第八章核酸结构、功能与核苷酸代谢.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流第八章核酸结构、功能与核苷酸代谢.精品文档.第八章 核酸结构、功能与核苷酸代谢核酸（nucleic acid）根据所含戊糖差别，分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。DNA主要存在于细胞核，线粒体内也存在有DNA；RNA存在于细胞质和细胞核内。 第一节 核酸的化学组成核酸基本组成单位：核酸的基本组成单位是核苷酸；核苷酸完全水解产生含氮碱基、戊糖和磷酸。一、碱基碱基是含氮杂环化合物，有两类：嘌呤与嘧定。其中嘌呤分为腺嘌呤和鸟嘌呤；嘧啶有胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶。提问：DNA与RNA碱基的异同点。二、戊糖DNA中含-D-2-脱氧核糖；RNA中含-D-脱氧核糖。三、核苷 戊糖的第1位碳原子分别与嘌呤碱的第9位N原子和嘧啶碱的第1位N原子通过糖苷键相连接形成核苷。戊糖若为脱氧核糖，称为脱氧核苷。提问：几种核苷的命名。四、核苷酸核苷与磷酸通过磷酸酯键连接，即为核苷酸。含脱氧核糖者称为脱氧核糖核苷酸（脱氧核苷酸）。生物体内多数生成5-核苷酸。DNA和RNA基本单位：组成RNA的核糖核苷酸主要有AMP、GMP、CMP及UMP 4种；组成DNA的脱氧核苷酸主要有 dAMP、dGMP、dCMP及 dTMP 4种。游离的核苷酸：在体内还存在有重要生理功能的游离核苷酸。如3、5-环状腺苷酸（cAMP）；3、5-环状鸟苷酸等，cAMP、cGMP和激素的作用有非常密切关系，人们把cAMP称为激素的“第二信使”。ATP是体内能量的直接来源和利用形式。细菌DNA中含有众多的非甲基化的CpG模体，此模体对哺乳动物的免疫细胞具有刺激作用。研究人员正试图利用它进行疫苗的制备、肿瘤治疗与阻止免疫变态的反应的发生。导言：本章开始介绍，遗传物质的储存、传递和表达的有关内容。画图讲解强调：T与U的区别。由学生自己总结。 第二节 DNA的结构与功能一、DNA的一级结构定义：DNA分子中核苷酸的排列顺序及其连接方式。也可用碱基顺序来表示核酸的一级结构。以3-5磷酸二酯键相连接。主链的两个末端：核酸分子的主链是由戊糖和磷酸所组成。主链的一端为3-末端（游离羟基末端），另一端为5-末端（游离磷酸末端）。一级结构的简化式：通常以5为头写在左侧。二、DNA的二级结构 1953年Watson和Crick提出了 DNA双螺旋结构模型。其要点是：DNA分子由两条反向平行的多核酸链围绕一共同中轴以右手螺旋方式盘旋而形成双螺旋结构。螺旋表面形成深沟与浅沟。这些沟状结构与蛋白质、DNA之间的相互识别有关。两链以磷酸与脱氧核糖为骨架，位于螺旋外侧；碱基位于螺旋内侧，碱基平面与脱氧核糖平面、中轴垂直。碱基对之间距离为0.34nm，每一螺旋含10个碱基对，旋距为3.4nm。螺旋的直径为2nm，旋转的夹角为36。碱基通过氢键形成碱基对。A与T配对（两个氢键），G与C配对（三个氢键），称为碱基互补规律。碱基对之间的氢键及碱基平面之间的碱基堆积力是维持双螺旋结构稳定的主要力量。三、DNA三级结构DNA的三级结构指DNA双螺旋进一步盘曲所形成的复杂构象。 原核和真核生物线粒体、叶绿体DNA以正、负超螺旋形式存在。 真核生物染色质DNA三级结构以核小体形式存在。核小体核心部分由组蛋白H2A、H2B、H3和H4各两个分子形成的八聚体组成，DNA分子的146个碱基对在此八聚体上盘绕2周。另54个碱基对与组蛋白H1结合，将各核小体颗粒连接起来，形成串珠样结构。此结构再进一步盘曲成直径为30nm的纤维状结构。后者再经几次卷曲，形成染色体的结构。DNA功能：作为生物遗传信息的携带者，作为复制的模板将遗传信息传给子代；同时也作为基因转录的模板，表达生命活动的物质基础蛋白质，展示个体生命现象。3-5磷酸二酯键是每个核苷酸的5-磷酸和相邻核苷酸3-羟基缩合脱水形成。除B型构象以外天然DNA还有A型、Z型构象。 Z-DNA参与基因表达的调控。核小体是染色质的基本组成单位，由200个碱基对与5种组蛋白组成。 第三节 RNA的结构与功能RNA在生命活动中的作用是与蛋白质一同负责基因的表达过程的调控。RNA的结构多种多样，其功能也各不相同。一、信使RNAmRNA的前体：mRNA的前体是不均一核RNA（hnRNA），其分子量比成熟的mRNA大，经剪接生成成熟的mRNA，并移位到细胞质。MRNA结构特点与功能：15-端加帽：在5-末端加上一个7-甲基鸟苷二磷酸基，而第1个核苷酸的2位碳也甲基化，形成7-甲基鸟苷三磷酸帽子结构，此结构可保护mRNA免受核酸酶从5揣的降解作用，并在翻译起中起重要作用。23-端加尾： mRNA的3端有200多个腺苷酸残基的尾巴，其作用在于增加mRNA的稳定性和维持其翻译活性。3mRNA功能：把DNA的遗传信息携带到细胞质，并在那里作为蛋白质合成的模板，决定其合成的蛋白质中氨基酸顺序。二、转运RNAtRNA结构特点与功能：1、含较多的稀有碱基：每一分子常含有715个稀有碱基，如双氢尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（）和甲基化的嘌呤等。2、tRNA三叶草形二级结构：由7090个核苷酸组成的小分子RNA，共有100多种，其结构均是线性多核苷酸链。有四臂（螺旋区）、三环和1个附加叉（可变环）。其中直接与氨基酸结合的螺旋区叫氨基酸臂，富含鸟嘌呤， 3-末端都是C-C-A-OH，在蛋白质生物合成时，氨基酸的羧基与3-未端羟基形成酯键相连。3个环分别称DHU环、TC环和反密码环。反密码环由7个核苷酸组成，3、4、5三个核苷酸组成反密码，在蛋白质生物合成时，反密码可与mRNA上的密码借碱基配对而结合，识别相应的密码。3、tRNA的三级结构呈倒L型：一端为氨基酸臂，另一端为反密码子。L型的拐角处是DHU环和TC环。4、tRNA的功能：携带蛋白质合成所需的氨基酸，并按mRNA上的密码顺序“对号入座”地将其运转到mRNA分子上。强调：DNA与RNA结构的不同点。RNA由一条多核苷链组成。各种RNA结构与其功能有密切联系。各环的核苷酸序列差别较大，这是各种tRNA差异性所在。三、核蛋白体RNArRNA是细胞内含量最多的RNA，占细胞总RNA的90。rRNA结构特点与功能： 1、原核生物含3种rRNA：其中23S与5S rRNA存在于大亚基，16S存在于小亚基。2、真核生物含有4种rRNA：其中28S、5.8S和5S存在于大亚基，小亚基只含有18S一种。3、rRNA茎样二级结构：各种rRNA的碱基组成无一定比率，不同来源的rRNA的碱基组成差别很大。除5SrRNA外，其他的rRNA均含有少量稀有碱基，现已推测出各种rRNA的结构均为茎样结构。4、rRNA功能：rRNA与蛋白质结合形成的核蛋白体是细胞内蛋白质合成的场所。四、核酶1、核酶的提出：1982年Thomas Cech从四膜虫rRNA前体的加工研究中首先发现rRNA前体本身具有自我催化作用。并提出核酶的概念后，现已发现多种核酶。2、锤头核酶：R.H.Symons发现某些病毒和类病毒等最简单核酶二级结构呈锤头状，于是提出了锤头核酶的概念。锤头核酶结构由3个茎和13个环组成，包括催化部分和底物部分。核酶中有13碱基构成保守的核苷酸序列。锤头核酶结构的发现促使人们设计并合成出许多种核酶，用以剪切破坏一些不害基因转录出的mRNA或其前体，试图在抗癌和抗病毒方面发挥作用。小结：1、 DNA结构特点与功能。2、三种RNA结构特点与功能。原核生物与真核生物都含有的rRNA是：5SrRNA介绍：核酶的应用。 第四节 核酸理化性质一、核酸的一般性质1、核酸是两性电解质：含有酸性的磷酸基和碱性的碱基。因磷酸基的酸性较强，核酸通常表现为较强的酸性，核酸可在电场中泳动，也可进行离子交换分离。2、在碱性条件下，RNA不稳定：可在室温下水解。利用这个性质可以测定RNA的碱基组成，也可清除DNA溶液中混杂的RNA。3、核酸多是线性分子：由于DNA细长，其在溶液中的粘度很高，RNA分子比DNA短，在溶液中粘度低于DNA。二、核酸的紫外线吸收1、对核酸进行定量分析：核酸分子中的碱基都含有共轭双键，在260nm波长处有最大紫外吸收。2、估计核酸的纯度：蛋白质在280nm波长处有最大吸收，可利用溶液260nm和280nm处吸光度的比值来估计核酸的纯度。对于纯的DNA和RNA来说，其A260/A280应分别为1.8和2.0，若有蛋白质和酚的污染，比值下降。三、核酸变性与复性（一）变性：指在某些因素的作用下，维系DNA双螺旋的次级键断裂（碱基堆砌力和氢键）双螺旋结构解开成单链的过程称为变性。变性因素：加热和化学物质，如有机溶剂、酸、碱、尿素和酰胺等。实验中最常用的DNA的变性方法是热变性。变性后的性质：粘滞度下降、紫外吸收值改变等。DNA增色效应：变性使原来位于双螺旋内部的碱基暴露出来，造成在260nm处的紫外吸收值增高的现象。 Tm：是DNA双链解开50时的环境温度。GC含量越高，Tm值越大；AT含量越高，Tm值越小。（二）复性：DNA的变性是可逆的，当变性后，温度再缓慢下降，解开的两条链又重新聚合形成双螺旋结构。此过程也叫退火。退火温度：复性的最佳温度是比Tm低25，若时间较长，可以复性至天然DNA的状态。若在DNA变性后，温度突然下调到4以下，复性则不能进行。这是保存变性状态DNA的良好方法。复习：DNA和RNA结构特点与功能。介绍：标准吸光度值为1时，各种标准浓度。原因：G和C之间有3个氢键。分子杂交与PCR都是根据变性复性的原理设计的。第五节 核苷酸代谢核酸消化吸收：食物中的核酸主要以核蛋白的形式存在。受胃酸的影响，核蛋白在胃中分解成核酸和蛋白质。核酸进入小肠后在胰液和肠液中的各种水解酶的催化下不断水解。核苷酸的2条合成途径：从头合成（肝）：合成是从氨基酸、一碳单位、CO2等小分子开始。补救合成（脑和骨髓）：以嘌呤碱和嘧啶碱为原料合成。一、嘌呤核苷酸的代谢（一）嘌呤核糖核苷酸的合成1从头合成途径：（1）5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP）的合成：由ATP及5-磷酸核糖在PRPP合成酶催化下合成。（2）次黄嘌呤核苷酸（IMP）的合成：PRPP先脱去焦磷酸而以核糖第一碳与来源于谷氨酰胺的-NH2相结合, 然后依次将甘氨酸、一碳单位、CO2等基团连接上去，生成次黄嘌呤核苷酸（IMP）。 （3）由IMP合成AMP和GMP 2补救合成途径：以PRPP和嘌呤碱为原料，经酶催化形成嘌呤核苷酸。腺嘌呤磷酸核糖转移酶（APRT）：催化腺苷酸的合成。次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）：催化IMP与GMP的合成。HGPRT部分缺陷或完全缺陷：分别引起痛风和自毁容貌症（Lesh-Nyhan）3、嘌呤核苷酸的抗代谢物：可竞争性抑制嘌呤核苷酸的合成，从而进一步阻止核酸与蛋白质的生物合成，达到抗肿瘤目的。嘌呤类似物：6-巯基嘌呤（6MP），6-巯基鸟嘌呤、8-氮杂鸟嘌呤等。谷氨酰胺类似物：氮杂丝氨酸、 6-重氮-5-氧去甲亮氨酸等。叶酸类似物：氨喋呤和甲氨喋呤（MTX）可竞争性抑制FH2合成酶。（二）嘌呤核苷酸的分解代谢分解部位：肝、小肠和肾。分解过程：尿酸是嘌呤碱的最终代谢产物。嘌呤和嘧啶的分解代谢途径没有差别。合成过程是耗能过程，由ATP供能。6MP在临床上最常用。MTX常用于治疗白血病。1、次黄嘌呤的生成：AMP和GMP首先分别脱氨和氧化脱氨生成IMP。IMP在核苷酸酶、核苷磷酸化酶的作用下生成次黄嘌呤。2、尿酸的生成：黄嘌呤氧化酶首先催化次黄嘌呤氧化生成黄嘌呤（黄嘌呤也可来自鸟嘌呤），再催化黄嘌呤进一步氧化生成尿酸。3、痛风症：健康成人体内尿酸含量为0.120.36mmol/L。男性略高于女性。肾是其排泄器官。尿酸含量高于0.48mmol/L时，尿酸盐晶体沉积在关节、软骨、软组织和肾等处，导致关节炎、尿路结石及肾疾病。引起痛风症(gout)。临床上常用别嘌呤醇(allopurinol)治疗痛风。别嘌呤醇与次黄嘌呤结构相似，故可抑制黄嘌呤氧化酶，从而抑制尿酸的生成。别嘌呤醇可与PRPP反应生成别嘌呤醇核苷酸，这不仅消耗PRPP，还作为IMP的类似物反馈抑制嘌呤核苷酸的从头合成。二、嘧啶核糖核苷酸代谢（一）嘧啶核糖核苷酸的合成1嘧啶核苷酸的从头合成：不同于嘌呤核苷酸的是嘧啶环合成之后才与核糖磷酸结合。（1）嘧啶环合成：利用天冬氨酸，谷氨酰胺、CO2，以合成氨基甲酰磷酸（由位于胞液中CPS-催化）为起点，合成嘧啶环。（2）UMP和CMP合成：嘧啶核苷酸的核糖核酸部分也是由PRPP提供的，最先合成的是UMP。再从UMP转变为CMP（是在三磷酸核苷酸水平上进行的）。2嘧啶核苷酸补救合成：以尿嘧啶磷酸核糖转移酶最为重要。（1）磷酸核糖转移酶催化嘧啶碱接受来自PRPP的磷酸核糖基。（2）嘧啶碱在核苷磷酸化酶催化下，先与核糖-1磷酸反应，生成嘧啶核苷，后者在嘧啶核苷激酶催化下，磷酸化生成核苷酸。3、嘧啶核苷酸抗代谢物嘧啶核苷酸的抗代谢物是嘧啶、氨基酸或叶酸的类似物。5-氟尿嘧啶（5-FU）是临床上常用的抗肿瘤药物。（二）嘧啶核苷酸的分解代谢胞嘧啶脱氨基转化成尿嘧啶，并继之再还原成二氢尿嘧啶。二氢尿嘧啶水解开环，最终生成NH3、CO2及-丙氨酸。T通过类似的过程开环分解看图说明：反应过程。代谢与疾病：痛风症的发生与治疗。强调：嘌呤核苷酸与嘧啶核苷酸合成的不同点。掌握：最终代谢物。成NH3、CO2及-氨基异丁酸而随尿排出。-氨基异丁酸进一步代谢或直接随尿排出，食入DNA丰富的食物或经放射线治疗或化学治疗的癌症病人，尿中-氨基异丁酸等物的排出增多。三、脱氧核糖核苷酸的合成（一）脱氧核糖核苷酸的生成过程 脱氧核糖核苷酸由核糖核苷酸还原而来（核糖核苷酸还原酶）还原反应在二磷酸核苷水平上进行。 脱氧胸腺嘧啶核苷酸（TMP）是脱氧尿嘧啶核苷酸（dUMP）经甲基化而生成的。由胸腺嘧啶核苷酸合成酶催化并需N5，N10亚甲基四氢叶酸提供一碳单位。dUMP由dUDP水解或dCMP脱氨生成，以后者为主。（二）脱氧核糖核苷酸的抗代谢物5-FU在体内可以转化成氟尿嘧啶脱氧核苷一磷酸（FdUMP），FdUMP与dUMP的结构相似，是胸苷酸合成酶的抑制剂，合TMP合成受阻。MTX抑制二氢叶酸还原酶阻断TMP的合成。阿糖胞苷可抑制CDP还原成dCDP，从而直接抑制DNA的合成。四、核苷一磷酸、核苷二磷酸和核苷三磷酸的相互转化核苷三磷酸是合成核酸及贮存能量的活性形式。在特异的核苷一磷酸激酶的催化下，核苷一磷酸利用ATP作磷酸基的供体，转化为核苷二磷酸。腺苷酸激酶催化AMP、ADP和ATP之间的相互转化。核苷二磷酸与核苷三磷酸之间的相互转化是由核苷二磷酸激酶催化的。此酶的特异性没有核苷一磷酸激酶特异性高。五、核苷酸代谢障碍参与核苷酸代谢的某些酶的先天性缺陷或调节机制异常可引起核苷酸代谢障碍。嘌呤核苷酸代谢的遗传缺陷较嘧啶核苷酸的多见。痛风症：PRPP酶或HGPRT缺陷。Lesch-Nyhan综合症：HGPRT完全缺陷。免疫缺陷：腺苷脱氨酶（ADA）、嘌呤核苷磷酸化酶（PNP）缺陷。肾结石：腺嘌呤磷酸核糖转移酶（APRT）完全缺陷。黄嘌呤尿：黄嘌呤氧化酶完全缺陷。复习：碱基U和T的结构。5-FU、MTX、阿糖胞苷等常作为抗肿瘤药物。小结：嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸的代谢。 第九章 基因信息的传递本章主要内容：本章以中心法则为线索，分三节讨论DNA复制，DNA转录合成各种RNA，以及mRNA翻译合成蛋白质。某些病毒的RNA也是遗传信息的携带者，也可复制。其中有些病毒的RNA还可以通过逆转录合成DNA，本章也作扼要介绍。第一节 DNA的生物合成一、DNA复制的特征（一）半保留半不连续复制半保留复制：在两个子代DNA分子中，分别有一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，故称为半保留复制。意义：DNA中储存的遗传信息正确无误的传递给子代，体现了遗传的保守性，是物种稳定的分子基础。（二）有固定的复制起始点和共同特征共同特征：有多种短片段DNA重复序列，是参与复制起始的蛋白质结合部位；复制起始点有AT丰富的序列，使双链易解开。真核生物染色体常具有多个复制起始点。（三）双向复制原核及真核细胞的DNA复制都是从复制起始点开始向两个方向进行的双向复制。二、DNA复制的酶学（一）DNA聚合酶又称DDDP，DDDP催化dNTP释出1分子焦磷酸，把dNMP用磷酸二酯键逐个加到正在复制中的DNA链的3-OH端，并按53方向延伸DNA链。原核DNA聚合酶有三种，DNA聚合酶、，作用不同。真核生物中发现5种DNA聚合酶，、。和类似于，类似于I。由于DNA聚合酶的作用实现了DNA复制的保真性。复习提问导入新课：中心法则。实验：重氮标记的大肠杆菌转入普通培养基中培养一代及数代。举例：大肠杆菌复制起始位点oriC结构。（二）解螺旋酶（helicase）功能：是利用ATP提供的能量将DNA双螺旋解开。大肠杆菌中至少发现4种解螺旋酶，其中真正参与DNA复制时解螺旋的是DnaB。（三）单链结合蛋白功能：双链DNA解开成两条单链时，单链结合蛋白（SSB）能与它们结合，使它们不能再重新缔合成双链，并保护它们不受核酸酶降解。（四）DNA拓扑异构酶DNA具有双螺旋结构，在DNA复制中，这种紧密缠绕的结构必须解开，拓扑异构酶的作用能松弛超螺旋，从而克服扭结现象。（五）引物酶引物酶是一种特殊的RNA聚合酶，该酶以DNA为模板，催化一段引物RNA的合成。（六）DNA连接酶功能：能连接双链DNA中的缺刻，缺刻是指DNA双链中单链某处的3,5-磷酸二酯键的断裂或两条相邻的单链片段之间尚未形成3,5-磷酸二酯键。三、复制过程DNA复制过程分为起始、延长和终止三个阶段。（一）复制起始：在解螺旋酶和拓扑异构酶的作用下使DNA解开一段双链，形成复制点（复制叉）。由于单链结合蛋白的结合，引物酶以解开双链的一段DNA为模板，以NTP为底物，合成一个短链RNA作用引物。（二）复制的延长在RNA引物的3-OH端，DNA聚合酶催化四种dNTP，分别以两条链为模板同时合成两条新的DNA链。复制方向是53。领头链：合成走向与解链方向相同的子链的合成是连续的。随从链：合成走向与解链方向相反的子链的合成是不连续的。引物的切除与缺口的填补：DNA聚合酶I以53外切作用去除RNA引物并以53方向延长DNA。缺刻的连接：两个相邻的冈崎片段之间由连接酶连接。使碱基之间的氢键断裂。按照碱基互补原则合成一小段RNA片段。（三）复制的终止1、原核复制终止：复制终止时在拓扑异构酶II作用下，形成2个独立的子代环状DNA染色体。2、真核生物的端粒与端粒酶能填补引物缺口：真核染色体DNA末端有维持染色体稳定性和染色体DNA复制完整性的端粒结构。由重复的寡核苷酸片段组成。端粒酶：是RNA与蛋白质的复合物，有逆转录酶的活性。四、逆转录合成DNA（reverse transcription）在RNA病毒中有逆转录酶，可以通过反转录作用合成DNA。首先利用RDDP活性以RNA为模板，按碱基配对（U配A，G配C）合成与RNA互补的DNA（cDNA）单链；然后利用其RNA酶H的活力水解RNA链，再利用DDDP活性以cDNA单链为模板合成DNA. 五、DNA的损伤和修复（）DNA的损伤一些物理、化学因子使细胞DNA在复制过程中发生突变，称为DNA损伤。引起损伤的主要因素有辐射（X射线、射线、紫外光等）、化合物（亚硝酸、烷化剂、嵌入剂如吖啶类染料、溴乙啶等）、DNA聚合酶的失误等。某些霉菌产生黄曲霉素，香烟中和熏制食品中的苯骈芘也是致癌的。（二）DNA损伤的修复切除修复是细胞内最主要的修复机制。1光修复（photoreactivation）：用300600nm波长的光照激活光裂合酶，使相邻的胸腺嘧啶二聚体解聚。2切除修复（exision repair）：这是将损伤或错配部位除去，重建正确的结构。3重组修复：重组是指遗传物质DNA片段在染色体内或染色体间进行交换的过程。4SOS修复：当DNA分子受到严重损伤，上述组成性修复机制都不足以修复时，细胞就经诱导而紧急动员起来产生一种应急性修复反应，称它为SOS修复。 结合图讲解大多数植物病毒和动物病毒如甲肝病毒、人类免疫缺陷病毒（HIV）等。经SOS修复后产生广泛的突变。第二节 RNA的生物合成一、模板和酶（一）转录模板转录具有不对称性：基因的两条DNA链中一条链上储存有遗传信息，称编码链，另一条与编码链互补，是转录模板，称模板链。（二）RNA聚合酶（DDRP）DDRP以DNA为模板，4种NTP为底物，尚需Mg2+或Mn2+等二价金属离子。RNA的合成沿53方向延伸。1、原核RNA聚合酶：由四种五个亚基构成，其中亚基可与全酶分离，去除了因子的全酶就称为核心酶。可合成三种RNA。2、真核RNA聚合酶：有三种不同的RNA聚合酶，I和II分别负责合成rRNAt和mRNA，III负责5sRNA和mRNA。二、转录过程1、起始阶段 RNA聚合酶全酶（因子起重要作用）识别启动子并与之结合。使模板DNA起始部位双链解开约12bp。在模板的指导下合成9个左右核苷酸的RNA，在此之后因子脱离全酶。核心酶离开启动子，向下游移动。2、延长阶段 RNA核心酶沿模板35方向滑动，沿53方向合成RNA。打开的双链区长度约为17个碱基对，结合区的长度约为12个碱基对。前方的双链逐步解开，后方的双链重新缔合。3、终止阶段 RNA聚合酶到达基因终止子时，合成的RNA链被释放，核心酶脱落。当到达有（rho）因子或富含GC碱基及倒转重复顺序形成茎环结构附近时，转录终止。三、转录后加工（post-transcriptional processing） RNA前身转录初产物（primary transcripts）经酶促反应形成成熟RNA的过程称为转录后加工。这是基因表达的必经过程之一，在基因表达的调控和细胞分化上起着重要作用。它包括：碱基修饰，糖基化，嘧啶环重排，以及5-端、3-端特异的核苷酸修饰、剪接等。基因只占DNA的一小部分。且只有少部分基因被转录。以原核生物为例说明。三种RNA结构特点就是经转录加工形成的。第三节 蛋白质的生物合成翻译翻译的概念：把mRNA中的核苷酸链中的遗传顺序表达为蛋白质分子中氨基酸排列顺序的过程称为翻译。一、遗传密码密码子（codon）： mRNA分子上，从53方向，每三个核苷酸决定一种氨基酸，三联核苷酸就称为密码子。四种碱基可排列组成43=64个不同的密码子，遗传密码由64个密码子组成。这些密码子不仅代表了20种氨基酸，还决定了翻译过程起始和终止的位置。遗传密码具有以下特点： （一）通用性：目前这套密码，基本上通用于生物界所有的物种，但近十年来的研究表明在线粒体以及某些原生动物中，密码并不完全相同。（二）简并性：终止密码或无意义密码子：UAA、UAG和 UGA，不代表任何氨基酸。起始密码子：AUG既是蛋氨酸的密码子，又是肽链合成的起始密码子。简并性：除了蛋氨酸和色氨酸各有一个密码子外，基余18种氨基酸每种至少有2个密码子。简并性就是指几个密码子都决定一种氨基酸。决定同一种氨基酸的密码子中头两个核苷酸往往是相同的，只是第三个碱基不同。表明密码子的特异性往往由头两个核苷酸决定，第三个核苷酸不太重要。（三）连续性：mRNA中的起始密码子之间的序列是编码序列，也称它为阅读框架。从5端起点开始，向3端一个一个连续不断的阅读，直至终止密码为止。如在mRNA单链上加上或删去一个碱基，就会引起读码发生错误，这种加上一个碱基或删去一个碱基的过程叫移码，移码可引起突变。（四）摆动性：密码子的第1、2位碱基分别和反密码子第3、第2位碱基配对。它们遵循A配U，G配C规则，但密码子中的第3位碱基与反密码中的第1位碱基有时会出现不遵循上述规则的情况，从而使一种tRNA的反密码子可以与决定同一种氨基酸的不同遗传密码子配对结合，称摆动性，可以产生不寻常的碱基配对部位称摆动位。复习：DNA复制过程，RNA合成过程。摆动配对：I与A，C，U；U与A，G；G与A，U。二、蛋白质生物合成体系（一）翻译模板真核生物mRNA的5端为到3端依次是帽子、5揣不译区、编码区、3端不译区和多聚腺苷酸尾巴，编码区只含一种蛋白质的编码序列。（二）转运氨基酸tRNAtRNA在蛋白质生物合成中起着接合器的作用。tRNA一端是反密码子，能识别mRNA中的密码子并且与它配对结合；另一端能与氨基酸共价结合。tRNA与氨基酸是由氨基酰tRNA合成酶催化的，该酶有绝对专一性。合成反应分两个步骤：第一步是氨基酸被ATP-E活化成氨基酰-AMP-E,第二步是活化的氨基酸与tRNA结合。（三）肽链合成场所核蛋白体核蛋白体由大小两个亚基组成，大亚基上有转肽酶活性，大亚基上还有两个tRNA结合位点，一个是P位，是翻译起时蛋氨酰tRNA或结合肽酰-tRNA的部位，另一个是A位，是结合氨基酰-tRNA的部位，小亚基有mRNA结合的部位，使mRNA能附着于核蛋白体上，使遗传密码能逐个被翻译成氨基酸。三、蛋白质生物合成过程肽链合成的方向是从N端到C端，翻译分为起始、延长和终止三阶段。（一）翻译起始1、 起始因子IF-3和IF-1与核蛋白体结合，使大小亚基分离。2、mRNA与小亚基结合:mRNA上的SD序列和小亚基中16s rRNA3端嘧啶核苷酸丰富的序列配对结合，再与小亚基的蛋白质结合。3、fmet-tRNAfmet就位：fmet-tRNAfmet和起始因子IF-2及GTP形成复合物，与mRNA的起始密码子配对，结合到小亚基上。4、核蛋白体大小亚基结合：fmet-tRNAfmet就位后，起始因子IF-3就脱离小亚基，核蛋白体50s大小基与小亚基结合成70s起始复合物，fmet-tRNAfmet占据P位，与此同时GTP水解，IF-1和IF-2脱离起始复合物。（二）翻译延长翻译延长分为：注册、成肽和转位。原核生物5端为pppPu，（小亚基辨认序列）复习：氨基酸臂和反密码环。多聚核蛋白体：mRNA和多个核蛋白体的聚合物。SD序列：mRNA起始密码子上游的嘌呤核苷酸丰富的序列。1、注册（进位）：氨基酰-tRNA根据mRNA中密码子的指引，在EF-Tu及GTP等参与下，进入核蛋白体的A位，与mRNA结合。GTP成GDP。2、成肽：在大亚基组分之一的转肽酶催化下，P位上蛋氨酰-tRNA中的蛋氨酰基转移并通过其活化的羧基与A位上氨基酰-tRNA中氨酰基的a氨基结合，形成第一个肽键，这样在核蛋白体A位生成了一个二肽酰-tRNA，P位上的tRNA从核蛋白体上脱落下来。转肽过程需要Mg2+和K。3、转位：在EF-G、GTP和Mg2+的参与下，GTP分解供能，使核蛋白体沿mRNA向3-端移动一个密码子，这样，P位上空载tRNA离开核蛋白体，A位上二肽酰tRNA进入P位，新进入A位的密码子又可接受氨基酰tRNA 注册。就这样进位、成肽、转位反复进行，肽链就按遗传信息所编码的氨基酸顺序不断延长，直到出现终止信号为止。（三）翻译终止当肽链合成至A位上出现终止信号的密码子时，翻译因子RF-1或RF-2在RF-3的辅助下与相应的终止密码子结合，使转肽酶将P位上肽酰tRNA中肽链转移给水分子。在此过程中水解GTP 使tRNA、释放因子及mRNA离开核蛋白体。（四）真核与原核蛋白质生物合成过程的异同1、翻译起始因子种类多，用eIF表示，起始过程较原核复杂。2、翻译起始时met-tRNAimet、起始因子eIF-2和GTP三者形成的复合物先和40s小亚基结合，然后才是mRNA就位。3、真核mRNA在核蛋白体小亚基上就位的机制不同于原核。先由帽子结合蛋白与真核mRNA5端帽子结合，然后在一些真核起始因子的辅助下才能与小亚基结合。mRNA5端与小亚基结合之后，还有迁移过程。四、翻译后加工（一）翻译后的加工修饰1N端加工：新生的多肽链N端在原核中为甲酰蛋氨酸，在真核中为蛋氨酸。蛋白质在生物合成过程中或合成后，细胞内特异的酶可以除N端的甲酰基、N端的蛋氨酸甚至N端的一段肽链。举例：合成20肽消耗的高能磷酸键。1192140个。2氨基酸残基的修饰：氨基酸的修饰方式很多，常见的有乙酰化、羟基化、二硫键形成、磷酸化和糖基化。3、水解加工：水解除去部分肽段后才能成熟。4亚基的聚合和辅基的连接：多肽链合成之后还需要进行肽链之间的聚合和肽链与辅基的结合。（二）分泌性蛋白质的跨膜转运分泌性蛋白质首先合成的是N端的信号肽，胞液中的信号识别颗粒（SRP）能识别信号肽并与之结合，导致翻译暂停。内质网膜上的SRP受体与SRP结合，从而介导核蛋白体与内质网膜结合，使SRP与信号肽及SRP受体分离，翻译又能进行。在内质网膜中的蛋白质转位装置的介导下，信号肽引导新生的多肽链穿过内质网膜进入内质网腔，在此之后信号肽被内质网中的信号肽酶切除。五、蛋白质生物合成与医学的关系（一）分子病分子病：由于基因的遗传缺陷使表达的蛋白质结构异常和功能障碍，从而造成的疾病称为分子病。目前已知有五千多种。镰刀形红细胞贫血：点突变T变为A，导致血红蛋白亚基中第6位氨基酸残基由正常的谷氨酸被缬氨酸取代。（二）蛋白质生物合成的抑制剂1、抗生素：抗生素是某些真菌的代谢产物，可作用于复制、转录和翻译的各个环节，通过阻抑细菌或肿瘤细胞的蛋白质合成。从而起到抑菌和抗癌等作用。如四环素、氯霉素、链霉素和卡那霉素等。2、白喉毒素：白喉毒素由白喉杆菌产生，是一种酶，能将NAD中ADP核糖基转移到真核延长因子-2（EF-2）中特异的氨基酸残基上，使EF-2失活，从而阻断翻译。3、干扰素：干扰素是一组小分子糖蛋白。病毒产生的双链RNA能诱导宿主细胞生成干扰素，产生的干扰素能诱导特异的蛋白激酶，活化的蛋白激酶又可促使eIF2磷酸化而失活，从而抑制病毒蛋白质的合成；另外干扰素还可间接活化特异铁核酸内切酶，降解病毒。新合成的肽链不一定具有生物活性，要经过加工后才能成为具有天然构象的活性蛋白质。研究意义：研制能有效抑制病原微生物或肿瘤细胞而对人体或正常细胞毒性较小的药物。小结：本节重点内容。 第十章 基因结构与基因表达调控第一节 基因与人类基因组计划一、基因（一）原核基因的结构特点操纵子（operon）：原核生物的功能相关的基因组合在一起，形成一个转录单位，受相同因素调控，称操纵子。操纵子的结构：从5端到3端分别是启动子、操纵序列、多个结构基因和终止子。启动子和操纵序列是调控区，分别与RNA聚合酶和调节蛋白结合；结构基因编码相关的蛋白质；终止子介导转录终止。（二）真核基因的结构特点调控区：RNA聚合酶和基本转录因子组成的转录起始复合物及活化因子结合的部位。编码区：外显子和内含子相间排列，真核基因是断裂基因。（三）基因表达方式组成性基因表达：某些蛋白质生命全过程都需要，是管家基因，它们的表达是持续的，不受调控。有一些蛋白质只是在生命过程中某个时期或者为了适应外界环境才需要，编码这些蛋白质的基因的表达是受调控的。二、基因组（genome）一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因称基因组。人类基因组指22条常染色体和X、Y两条性染色体或者它们携带的全部遗传信息。三、人类基因组计划（HGP）1986年提出，1991启动，2001年2月取得重大成果，完成了90以上的人类基因组测序工作，制作了包括全部编码序列在内的工作草图。（一）人类基因组分析的主要内容1、遗传图的制作；2、物理图的制作；3、转录图的制作；4、基因序列测定。（二）人类基因组研究在医学上的价值对认识疾病的分子机制以及诊断和治疗疾病作出重大贡献。转录产物：内部有多个蛋白质编码区的多顺反子mRNA，翻译后得到多种蛋白质。转录产物：单顺反子mRNA，翻译后得到一条多肽链。原核：4200多个基因。人类：3万多个基因。 第二节 原核生物操纵子转录调控模式编码物质代谢酶类的操纵子分为两类：一类是编码分解代谢酶操纵子，当环境中存在酶的底物时，才表达。另一类是编码合成代谢酶的操纵子，当环境中存在酶的合成产物时，这些操纵子是不表达的。一、乳糖操纵子（lac操纵子）转录调控机制（一）乳糖操纵子的结构从5端到3端依次为调控区：CAP位点、启动子（P）和操纵序列（O）。结构基因位于调控区下游，有Z、Y和A三个编码乳糖代谢有关的酶的基因。（二）阻遏蛋白的负性调节环境中不存在乳糖时：操纵子是关闭的。i基因产物I蛋白能特异地和操纵序列O结合，阻碍RNA聚合酶与启动子P结合，抑制转录起始。存在乳糖或人工合成的异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）时：去阻遏作用。乳糖能被原先存在的极少量-半乳糖苷酶转变为别乳糖，别乳糖或IPTG能和I蛋白结合，使之改变构象，不能再和O序列结合，去阻遏作用。（三）CAP-cAMP的正性调节葡萄糖分解时能抑制cAMP合成，它通过降低cAMP浓度而阻遏乳糖操纵子转录，从而抑制乳糖分解。这种作用称为分解代谢阻遏。葡萄糖分解完毕后cAMP含量上升，cAMP能和CAP结合形成复合物，该复合物能乳糖操纵子调控区中的CAP位点结合，通过CAP和RNA聚合酶之间的蛋白质-蛋白质相互作用促进转录起始。二、色氨酸操纵子(trp操纵子)调控机制（一）色氨酸操纵子结构调控区由启动子、操纵序列和前导序列构成，结构基因区中有编码色氨酸合成代谢途径中的酶的基因。（二）阻遏调控环境中不存在色氨酸时：操纵子是开放的，细菌可能自己合成色氨酸。环境中存在色氨酸时：色氨酸与色氨酸阻遏蛋白基因（trpR）的产物色氨酸阻遏蛋白结合，阻断RNA聚合酶与启动子结合，从而阻遏操纵子转录，细菌不再合成色氨酸，但阻遏作用并不完全，仅能阻遏70。负性及正性调节互相协调，保证原核生物首先利用葡萄糖，只有当葡萄糖不存在时才能利用乳糖，是一种合理的、节能的调控机制。（三）转录衰减转录起始位点位于前导序列之中，因此首先转录出161个核苷酸的前导RNA序列。它主要包括