五章遗传信息的表达

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1、1第五章第五章 遗传信息的表达遗传信息的表达2中心法则：中心法则：pr DNA RNA转录逆转录翻译 第一节第一节 转录（转录（transcription）以为模板合成的过程以为模板合成的过程34（4）模板：）模板：复制：复制：两条全部两条全部DNA分子；分子；转录：一条转录：一条DNA分子的部分分子的部分与复制的相同之处与复制的相同之处:(1)都以都以DNA为模板为模板.(2)都以都以nt 为原料为原料,合成方向都是合成方向都是53.(3)都服从碱基配对原则都服从碱基配对原则不同之处不同之处:(1)四种原料不同四种原料不同:DNAdNTP,RNANTP(2)配对碱基不同：配对碱基不同：A=T

2、；A=U（3）酶不同：）酶不同：DNA聚合酶；聚合酶；RNA聚合酶聚合酶5一、原核生物一、原核生物RNA的生物合成的生物合成（一）（一）RNA聚合酶（聚合酶（RNA polymerase）：1 种种RNA合成的错误率为合成的错误率为10-6（DNA合成的错误率为合成的错误率为10-9-10-10）大肠杆菌中：大肠杆菌中：全酶为：五聚体（全酶为：五聚体（2）：）：识别结合启动子：识别结合启动子 2：启动子上游：启动子上游 ：催化形成二酯键：催化形成二酯键 ：酶与模板的结合部位：酶与模板的结合部位需需Mg2+，Mn2+，无校对功能无校对功能6（二）转录模板（二）转录模板基因基因1:链链2:转录模板

3、链转录模板链(template strand)or 反意义链反意义链(antisense strand)链链1:信息链信息链or 有意义链有意义链(sense strand)or 编码链编码链(coding strand)基因基因2:链链1:转录模板链转录模板链(template strand)or 反意义链反意义链(antisense strand)链链2 为信息链为信息链or 有意义链有意义链(sense strand)or 编码链编码链(coding strand)7(三三)转录过程转录过程 1、起始阶段起始阶段:不需要引物不需要引物,全酶中全酶中 识别并结合启动子识别并结合启动子 DN

4、A构象发生变化构象发生变化 RNA聚合酶催化两个相邻的聚合酶催化两个相邻的nt与模板配对与模板配对 第一个第一个nt为为5pppG or pppA,第二个第二个nt有游离有游离3-OH继续加入继续加入NTP,延长延长 几个几个nt之后之后 因子脱落因子脱落全酶全酶-DNA-pppGpN-OH 称为起始复合物称为起始复合物82、延长阶段延长阶段:核心酶核心酶(core enzyme)沿模板沿模板35滑行滑行,RNA按按53方向合成方向合成 12nt,RNA 5端与端与DNA模板脱离模板脱离mRNA:45nt/sec,rRNA:90nt/sec3、.终止阶段终止阶段两种方式两种方式:因子不依赖终止

5、因子不依赖终止 因子依赖终止因子依赖终止9RNA酶行进到模板的酶行进到模板的终止子部位终止子部位(富含富含GC,可在可在RNA 上形成发夹结构上形成发夹结构)发夹结构影响发夹结构影响RNA酶的行进酶的行进 RNA链先从链先从DNA上释放上释放,再与核心酶分离再与核心酶分离 终止转录终止转录（1）因子不依赖终止因子不依赖终止 图图5-110 因子与因子与RNA聚合酶结合聚合酶结合(终止子终止子)使使RNA-DNA杂交体解开杂交体解开 因子、因子、RNA聚合酶与聚合酶与DNA分离分离 转录终止转录终止（2）因子依赖终止因子依赖终止 图图5-21112（四）、转录后加工（四）、转录后加工初级转录产物

6、（初级转录产物（primary transcrips）：一个操纵子转录出）：一个操纵子转录出的一条完整的一条完整RNA。mRNA：不需要加工：不需要加工 rRNA：需加工、修饰：需加工、修饰 tRNA：需加工、修饰：需加工、修饰6个基因：个基因：3个个tRNA 16s rRNA 23 s rRNA 称为称为30 s RNA 5 s rRNA 间隔序列间隔序列如大肠杆菌如大肠杆菌 rrnD操纵子操纵子（rRNA、tRNA混排）图混排）图5-31314 30 s RNA 核酸内切酶（核酸内切酶（RNase P）16 s、23 s、5 s rRNA前体前体 +tRNA 前体前体 （内、外切酶）（内、

7、外切酶）（1）剪切作用：多余序列剪切作用：多余序列切除原间隔序列切除原间隔序列 （2）添加和修复）添加和修复3端端CCA序列序列 （3）某些碱基的化学修饰）某些碱基的化学修饰 成熟成熟16 s、23 s、5 s rRNA 成熟成熟tRNA15二、真核生物真核生物RNA的生物合成的生物合成（一）（一）RNA聚合酶聚合酶pol 1：核仁：核仁：5.8S、18S、28S rRNA pol 2：核浆：核浆：mRNA pol 3：核浆：核浆：tRNA（二）转录单位：（二）转录单位：为一个基因（一个结构基因加相应调控元件）为一个基因（一个结构基因加相应调控元件）三、转录过程：三、转录过程：161起始阶段：

8、需一些蛋白质参与，称转录因子（起始阶段：需一些蛋白质参与，称转录因子（transcrption factor，TF）（1）mRNA前体的转录前体的转录 图图5-4：pol 2TF2D（含一个（含一个TATAbox 结合蛋白（结合蛋白（TBP）和多个）和多个TBP结合因结合因子（子（TAF）+TATA box TF2A，TF2B结合结合TF2D TF2F+pol2 结合结合TF2B TF2E、TF2H加入，形成起始复合物加入，形成起始复合物1718人基因：核心启动子人基因：核心启动子+上游调控元件（上游调控元件（UCE）转录因子：转录因子：上游结合因子（上游结合因子（UBF1）、）、选择因子选择

9、因子1（selectivity factor1，SL1）（含一个（含一个TBP 和和 3个个TBP结合因子）结合因子）（2）rRNA前体的转录前体的转录：pol 1UBF1与核心启动子和与核心启动子和UCE 结合结合 SL1与与UBF1结合结合 pol 1与与 SL1 中的中的TBP结合结合 起始转录起始转录1920基因：基因：A box、B box TF 3 C结合与结合与B box TF 3 B结合与启动子结合与启动子 pol 3进入进入（3）tRNA、5SrRNA：pol 3213、终止阶段：机制不清、终止阶段：机制不清2、延长阶段：与原核生物相似，方向、延长阶段：与原核生物相似，方向5

10、3227mG：5-5磷酸二酯键（正常：磷酸二酯键（正常：3-5磷酸二酯键）磷酸二酯键）（四）转录产物的加工转录产物的加工5端加帽子端加帽子1mRNA前体的加工：前体的加工：3端加尾巴（端加尾巴（poly A）去除内含子拼接外显子去除内含子拼接外显子（1）5端加帽子（端加帽子（capping）图）图5-5 1 型帽子结构：型帽子结构：m7G-nt1（2-OH被甲基化）被甲基化）2型帽子结构型帽子结构:m7G-nt1（2-OH被甲基化）被甲基化）-nt2（2 -OH被甲基化）被甲基化）两种：两种：23(2)3端加尾巴（端加尾巴（poly A tail）图）图5-6 mRNA中中 AAUAAA序列被

11、核酸内切酶识别并在其下游序列被核酸内切酶识别并在其下游11 nt-30nt 处切断处切断,在在poly A聚合酶作用下加入聚合酶作用下加入poly A.24(3)去除内含子拼接外显子去除内含子拼接外显子(splicing):图图5-7剪接反应剪接反应:在在剪接体剪接体(spliceosome)中进行中进行(两步两步)SnRNA:U1,U2,U3.U6 蛋白质蛋白质内含子的结构内含子的结构:5GU-A-AG 3（5剪切位点）剪切位点）(分支点分支点)(3剪切位点剪切位点)第二步第二步:5外显子攻击外显子攻击3剪接位点剪接位点,两个外显子拼接两个外显子拼接,同时释放套索状中间产物同时释放套索状中间

12、产物.第一步第一步:分支点分支点A 攻击攻击5侧剪接位点侧剪接位点G,释放释放5外显子外显子.25 mRNA内含子的自我剪接内含子的自我剪接26特点：内含子自我剪接 /核酶产物：套索结构（4）化学修饰化学修饰:主要是甲基化修饰主要是甲基化修饰（5）RNA的编辑的编辑(RNA editing)隐蔽基因隐蔽基因(cryptogene)产物产物如如 线粒体细胞色素氧化酶线粒体细胞色素氧化酶C亚基亚基mRNA：在在145个不同位点插入个不同位点插入407个个U，在在9个不同位点删除个不同位点删除19个个U，编辑编辑nt占成熟占成熟mRNA的一半以上。的一半以上。27（2）tRNA 前体的加工前体的加工

13、A：tRNA 前体的剪接：去除内含子和前体的剪接：去除内含子和5侧先导序列。侧先导序列。B：添加或修复添加或修复3端端CCA序列。序列。C：化学修饰：形成稀有碱基。化学修饰：形成稀有碱基。（3）rRNA 前体的加工：前体的加工：A：rRNA 前体的剪接；前体的剪接；B：化学修饰：化学修饰28第三节第三节 翻译翻译一、原核生物蛋白质的生物合成一、原核生物蛋白质的生物合成（一）蛋白质生物合成体系（一）蛋白质生物合成体系1、mRNA：（1）密码子（）密码子（codon）：每三个相邻的）：每三个相邻的nt决定一个氨基酸决定一个氨基酸。（2）开放阅读框（）开放阅读框（open reading frame

14、，ORF）：从起始）：从起始密码子到终止密码子。密码子到终止密码子。29（3）遗传密码：）遗传密码：64个密码子的统称。密码子表（个密码子的统称。密码子表（P78）（1）起始密码子：）起始密码子：AUG-met；（2）终止密码子：）终止密码子：UAG，UAA，UGA （3）读写方向：）读写方向：53；（4）连续性；连续性；（5）兼并性：几个密码子决定同一个氨基酸；）兼并性：几个密码子决定同一个氨基酸；（6）通用性；通用性；特点：特点：（7）摆动性（）摆动性（wobble）：密码子的第三位与反）：密码子的第三位与反密码子的第一位密码子的第一位 碱基的配对不十分严格。碱基的配对不十分严格。30第一

15、位（5端）碱基第二位（中间）碱基第三位（3端）碱基 A G U C AAAA赖氨酸AAG赖氨酸 AAU天冬酰胺AAC天冬酰胺AGA精氨酸AGG精氨酸 AGU丝氨酸AGC丝氨酸AUA异亮氨酸AUG甲硫氨酸 +起始信号AUU异亮氨酸AUC异亮氨酸ACA苏氨酸ACG苏氨酸 ACU苏氨酸ACC苏氨酸AG UC GGAA谷氨酸GAG谷氨酸GAU天冬氨酸GAC天冬氨酸GGA甘氨酸GGG甘氨酸GGU甘氨酸GGC甘氨酸GUA缬氨酸GUG缬氨酸GUU缬氨酸GUC缬氨酸GCA丙氨酸GCG丙氨酸GCU丙氨酸GCC丙氨酸AGUC UUAA终止信号UAG终止信号UAU酪氨酸UAC酪氨酸UGA终止信号UGG色氨酸UGU半

16、胱氨酸UGC半胱氨酸UUA亮氨酸UUG亮氨酸UUU苯丙氨酸UUC苯丙氨酸UCA丝氨酸UCG丝氨酸UCU丝氨酸UCC丝氨酸AGUC CCAA谷氨酰胺CAG谷氨酰胺CAU组氨酸CAC组氨酸CGA精氨酸CGG精氨酸CGU精氨酸CGC精氨酸CUA亮氨酸CUG亮氨酸CUU亮氨酸CUC亮氨酸CCA脯氨酸CCG脯氨酸CCU脯氨酸CCC脯氨酸AGUC31主要活性部位：主要活性部位：A位（受位位（受位acceptor site）：氨酰）：氨酰tRNA(tRNA-a.a)进入进入的部位的部位.P位位(供位供位 donor site,peptide site):肽酰肽酰tRNA(tRNA-a.a-a.a-a.a-a

17、.aa.a)占据的部位占据的部位.2核糖体（核糖体（ribosome）：）：rRNA+prs ：是蛋白质合成的场所：是蛋白质合成的场所3tRNA：氨基酸的运输工具，：氨基酸的运输工具，细菌中约细菌中约30种种-40种。种。4各种蛋白质：起始因子：各种蛋白质：起始因子：IF：IF-1；IF-2；IF-3。延伸因子：延伸因子：EF：EF-Tu；EF-Ts；EF-G。终止因子：终止因子：RF：RF-1；RF-2；RF-3。325氨基酰氨基酰-tRNA合成酶：催化氨基酸与合成酶：催化氨基酸与tRNA结合形成结合形成tRNA-a.a,具有特异性具有特异性.1.起始阶段起始阶段:IF-3+30S mRNA

18、 fmet-tRNAfmet-IF-2-GTP(IF-1促进该三元复合物形成促进该三元复合物形成)50S 释放释放IF-1,IF-2,IF-3,GDP,Pi形成形成70S.mRNA.fmet-tRNAfmet 三元起始复合物三元起始复合物.(二二)氨基酸的活化氨基酸的活化:tRNA+a.a tRNA-a.a(三三)翻译过程翻译过程:三个阶段三个阶段33342.延长阶段延长阶段:许多循环组成，每个循环包括三步许多循环组成，每个循环包括三步（1）进位）进位:：甲硫氨酰-tRNA首先进入P位（由起 始密码子AUG编码）此后的所有aa-tRNA都首先进入A位.（2）转肽：肽键形成）转肽：肽键形成（3）移位）移位:：A位位 P位位.353 终止阶段终止阶段:当进入当进入终止密码子时终止密码子时.36二、真核生物蛋白质合成的特点二、真核生物蛋白质合成的特点：与原核生物基本相同与原核生物基本相同1肽链的折叠肽链的折叠2各种共价修饰各种共价修饰3水解修饰水解修饰4亚单位聚合亚单位聚合三、肽链的翻译后加工肽链的翻译后加工37修饰水解成熟的分泌蛋白高尔基体中切除部分肽段/修饰蛋白原