动物遗传学-第三章+遗传信息的传递.ppt

第三章 遗传物质的分子基础,主 要 内 容 一、DNA复制 二、DNA的转录 三、蛋白质的生物合成 四、基因表达调控,第一节 DNA的复制,一 遗传信息传递方向 中心法则1.DNA 可进行自我复制。2.DNA 能够进行转录。3.mRNA再指导合成各种特异 的蛋白质。补充：1.RNA必须复制才能传递信息。2.某些病毒有反转录酶，遗传信息由RNA传递给DNA。,二、DNA复制的基本规律：、半保留复制：瓦特森(Watson J.D.)等提出的DNA半保留复制方式。DNA的这种复制方式对保持生物遗传的稳定性是非常重要的。（二）、半不连续性复制,三、有关DNA合成的酶和蛋白质：1.DNA聚合酶：DNA链只能由5向3延伸；需要4dNTP,模板DNA,引物和Mg2+；具有外切酶的活性、合成过程中的错误校正功能。原核生物：DNA聚合酶，具有3-5外切，5-3外切和5-3合成的活性；DNA聚合酶跟DNA聚合酶相似 DNA聚合酶 具有5-3合成和3-5外切作用。真核生物：有、五种DNA聚合酶。,2.DNA连接酶：连接冈崎片段最终合成一条完整的互补链。3 引物酶：合成RNA引物。4 解链酶：有利于复制叉的形成，ATP供能。5 拓扑异构酶：使超螺旋DNA解旋成松弛状态的DNA；消除复制叉沿DNA链前移时产生的正超螺旋，有利于解链。6 单链结合蛋白：与解链后的单链DNA结合，使单链DNA不恢复成双链以保持复制模板的稳定性。,四、复制起点和复制方向：1.原核生物绝大多数细菌和病毒：只有一个复制起点，控 制整个染色体的复制，且为双向复制。噬菌体P2：其DNA的复制是沿一个方向进行的。复制子：在同一个复制起点控制下的一段DNA序列。,2.真核生物每条染色体的DNA复制都是多起点，多个复制起点共同控制整个染色体的复制；每条染色体有多个复制子；且为双向复制；,真核生物染色体多起点DNA复制电镜照片,五、DNA复制过程1DNA双螺旋的解链DNA解链酶在ATP供能下，每分钟旋转3000次解开双螺旋；单链DNA结合蛋白马上结合在分开的单链上，以避免产生单链内配对；DNA拓扑异构酶来解决由于复制叉的推进而产生超螺旋的问题。,2.DNA合成的开始 合成DNA片段之前，先由引物酶（RNA聚合酶）合成一小段RNA引物(约有20个碱基对)，DNA聚合酶才开始起作用合成DNA片段。,3.后滞链的不连续复制DNA聚合酶，以5-3 方向发挥作用；从3-5 合成方向的一条链，就会遇到困难。1967年，冈崎提出了不连续复制假说：在3-5方向链上，仍按从5-3的方向一段段地合成DNA单链小片段“冈崎片段”(10002000bp)。,4 引物的切除,由DNA聚合酶的5 3外切活力完成。5 复制准确性的保证由DNA聚合酶的聚合作用和3 5外切活力完成。6 冈崎片段的连接 由连接酶连接这些片段，形成一条连续的单链。,4RNA病毒中RNA的自我复制（反转录）：以RNA为模板，在RNA指导的DNA聚合酶催化下合成DNA的过程。(1)单链RNA病毒先以自己为模板合成一条互补单链CDNA，形成双螺旋的复制型RNA-CDNA。(2)RNA链从杂合分子中放释 出来。(3)以CDNA链为模板复制一条互补的链，形成一条新的病毒DNA。,三、真核生物DNA合成的特点 真核生物与原核生物DNA合成的区别,第二节 DNA的转录及加工,一、三种RNA 分子（一）、信使RNA(mRNA)：遗传信息的携带者，是合成蛋白质的模板，决定这每一种蛋白质肽链中氨基酸的排列顺序。真核生物mRNA的一级结构有特殊的修饰末端：1 在3-末端都有一段长30-200个多聚腺氨酸，简写Poly(A).这一结构与mRNA从细胞核移至细胞质的过程有关。2 5-末端有一个帽子结构：m7G-5ppp-5-Nm,（二）转移RNA(tRNA)：它的主要功能是携带活化了的氨基酸，并将其转运到与核糖体结合的mRNA上用以合成蛋白质。每一种氨基酸都有特异转运它的一种或几种tRNA。tRNA二级结构呈三叶草型5末端具有G（多）或C；3末端都以ACC结尾；一个富有鸟嘌呤的环；一个反密码子环；一个胸腺嘧啶环；,（三）核糖体RNA(rRNA),是细胞中核糖的组成成分，约占核糖体的60%。核糖体是进行蛋白质生物合成的部位。核糖体包括大小两个亚基，其中大亚基上有两个特殊位点：一个叫A位点，即氨酰基位点；另一个叫P位点，即肽基位点，他们与肽链合成有关。,二、RNA聚合酶（2）：1 原核生物 亚基与四聚体核心酶形成有关；亚基存在核苷三磷酸的结合位点；含有与DNA模板结合的位点；因子只与RNA转录的起始有关。,2 真核生物：RNA聚合酶：存在于核仁，合成活性最大，是合成rRNA的酶。RNA聚合酶：存在于核质中，它是合成mRNA和某些小RNA的酶。RNA聚合酶：存在与核质中，是合成tRNA和5SrRNA的酶。,二、原核生物RNA的合成（转录）：RNA链的起始；RNA链的延伸；RNA链的终止及新链的释放；一个转录单位：转录后形成一个RNA分子的一段DNA序列。一个转录单位可能刚好是一个基因，也可能含有多个基因。,、RNA链合成的起始：,、RNA链的延伸：,、RNA链的终止包括:停止RNA链的延长；新生RNA链的释放；RNA聚合酶从DNA链上的释放终止子：不依赖因子的终止子（强终止子）；依赖因子的终止子（弱终止子）。,三、真核生物RNA的转录及加工1、5端加上帽子(7甲基鸟嘌呤核苷)在蛋白质翻译时识别起始位置及防止 被RNA酶降解 2、3端加上尾巴(聚腺苷酸,polyA)对增加mRNA的稳定性及从细胞核向细 胞质的运输具有重要作用 3、mRNA的剪接 切除非编码序列(内含子)，将编码序 列(外显子)连接起来，才能进行蛋白 质的翻译,真核生物mRNA的加工,四、原核生物与真核生物RNA转录的区别真核生物RNA的转录是在细胞核内，翻译在 细胞质中进行；原核生物则在核区同时进行转录和翻译；2.真核生物一个mRNA只编码一个基因；原核生物一个mRNA编码多个基因；3.真核生物有RNA聚合酶、等三种不同的酶；原核生物则只有一种RNA聚合酶；4.真核生物中转录的起始更复杂，RNA的合成需要转录因子的协助进行转录；原核生物则较为简单；5.真核生物的mRNA 转录后进行加工，然后运送到细胞质中进行翻译；原核生物无需进行加工，边转录边翻译。,五 转录与复制的差异1.转录只有一条链为模板；而复制时两条链都用作模板；2.转录的底物是4种rNTP；复制的底物是4种dNTP；3.转录起始时不需要引物的参与；而DNA复制一定要引物的参与；4.对于一个基因组，转录只发生在一部分区域；而复制则是对整条链的复制；5.转录时DNA-RNA杂合分子是不稳定的，RNA链在延伸过程中不断从模板链上游离出来，模板DNA又恢复双链状态；而复制时，双链一直打开，不断象两侧延伸，直至复制结束，新合成链与亲本连形成子链。6.真核生物转录初产物一般需要加工，才能成为成熟的RNA分子；而复制结束时，无需加工。,第三节 遗传密码与蛋白质的翻译一、遗传密码：、密码子与氨基酸遗传密码:DNA（或mRNA）中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系称为遗传密码。密码子(codon)：mRNA上每3个相邻的核苷酸编码蛋白质多肽链中的一个氨基酸，这三个核苷酸就称为一个密码子或三联体密码。,每一个三联体密码所翻译的氨基酸是什么呢?从1961年开始，在大量试验的基础上，分别利用64个已 知三联体密码，找到了相对应的氨基酸。19661967年，完成了全部遗传密码表。在全部64个密码子中，61个密码子负责20种氨基酸的翻译，1个是起始密码子（AUG），3个是终止密码子（UAA/UGA/UAG）。简并：一个氨基酸由二个或二个以上的三联体密码所决定的现象。,遗传密码表,（二）、遗传密码的基本特征：1遗传密码为三联体：三个碱基决定一种氨基酸；61个为有意密码，起始密码为GUG、AUG(甲硫氨酸)；3个为无意密码，UAA、UAG、UGA为蛋白质合成终止信号。2.遗传密码间不能重复:在一个mRNA上每个碱基只属于一个密码子；均以3个一组形成氨基酸密码。3.遗传密码间无逗号：密码子与密码子之间无逗号，按三个三个的顺序一直阅读下去，不漏读不重复。如果中间某个碱基增加或缺失后，阅读就会按新的顺序进行下去，最终形成的多肽链就与原先的完全不一样(称为移码突变)。,4简并性：色氨酸(UGG)和甲硫氨酸(AUG)例外，仅一个三联体密码；其余氨基酸都有一种以上的密码子。同义的密码子越多，生物遗传的稳定性也越大。如：UCU或UCC或UCA或UCG，均为丝氨酸。5遗传密码的有序性：决定同一个氨基酸或性质相近的不同氨基酸的多个密码子中，第1个和第2个碱基的重要性大于第3个碱基，往往只是最后一个碱基发生变化。例如：脯氨酸（pro）：CCU、CCA、CCC、CCG。,6通用性：在整个生物界中，从病毒到人类，遗传密码通用。4个基本碱基符号 所有氨基酸 所有蛋白质 生物种类、生物体性状。1980年以后发现：具有自我复制能力的线粒体tRNA(转移核糖核酸)在阅读个别密码子时有不同的翻译方式。如：酵母、链孢霉与哺乳动物的线粒体。,（三）密码子与反密码子的配对关系,1966年Crick根据立体化学原理提出摆动假说：（1）mRNA上的密码子的第一、第二个碱基 与tRNA上的反密码子相应的碱基形成强的配对；密码的专一性主要是由这两个碱基对的作用。（2）有些反密码子的第一个碱基（按5-3）决定了该tRNA识别密码子的数目。（3）当一种氨基酸有几个密码子时，只要他们的第一和第二个碱基中有一个不同，则需要不同的tRNA来识别。,如果tRNA的反密码子的第一位碱基为C或A，则只能阅读一个密码子；如果为U或G，则能阅读两个；如果为I，则能阅读三个密码子。,二 核糖体,原核生物70S核糖体,哺乳动物真核生物80S核糖体,核糖体的结构,原核生物与真核生物的区别,给位（P位，肽位）：起始时，tRNA结合于核糖体的肽位，延长成肽后，肽链转到此位。受位（A位，氨基酰位）：延长成肽时，氨基酰tRNA就加入此位。,三 氨基酸的“搬运工具”-tRNA,1 起始tRNAf只能识别翻译起始信号AUG只能结合于核糖体的肽位（P）2 普通tRNAm在翻译延长中发挥作用只能结合于核糖体的氨基酰位(A),四、可溶性蛋白质因子,1 起始因子：IF-1、IF-2、IF-32 延伸因子EF-TU、RF-TS3 释放因子RF-1、RF-2五、能量与酶 ATP、GTP、多种酶,五 蛋白质合成的过程,以氨基酸为原料以mRNA为模板以tRNA为运载工具以核糖体为合成场所起始、延长、终止各阶段蛋白因子参与合成后加工成为有活性蛋白质,第一步反应,第二步反应,消耗2ATP,3-CCA-OH,（一）氨基酸的活化,（二）核糖体中蛋白质的合成 1.多肽链的起始,2.多肽链的延伸,第一步 氨基酰-tRNA进入“A位”,第二步 肽链的形成,第三步 移位,3.多肽链的终止,六.真核生物翻译的特点：,核糖体起始tRNA合成过程线粒体,原核生物简单fmet-tRNAfmet需ATP、GTPIF1、IF2、IF3EF-TU、EF-TS、EFGRF1、RF2、RF3,真核生物大而复杂 Met-tRNAimet需ATP起始因子多延伸因子少（EFT1、EFT2）一种释放因子RF独立的蛋白质合成系统,七 翻译后的加工过程1、N端的修饰：N-端fMet或Met的切除2、部分肽段的切除3、个别氨基酸的修饰4、糖基侧链的添加5、二硫键的形成,第四节 原核生物基因表达调控 一.操纵子及其结构 原核生物的基因表达可在 DNA水平、转录水平和翻译水平三个层次进行调控，其中转录水平调控是基因表达调控的主要环节；1961年，Jacob和Monod提出操纵子学说，环境可以调控基因的功能，基因成簇排列。1965年诺贝尔生理学奖。操纵子是原核生物转录水平调控的主要方式，操纵子由调节基因R、操纵基因O和结构基因S组成.操纵子通过调节基因编码的调节蛋白开启或关闭操纵基因，调控结构基因的表达；,二.正调控和负调控正调控加入调节蛋白后基因表达活性开启。负调控加入调节蛋白后基因表达活性关闭。诱导可诱导操纵子中加入小分子，使转录活性开启。阻遏可阻遏操纵子中加入小分子，使转录活性关闭。,调节基因 RNA聚合酶结合位点（lacI）CAP 启动子PZYA 操纵基因（lacO)lacZYA基因 阻遏蛋白结合位点,三、乳糖操纵子1、乳糖操纵子的结构和功能 与乳糖分解代谢相关的三个结构基因：lacZ、lacY 和 lacA 结构基因的上游依次为操纵基因lacO、启动子PZYA、调节基因lacI和启动子PI，lacO为阻遏蛋白的结合位点,lacI编码阻遏蛋白，能识别操纵基因，并与之相结合，阻遏lacZYA基因的转录表达。启动子PZYA的上游还有1个代谢产物激活蛋白（CAP）的结合位点。,lacZ：编码-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY：编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁；lacA：编码半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。2、乳糖操纵子的调控机理 有正负两种调控机制,乳糖操纵子的功能（负调控机制）,无乳糖诱导物，阻遏蛋白与操纵基因结合，阻止RNA聚合酶与启动子结合，结构基因不转录表达，无乳糖分解代谢。有乳糖或其衍生物，阻遏蛋白发生构象变化，丧失与操纵基因结合的能力，结构基因正常转录表达。,乳糖操纵子的正调控机理,当葡萄糖缺乏时，腺苷酸环化酶将ATP转变成环一磷酸腺苷（cAMP），cAMP与CAP结合，再结合在乳糖启动序列附近的CAP位点，可刺激RNA转录活性，使之提高50倍；当葡萄糖存在时，cAMP浓度降低，cAMP与CAP结合受阻，因此乳糖操纵子表达下降。,乳糖操纵子调控机制 乳糖操纵子是大肠杆菌调控乳糖代谢的自动控制系统。CAP是正调节因素，乳糖阻遏蛋白是负调节因素。有葡萄糖存在时，细菌优先选择葡萄糖供应能量。葡萄糖通过降低cAMP浓度，阻碍cAMP与CAP结合而抑制乳糖操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖。没有葡萄糖而只有乳糖的条件下，阻遏蛋白与lacO序列解聚，CAP结合cAMP后作用于乳糖操纵子的CAP位点，激活转录，使得细菌利用乳糖，将乳糖分解为半乳糖和葡萄糖，提供能量。,四、色氨酸操纵子的结构及负调控机制,当有色氨酸时，阻遏蛋白与色氨酸结合，构型发生改变，处于活化状态，结合到操纵基因上，从而阻止trp操纵子的转录。,分别为调节基因trpR、启动子P、操纵基因trpO、前导序列trpL和衰减子trpa及结构基因trpEDCBA,结构调节基因远离操纵子。,衰减作用,前导序列：在色氨酸操纵子结构基因与操纵基因之间有一段长162bp的DNA序列，成为-,具有4个回文互补区，两相邻回文互补区能配对，X形成两种配对构型，一种是形成1-2茎环结构，3-4茎环结构，3-4茎环结构为不依赖因子的终止子，终止RNA聚合酶的转录，对色氨酸操纵子的转录有衰减作用；另一种形成1，4区单链，2，3茎环结构。,在前导肽翻译中，核糖体所处的位置可直接影响衰减子终止结构的形成，从而影响色氨酸操纵子的转录。色氨酸饥饿时，核糖体停顿在两个色氨酸密码子上，核糖体占据1区，2-3区形成配对，不影响RNA聚合酶转录；色氨酸处于高水平时，核糖体翻译出前导肽，停止于终止密码子处，核糖体覆盖1、2区，3-4区配对，RNA聚合酶终止转录。,五、基因表达的时序调控 噬菌体SPO1侵染枯草杆菌：侵染后，早期基因立即转录；4-5m后，转为中期基因表达；8-12m后转为晚期基因表达。1.侵染后，43启动转录，早期基因表达，产生gp28蛋白；2.gp28蛋白启动转录，不识别早期基因启动子，中期基因表达，产生gp33、gp34蛋白；3.gp33、gp34蛋白启动转录，晚期基因表达。六、DNA序列重排的调控,小 结,1、DNA复制的过程及其各种酶2、DNA的转录：三种RNA；真核生物RNA的加工；真核生物与原核生物转录的不同。3、翻译的过程；密码子；核糖体。4、原核生物基因表达调控：操纵子及其结构；乳糖操纵子及其调控机理；色氨酸操纵子的结构及调控机理；衰减作用及前导序列。,