
第十二章遗传信息的传递与表达.ppt
95页第十二章第十二章 遗传信息的传递与表达遗传信息的传递与表达生生物物的的遗遗传传信信息息是是以以 DNA DNA 的的碱碱基基顺顺序序形形式式储储存存在在细细胞胞之之中中,,而而生生物物遗遗传传信信息息最最终终要要以以蛋蛋白白质质的的形式表现出来形式表现出来生生物物机机体体的的遗遗传传信信息息以以密密码码由由亲亲代代传传递递给给子子代代在在子子代代的的生生长长发发育育过过程程中中,,遗遗传传信信息息自自DNADNA转转录录给给RNARNA,,然然后后翻翻译译成成特特异异的的蛋蛋白白质质,,以以执执行行各各种种生命功能,使子代表现出与亲代相似的遗传性状生命功能,使子代表现出与亲代相似的遗传性状中心法则中心法则 在在遗遗传传信信息息传传递递过过程程中中,,以以原原来来DNADNA分分子子为为模模板板合合成成出出相相同同分分子子的的过过程程称称为为复复制制(Replication)(Replication)生生物物的的遗遗传传信信息息从从 DNADNA传传递递给给mRNAmRNA的的过过程称为转录程称为转录(Transcription)(Transcription)根根据据mRNAmRNA链链上上的的遗遗传传信信息息合合成成出出具具有有特特定定氨氨基基酸酸顺顺序序的的蛋蛋白白质质肽肽链链的的过过程程,,被被称称 为为 翻翻 译译 (Translation)(Translation)和和 表表 达达(Expression)(Expression)。
在在某某些些情情况况下下RNARNA也也可可以以是是遗遗传传信信息息的的基基本本携携带带者者,,例例如如RNARNA病病毒毒能能以以自自身身核核酸酸分分子子为为模板进行复制模板进行复制 致致癌癌RNARNA病病毒毒还还能能通通过过逆逆 转转 录录 (Reverse (Reverse transcription)transcription)的的 方方式式将将遗遗传传信信息息传传递递给给DNADNA 19581958年年CrickCrick将将生生物物遗遗传传信信息息的的这这种种传传递递方方式称为中心法则式称为中心法则 第一节第一节 DNADNA的复制的复制 DNADNA是是遗遗传传信信息息的的载载体体,,在在遗遗传传信信息息传传递递过过程程中中,,决决定定其其结结构构特特异异性性的的遗遗传传信信息息只只能能来来自自DNADNA本本身身,,因因此此必必须须由由原原来来存存在在的的分分子子为为模模板板来来合合成成新新的的分分子子,,即即进进行行自自我我复复制制DNADNA的的双双链链结结构构对对于于维维持持这这类类遗遗传传物物质质的的稳稳定定性性和和复复制制的准确性都是极为重要的。
的准确性都是极为重要的生生物物遗遗传传,,实实际际上上是是通通过过亲亲代代DNADNA传传给给子子代代的的过过程程因因此此DNADNA复复制制是是保保持持生生物物种种群群遗遗传传性性状状稳稳定定性性的的基基本本分分子子机机制制,,是是DNADNA最最重重要要的的生生物物功能之一功能之一一、一、DNADNA复制过程有关的酶复制过程有关的酶 在在DNADNA聚聚合合酶酶催催化化下下,,DNADNA由由 四四种种脱脱氧氧核核糖糖核核苷苷三三磷磷酸酸dATPdATP、、dGTPdGTP、、dCTPdCTP和和dTTPdTTP聚聚合合而而成成在在MgMg2+2+存存在在下下,,DNADNA聚聚合合酶酶催催化化下下脱脱氧氧核核糖糖核核苷苷酸酸被被加加到到DNADNA链链的的末末端端,,同时释放出无机焦磷酸同时释放出无机焦磷酸与与DNADNA聚合反应有关的酶包括多种聚合反应有关的酶包括多种DNADNA聚聚合酶、合酶、DNADNA连接酶、拓扑异构酶及解螺旋连接酶、拓扑异构酶及解螺旋酶等 1 1,,DNADNA聚合酶聚合酶 DNADNA聚合酶催化脱氧核糖核苷三磷酸的游离聚合酶催化脱氧核糖核苷三磷酸的游离3′3′−羟基与脱氧羟基与脱氧核糖核苷三磷酸核糖核苷三磷酸5′5′ −磷酸之间形成磷酸之间形成3′,5′3′,5′−磷酸二酯键磷酸二酯键并脱下焦磷酸。
所需要的能量来自并脱下焦磷酸所需要的能量来自 - -与与 - -磷酸基之间高能键磷酸基之间高能键的裂解DNADNA链由链由5′5′向向3′3′方向延长方向延长DNADNA聚合酶需要互补聚合酶需要互补与与DNADNA模板的小段模板的小段RNARNA作引物 (1)(1)大肠杆菌大肠杆菌DNADNA聚合酶聚合酶 大大肠肠杆杆菌菌中中共共含含有有三三种种不不同同的的DNADNA聚聚合合酶酶,,分分别别称称为为DNADNA聚聚合合酶酶I I、、IIII和和IIIIIIDNADNA聚聚合合酶酶I I、、IIII和和IIIIII均均具具有有5′→3′5′→3′聚聚合合酶酶活活性性和和3′→5′3′→5′核核酸酸外外切切酶酶活活性在正常聚合条件下,在正常聚合条件下,3′→5′3′→5′外切酶活力受到抑制;外切酶活力受到抑制;若一旦出现错配碱基时,聚合反应立即停止,由若一旦出现错配碱基时,聚合反应立即停止,由3′→5′3′→5′外切酶迅速除去错误进入的核苷酸,然后外切酶迅速除去错误进入的核苷酸,然后聚合反应才得以继续进行下去聚合反应才得以继续进行下去3′→5′3′→5′核酸外切核酸外切酶活力被认为起着校对的功能,它能够纠正聚合过酶活力被认为起着校对的功能,它能够纠正聚合过程中碱基的错配。
程中碱基的错配大肠杆菌大肠杆菌DNADNA聚合酶聚合酶I I的活性中心的活性中心 大肠杆菌大肠杆菌DNADNA聚合酶聚合酶I I的的5′→3′5′→3′核酸外切酶活力核酸外切酶活力 DNADNA聚合酶聚合酶I I尚尚具有具有5′→3′5′→3′核酸外切酶活核酸外切酶活力,它只作用力,它只作用于双链于双链DNADNA的碱的碱基配对部分基配对部分从从5′5′末端水解末端水解下核苷酸或寡下核苷酸或寡核苷酸 (2)(2)真核生物的真核生物的DNADNA聚合酶聚合酶 在在真真核核生生物物中中存存在在五五种种DNADNA聚聚合合酶酶,,分分别别以以αα、、ββ、、γγ、、δδ和和εε来来命命名名它它们们的的基基本本特特性性与与大大肠肠杆杆菌菌DNADNA聚聚合合酶酶相相似似均均以以四四种种脱脱氧氧核核糖糖核核苷苷三三磷磷酸酸为为底底物物,,需需MgMg2+2+激激活活,,聚聚合合时时必必须须有有模模板板和和3′-OH3′-OH末末端端的引物链存在,链的延长方向为的引物链存在,链的延长方向为5′→3′5′→3′DNADNA聚聚合合酶酶不不能能以以完完整整的的双双链链DNADNA作作为为模模板板;;将将DNADNA经经脱脱氧氧核核糖糖核核酸酸酶酶处处理理后后形形成成切切口口或或缺缺口口即即能能成成为为有有效效的的模模板板。
但但是是,,真真核核生生物物的的DNADNA聚聚合合酶酶本本身身往往往往不不具具有有核核酸酸外外切切酶酶活活力力,,可可能能由由另另外外的的酶酶在在DNADNA复制中起校正作用复制中起校正作用2 2,,DNADNA连接酶(连接酶(ligaseligase)) DNADNA聚聚合合酶酶只只能能催催化化多多核核苷苷酸酸链链的的延延长长反反应应,,不不能能使使链链之之间间连连接接而而DNADNA连连接接酶酶(DNA (DNA ligaseligase) )能能催催化化双双链链DNADNA切切口口处处的的5′5′ 磷磷酸酸基基和和3′3′ 羟羟基基生生成成磷磷酸酸二二酯酯键键大大肠肠杆杆菌菌和和其其他他细细菌菌的的DNADNA连连接接酶酶以以烟烟酰酰胺胺腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸(NAD)(NAD)作作为为能能量量来来源源;;动动物物细细胞胞和和噬噬菌菌体体的的连连接接酶酶则则以以腺腺苷三磷酸苷三磷酸(ATP)(ATP)作为能量来源作为能量来源反应分三步进行首先反应分三步进行首先由由NADNAD或或ATPATP与酶反应,与酶反应,形成腺苷酰化的酶形成腺苷酰化的酶( (酶酶- -AMPAMP复合物复合物) ),其中,其中AMPAMP的的磷酸基与酶的赖氨酸的磷酸基与酶的赖氨酸的ε-ε-氨基以磷酰胺键相结氨基以磷酰胺键相结合。
然后酶合然后酶将将AMPAMP转移给转移给DNADNA切口处的切口处的5′5′ 磷酸,磷酸,以焦磷酸键的形式活化,以焦磷酸键的形式活化,形成形成AP-P-DNAAP-P-DNA然后通然后通过相邻链的过相邻链的3′3′ OHOH对对活化的磷原子发生亲核活化的磷原子发生亲核攻击,生成攻击,生成3′,5′3′,5′ 磷酸二酯键,同时释放磷酸二酯键,同时释放出出AMPAMP 3 3,,DNADNA引物酶引物酶 DNADNA新新链链合合成成前前需需要要先先合合成成一一段段与与DNADNA模模板板互互补补、、约约 7 7~~1010个个核核苷苷酸酸的的RNARNA引引物物,,合合成成的的方方向向也也是是 5′→3′5′→3′走走向向,,然然后后DNADNA聚聚合合酶酶根根据据碱碱基基配配对对的的原原则则,,从从RNARNA引引物物的的 3′3′ OHOH端端开开始始合合成成新新的的DNADNA链链催催化化RNARNA引引物物合合成成的的酶酶称称为为DNADNA引引物酶物酶 ( (primaseprimase) )真核细胞真核细胞DNADNA引物酶由引物酶由 分子量分子量58 00058 000和和 49 49 000 000 的两个亚单位组成。
的两个亚单位组成DNADNA引物酶和引物酶和DNADNA多聚多聚酶酶αα紧密结合成一个复合体紧密结合成一个复合体 4 4,与,与DNADNA解旋和解链有关的酶解旋和解链有关的酶 在在DNA DNA 复复制制过过程程中中,,由由于于复复制制叉叉的的移移动动速速度度较较快快,,DNADNA的的双双螺螺旋旋不不断断解解开开,,在在复复制制叉叉前前方方的的DNADNA双双链链会会出出现现过过度度的的正正超超螺螺旋旋甚甚至至打打结结现现象象,,阻阻碍碍DNADNA的的继继续续复复制制,,生生物物体体系系需需要要依依靠靠一一系系列列DNADNA解解旋旋解解链链酶酶来来不不断断消消除除产产生生的的正正超超螺螺旋旋,,以以保保证证复复制的正常进行制的正常进行((1 1)拓扑异构酶)拓扑异构酶拓拓扑扑异异构构酶酶I I首首先先在在大大肠肠杆杆菌菌中中发发现现,,只只能能消消除除负负超超螺螺旋旋,,对对正正超超螺螺旋旋无无作作用用真真核核生生物物的的拓拓扑扑异异构构酶酶I I对对正正负负超超螺螺旋旋均均能能作作用用除除消消除除超超螺螺旋旋外,拓扑异构酶还能引起外,拓扑异构酶还能引起DNADNA其他的拓扑转变。
其他的拓扑转变拓拓扑扑异异构构酶酶I I与与DNADNA结结合合时时,,DNADNA的的一一条条链链断断裂裂,,并并且且具具5′5′ 磷磷酸酸基基与与酶酶的的酪酪氨氨酸酸羟羟基基形形成成酯酯键键随随后后使使原原来来断断裂裂的的DNADNA链链重重新新连连接接即即磷磷酸酸二二酯酯键键又又由由蛋蛋白白质质转转到到DNADNA整整个个过过程程并并不不发发生生键键的的不不可逆水解,没有能量的丢失可逆水解,没有能量的丢失 拓拓扑扑异异构构酶酶IIII又又称称 DNADNA旋旋 转转 酶酶( (gyrasegyrase) ),, 它它 可可连连续续引引入入负负超超螺螺旋旋到到同同一一个个双双链链闭闭环环DNADNA分分子子中中去去,,反反应应需需要要由由ATPATP供供给给能能量量在在无无ATPATP存存在在时时,,旋旋转转酶酶可可松松弛弛负负超超螺螺旋旋,,但但不不作作用用于于正正超超螺旋((2 2))DNADNA解螺旋酶解螺旋酶( (helicasehelicase) ) 这这类类酶酶能能通通过过水水解解ATPATP获获得得能能量量来来解解开开双双链链,,每每解解开开一一对对碱碱基基需需要要水水解解2 2分分子子ATPATP成成ADPADP和和磷磷酸酸盐盐。
分分解解ATPATP的的活活力力要要有有单单链链DNADNA的的存存在在如如双双链链DNADNA中中有有单单链链末末端端或或缺缺口口,,解解螺螺旋旋酶酶即即可可结结合合于于单单链链部部分分,,然然后后向向双双链链方方向向移移动动大大肠肠杆杆菌菌解解螺螺旋旋酶酶A A、、B B和和C C 可可以以沿沿着着模模板板链链的的5′→3′5′→3′方方向向随随首首复复制制叉叉的的前前进进而而移移动动,,而而reprep蛋蛋白白((也也属属于于一一种种解解螺螺旋旋酶酶))则则在在另另一一条条模模板板链链上上沿沿3′→5′3′→5′方方向向移移动动这这两两种种解解螺螺旋旋酶酶的的配配合合作作用用推动推动着着DNADNA双链的解开双链的解开 ((3 3)单链结合蛋白)单链结合蛋白 单链结合蛋白单链结合蛋白((SSBSSB))主要作用是主要作用是结合解开的两条单链结合解开的两条单链DNADNA,,刺激刺激DNADNA聚合酶聚合酶活化并与其它复制蛋活化并与其它复制蛋白作用形成复合物白作用形成复合物它的功能在于稳定它的功能在于稳定DNADNA解开的单链,阻解开的单链,阻止复性和保护单链部止复性和保护单链部分不被核酸酶降解。
分不被核酸酶降解 二、二、DNADNA的复制过程的复制过程 DNADNA的的两两条条多多核核苷苷酸酸链链是是互互补补的的一一条条链链上上的的核核苷苷酸酸排排列列顺顺序序决决定定了了另另一一条条链链上上的的核核苷苷酸酸排排列列顺顺序序DNADNA分分子子的的每每一一条条链链都都有有合合成成它的互补链所必需的全部信息它的互补链所必需的全部信息 Watson Watson 和和CrickCrick发现了发现了DNADNA的双螺旋结构不的双螺旋结构不久,就提出了著名久,就提出了著名DNADNA复制机制假说,复制机制假说,19581958年,生物学家们用实验精确地证明了年,生物学家们用实验精确地证明了DNADNA复复制理论的正确性制理论的正确性 1 1,,DNA DNA 的半保留复制的半保留复制DNADNA复制的要点复制的要点 ((1 1)在复制开始阶段,)在复制开始阶段,DNADNA的双螺旋拆分成两条单链的双螺旋拆分成两条单链2 2))以以DNADNA单单链链为为模模板板,,按按照照碱碱基基互互补补配配对对的的原原则则, , 在在DNADNA聚聚合合酶酶催催化化下下,,合合成成与与模模板板DNADNA完完全全互互补补的的新新链链,,并并形形成成一一个新的个新的DNADNA分子。
分子 (3) (3) 通通过过DNADNA复复制制形形成成的的新新DNADNA分分子子, , 与与原原来来的的DNADNA分分子子完完全全相相同同 经经过过一一个个复复制制周周期期后后,,子子代代DNADNA分分子子的的两两条条链链中中,,一一条条来来自自亲亲代代DNADNA分分子子,,另另一一条条是是新新合合成成的的,,所所以以又又称称为为半半保留复制保留复制 在在此此过过程程中中,,每每个个子子代代分分子子的的一一条条链链来来自自亲亲代代DNADNA,,另另一一条条链则是新合成的,这种复制方式称为半保留复制链则是新合成的,这种复制方式称为半保留复制2 2、、DNADNA的半不连续复制的半不连续复制 由由于于DNADNA分分子子是是由由两两条条反反向向平平行行的的多多核核苷苷酸酸链链构构成成的的,,一一条条链链的的走走向向为为5′→3′5′→3′,,另另一一条条链链为为3′→5′3′→5′两两条条链链都都可可以以作作为为模模板板合合成成子子代代 DNADNA但但是是,, DNADNA聚聚合合酶酶只只能能催催化化5′→35′→3方方向向的新生链合成。
的新生链合成以以复复制制叉叉向向前前移移动动的的方方向向为为标标准准,,一一条条模模板板链链是是3′→5′3′→5′走走向向,,在在其其上上DNADNA能能以以5′→3′5′→3′方方向连续合成,称为前导链;向连续合成,称为前导链; 另一条模板链是另一条模板链是5′→3′5′→3′走向,在其走向,在其上上DNADNA也是从也是从5′→3′5′→3′方向合成,方向合成,但是与复制叉移动的但是与复制叉移动的方向正好相反,所以方向正好相反,所以随着复制叉的移动,随着复制叉的移动,形成许多不连续的片形成许多不连续的片段(称为冈崎片段),段(称为冈崎片段),最后连成一条完整的最后连成一条完整的DNADNA链,该链称为滞链,该链称为滞后链这种前导链连后链这种前导链连续复制,滞后链不连续复制,滞后链不连续复制的方式称为续复制的方式称为DNADNA半不连续复制半不连续复制 冈崎片段的合成需要冈崎片段的合成需要RNARNA引物RNARNA引物是在引物是在DNADNA模板链的一定部位合成并互补于模板链的一定部位合成并互补于DNADNA链,合成方链,合成方向也是向也是5′→3′5′→3′,催化该反应的酶称为引物合,催化该反应的酶称为引物合成酶。
成酶引物的长度通常为几个核苷酸至引物的长度通常为几个核苷酸至1010个核苷酸个核苷酸RNARNA引物的消除和缺口的填补是引物的消除和缺口的填补是由由DNADNA聚合酶聚合酶I I来来完成的最后由完成的最后由DNADNA连接酶将冈崎片段连成长链连接酶将冈崎片段连成长链 3 3,,DNADNA复制的基本过程复制的基本过程 DNADNA复复制制的的基基本本过过程程主主要要包包括括复复制制起起始始、、链链延延伸伸和和复复制制终终止止在在整整个个复复制制过过程程中中,,需需要要多多种种特特异异性性酶酶、、蛋蛋白白质质的的参参与与,,并并且且涉涉及及到到蛋蛋白白质质、、DNADNA以以及及RNARNA等生物大分子之间的相互作用等生物大分子之间的相互作用DNADNA复制的起始复制的起始 DNADNA的复制都是在染色体上一个特定的起始部位开的复制都是在染色体上一个特定的起始部位开始的,这个部位通常称为始的,这个部位通常称为OriOri大多数原核生物基大多数原核生物基因组和细菌质粒只有一个因组和细菌质粒只有一个OriOri位点,而真核生物染位点,而真核生物染色体中有多个色体中有多个OriOri位点,由一个复制起始点构成的位点,由一个复制起始点构成的DNADNA复制单位称为复制子复制单位称为复制子。
大肠杆菌在大肠杆菌在OriOri C C处起始复制依赖于处起始复制依赖于DnaDna A A蛋白,蛋白,DnaDna A A蛋白在蛋白在ATPATP存在下,能识别存在下,能识别OriOri C C处处9bp9bp的重的重复序列,形成多聚体后跨越复序列,形成多聚体后跨越2020 40bp40bp,,诱导邻近的诱导邻近的A-TA-T富含区解链富含区解链DnaDna A A蛋白还能协助蛋白还能协助DnaDna B B螺旋酶螺旋酶结合到起始复合物中结合到起始复合物中 DNADNA复制的起始复制的起始 DNADNA聚合酶能催化聚合酶能催化3′-OH3′-OH端与端与dNTPdNTP形成形成3′,5′-3′,5′-磷酸二酯键,磷酸二酯键,使新生链不断延长,但不能催化两个使新生链不断延长,但不能催化两个dNTPdNTP间形成磷酸二酯间形成磷酸二酯键DNADNA在复制时,先在复制区的模板链上合成一段在复制时,先在复制区的模板链上合成一段RNARNA引引物,提供聚合酶物,提供聚合酶3′-OH3′-OH,,然后在然后在DNADNA聚合酶催化下合成新生聚合酶催化下合成新生链,合成引物的过程称为引发链,合成引物的过程称为引发。
引发过程引发过程DNADNA链的延伸链的延伸 原核生物原核生物DNADNA链的延伸:引发一旦完成,链的延伸:引发一旦完成,DNADNA聚合酶就在聚合酶就在RNARNA引引物的物的3′-OH3′-OH端按照模板链的碱基序列,以碱基互补的原则延端按照模板链的碱基序列,以碱基互补的原则延伸伸DNA DNA 链前导链按链前导链按5′→3′5′→3′方向连续合成,滞后链按方向连续合成,滞后链按5′→3′5′→3′方向合成多个方向合成多个RNARNA引物,再延伸合成多个冈崎片段,引物,再延伸合成多个冈崎片段,最后连接起来最后连接起来 复制的终止复制的终止 有有些些环环状状DNADNA分分子子含含有有复复制制终终止止位位点点,,复复制制叉叉到到达达该该位位点点后后停停下下来来复复制制终终止止后后,,两两个个子子代代的的DNADNA分分子子互互相相铰铰链链在在一一起起,,需需要要借借助助拓拓扑扑异异构构酶酶IIII在在其其中中一一条条DNADNA链链上上打打开开一一个个缺缺口口,,使使两两个个子子代代DNADNA分分子子分分离离开开,,然然后后再再将将缺口连接起来缺口连接起来线性线性DNADNA复制过程中,当复制叉到达复制末端时,复制复制过程中,当复制叉到达复制末端时,复制既终止,两个子代既终止,两个子代 DNADNA自行分开。
自行分开 三、三、DNADNA的损伤与修复的损伤与修复 某些物理化学因素,如化学诱变剂、紫外线和某些物理化学因素,如化学诱变剂、紫外线和电离辐射等都可以引起基因突变和细胞凋亡,电离辐射等都可以引起基因突变和细胞凋亡,其化学本质是这些物理化学因素直接作用与其化学本质是这些物理化学因素直接作用与DNADNA,,造成其结构和功能的破坏造成其结构和功能的破坏生物体都具有一系列起修复作用的酶系统,可生物体都具有一系列起修复作用的酶系统,可以除去以除去DNADNA上的损伤,恢复上的损伤,恢复DNADNA的正常双螺旋结的正常双螺旋结构目前已知有多种修复系统:光复活修复、碱基目前已知有多种修复系统:光复活修复、碱基切除修复、核苷酸切除修复和重组修复等切除修复、核苷酸切除修复和重组修复等 1 1,光复活修复,光复活修复 光复活是一种酶促反应过程,它可以完光复活是一种酶促反应过程,它可以完全修复因紫外线照射引起的嘧啶二聚体全修复因紫外线照射引起的嘧啶二聚体的的DNADNA损伤 光修复酶结合到嘧啶二聚体上,吸收蓝光光修复酶结合到嘧啶二聚体上,吸收蓝光光子,通过电子转移,使环断裂,恢复正光子,通过电子转移,使环断裂,恢复正常的碱基配对结构。
常的碱基配对结构 2 2,碱基切除修复,碱基切除修复 主主要要修修复复小小段段的的DNADNA损损伤伤,,例例如如烷烷化化剂剂、、氧氧化化和和电电离离辐辐射射造造成成的的碱碱基基损损伤伤碱碱基基切切除除修修复复过过程程主主要要涉涉及及到到的的酶酶有有DNADNA糖苷酶、糖苷酶、APAP内切核酸酶、内切核酸酶、DNADNA聚合酶和聚合酶和DNADNA连接酶等连接酶等碱基切除修复首先由碱基切除修复首先由DNADNA糖苷酶水解损伤的碱基或碱基残糖苷酶水解损伤的碱基或碱基残留物与脱氧核糖之间的糖苷键,产生无碱基脱氧核糖核酸留物与脱氧核糖之间的糖苷键,产生无碱基脱氧核糖核酸((APAP););再由再由APAP内切核酸酶分别水解无碱基脱氧核糖核酸内切核酸酶分别水解无碱基脱氧核糖核酸两侧的磷酸二酯键;然后由两侧的磷酸二酯键;然后由DNADNA聚合酶进行复制补平切除聚合酶进行复制补平切除后产生的缺口;最后由连接酶连接切口后产生的缺口;最后由连接酶连接切口 3 3,错配修复,错配修复 如果如果DNADNA在复制过程中发在复制过程中发生错误的配对,如生错误的配对,如G G与与T T配对,可以通过配对,可以通过DNADNA聚合聚合酶的酶的3′→5′3′→5′外切酶活外切酶活性校正,使基因编码信性校正,使基因编码信息可以得到恢复,但是息可以得到恢复,但是如果这个错误没有被校如果这个错误没有被校正,复制的正,复制的 DNADNA在这个在这个部位含有一个错配的碱部位含有一个错配的碱基对,引起基因突变。
基对,引起基因突变这个错误可以被细胞的这个错误可以被细胞的错配修复系统校正,该错配修复系统校正,该系统能够对新复制的系统能够对新复制的DNADNA进行扫描,搜索错配的进行扫描,搜索错配的碱基对或单个碱基插入碱基对或单个碱基插入和删除所产生的复制错和删除所产生的复制错误 四、四、RNARNA指导下的指导下的DNADNA合成合成 以以RNARNA为模板,即按照为模板,即按照RNARNA的核苷酸顺序的核苷酸顺序合成合成 DNADNA,,这与通常转录过程中遗传信这与通常转录过程中遗传信息传递从息传递从DNADNA到到RNARNA的方向相反,因此称的方向相反,因此称为逆转录为逆转录催化逆转录反应的酶(催化逆转录反应的酶(RNARNA指导的指导的 DNA DNA 聚合酶)一般称为逆转录酶聚合酶)一般称为逆转录酶 1 1,,RNARNA病毒与逆转录酶病毒与逆转录酶 逆逆转转录录病病毒毒的的基基因因组组由由两两条条相相同同的的正正链链RNARNA组组成成,,RNARNA链链的的长长度度依依病病毒毒的的种种类类不不同同而而定定,,一一般般为为3.53.5~~9.0kb9.0kb((碱碱基基)),,3′3′端端有有poly poly A A,,5′5′端端有有帽帽子子,,类类似似与与真真核核细细胞胞的的 mRNAmRNA结结构构,,中中间间是是编编码码序列。
序列RNARNA病毒颗粒携带有逆转录酶,该酶具有以下功病毒颗粒携带有逆转录酶,该酶具有以下功能:依赖于能:依赖于RNARNA的的DNADNA聚合作用;聚合作用;RNARNA酶酶 H H作用和作用和依赖于依赖于DNADNA的的DNADNA聚合作用聚合作用逆转录酶催化的逆转录酶催化的 DNADNA合成同样以四种脱氧核糖三合成同样以四种脱氧核糖三磷酸核苷为底物,需要磷酸核苷为底物,需要MgMg2+2+,,MnMn2+2+作辅助因子,并作辅助因子,并要求有模板和引物的存在要求有模板和引物的存在 2 2,逆转录酶的作用机制,逆转录酶的作用机制 逆转录病毒感染逆转录病毒感染宿主细胞后,逆宿主细胞后,逆转录酶以基因组转录酶以基因组RNARNA为模板,宿为模板,宿主的主的tRNAtRNA为引物,为引物,按按5′→3′5′→3′方向方向合成出与模板互合成出与模板互补的补的DNADNA链(负链(负链)新生的新生的DNADNA链与模板链与模板3′3′端端R R配对互补,配对互补,5′→3′5′→3′方向继续合成方向继续合成DNADNA负链,直到模板的负链,直到模板的5′5′端 RNARNA酶酶H H以以新新合合成成的的DNADNA链链为为模模板板合合成成DNADNA正正链链,,并降解并降解tRNAtRNA。
此此时时,,发发生生第第二二此此跳跳跃跃,,负负链链3′3′端端引引物物结结合合序序列列与与新新合合成成的的正正链链3′3′引引物物结结合合部部位位配配对对互互补补,,以以负负链链为为模模板板合合成成全全长长的的正正链链再再以以全全长长的的正正链链为为模模板板,,补补充充合合成成3′3′端的序列端的序列病毒携带的整合酶病毒携带的整合酶((integraseintegrase))与双链与双链DNADNA结结合并除去两条合并除去两条DNADNA链链3′-3′-末末端各两个核苷酸,使双链末端各两个核苷酸,使双链末端成为端成为5′-5′-端突出的粘端端突出的粘端病毒病毒DNADNA与整合酶的复合物与整合酶的复合物又与宿主又与宿主DNADNA结合,整合酶结合,整合酶随机切割宿主随机切割宿主DNADNA链,使链,使5′-5′-端产生突出的端产生突出的4 4~~6 6个核个核苷酸的粘端,病毒苷酸的粘端,病毒DNADNA与宿与宿主主DNADNA末端对接,并由宿主末端对接,并由宿主的酶系统将末端修补连接的酶系统将末端修补连接病毒病毒DNADNA就这样随机整合到就这样随机整合到宿主基因组中宿主基因组中 第二节第二节 DNADNA指导下的指导下的RNARNA合成合成 细胞内的各种细胞内的各种RNARNA((包括包括mRNAmRNA、、tRNAtRNA和和rRNArRNA))都是以都是以DNADNA为模板,在为模板,在RNARNA聚合酶聚合酶催化下合成的,最初转录的催化下合成的,最初转录的RNARNA产物通常产物通常需要一系列断裂,拼接,修饰和改造才需要一系列断裂,拼接,修饰和改造才能成为成熟的能成为成熟的 RNARNA分子。
分子 一、核糖核酸的酶促合成一、核糖核酸的酶促合成 DNADNA中储存的遗传信息的表达首先是以中储存的遗传信息的表达首先是以DNADNA为模板转录出互补的为模板转录出互补的 RNARNA分子,转录分子,转录过程与过程与 DNADNA的复制过程有较多相似之处的复制过程有较多相似之处在转录过程中,需要以在转录过程中,需要以DNADNA为模板,以为模板,以4 4种核糖核苷三磷酸种核糖核苷三磷酸ATPATP、、GTPGTP、、CTPCTP和和UTPUTP为底物,在为底物,在RNARNA聚合酶催化下进行聚合酶催化下进行转录出互补的转录出互补的RNA RNA 碱基序列与碱基序列与DNADNA的另一的另一条链基本相同,只是条链基本相同,只是T T被换成被换成U U 在在体体外外,,RNA RNA 聚聚合合酶酶能能使使DNADNA的的两两条条链链同同时时进进行行转转录录,,但但在在体体内内,,DNADNA分分子子的的两两条条链链仅仅有有一一条条链链可可用用于于转转录录;;或或者者某某些些区区域域以以这这条条链链转转录录,,另另一一些些区区域域以以另另一一条条链链转转录录;;对对应应的的链链只只能能进进行行复复制制,,而无转录的功能。
而无转录的功能在在RNARNA聚聚合合反反应应中中,,RNARNA聚聚合合酶酶以以完完整整双双链链DNADNA为为模模板板,,DNADNA碱碱基基顺顺序序的的转转录录是是全全保保留留方方式式,,转转录录后后,,DNA DNA 仍仍然然保保持持双双链链的的结结构构虽虽然然转转录录时时,,双双链链结结构构部部分分的的解解开开,,但但天天然然的的((双双链链))DNADNA作作为为模板比变性的(单链)模板比变性的(单链)DNADNA更有效二、二、RNARNA聚合酶及转录因子聚合酶及转录因子 在原核细胞中只有一种在原核细胞中只有一种RNARNA聚合酶,大肠杆菌的聚合酶,大肠杆菌的RNARNA聚聚合酶全酶的分子量约合酶全酶的分子量约5050万,万,由由5 5个亚基(个亚基( 2 2))组成,没有组成,没有 亚基的酶叫核亚基的酶叫核心酶(心酶( 2 2)核心酶只能使已经开始合成核心酶只能使已经开始合成的的RNARNA链延长,但不具有起链延长,但不具有起始合成始合成RNARNA的能力,因此称的能力,因此称 亚基为起始因子亚基为起始因子 1 1,,RNARNA聚合酶聚合酶目目前前已已知知的的真真核核细细胞胞RNARNA聚聚合合酶酶有有3 3种种,,它它们们在在结结构构上上具具有有极极大大的的相相似似性性,,都都是是由由两两个个大大亚亚基基和和多多个个小小亚亚基基构构成成,,3 3种种酶酶的的大大亚亚基基的的氨氨基酸序列有同源性,某些小亚基为基酸序列有同源性,某些小亚基为3 3种酶共有。
种酶共有 RNARNA聚聚合合酶酶在在结结构构上上虽虽有有相相似似性性,,但但分分工工不不同同,,RNARNA聚聚合合酶酶I I负负责责转转录录出出rRNArRNA前前体体((前前体体中中不不包包括括5S 5S rRNArRNA ));;RNARNA聚聚合合酶酶IIII转转录录编编码码蛋蛋白白质质的的基基因因和和snRNAsnRNA基基因因;;RNARNA聚聚合合酶酶IIIIII合合成成5S 5S rRNArRNA、、tRNAtRNA、、U6RNAU6RNA及及7SRNA7SRNA等2 2,真核转录因子,真核转录因子 真真核核基基因因转转录录过过程程中中,,RNARNA聚聚合合酶酶须须在在一一系系列列转转录录因因子子的的辅辅助助下下才才能能与与启启动动子子结结合合,,形形成成稳稳定定的的起起始复合物根据转录因子的功能,可以分为始复合物根据转录因子的功能,可以分为3 3类:类:((1 1))普普遍遍因因子子与与DNADNA聚聚合合酶酶一一起起在在转转录录起起始始点点周周围形成复合物围形成复合物2 2))上上游游因因子子是是DNADNA结结合合蛋蛋白白,,能能够够特特异异地地识识别别转转录录起起点点上上游游的的顺顺式式作作用用单单元元((特特异异的的DNADNA调调控控序序列)并与之结合。
列)并与之结合3 3))可可诱诱导导的的因因子子也也是是一一种种DNADNA结结合合蛋蛋白白,,其其作作用方式与上游因子相同用方式与上游因子相同 三、原核细胞的转录过程三、原核细胞的转录过程 RNARNA聚合酶需要先与聚合酶需要先与DNA DNA 模板的一定部位结合,模板的一定部位结合,并局部打开并局部打开DNADNA双螺旋,双螺旋,然后开始转录然后开始转录DNADNA上上与酶结合的部位称为启与酶结合的部位称为启动子动子与酶结合的启动与酶结合的启动子核苷酸中常有高子核苷酸中常有高ATAT含含量的区域,双链比较容量的区域,双链比较容易打开 亚基能够增亚基能够增强强RNARNA聚合酶对启动子聚合酶对启动子的识别能力的识别能力 1 1,,RNARNA聚合酶与聚合酶与DNADNA模板的结合模板的结合2 2,转录的开始,转录的开始 当当RNARNA聚聚合合酶酶进进入入合合成成的的起起始始点点后后,,遇遇到到起起始始信信号号而而开开始始转转录录,,即即按按照照模模板板顺顺序序选选择择第第一一个个和和第第二二个个核核苷苷三三磷磷酸酸,,使两个核苷酸之间形成磷酸二酯键,同时释放焦磷酸使两个核苷酸之间形成磷酸二酯键,同时释放焦磷酸。
转转录录开开始始后后,, 亚亚基基对对便便从从全全酶酶中中解解离离出出来来,,与与另另一一个个酶酶结合,开始另一转录过程结合,开始另一转录过程与与DNADNA合成不同,合成不同,RNARNA的的合成不需要引物在新合合成不需要引物在新合成的成的RNARNA链的链的5′-5′-端通常端通常为带有三个磷酸基团的鸟为带有三个磷酸基团的鸟苷或腺苷(苷或腺苷(pppGpppG或或pppApppA),),也就是说合成的第一个底也就是说合成的第一个底物必定是物必定是GTPGTP或或ATPATP3 3,链的延长,链的延长 RNARNA链的延长反应由核链的延长反应由核心酶催化,聚合酶在心酶催化,聚合酶在DNADNA模板上以一定速度模板上以一定速度滑行,同时根据被转滑行,同时根据被转录录DNADNA链的核苷酸顺序链的核苷酸顺序选择相应的核苷三磷选择相应的核苷三磷酸底物,使酸底物,使RNARNA链不断链不断延长RNARNA链的合成方向是链的合成方向是5′→3′5′→3′由于DNADNA链链与合成的与合成的RNARNA链具有反链具有反平行的关系,所以平行的关系,所以RNARNA聚合酶是沿着聚合酶是沿着DNADNA链的链的3′→5′3′→5′方向移动。
方向移动 4 4,链的终止,链的终止 DNADNA分分子子具具有有终终止止转转录录的的核核苷苷酸酸序序列列信信号号在在这这些些信信号号中中,,有有些些能能被被RNARNA聚聚合合酶酶本本身身所所识识别别,,转转录录进进行行到到此此即即行行终终止止,,mRNAmRNA与与RNARNA聚聚合合酶酶便便会从会从DNADNA模板上脱落下来模板上脱落下来另外还有一些信号可以被一种参与转录终止过另外还有一些信号可以被一种参与转录终止过程的蛋白质程的蛋白质ρρ因子所识别,因子所识别,ρρ因子能辨别因子能辨别DNADNA上特殊的终止位点(上特殊的终止位点(ρρ位点),使位点),使mRNAmRNA从从DNADNA模板上脱离,而模板上脱离,而RNARNA聚合酶却不脱离聚合酶却不脱离 四、转录后核糖核酸链的加工四、转录后核糖核酸链的加工 在细胞内,转录过程中合成的在细胞内,转录过程中合成的RNARNA链一般链一般需要经过一系列的变化,包括链的断裂需要经过一系列的变化,包括链的断裂和化学修饰等过程,才能转变为成熟的和化学修饰等过程,才能转变为成熟的mRNAmRNA、、tRNAtRNA和和rRNArRNA,,这个过程常常称为这个过程常常称为RNARNA的转录加工过程。
的转录加工过程 1 1,核内不均一,核内不均一RNARNA((snRNAsnRNA))的加工的加工 细胞质的细胞质的mRNAmRNA是由核内分子量极大的前体,即核是由核内分子量极大的前体,即核内不均一内不均一RNARNA((snRNAsnRNA))转变而来,其分子中大约转变而来,其分子中大约只有只有10%10%左右的部分转变为左右的部分转变为mRNA mRNA ,,其余部分将在其余部分将在加工过程中被降解掉加工过程中被降解掉 由由snRNAsnRNA转变成转变成mRNA mRNA 需要经过一系列复杂的加工需要经过一系列复杂的加工步骤,其中包括:(步骤,其中包括:(1 1)在)在RNARNA链的特异部位断裂,链的特异部位断裂,除去非结构信息部分;(除去非结构信息部分;(2 2)在)在mRNAmRNA的的3′3′末端连末端连接长约接长约150-250150-250个核苷酸的多聚腺苷酸(个核苷酸的多聚腺苷酸(poly poly A A))片段;(片段;(3 3)在)在mRNAmRNA的的5′5′末端形成末端形成““帽结构帽结构””((m m7 7G G5′5′pppppp5′5′NmpNp-NmpNp-);); 2 2,,rRNArRNA前体的加工前体的加工 在各种细菌细胞中,编码核糖体在各种细菌细胞中,编码核糖体RNA RNA 的基因是的基因是排列在一起的,它们包括排列在一起的,它们包括16S16S、、23S23S以及以及5S 5S rRNArRNA的特异序列,构成一串长长的转录单位。
的特异序列,构成一串长长的转录单位正常情况下,当正常情况下,当16S16S、、23S23S以及以及5S 5S rRNArRNA的前体的前体被转录出来后,即被核糖核酸酶被转录出来后,即被核糖核酸酶IIIIII切割下来,切割下来,然后经过甲基化修饰成为成熟的然后经过甲基化修饰成为成熟的rRNArRNA 真真核核细细胞胞的的核核糖糖体体通通常常比比原原核核细细胞胞大大,,包包含含有有四四种种不不同同的的RNARNA((28S28S、、18S18S、、5.8S5.8S以以及及5S 5S rRNArRNA)),,其其中中28S28S、、18S18S和和5.8S 5.8S RNARNA在在转转录录过过程程中中先先形形成成共共同同的的45 45 S S大大分分子子前前体体,,然然后后再再断断裂形成相应的裂形成相应的rRNArRNA而而真真核核细细胞胞5S 5S rRNArRNA的的基基因因也也是是成成串串排排列列的的,,中中间间含含有有不不能能被被转转录录的的区区域域当当转转录录完完成成后后,,即即被被适适当当的的断断裂裂,,与与28SRNA28SRNA以及某些蛋白质组成核糖核蛋白体的大亚基以及某些蛋白质组成核糖核蛋白体的大亚基。
3 3,,tRNAtRNA前体的加工前体的加工 刚转录出来的刚转录出来的tRNAtRNA前体需要经过下列几方面的前体需要经过下列几方面的改造过程,才能形成成熟的改造过程,才能形成成熟的tRNAtRNA1 1)在)在RNARNA链的链的5′5′末端头部和末端头部和3′3′末端尾部切末端尾部切去一定的核苷酸片段;去一定的核苷酸片段;((2 2)在酶催化下,对核苷进行修饰,如甲基)在酶催化下,对核苷进行修饰,如甲基化、假尿嘧啶的形成等;化、假尿嘧啶的形成等;((3 3))tRNAtRNA的的3′3′末端连接上胞苷酸末端连接上胞苷酸- -胞苷酸胞苷酸- -腺腺苷(苷(CCA CCA ) 第三节第三节 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 mRNA mRNA 是是DNADNA的转录本,携带有合成蛋白质的全的转录本,携带有合成蛋白质的全部信息蛋白质的生物合成实际上是以部信息蛋白质的生物合成实际上是以mRNAmRNA作作为模板进行的为模板进行的mRNAmRNA分子中所存储的蛋白质合成信息,是由组分子中所存储的蛋白质合成信息,是由组成它的四种碱基(成它的四种碱基(A A、、G G、、C C和和U U))以特定顺序排以特定顺序排列成三个一组的三联体代表的,即每三个碱基列成三个一组的三联体代表的,即每三个碱基代表一个氨基酸信息。
代表一个氨基酸信息这种代表遗传信息的三联体称为密码子,或三这种代表遗传信息的三联体称为密码子,或三联体密码子联体密码子 因此因此 mRNA mRNA 分子的碱基顺序即分子的碱基顺序即表示了所合成蛋白质的氨基酸顺序表示了所合成蛋白质的氨基酸顺序一、遗传密码一、遗传密码 mRNAmRNA的每一个密码子代表一个氨基酸的每一个密码子代表一个氨基酸2020种基本种基本氨基酸的三联体密码子都已经确定氨基酸的三联体密码子都已经确定由于由于mRNAmRNA分子中的碱基序列是连续的,两个密码分子中的碱基序列是连续的,两个密码子之间没有任何间隔,所以遗传密码是没有标点子之间没有任何间隔,所以遗传密码是没有标点符号的,要准确的阅读密码,必须从一个正确的符号的,要准确的阅读密码,必须从一个正确的起点开始,此后方可连续地读下去,直到碰到终起点开始,此后方可连续地读下去,直到碰到终止信号6464个密码中个密码中6161个为氨基酸编码,因此大多数氨基个为氨基酸编码,因此大多数氨基酸具有多组密码子还有一个密码子是肽链合成酸具有多组密码子还有一个密码子是肽链合成起始密码子(也是甲硫氨酸的密码子)起始密码子(也是甲硫氨酸的密码子), , 三个是三个是终止密码子,以保证蛋白质合成能够有序地进行。
终止密码子,以保证蛋白质合成能够有序地进行 二、蛋白质的生物合成过程二、蛋白质的生物合成过程 蛋白质的合成过程相当复杂,整个过程蛋白质的合成过程相当复杂,整个过程涉及到三种涉及到三种 RNARNA((mRNAmRNA、、tRNAtRNA和和rRNArRNA),),几种核苷酸(几种核苷酸(ATPATP,,GTPGTP))以及一系列酶、以及一系列酶、蛋白质、辅助因子等蛋白质、辅助因子等 1 1,氨基酸的活化,氨基酸的活化tRNAtRNA在氨基酰在氨基酰- -tRNAtRNA 合合成酶的帮助下,能够识成酶的帮助下,能够识别相应的氨基酸,并通别相应的氨基酸,并通过过tRNAtRNA氨基酸臂的氨基酸臂的 3'-3'-OH OH 与氨基酸的羧基形与氨基酸的羧基形成活化酯-氨基酰成活化酯-氨基酰- -tRNAtRNA氨基酰氨基酰- -tRNAtRNA的形成是的形成是一个两步反应过程:第一个两步反应过程:第一步是氨基酸与一步是氨基酸与 ATP ATP 作用作用, , 形成氨基酰腺嘌形成氨基酰腺嘌呤核苷酸;呤核苷酸; 第二步是第二步是氨基酰基转移到氨基酰基转移到 tRNAtRNA 的的 3'-OH 3'-OH 端上端上, , 形成形成氨基酰氨基酰- -tRNAtRNA。
每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰- -tRNAtRNA 合合成酶它既催化氨基酸与成酶它既催化氨基酸与 ATP ATP 的作用的作用, , 也催化也催化氨基酰基转移到氨基酰基转移到 tRNAtRNA氨基酰氨基酰- -tRNAtRNA 合成酶具有高度的专一性合成酶具有高度的专一性 每一每一种氨基酰种氨基酰- -tRNAtRNA 合成酶只能识别一种相应的合成酶只能识别一种相应的 tRNAtRNA tRNAtRNA 分子能接受相应的氨基酸分子能接受相应的氨基酸, , 决定于它特有决定于它特有的碱基顺序的碱基顺序, , 而这种碱基顺序能够被氨基酰而这种碱基顺序能够被氨基酰- -tRNAtRNA 合成酶所识别合成酶所识别 大大肠肠杆杆菌菌和和其其他他原原核核细细胞胞的的蛋蛋白白质质合合成成都都从从甲甲硫硫氨氨酸酸开开始始,,但但并并不不是是以以甲甲硫硫氨氨酸酸- -tRNAtRNA作作为为起起始始物物,,而而是是在在甲甲酰酰化化酶酶催催化化后后以以N-N-甲甲酰酰甲甲硫硫氨氨酰酰- -tRNAtRNA((fMet-tRNAfMet-tRNAf f))形形式式作作为为肽肽合合成成的的起起始始物。
物肽肽合合成成完完成成后后,,有有专专一一性性的的酶酶将将N-N-甲甲酰酰甲甲硫硫氨氨酸从肽链的酸从肽链的 N N 端切除2 2,肽链合成的起始,肽链合成的起始 在在大大肠肠杆杆菌菌中中,, mRNAmRNA在在起起始始因因子子3 3((IFIF3 3,,分分子子量量为为2100021000的的蛋蛋白白质质))的的参参与与下下,,首首先先与与核核糖糖体体的的30S 30S 亚亚基基结结合合,,形形成成mRNA-30S- mRNA-30S- IFIF3 3复复合合体体,,然然后后在在起起始始因因子子1 1((IFIF1 1,,分分子子量量约约为为10001000的的蛋蛋白白质质))和和起起始始因因子子2 2((IFIF2 2,,分分子子量量约约为为80008000的的蛋蛋白白质质))参参加加下下,,与与fMet-tRNAfMet-tRNAf f、、GTPGTP结结合合,,并并释释放放出出IFIF3 3,,形形成成一一个个30S30S起起始始复复合合物物::30S30S核核糖糖体体亚亚基基- -mRNA-mRNA-fMet-tRNAfMet-tRNAf f、、GTPGTP1 1)大肠杆菌)大肠杆菌70S70S起始复合物的形成起始复合物的形成这这个个复复合合物物再再与与50S50S亚亚基基结结合合,,形形成成具具有有生生物物学学功功能能的的70S70S起起始始复复合合物物。
同同时时,,GTPGTP水水解解成成GDPGDP和和磷磷酸酸,,释释放放出出起起始始因因子子IFIF1 1和和IFIF2 2这这时时,,fMet-tRNAfMet-tRNAf f占占 据据 了了核核糖糖体体上上肽肽酰酰位位点点((P P位位点点)),,空空着着的的氨氨酰酰- -tRNAtRNA准准备备接接受受另另一一个个氨氨酰酰tRNAtRNA,,为为肽肽链链的的延延伸伸作作好好了准备首先首先eIFeIF2 2-GTP-GTP使使Met-Met-tRNAtRNAi i与与40S40S亚基结合形成亚基结合形成40S 40S 起始起始复合物,复合物,5′-5′-帽子结合蛋白帽子结合蛋白((cap-binding cap-binding protein,CBPprotein,CBP)与)与mRNAmRNA的的5′-5′-帽子结合,帽子结合,eIFeIF3 3与与mRNA mRNA 5′5′端的端的AUGAUG相识别eIFeIF4 4则则促使促使ATPATP水解成水解成ADPADP,,提供反提供反应的能量应的能量eIFeIF5 5诱导诱导eIFeIF2 2和和eIFeIF3 3参与参与Met-Met-tRNAtRNAi i与与AUGAUG识识别后的释放。
在别后的释放在eIFeIF4 4的作用的作用下,促使下,促使eIFeIF2 2-GTP-GTP中的中的GTPGTP水解为水解为GDPGDP,,一起离开复合一起离开复合体,最后核糖体的体,最后核糖体的60S 60S 亚基亚基结合到复合体上,结合到复合体上,eIFeIF4 4被释被释放,从而形成放,从而形成80S80S起始复合起始复合物 3 3,,肽肽链链的的延延伸伸 肽链的形成肽链的形成 肽肽酰酰基基从从P P位位点点转转移移到到A A位位点点,,同同时时形形成成一一个个新新的的肽肽键键,,即即进进入入A A 位位点点的的氨氨酰酰- -tRNAtRNA上上的的氨氨基基与与P P位位点点上上的的肽肽酰酰- -tRNAtRNA上上的的羧羧基基之之间间形形成成一一个个新的肽键新的肽键这这一一步步需需要要50S50S核核糖糖体体上上的的蛋蛋白白质质因因子子即即肽肽酰酰转转移移酶酶参参加加同同时时P P 位位点点上上的的tRNAtRNA卸卸下下肽肽链链成成为为无无负负载载的的tRNAtRNA,,而而A A位位点点上上的的tRNAtRNA这这时时所所携携带带的的不不再再是是一一个个氨氨基基酸酸而而是是一一个个二二肽肽。
这这一一步步反反应应还还需需要要有有较较高高浓浓度度的的K K+ +与与MgMg2+2+参参加4 4,多肽链合成的终止和释放,多肽链合成的终止和释放 肽肽链链合合成成的的终终止止包包括括两两个个步步骤骤::((1 1))对对mRNAmRNA上上终终止止信信号号的的识识别别;;((2 2))完完工工的的肽肽酰酰- - tRNAtRNA酯酯键键的的水水解解,,以以便便使使新新合合成成的的肽链释放出来肽链释放出来mRNAmRNA上上肽肽链链合合成成的的终终止止密密码码子子为为UAAUAA、、UAGUAG、、UGAUGA三三种种蛋蛋白白质质因因子子((RFRF1 1、、RFRF2 2、、RFRF3 3))参与这一步反应参与这一步反应RFRF1 1用以识别密码子用以识别密码子UAAUAA、、UAGUAGRFRF2 2帮助识别帮助识别UAAUAA、、UGAUGARFRF3 3不能识别任何密码子,但能不能识别任何密码子,但能协助肽链释放,协助肽链释放,RFRF1 1或或RFRF2 2可可能还可以使能还可以使P P位点上的肽酰转位点上的肽酰转移酶活力转变为水解酶活力,移酶活力转变为水解酶活力,从而使肽酰从而使肽酰- - tRNAtRNA不再转移不再转移到氨酰到氨酰- -tRNAtRNA上,而脱落进入上,而脱落进入溶液中。
一旦溶液中一旦tRNAtRNA从从70S70S核糖核糖体上脱落,该核糖体就立即体上脱落,该核糖体就立即离开离开mRNAmRNA,,解离成解离成50S50S和和30S30S亚基,重新投入到新一轮反亚基,重新投入到新一轮反应中去RFRF3 3与与30S30S亚基结合亚基结合后,可防止后,可防止50 S50 S与与30S30S亚基的亚基的聚合 第四节第四节 遗传信息表达过程的化学调控遗传信息表达过程的化学调控 在在细细胞胞的的生生长长、、发发育育以以及及死死亡亡过过程程中中,,涉涉及及到到许许许许多多多多的的生生物物化化学学反反应应遗遗传传信信息息的的传传递递与与表表达达牵牵涉涉到到各各种种生生物物大大分分子子的的合合成成、、跨跨膜膜转转运运、、修修饰饰加加工工、、折折叠叠复复性性、、生生化化反反应应、、生生物物降降解解等等过过程程许许多多化化学学物物质质在在体体内内会会与与参参与与这这些些过过程程的的生生物物大大分分子子发发生生相相互互作作用用,,从从而而起起到到诱诱导导、、抑抑制制某某些些蛋蛋白白质质、、DNADNA、、RNARNA、、多多糖糖以以及及肽肽聚聚糖糖等等的的生生物物合合成成的作用。
的作用因此,通过化学物质对遗传信息表达的调控可以因此,通过化学物质对遗传信息表达的调控可以探索未知基因、蛋白质的生物合成过程,达到对探索未知基因、蛋白质的生物合成过程,达到对生物通路的调控,从而发现新的药物靶点;推动生物通路的调控,从而发现新的药物靶点;推动生命科学、药学的理论研究生命科学、药学的理论研究 一、抑制核酸合成的化学物质一、抑制核酸合成的化学物质 许许多多化化学学物物质质能能与与核核酸酸或或者者核核酸酸合合成成过过程程中中的的酶酶、、蛋蛋白白质质结结合合,,从从而而抑抑制制核核酸酸的的合合成成,,其其中中有有些些化化合合物物可可以以作作为为抗抗病病毒毒或或抗抗肿肿瘤瘤方方面面的的药药物物,,而而在在临临床床上上得得到到广广泛泛的的应应用用在在分分子子生生物物学学、、分分子子进进化化以以及及基基因因表表达达调调控控研研究究中中也也常常常常使使用用一一些些抑抑制制剂剂,,探探索索核核酸酸以以及及合合成成过过程程涉涉及及到到的的酶酶和和蛋蛋白白质质的功能有有关关抑抑制制核核酸酸合合成成方方面面的的抑抑制制剂剂种种类类较较多多,,包包括括代代谢谢拮拮抗抗物物、、DNADNA结结合合物物、、DNADNA聚聚合合酶酶抑抑制制剂剂、、RNARNA聚聚合合酶酶抑抑制制剂剂、、逆逆转转录录酶酶抑抑制制剂剂、、拓拓扑扑异异构构酶酶抑抑制剂、引物酶抑制剂、端粒酶抑制剂等等。
制剂、引物酶抑制剂、端粒酶抑制剂等等1 1,,DNADNA聚合酶抑制剂聚合酶抑制剂 阿糖胞苷阿糖胞苷( (Ara-cAra-c) )是治疗急性非淋巴白血病的是治疗急性非淋巴白血病的有效药物,有效药物, Ara-cAra-c在细胞内受胞嘧啶核苷脱氨在细胞内受胞嘧啶核苷脱氨酶的作用脱氨基,生成无活性的阿糖尿甘酶的作用脱氨基,生成无活性的阿糖尿甘( (AraAra-U)-U);;或被服氧胞苷激酶催比转变成三磷或被服氧胞苷激酶催比转变成三磷酸阿糖胞苷酸阿糖胞苷( (AraAra-CTP)-CTP),,AraAra-CTP-CTP是抗癌的活性是抗癌的活性形式,它与三磷酸脱氧胞苷形式,它与三磷酸脱氧胞苷( (dCTPdCTP) )竞争性他与竞争性他与DNADNA聚合酶聚合酶 结合参入到结合参入到DNADNA生长链中,并改生长链中,并改变了变了DNADNA螺旋的构象,从而又影响与螺旋的构象,从而又影响与DNADNA有关的有关的其它酶系的活性其它酶系的活性 阿糖腺苷阿糖腺苷( (AraAra-A)-A)具有抗病毒活性,例如抗疱疹病具有抗病毒活性,例如抗疱疹病毒和牛痘病毒等在细胞内毒和牛痘病毒等。
在细胞内AraAra-A-A被磷酸化生成三被磷酸化生成三磷酸阿糖腺苷磷酸阿糖腺苷( (AraAra-ATP)-ATP),对,对HSV-1HSV-1和和HSV-2DNAHSV-2DNA聚合聚合酶的抑制作用强于对宿主细胞酶的抑制作用强于对宿主细胞DNADNA聚合酶聚合酶 和和 的作的作用,因而有一定的选择性,用,因而有一定的选择性,AraAra-A-A在体内也可经腺在体内也可经腺苷脱氨酶作用,代谢失活生成阿糖次黄嘌呤苷脱氨酶作用,代谢失活生成阿糖次黄嘌呤 2 2,,HIVHIV逆转录酶抑制剂逆转录酶抑制剂 HIVHIV逆转录病毒的最大特点是在病毒体中含有逆转录酶逆转录病毒的最大特点是在病毒体中含有逆转录酶获得美国获得美国FDAFDA批准的抗批准的抗AIDSAIDS的逆转录酶抑制剂是的逆转录酶抑制剂是3 3 - -叠氮基叠氮基-2-2 ,3,3 - -脱氧胸苷脱氧胸苷(AZT)(AZT)除了除了AZTAZT之外,具有抑制之外,具有抑制HIVHIV逆逆转录活性的核苷类似物还有转录活性的核苷类似物还有2 2 ,3,3 - -双脱氧核苷、无环核双脱氧核苷、无环核苷、异核苷等等,它们抑制苷、异核苷等等,它们抑制HIVHIV逆转录的作用机制主要通逆转录的作用机制主要通过底物相似性竞争性地抑制逆转录酶的活性,同时还能终过底物相似性竞争性地抑制逆转录酶的活性,同时还能终止前病毒止前病毒DNADNA链的延伸而阻断链的延伸而阻断HIVHIV的复制。
的复制 3 3,拓朴异构酶抑制剂,拓朴异构酶抑制剂 拓朴异构酶拓朴异构酶ⅠⅠ抑制剂可分为两大类:拓朴异构酶抑制剂可分为两大类:拓朴异构酶ⅠⅠ毒剂和拓朴异构酶毒剂和拓朴异构酶ⅠⅠ阻遏剂它们都抑制拓朴阻遏剂它们都抑制拓朴异构酶异构酶ⅠⅠ活性,使活性,使DNADNA不能松弛不能松弛拓朴异构酶拓朴异构酶ⅠⅠ毒剂与拓朴异构酶毒剂与拓朴异构酶Ⅰ-Ⅰ-DNA可裂解DNA可裂解复合物作用,使复制不能进行拓朴异构酶复合物作用,使复制不能进行拓朴异构酶ⅠⅠ阻阻遏剂则通过抑制酶的催化活性而杀死细胞目前遏剂则通过抑制酶的催化活性而杀死细胞目前拓朴异构酶拓朴异构酶I I抑制剂主要是喜树碱及其衍生物抑制剂主要是喜树碱及其衍生物 拓朴异构酶拓朴异构酶ⅡⅡ抑制剂分为嵌入剂和非嵌入剂嵌抑制剂分为嵌入剂和非嵌入剂嵌入型拓朴异构酶入型拓朴异构酶ⅡⅡ抑制剂结构上各不相同,通常抑制剂结构上各不相同,通常有平面芳香环系统,可以嵌入有平面芳香环系统,可以嵌入DNADNA碱基对之间,妨碱基对之间,妨碍正常的碍正常的DNADNA功能拓朴异构酶功能拓朴异构酶ⅡⅡ抑制剂主要有放抑制剂主要有放线菌素D、阿霉素等线菌素D、阿霉素等 4 4,,RNARNA聚合酶抑制剂聚合酶抑制剂 3 3 - -脱氧腺苷(脱氧腺苷(CordycepinCordycepin))是一个原是一个原核细胞核细胞RNARNA链延伸过程的抑制剂,它在体链延伸过程的抑制剂,它在体内可以被磷酸化成为内可以被磷酸化成为3 3 - -脱氧三磷酸腺脱氧三磷酸腺苷,能与核心酶结合,并加入到增长的苷,能与核心酶结合,并加入到增长的RNARNA链上,然而,由于链上,然而,由于3 3 - -脱氧腺苷脱氧腺苷((CordycepinCordycepin))缺少缺少3 3 -OH-OH,,所以它不所以它不能进一步延伸,从而抑制能进一步延伸,从而抑制RNARNA的合成。
的合成 利利福福霉霉素素((rifamycinrifamycin B B))及及其其衍衍生生物物利利福福平平((rifampicinrifampicin))是是原原核核细细胞胞RNARNA聚聚合合酶酶的的特特异异性性抑抑制制剂剂,,而而对对真真核核细细胞胞DNADNA聚聚合合酶酶无无抑抑制制作作用用,,因因此此它它们们能能有有效效地地抑抑制制革革兰兰氏氏阳性菌和结核杆菌阳性菌和结核杆菌RNARNA的合成 虽然两者结构相似,但两者的作用虽然两者结构相似,但两者的作用机制不同,利福霉素结合在机制不同,利福霉素结合在RNARNA聚聚合酶的合酶的 亚基上,并阻断亚基上,并阻断NTPNTP进入起进入起始位点利福平却可以允许第一个始位点利福平却可以允许第一个磷酸二酯键形成,但它阻止磷酸二酯键形成,但它阻止RNARNA聚聚合物沿着合物沿着DNADNA模板的移位,因此,模板的移位,因此,一旦转录过程中第二个磷酸二酯键一旦转录过程中第二个磷酸二酯键形成,产生一个形成,产生一个RNARNA三磷酸核苷,三磷酸核苷,利福平将失去效用利福平将失去效用 鹅膏蕈碱(鹅膏蕈碱( - -amanitinamanitin))是从捕蝇蕈属是从捕蝇蕈属中提取出的一个无色的双环结构的八肽中提取出的一个无色的双环结构的八肽化合物,它可以完全抑制真核细胞中的化合物,它可以完全抑制真核细胞中的RNARNA聚合酶聚合酶IIII和和IIIIII的作用,阻断的作用,阻断RNARNA的延的延伸,使转录不能进行。
伸,使转录不能进行 二、抑制蛋白质合成的化合物二、抑制蛋白质合成的化合物 氯霉素、四环素、链霉素等抑制原核细胞蛋白质的生物氯霉素、四环素、链霉素等抑制原核细胞蛋白质的生物合成,但对真核细胞蛋白质合成无影响氯霉素可与原合成,但对真核细胞蛋白质合成无影响氯霉素可与原核细胞的核细胞的 70S70S核糖体结合,从而影响了肽酰转移反应,核糖体结合,从而影响了肽酰转移反应,对真核细胞对真核细胞80S 80S 核糖体无作用,但却可以抑制真核细胞核糖体无作用,但却可以抑制真核细胞线粒体内蛋白质的合成,因此,对人产生毒性线粒体内蛋白质的合成,因此,对人产生毒性亚胺环己酮抑制真核细胞蛋白质的合成,对原核细胞没亚胺环己酮抑制真核细胞蛋白质的合成,对原核细胞没有作用,它与有作用,它与80S80S核糖体结合后,阻止肽链的形成核糖体结合后,阻止肽链的形成嘌呤霉素和酪氨酰嘌呤霉素和酪氨酰- -tRNAtRNA的结构与氨酰基的结构与氨酰基- -tRNAtRNA分子的腺分子的腺苷相连接的氨基酸末端基团相似,因此作为氨酰基苷相连接的氨基酸末端基团相似,因此作为氨酰基- -tRNAtRNA的类似物与正在延伸的多肽链结合而抑制了蛋白质的类似物与正在延伸的多肽链结合而抑制了蛋白质的合成。
的合成 红霉素(红霉素(erythromycinerythromycin))可与原核细胞核糖体的可与原核细胞核糖体的50S 50S 亚基结合,抑制了肽亚基结合,抑制了肽酰基转移酶的活性,阻碍酰基转移酶的活性,阻碍了肽链的延伸了肽链的延伸梭链孢酸(梭链孢酸(fusidicfusidic acidacid))是一种类固醇类抗是一种类固醇类抗生素,它抑制生素,它抑制EF-G:GDPEF-G:GDP从从核糖体上的移位反应,从核糖体上的移位反应,从而抑制蛋白质的合成而抑制蛋白质的合成 三、化学物质对蛋白质合成的诱导与阻遏三、化学物质对蛋白质合成的诱导与阻遏 酶蛋白在细胞内的含量取决于酶的合成速度和酶蛋白在细胞内的含量取决于酶的合成速度和分解速度细胞根据自身活动需要,严格控制分解速度细胞根据自身活动需要,严格控制细胞内各种酶的合理含量,从而对各种生物化细胞内各种酶的合理含量,从而对各种生物化学过程进行调控学过程进行调控酶合成的诱导是指细胞通过诱导而产生的酶称酶合成的诱导是指细胞通过诱导而产生的酶称为诱导酶,如半乳糖苷酶和青霉素酶等;诱导为诱导酶,如半乳糖苷酶和青霉素酶等;诱导酶合成的物质称为诱导物,如诱导半乳糖苷酶酶合成的物质称为诱导物,如诱导半乳糖苷酶产生的乳糖和诱导青霉素酶合成的青霉素。
产生的乳糖和诱导青霉素酶合成的青霉素 基因表达的调节基因表达的调节在细胞内,所合成的酶的种类及数量是在细胞内,所合成的酶的种类及数量是由特殊的基因信息决定的由特殊的基因信息决定的DNADNA所携带的所携带的酶蛋白遗传信息,需要通过转录和翻译酶蛋白遗传信息,需要通过转录和翻译而合成酶蛋白在细胞内进行的转录或而合成酶蛋白在细胞内进行的转录或翻译过程都有特定的调节控制机制,其翻译过程都有特定的调节控制机制,其中转录的调控占主导地位中转录的调控占主导地位因此,基因表达的调控主要在转录水平因此,基因表达的调控主要在转录水平上进行 酶生物合成的基因表达调控模型酶生物合成的基因表达调控模型 为酶蛋白编码的一段为酶蛋白编码的一段DNADNA,,至少包含有三个区域至少包含有三个区域结结构构基基因因区区::酶酶蛋蛋白白的的氨氨基基酸酸顺顺序序编编码码通通过过转转录和翻译表达可以产生酶蛋白录和翻译表达可以产生酶蛋白操操纵纵基基因因区区::控控制制结结构构基基因因转转录录开开始始或或停停止止当当它它与与阻阻遏遏蛋蛋白白结结合合时时,,转转录录不不能能进进行行,,结结构构基基因因不不表表达达,,酶酶蛋蛋白白的的合合成成停停止止。
而而当当阻阻遏遏蛋蛋白白与与操操纵纵基基因因脱脱离离时时,,转转录录即即开开始始进进行行,,酶酶蛋蛋白白合合成成也也随之进行随之进行调节基因区:对整个转录过程起着调控作用由调节基因区:对整个转录过程起着调控作用由调节基因转录和翻译产生的蛋白,称为阻遏蛋白调节基因转录和翻译产生的蛋白,称为阻遏蛋白阻遏蛋白是对基因转录实施调控的蛋白质阻遏蛋白有一阻遏蛋白是对基因转录实施调控的蛋白质阻遏蛋白有一个特殊部位可与操纵基因结合,使基因转录不能进行阻个特殊部位可与操纵基因结合,使基因转录不能进行阻遏蛋白中还存在另一个特殊部位,当这个部位与某种小分遏蛋白中还存在另一个特殊部位,当这个部位与某种小分子物质结合时,可以引起阻遏蛋白构象的变化子物质结合时,可以引起阻遏蛋白构象的变化与阻遏蛋白结合的化合物可以分为两类:能使起阻遏蛋白与阻遏蛋白结合的化合物可以分为两类:能使起阻遏蛋白的构象变化不利于与操纵基因结合的物质,称为诱导物的构象变化不利于与操纵基因结合的物质,称为诱导物(通常是酶的底物);而能使阻遏蛋白的构象变化有利于(通常是酶的底物);而能使阻遏蛋白的构象变化有利于与操纵基因结合的物质,则称为共阻遏物(通常是酶促反与操纵基因结合的物质,则称为共阻遏物(通常是酶促反应的产物)。
应的产物) 大肠杆菌培养过程中如果缺少乳糖,细胞中就不大肠杆菌培养过程中如果缺少乳糖,细胞中就不含任何可以代谢乳糖的酶但是在培养基中加入含任何可以代谢乳糖的酶但是在培养基中加入乳糖后,大肠杆菌就能在几分钟内合成出与乳糖乳糖后,大肠杆菌就能在几分钟内合成出与乳糖水解有关的酶,使之能利用这种营养物质在此水解有关的酶,使之能利用这种营养物质在此过程中,乳糖起着诱导物作用过程中,乳糖起着诱导物作用由乳糖诱导产生的与乳糖水解相关的三种酶:由乳糖诱导产生的与乳糖水解相关的三种酶: - -半乳糖苷酶,半乳糖苷酶, - -半乳糖苷透性酶和半乳糖苷透性酶和 - -半乳糖苷转半乳糖苷转乙酰酶,被称为诱导酶这三个酶蛋白是大肠杆乙酰酶,被称为诱导酶这三个酶蛋白是大肠杆菌菌DNADNA上的三个结构基因经过转录和翻译而合成上的三个结构基因经过转录和翻译而合成的 诱导物诱导物诱诱导导物物最最好好是是难难于于被被利利用用的的底底物物、、底底物物类类似似物物( (VmVm很小、很小、KmKm很大很大) )或底物修饰物等如或底物修饰物等如异丙基异丙基- - -D--D-巯基半乳糖,巯基半乳糖,5-5-溴溴-4--4-氯氯-3--3-吲哚基吲哚基- - - -D-D-半乳糖(半乳糖(X-galX-gal))不易被半乳糖苷酶利用,却是不易被半乳糖苷酶利用,却是 - -半半- -乳糖苷酶极好诱导物,而使该酶产量提高乳糖苷酶极好诱导物,而使该酶产量提高10001000倍。
倍 高等动物酶合成的诱导高等动物酶合成的诱导为为了了适适应应环环境境的的需需要要,,动动物物机机体体的的酶酶合合成成会会随随着着机机体体的的需需要要增增强强或或减减弱弱,,甚甚至至停停止止如如动动物物长长期期食食用用脂脂肪肪含含量量不不多多的的食食物物,,其其组组织织中中含含有有一一定定量量的的脂脂酸酸合合成成酶酶,,如如果果改改食食含含脂脂肪肪多多,,糖糖类类少少的的食食物物,,很很快快就就可可发发现现这这个个动动物物组组织织中中完完全全无无脂脂酸酸合合成成酶酶再再改改食食低低脂脂肪肪,,高高糖糖类类饲饲料料,,其其组组织织中中的的脂酸合成酶又复出现脂酸合成酶又复出现某些药物对酶合成的诱导功能的发现为药理学、某些药物对酶合成的诱导功能的发现为药理学、毒理学研究和应用打开了新的思路例如,苯巴毒理学研究和应用打开了新的思路例如,苯巴比妥还可诱导肝葡萄糖醛酸基转移酶临床上可比妥还可诱导肝葡萄糖醛酸基转移酶临床上可以给予苯巴比妥加速游离胆红素的结合与排泄,以给予苯巴比妥加速游离胆红素的结合与排泄,治疗新生儿溶血性黄疸和某些体质性黄疸治疗新生儿溶血性黄疸和某些体质性黄疸。












