基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成

基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成

第一節(jié)基因及其功能第二節(jié)基因轉錄和轉錄后加工第三節(jié)蛋白質(zhì)的生物合成

第四節(jié)基因表達信息的調(diào)控及應答內(nèi)容基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成第一節(jié)基因及其功能一、基因基因（gene）是細胞內(nèi)遺傳物質(zhì)的最小功能單位，是負載有特定遺傳信息的DNA片段。基因組(genome)是指含有一個生物體生存、發(fā)育、活動和繁殖所需要的全部遺傳信息的整套核酸?；蛐畔⒌暮侠韨鬟f與蛋白質(zhì)的合成原核細胞：編碼區(qū)能夠轉錄為相應的mRNA，進而指導蛋白質(zhì)的合成的基因區(qū)段，在原核細胞中是連續(xù)的。

非編碼區(qū)不能轉錄為mRNA編碼蛋白質(zhì)的區(qū)段，由編碼區(qū)上游和下游的DNA序列組成。該區(qū)不能編碼蛋白質(zhì)，但有許多調(diào)控遺傳信息表達的核苷酸序列，在遺傳信息的表達中起重要作用。基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成真核細胞：由編碼區(qū)和非編碼區(qū)兩部分組成，編碼區(qū)是間隔的、不連續(xù)的。

1.斷裂基因(splitgene)由若干內(nèi)含子和外顯子構成的不連續(xù)鑲嵌結構的結構基因。內(nèi)含子(intron)是指插入在結構基因內(nèi)部能夠被轉錄，但不能指導蛋白質(zhì)生物合成的非編碼順序。外顯子(exon)是指在結構基因中能夠被轉錄，并能指導蛋白質(zhì)生物合成的編碼順序。

基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成2.外顯子－內(nèi)含子接頭每個外顯子和內(nèi)含子接頭區(qū)的一段高度保守順序,即內(nèi)含子5′末端大多數(shù)是GT開始，3′末端大多是AG結束，稱為GT-AG法則。3.側翼順序第一個外顯子和最后一個外顯子的外側的一段不被翻譯的非編碼區(qū)。4.啟動子（promoter，P）確保轉錄精確而有效地起始的DNA序列?；蛐畔⒌暮侠韨鬟f與蛋白質(zhì)的合成5.增強子能增強基因轉錄的DNA序列，不具有啟動子的功能，但能增強或提高啟動子的活性。6.沉默子（silencer）是負性調(diào)節(jié)元件，當其結合特異蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用。7.終止子具有轉錄終止的功能。基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成

遺傳信息通過DNA﹑RNA和蛋白質(zhì)的單向流動，稱為分子生物學的中心法則（centraldogma）。后來發(fā)現(xiàn)逆轉錄酶能催化以RNA為模板合成DNA的過程，證明了遺傳信息亦可反向轉錄，即從RNA→DNA，這是對中心法則的有益補充。

中心法則二、“中心法則”闡明細胞內(nèi)遺傳信息流基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成第二節(jié)基因轉錄和轉錄后加工一﹑轉錄過程需要諸多因素參與

轉錄（transcription）以DNA為模板，RNA聚合酶催化合成RNA分子的過程。轉錄的實質(zhì)就是將DNA的遺傳信息傳遞給RNA分子?；蛐畔⒌暮侠韨鬟f與蛋白質(zhì)的合成

基因轉錄的特點：（1）合成RNA的底物是5′-三磷酸核糖核苷（2）在RNA聚合酶的作用下形成磷酸二酯鍵（3）RNA堿基順序由模板DNA堿基順序決（4）被轉錄的區(qū)域都以單鏈為模板（5）RNA合成的方向是5′→3′（6）RNA合成中不需要引物基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成(一)DNA鏈是基因轉錄的模板

模板鏈（templatestrain）能指引轉錄生成RNA的DNA單鏈模板鏈，也稱有意義鏈（sensestrain）或Watson鏈。編碼鏈（codingstrain）相對于模板鏈不能指引轉錄的另外一股DNA單鏈，又稱反義鏈（antisensestrain）或Crick鏈。不對稱轉錄基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成

（二）

RNA聚合酶是基因轉錄的關鍵酶

亞基數(shù)目分子量功能α2236512決定轉錄的特異性β1150618與轉錄全過程有關β′1155613結合DNA模板δ170263辨認起始點大腸桿菌RNA聚合酶組分和功能

真核生物的RNA聚合酶種類細胞內(nèi)定位轉錄產(chǎn)物RNA聚合酶Ⅰ核仁45S-rRNARNA聚合酶Ⅱ核質(zhì)hnRNARNA聚合酶Ⅲ核質(zhì)5S-rRNA、tRNA、snRNA線粒體RNA聚合酶線粒體線粒體的RNA葉綠體RNA聚合酶葉綠體葉綠體的RNA基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成（三）DNA模板上啟動子是控制轉錄的關鍵部位

啟動子決定轉錄的起始位點和轉錄的方向，啟動轉錄的開始。基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成

二﹑基因轉錄過程包括三個階段

㈠轉錄起始復合物的形成標志轉錄開始

轉錄起始復合物：RNA聚合酶（全酶）﹑DNA鏈和新鏈前兩個核苷酸。

轉錄的起始基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成㈡轉錄空泡是轉錄延伸階段的主要形式

轉錄延伸階段的主要形式是轉錄空泡（transcriptioncomplex）。轉錄空泡示意圖基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成㈢原核生物的轉錄終止包括兩種方式

1.依賴ρ因子的轉錄終止

2.非依賴ρ因子的轉錄終止

ρ因子參與的轉錄終止過程RNA的發(fā)卡結構與轉錄終止基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成

真核生物的轉錄同樣可分為起始、延長和終止3個階段。與原核生物相比，真核生物轉錄的主要特點是：

1.有多種RNA聚合酶分別合成不同類別的RNA2.有多種類型的啟動子為不同的RNA聚合酶所用

3.有多種轉錄因子

4.真核生物于轉錄時或轉錄后有廣泛的RNA加工基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成

初級轉錄產(chǎn)物(primarytranscripts)是指轉錄生成的RNA。其不一定是成熟的RNA分子，常要有一個加工修飾過程，才能生成成熟的RNA分子。

轉錄后加工(post-transcriptionalprocessing)即將新生的、無活性的RNA初級產(chǎn)物轉變成有活性的成熟RNA的過程，也叫RNA的成熟。三﹑初級轉錄產(chǎn)物經(jīng)過加工具有活性基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成真核細胞RNA的轉錄后加工

基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成㈠hnRNA進行首尾修飾和內(nèi)含子剪切后轉變?yōu)槌墒斓膍RNA

1.5′端帽子結構生成mRNA成熟的真核生物，其結構5′端都有一個m7GpppG...結構，該結構被稱為甲基鳥苷的帽子。四、真核生物轉錄后的加工基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成2.PolyA尾的生成polyA尾的有無與長短是維持mRNA作為翻譯模板活性和增加mRNA穩(wěn)定性的重要因素。真核生物mRNA5′端帽子結構和PolyA尾的生成基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成

3.hnRNA的剪接

hnRNA經(jīng)轉錄最初生成的mRNA前體，其分子量常比成熟mRNA大幾倍或幾十倍。剪接作用在所謂剪接體(splicesome)中進行，剪接體由多種snRNA和幾十種蛋白質(zhì)組成?；蛐畔⒌暮侠韨鬟f與蛋白質(zhì)的合成

剪接部位在內(nèi)含子末端的特定位點，即5′↓GV，AG↓3′。卵清蛋白基因轉錄及加工過程基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成（二）前體tRNA的轉錄后加工

1.tRNA前體的剪切

2.tRNA前體的化學修飾

3.3′端加上CCA

tRNA的轉錄后加工基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成（三）核酶參與了rRNA的轉錄后加工rRNA進行的是自我剪接，表明RNA分子也具有酶的催化活性。這種有酶催化活性的RNA分子被命名為核酶（ribozyme）。

核酶的發(fā)現(xiàn)，對中心法則作了重要補充核酶的發(fā)現(xiàn)是對傳統(tǒng)酶學的挑戰(zhàn)利用核酶的結構設計合成人工核酶

基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成第三節(jié)蛋白質(zhì)的生物合成一﹑翻譯是蛋白質(zhì)合成過程

將核酸中由4種核苷酸序列編碼的遺傳信息通過遺傳密碼破譯的方式解讀為蛋白質(zhì)一級結構中20種氨基酸的排列順序的過程叫做翻譯?；蛐畔⒌暮侠韨鬟f與蛋白質(zhì)的合成（一）核蛋白體是肽鏈合成的場所核蛋白體由rRNA和幾十種蛋白質(zhì)組成的亞細胞顆粒，位于胞質(zhì)內(nèi)。

可分為兩類：附著于糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，主要參與白蛋白、胰島素等分泌性蛋白質(zhì)的合成；游離于胞質(zhì)，主要參與細胞固有蛋白質(zhì)的合成。糙面內(nèi)織網(wǎng)上的核糖體基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成真核生物與原核生物核蛋白體成分的比較基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成

核蛋白體大、小亞基上有許多活性蛋白是參與蛋白質(zhì)生物合成過程的酶和蛋白質(zhì)因子結合位點位點（peptidyl-tRNAsite）位點（Aminoacyl-tRNAsite）

4.轉肽酶（transpeptidase）活性部位

5.結合參與蛋白質(zhì)合成的因子基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成(二)mRNA是合成蛋白質(zhì)的直接模板

mRNA分子上以5′→3′方向，從AUG開始每三個連續(xù)的核苷酸組成一個密碼子，mRNA中的四種堿基可以組成64種密碼子。基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成遺傳密碼有如下特點:1.通用性2.方向性3.簡并性4.連續(xù)性5.起始密碼子和終止密碼子基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成氨基酸的密碼表基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成（三）tRNA是活化和轉運氨基酸的工具tRNA的二級結構基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成（四）若干酶類和因子參與蛋白質(zhì)生物合成1.氨基酰-tRNA合成酶氨基酸在組成多肽之前，必須先經(jīng)過氨基酰-tRNA合成酶催化并與其特異的tRNA結合。2.轉肽酶（transpeptidase）使大亞基P位上肽酰-tRNA的肽?；D移到A位上氨基酰-tRNA的氨基上，結合成肽鍵，使肽鏈延長?；蛐畔⒌暮侠韨鬟f與蛋白質(zhì)的合成3.其他因子①蛋白質(zhì)因子：起始因子﹑延長因子﹑終止因子等；②無機離子：如鎂離子﹑鉀離子等；③供能物質(zhì)：如ATP﹑GTP等?；蛐畔⒌暮侠韨鬟f與蛋白質(zhì)的合成㈠氨基酸活化及轉運

氨基酸+tRNA+ATP→氨基酰tRNA+AMP+PPi

氨基酰-tRNA合成酶二﹑蛋白質(zhì)合成的一般過程基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成㈡翻譯起始復合物的形成

起始階段指大亞基、小亞基、mRNA和具有啟動作用的起始氨基酰-tRNA聚合為起始復合物的過程?；蛐畔⒌暮侠韨鬟f與蛋白質(zhì)的合成

大腸桿菌細胞翻譯起始復合物的形成大腸埃希菌細胞翻譯起始復合物形成的過程：

1.核糖體30S小亞基附著于mRNA起始信號部位前起始復合物的形成起始復合物的形成基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成（三）肽鏈的延長（核蛋白體循環(huán)過程）核蛋白體循環(huán)（ribosomecirculation）肽鏈延長在核蛋白體上連續(xù)循環(huán)進行，所以這個過程又稱核蛋白體循環(huán)每經(jīng)過一個循環(huán)肽鏈增加一個氨基酸核蛋白體循環(huán)包括進位（register）、成肽(peptideformation)、轉位(transposition)三個步驟基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成（四）肽鏈合成終止過程

1.終止密碼的辨認

2.肽鏈和mRNA等釋出

3.核糖體大小亞基解聚

肽鏈合成的終止過程基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成（五）多核糖體循環(huán)

在生物細胞內(nèi)進行蛋白質(zhì)合成時，每分子mRNA上同時結合著多個核蛋白體，可以在一條mRNA鏈上同時合成多條相同的多肽鏈，大大提高了翻譯的效率?；蛐畔⒌暮侠韨鬟f與蛋白質(zhì)的合成三﹑肽鏈合成后進行加工和輸送㈠肽鏈合成后的加工、修飾

1.肽鏈氨基端的修飾

2.共價修飾⑴磷酸化⑵糖基化⑶羥基化⑷二硫鍵的形成

3.輔助因子的連接和亞基聚合

4.多肽鏈的水解修飾

基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成

蛋白質(zhì)合成后運送到相應功能部位，稱為蛋白質(zhì)的靶向運輸按功能和去向分成兩類：

1.分泌蛋白由結合于糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的核蛋白體合成

2.分布于胞質(zhì)、線粒體及核內(nèi)蛋白由游離核蛋白體合成㈡蛋白質(zhì)經(jīng)過靶向運輸?shù)教囟▍^(qū)域發(fā)揮生物學活性基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成靶向輸送蛋白信號序列或成分分泌蛋白信號肽內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔蛋白信號肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列)線粒體蛋白N端靶向序列（20～35氨基酸殘基）核蛋白核定位序列（NLS）（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40T抗原）過氧化酶體蛋白-Ser-Lys-Leu-（PST序列）溶酶體蛋白Man-6-P（甘露糖-6-磷酸）靶向輸送蛋白的信號序列或成分基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成分泌性蛋白的信號肽形成和靶向運輸基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成第四節(jié)基因表達信息的調(diào)控及應用

一﹑基因信息表達受到嚴密精確的調(diào)控㈠基因表達調(diào)控是發(fā)育分化和適應的需要

基因表達(geneexpression)是指儲存遺傳信息的基因經(jīng)過一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整個過程。典型的基因表達是基因經(jīng)過轉錄、翻譯，產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的過程?；蛘{(diào)控分為正調(diào)控和負調(diào)控。㈡基因表達具有時間性和空間性㈢基因表達調(diào)控是多環(huán)節(jié)、多步驟的過程基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成㈣基因表達包括組成性表達和可誘導/阻遏表達兩種方式

1.組成性表達(constitutiveexpression)指不易受環(huán)境變動而變化的一類基因表達，例如管家基因。

2.適應性表達(adaptiveexpression)指環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成二﹑轉錄水平調(diào)控在基因表達中發(fā)揮重要作用

㈠多種要素參與了基因轉錄調(diào)控

1.特異DNA序列操縱子（operon）由一組結構基因加上其上游的調(diào)控區(qū)組成。順式作用元件（cis－actingelement）是指特異性轉錄因子的結合位點或DNA序列。

2.調(diào)節(jié)蛋白

聚合酶基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成㈡基因轉錄調(diào)節(jié)包括多種常見模式1.乳糖操縱子（lacoperon）的表達調(diào)控模式⑴阻遏蛋白的調(diào)控基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成⑵CAP的正性調(diào)控⑶協(xié)調(diào)調(diào)控機制基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成2.色氨酸操縱子（trpoperon）的表達調(diào)控模式⑴色氨酸操縱子的負性調(diào)控基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成⑵衰減子及其作用色氨酸操縱子的操縱基因O與結構基因E之間是L基因，或稱前導序列（leader）。在L基因內(nèi)，距E基因上游端約30～60個核苷酸短序列能使基因表達衰減，故稱衰減子（attenuator）。衰減作用使轉錄開始后還沒有進入第一個結構基因時便終止?；蛐畔⒌暮侠韨鬟f與蛋白質(zhì)的合成3．真核生物RNA聚合酶的轉錄調(diào)控（1）真核生物RNA聚合酶Ⅱ的轉錄調(diào)控

TFⅡD組成成分TBP識別TATA盒或啟動元件，TAF參與結合，形成TFⅡD-啟動子復合物；在TFⅡA～F等基本轉錄因子的參與下，RNA聚合酶Ⅱ與TFⅡD、TFⅡB聚合，形成一個功能性的前起始復合物PIC。（2）真核生物RNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ的轉錄調(diào)控依賴于DNA調(diào)控元件與轉錄因子之間的特異DNA-蛋白質(zhì)相互作用?；蛐畔⒌暮侠韨鬟f與蛋白質(zhì)的合成㈠原核生物翻譯水平調(diào)節(jié)自我控制（autogenouscontrol）反義調(diào)控(antisensecontrol)

三﹑翻譯水平調(diào)控㈡真核生物翻譯水平調(diào)節(jié)真核生物翻譯水平調(diào)節(jié)點主要在起始階段，通過磷酸化調(diào)節(jié)起始因子活性。㈢泛素-蛋白酶體在蛋白質(zhì)的降解中發(fā)揮作用基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成四、其他幾種重要的調(diào)控機制㈠噬菌體調(diào)控策略使λ噬菌體維持溶源發(fā)育㈡DNA重排是基因活性調(diào)節(jié)的一種方式㈢微小RNA基因調(diào)節(jié)機制是一新的調(diào)控理論基因信息的合理傳遞與蛋白質(zhì)的合成五﹑基因信息表達調(diào)控的醫(yī)學應用

蛋白質(zhì)生物合成是很多天然抗菌藥和某些毒素的作用靶點。它們通過阻斷真核、原核生物蛋白質(zhì)翻譯體系某組分功能，干擾和抑制蛋白質(zhì)生物合成過程而起作用。

針對蛋白質(zhì)生物合成必需的關鍵組分作為研究新抗菌藥物的作用靶點。同時利用真核、原核生物蛋白質(zhì)合成體系的任何差異，以設計、篩選僅對病原微生物特效而不損害人體的藥物?；蛐畔⒌暮侠韨鬟f與蛋白質(zhì)的合成

抗菌藥(