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1、第三章 遗传物质的分子基础,基因必须表现三种基本的功能：(1)遗传功能即基因的复制：遗传物质必须贮存遗传信息，并能将其复制且一代一代精确地传递下去。(2)表型功能即基因的表达：遗传物质必须控制生物体性状的发育和表达。(3)进化功能即基因的变异：遗传物质必须发生变异，以适应外界环境的变化，没有变异就没有进化。,遗传学诞生后，在二十世纪的上半叶，人们建立了基因遗传的染色体理论，认为基因存在于染色体上。但没有对基因的化学本质作出回答。,第一节 DNA作为主要遗传物质的证据,基因存在于染色体上。脱氧核糖核酸(DNA)核酸 核糖核酸(RNA)组蛋白染色体 蛋白质 非组蛋白 少量的拟脂与无机物质,27%,
2、6%,66%,分子遗传学拥有大量直接和间接证据，说明DNA是主要的遗传物质。,一、DNA作为主要遗传物质的间接证据,大部分DNA存在于染色体上。RNA和蛋白质在细胞质内也很多。每个物种不同组织的细胞不论其大小和功能如何，它们的DNA含量是恒定的。精子或卵子中的DNA含量正好是体细胞的一半；而细胞内的RNA和蛋白质量在不同细胞间变化很大。另外，多倍体系列的一些物种，其细胞中DNA的含量随染色体倍数的增加，也呈现倍数性的递增。DNA在代谢上比较稳定。细胞内蛋白质和RNA分子与DNA分子不同，它们在迅速形成的同时，又不断分解。而原子一旦被DNA分子所摄取，则在细胞保持健全生长的情况下，保持稳定，不会
3、离开DNA。基因突变与DNA分子的变异密切相关。用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，其最有效的波长为260nm，这与DNA所吸收的紫外线光谱是一致的。,(一)细菌的转化肺炎双球菌有两种不同的类型：1.光滑型(S型)被一层多糖类的荚膜所保护，具有毒性，在培养基上形成光滑的菌落。2.粗糙型(R型)没有荚膜和毒性，在培养基上形成粗糙的菌落。,二、DNA作为主要遗传物质的直接证据,在R型和S型内还可以按血清免疫反应不同，分成许多抗原型，常用R，R和S、S、S等加以区别。,1928年Criffith将少量无毒的R型肺炎双球菌注入家鼠体内，再将大量有毒但已加热杀死的S型肺炎双球菌注入同一只鼠体内，结果家
4、鼠发病死亡，从死鼠体内分离出S型的肺炎双球菌。(如图）,肺炎双球菌转化实验,结论：在加热杀死的S型肺炎双球菌中有较耐高温的转化物质能够进入R型 R型转变为S型 无毒转变为有毒。,16年后，Avery等用生物化学方法证明这种引起转化的物质是DNA，他们将S型细菌的DNA提取物与R型细菌混合在一起，在离体培养条件下，成功的使少数R型细菌定向转化为S型细菌。(如图）,迄今，已经在几十种细菌和放线菌中成功地获得了遗传性状的定向转化。这些试验都证明起转化作用的物质是DNA。,(二)、噬菌体侵染与繁殖试验(p33),1.背景知识噬菌体侵染与繁殖基本过程：T2噬菌体浸染大肠杆菌后，遗传物质进入细菌细胞利用大
5、肠杆菌的复制系统复制噬菌体遗传物质利用大肠杆菌的遗传信息表达系统合成噬菌体组分最后组装形成完整的T2噬菌体因此只要探明侵染时进入细菌的是噬菌体的哪一部分，就能证明哪种物质是遗传信息载体另外：P是DNA的组成部分，但不存在于蛋白质中S存在于蛋白质中，但DNA中没有,赫尔希 等用同位素32P和35S分别标记T2噬菌体的DNA与蛋白质。因为P是DNA的组分，但不见于蛋白质；而S是蛋白质的组分，但不见于DNA。然后用标记的T2噬菌体(32P或35S)分别感染大肠杆菌，经10分钟后，用搅拌器甩掉附着于细胞外面的噬菌体外壳。(图32),2.Hershey和Chase的实验(p33),第一种情况下，基本上全
6、部放射活性见于细菌内而不被甩掉并可传递给子代。第二种情况下，放射性活性大部分见于被甩掉的外壳中，细菌内只有较低的放射性活性，且不能传递给子代这样看来，主要是由于DNA进入细胞内才产生完整的噬菌体。所以说DNA是具有连续性的遗传物质。,2.Hershey和Chase的实验(p33),结果与结论,试验结果表明：主要是由于DNA进入细胞内才产生完整的噬菌体结论：DNA才是(噬菌体的)遗传物质题外话：与Avery等人研究比较，本试验的精度低得多。但是由于放射性标记法(也称为示踪原子法)，当时为人们普遍采用同时由于核酸研究及其它相关的成果，本试验结果很快得到人们的广泛认同,(三)、烟草花叶病毒拆合试验(
7、pp33-34),烟草花叶病毒(TMV)是由RNA与蛋白质构成的管状微粒：中心是单链螺旋RNA、外部是蛋白质外壳1.拆分感染试验：将TMV的RNA与蛋白质分离、提纯分别接种烟叶，发现RNA能使烟叶致病，而蛋白质不能用RNA酶处理RNA后接种烟叶也不能致病，表明RNA可能就是TMV的遗传物质,佛兰科尔康拉特与辛格尔(Frankel-Conrat,H.和 Singer,B.)把TMV的RNA与另一个病毒品系(HR,Holmes ribgrass)的蛋白质，重新合成混合的烟草花叶病毒，用它感染烟草叶片时，所产生的新病毒颗粒与提供RNA的品系完全一样，亦即亲本的RNA决定了后代的病毒类型(图33)。以
8、上实例均直接证明DNA是生物主要的遗传物质，而在缺少DNA的生物中，RNA则为遗传物质。,2.重组合试验,第二节 核酸的化学结构,核酸(nucleic acid)是一种高分子的化合物，它的构成单元是核苷酸(nucleotide)。两个核苷酸之间由3和5位的磷酸二脂键相连。核酸有两种：脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。两种核酸的主要区别如下：,分布：,高等植物：DNA存在于染色体上，叶绿体、线粒体 RNA在核(核仁、染色体)、细胞质中。细菌：DNA和RNA。噬菌体：多数只有DNA，植物病毒：多数只有RNA，动物病毒：有些含RNA、有些含DNA。,DNA通常是双链，一般较长。RNA主要为
9、单链，分子链较短。,二、DNA的分子结构(一)DNA的双螺旋结构 DNA分子是脱氧核苷酸的多聚体，含有4种脱氧核苷酸：脱氧腺嘌呤核苷酸(dATP)、脱氧胸腺嘧啶核苷酸(dTTP)、脱氧鸟嘌呤核苷酸(dGTP)、脱氧胞嘧啶核苷酸(dCTP)。,1953年，瓦特森(Watson,J.D.)和克里克(Crick,F.)根据碱基互补配对的规律以及对DNA分子的X射线衍射研究的成果，提出了著名的DNA双螺旋结构模型。,这个模型最主要特点有：(1)由两条互补的多核苷酸链以右手螺旋的形式，彼此以一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，很象一个扭曲起来的梯子。,(2)两条多核苷酸链走向为反向平行(antipar
10、allel)。即一条链磷酸二脂键为53方向，而另一条为35方向，二者刚好相反。(3)每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过氢键(hydrogen bond)与它互补的碱基相联系，相互层叠宛如一级一级的梯子横档。互补碱基对A与T之间形成两对氢键，而C与G之间形成三对氢键(图38)。上下碱基对之间的距离为3.4nm。,(4)每个螺旋为3.4nm长，刚好含有10个碱基对，其直径约为2nm。(5)在双螺旋分子的表面大沟(major groove)和小沟(minor groove)交替出现。(6)碱基顺序：（1）DNA的分子结构是由A-T和C-G两种核苷酸对从头到尾连接
11、起来的，每个DNA分子一般有上万个这两种核苷酸对，但是它们在分子链内排列的位置和方向只有以下四种形式:（2）对一特定物种的DNA分子来说，其碱基顺序是一定的，并且通常保持不变，这样才能保持该物种遗传特性的稳定。（3）在特殊的条件下，改变其碱基顺序或位置或以碱基类似物代替某一碱基时，才出现遗传的变异(突变)。,近来发现DNA的构型并不是固定不变的，除主要以瓦特森和克里克提出的右手双螺旋构型存在外，还有许多变型。B-DNA：生理状态，每螺圈10.4个碱基对，右手螺旋；(瓦特森和克里克提出的双螺旋构型)A-DNA：高盐浓度下，每螺圈11个碱基对，右手螺旋；Z-DNA：序列富含GC，嘌呤和嘧啶交替出现
12、，每螺圈12个碱基对，左手螺旋。,(二)DNA构型之变异,三、RNA的分子结构,与DNA的区别：U代替T；核糖代替脱氧核糖；一般以单链存在。但可以折叠起来形成若干双链区域。在这些区域内，凡互补的碱基对间可以形成氢键(图310)。但有一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。,第三节 染色体的分子结构,一、原核生物染色体与真核生物相比，原核生物的染色体要简单得多，其染色体通常只有一个核酸分子(DNA或RNA)，其遗传信息的含量也比真核生物少得多。病毒染色体只含一个DNA或者RNA分子，可以是单链也可以是双链；大多呈环状，少数呈线性分子。细菌染色体均为环状双链DNA分子。虽然病毒和细菌的染色
13、体比真核生物小得多，但其伸展长度比其本身仍要大得多。近年来研究发现，原核生物的染色体并不是象过去人们认为的那样是“露裸”的DNA分子，其DNA分子同样与蛋白质和RNA等其它分子结合。,二、真核生物染色体,(一)染色质的基本结构 染色质(chromatin)是染色体在细胞分裂的间期所表现的形态，呈纤细的丝状结构，故亦称为染色质线(chromatin fiber)。DNA 组蛋白：H1、H2A、H2B、H3和H4染色质 蛋白质 非组蛋白 少量核糖核酸(RNA),染色质的基本结构单位是核小体(nucleosome)、连接丝(linker)和一个分子的组蛋白H1。每个核小体的核心是由H2A、H2B、H
14、3和H4四种组蛋白各以两个分子组成的八聚体，其形状近似于扁球状(图313)。DNA双螺旋就盘绕在这八个组蛋白分子的表面。连接丝把两个核小体串联起来，它是两个核小体之间的DNA双链。组蛋白H1结合于连接丝与核小体的接合部位，影响连接丝与核小体结合的长度。,常染色质和异染色质(p41),染色反应是染料分子与染色质线中DNA分子结合，使染色质线在光学显微镜下呈一定的颜色如果DNA链存在状态不同，与染料间反应也将有所不同DNA链的密度不同，一定区域内结合染料分子的量不同，染色深浅也将有所不同,通常根据间期染色反应，将染色质分为异染色质和常染色质异染色质(heterochromatin)在细胞间期染色质
15、线中，染色很深的区段。常染色质(euchromatin)染色质线中染色很浅的区段。,常染色质和异染色质,结构异同两者结构上连续，化学结构与性质上没有差异只是核酸螺旋化程度(密度)不同：异染色质复制晚于常染色质，间期仍然高度螺旋化、紧密卷缩(异固缩,heteropycnosis)常染色质间期处于松散状态，染色质密度较低,功能异同遗传信息表达(转录)主要在间期进行，并需要染色质(局部)处于解螺旋状态。异染色质在遗传功能上呈惰性，一般不编码蛋白质，主要起维持染色体结构完整性的作用常染色质间期活跃表达，带有重要的遗传信息,组成性异染色质与兼性异染色质,组成性(constitutive)构成染色体的特殊
16、区域，如着丝点等在所有组织、细胞中均表现异固缩现象只与染色体结构有关，一般无功能表达*主要是卫星DNA,兼性(facultative)可存在于染色体的任何部位在一些组织中不表现异固缩(象常染色质一样正常表达)，而在其它组织中表现异固缩(完全不表达)携带组织特异性表达遗传信息X染色体是一个特例，教材上的例子并不恰当,每条染色单体包括一条染色线(chromonema)，以及位于线上许多染色很深、颗粒状的染色粒(chromomere)。现已证实每个染色体所含的染色质线是单线的，即一个染色体所包含的两条染色单体都分别是单线的，换言之，每条染色单体是一个DNA分子与蛋白质结合形成的染色质线。,(二)染色
17、体的结构模型在细胞有丝分裂的中期，利用光学显微镜可以观察到：染色体的结构是由两条染色单体(chromatid)组成的。,细胞分裂过程中染色质线至少存在三个层次的卷缩(图3-14)：第一个层次是DNA分子超螺旋化形成核小体，产生直径约为10nm的间期染色质线，在此过程中组蛋白H2A、H2B、H3和H4参与作用。第二个层次是核小体的长链进一步螺旋化形成直径约为30nm的超微螺旋，称为螺线管(solenoid)，此过程中组蛋白H1参与作用。最后是染色体螺旋管进一步卷缩,并附着于由非组蛋白形成的骨架)或者称中心(图315)上面成为一定形态的染色体。,在细胞分裂过程中，染色质是如何螺旋化形成染色体的呢？
18、,Bak等人提出了染色质螺旋化的四级结构模型（核小体、螺线体、超螺线体、染色体）解释了这个问题。,四级螺旋结构,DNA 双螺旋化 为前一级长度的 H2A1、H2B、H3、H4 1/7 一级 核小体 螺旋化+H1 1/6 二级 螺线体 超螺旋化和卷缩 1/40 三级 超螺旋体 折叠螺旋化 1/5 四级 染色体计1/8400四级螺旋化后DNA双链长度可压缩800010000倍。,(三)着丝粒和端体,染色体另外二个重要的结构就是着丝粒(centromoere)和端体(telomere)。,1.着丝粒是染色体的缩缢部位，是细胞分裂过程中纺锤丝(spindle fiber)结合的区域。,着丝粒在细胞分裂
19、过程中，对染色体向子细胞的正确分配起着关键的作用。缺少着丝粒的染色体片段，由于没有纺锤丝的牵引，在细胞分裂过程中经常容易丢失。,2.端体(telomere)也就是染色体的末端，存在着特珠的结构。,主要有三方面的功能：,1、防止染色体末端为DNA酶酶切；,2、防止染色体末端与其它DNA分子的结合；,3、使染色体末端在DNA复制过程中保持完整。,第四节 DNA的复制,一、DNA复制的一般特点,(一)半保留复制,瓦特森(Watson)等提出的DNA半保留复制方式。其方法为：一端沿氢键逐渐断开；以单链为模板，碱基互补；氢键结合，聚合酶等连接；形成新的互补链；形成了两个新DNA分子。DNA的这种复制方式
20、对保持生物遗传的稳定是非常重要的(图3-16).,DNA自身的复制方式-半保留复制,(二)复制起点和复制方向,多数细菌及病毒，只有一个复制起点，控制整个染色体的复制。所以整个染色体也就是一个复制子。,复制子(replicon)。是指在同一个复制起点控制下合成的一段DNA序列。,在真核生物中，每条染色体的DNA复制则是多起点的，多个复制起点共同控制一条染色体的复制，即每条染色体有多个复制子(图317)。,真核生物的研究发现，其复制也是双向的。但近来发现，并不是所有的生物DNA的复制都是双向的，如：噬菌体T2，其DNA的复制就是沿一个方向进行的。5/3/,大肠杆菌和其它许多原核生物的环状DNA复制
21、是双向的。即DNA的复制从复制起点开始，向二个方向同时进行，最后相遇，完成复制。,复制方向？从起点开始是沿着一个方向进行的呢？还是双向的？,二、原核生物DNA合成,(一)有关DNA合成的酶,1957年科恩伯格(Kornberg,A.)及其同事，从大肠杆菌中分离DNA聚合酶(polymerase)。,聚合酶在有DNA、4种脱氧核苷酸及Mg2+的情况下，在离体条件下可以合成DNA。,后来发现，DNA聚合酶只有在引物DNA提供3端自由羟基的情况下，才使DNA链从5向3方向延伸。,实际上在此实验体系中的DNA起着模板和引物的双重作用。,DNA聚合酶由一条多肽链组成，含有928个氨基酸，分子量约为109
22、,000道尔顿，编码此酶的基因为pol A。,后来，从pol A基因突变株中又分离出二种DNA聚合酶，分别命名为DNA聚合酶和DNA聚合酶。,三种DNA聚合酶有一些共同的特性，从而决定DNA合成的特点：,1、三种酶都只有53聚合酶的功能，而没有35聚合酶功能，说明DNA链的延伸只能从5向3端进行。,2、它们都没有直接起始合成DNA的能力，只能在引物存在下进行链的延伸，因此，DNA的合成必须有引物引导才能进行。,3、三种酶还都有核酸外切酶的功能，可对合成过程中发生的错识进行校正，从而保证DNA复制的高度准确性。,(二)DNA复制的过程,DNA的合成是半保留复制（分别以两条链互为模板，而合成两条互
23、补新链），复制是双向的，DNA的合成必须有引物的引导，并且复制时链的延伸总是从5向3方向进行。,DNA的合成过程：,1、DNA双螺旋的解链,ATP提供能量，DNA双链由解旋酶解开后，单链DNA结合蛋白（SSB）马上结合在分开的单链上，从而保持其伸展状态。,在大肠杆菌中，DNA的合成速度每分钟约为30,000bp，即双螺旋每分钟必须旋转3000次才能完全解旋。,如果没有SSB的作用，分开的双链互补碱基对间又可重新配对。或者，在同一条链的互补碱基对间配对而形成发夹状结构，这种结构会阻止DNA聚合酶的作用。,随着解链的进行，在DNA复制叉前面就会形成一种张力，而导致超螺旋的产生。,DNA拓扑异构酶将
24、DNA双链切开一个口子，使一条链旋转一圈，然后再将其共价相连，从而消除其张力。,现在发现主要有二类DNA拓扑异构酶：,DNA拓扑异构酶I，只对双链DNA中的一条链进行切割，产生切口(nick)，每次切割只能去除一个超螺旋，此过程不需要外加能量。,DNA拓扑异构酶II，可以对双链DNA的二条链同时进行切割。每次切割可以去除二个超螺旋，此过程需要ATP提供能量。,2、DNA合成的开始,三种DNA聚合酶均需要DNA模板和3端的自由OH，才能进行DNA的合成，使DNA延伸。,人们很早就发现RNA聚合酶(RNA ploymerase)利用DNA模板，不需要特殊的引物可以直接合成RNA。,DNA合成前，以
25、DNA为模板，根据碱基配对的原则，在一种特殊的RNA聚合酶DNA引物酶(DNA primase)的催化下，先合成一段长度为560个核苷酸的RNA引物，提供3端自由OH。,然后，在DNA聚合酶III的作用下进行DNA的合成。,3、一条DNA链连续合成，一条链不连续,从电子显微镜和放射自显影的结果可知，DNA两条新链的合成是从一个复制叉(replicating fork)向着同一个方向延伸的。,而组成DNA双螺旋的互补双链具有相反的方向，一条从53，而另地条35，为反向平行。,二条DNA新链，只有一条DNA链的合成是连续的，而另一条则是不连续的。,所以从整个DNA分子水平来看，DNA二条新链的合成
26、方向是相反的，但是都是从5向3方向延伸。,把一直从5向3方向延伸的链称作前导链(leading strand)，它是连续合成的。,另一条先沿53方向合成一些片段，然后再由连接酶将其连起来的链，称为后随链(lagging strand)，其合成是不连续的(图319)。,在前导链上，DNA引物酶只在起始点合成一次引物RNA，DNA聚合酶III就可开始进行DNA的合成。,每个“冈崎片段”的合成都需要先合成一段引物RNA，然后DNA聚合酶III才能进行DNA的合成。,随后，引物RNA被切除，并为新合成的DNA片段所替代。,在大肠杆菌中，引物RNA被切除过程是在DNA聚合酶的催化下完成的。,后随链上合成
27、的DNA不连续单链小片段称为冈崎片段,后随链DNA的合成：,因为DNA聚合酶I有53端核酸外切酶的功能，它可以将RNA引物切除，,同时利用其53聚合酶功能，以临近“冈崎片段”的3端自由OH进行DNA的合成，从而将RNA引物替换为DNA链。,最后由DNA连接酶(DNA ligase)将“冈崎片段”连接起来，形成一条完整的新链(图320)。,（三）RNA病毒中RNA的自我复制,大多数RNA病毒是单链的。这种RNA的复制一般是先以自己为模板合成一条互补的单链，通常称病毒原有的、起模板作用的链称为“”链，而新复制的RNA链称为“”链，这样就形成了双螺旋的复制类型(replicative form)。,
28、然后这个“”链又从“”链模板释放出来，它也以自己为模板复制出一条与自己互补的“”链，于是形成了一条新生的病毒RNA。,三、真核生物DNA合成,现在已有很多证据表明，真核生物DNA的复制基本上与原核生物相同，但比原核生物更为复杂。,真核生物DNA的复制与原核生物主要不同点：,1、DNA合成只是发生在细胞周期的某个时期：,真核细胞DNA的合成只是在细胞周期的S期进行。而原核生物则在整个细胞生长过程中都可进行DNA合成。,2、原核生物DNA的复制是单起点的，而真核生物染色体的复制则为多起点的。,3、真核生物DNA合成所需的RNA引物及后随链上合成的“冈崎片段”的长度比原核生物要短,4、有二种不同的D
29、NA聚合酶分别控制前导链和后随链的合成(图321)。,在原核生物中有DNA聚合酶I、II和III等三种聚合酶，并由聚合酶III同时控制二条链的合成。,而在真核生物中共有、和等五种DNA聚合酶。,聚合酶和是DNA合成的主要酶，由聚合酶控制不连续的后随链的合成，而聚合酶则控制前导链的合成，所以其二条链的合成是在二种不同的DNA聚合酶的控制下完成。,主要不同点：,5、染色体端体的复制,原核生物的染色体大多数为环状，而真核生染色体为线状。,端体：染色体其末端有特殊DNA序列组成的结构称为端体,根据DNA合成的过程，新链5末端DNA是无法自动合成的，因为当末端的RNA引物被切除后，就没有3端的自由羟基为
30、DNA的合成作引物。,在DNA的末端存在特殊的结构，并在含有RNA的端体酶(telomerase)的催化下完成末端的合成。,主要不同点：,真核生物与原核生物DNA合成的区别,第五节 RNA的转录及加工,遗传物质不管其化学性质如何，其必须具有遗传、表达和变异等三种基本功能。,下面我们介绍其第二个重要的功能基因表达。,基因的表达：第一步DNA转录(transcription)为RNA，然后由RNA再翻译(translation)成蛋白质。,转录：就是以DNA双链之一的遗传密码为模板，把遗传密码以互补的方式转录到mRNA上。,翻译：就是mRNA携带着转录的遗传密码，附着在核糖体上，把tRNA运来的各
31、种氨基酸，按照mRNA的密码顺序，相互连接起来成为多肽链，并进一步折叠起来成为立体蛋白质分子。,先介绍RNA的转录,一、三种RNA分子,信使RNA(messenger RNA，mRNA)转移RNA(transfer RNA，tRNA)核糖体RNA(ribosomal RNA，rRNA)三种不同的RNA分子在基因的表达过程中起重要的作用。,(一)mRNA,mRNA的功能就是把DNA上的遗传信息精确无误地转录下来，然后，由mRNA的碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序，它是基因表达过程中遗传信息传递的中介。,它起着传递信息的作用，因而称为信使RNA(mRNA)。,在真核生物中，转录形成的RNA中，含有大
32、量非编码序列，大约只有25RNA经加工成为mRNA，最后翻译为蛋白质。,未经加工的前体mRNA(pre-mRNA)在分子大小上差别很大，所以通常称为不均一核RNA(heterogeneous nuclear RNA，hnRNA)。,生物的遗传信息主要贮存于DNA的碱基序列中，但DNA并不直接决定蛋白质的合成。而且在真核细胞中，DNA主要存在于细胞核的染色体上，而蛋白质的合成中心却位于细胞质的核糖体上。因此，它需要一种中介物质，才能把DNA上控制蛋白质合成的遗传信息传递给核糖体。,(二)tRNA,如果说mRNA是合成蛋白质的蓝图，则核糖体是合成蛋白质的工厂。,由于合成蛋白质的原材料20种氨基酸与
33、mRNA的碱基之间缺乏特殊的亲和力。,因此，必须用一种特殊的RNA转移RNA(tRNA)把氨基酸搬运到核糖体上，tRNA能根据mRNA的遗传密码依次准确地将它携带的氨基酸连结成多肽链。,每种氨基酸可与14种tRNA相结合，现在已知的tRNA的种类在40种以上。,tRNA是最小的RNA。其分子量约为27000(2500030000)，由70到90个核苷酸组成。,1969年以来，研究了来自各种不同生物，如：酵母、大肠杆菌、小麦、鼠等的十几种tRNA的结构，证明它们的碱基序列都能折叠成三叶草叶型(图322)。,tRNA的结构的共性(图323)：,(1)5端之末具有G(大部分)或C。,(2)3端之末都
34、以ACC的顺序终结。,(3)有一个富有鸟嘌呤的环。,(4)有一个反密码子环，其的顶端有三个暴露的碱基，称为反密码子。这一个反密码子可以与mRNA链上同自己互补的密码子配对。,(5)有一个胸腺嘧啶环。,(三)rRNA,核糖体RNA，它是组成核糖体的主要成分，而核糖体则是合成蛋白质的中心。,原核生物的核糖体所含的rRNA，有5S、16S及23S等三种。,S为沉降系数(sedimentation coefficient)，当用超速离心测定一个粒子的沉淀速度时，此速度与粒子的大小直接成比例。,真核生物的核糖体，含有4种rRNA和约80种蛋白质。四种rRNA为5S、5.8S、18S和28S。,rRNA是
35、单链，它包含不等量的A与U、G与C，但是有广泛的双链区域。在双链区，碱基因氢鍵相连，表现为发夹式螺旋。,rRNA在蛋白质合成中的功能尚未完全明了。但16S的rRNA3端有一段核苷酸序列与mRNA的前导序列是互补的，这可能有助于mRNA与核糖体的结合。,除了上述三种主要的RNA外，还有小核RNA(small nuclear RNA，snRNA)是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体(spliceosome)的主要成份。,另外，还有端体酶RNA(telomerase RNA)，它与染色体末端的复制有关；以及反义RNA(antisense RNA)，它参与基因表达的调控。,上述各种RNA分子均为转录
36、的产物，mRNA最后翻译为蛋白质，而rRNA、tRNA及snRNA等并不翻译，其终产物即为RNA。,二、RNA合成的一般特点,RNA的合成与DNA合成有以下三方面明显不同：,(1)所用的原料为核苷三磷酸，而在DNA合成时则为脱氧核苷三磷酸；,(2)只有一条DNA链被用作模板，而DNA合成时，两条链分别用作模板；,(3)RNA链的合成不需要引物，可以直接起始合成，而DNA合成一定要引物的引导。,转录合成的RNA链，除了U替换为T以外，与用作模板的DNA链互补，而与另一条非模板链相同。,如果转录的RNA是mRNA，其信息最后通过密码子决定蛋白质的合成。,现在通常将用作模板，进行RNA转录的链称作模
37、板链(template strand)；而另一条则为非模板链(nontemplate strand)。,RNA链的合成与DNA链的合成同样，也是从5向3端进行的，此过程由RNA聚合酶(RNA polymerase)催化。,RNA聚合酶首先在启动子部位(promoter)与DNA结合，形成转录泡(transcription bubble)，并开始转录。,在原核生物中只有一种RNA聚合酶完成所有RNA的转录，而在真核生物中，有三种不同的RNA聚合酶控制不同类型RNA的合成。,RNA的合成也同样遵循碱基配对的规则，只是U代替了T。,三、原核生物RNA的合成,通常把转录后形成一个RNA分子的一段DNA
38、序列称为一个转录单位(transcript unit)。,一个转录单位可能刚好是一个基因，也可能含有多个基因。,RNA的转录可以分为三步(图324)：,(1)RNA链的起始；,(2)RNA链的延长；,(3)RNA链的终止及新链的释放。,在讨论有关RNA转录时通常要用到上游(upstream)和下游(downstream)二个概念。因为RNA的转录总是从5向3端进行，所以上游总是指RNA分子的5端，而下游则指3端。,(一)RNA聚合酶,催化转录的RNA聚合酶是一种由多个蛋白亚基组成的复合酶。,如大肠杆菌的RNA聚合酶有五个亚基组成，其分子量为480,000道尔顿，含有、和等四种不同的多肽，其中为
39、2个分子。,亚基与RNA聚合酶的四聚体核心(2)的形成有关;,亚基含有核苷三磷酸的结合位点；,亚基含有与DNA模板的结合位点；,因子的作用就是识别转录的起始位置，并使RNA聚合酶结合在启动子部位。,(二)链的起始,RNA链转录的起始首先是RNA聚合酶在因子的作用下结合于DNA的启动子部位;,并在RNA聚合酶的作用下，使DNA双链解开，形成转录泡，为RNA合成提供单链模板，并按照碱基配对的原则，结合核苷酸;,然后，在核苷酸之间形成磷酸二脂键，使其相连，形成RNA新链。,因子在RNA链伸长到89个核酸后，就被释放，然后由核心酶催化RNA的延伸。,启动子位于RNA转录起始点的上游，因子对启动子的识别
40、是转录起始的第一步。,启动子是基因（gene）的一个组成部分，控制基因表达（转录）的起始时间和表达的程度。启动子（Promoters）就像“开关”，决定基因的活动。,(三)链的延伸,RNA链的延伸是在因子释放以后，在RNA聚合酶四聚体核心酶的催化下进行。,因RNA聚合酶同时具有解开DNA双链，并使其重新闭合的功能。,随着RNA的延伸，RNA聚合酶使DNA双链不断解开和重新闭合。,RNA转录泡也不断前移，合成新的RNA链(图326)。,(四)链的终止,当RNA链延伸遇到终止信号(termination signal)时，RNA转录复合体就发生解体，而使新合成的RNA链释放出来。,现在发现在大肠杆
41、菌中有二类终止信号：,一类只有在存在蛋白质的情况下，转录才会终止，称为依赖于的终止(dependent terminator)。,第二类使转录终止不需要的参与，所以称为不依赖于的终止(-independent terminator)。,实际上在原核生物中，RNA的转录、蛋白质的合成以及mRNA的降解通常可以是同时进行的。,因为在原核生物中不存在核膜分隔的核，另外，RNA的转录和多肽链的合成都是从5向3方向进行，只要mRNA的5端合成后，即可以进行蛋白质的翻译过程。,在原核生物中mRNA的寿命一般只有几分种。因此，往往在3端mRNA的转录还没有最后结束，5端mRNA在完成多肽链的合成后，已经开始
42、降解。,四、真核生物RNA的转录及加工,(一)真核生物RNA转录的特点真核生物与原核生物RNA的转录过程主要有以下几点不同(图327)：,1、真核生物RNA的转录是在细胞核内进行而蛋白质的合成则是在细胞质内，所以，RNA转录后首先必须从核内运输到细胞质内，才能进行蛋白质的合成。,2、真核生物mRNA分子一般只编码一个基因原核生物的一个mRNA分子通常含有多个基因，而少数较低等真核生物外，在真核生物中，一个mRNA分子一般只编码一个基因。,3、真核生物RNA聚合酶较多在原核生物中只有一种RNA聚合酶催化所有RNA的合成，而在真核生物中则有RNA聚合酶I、II、III等三种不同酶，分别催化不同种类
43、型RNA的合成。,4、真核生物RNA聚合酶不能独立转录RNA在真核生物中，三种RNA聚合酶都必须在蛋白质转录因子的协助下才能进行RNA的转录。,（一）原核生物与真核生物RNA 转录的区别1.真核生物RNA 的转录是在细胞核内，翻译在细胞质中进行；原核生物则在核区同时进行转录翻译；2.真核生物一个mRNA 只编码一个基因；原核生物一个mRNA 编码多个基因；3.真核生物有RNA聚合酶、等三种不同的酶；原核生物则只有一种RNA聚合酶；4.真核生物中转录的起始更复杂，RNA的合成需要转录因子 的协助进行转录；原核生物则较为简单；5.真核生物的mRNA 转录后进行加工，然后运送到细胞质中 进行翻译；原
44、核生物无需进行加工，边转录边翻译。,(二)mRNA的加工,1、在mRNA前体的5端加上7甲基鸟嘌呤核苷的帽子(cap)。,2、在mRNA前体的3端加上聚腺苷酸(poly(A)的尾巴。,3、如果基因中存在不编码的内含子序列，要进行剪接，将其切除。,第六节 遗传密码与蛋白质的翻译,一、遗传密码,遗传密码(genetic code)：是生物蛋白质合成的密码，是遗传信息的单位，由A、U、C、G组成。,遗传密码又是如何翻译呢?,首先是以DNA的一条链为模板合成与它互补的mRNA，根据碱基互补配对的规律，在这条mRNA链上，A变为U，T变为A，C变为G，G变为C。,因此，这条mRNA上的遗传密码与非模板D
45、NA链是一样的，所不同的只是U代替了T。然后再由mRNA上的遗传密码翻译成多肽链中的氨基酸序列。,（一）密码子与氨基酸,DNA 分子碱基只有4 种，而蛋白质氨基酸有20 种；碱基与氨基酸之间不可能一一对应关系。,14 1=4 种：缺16 种氨基酸；24 2=16 种：比现存的20 种氨基酸还缺4 种；34 3=64 种：由三个碱基一起组成的密码子能够形成64 种组合，20 种氨基酸多出44 种。,简并(degeneracy）：一个氨基酸由一个或一个以上的三联体密码所决定的现象。,三联体或密码子：代表一个氨基酸的三个一组的核苷酸。,（二）遗传密码字典,每一个三联体密码所翻译的氨基酸是什么呢?,从
46、1961 年开始，在大量试验的基础上，分别利用64 个已知三联体密码，找到了相对应的氨基酸。,19661967 年，已全部完成了整套遗传密码的字典，如UGG 为色氨基酸。,遗传密码字典,（三）遗传密码的基本特征,1遗传密码为三联体：三个碱基决定一种氨基酸；61 个为有意密码，起始密码为GUG、AUG(甲硫氨酸)；3 个为无意密码，UAA、UAG、UGA 为蛋白质合成终止信号。,2.遗传密码间不能重复利用:,在一个mRNA 上每个碱基只属于一个密码子；均以3 个一组的形成氨基酸密码。,3.遗传密码间无逗号：,AUG GUA CUG UCA.甲硫氨 酸缬氨 酸亮氨酸 丝氨酸,密码子与密码子之间无逗
47、号，按三个三个的顺序一直阅读下去，不漏不重复。如果中间某个碱基增加或缺失后，阅读就会按新的顺序进行下去，最终形成的多肽链就与原先的完全不一样(称为移码突变)。AUG UAC UGU CA甲硫氨酸 酪氨酸 半胱氨酸,.简并现象：色氨酸(UGG)和甲硫氨酸(AUG)例外，仅一个三联体密码；其余氨基酸都有一种以上的密码子。,4简并性：,.61 个为有意密码，起始密码为GUG、AUG(甲硫氨酸)。3 个为无意密码，UAA、UAG、UGA 为蛋白质合成终止信号。,.简并现象的意义：（生物遗传的稳定性）,同义的密码子越多，生物遗传的稳定性也越大。如：UCU UCC 或UCA 或UCG，均为丝氨酸。,5遗传
48、密码的有序性：,决定同一个氨基酸或性质相近的不同氨基酸的多个密码子中，第1 个和第2 个碱基的重要性大于第3 个碱基，往往只是最后一个碱基发生变化。,例如：脯氨酸（pro）：CCU、CCA、CCC、CCG。,在整个生物界中，从病毒到人类，遗传密码通用。构成4 个基本碱基符号所有氨基酸所有蛋白质生物种类、生物体性状。,1980 年以来发现：具有自我复制能力的线粒体tRNA(转移核糖核酸)在阅读个别密码子时有不同的翻译方式。如：酵母、链孢霉与哺乳动物的线粒体。,6通用性：,二、蛋白质的合成,蛋白质是由20种不同的氨基酸组成的多肽链，每种蛋白质都有其特定的氨基酸序列。,遗传信息贮存于DNA里，由DN
49、A所含的碱基序列决定氨基酸序列的过程即蛋白质的合成过程，也就是基因的表达过程，实际上包括遗传信息的转录和翻译两个步骤。,蛋白质的合成，也就是遗传信息的翻译过程。,翻译就是mRNA携带着转录的遗传密码附着在核糖体(ribosome)上，把由tRNA运来的各种氨基酸，按照mRNA的密码顺序，相互联结起来成为多肽链，并进一步折叠成为立体的蛋白质分子的过程。,(一)核糖体,核糖体是合成蛋白质的中心，是rRNA与核糖体蛋白结合起来的小颗粒，直径为1430nm。核糖体包含大小不同的两个亚基，由镁离子Mg+结合起来的三维结构，一般呈不倒翁形(图329)。,原核生物与真核生物核糖体的区别：,(二)在核糖体上合
50、成蛋白质,蛋白质的合成,，分链的起始、延伸和终止三个阶段介绍。,1、多肽链的起始,首先甲酰化甲硫氨酰tRNA与起始因子IF2结合形成第一个复合体。,同时，核糖体小亚基与IF3和mRNA结合形成第二个复合体。,二个复合体在起始因子IF1和一分子GDP的作用下，形成一个完整的30S起始复合体。,fMet-tRNA识别起始密码子AUG，进入核糖体的P位，释放出IF3。最后与50S大亚基结合，形成完整的70S核糖体，同时释放出IF1和IF2，完成肽链的起始,多肽链的延伸,多肽链的终止：,当多肽链的延伸遇到UAA、UAG和UGA等终止密码子进入核糖体的A位时，多肽链的延伸就不再进行。,多聚核糖体提高蛋白
