第2章 遗传物质的分子基础

第 2 章 遗传物质的分子基础

第 2 节 核酸的化学结构

染色体

DNA （ 27 ％）

蛋白质（ 66％）

RNA （ 6 ％）

组蛋白（含量比较稳定，与 DNA大致相等）

非组蛋白

碱基结构

核苷和核苷酸

磷酸二脂键

DNA分子结构和表示方法

DNA双螺旋结构

右手螺旋 反 向 平 行

（ antiparallel ） 内侧是扁平的盘状碱基 两 条 链 的 碱 基 以 氢 键

（ hydrogen bond）与互补碱基相连

A ＝ T； C≡ G 上下碱基对相距 0.34nm 每 个 螺 旋 长

3.4nm， 10bp，直径 2nm 大沟（ major groove ）

和 小 沟 （ minor groove）

氢 键

DNA结构模型

DNA结构示意图

碱基排列顺序的多样性

DNA分子是由 A-T 和 C-G两种 bp连接起来的，每个 DNA分子一般有成千上万个 bp

在 每 一 个 位 置 上 只 有 4 种 可 能 ： A 、T、 C、 G

假设 DNA 分子长 1000bp ，就可能有 41000种不同的排列形式， 41000种不同的分子结构

反映出来的就可能是 41000种不同性质的基因。

生物体的碱基顺序是稳定的

对特定的生物体来说， DNA分子中的碱基顺序通常是保持不变，这样才能保持该遗传特性的稳定

只有在特殊的条件下，改变其碱基顺序或用碱基类似物代替某一碱基时，才出现可遗传的变异（突变）

核苷酸和脱氧核苷酸

RNA结构

tRNA 结构

tRNA分子中含有稀有碱基

tRNA的三维结构

第 3 节 DNA 复制DNA replication

DNA复制的一般特点

• 原料： dNTP ，互补配对原则

• 半保留复制

• 半不连续复制

• 需要引物

• 新链的延伸方向只能是 5' →3'

半保留复制 semiconservative

replication

复制起始点

• 复制起始点 replication origin， ori DNA分子的复制是在特定位置开始的，这个位点称为复制起始点。

• 原核生物 DNA只有一个复制起始点。

• 真核生物 DNA有多个复制起始点。

复制子 replicon

•一个复制起始点控制下复制的一段 DNA

•原核生物 DNA只有一个复制子

•真核生物每条染色体上有多个复制子

原核生物复制子

真核生物 DNA多复制起始点电镜图

复制叉 replication fork

• 半不连续复制

• 先导链

• 随后链

• 冈崎片断

• 引物 primer

原核生物 DNA复制

DNA复制所需要的酶 引物酶 primerase DNA聚合酶 DNA polymerase

DNA连接酶 DNA ligase 解旋酶 helicase 拓扑异构酶

DNA 复制过程

• 起始

• 延伸

• 终止

DNA复制小结

真核生物 DNA的复制特点

• 细胞周期的特定时期复制

• 多起点复制

• 冈崎片断较原核生物短

• 核小体全保留复制

• 染色体端粒的复制

细胞周期的特定时期复制

•原核生物在整个细胞生长过程中都可以进行 DNA复制

•真核生物 DNA 在 S 期复制

RNA 的复制

•有些病毒不含 DNA，以 RNA为遗传物质

• RNA在 RNA聚合酶作用下先合成“－”链

•“－”链从“＋”链模板上释放出来

•“－”链作为模板再合成“＋”链

端粒 DNA 的复制

• 真核生物DNA是线性的

• 线性 DNA末端不能复制

• 每复制一次DNA序列就要缩短一节！

端粒酶 telomerase

• 端粒酶是一种核糖核蛋白，含有一个 RNA分子

• 这个 RNA分子就是合成端粒序列的模板

• 在体细胞中，端粒酶是没有活性的，胚胎细胞和肿瘤细胞中有端粒酶活性

第 4 节 RNA 转录与加工

•转录 transcription：以 DNA为模板，在 RNA聚合酶的催化下，以ATP 、 CTP 、 GTP 和 UTP为原料，合成 RNA的过程。

•转录是基因表达的中心环节

RNA分类

• mRNA ， messenger RNA

• tRNA ， transfer RNA

• rRNA ， ribosomal RNA

rRNA的类型

•原核生物有 3 种 rRNA ： 5S 、 16S 、 23S

•真核生物有 4 种 rRNA ：5S 、 5.8S 、 18S 、 28S

RNA合成的一般特点

•不需要引物

•原料为 rNTP，不是 dNTP

•只有一条 DNA链用作模板

有关概念

•模板链 template strand•非模板链 nontemplate strand

•编码链 coding strand(有意义链）

•非编码链 nocoding strand

原核生物 RNA的合成

RNA 聚合酶

• 在 E.coli中• 全酶 holoenzyme α2ββ'σ

• σ 亚基的功能是识别转录起始点

• 核心酶 core enzyme α2ββ'

• RNA 链的延伸由核心酶催化

启动子 promotor

• DNA分子上 RNA聚合酶最先结合部位

• Promotor在转录起始点的上游

原核生物启动子由 2 个元件 3 个要素组成 1、－ 10序列（ Pribnow box ） 转录起始点上游－ 10 位置， consensus sequence是 TATAPuATG

2、－ 35序列（ Sextama box） RNA 聚合酶所覆盖的区域，共有序列是TTGACA，位于－ 35位置。

是 RNA 聚合酶对转录模板的初始识别位点，决定启动子的强度。

3、－ 10区和－ 35 区间的距离 两个元件之间的距离却至关重要 ; 相距17bp时，转录效率最高。

终止子 terminator

•提供转录终止信号的 DNA序列

•内在终止子，不依赖ρ因子

•依赖ρ因子的终止子

终止子的结构特征

• 发夹结构

• polyU序列

• 真正起终止作用的不是 DNA序列，而是转录生成的 RNA结构

转录泡

RNA的合成

• 起始

• 延伸

• 终止和释放

转录和翻译同时进行

在原核生物中，转录、翻译以及 mRNA的降解通常是同时进行的。

因为在原核生物中不存在核膜包裹的细胞核。RNA的转录和多肽链的合成都是从 5′→3′，只

要 mRNA的 5′端合成后，即可开始翻译。在原核生物中 mRNA的寿命一般只有几分钟。往往在 3′端 mRNA的转录还没有最后结束， 5′

端 mRNA在完成多肽链的合成后，已经开始降解。

真核生物 RNA的合成与加工

真核生物 RNA合成的特点 1：

真核生物 RNA的转录在细胞核内进行

转录完成后需要运送到核外，因此寿命较长

真核生物 RNA合成的特点 2：

真核生物一个 mRNA分子一般只含有一个基因

单顺反子 mRNA

原核生物中称为多顺反子 mRNA

真核生物 RNA合成的特点 3：

真核生物有几种 RNA聚合酶

RNA聚合酶Ⅰ 除 5S rRNA以外的所有 rRNA

RNA聚合酶Ⅱ mRNA前体（核不均一RNA， hnRNA)

RNA聚合酶Ⅲ 5SRNA、 tRNA、小核 RNA

真核生物 RNA合成的特点 4：

真核生物 RNA聚合酶不能独立转录 RNA

特定的基因需要特定的转录因子

真核生物 RNA合成的特点 5：

真核生物启动子结构复杂

不同的聚合酶使用的启动子不同不同的启动子含有的保守序列不同

RNA聚合酶Ⅱ 的启动子结构最复杂

真核生物启动子元件

真核生物 RNA合成后的加工

• rRNA转录后的甲基化

mRNA转录后的加工

加帽当 mRNA合成到 30b 时在 5′端加 7－甲基鸟嘌呤核苷5′－ 5′

加尾转录完成后，在特定位置切去一节，

加 polyARNA末端腺苷酸转移酶

帽子和尾巴对 mRNA的稳定性以及运输具有重要作用

剪接 splicing

成熟 mRNA与模板DNA的比较

第 5 节 遗传密码和蛋白质的翻译

遗传密码字典

遗传密码的主要特征

三联体密码密码子间无间隔，遗传密码的译读是连续的。密码子间存在简并现象（ degeneracy ） 最后一个碱基具有灵活性包含起始密码子和终止密码子 遗传密码子的通用性：除极少数情况外遗传密码从病毒到人类都是通用的

蛋白质的合成

蛋白质的生物合成称为翻译 translationmRNA携带从 DNA上转录的遗传密码附着在核糖体上，由 tRNA来运送氨基酸，按照 mRNA上的密码顺序，连接成多肽链，并进一步加工成有生物活性的蛋白质分子。

合成蛋白质的原料是 20 种氨基酸核糖体是合成蛋白质的场所氨基酸的顺序由 mRNA上的密码子决定

原核生物和真核生物核糖体比较

tRNA的二维结构

tRNA的三维结构

氨酰 tRNA合成酶

aminoacyl tRNA

synthetase

Aminoacyladenylic acid

腺苷酸化氨基酰

翻译起始

多肽链的延伸

多肽链的终止

•终止密码子 UAA UAG UGA

•多肽链释放因子•E.coli RF1 RF2

•真核生物 eRF•多肽链末端加 H2O

•多肽链离开 P 位•核糖体解体

多聚核糖体

思考题：

• 真核生物蛋白质合成的起始与原核生物有何不同？

多肽链的加工

刚刚合成的多肽链，很多不具有生物活性不同链的缔合共价修饰卷曲或折叠成为具有立体结构、有生物活性的蛋白质结构蛋白（作为细胞的组成部分）、功能蛋白（如血红蛋白等）、酶

血红蛋白的立体结构

中心法则 central dogma