生物医学概论生化第4章基因信息的传递和表达.ppt

基因信息的传递和表达,第 四 章,The transfers and the expression of the gene information,中心法则(The Central Dogma),转 录,翻 译,逆转录,DNA,RNA,蛋白质,复 制,第一节DNA的生物合成（复制）,DNA复制(DNA replication)是指遗传物质的传代，以亲代DNA为模板，以四种dNTP为原料，在DNA聚合酶的催化下，按照碱基互补配对原则，合成子链DNA的过程。,一、DNA的复制,半保留复制(semi-conservative replication)双向复制(bidirectional replication)半不连续复制(semi-discontinuous replication),（一）DNA复制的基本特征,DNA生物合成时，亲代DNA解开为两股单链，各自作为模板(template)按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全重新合成。两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制。,半保留复制的概念:,1.半保留复制,AGGTACTGCCACTGG,TCCATGACGGTGACC,CCACTGG,GGTGACC,AGGTACTG,TCCATGAC,TCCATGAC,AGGTACTG,AGGTACTGCCACTGG,TCCATGACGGTGACC,AGGTACTGCCACTGG,TCCATGACGGTGACC,+,母链DNA,复制过程中形成的复制叉,子代DNA,按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。,半保留复制的意义:,遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。,原核生物基因组是环状DNA，只有一个复制起点（origin）。复制从起点开始，向两个方向进行解链，进行的是单点起始双向复制。,2.双向复制,前导链(leading strand),后随链(lagging strand),3.半不连续复制,顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为前导链(leading strand)。另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为后随链(lagging strand)。复制中的不连续片段称为冈崎片段(okazaki fragment)。前导链连续复制而后随链不连续复制，就是复制的半不连续性。,参与DNA复制的物质:,底物(substrate):dATP,dGTP,dCTP,dTTP；模板(template):解开成单链的DNA母链；引物(primer):提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合；聚合酶(polymerase):依赖DNA的DNA聚合酶，简写为 DNA-pol；其他的酶和蛋白质因子。,（二）参与DNA复制的酶和蛋白质因子,DNA分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把DNA解成单链，它才能起模板作用。,解链、解旋酶类,解螺旋酶(helicase)利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链。单链DNA结合蛋白(single stranded DNA binding protein,SSB)在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整。,复制起始点附近区域的DNA双链解开成为两条单链。,解螺旋酶,解链方向,复制过程正超螺旋的形成：,DNA拓扑异构酶改变DNA超螺旋状态、理顺DNA链,解链过程中正超螺旋的形成,拓扑酶的作用方式：,2.引物酶(primase),引物酶是一种特殊的RNA聚合酶，在模板的复制起始部位催化NTP的聚合,形成短片段的RNA。这一小段RNA作为复制的引物（primer），提供3-OH末端，使DNA-pol能够催化dNTP聚合。,3.DNA聚合酶,全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependent DNA polymerase，DDDP)简称：DNA-pol,聚合反应的特点:,DNA 新链生成需引物和模板；新链的延长只可沿5 3方向进行。,原核生物的DNA聚合酶分为三型,DNA-pol DNA-pol DNA-pol,对复制和修复中出现的空隙进行填补。,DNA-pol,功能：具有5 3方向聚合酶活性。对复制和修复中出现的空 隙进行填补。具有3 5方向核酸外切酶活性切除错配核苷酸，起校读功能。具有5 3方向核酸外切酶活性切除突变片段。,DNA-pol（120kD）,DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活。DNA-pol 可能参与DNA损伤的应急状态修复（SOS修复）。,功能：,DNA-pol(250kD),是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。,E.coli中的DNA聚合酶,4.DNA连接酶,连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。,DNA连接酶(DNA ligase)作用方式：,HO,5,3,3,5,DNA连接酶,ATP,ADP,5,3,5,3,DNA连接酶的作用：,DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。也是基因工程的重要工具酶之一。,功能：,1.DNA复制的起始,需要解决两个问题：,1.DNA解开成单链，提供模板。,2.形成引发体，合成引物，提供3-OH末端。,（三）原核生物DNA的复制,E.coli复制起始点 oriC,DNA的解链,Dna A,Dna B、Dna C,DNA拓扑异构酶,引物酶,3,5,3,5,引发体和引物,含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。,2.复制的延长,复制的延长指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。,前导链的合成：,前导链的子链沿着53方向可以连续地延长。,解螺旋酶,后随链的合成,解螺旋酶,同一复制叉上前导链和后随链由相同的DNA-pol催化延长,原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制片段在复制的终止点(ter)处汇合。,3.复制的终止,后随链上不连续性片段的连接：,（四）真核生物DNA的复制,真核生物每个染色体有多个起始点，可同时进行双向复制。两个复制起点之间的DNA片段称为一个复制子。真核生物是多复制子复制。,1.复制的起点,染色体DNA呈线状，复制在末端停止。染色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物，去除后留下空隙不能由DNA聚合酶填补。,3.末端复制和端粒,5,3,3,5,5,3,3,5,+,5,3,3,3,3,5,5,端粒(telomere),指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。端粒中的端粒酶可延长端粒，维持DNA复制的完整性。,二、DNA的损伤和修复,各种体内外因素可导致的DNA分子结构发生变化，引起遗传信息的改变，称为DNA损伤（DNA damage），亦称突变(mutation)。生物体内存在DNA修复系统，可有效修复DNA损伤，保持遗传的稳定性。,物理因素 紫外线(ultra violet,UV)、各种辐射,化学因素 化学诱变剂，如羟胺、亚硝酸盐、烷化 剂等,生物因素 致癌病毒,自发突变:体内因素导致的突变，如复制中自发产生的突变、碱基的自发突变、细胞正常代谢产物如自由基引起的 突变等。,诱发突变 体外因素诱发产生的突变。,（一）DNA损伤的类型,点突变(point mutation)缺失(deletion)插入(insertion)重排(rearrangement),1.点突变,又称错配（mismatch），包括转换和颠换两种。,镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)亚基,正常成人Hb(HbA)亚基,2.缺失或插入突变,缺失或插入都可导致三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变，称为框移突变或移码突变。,3.重排,DNA分子内较大片段的交换或移位，称为重排。,（二）DNA损伤的修复,直接修复(direct repair)切除修复(excision repair)重组修复(recombination repair)SOS修复,修复的主要类型,1.直接修复,光修复酶(photolyase),UV,2.切除修复,是细胞内最重要和有效的修复机制，原核生物中主要由切除修复特异的内切酶，以及DNA-pol和连接酶完成。,E.coli的切除修复机制,人体切除修复系统 其缺失会导致着色性干皮病（xeroderma pigmentosis,XP）患者极易患皮肤癌,这是DNA的复制过程中所采用的一种修复方式。修复时，利用重组蛋白将另一股健康亲链与损伤缺口相互交换。,3.重组修复,RecA的分子结构,重组修复,4.SOS修复,当DNA损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出一系列复杂的反应。这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差。通过SOS修复，复制如能继续，细胞是可存活的。然而DNA保留的错误较多，导致较广泛、长期的突变。是一种“倾向错误的修复”。,第二节RNA的生物合成（转录）,转录(transcription)是生物体以DNA为模板，以四种核糖核苷三磷酸（ATP、GTP、CTP、UTP，总称NTP）为原料，合成RNA的过程。,转录,RNA,复制和转录的相似之处:,都是酶促的核苷酸聚合过程。都以DNA为模板。都需要依赖DNA的聚合酶。聚合过程都是核苷酸之间形成磷酸二酯键。合成方向都是沿53方向延伸核苷酸链。都遵从碱基互补规律。,复制和转录的区别,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)其他蛋白质因子及Mg2+和Mn2+等,合成方向53，核苷酸间的连接方式为 3，5-磷酸二酯键。,一、转录的模板和酶,（一）转录的模板,DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因(structural gene)。DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链(template strand)，也称作有义链或Watson链。相对的另一股单链是编码链(coding strand)，也称为反义链或Crick链。,5GCAGTACATGTC 3,5GCAGUACAUGUC 3,NAla Val His Val C,编码链,模板链,mRNA,蛋白质,转录,翻译,3CGTCATGTACAG 5,不对称转录(asymmetric transcription),在DNA分子双链上的一个基因片段内只有一条链可以转录；并非所有基因的模板链都在同一条单链上。,53,35,模板链,编码链,编码链,模板链,结构基因,不对称转录,（二）RNA聚合酶,RNA聚合酶能从头启动RNA链的合成,DNA依赖的RNA聚合酶催化合成RNA；RNA合成的化学机制与DNA依赖的DNA聚合酶催化DNA合成相似。,(NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPi,RNA,延长的RNA,DNA聚合酶在启动DNA链延长时需要引物存在，而RNA聚合酶不需要引物就能直接启动RNA链的延长。RNA聚合酶和DNA的特殊序列启动子(promoter)结合后，就能启动RNA合成。,转录过程可分为转录起始、转录延长和转录终止三个阶段。,二、转录过程,RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。,（一）原核生物的转录过程,转录起始需解决两个问题：,1.转录起始,E.coli的转录起始和延长,转录空泡(transcription bubble)：,RNA-pol（核心酶）DNA RNA,2.转录延长,依赖因子的转录终止非依赖因子的转录终止,3.转录终止,转录终止指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。,依据是否需要蛋白质因子的参与，原核生物转录终止分为：,真核生物的转录过程比原核复杂。二者的转录起始过程有较大区别，转录终止也不相同。,（一）真核生物的转录过程,不同物种、不同细胞或不同的基因，转录起始点上游都有不同的特异DNA序列，包括启动子、增强子等，统称为顺式作用元件(cis-acting element)。,转录起始点,TATA盒,CAAT盒,GC盒,增强子,顺式作用元件(cis-acting element),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,转录起始时，真核生物的RNA pol不直接识别和结合模板的起始区，而是依靠转录因子识别并结合起始序列。,能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，统称为转录因子(transscriptional factors,TF)或反式作用因子(trans-acting factors)。,真核生物转录生成的RNA分子是初级RNA转录物(primary RNA transcript)，几乎所有的初级RNA转录物都要经过加工，才能成为具有功能的成熟的RNA。加工主要在细胞核中进行。,三、RNA的转录后加工,几种主要的修饰方式：,1.剪接(splicing),2.剪切(cleavage),3.修饰(modification),4.添加(addition),5.RNA编辑(RNA editing),（一）真核mRNA的加工,真核生物mRNA转录后，需要进行5-端和3-端（首、尾部）的修饰以及对hnRNA进行剪接（splicing），才能成为成熟的mRNA，被转运到核糖体，指导蛋白质翻译。,1.mRNA在5-末端加入帽子结构,大多数真核mRNA的5-末端有7-甲基鸟嘌呤的帽结构。这个真核mRNA加工过程的起始步骤由两种酶，加帽酶(capping enzyme)和甲基转移酶(methyltransferase)催化完成。,帽结构,帽结构的意义：,可以使mRNA免遭核酸酶的攻击；也能与帽结合蛋白质复合体(cap-binding complex of protein)结合，并参与mRNA和核糖体的结合，启动蛋白质的生物合成。,2.mRNA在3-末端加上多聚腺苷酸尾,5-AAUAAA-,5-AAUAAA-,核酸酶,-GUGUGUG,RNA-pol,AATAAA GTGTGTG,转录终止的修饰点,5,5,3,3,3加尾,AAAAAAA 3 mRNA,poly A的有无与长短，是维持mRNA作为翻译模板的活性，以及增加mRNA本身稳定性的因素。一般真核生物在胞浆内出现的mRNA，其poly A长度为100至200个核苷酸之间，也有少数例外。,3.mRNA的剪接,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：在断裂基因及其初级转录产物上出现，而在剪接过程中被除去的核酸序列。,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),编码区 A、B、C、D,mRNA的剪接,除去hnRNA中的内含子，将外显子连接。,snRNA(small nuclear RNA),核内的蛋白质,snRNP（组成剪接体,splicesome）,snRNA,鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图,DNA,mRNA,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,（二）tRNA的转录后加工,tRNA前体,tRNA核苷酸转移酶、连接酶,ATP,ADP,碱基修饰,（三）rRNA的转录后加工,第三节蛋白质的生物合成（翻译）,蛋白质的生物合成，即翻译，就是将mRNA中由 4 种核苷酸序列编码的遗传信息，解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序 的过程。,20种氨基酸(AA)作为原料酶及众多蛋白因子，如IF、eIF ATP、GTP、无机离子,一、蛋白质生物合成体系,三种RNAmRNA（messenger RNA,信使RNA）rRNA（ribosomal RNA,核糖体RNA）tRNA（transfer RNA,转移RNA）,（一）合成原料,蛋白质的合成原料是20种编码氨基酸有些蛋白质分子中含有的羟脯氨酸、羟赖氨酸等修饰氨基酸是翻译后加工修饰的结果。,mRNA是遗传信息的携带者,3个连续的碱基，每个有4种(A,U,G,C)选择，则可组成4*4*4=64种密码蛋白质合成原料为20种氨基酸，加上起始和终止信号，3个连续碱基完全可以代表前述信息。,（二）合成模板,遗传密码,mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码(triplet coden)。,起始密码(initiation coden):AUG,终止密码(termination coden):UAA，UAG，UGA,AUG第一次出现于mRNA靠近5端时，它不仅编码Met，还作为翻译起始信号。当AUG位于mRNA中部时，仅编码Met。UAA、UAG、UGA这3组为终止密码，提供翻译终止信号，不编码任何氨基酸。,遗传密码表,目 录,遗传密码的特点,1.方向性(directional),翻译时遗传密码的阅读方向是53，即读码从mRNA的起始密码子AUG开始，按53的方向逐一阅读，直至终止密码子。,2.连续性(non-punctuated),编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉。,基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变(frameshift mutation)。,3.简并性(degeneracy),遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。,目 录,目 录,4.通用性(universal),蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。,5.摆动性(wobble),转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。,U,摆动配对,目 录,U,反密码环,氨基酸臂,（三）运载工具,tRNA的三级结构示意图,目 录,（四）合成场所,核糖体的组成,目 录,核糖体,核糖体,原核生物翻译过程中核糖体结构模式:,A位(受位)：氨基酰位(aminoacyl site),P位(给位)：肽酰位(peptidyl site),E位：排出位(exit site),目 录,（五）蛋白质生物合成所需酶、蛋白质因子等,1.重要的酶类,3.能源物质及离子,2.蛋白质因子,氨基酰-tRNA合成酶；转肽酶；转位酶,起始因子，延长因子，释放因子,ATP，GTP,二、氨基酸的活化,氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activity)。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet,真核生物：Met-tRNAiMet原核生物：fMet-tRNAfMet,起始肽链合成的氨基酰-tRNA,翻译的起始(initiation)翻译的延长(elongation)翻译的终止(termination)也称为广义的核糖体循环。,整个翻译过程可分为：,翻译过程从阅读框架的5-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。,三、肽链的生物合成过程,核糖体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA的结合；核糖体大亚基结合。,1.起始,（一）原核生物的肽链合成过程,IF-3,IF-1,核糖体大小亚基分离,IF-3,IF-1,mRNA在小亚基定位结合,IF-3,IF-1,起始 fMet-tRNAfmet 结合到小亚基,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,核糖体大亚基结合，起始复合物形成,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,指根据mRNA密码序列的指导，次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。,肽链延长在核糖体上连续性循环式进行，又称为狭义的核糖体循环(ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：进位(entrance)成肽(peptide bond formation)转位(translocation),2.延长,又称注册(registration),（1）进位,指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核糖体A位。,延长因子EF-T催化进位,目 录,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,目 录,（2）成肽,是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。,（3）转位,延长因子EF-G有转位酶(translocase)活性，可结合并水解1分子GTP，促进核糖体向mRNA的3侧移动。,fMet,fMet,目 录,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、核糖体等分离，这些过程称为肽链合成终止。,3.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，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，使肽链从核糖体上释放。,释放因子的功能,原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3,原核肽链合成终止过程,RF,多聚核糖体(polysome),使蛋白质合成高速、高效进行。,从核糖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,四、蛋白质翻译后修饰和靶向输送,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。,蛋白质的靶向输送(protein targeting),