第五章第二节基因教案.docx

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第五章第二节基因教案

第二节基因

教学目标：

1、掌握基因的定义和基因功能

2、了解原、真核生物的基因

3、理解细胞器基因

教学重点：

基因的定义和基因功能

教学难点：

1、基因功能

2、原、真核生物的基因

课时：

6课时

一、基因的分子生物学定义 

大家都知道，“种瓜得瓜，种豆得豆”。

这就是遗传的力量。

生物的繁衍生息和自身的成长过程都依赖于遗传信息的正确传递和使用。

基因，正是遗传信息的基本单位。

从生物学角度来说，基因是我们的遗传物质——脱氧核糖核酸（DNA）分子上携带有遗传信息的特定核苷酸序列，通过指导人体内重要物质（如蛋白质等）的合成来维持人体的正常生理功能。

一旦基因出现异常，往往会引起生物体自身出现异常、疾病，甚至死亡，并且这种缺陷有可能传递给下一代，使后代产生相似的状况。

因此，基因也可以看成是造成我们生老病死的“基本原因”。

基因是指DNA分子中能编码一条多肽链，并具有一定长度的片段。

编码：

用预先规定的方法将文字、数字或其他对象编成数码，或将信息、数据转换成规定的电脉冲信号。

编码是信息从一种形式或格式转换为另一种形式的过程。

基因是指DNA分子中具有功能活性的片段，基因不仅包含编码 RNA的核酸序列，还包括为保证转录所必需的调控序列。

由四个部分组成即：

前导区：

位于编码区的前面相当于mRNA起始密码5′端的非编译序列；

尾部区：

位于编码区之后，指mRNA分子3′端终止密码子后面的非翻译序列。

内含子：

位于编码序列之间，通常指基因中能被转录成前体转录物但却不能成为mRNA组成成分的序列。

外显子：

即编码序列，也就是DNA分子中编码mRNA某一部分序列的区域，转录时外显子与内含子均被转录在hnRNA中，然后经转录后的剪接加工过程，去除内含子结构部分，外显子转录再连接成一个完整的成熟的RNA分子。

基因的生物学定义：

一个基因决定一个性状。

二、基因的功能：

基因转录是在细胞核内进行的。

它是指以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则，合成RNA的过程。

转录产物有mRNA（信使核糖核酸）、rRNA（核糖体RNA）和tRNA（转运RNA）。

在合成时依赖于DNA的RNA聚合酶所催化。

编码mRNA的DNA模板先合成核内不均一的hnRNA（核内不均一RNA，简称为hnRNA是一种未成熟的单链信使核糖核酸），然后经过带帽、加尾和剪接等加工修饰成为成熟的mRNA、编码rRNA和tRNA的DNA模板则先分别转录成它们的前体，最后再加工修饰rRNA和tRNA。

一）基因转录的基本特征

基因的转录即为RNA的生物合成：

1）、RNA合成的前有体ATP、GTP、CTP和UTP四种5’核苷磷酸；

2）在聚合反应中，释放出焦磷酸，形成磷酸二酯键；

3）RNA链上的碱基G、A、C和U与DNA链上的C、T、G和A相互配对；

4）被转录的DNA双链中只有一条链作为模板，这一条模板链为反义链；

5）RNA链由5’——>3’方向延伸，RNA链与DNA模板链的方向相反；

6）与DNA聚合酶不同，RNA聚合酶能够从起始链合成，不需要引物的参与

7）只有5’核苷三磷酸参与RNA的合成，在起始是第一个引入的碱基是三磷酸形成，其3’OH基团是下一个核苷酸的连接点。

因此，延伸中RNA分子的5’端是三磷酸的形式。

RNA的合成包括4个阶段：

1）RNA聚合酶结合到模板的特定部位上

2）起始阶段

3）链的延长

4）链的终止和释放

起始阶段：

RNA聚合酶的σ亚基辨认DNA模板的起动基因，并以全酶形式与起动基因紧密结合，形成复合物，使DNA分子构象发生变化，起动部位碱基解开。

当RNA聚合酶进入起始位点后，就可催化四种核苷三磷酸分别结合到有意义链上，按碱基配对原则互相配对（A-U、C-G、T-A、G-C）。

不论原核细胞或真核细胞，一般新合成的第一个核苷酸往往是腺嘌呤核苷酸，当第二个核苷酸进入DNA模板时，与第一个3'-OH端形成3'，5'磷酸-二酯键，并释出焦磷酸。

RNA链开始延长，σ亚基即脱离复合物，并与新的核心酶结合，循环地参与起始位点（又称启动子）的辨认作用。

延长阶段：

核心酶在DNA链上每滑动一个核苷酸距离，即有一个与DNA链碱基互补的核苷三磷酸进入，与前一个核苷酸3'-OH形成3'，5'磷酸-二酯键。

核心酶如此不断滑动，RNA链就不断延长。

当DNA在另一区域解离时，被转录过的DNA区域又重新形成双股螺旋。

这是由于DNA-RNA双般螺旋不如DNA-DNA双股螺旋稳定之故。

　终止阶段：

DNA模板链上有终止信号，可被RNA聚合酶或ρ因子识别，并与之结合，核心酶不再向前滑动，RNA不再延长，转录终止。

新合成的RNA、核心酶和ρ因子都从模板DNA上释放出来。

核心酶可再与σ亚基结合，又可辨认起动基因合成新的RNA。

　　由于终止信号中有由GC富集区组成的反向重复序列，在转录生成的mRNA中有相应的发卡结构。

此发卡结构可阻碍RNA聚合酶的行进，由此而停止了RNA聚合作用。

　　如前所述，真核生物细胞有三种RNA聚合酶，分别负责细胞内三类基因的转录。

RNA聚合酶I（或C）都分布在核质。

前者催化mRNA前体的合成；后者催化tRNA和5SrRNA（是核糖体大亚基）前体的合成。

　　转录后生成的rRNA、tRNA和mRNA前体都需要经过加工处理，如断裂、拼接和改造等才能成为具有生物功能的RNA。

　二）、举例：

DNA：

5'-ATCGAATCG-3'（将此为非模板链）

3'-TAGCTTAGC-5'（将此为模板链）

转录出的 mRNA：

5'-AUCGAAUCG-3'

可看出只是将非模板链的T改为U，所以非模板链又叫有义链。

这也是中心法则和碱基互补配对原则的体现。

转录

三）转录过程特点

　　转录也是一种酶促的核苷酸聚合过程。

其与DNA复制过程比较，有许多相似之处，如都以DNA作模板，需核苷酸做原料，从5'到3'方向延长，遵守碱基配对原则，产物是很长的核苷酸链。

但也有其自身的特点，如模板只能以有意义链转录，原料是核糖核苷三磷酸，在碱基配对时，A与U配对，催化的酶是RNA聚合酶，从5'到3'方向连续合成等。

二、翻译——蛋白质的合成

翻译是指以mRNA为模板，把mRNA分子中4种核苷酸序列编码的遗传信息，解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序的过程，称为翻译。

翻译是包含起始、延长和终止的连续过程。

含义：

以碱基（A、G、C、T、U）组成的遗传信息，以遗传密码破读的手段转变为蛋白质的20种氨基酸的排列顺序。

遗传信息→DNA→mRNA为模板，加上rRNA,tRNA等，共同合成蛋白质。

对于终产物为RNA的基因，通过转录和转录后的处理，完成了基因表达的全过程；而对终产物为蛋白质的基因，还必须将mRNA翻译成蛋白质。

这一过程包括：

1）.起始复合物的形成，即p点为有一个起始tRNA分子，mRNA进入正确的位置以使起始密码与起始tRNA匹配；

2）.氨酰-tRNA复合物占据A点位；

3）.起始tRNA上的氨基酸转移到第二个氨基酸并与其共价结合，此时两个氨基酸都仍然连在各自的tRNA上；

4）.第一1个tRNA分子脱离P点位；

5）.A位点的氨酰-tRNA进入P位点；

6）.与第三个密码子对应的氨酰-tRNA占据A位点；

7）.过程不断继续，直至mRNA中出现的终止密码子到达A位点，然后从核糖体上释放处完成了的多肽链。

蛋白质生物合成可分为五个阶段：

a）氨基酸的活化

在蛋白质生物合成中，各种氨基酸在参入肽链之前必须先经活化，然后再由其特异的tRNA携带至核糖体上，才能以mRNA为模板缩合成肽链。

氨基酸活化后与相应的tRNA结合的反应，均是由特异的氨基酰-tRNA合成酶，催化完成的。

蛋白质合成的起始需要核糖体大小亚基、起始tRNA和几十个蛋白因子。

在mRNA编码区5'端形成核糖体-mRNA-起始tRNA复合物并将甲硫氨酸放入核糖体P位点。

tRNA在氨基酰-tRNA合成酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，并通过tRNA氨基酸臂的3‘-OH与氨基酸的羧基形成活化酯－氨基酰-tRNA。

氨基酰-tRNA的形成是一个两步反应过程：

第一步是氨基酸与ATP作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；

第二步是氨基酰基转移到tRNA的3'-OH端上,形成氨基酰-tRNA。

b）多肽链合成的起始

翻译起始是把带有甲硫氨酸的起始tRNA连同mRNA结合到核蛋白体上，生成翻译起始复合物。

此过程需多种起始因子参加。

c）肽链的延长

是指根据mRNA密码序列的指导，依次添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。

在多肽链上每增加一个氨基酸都需要经过进位，转肽和移位三个步骤。

（1）为密码子所特定的氨基酸tRNA结合到核蛋白体的A位，称为进位。

氨基酰tRNA在进位前需要有三种延长因子的作用，即，热不稳定的EF（Unstabletemperature,EF）EF-Tu,热稳定的EF（stabletemperatureEF,EF-Ts）以及依赖GTP的转位因子。

EF-Tu首先与GTP结合，然后再与氨基酰tRNA结合成三元复合物，这样的三元复合物才能进入A位。

此时GTP水解成GDP，EF-Tu和GDP与结合在A位上的氨基酰tRNA①核蛋白体“给位”上携甲酰蛋氨酰　基（或肽酰）的tRNA②核蛋白体“受体”上新进入的氨基酰tRNA;③失去甲酰蛋氨酰基（或肽酰）后，即将从核蛋白体脱落的tRNA;④接受甲酰蛋氨酰基（或肽酰）后已增长一个氨基酸残基的肽键

（2）转肽--肽键的形成（peptidebondformation）在70S起始复合物形成过程中，核糖核蛋白体的P位上已结合了起始型甲酰蛋氨酸tRNA，当进位后，P位和A位上各结合了一个氨基酰tRNA，两个氨基酸之间在核糖体转肽酶作用下，P位上的氨基酸提供α-COOH基，与A位上的氨基酸的α-NH2形成肽键，从而使P位上的氨基酸连接到A位氨基酸的氨基上，这就是转肽。

转肽后，在A位上形成了一个二肽酰tRNA（3）移位转肽作用发生后，氨基酸都位于A位，P位上无负荷氨基酸的tRNA就此脱落，核蛋白体沿着mRNA向3’端方向移动一组密码子，使得原来结合二肽酰tRNA的A位转变成了P位，而A位空出，可以接受下一个新的氨基酰tRNA进入，移位过程需要EF-2，GTP和Mg2+的参加（图9）。

以后，肽链上每增加一个氨基酸残基，即重复上述进位，转肽，移位的步骤，直至所需的长度，实验证明mRNA上的信息阅读是从5’端向3’端进行，而肽链的延伸是从氮基端到羧基端。

所以多肽链合成的方向是N端到C端。

d）肽链的终止和释放

当核蛋白体A位出现mRNA的终止密码后，多肽链合成停止，肽链从肽酰－tRNA种释出，mRNA、核蛋白体大小亚基等分离，这些过程称为肽链合成终止。

终止密码子进入A位点，无相应tRNA与之结合，RF在GTP下识别终止密码子结合于A位肽基转移酶被激活，催化P位上的肽酰－tRNA酯键水解，使肽基与水分子结合多肽链合成终止，新生肽链和tRNA从P位上释放，核糖体大小亚基分离，进入新一轮循环

e）蛋白质合成后的加工修饰

从核糖体上释放出来的多肽链，按照一级结构中氨基酸侧链的性质，自竹卷曲，形成一定的空间结构，过去一直认为，蛋白质空间结构的形成靠是其一级结构决定的，不需要另外的信息。

近些年来发现许多细胞内蛋白质正确装配都需要一类称做“分了伴侣”的蛋白质帮助才能完成，这一概念的提出并未否定“氨基酸顺序决定蛋白空间结构”这一原则。

而是对这一理论的补充，分子伴侣这一类蛋白质能介导其它蛋白质正确装配成有功能活性的空间结构，而它本身并不参与最终装配产物的组成。

目前认为“分子伴侣”蛋白有两类，第一类是一些酶，例如蛋白质二硫键异构酶可以识别和水解非正确配对的二硫键，使它们在正确的半胱氨酸残基位置上重新形成二硫键，第二类是一些蛋白质分子，它们可以和部分折叠或没有折叠的蛋白质分子结合，稳定它们的构象，免遭其它酶的水解或都促进蛋白质折叠成正确的空间结构。

总之“分子伴侣”蛋白质合成后折叠成正确空间结构中起重要作用，对于大多数蛋白质来说多肽链翻译后还要进行下列不同方式的加工修饰才具有生理功能

1.氨基端和羧基端的修饰在原核生物中几乎所有蛋白质都是从N-甲酰蛋氨酸开始，真核生物从蛋氨酸开始。

甲酰基经酶水介而除去，蛋氨酸或者氨基端的一些氨基酸残基常由氨肽酶催化而水介除去。

包括除去信号肽序列。

因此，成熟的蛋白质分子N-端没有甲酰基，或没有蛋氨酸。

同时，某些蛋白质分子氨基端要进行乙酰化在羧基端也要进行修饰。

2.共价修饰许多的蛋白质可以进行不同的类型化学基团的共价修饰，修饰后可以表现为激活状态，也可以表现为失活状态。

（1）磷酸化磷酸化多发生在多肽链丝氨酸，苏氨酸的羟基上，偶尔也发生在酪氨酸残基上（磷酸化分子式如下图），这种磷酸化的过程受细胞内一种蛋白激酶催化，磷酸化后的蛋白质可以增加或降低它们的活性，例如：

促进糖原分解的磷酸化酶，无活性的磷酸化酶b经磷酸化以后，变居有活性的磷酸化酶a。

而有活性的糖原合成酶I经磷酸化以后变成无活性的糖原合成酶D，共同调节糖元的合成与分介。

（2）糖基化质膜蛋白质和许多分泌性蛋白质都具有糖链，这些寡糖链结合在丝氨酸或苏氨酸的羟基上，例如红细胞膜上的ABO血型决定簇。

也可以与天门冬酰胺连接。

这些寡糖链是在内质网或高尔基氏体中加入的（见下图）。

（3）羟基化胶原蛋白前α链上的脯氨酸和赖氨酸残基在内质网中受羟化酶、分子氧和维生素C作用产生羟脯氨酸和羟赖氨酸，如果此过程受障碍胶原纤维不能进行交联，极大地降低了它的张力强度。

（4）二硫键的形成：

mRNA上没有胱氨酸的密码子，多肽链中的二硫键，是在肽链合成后，通过二个半胱氨酸的疏基氧化而形成的，二硫键的形成对于许多酶和蛋白质的活性是必需的。

3.亚基的聚合：

有许多蛋白质是由二个以上亚基构成的，这就需这些多肽链通过非共价键聚合成多聚体才能表现生物活性。

例如成人血红蛋白由两条α链，两条β链及四分子血红素所组成，大致过程如下：

α链在多聚核糖体合成后自行释下，并与尚未从多聚核糖体上释下的β链相连，然后一并从多聚核糖体上脱下来，变成αβ二聚体。

此二聚体再与线粒体内生成的两个血红素结合，最后形成一个由四条肽链和四个血红素构成的有功能的血红蛋白分子。

4.水解断链：

一般真核细胞中一个基因对应一个mRNA，一个mRNA对应一条多肽链，但也有少数的情况，即一种三思而行翻译后的多肽链经水解后产生几种不同的蛋白质或多肽。

例如哺乳动物的鸦片样促黑皮激素原初翻译产物为265个氨基酸，它在脑下垂体前叶细胞中，POMC初切割成为N-端片断和C端片段的β-促脂解激素。

然后N端片段又被切割成较小的N端片断和工9肽的促肾上腺皮质激素。

而在脑下垂体中叶细胞中，β-促脂解激素再次被切割产生β-内啡肽；ACTH也被切割产生13肽的促黑激素。

三、原核生物基因

原核生物只有一个染色体即一个核酸分子（DNA或RNA）大多数为双螺旋环状结构，少数是单螺旋线状结构。

蛋白质和RNA也是基因组织的成分，这些成分对于维持DNA分子形成环状结构是必需的随着重组DNA技术的发展，对基因组结构进一步的了解，发现原核生物具有以下特征：

1功能相关的基因一般高度集中，组成操纵子（是指数个功能上相关的结构基因串联在一起，构成信息区，连同其上游的调控区以及下游的转录终止信号所构成的基因表达单位）的形式。

同一个操纵子中的基因共同转录成一个多顺反子单顺反子就是只编码一条多肽链的顺反子，多存在真核生物内。

多顺反子就是编码多条多肽链的顺反子，多存在于原核操作子内。

2编码蛋白质的基因是单拷贝基因单拷贝就是指基因组中拷贝数目少，只有1个或几个的基因。

3RNA基因多是多拷贝基因多拷贝就是相对来说数量多点的基因，像组蛋白的基因。

。

4绝大多数的基因是连续的，结构基因之间少有居间序列。

细菌中的75%DNA是用来编码基因的，另外的25%是基因间DNA，与染色体的复制、染色体DNA的包装等有关。

5基因DNA序列中几乎没有或很少内含子

6基因组中重复序列少。

7单个染色体成环状。

8几乎所有的细菌都有染色体外的基因，存在于质粒中，是对染色体基因的补充

四、真核生物基因特点

1真核细胞基因转录产物为单顺反子（即一个基因编码一条多肽链或RNA链，每个基因转录有各自的调节元件。

）。

而原核细胞多为多顺反子（即若干个基因由一个启动子控制，转录在一条mRNA上）。

2存在重复序列，重复次数可达百万次以上

3基因组中不编码的区域多于编码区域。

4多数基因含有内含子，是断裂基因，DNA中的内含子在转录后要被除去。

5基因组中有基因家族存在。

♦基因的不连续性

♦基因家族：

真核细胞的基因组中有许多来源相同、结构相似、功能相关的基因

♦重复基因结构:

中度重复和高度重复序列

五、细胞器基因

染色体外的基因主要存在于线粒体、叶绿体以及细菌的质粒等中，

（1）线粒体

线粒体中DNA含有的基因的遗传方式是母性遗传，或叫做非孟得尔遗传

（2）叶绿体

叶绿体的基因的特征在许多方面与线粒体中的基因有类似的特点：

（1）大多数植物的叶绿体中含有的基因数目大致相同，为200个左右，包括rRNA基因、tRNA基因以及核糖体蛋白质基因和与光合作用有关的一些蛋白质的基因。

（2）高等植物中的叶绿体DNA一般为140kb左右，低等植物为200kb。

（3）各种生物的叶绿体基因非常保守，基因编码光合作用有关的蛋白，有的基因有内含子。

（4）基因组是双链环状，没有组蛋白，不形成超螺旋。

（5）叶绿体中含有的基因均是多拷贝的，具体数目在物种之间存在差异。

（6）叶绿体基因工程