遗传信息传递.docx

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遗传信息传递

第11章遗传信息的传递

学习目标

2掌握DNA的复制过程。

3掌握DNA、RNA和蛋白质合成的原料和主要酶类。

4掌握遗传信息的传递流程。

5理解DNA的修复种类和修复的意义。

6理解转录、翻译的过程和蛋白质合成与医学的关系。

7了解转录后加工过程和转录的调控。

DNA是遗传的主要物质，遗传信息以碱基排列顺序的方式贮藏在DNA分子中。

基因（gene）是编码生物活性物质的DNA片断。

DNA通过复制把遗传信息由亲代传递给子代，通过转录将遗传信息传递到RNA分子上，后者指导蛋白质的生物合成，这一过程称为翻译。

遗传信息传递的这种规律称为中心法则（centraldogma）。

70年代Temin和Baltimore分别从致癌RNA病毒中发现逆转录酶，可以RNA为模板指导DNA的合成，遗传信息的传递方向和上述转录过程相反，故称为逆转录（reversetranscription），并发现某些病毒中的RNA也可以进行复制，这样就对中心法则提出了补充和修正，修正与补充后的中心法则如图11-l。

DNA为主导的中心法则是单向的信息流，体现了遗传的保守性；补充修正后的中心法则，使RNA也处于中心地位，预示着RNA可能有更广泛的功能。

2DNA的生物合成（复制）

一、DNA的复制

（一）DNA复制的方式

Watson和Crick在提出DNA双螺旋结构模型时即推测，在DNA复制过程中，两条螺旋的多核苷酸链之间的氢键断开，然后以每条链各作为模板在其上合成新的互补链。

这样新形成的两个子代DNA分子与原来DNA分子的碱基顺序完全相同。

每个子代DNA分子的一条链来自于亲代，而另一条链则是新合成的产物，这种复制方式称为半保留复制。

1958年经Messelson与Stahl实验证实了Watson和Crick的DNA半保留复制假说。

他们将细菌培养在以15NH4Cl为唯一氮源的培养基中，经多代培养之后，细胞内所有的DNA是含15N的重DNA，其密度比普通14N－DNA的密度大，在密度梯度离心时，15N－DNA形成的区带在14N－DNA形成的区带下放。

然后把含15N的细菌转入14N的培养基中培养，让细胞生长几代，并在不同时间取样进行分析。

实验结果表明，第一代之后，DNA只出现一条区带，位于15N－DNA和14N－DNA之间，这条区带的DNA是由14N－DNA和15N－DNA组成的。

经两代之后，出现二条区带，一条为14N－DNA，另一条为14N－15N－DNA。

三代后，则14N－DNA分子逐渐增多，而14N－15N－DNA分子不再增加，这些结果及解释可用图11－2来表示，证明DNA的复制是以半保留复制的方式进行的。

图11－2DNA半保留复制的实验图解

（二）参与DNA复制的酶类

复制是在酶催化下的核苷酸聚合过程，需要多种酶和蛋白质因子参与。

1．DNA聚合酶DNA聚合酶又称DNA指导的DNA聚合酶（DNAdirectedDNApolymerase,DDDP）。

在大肠杆菌提取液中发现了三种DNA聚合酶，分别称为DNA聚合酶Ι、Ⅱ、Ⅲ。

它们都是以DNA为模板催化DNA合成的酶。

DNA聚合酶Ι是一条单链多肽，其功能有：

①催化DNA沿5’→3’方向延长。

②具有3’→5’外切酶的活性。

③5’→3’外切酶活性。

DNA聚合酶Ⅱ的作用尚不完全清楚。

DNA聚合酶Ⅲ是复制时起主要作用的酶，催化反应速度最快，每分钟能催化9000个核苷酸聚合。

在大肠杆菌体内，大多数新的DNA链的合成都是由聚合酶Ⅲ所催化的。

DNA聚合酶Ⅲ也有3’→5’核酸外切酶的活性，能切除错配的核苷酸。

在真核细胞中含有数种DNA聚合酶，主要有α、β、γ、δ等四种，DNA聚合酶α和δ是DNA复制时起主要作用的酶，DNA聚合酶β有最强的核酸外切酶活性，DNA聚合酶γ存在于线粒体内，参与线粒体DNA的复制。

2．引物酶引物酶（primase）是一种特殊的RNA聚合酶。

在DNA复制过程中，需要合成一小段RNA作为引物（primer），此RNA引物的碱基与DNA模板是互补的。

引物酶即催化引物的合成。

3．解旋和解链酶类细胞内DNA复制时必须先解开DNA的超螺旋与双螺旋结构。

解链酶、拓扑异构酶、单链结合蛋白可完成该作用。

4.DNA连接酶催化以氢键结合于模板DNA链的两个DNA片段连接起来，但并没有连接单独存在的DNA单链的作用。

DNA连接酶不但是DNA复制所必需的，而且也是在DNA损伤的修复及重组DNA中不可缺少的酶。

（三）DNA的复制过程

1．起始DNA复制的起始先要解开DNA双螺旋，这主要靠解链酶和拓扑异构酶使DNA先解开一段双链，形成复制点，由于每个复制点的形状象一个叉子，故称复制叉（replicationfork）。

由于单链结合蛋白的结合，引物酶以解开DNA双链的一段DNA为模板，以核苷三磷酸为底物，按5’3’方向合成一小段RNA引物（5~100个核苷酸）。

引物3’-OH末端就是合成新的DNA的起点。

图11-3

引《生物化学与分子生物学》P239图12-8

2．延伸在RNA引物的3’-OH末端，DNA聚合酶Ⅲ催化四种脱氧核苷三磷酸，分别以DNA的两条链为模板，同时合成两条新的DNA链。

由于DNA分子的两条链是反向平行的，而新链的合成方向必须按5’3’方向进行，因此，新合成的链中有一条链合成方向与复制叉前进方向一致，故合成能顺利地（的）连续进行，此链称为领头链；而另一条链合成方向与复制叉前进方向相反，称随从链。

随从链是不连续合成的，这些不连续的DNA片段称冈崎片段。

当冈崎片段延长至一定长度，直到前一个RNA引物的5’-末端为止，然后在DNA聚合酶Ι的作用下，水解除去RNA引物，并依据模板的碱基顺序，填补降解引物后留下的空隙。

3．终止复制叉中，领头链可以不断地延长，随从链是分为冈崎片段来延长的。

在DNA聚合酶Ι的作用下，冈崎片段的引物被切除，并由DNA聚合酶Ι催化填补空隙，此时第一个片段的3’-OH端和第二个片段的5’-P端仍是游离的，DNA连接酶在这个复制的最后阶段起作用，把片段之间所剩的小缺口通过生成磷酸二酯键而接合起来，成为真正连续的子链。

二、DNA的损伤与修复合成

在DNA复制的过程中，DNA可能发生自发突变。

环境因素，如电离辐射、紫外线照射、化学诱变剂及致癌病毒等也常能引起DNA分子的突变。

DNA分子结构的任何异常改变都可看作是DNA损伤。

生物体内有修复系统可使受损伤的DNA得以修复，以保持机体的正常功能和遗传的稳定性。

如果损伤未能修复，可以导致生物体某些功能的缺失或死亡，也可以通过DNA的复制将变异传给子代DNA，造成基因突变。

基因突变在物种的变异和进化上有十分重要的意义。

基因突变也是分子病和细胞癌变的重要原因。

（一）DNA的损伤

某些物理及化学因素，如紫外线、电离辐射、化学诱变剂等，都能使DNA在复制过程中发生突变，这一过程叫DNA损伤。

其实质就是DNA分子上碱基改变造成DNA结构和功能的破坏。

主要机制如下：

1．紫外线照射引起DNA分子中相邻的胸腺嘧啶碱基之间形成二聚体，从而使DNA的复制和转录受到阻碍。

2．某些化学诱变剂，例如碱基的类似物5-溴尿嘧啶和2-氨基嘌呤可掺入到DNA分子中，并引起特异的碱基转换突变，干扰DNA的复制。

3．抗生素及其类似物，如放线菌素D、阿霉素等，能嵌入DNA双螺旋的碱基对之间干扰DNA的复制及转录。

此外还有脱氨基物质、烷化剂、亚硝酸盐等均可阻碍DNA的正常复制和转录。

（二）DNA损伤的修复

5光修复可见光能激活光复活酶，催化胸腺嘧啶二聚体分解为单体。

光复活酶几乎存在于所有的生物细胞中（图11-6）。

图11-6

引《生物化学与分子生物学》P243图12-10

2．切除修复是人体细胞内DNA的主要修复机制，需要特异的核酸内切酶、DNA聚合酶I和DNA连接酶等参与。

其作用机制如图11-7。

图11一7

引《生物化学与分子生物学》P243图12-11

3．重组修复当DNA损伤范围较大，复制时损伤部位不能作为模板指导子链的合成，即在子链上形成缺口。

这时可以通过重组作用，将另一股正常的母链填补到该缺口，而正常母链上又出现了缺口，但因有正常子链作为模板可在DNA聚合酶I和连接酶的作用下，使母链完全复原（图11-8）。

图11-8

引《生物化学与分子生物学》P244图12-12

DNA损伤的修复是生物体的一项重要功能。

DNA修复能力的异常可能与衰老和某些疾病（如肿瘤）的发生有关。

第二节RNA的生物合成（转录）

生物体以DNA为模板再合成一条与DNA链互补的RNA链，此过程即为转录。

通过转录，生物体的遗传信息由DNA传递给RNA。

DNA分子上的遗传信息是决定蛋白质氨基酸顺序的原始模板，通过转录产生的mRNA是蛋白质合成的直接模板，指导合成mRNA的DNA区段称为结构基因，转录的产物还有tRNA和rRNA，他们不是翻译的模板，但参与蛋白质的合成。

转录与复制有相似之处，如合成方向都是5’→3’，核苷酸都以磷酸二酯键连接，但仍有不同。

主要区别如下：

1．转录所用原料是四种三磷酸核苷（NTP）。

2．转录中合成RNA时以尿嘧啶（U）与腺嘌呤（A）配对。

3．不是DNA双链中的两股都可以转录，DNA双链在转录中只有一条链起模板作用称为模板链，与其互补的相应链则不具备指导转录的作用称为编码链。

DNA双链分子包含许多基因，而各个基因的模板链不都在同一股DNA链上，这种现象称为不对称转录。

不对称转录现象说明：

①当DNA分子上一股链可转录时，另一股链不被转录；②模板链并非永远在同一股链上。

4．参与转录的酶为RNA聚合酶，合成起始阶段不需要引物。

1RNA聚合酶

RNA聚合酶又称为DNA指导的RNA聚合酶（DNAdirectedRNApolymerase，DDRP），原核细胞只有一种RNA聚合酶，由五个亚基（β’βα2σ）组成全酶。

σ亚基功能是辨认起始点，脱离了σ亚基的剩余部分β’βα2称为核心酶。

真核细胞RNA聚合酶有三种，分别为RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，他们专一地转录不同的基因，产生不同的产物。

2转录的过程

（一）起始阶段

转录是在DNA模板的特殊部位开始的，此部位称为启动子，位于转录起始点上游。

σ亚基无催化作用，与模板DNA启动子结合，能识别转录起始位点。

当RNA聚合酶滑动到起始位点后，RNA聚合酶与模板之间形成疏松复合物。

进入互补的第一、第二个三磷酸核苷，在RNA聚合酶的催化下形成3’，5’-磷酸二酯键，同时释放出焦磷酸，通常RNA链由ATP或GTP起始，所以ATP或GTP就成为RNA链的5’-端。

（二）延长阶段

当第一个3’,5’-磷酸二酯键形成时，σ因子便脱落下来。

RNA链的延伸即完全由核心酶催化。

核心酶沿DNA模板链的3’→5’方向移动，按碱基配对原则合成RNA链，RNA链的延伸是按5’→3’方向进行的。

在转录过程中，核心酶沿DNA模板链的3’→5’方向推进，待转录的DNA双螺旋循序松解，转录完毕的DNA双链又形成螺旋结构。

同时，在DNA模板链上正在延伸的RNA链从5’-末端开始逐步地从DNA模板链上游离出来（图11－10）。

图11－10转录的延长阶段

（三）终止阶段

待核心酶沿模板3’→5’方向滑行到终止信号时，转录即告终止。

原核生物转录终止有二种类型：

一种是不依赖ρ因子的终止，由于终止区域富含CG碱基重复序列，使新合成的RNA链形成发夹样结构，阻止RNA聚合酶的滑动，RNA链的延伸即终止；另一类是依赖ρ因子的转录终止，ρ因子进入终止区域，能与RNA链结合，它能利用ATP水解释放的能量使RNA链释放。

转录终止后，核心酶从DNA模板上脱落下来，与σ因子结合重新形成全酶，开始一条新的RNA链合成。

图11－11