醫(yī)學(xué)生物化學(xué)重點輔導(dǎo)四遺傳信息的傳遞

1、醫(yī)學(xué)生物化學(xué)重點輔導(dǎo)四：遺傳信息的傳遞2006.10 第三部分遺傳信息的傳遞復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯、基因表達(dá)調(diào)控及基因工程第十章 DNA的生物合成復(fù)制要求：掌握遺傳信息傳遞的中心法則及其補(bǔ)充；掌握DNA的半保留復(fù)制方式、復(fù)制的原料、模板、參與復(fù)制的酶類；掌握逆轉(zhuǎn)錄的概念及逆轉(zhuǎn)錄酶的功能。熟悉DNA復(fù)制的過程。提要：遺傳信息的傳遞在醫(yī)學(xué)生物學(xué)中具有重要作用，在這里主要討論遺傳的分子基礎(chǔ)，即基因的分子生物學(xué)基本知識。DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。DNA分子中堿基（核苷酸）的排列順序即是貯藏的遺傳信息。所謂基因，實質(zhì)上是DNA大分子中的各功能片段。雖然DNA分子中只有A、G、C、T四種堿基，但由于DNA分子很大

2、，含有的堿基數(shù)量極多（如人的基因組DNA含有約3109個堿基對），可以有多種多樣不同的排列方式。不同的基因，其堿基的序列不同，攜帶著千變?nèi)f化的遺傳信息。細(xì)胞有絲分裂之前，細(xì)胞中的 DNA分子必須進(jìn)行自我復(fù)制，將親代DNA的遺傳信息準(zhǔn)確地傳遞到子代DNA分子中，這一過程稱為DNA復(fù)制。由此，子代細(xì)胞則具有一套與親代細(xì)胞完全相同的DNA分子，這就是遺傳作用。另一方面，DNA是信息分子，其分子中貯藏的信息必須要通過由它指導(dǎo)合成的特定蛋白質(zhì)，表現(xiàn)特異的功能，才能體現(xiàn)出來。如前所述，蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，蛋白質(zhì)功能的復(fù)雜性依賴于蛋白質(zhì)分子內(nèi)氨基酸的排列順序及其空間結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同，功能也各異，從

3、而影響機(jī)體的各種生命活動?，F(xiàn)已證明，體內(nèi)蛋白質(zhì)分子合成時，其氨基酸的排列順序最終是由DNA分子中核苷酸（堿基）順序所決定的。但是，DNA本身并不能直接指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，而是首先以DNA分子為模板，在細(xì)胞內(nèi)合成與其結(jié)構(gòu)相應(yīng)的RNA，將DNA的遺傳信息抄錄到mRNA（信使RNA）分子中，這種將 DNA遺傳信息傳遞給RNA的過程，稱為轉(zhuǎn)錄。通過轉(zhuǎn)錄，DNA的堿基序列按互補(bǔ)配對的原則轉(zhuǎn)變成RNA分子中的相應(yīng)堿基序列。然后，再以mRNA為模板，按照其堿基(A、G、C、U)的排列順序，以三個相鄰堿基序列為一種氨基酸的密碼子形式，來決定蛋白質(zhì)合成時氨基酸的序列。這一過程稱為翻譯。通過轉(zhuǎn)錄和翻譯，基因遺傳信息

4、指導(dǎo)合成各種功能的蛋白質(zhì)，這就是基因表達(dá)。遺傳信息傳遞方向的這種規(guī)律，即復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯，稱為遺傳信息傳遞的中心法則。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，某些病毒中RNA也可以作為模板，指導(dǎo)DNA的合成。這種信息傳遞方向與轉(zhuǎn)錄過程相反，稱為逆（反向）轉(zhuǎn)錄。另外，還發(fā)現(xiàn)，某些病毒中的RNA亦可自身復(fù)制。這就是中心法則的補(bǔ)充。學(xué)習(xí)基因分子生物學(xué)的基本知識具有重要意義。一方面它可以使我們對生命的本質(zhì)有更深刻的認(rèn)識，并且在此基礎(chǔ)上有利于生物體的改造；另一方面，隨著研究工作的深入，愈來愈多地發(fā)現(xiàn)某些疾病的發(fā)生與基因及表達(dá)異常有關(guān)。例如遺傳病、惡性腫瘤、心血管疾病、某些神經(jīng)性疾病等。為了更好地理解這些疾病發(fā)病的分子機(jī)理及相應(yīng)的防

5、治措施，學(xué)習(xí)遺傳信息傳遞的基本知識是十分必要的。在DNA復(fù)制過程中，首先是原DNA雙螺旋的兩條多核苷酸鏈之間的氫鍵斷裂，雙鏈解開并分為兩股單鏈。然后，每條單鏈DNA各自作為模板，以三磷酸脫氧核糖核苷(dNTP)為原料，按照堿基配對規(guī)律(A與T配對，G與C配對)，合成新的互補(bǔ)鏈。這樣形成的兩個子代DNA分子與原來的親代DNA分子的核苷酸順序是完全相同的。在此過程中，每個子代DNA分子的雙鏈，一條鏈來自親代DNA，而另一條鏈則是新合成的。這種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。由于DNA在代謝上的穩(wěn)定性和復(fù)制的忠實性，經(jīng)過許多代的復(fù)制，DNA分子上的遺傳信息仍可準(zhǔn)確地傳給子代。DNA的復(fù)制過程極為復(fù)雜，但其速

6、度極快，這是由于許多酶和蛋白質(zhì)因子參與了復(fù)制過程。其中，DNA聚合酶起著重要作用。在原有DNA模板鏈存在情況下，DNA聚合酶催化四種脫氧核苷酸(dATP、dTTP、dGTP、dCTP)，通過與模板鏈的堿基互補(bǔ)配對，合成新的對應(yīng)DNA鏈，故此酶又稱為DNA指導(dǎo)的DNA聚合酶(DNA directed DNA polymerase，縮寫為 DDDP)。DNA聚合酶的特點是不能自行從頭合成DNA鏈，而必須有一個多核苷酸鏈作為引物，DNA聚合酶只能在此引物的端催化dNTP與末端作用，形成,-磷酸二酯鍵，從而逐步合成DNA鏈。因此，DNA鏈的合成是有方向性的，即從端端方向進(jìn)行。這一特點在DNA復(fù)制過程中

7、具有重要意義。無論在原核細(xì)胞或真核細(xì)胞中，都存在多種DNA聚合酶，它們的性質(zhì)和作用不完全相同。在真核細(xì)胞中至少有5種DNA聚合酶，即DNA聚合酶a、b、g、d和e。其中DNA聚合酶a在細(xì)胞中活性最強(qiáng)，在復(fù)制中起關(guān)鍵作用，而DNA聚合酶b主要在DNA損傷的修復(fù)中起作用。在DNA復(fù)制過程中，若有 dNTP與親代DNA鏈中相應(yīng)堿基錯誤配對時，某些DNA聚合酶還具有核酸外切酶的活性，切去錯誤配對的核苷酸，以保證DNA復(fù)制的忠實性，稱為“校對”作用。DNA復(fù)制的這一特性也具有重要意義。引物酶是DNA復(fù)制的另一種重要的酶。如上所述，DNA聚合酶不能自行從頭合成DNA鏈，因此，在復(fù)制過程中首先需要合成一小段

8、多核苷酸鏈作為引物。實驗證明，這段引物是RNA鏈片段，在這段引物的3端引導(dǎo)DNA鏈的合成。催化引物鏈合成的酶稱為引物酶，實際上它是一種特殊的RNA聚合酶。此酶以相應(yīng)復(fù)制起始部位的DNA鏈為模板，合成短片段的RNA引物。DNA連接酶也是DNA復(fù)制過程中不可缺少的酶。因為復(fù)制過程中DNA鏈的合成方向只能由端53端方向進(jìn)行，因此其中有一條新鏈的合成是不連續(xù)的，起初生成的只是許多短鏈的DNA片段（對這點的理解十分重要）。此種片段須在DNA連接酶的催化下，首尾相連，才能成為一條完整的DNA長鏈。實際上，DNA連接酶是將一片段DNA鏈上的-OH末端與相鄰另一片段DNA鏈上的P末端連接起來，使二者生成磷酸二

9、酯鍵，從而將兩個片段的DNA鏈連接起來。除了上述的三種酶，DNA復(fù)制還需要一些其它的酶和蛋白質(zhì)因子，它們主要參與DNA的解旋和解鏈過程。因為DNA具有超螺旋結(jié)構(gòu)，復(fù)制時必然要松弛DNA模板的超螺旋結(jié)構(gòu)，并使DNA的雙鏈分開，暴露堿基，才能發(fā)揮模板作用。松弛DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的酶是拓?fù)洚悩?gòu)酶，解開DNA雙鏈的酶是解鏈酶。還有一些蛋白質(zhì)因子結(jié)合在解開的單鏈DNA鏈上，保持模板鏈處于單鏈狀態(tài)，便于復(fù)制，稱為DNA結(jié)合蛋白。DNA的復(fù)制過程十分復(fù)雜，大體可分為幾個階段：1起始與引物的合成。DNA復(fù)制有固定的起始部位，原核細(xì)胞中只有一個復(fù)制起始部位，而真核細(xì)胞DNA有多個復(fù)制起始部位。在起始部位首先起作用

10、的是DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶和解鏈酶，它們分別松弛DNA超螺旋結(jié)構(gòu)和解開一段雙鏈，并由DNA結(jié)合蛋白保護(hù)和穩(wěn)定解開的DNA單鏈，形成復(fù)制點，又稱復(fù)制叉。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步由引物酶起作用，合成引物RNA片段。引物的長短約為十多個至數(shù)十個核苷酸。2DNA片段的合成。這是DNA復(fù)制的核心內(nèi)容。在細(xì)胞內(nèi)，DNA的兩條鏈都可以作為模板，分別合成兩條新的DNA子鏈。由于DNA的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?，即一條鏈?zhǔn)?3，而另一條鏈則是35。但是，如上所述，DNA聚合酶催化DNA鏈的合成只能沿著53方向進(jìn)行，因此，解開雙鏈以后，在35方向的模板上可以反向平行的方式順利地按53方向合成新的DNA鏈。這條鏈?zhǔn)沁B續(xù)合成的（以35

11、方向鏈為模板，稱為前導(dǎo)鏈；而另一條鏈?zhǔn)遣贿B續(xù)合成的（以53方向鏈為模板），稱為隨從鏈。即在隨從鏈合成過程中，首先仍以53方向合成較短的DNA片段（由岡崎發(fā)現(xiàn)，故稱為“岡崎片段”），然后在DNA連接酶作用下，再將這些片段連接起來，形成完整的 DNA鏈。雖然隨從鏈的合成從總體來看是53方向，但每個岡崎片段的合成方向仍然是53。只有這樣才能使合成隨從鏈成為可能。正確理解隨從鏈合成在DNA復(fù)制中的作用，是本章的難點所在。3RNA引物的水解。DNA片段合成到一定長度后，鏈中的RNA引物即被核酸酶水解而除去。由此出現(xiàn)的缺口通過DNA片段的繼續(xù)延長而填補(bǔ)。4完整子代DNA分子的形成。隨從鏈中相鄰的兩個DNA

12、片段在DNA連接酶作用下連接起來，形成大分子DNA鏈，與其對應(yīng)的模板DNA鏈一起生成子代雙螺旋DNA，即完整的 DNA分子。合成的前導(dǎo)鏈也與其對應(yīng)的另一條模板DNA鏈生成另一個雙螺旋子代DNA分子。這兩個子代DNA與親代DNA的結(jié)構(gòu)完全相同，由此遺傳信息從親代傳遞給子代。DNA復(fù)制在細(xì)胞分裂周期的S期進(jìn)行。抑制DNA復(fù)制可以抑制細(xì)胞分裂，其些抗腫瘤藥物則是通過這個途徑而達(dá)到治療的目的。DNA的合成除了復(fù)制外，還可以RNA為模板合成DNA，這個過程稱為逆(反)轉(zhuǎn)錄。催化此反應(yīng)的酶是逆（反）轉(zhuǎn)錄酶。逆轉(zhuǎn)錄在病毒RNA的致癌過程中起重要作用。第十一章RNA的生物合成轉(zhuǎn)錄要求：掌握轉(zhuǎn)錄的原料、模板、酶

13、及轉(zhuǎn)錄的基本過程。熟悉編碼鏈、模板鏈、內(nèi)含子、外顯子的概念。提要：細(xì)胞中的RNA是以DNA為模板合成的。這種由DNA向RNA傳遞信息的過程，稱為轉(zhuǎn)錄。RNA的轉(zhuǎn)錄需要多種成分參與，包括DNA模板、四種三磷酸核糖核苷酸(NTP)，RNA聚合酶及某些蛋白質(zhì)因子等，總稱為轉(zhuǎn)錄體系。RNA合成需要DNA做為模板，根據(jù)堿基配對規(guī)律，按照DNA模板中核苷酸的排列順序，合成相應(yīng)核苷酸順序的RNA分子，即模板DNA分子中的A、G、C、T分別對應(yīng)合成 RNA分子中的U、C、G、A。由此，模板DNA的結(jié)構(gòu)決定著轉(zhuǎn)錄RNA的結(jié)構(gòu)，從而將遺傳信息傳遞給RNA(mRNA)?？梢姡D(zhuǎn)錄是基因表達(dá)的重要過程。細(xì)胞內(nèi)DNA的

14、雙鏈中只有一條鏈可以作為模板轉(zhuǎn)錄合成RNA，此鏈稱為模板鏈。轉(zhuǎn)錄本RNA的核苷酸序列與DNA模板鏈序列互補(bǔ)。DNA的另一條鏈無轉(zhuǎn)錄功能，稱為編碼鏈。此鏈的序列與轉(zhuǎn)錄本RNA鏈的序列基本相同，只是編碼鏈中的T相應(yīng)在轉(zhuǎn)錄本RNA中為U。由于轉(zhuǎn)錄本RNA編碼合成蛋白質(zhì)，故DNA的這條鏈命名為“編碼鏈”。與 DNA復(fù)制不同，轉(zhuǎn)錄是不對稱的（即只有一條鏈轉(zhuǎn)錄，而不是象復(fù)制中兩條鏈均可以用做模板）。這是轉(zhuǎn)錄的重要特點。需要指出的是，在一個包含多個基因的雙鏈DNA分子中，各個基因的模板鏈并不是全在同一條鏈上，在某個基因節(jié)段以某一條鏈為模板轉(zhuǎn)錄，而在另一個基因節(jié)段可由另一條鏈為模板。正確理解這一特點也十分重要

15、。轉(zhuǎn)錄是在DNA模板上的特定部位開始的。轉(zhuǎn)錄起始點之前有一段核苷酸序列組成的啟動子，是RNA聚合酶的識別和結(jié)合部位。啟動子在轉(zhuǎn)錄的調(diào)控中起著重要作用。在DNA模板上，從起始點順轉(zhuǎn)錄方向的區(qū)域稱為“下游”，從起始點開始與轉(zhuǎn)錄方向相反的區(qū)域稱為“上游”。在轉(zhuǎn)錄的DNA模板上，除了啟動子外，還有停止轉(zhuǎn)錄作用的部位，稱為終止信號。能轉(zhuǎn)錄出mRNA，然后指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的基因，稱為結(jié)構(gòu)基因。可見，轉(zhuǎn)錄過程是在模板的一定范圍內(nèi)進(jìn)行的，稱為轉(zhuǎn)錄單位。在模板DNA上，還有一些調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的區(qū)域，例如增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄作用的增強(qiáng)子和減弱轉(zhuǎn)錄作用的抑制子等。DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶是轉(zhuǎn)錄過程中最重要的酶，它催化核糖核苷酸之間

16、形成磷酸二酯鍵，合成RNA鏈。已知大腸桿菌的RNA聚合酶由五個亞基組成，全酶去除亞基 (又稱因子)后，稱為核心酶)。因子的作用是辨認(rèn)DNA模板上轉(zhuǎn)錄的啟動子，協(xié)助轉(zhuǎn)錄的起始。核心酶的作用是延長RNA鏈。某些藥物如利福霉素或利福平能特異抑制細(xì)菌的RNA聚合酶，從而發(fā)揮藥理作用。真核細(xì)胞中有三種RNA聚合酶，它們分別催化不同類型RNA的合成。轉(zhuǎn)錄過程大體分為三個階段，即起始、RNA鏈的延長和終止。與DNA復(fù)制不同的是：轉(zhuǎn)錄不需要引物；轉(zhuǎn)錄時堿基配對的規(guī)律是U代替T。轉(zhuǎn)錄時RNA鏈的合成也有方向性，即從端端進(jìn)行，這一點與復(fù)制類似。值得注意的是，轉(zhuǎn)錄生成的是RNA初級產(chǎn)物，即RNA的前體。真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄

17、的前體RNA均要經(jīng)過一系列酶的作用，進(jìn)行修飾加工，才能成為具有生物功能的成熟RNA，這個過程稱為轉(zhuǎn)錄后加工。mRNA的加工具有特別重要的意義，主要包括：1剪接，即切去前體RNA中的內(nèi)含子部分，而將外顯子拚接起來。在這里要正確理解內(nèi)含子和外顯子的概念。2在5端加一個特殊的“帽”結(jié)構(gòu)。3在端加多聚腺苷酸的“尾”結(jié)構(gòu)。4前體RNA鏈中堿基的修飾，最常見的是堿基甲基化。雖然mRNA，tRNA，rRNA的具體加工過程不同，但不外乎是鏈的剪切、拚接、末端添加核苷酸和堿基修飾等幾種基本方式。學(xué)習(xí)本章時，可與DNA復(fù)制進(jìn)行比較，便于理解和記憶。第十二章蛋白質(zhì)生物合成一翻譯要求：掌握蛋白質(zhì)生物合成的概況：原料、

18、三類RNA在蛋白質(zhì)生物合成中的作用、遺傳密碼的概念及其特點。熟悉蛋白質(zhì)合成的基本過程：氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運、肽鏈的起始、延長及終止；熟悉核蛋白體循環(huán)的概念。提要：蛋白質(zhì)的生物合成即翻譯過程，是以mRNA作為模板、由氨基酸通過肽鍵結(jié)合，形成特定多肽鏈的過程。由此，遺傳信息從mRNA的核苷酸排列序列傳遞到蛋白質(zhì)分子中相應(yīng)的氨基酸排列序列。20種a-氨基酸是蛋白質(zhì)合成的原料。mRNA、tRNA及rRNA均參與蛋白質(zhì)合成過程。此外還需要有關(guān)的酶、蛋白質(zhì)因子、ATP與GTP供能物質(zhì)以及必要的無機(jī)離子，總稱為蛋白質(zhì)合成體系。mRNA在蛋白質(zhì)合成中具有重要作用。mRNA分子中每相鄰的三個核苷酸編成一組，在蛋白

19、質(zhì)合成時，代表某一種氨基酸，稱為密碼子。共有64組密碼子，其中61組編碼氨基酸，還有起始密碼子和終止密碼子。密碼子具有方向性、不間隔性、通用性等特點。不同氨基酸所具有的密碼子數(shù)目不同，每一種氨基酸至少有1組密碼子。tRNA在蛋白質(zhì)合成中的作用是特異性轉(zhuǎn)運氨基酸，并通過tRNA的反密碼子與mRNA的密碼子配對結(jié)合，使氨基酸準(zhǔn)確地在mRNA密碼子上“對號入座”，保證了遺傳信息的傳遞。此外，反密碼子中的第一位堿基常出現(xiàn)次黃嘌呤 (I)，它與密碼子中的A、C、U均可形成氫鍵而結(jié)合，配對不甚嚴(yán)格。但是反密碼子中的第2、3位堿基與密碼子的第2、1位堿基的結(jié)合是嚴(yán)格遵守配對規(guī)律在氨基酸的轉(zhuǎn)運過程中，氨基酸t(yī)

20、RNA合成酶起著重要作用。由rRNA組成的核蛋白體是蛋白質(zhì)多肽鏈合成的場所，即“裝配機(jī)”。在蛋白質(zhì)合成過程中，上述三類RNA缺一不可。蛋白質(zhì)合成的過程包括氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運，肽鏈合成的起始、延長和終止。后三個過程總稱為核蛋白體循環(huán)。在多肽鏈合成過程中，轉(zhuǎn)肽酶起著重要作用。蛋白質(zhì)多肽鏈的合成是耗能、不可逆的過程，并且有方向性，即由N端向C端延伸。體內(nèi)蛋白質(zhì)合成的速度很快。多個核蛋白體可以同時利用同一條mRNA，構(gòu)成多核蛋白體，合成多條相同的多肽鏈，從而提高合成效率。第十三章基因表達(dá)調(diào)控與基因工程要求：掌握基因及基因表達(dá)的概念；掌握基因工程的基本概念及基本步驟。熟悉乳糖操縱子的概念。提要：一、基因

21、表達(dá)及乳糖操縱子基因表達(dá)就是指基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程。并非所有基因表達(dá)過程都產(chǎn)生蛋白質(zhì)分子，有些基因只轉(zhuǎn)錄合成RNA分子，如rRNA、tRNA等。這些基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過程也屬于基因表達(dá)。原核生物，如細(xì)菌調(diào)節(jié)基因表達(dá)是為適應(yīng)環(huán)境變化，調(diào)節(jié)代謝、維持細(xì)胞生長與分裂。真核生物，如動物乃至人類在環(huán)境變化及個體生長、發(fā)育的不同階段調(diào)節(jié)基因的表達(dá)既為調(diào)節(jié)代謝、適應(yīng)環(huán)境，也為維持生長、發(fā)育與分化。操縱子的概念：所謂操縱子就是由功能上相關(guān)的一組基因在染色體上串聯(lián)、共同構(gòu)成的一個轉(zhuǎn)錄單位。一個操縱子通常含一個啟動序列及數(shù)個可轉(zhuǎn)錄的編碼基因，除啟動序列和編碼序列，操縱子內(nèi)還含有其它具有調(diào)節(jié)功能的序列。乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)：大腸