11 第十一章 基因信息的储存和表达.ppt

第1页：第十一章基因信息的储存和表达

• 复习 基因信息的储存和表达的分子基础
• 第一节 遗传的中心法则
• 第二节 DNA的生物合成
• 第三节 RNA的生物合成
• 第四节 蛋白质的生物合成
• 第五节 基因工程和聚合酶链反应

第2页：分子基础复习提纲

• 一、核酸的分类与功能
• 二、DNA的分子组成和结构
• 三、RNA的分子组成和结构
• 四、核酸的变性、复性与杂交

第3页：核酸的分类与功能

基因

染色体中带有遗传信息的DNA的功能片段，即DNA分子中特定的碱基排列顺序（碱基序列）。

• 脱氧核糖核酸（DNA）：遗传的物质基础
• 核糖核酸（RNA）：mRNA为蛋白质合成的直接模板；tRNA活化与转运氨基酸；rRNA充当装配机、提供场所

第4页：DNA的分子组成与Chargaff规律

• 分子组成：A、G、T、C和脱氧核糖及磷酸
• Chargaff规律：一种生物体所有体细胞DNA的碱基组成均相同；同一种生物体内DNA分子的A＝T、G＝C（同一DNA分子中嘌呤碱与嘧啶碱总量相等）；亲缘相近的生物其碱基组成相似
• 一级结构：DNA链中A、T、C、G的序列，脱氧核糖核苷酸之间以磷酸二酯键相连

第5页：DNA的双螺旋结构

• 结构要点：逆向平行双螺旋；碱基互补配对，A—T通过两个氢键相连，G—C通过三个氢键相连；双螺旋结构的稳定依靠碱基对间的氢键
• 生物学意义：提出了遗传信息的贮存方式、DNA的复制机理，是DNA复制、转录和翻译的分子基础

第6页：碱基配对示意

• A与T配对、G与C配对，两链之间按碱基互补规律结合
• 维持双螺旋稳定的力主要来自碱基对间的氢键

第7页：四种碱基的结构

• 嘌呤碱：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）
• 嘧啶碱：胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）

第8页：RNA的分子组成与结构特点

• 组成：A、G、U、C及少量稀有碱基（如m⁷-G）、核糖、磷酸
• 一级结构：RNA链中A、G、U、C的序列
• 特点：含有由主要碱基修饰而来的稀有碱基；多为单链结构，碱基组成较不规律

第9页：tRNA的结构特点

• 二级结构呈三叶草形
• 3'-末端CCA-OH：携带氨基酸的部位
• 反密码环顶端的反密码子：识别mRNA上特定的密码子
• 功能：活化与转运氨基酸

第10页：tRNA三叶草结构示意

• 5'-末端位于分子首端
• 反密码环顶端含反密码子，与mRNA密码子配对
• 3'-末端氨基酸臂为氨基酸结合部位

第11页：mRNA与rRNA的特点

• mRNA是蛋白质合成的直接模板：从5'-端起读，每三个相邻核苷酸组成一个三联码（密码子）决定某种氨基酸
• mRNA首尾结构：5'-端为m⁷Gppp（7-甲基鸟苷三磷酸），3'-端为poly-A（多聚腺苷酸）
• rRNA是蛋白质合成的场所，起装配机作用；含量最多（约80%），与多种蛋白质结合生成核蛋白体

第12页：核酸的变性

变性

核酸双链间氢键断裂、双链结构解开形成两条单链的过程；变性因素为加热及化学处理（有机溶剂等）。

熔点（Tm）

DNA达到50%变性时的温度；DNA分子中G-C组分愈多，Tm值愈高，DNA分子愈稳定。

• 特性：伴有高色（增色）效应，即在260 nm的紫外吸收增强

第13页：核酸的复性与分子杂交

复性

因变性而解开的两条单链在温度缓慢下降时重又聚合成双链结构的过程，又称退火；复性时伴有减色效应（260 nm紫外吸收减弱）；若温度迅速下降则不发生复性。

分子杂交

以核酸的变性和复性为基础，不同来源的两条核酸单链若有大致相同的碱基互补顺序，经退火处理可形成杂交双链，可发生于DNA-DNA、DNA-RNA和RNA-RNA之间。

第14页：DNA生物合成的内容提纲

• 第一节 遗传的中心法则
• 第二节 DNA的生物合成：（一）复制、（二）逆转录、（三）DNA的损伤和修复

第15页：遗传的中心法则

• 复制：以DNA为模板指导DNA合成，酶为DNA指导的DNA聚合酶（DDDP），原料为dNTP
• 转录：以DNA为模板指导RNA合成，酶为DNA指导的RNA聚合酶（DDRP），原料为NTP
• 翻译：以mRNA为模板合成蛋白质
• 逆转录：以RNA为模板指导DNA合成

第16页：半保留复制

半保留复制

DNA的复制以半保留复制方式进行，子代DNA分子中一条链来自亲代、另一条为新合成。

• 应具备的条件：母链DNA作为模板（3'→5'）、四种dNTP作为原料、相应的酶类（DDDP等）、一小段RNA作为DNA聚合引物
• 模板链走向3'→5'，新链合成方向5'→3'
• 实验证明：同位素¹⁵N实验

第17页：参与复制的酶类（一）

引物酶

一种特殊的RNA聚合酶，以DNA为模板、NTP为原料催化合成一段引物RNA，为DNA合成提供3'-OH。

• 解链酶：沿着复制叉促进两条互补链分离
• 解旋酶（拓扑异构酶）：解旋，克服扭结现象
• 单链结合蛋白：固定已分离解旋的单链，便于复制

第18页：参与复制的酶类（二）

• DNA聚合酶Ⅲ：复制时起主要作用的酶，具有聚合、填空、修补作用
• DNA聚合酶Ⅰ：多功能酶，充填冈崎片段之间的间隙，并具有5'→3'外切酶作用（切除引物和损伤部位）
• DNA连接酶：连接冈崎片段

第19页：复制的过程

• 模板DNA先解链解旋（解链酶、解旋酶和单链结合蛋白）
• 引物酶以NTP为原料合成RNA引物
• dNTP存在下由DNA聚合酶Ⅲ催化，在RNA引物基础上合成DNA新链
• DNA聚合酶Ⅰ外切作用切除引物，空缺部位由该酶填补
• DNA连接酶连接冈崎片段，形成完整的DNA分子

第20页：前导链、随后链与冈崎片段

前导链

合成方向与复制叉移动方向相同，进行连续复制的新链。

随后链

合成方向与复制叉移动方向相反，进行不连续复制的另一条新链。

冈崎片段

随后链上不连续复制而成的DNA片段。

• 模板链走向3'→5'，新链合成方向5'→3'

第21页：逆转录

逆转录

以病毒RNA为模板，指导合成含有全部病毒遗传信息的DNA；酶为RDDP，原料为dNTP。

• 逆转录酶存在于所有致癌RNA病毒中，与病毒致癌有关
• 对中心法则进行了必要的补充
• 有助于基因工程的实施，可用于获得目的基因

第22页：DNA的损伤和修复

• 损伤因素：紫外线照射、碱基和核苷类似物、抗菌素及其类似物
• 修复方式：切除修复、SOS修复、重组修复、光修复
• 主要修复机制：切除修复

第23页：RNA生物合成的内容提纲

• 一、转录的概念和条件
• 二、转录与复制的区别
• 三、转录的过程
• 四、转录后的加工和修饰

第24页：转录的概念和条件

转录

以DNA为模板指导RNA合成的过程；酶为DNA指导的RNA聚合酶（DDRP），原料为NTP，条件为模板链DNA。

• 转录是基因表达的第一步，也是最关键的一步
• 通过转录把DNA的信息传递给RNA

第25页：转录的过程

• 酶与DNA模板的结合：DNA模板链、σ因子、β'亚基
• 转录的起始：σ因子识别起始位点
• RNA链的延长：β亚基与NTP参与
• RNA链的终止与释放：ρ蛋白参与

第26页：转录后的加工和修饰

• hnRNA（核不均一RNA）加工成为成熟mRNA
• 加帽连尾：5'-端加m⁷Gppp帽，3'-端加poly-A尾
• 剪辑加工：切除不具编码功能的内含子，连接具有编码功能的外显子

第27页：蛋白质生物合成的内容提纲

• 一、概念
• 二、参与翻译所需的物质
• 三、蛋白质合成的过程
• 四、蛋白质生物合成与医学的关系

第28页：翻译的概念与参与物质

翻译（蛋白质的生物合成）

以mRNA为模板，在其他RNA及因子的参与下合成蛋白质的过程。

• 三类RNA：mRNA、tRNA、rRNA
• 20种编码氨基酸作为合成蛋白质的原料
• 参与翻译的酶类
• 其他因子：起始因子、延长因子、终止和释放因子，以及K⁺、Mg²⁺、ATP、GTP

第29页：mRNA的密码子

• 密码子的特点：简并性、无标点符号、通用性、摆动性

第30页：tRNA在蛋白质合成中的作用

• 功能：活化与转运氨基酸
• 两个专用部位：3'-末端CCA-OH携带氨基酸；反密码环顶端的反密码子识别mRNA上特定的密码子
• 摆动现象：反密码子与密码子配对时第三位碱基配对不严格（如I可与U、C、A配对）

第31页：rRNA与核蛋白体的作用

• 核蛋白体由rRNA和多种蛋白质复合而成，是蛋白质生物合成的场所和装配机，由大小两个亚基组成
• 大亚基：有转肽酶活性和两个tRNA结合部位——给位（P位）、受位（A位）
• 小亚基：有mRNA结合部位

第32页：参与蛋白质合成的酶类

• 氨基酰-tRNA合成酶：催化氨基酸与tRNA结合生成氨基酰-tRNA
• 转肽酶：催化肽键形成，位于核蛋白体大亚基

第33页：蛋白质合成的过程

• 氨基酸的活化：氨基酸＋tRNA → 氨基酰-tRNA（氨基酰-tRNA合成酶、Mg²⁺、ATP）
• 核蛋白体循环：起始、延长（进位、转肽、移位）、终止
• 后期的加工与修饰：切除N-端的蛋氨酸或部分肽段的水解、氨基酸残基的修饰、二硫键的形成

第34页：蛋白质生物合成与医学的关系

• 干扰素对蛋白质合成的影响
• 链霉素：抑制原核细胞蛋白质合成的起始并导致错误阅读mRNA密码
• 四环素：与原核细胞30S亚基结合，抑制氨基酰-tRNA的结合
• 氯霉素：抑制原核细胞50S大亚基的转肽酶活性
• 红霉素：与原核细胞50S大亚基结合并抑制移位作用
• 环己亚胺：抑制真核生物60S大亚基的转肽酶活性
• 嘌呤霉素

第35页：核蛋白体循环起始与进位

• mRNA的5'-端m⁷Gppp与3'-端poly-A，起始密码AUG对应蛋氨酸
• 携带蛋氨酸的tRNA通过反密码子UAC与AUG配对，进位进入核蛋白体受位

第36页：核蛋白体循环转肽

• 进位后受位（A位）结合第二个氨基酰-tRNA（苏氨酰-tRNA）
• 在大亚基转肽酶作用下，P位氨基酸转移到A位氨基酰上形成肽键

第37页：核蛋白体循环肽链延长

• 转肽完成后，给位（P位）上的空载tRNA脱落
• 肽链与受位（A位）上的tRNA相连，肽链逐次延长

第38页：核蛋白体循环移位

• 移位使核蛋白体沿mRNA向3'-端移动一个密码子的距离
• 肽酰-tRNA由受位（A位）回到给位（P位），A位空出接受下一个氨基酰-tRNA

第39页：核蛋白体循环第二轮进位

• 移位后A位空出，按mRNA下一个密码子对应的氨基酰-tRNA（丙氨酰-tRNA）进位
• 肽链由蛋氨酸-苏氨酸延长为蛋氨酸-苏氨酸-丙氨酸

第40页：核蛋白体循环循环推进

• 重复进位、转肽、移位三个步骤，肽链按mRNA密码子顺序不断延长
• 每轮循环增加一个氨基酸残基

第41页：核蛋白体循环终止

• 当终止密码子（UGA、UAA、UAG）进入受位时，无相应氨基酰-tRNA进位
• 终止因子参与下肽链合成停止，新生肽链从核蛋白体释放

第42页：

本页源文件未提取到实质文字内容（仅有图片与导航文字），应为核蛋白体循环全过程的收尾示意。建议对照原课件图片补充本页要点说明。

第43页：基因工程和聚合酶链反应

基因工程

用人工方法将目的基因在体外与载体DNA结合成重组DNA，然后引入宿主细胞，筛选出能表达重组DNA的活细胞，并加以纯化、传代、扩增成为克隆。

聚合酶链反应（PCR）

体外DNA扩增法，基本原理同DNA复制。

• 基因工程的简要步骤可归纳为：分、切、接、转、筛

第44页：半保留复制示意

• 亲代DNA双链解链，两条链分别作为模板
• 按A—T、G—C碱基互补配对合成新链
• 形成两个与亲代完全相同的子代DNA分子，各保留一条亲代链

第45页：逆转录示意

• 病毒RNA在逆转录酶（RDDP）作用下合成互补DNA链，形成RNA-DNA杂交体
• 再以新合成的DNA链为模板合成第二条DNA链
• 最终生成含有病毒遗传信息的双链DNA

第46页：DNA损伤的切除修复

• 内切酶在损伤部位附近切开DNA链
• 外切酶切除损伤的寡核苷酸片段
• DNA聚合酶以互补链为模板填补缺口
• DNA连接酶封口，恢复完整的DNA分子

第47页：RNA聚合酶的组成

• 原核细胞中的DDRP为五个亚基组成的全酶（α₂ββ'σ）
• 核心酶：α₂ββ'
• σ为起始因子；β'结合DNA模板；β为转录的主要酶

第48页：转录与复制的区别

第49页：hnRNA内含子切除与外显子连接

• hnRNA保留5'-端m⁷Gppp帽与3'-端poly-A尾
• 核酶参与切除内含子
• 连接酶将相邻外显子连接，形成成熟mRNA