分子生物学1.ppt

中心法则中心法则基因、基因组及基因组计划基因、基因组及基因组计划基因：是指遗传物质（主要是DNA）分子上最基本的功能单位。编码的终产物可以是蛋白质也可以是RNA。基因组：一般是指某一物种单倍体细胞内的全套染色体DNA。基因组可分为原核生物基因组、真核生物基因组和细胞器基因组。基因组计划：测定一种特定物质的全基因组序列并搞清楚序列的意义。图图1-1 1-1 人类基因组的主要特征人类基因组的主要特征 表表1-1 1-1 人类基因组的主要信息人类基因组的主要信息项目项目性质性质DNA大小（大小（C值）值）3.2109 bp蛋白质基因的数目蛋白质基因的数目20 500个个基因数目最大的染色体基因数目最大的染色体1号染色体号染色体基因数目最少的染色体基因数目最少的染色体Y染色体染色体最大的基因最大的基因2.4106 nt基因的平均大小基因的平均大小27 000 nt一个基因含有的最少的外显子数目一个基因含有的最少的外显子数目1一个基因含有的最多的外显子数目一个基因含有的最多的外显子数目178基因平均含有的外显子数目基因平均含有的外显子数目10.4最大的外显子的大小最大的外显子的大小17 106 nt外显子的平均大小外显子的平均大小145 nt最大的内含子的大小最大的内含子的大小71 000 nt内含子的平均大小内含子的平均大小3 413 nt假基因的数目假基因的数目20 000蛋白质外显子占基因组的百分比蛋白质外显子占基因组的百分比1.5%其他高度保守的序列其他高度保守的序列3.5%高度重复序列的比例高度重复序列的比例50%基因之间的非基因之间的非 编码序列编码序列内含子内含子外显子外显子1.5%基因组是空的基因组是空的.一个基因编码多种多肽或蛋白质的机制可变启动子的使用可变剪接可变加尾编辑再次程序化的遗传解码肽链的分段剪切可变剪接可变剪接:一个基因，几个蛋白质一个基因，几个蛋白质!表表1-3 1-3 各式各样的各式各样的“组组”与与“组学组学”名称名称定义定义相关学科相关学科基因组基因组一种生物含有的所有一种生物含有的所有DNADNA序序列，包括基因和非基因序列列，包括基因和非基因序列基因组学基因组学蛋白质组蛋白质组一种细胞、组织或完整生物一种细胞、组织或完整生物体所拥有的全套蛋白质体所拥有的全套蛋白质蛋白质组学蛋白质组学转录组转录组一个活细胞所能转录出来的一个活细胞所能转录出来的所有所有mRNAmRNA转录组学转录组学代谢组代谢组一种生物样品内所有的小分一种生物样品内所有的小分子代谢物子代谢物代谢组学代谢组学脂质组脂质组一个细胞、一个组织或一个一个细胞、一个组织或一个生物体生物体 内所有的脂类物质内所有的脂类物质脂质组学脂质组学互作组互作组一个细胞内由蛋白质之间、一个细胞内由蛋白质之间、蛋白质与其他分子之间的相蛋白质与其他分子之间的相互作用而形成的网络互作用而形成的网络互作组学互作组学DNA复制的一般特征复制的一般特征以原来的DNA两条链作为模板，四种dNTP为前体，还需要Mg2作为模板的DNA需要解链半保留复制需要引物主要是RNA，少数是蛋白质 复制的方向始终是53 具有固定的起点 多为双向复制，少数为单向复制 半不连续性 具有高度的忠实性和进行性 DNA复制可能的三种方式复制可能的三种方式DNA复制起始区的特征复制起始区的特征由多个短的重复序列组成；能够被多亚基的复制起始区结合蛋白识别；通常富含AT碱基对，这有利于DNA复制起动时的解链，因为AT碱基对含有的氢键数目低于GC碱基对。在复制叉中不连续合成的DNA片段称为冈崎片段，连续合成的DNA子链被称为前导链，不连续合成的DNA子链被称为后随链或滞后链。参与参与DNA复制的主要酶复制的主要酶和蛋白质的结构与功能和蛋白质的结构与功能DNA聚合酶DNA解链酶单链结合蛋白DNA引发酶DNA拓扑异构酶DNA连接酶端聚酶（真核生物特有）不可思议!l53外切核酸酶l 35外切核酸酶l 53DNA聚合酶DNA聚合酶聚合酶I-一条单一肽链至少具有三种不同的酶活性！一条单一肽链至少具有三种不同的酶活性！端聚酶的结构模型端聚酶的结构模型 端聚酶的作用机理端聚酶的作用机理 端粒酶活性与细胞分裂能力的关系端粒酶活性与细胞分裂能力的关系 DNA 损伤、修复和突变损伤、修复和突变哪些因素能影响到哪些因素能影响到DNA的完整性？的完整性？N细胞内源的因素N环境因素-例如化学试剂、污染物和UV线N疾病治疗-例如离子辐射和化疗细胞内源因素细胞内源因素N复制错误N例如四种dNTP之间的不平衡导致错配NDNA本身的不稳定N碱基的自发脱氨基NDNA的脱嘌呤/脱嘧啶导致碱基脱落N活性氧的作用NDNA,蛋白质和脂质的氧化脱嘌呤脱嘌呤/脱嘧啶脱嘧啶*脱嘌呤比脱嘧啶更容易*在DNA分子上产生无碱基位点（AP位点）*大肠杆菌 1 次脱嘌呤/基因组/复制*嗜热水生菌 300次脱嘌呤/基因组/复制*哺乳动物细胞10 000次脱嘌呤/基因组/复制环境（外源）因素环境（外源）因素N化学试剂 (1)天然化合物 黄曲霉素 (2)人造化合物 苯并芘-香烟 顺铂-化疗药物N物理因素 (1)UV (2)离子辐射 -射线 x-射线DNA损伤类型损伤类型N碱基修饰N碱基丢失-无碱基位点N复制错误：错误 N链断裂N蛋白质-DNA交联NDNA-DNA交联DNA稳定，但脆弱稳定，但脆弱*不修复将导致突变不修复将导致突变干扰转录和复制导致突变加速衰老*细胞的修复机制是必需的细胞的修复机制是必需的修复机制是全方位的、高效的1/1000损伤躲过修复DNA 修复修复DNA与其它生物大分子一样，在受到机体内外因素的作用下，其结构会遭受到各种各样的损伤，但是，和其它生物大分子不一样的是，DNA是唯一的一种在发生损伤以后可以被完全修复的分子，而其它生物大分子在受到损伤以后要么被降解，要么被取代。当然，并不是发生在DNA分子上的所有损伤都可以修复。如果DNA受到的损伤不能及时被修复，不仅会使DNA的复制和转录受到影响，还可以导致细胞的癌变和早衰。细胞之所以在DNA受到损伤以后，选择的处理方法是尽量将其修复而不是将其降解，这一是因为作为遗传物质的DNA分子在细胞内只有一个拷贝，如果将其水解的话，细胞也就失去了存在的根基；二是DNA的互补双螺旋结构使得修复一个受损伤的DNA分子变得很容易。正因为如此，一种生物体，即使是那些基因组甚小的生物，也会在修复上投入大量的基因（100个基因），这再次说明了DNA的稳定性压倒一切。DNA修复机制修复机制直接修复切除修复错配修复双链断裂修复易错修复重组修复DNA 转录转录中心法则“一个中心（DNA），两个基本点（RNA和蛋白质”。与DNA复制的共同性质 1)需要模板、解链和解除转录过程中形成的正超螺旋 2)只能按照53的方向进行与DNA复制不同的性质 1)不需要引物 2)NTPs 代替dNTPs;UTP代谢dTTP 3)缺乏校对活性（错误率在1/104 1/105 nts）4)发生在特定的区域（不是所有的DNA序列）5)对于一个特定的基因而言，只有一条链转录 编码链，有意义链，编码链，有意义链，Crick 链链模板链，无意义链，模板链，无意义链，Watson 链链转录转录翻译翻译RNA聚合酶聚合酶*共同的性质 -DNA模板：一条链被转录 -底物：GTP,CTP,UTP,ATP -二价金属离子：Mg2+*与DNA聚合酶之间的主要差别 真核细胞的RNA聚合酶真核细胞的RNA聚合酶出现了功能分工，不同性质的RNA由不同的RNA聚合酶催化转录，其细胞核具有三种RNA聚合酶，即RNA聚合酶I、II、和III，三者也分别被称为RNA聚合酶A、B和C，它们分别催化细胞核内的rRNA（5S rRNA除外）、mRNA和小分子RNA（tRNA和5SrRNA）的转录。除此以外，线粒体和叶绿体也含有RNA聚合酶。RNA聚合酶聚合酶 II 抑制剂抑制剂白毒伞含有有毒的环状十肽鹅膏蕈碱鹅膏蕈碱l这种蘑菇口味这种蘑菇口味不错，但却是致不错，但却是致命的！命的！l 食用食用6 24小小时之后，开始出时之后，开始出现强筋挛和腹泻现强筋挛和腹泻l第第3天出现假恢天出现假恢复复l第第4或第或第5天，天，死亡随时发生，死亡随时发生，除非进行肝移植除非进行肝移植羧基端结构域羧基端结构域CTD所有的真核细胞RNA聚合酶II最大亚基的CTD都含有一段由7个氨基酸残基组成的高度保守的重复序列，其一致序列是富含羟基氨基酸的YSTPSPS，因此能够被磷酸化修饰。在酵母细胞，该序列重复了26次，哺乳动物则重复56次。该重复序列是RNA聚合酶II的活性所必需的。缺失突变实验表明，酵母的CTD至少需要13段重复序列它才能保证酵母细胞能够生存。其它研究还表明，CTD没被磷酸化的RNA聚合酶II参与转录的起始，CTD被磷酸化以后，转录才从起始阶段进入延伸阶段，而且磷酸化的CTD对于转录的后加工（带帽和加尾）也是必需的。转录的详细机制转录的详细机制*三步骤反应 1)起始 2)延伸 3)终止*原核生物的DNA转录*真核生物的DNA转录细菌启动子的性质细菌启动子的性质*启动子通常由转录起始点上游40bp长的序列组成*包括两段一致序列：“-35 区区”一致序列是TTGACA Pribnow盒盒或或“-10 区区”一致序列是TATAAT，它有利于解链，为什么？*“35”区区和“10区区”之间的间隔序序列的性质不重要，但长度重要，一般为171bp。*如果一个基因的启动子序列与一致序列越相近，则该启动子的效率就越高，为强启动子；如果一个基因的启动子序列与一致序列相差越大，则该启动子的效率就越低，为弱启动子。转录的延伸转录的延伸转录后加工转录后加工基因转录的直接产物被称为初级转录物。初级转录物一般是无功能的，它们在细胞内必须经历一些结构和化学的变化即所谓的转录后加工以后才会有功能。转录后加工可能是RNA的功能所必需的，也可能提供基因表达调控的一种手段。RNA所能经历的后加工方式可达10种以上，但后加工反应的本质要么是增减一些核苷酸序列，要么是修饰某些特定的核苷酸。真真核细胞核细胞mRNA前体的后加工前体的后加工*加工形式 1)5-端=加帽 2)3-端=加尾 3)内部=剪接 4)内部=甲基化 5)编码区=编辑*后加工机制变性变性与成熟的与成熟的mRNA杂交；杂交；在电镜下观察在电镜下观察R-R-环技术环技术:真核基因内含子数目与结构分析真核基因内含子数目与结构分析DNA 模板链模板链成熟的成熟的mRNAR环实验的结果及其对结果的解释环实验的结果及其对结果的解释翻译及其翻译后加工翻译及其翻译后加工核糖体的主要功能定位核糖体的主要功能定位4A部位氨酰tRNA结合部位，也称为受体部位；4P部位肽酰tRNA结合部位；4E部位空载tRNA临时结合的部位；4肽酰转移酶）活性部位催化肽键形成的部位；4mRNA结合部位；4多肽链离开通道正在延伸的多肽链离开核糖体的通道；4一些可溶性蛋白质因子（起始因子、延伸因子和终止因子）的结合部位。核糖体的分类与组成核糖体的分类与组成 辅助蛋白因子辅助蛋白因子4蛋白质合成的每一步都需要一些特殊的可溶性的蛋白质因子的参与，包括起始因子（IF）、延伸因子（EF）、释放因子（RF）和核糖体循环因子（RRF），它们分别参与肽链合成的起始、延伸、肽链释放和核糖体循环。其中的某些蛋白质因子为小分子G蛋白，蛋白质生物合成的一般特征蛋白质生物合成的一般特征4mRNA、tRNA和核糖体起相同的作用4翻译的极性：阅读mRNA的方向都是从5-端3-端，多肽链生长的方向总是从N-端C-端。4三联体密码 4正确的氨基酸的参入取决于mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子之间的相互作用，与tRNA所携带的氨基酸无关 4密码子与反密码子的相互识别遵守摆动规则4在核糖体上同源tRNA的识别是诱导契合的过程 遗传密码的主要性质遗传密码的主要性质4 简并与兼职4密码子的选定不是随机的4通用和例外4不重叠4无标点4同一种氨基酸的不同密码子使用的频率不尽相同翻译的详细机制翻译的详细机制44步骤反应：（1）氨基酸的活化 （2）起始 （3）延伸 （4）终止和释放4原核生物的翻译4真核生物的翻译4细胞器的翻译系统真核生物的细胞质翻译系统真核生物的细胞质翻译系统与原核生物翻译系统的差别与原核生物翻译系统的差别4核糖体的沉降系数为80S，比原核系统大；4mRNA模板的结构差别很大，通常是单顺反子，有帽子和尾巴，但没有SD序列；4转录和翻译在时空上分离，分别发生在细胞核和细胞质，两者不存在偶联关系；4起始tRNA不进行甲酰化，也不能进行甲酰化；4只能使用AUG为起始密码子，而且识别起始密码子的机制也完全不同；4起始阶段不仅消耗GTP，还消耗ATP；4起始因子的种类和结构更为复杂；4肽链延伸的速度低于原核生物，大概是每秒钟参入2个氨基酸；4只有2种释放因子；4对抑制剂的敏感性不同。