第一章 微生物的信息儲(chǔ)存與傳遞

1、 第一章 微生物的信息儲(chǔ)存與傳遞一、教學(xué)大綱要求1. 掌握脫氧核糖核酸(DNA)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象，熟悉DNA的包裝與復(fù)制。2. 掌握RNA的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)錄過(guò)程，3. 掌握基因調(diào)控的基本特點(diǎn)，熟悉乳糖操縱子和色氨酸操縱子調(diào)控的特點(diǎn)。掌握蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)，熟悉蛋白質(zhì)的合成過(guò)程。【教材內(nèi)容精要】一、DNA(一)DNA結(jié)構(gòu)和構(gòu)象脫氧核糖核酸(DNA)是所有生命細(xì)胞的遺傳物質(zhì)，其基本重復(fù)單位是脫氧核糖核苷酸，它由一個(gè)五碳脫氧核糖、磷酸基和4種含氮堿基中的一種堿基組成。這4種堿基是胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)、腺嘌呤(A)和鳥(niǎo)嘌呤(G)。核苷酸通過(guò)磷酸二酯鍵連在一起形成分子骨架。兩股反方向平行的DNA鏈通過(guò)非共價(jià)

2、的氫鍵結(jié)合形成雙螺旋。C與G、A與T相對(duì)。A：T和G：C的相互作用叫作互補(bǔ)堿基配對(duì)。細(xì)胞內(nèi)多數(shù)DNA都是B型DNA。這是一種右手螺旋，每10個(gè)堿基成一個(gè)螺旋。DNA分子中有大溝和小溝。(二)DNA的定量與標(biāo)識(shí)DNA的重量用道爾頓(dalton)來(lái)計(jì)，長(zhǎng)度用微米或堿基對(duì)(bp)數(shù)來(lái)計(jì)。另一種標(biāo)識(shí)方法是53方向的分子堿基序列。通常只需列出一個(gè)鏈的序列，另一條鏈可以通過(guò)互補(bǔ)堿基配對(duì)推算出來(lái)。(三)單倍體雙倍體原核與真核的DNA組裝過(guò)程不同。細(xì)菌是單倍體(haploid，monoploid)，只有一個(gè)拷貝的一個(gè)染色體，分散在細(xì)胞質(zhì)中。真核細(xì)胞的DNA以一定數(shù)量的染色體形式位于細(xì)胞核中，被核膜與細(xì)胞質(zhì)隔

3、開(kāi)。每個(gè)染色體都有兩個(gè)拷貝(雙倍體)。真核細(xì)胞通過(guò)有絲分裂保證每個(gè)后代細(xì)胞都得到每個(gè)染色體的一個(gè)拷貝，通過(guò)減數(shù)分裂產(chǎn)生繁殖用單倍體配子。 (四)DNA的包裝DNA通過(guò)引入超螺旋，使分子結(jié)構(gòu)更緊密。引入超螺旋的酶叫做拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomerases)。在原核生物中，DNA與蛋白質(zhì)和RNA結(jié)合，形成具有獨(dú)立超螺旋的4050個(gè)環(huán)，這種結(jié)構(gòu)有時(shí)叫做擬核(nucleoid)。在真核生物中，DNA與蛋白質(zhì)形成染色體位于細(xì)胞核內(nèi)。這里DNA蛋白質(zhì)復(fù)合體叫做染色質(zhì)(chromatin)。染色質(zhì)的初級(jí)結(jié)構(gòu)是DNA纏繞在組蛋白上，形成一個(gè)鏈叫核小體(nucleosomes)。該鏈進(jìn)一步纏繞成螺線(xiàn)管。第三級(jí)

4、結(jié)構(gòu)是DNA與非組蛋白支架蛋白結(jié)合，形成緊密濃縮結(jié)構(gòu)，叫做分裂中期染色體。(五)DNA復(fù)制 DNA復(fù)制是通過(guò)底物上的堿基與模板DNA鏈裸露的堿基互補(bǔ)配對(duì)，以原DNA鏈為模板合成新DNA鏈的過(guò)程。因?yàn)樾碌腄NA鏈?zhǔn)怯梢粭l舊鏈和一條新合成的鏈組成，所以又叫半保留復(fù)制(semiconservative replication)。1.復(fù)制泡 復(fù)制的第一階段包括對(duì)復(fù)制起點(diǎn)的識(shí)別，在細(xì)菌染色體上只有一個(gè)，叫oriC。多蛋白復(fù)合體結(jié)合此位點(diǎn)，打開(kāi)螺旋并啟動(dòng)復(fù)制。DNA合成發(fā)生在兩條母鏈上，并且雙向延伸形成電鏡下呈“”型的結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為復(fù)制泡(replication bubble)。DNA合成所在的兩個(gè)位點(diǎn)被稱(chēng)為

5、復(fù)制叉。復(fù)制叉沿著DNA鏈前進(jìn)，一邊解開(kāi)DNA雙鏈，一邊合成兩條新的DNA互補(bǔ)鏈并將其后的DNA鏈重新形成絞鏈，直到兩個(gè)復(fù)制叉在終止點(diǎn)相遇。此時(shí)復(fù)制完成的兩個(gè)環(huán)形DNA仍連在一起，只有當(dāng)拓?fù)洚悩?gòu)酶在DNA雙鏈上形成缺口后才得到兩個(gè)獨(dú)立的DNA分子。2.DNA聚合酶 細(xì)菌中負(fù)責(zé)DNA合成的酶是DNA聚合酶，另外DNA聚合酶I也起一定作用，并參予DNA的修復(fù)過(guò)程。新合成的DNA鏈沿53方向延伸。DNA聚合酶還具有核酸外切酶活性，它可以從53及35雙向切除核苷酸，故DNA聚合酶具有校對(duì)作用，使DNA合成中的錯(cuò)誤率(亦即突變率)達(dá)到10-8以下。 3.引物 RNA聚合酶(引物酶)可在DNA合成起始點(diǎn)產(chǎn)

6、生一段與DNA模板鏈配對(duì)的RNA片段(即引物)。RNA聚合酶不需3-OH基團(tuán)來(lái)起始RNA的合成，DNA的合成在DNA聚合酶達(dá)到一個(gè)引物后停止，DNA聚合酶從鏈上釋放，而由DNA聚合酶I結(jié)合在其位點(diǎn)上。DNA聚合酶I具有35的核酸外切酶活性，脫氧核苷酸鏈上的缺口由DNA連接酶來(lái)連接。4.前導(dǎo)鏈和滯后鏈 由于DNA只能在53的方向上合成，因此只有一條鏈可持續(xù)地合成，這條鏈被稱(chēng)作前導(dǎo)鏈。而另一條鏈則被稱(chēng)作滯后鏈，它只能以許多小片段(岡崎片段)的形式合成。因此滯后鏈需不斷地起始合成，而該功能由引發(fā)體來(lái)行使，這些片段的連接是通過(guò)DNA聚合酶切除RNA引物和DNA連接酶封閉缺口來(lái)完成的。5.真核生物的復(fù)制

7、 真核生物和原核生物復(fù)制的最大區(qū)別是其更大的基因組和其線(xiàn)性排列。真核生物復(fù)制的特點(diǎn)：染色體上有許多復(fù)制起點(diǎn)；前導(dǎo)鏈和滯后鏈由不同的DNA聚合酶合成。其岡崎片段較原核生物小；由于在滯后鏈上持續(xù)起始DNA的合成，其存在著不被復(fù)制的末端序列(又稱(chēng)端粒，telomeres)。因此染色體會(huì)不斷縮短，只有含RNA序列的端粒酶(telomerase)可以解決這個(gè)問(wèn)題。端粒酶可通過(guò)添加大量的六聚寡核苷酸來(lái)延伸染色體末端，并以此作為模板進(jìn)行DNA復(fù)制。6.滾環(huán)式復(fù)制 常發(fā)生在噬菌體和病毒中，其機(jī)制是：DNA中的一條鏈產(chǎn)生缺口來(lái)提供3-OH基團(tuán)，在解旋酶和單鏈結(jié)合蛋白(SSB)作用下產(chǎn)生一個(gè)復(fù)制叉，有缺口的鏈被置

8、換。脫氧核苷酸被加入到3-OH基團(tuán)產(chǎn)生一條前導(dǎo)鏈，被置換的鏈作為滯后鏈合成的模板。但在有些噬菌體等，這種復(fù)制可以持續(xù)合成超過(guò)一個(gè)環(huán)狀DNA長(zhǎng)度的叫作串聯(lián)體的多基因組長(zhǎng)度的線(xiàn)性細(xì)長(zhǎng)分子。二RNA(一)細(xì)胞中的RNA分子1RNA的結(jié)構(gòu)RNA與DNA不同的是它含有核糖而非脫氧核糖、它含有尿嘧啶(U)而不是胸腺嘧啶(T)。RNA常為一條單鏈分子，但它也可形成雙鏈二級(jí)結(jié)構(gòu)。2細(xì)胞中的RNA分子核糖體RNA(rRNAs) 含量最豐富，參與蛋白合成。rRNA通過(guò)大小及沉降系數(shù)進(jìn)行分類(lèi)，rRNA序列高度保守。轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNAs)可將核酸序列轉(zhuǎn)換為相應(yīng)氨基酸序列。信使RNA(mRNAs)它們產(chǎn)生于DNA的轉(zhuǎn)

9、錄(transcription)并作為蛋白合成的模板。3具催化功能的RNA分子有些RNA具有酶催化活性(有時(shí)稱(chēng)之為核酶，ribozymes)。其中最常見(jiàn)的是內(nèi)含子，它可以將自身從轉(zhuǎn)錄的RNA上切除并將相鄰兩個(gè)外顯子拼接在一起。(二)轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄是指以DNA為模板，在RNA聚合酶作用下，利用三磷酸核苷酸為底物，合成mRNA和穩(wěn)定RNA分子的過(guò)程。1.DNA依賴(lài)型RNA聚合酶蛋白質(zhì)通過(guò)信使RNA(mRNA)來(lái)實(shí)現(xiàn)從DNA編碼合成。RNA的合成過(guò)程稱(chēng)作轉(zhuǎn)錄，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄的酶稱(chēng)作RNA聚合酶。RNA合成的機(jī)制與DNA復(fù)制相似，是聚合產(chǎn)生一個(gè)與DNA分子互補(bǔ)的核苷酸序列。在真核生物中一個(gè)mRNA分子僅攜帶一個(gè)基

10、因產(chǎn)物的信息；而在細(xì)菌中一個(gè)mRNA分子中可含多個(gè)基因信息，這些多順?lè)醋觤RNAs(polycistronic mRNAs)是由細(xì)菌基因組的組裝所決定的，需要同步發(fā)揮作用的基因產(chǎn)物形成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單元以便協(xié)同調(diào)控其合成過(guò)程。這些轉(zhuǎn)錄單元被稱(chēng)作操縱子(operons)。RNA聚合酶結(jié)合在基因或操縱子起始信號(hào)的特異位點(diǎn)被稱(chēng)為啟動(dòng)子(promoter)。真細(xì)菌只有一種DNA依賴(lài)型RNA聚合酶；而真核生物至少有三種RNA聚合酶，分別稱(chēng)之為I，。它們負(fù)責(zé)不同核區(qū)的不同類(lèi)型的轉(zhuǎn)錄作用。古細(xì)菌有許多與真核RNA聚合酶相似的RNA聚合酶，大腸桿菌完整的RNA聚合酶(又稱(chēng)作全酶，holoenzyme)包含有五個(gè)亞基

11、：兩個(gè)亞基，、及亞基各一個(gè)。其中亞基(又稱(chēng)因子)與啟動(dòng)子的結(jié)合是轉(zhuǎn)錄精確起始所必需的，但它在核心酶(包含2、亞基)合成RNA鏈進(jìn)行轉(zhuǎn)錄起始后馬上脫落被釋放下來(lái)。一個(gè)細(xì)菌可有多種識(shí)別不同啟動(dòng)子序列的因子。與原核RNA聚合酶不同的是，真核生物的RNA聚合酶需要附加的轉(zhuǎn)錄因子來(lái)協(xié)助RNA合成的起始。2.轉(zhuǎn)錄過(guò)程轉(zhuǎn)錄分為三個(gè)階段： (1)起始：RNA聚合酶識(shí)別并結(jié)合到啟動(dòng)子上，打開(kāi)DNA螺旋堿基暴露，產(chǎn)生一個(gè)單鏈的模板，這個(gè)結(jié)構(gòu)被稱(chēng)作“轉(zhuǎn)錄泡”。最初的兩個(gè)核苷酸進(jìn)入復(fù)合體并與模板發(fā)生堿基配對(duì)，RNA聚合酶在兩個(gè)核苷酸間形成磷酸二酯鍵并釋放一個(gè)焦磷酸。(2)延伸：因子從酶復(fù)合體上釋放，RNA聚合酶核心酶

12、沿DNA模板前行。解開(kāi)一小段DNA、合成一互補(bǔ)的RNA片段。RNA以53方向合成，當(dāng)轉(zhuǎn)錄泡沿著DNA模板前進(jìn)時(shí)，新合成的RNA從DNA上解離下來(lái)，于是在轉(zhuǎn)錄泡后面的DNA重新形成螺旋。(3)終止：DNA中一段特殊序列可作為基因結(jié)束的信號(hào)，于是轉(zhuǎn)錄停止。RNA聚合酶和新合成的mRNA鏈從DNA上釋放下來(lái)。其中作為RNA合成模板的那條DNA鏈被稱(chēng)為反義鏈，而與RNA鏈具相同序列的非模板鏈被稱(chēng)作有義鏈。3.啟動(dòng)子啟動(dòng)子含有與RNA聚合酶結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的保守序列，很多啟動(dòng)子在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游有兩個(gè)保守DNA序列。若以第一個(gè)被轉(zhuǎn)錄的堿基作為+1位，在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游區(qū)域相應(yīng)值為負(fù)數(shù)，則這兩個(gè)保守序列分別被

13、稱(chēng)作-10和-35保守區(qū)，。經(jīng)常被轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)子叫作強(qiáng)啟動(dòng)子，一般含有與共有序列相當(dāng)接近的-10和-35序列，而弱啟動(dòng)子則與共有序列有很大區(qū)別。此外，調(diào)控轉(zhuǎn)錄的序列也存在于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的上游區(qū)域。4.RNA的加工在細(xì)菌中，編碼蛋白的mRNA在翻譯前不需任何加工作用，蛋白可在核糖體結(jié)合位點(diǎn)(即翻譯起始信號(hào))被轉(zhuǎn)錄且RNA聚合酶從上面游離下來(lái)后迅速啟始合成。 在真核生物中，大多數(shù)蛋白編碼基因含有在翻譯成的蛋白中不存在的序列，稱(chēng)之為內(nèi)含子(introns)。轉(zhuǎn)錄后的mRNA中這些序列被剪除，而僅留下稱(chēng)之為外顯子 (exons) 的蛋白編碼序列。真核mRNA還需要5端加入甲基化鳥(niǎo)嘌呤帽和3端加一連串腺嘌

14、呤尾(聚腺苷酸尾)的進(jìn)一步修飾過(guò)程。與原核生物不同，真核生物中的轉(zhuǎn)錄和翻譯發(fā)生在細(xì)胞不同的區(qū)域。三基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)(gene expression)調(diào)控作用貫穿于細(xì)胞中遺傳信息的整個(gè)流通過(guò)程：轉(zhuǎn)錄、mRNA的后加工、mRNA的轉(zhuǎn)換、翻譯和酶作用過(guò)程。調(diào)控大多發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，即調(diào)控蛋白通過(guò)調(diào)節(jié)RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合，影響RNA合成的數(shù)量來(lái)進(jìn)行調(diào)控。(一)調(diào)控的基本特點(diǎn)1有些基因始終表達(dá)，這類(lèi)基因稱(chēng)作組成型基因；而僅在需要時(shí)才表達(dá)的基因稱(chēng)為誘導(dǎo)型基因。2調(diào)控是特異的。3調(diào)控系統(tǒng)中有檢測(cè)細(xì)胞當(dāng)前狀況的傳感途徑及產(chǎn)生反應(yīng)開(kāi)啟(或關(guān)閉)基因轉(zhuǎn)錄的效應(yīng)途徑。4調(diào)控可以是正調(diào)控，也可以是負(fù)調(diào)控。正調(diào)

15、控由激活蛋白(也稱(chēng)轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)蛋白，apoinducer)來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行。負(fù)調(diào)控的基因表達(dá)通常是開(kāi)放的，除非有阻遏子(repressor)作用才會(huì)關(guān)閉。5基因可以處于多種調(diào)控系統(tǒng)的作用之下。(二)乳糖操縱子lac操縱子包括三個(gè)結(jié)構(gòu)基因：lacZ、lacY和lacA。它們共用一個(gè)啟動(dòng)子Plac進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，分別依次編碼：-半乳糖苷酶、乳糖透過(guò)酶及乳糖轉(zhuǎn)乙酰酶。這些酶僅在培養(yǎng)基中有乳糖而缺乏葡萄糖的情況下才需要。因此lac操縱子在兩個(gè)水平上受到調(diào)控，一個(gè)為負(fù)調(diào)控系統(tǒng)，由阻遏子(LacI蛋白)在乳糖缺乏關(guān)閉基因；另一個(gè)為總體性的調(diào)控系統(tǒng)，即降解物阻遏(catabolite repression)，它只在葡

16、萄糖濃度下降到一定程度后才開(kāi)放基因表達(dá)。(三)色氨酸操縱子trp(色氨酸)操縱子編碼在色氨酸合成中起作用的酶。該操縱子在多種不同的水平上進(jìn)行調(diào)控：它有一種負(fù)調(diào)控機(jī)制，其阻遏子叫輔助阻遏子(aporepressor，阻遏物蛋白又稱(chēng)原阻遏物，無(wú)活性)，它只有在輔(助)阻遏物(corepressor) 色氨酸存在下才能抑制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行。而在色氨酸缺乏時(shí)，阻遏子失活基因表達(dá)。另外，色氨酸基因表達(dá)還受弱化子的調(diào)控，即在色氨酸存在時(shí)轉(zhuǎn)錄提前終止。四 蛋白質(zhì)細(xì)胞內(nèi)的遺傳信息決定多肽序列并組成蛋白質(zhì)，氨基酸序列決定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、受修飾的特征、在細(xì)胞內(nèi)外的位置及功能。(一)細(xì)胞中的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)由一條或多條具有三維

17、結(jié)構(gòu)的多肽鏈組成。多肽鏈由L型氨基酸通過(guò)肽鍵連成序列，有機(jī)體中的蛋白質(zhì)由相同的20種氨基酸組成。氨基酸的性質(zhì)和排列決定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。 ( 二)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)有四級(jí)結(jié)構(gòu)：1一級(jí)結(jié)構(gòu)靠肽鍵連接而成的氨基酸線(xiàn)性序列構(gòu)成了多肽。每條多肽鏈具有一個(gè)氨基末端(N-末端)和一個(gè)羧基末端(C-末端)。蛋白質(zhì)的最終結(jié)構(gòu)取決于組成它的氨基酸的側(cè)鏈基團(tuán)。2二級(jí)結(jié)構(gòu)多肽鏈中氨基酸間的氫鍵使蛋白質(zhì)表現(xiàn)出規(guī)律的構(gòu)象。最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)是-螺旋和-折疊。3三級(jí)結(jié)構(gòu)在氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)間不同的弱鍵作用下，蛋白質(zhì)形成三級(jí)結(jié)構(gòu)。弱鍵鞏固了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)：非極性基團(tuán)間的疏水作用、離子鍵、氫鍵、范德華力。 4四級(jí)結(jié)構(gòu) 當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)由一條以

18、上多肽鏈組成時(shí)，即為四級(jí)結(jié)構(gòu)。四級(jí)結(jié)構(gòu)的鍵與三級(jí)結(jié)構(gòu)的鍵相同。這些多肽鏈經(jīng)折疊、修飾形成最終的蛋白質(zhì)。(三)翻譯1.遺傳密碼在mRNA中三堿基序列叫做一個(gè)密碼子(codon)，編碼某種氨基酸。每一氨基酸可被1至6個(gè)密碼子編碼，有些密碼子是蛋白質(zhì)合成起始和終止的信號(hào)。遺傳密碼在生物系統(tǒng)中通用。tRNA上有三堿基序列叫做反密碼子(anticodon)，它可與mRNA上的密碼子序列配對(duì)，連于tRNA另一端的是相應(yīng)于密碼子的某個(gè)氨基酸。細(xì)胞中蛋白質(zhì)的合成過(guò)程被稱(chēng)為翻譯(translation)。2.核糖體核糖體的作用是結(jié)合mRNA與tRNA的復(fù)合物，使氨基酸間形成肽鍵，保證蛋白質(zhì)合成的精確度。核糖體由大、小兩個(gè)亞基組成，其成分是rRNA和蛋白質(zhì)。核糖體及其中的mRNA分子大小常用沉降系數(shù)來(lái)表示。其數(shù)值與該物質(zhì)的大小、形狀及密度有關(guān)。原核與真核生物的核糖體在大小、亞基等方面有差異(表1-1)。某些作用于細(xì)菌核糖體的抗生素，對(duì)真核細(xì)胞無(wú)作用。表1-1 原核與真核生物核糖體的比較 核糖體原核生物(70S)真核生物(80S)核糖體亞基30S(小)50S(大)40S(小)60S