开放阅读框架内发生一个或两个碱基插入或缺失，可引起移码突变(frameshift mutation)。翻译的蛋白质氨基酸顺序则发生改变。,4.遗传密码具有简并性(degeneracy),目 录,简并性，即同一种氨基酸具有多个密码子，或者多个密码子代表一种氨基酸的现象。遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅对应一个密码子外，其余氨基酸均有一个以上密码子为其编码。,简并性(degeneracy),目 录,编码同一氨基酸的不同密码子互称同义密码子；同义密码子之间的差异通常只在第3位碱基上，,5.遗传密码具有摆动性（wobble）,密码子第3位碱基与tRNA反密码子的第1位碱基不严格遵守碱基配对规律，而是摆动碱基配对。,U,摆动配对,目 录,密码子、反密码子配对的摆动性,二、一种tRNA只能转运一种氨基酸但一种氨基酸可由几种tRNA转运,反密码环,氨基酸臂,tRNA的三级结构示意图,三、rRNA与蛋白质组成核糖体,目 录,蛋白质合成场所,核糖体的组成,目 录,原核生物核糖体 70 S Mt 2.7106 真核生物核糖体 80S Mt 4.2106,核糖体在蛋白质合成中有主要作用,具有结合mRNA的位点；与起始因子、延长因子、释放因子及各种酶的结合位点；两个tRNA结合的位点，A位点是氨基酰tRNA结合位点，P位点是肽酰tRNA结合位点。通过将mRNA、氨基酰-tRNA和相关的蛋白因子放置在正确的位置来调节蛋白质的合成。核糖体是合成蛋白质的场所。,20种氨基酸（AA）酶及众多蛋白因子，如氨基酰-tRNA合成酶、起始因子(initiation factor，IF)、延长因子（elongation factor，EF）、释放因子（release factor，RF）。ATP、GTP无机离子,四、蛋白质合成体系还需要其他辅助因子,大肠杆菌蛋白质合成的5个阶段所需化合物,1,氨基酸的活化,20,种氨基酸,20,种氨基酰,-,tRNA,合成酶,32,种（或多于,32,种）,tRNA,ATP,、,Mg,2+,2,起始,mRNA,N,-,甲酰甲硫氨酰,-,tRNA,fmer,mRNA,上的起始密码子（,AUG,）,30S,核糖体亚基,50S,核糖体亚基,起始因子（,IF,-,1,IF,-,2,IF,-,3,）,GTP,、,Mg,2+,3,延长,具有功能的,70S,核糖体（起始复合物）,密码子特异的氨基酰,-,tRNA,延长因子（,EF,-,Tu,EF,-,Ts,EF,-,G,）,GTP,、,Mg,2+,4,终止与释放,mRNA,上的终止密码,释放因子（,RF,-,1,RF,-,2,RF,-,3,）,5,折叠和翻译后的加工,特异酶、辅助因子、除去起始残基和信号肽所需的化合物，,水解过程，末端残基的修饰，磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅,基结合到蛋白质上,阶段,必需化合物,1,氨基酸的活化,20,种氨基酸,20,种氨基酰,-,tRNA,合成酶,32,种（或多于,32,种）,tRNA,ATP,、,Mg,2+,2,起始,mRNA,N,-,甲酰甲硫氨酰,-,tRNA,mRNA,上的起始密码子（,AUG,）,30S,核糖体亚基,50S,核糖体亚基,起始因子（,IF,-,1,IF,-,2,IF,-,3,）,GTP,、,Mg,2+,3,延长,具有功能的,70S,核糖体（起始复合物）,密码子特异的氨基酰,-,tRNA,延长因子（,EF,-,Tu,EF,-,Ts,EF,-,G,）,GTP,、,Mg,2+,4,终止与释放,mRNA,上的终止密码,释放因子（,RF,-,1,RF,-,2,RF,-,3,）,5,折叠和翻译后的加工,特异酶、辅助因子、除去起始残基和信号肽所需的化合物，,水解过程，末端残基的修饰，磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅,基结合到蛋白质上,阶段,必需化合物,原核生物核蛋白体结构模式,氨基酸+tRNA,氨基酰-tRNA,ATP,AMPPPi,氨基酰-tRNA合成酶,（一）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase),氨基酸的活化,真核生物：Met-tRNAiMet原核生物：fMet-tRNAifMet,（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA,蛋白质生物合成过程The Process of Protein Biosynthesis,蛋白质合成中mRNA模板的方向：5 3；蛋白质的合成方向：N端 C端。蛋白质合成过程：起始延长终止,一、肽链合成起始,指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物(translational initiation complex)。参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiation factor，IF）。,参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiation factor，IF）。原核生物起始因子有三种：IF-1：占据A位防止结合其他tRNA。IF-2：促进起始tRNA与小亚基结合。IF-3：促进大小亚基分离，提高P位对结合起始tRNA敏感性。,S-D序列：在原核生物mRNA起始密码AUG上游，存在49个富含嘌呤碱的一致性序列，如-AGGAGG-，称为S-D序列。又称为核蛋白体结合位点（ribosomal binding site，RBS),S-D序列,（一）原核生物翻译起始复合物形成,核蛋白体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA的结合；核蛋白体大亚基结合。,原核细胞中转录和翻译偶联,（二）真核生物翻译起始复合物形成,核蛋白体大小亚基分离；起始氨基酰-tRNA结合；mRNA在核蛋白体小亚基就位；核蛋白体大亚基结合。,真核生物翻译起始因子,真核生物翻译起始复合物形成过程,真核生物翻译起始的特点核蛋白体是80S；起始因子种类多；起始tRNA的Met不需甲酰化；mRNA的5帽子和3poly A尾结构与mRNA在核蛋白体就位有关；起始tRNA先与核蛋白体小亚基结合，然后再结合mRNA,二、肽链的延长,指按照mRNA密码序列的指导，依次添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。,肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环（ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸，分为以下三步：进位（entrance）成肽（peptide bond formation）转位（translocation）,肽链合成的延长因子,真核生物肽链合成的延长过程与原核基本相似，但有不同的反应体系和延长因子。另外，真核细胞核蛋白体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。,（四）真核生物延长过程,三、肽链合成的终止,当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。,终止相关的蛋白因子称为释放因子(release factor,RF),识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。诱导转肽酶改变为酯酶活性，使肽链从核蛋白体上释放。,释放因子的功能,原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF,蛋白质合成后加工和输送Posttranslational Processing&Protein Transportation,从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象的功能蛋白。,主要包括,多肽链折叠为天然的三维结构 肽链一级结构的修饰高级结构修饰,一、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质,新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后进行，新生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模体、结构域到形成完整的空间构象。大多数天然蛋白质折叠都需要其他酶和蛋白质的辅助。,几种有促进蛋白折叠功能的大分子,1.分子伴侣(molecular chaperon)2.蛋白二硫键异构酶(protein disulfide isomerase,PDI)3.肽-脯氨酰顺反异构酶(peptide prolyl cis-trans isomerase,PPI),（1）热休克蛋白(heat shock protein,HSP)HSP70、HSP40和GreE族（2）伴侣素(chaperonins)GroEL和GroES家族,1.分子伴侣,分子伴侣是细胞中一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。,二、一级结构的修饰,（一）肽链N端的修饰（二）个别氨基酸的修饰（三）多肽链的水解修饰,鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰,N,C,信号肽,PMOC,KR,KR,三、高级结构的修饰,（一）亚基聚合（二）辅基连接（三）疏水脂链的共价连接,蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。,四、蛋白质合成后的靶向输送,蛋白质的靶向输送（protein targeting）,所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列。,信号序列(signal sequence),靶向输送蛋白的信号序列或成分,（一）分泌蛋白的靶向输送,真核细胞分泌蛋白等前体合成后靶向输送过程首先要进入内质网，再分别被包装成分泌小泡而分泌出细胞。,信号肽(signal peptide),各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列称信号肽。,信号肽的一级结构,N端侧碱性区,疏水核心区,C端加工区,蛋白质生物合成是很多天然抗生素和某些毒素的作用靶点。它们就是通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能，干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用的。,四环素族,抗生素抑制蛋白质生物合成的原理,复习思考题,1.复制与转录的异同点。2.RNA聚合酶与DNA聚合酶作用的异同点。3.试述原核生物启动子的结构特点及功能。4.原核生物与真核生物RNA聚合酶有何异同？5.原核生物与真核生物的转录终止有何不同？6.以E.coli为例，试述转录的基本过程。7.试述mRNA成熟的加工过程。,
