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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RNA mRNA 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RNA tRNA 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RNA rRNA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 tRNA tRNA 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。它主要包括含有 2个色氨酸密码子的前导肽编码序列和