高考生物生物化学讲义第九章基因信息的传递.docx

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高考生物生物化学讲义第九章基因信息的传递

（生物科技行业）生物化学讲义第九章基因信息的传递

第九章基因信息的传递

☞【目的和要求】

1.掌握DNA的复制的定义及特征。

2．熟悉参与DNA复制的酶及DNA复制过程。

3．掌握引发DNA损伤的因素和损伤的类型及修复。

4．掌握逆转录的定义，转录的定义及特点。

5．熟悉转录的过程和转录后的加工。

6．掌握参与蛋白质生物合成的物质及遗传密码的定义及特点。

7．掌握；，熟悉蛋白质生物合成的过程

8.了解蛋白质生物合成与医学的关系

【本章重难点】

1.DNA复制的定义、特征及过程。

2．转录的定义、特点及过程，转录后的加工。

3．遗传密码的定义、特点及三类RNA在蛋白质生物合成中作用。

4．蛋白质生物合成的过程。

学习内容

第一节DNA的生物合成

第二节RNA的的生物合成

第三节蛋白质的生物合成

第一节DNA的生物合成

一、DNA的复制：

以亲代DNA为模板合成子代DNA，将遗传信息准确地复制到子代DNA分子上的过程。

遗传中心法则：

1．DNA复制的特征

（1）半保留复制

（2）半不连续复制

（3）有特定的起始点（4）双向复制

2．参与DNA复制的物质

（1）模板：

DNA的两股链。

（2）底物：

四种dNTP（即dATP、dTTP、dCTP、dGTP）。

（3）引物：

RNA.。

（4）DNA聚合酶：

真核生物有五种：

DNA聚合酶α、β、γ、δ、ε；

原核生物的DNA聚合酶有：

polⅠ、polⅡ、polⅢ三类。

原核生物DNA聚合酶性质和功能比较

polⅠpolⅡpolⅢ

分子量109000120000400000

5′→3′聚合作用＋＋＋

3′→5′核酸外切酶作用＋＋＋

5′→3′核酸外切酶作用＋－＋

主要功能校读、填补空隙？

复制酶

切除引物

（5）引物酶：

一种RNA聚合酶。

能以DNA为模板，识别DNA复制的起始点，催化一段引物RNA的合成。

引物以氢键与模板结合。

（6）解链和解旋酶类：

①拓扑异构酶：

有内切酶、连接酶功能，分为酶Ⅰ、酶Ⅱ。

酶Ⅰ又称ω蛋白可切开一股链，不需消耗ATP。

酶Ⅱ又称旋转酶在消耗ATP的作用下，可切断双链，且分开双链。

②解链酶解开一个碱基对，消耗2个分子ATP。

作用在复制叉处，可沿模板随复制叉伸展（5′→3′）而移动。

③单链结合蛋白（SSB）稳定解开的单链DNA，阻止复性和保护单链部分不被核酸酶水解。

（7）DNA连接酶催化以氢键结合于模板DNA的两个DNA片段通过磷酸二酯键连接起来。

在DNA复制、修复和基因工程中起作用。

参加DNA复制酶的主要作用

作用分子量（万）

引物酶合成RNA引物6

解链酶解开DNA双链6.5

SSB稳定已解开的单链7.4

拓扑酶Ⅱ克服解链中的打结缠绕40

拓扑转型

拓扑酶Ⅰ切断DNA中的一股链，在解旋中不致打――

结，又可封闭切口，使DNA变为松弛态。

polⅢ真正的‘复制酶’55

polⅠ填补引物遗留空隙10.9

DNA连接酶连接5′－P和3′－OH末端7.4

3．复制的过程

（1）复制的起始

①拓扑异构酶将正超螺旋转变为负超螺旋；解链酶消耗ATP将氢键打断把DNA由双链变为单链。

②SSB与单链DNA结合，起稳定单链避免核酸酶水解的作用。

③引物酶以解开的DNA单链为模板，以dNTP为原料，按5′→3′方向催化引物RNA的生成（十几个～数十个核苷酸链等）。

随从链不连续，需多次合成引物。

（2）复制的延长

①在引物RNA上延长DNA链在DNApolⅠ催化下，以四种dNTP为原料、按碱基配对的原则、在引物3′-OH端开始，沿5′→3′方向逐个加入脱氧核苷酸，使DNA链得以延长。

②复制的不连续性模板DNA的两股单链：

一条链的方向与解链方向相同，子链DNA可沿5′→3′方向连续合成，这条链称前导链；而另一条链与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，必须等待模板链解出足够长度，复制才能开始并延长，这些不连续的片断称冈崎片断，这条链称随从链。

（3）复制的终止在DNA合成的片段内，由DNA聚合酶I外切酶活性切除RNA引物，致使各片段之间形成空隙，然后由DNA聚合酶I的聚合酶活性催化填补空隙，最后由DNA连接酶将这些片段再连接起来，成为一条长链。

二、DNA的损伤与修复

1．引发DNA损伤的因素：

（1）紫外线的照射

（2）碱基和核苷酸的类似物的作用

（3）抗菌素及其类似物的作用

2．基因突变的后果及类型

（3）后果：

致死；功能缺失；改变基因型；进化

（4）类型：

点突变；复突变

3．损伤的修复

（1）光修复

（2）切除修复（3）重组修复（4）SOS修复

其中切除修复是人体细胞内DNA的主要修复机制。

三、逆转录

1．概念：

逆转录又称为反转录，是RNA指导下的DNA合成作用，即以RNA为模板，由dNTP聚合生成DNA的作用，遗传信息的流动呈逆方向进行，所以称逆转录作用。

在致癌的RNA病毒中，有逆转录酶的存在。

2．逆转录酶有三种作用：

RNA指导的DNA合成反应；RNA的水解反应；DNA指导的DNA合成。

3．逆转录过程：

以病毒基因RNA为模板，在反转录酶的作用下，先合成一条与模板RNA互补的DNA单链，产物与模板形成DNA-RNA杂交分子。

然后，以新合成的DNA单链为模板，合成另一条互补的DNA链，形成双链DNA分子，方向5′－3′。

反转录合成的DNA分子，一旦整合到宿主染色体基因组中，可导致宿主细胞癌变。

端粒酶类似于逆转录酶：

由RNA和蛋白质组成，该酶利用自身RNA为模板，催化染色体DNA端区的合成，防止染色体缩短。

4．逆转录病毒：

是一类RNA病毒，因含逆转录酶而得名。

人类免疫缺陷病毒（HIV）也是一种逆转录病毒，因它的感染导致艾滋病。

第二节RNA的生物合成

一、不对称转录

1．转录的模板

（1）转录的不对称性：

[1]DNA分子双链上只有一股可以转录。

可转录生成RNA的一个链称模板链；相对的一股不能转录生成RNA的链称编码链。

[2]不同基因的模板链可在DNA分子的不同链上。

（2）酶与模板的结合在原核生物，多数转录起始区有5′－TATAATPu序列，因富含AT，解链温度低，编码链与模板链易分离，有利于RNA聚合酶发挥作用

2．RNA聚合酶

（1）原核生物RNA聚合酶有全酶（α2ββ‘σ）和核心酶（α2ββ‘）两种形式。

α亚基决定转录的特异性，β亚基与转录全过程有关，β‘亚基结合DNA模板上，σ辨认转录起始点，活细胞的转录起始需要全酶，但至转录延长阶段，仅需要核心酶。

受抗结核菌药物利福平或利福霉素的特异性抑制。

（2）真核生物RNA聚合酶有三种分别是：

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。

RNA聚合酶Ⅰ的转录产物是45SrRNS,RNA聚合酶Ⅱ转录产物是hnRNA，RNA聚合酶Ⅲ转录产物是5SrRNA、tRNA、snRNA。

鹅膏覃碱是真核生物RNA聚合酶的特异性抑制剂。

3．转录的特点

（1）不对称性

（2）连续性（3）单向性（4）有特定的起始和终止位点

二、转录的过程

RNA转录过程可分为三个阶段：

起始、延长和终止。

1．起始：

σ因子辨认DNA的启始点，全酶与启动子结合，DNA双链分子局部发生构象变化和结构松散，解开10～20个碱基对形成转录空泡。

以四种三磷酸核苷为原料（NTP），按碱基互补原则，首先生成四磷酸二核苷（pppGpN’-OH）。

RNA聚合酶（全酶）－DNA－pppGpN’-OH结构称为转录起始复合物。

σ亚基从复合物脱落，RNA聚合酶构象改变，形成核心酶，与模板结合松弛，按3′－5′方向沿DNA模板链向前移动，并以四种NTP为原料，按5′-3′方向合成RNA链。

2．延伸：

酶－DNA－RNA复合物称转录复合物。

由于模板的DNA双链比新合成的DNA-RNA杂化双链结构稳定，故DNA双螺旋的力把RNA排斥在外，仅保留较短的新合成RNA链与DNA模板链互补结合，从5′端开始的大部分RNA链则伸展出转录空泡外，转录后的DNA随即重新成为双螺旋。

3．终止：

当核心酶移动到DNA模板的转录终止部位时，转录终止。

转录终止的机理有两种机制。

一是，在原核细胞中有一种ρ因子，它可识别并结合转录终止信号，使核心酶停止移动，导RNA聚合反应停止；二是，转录终止部位有特殊的碱基序列，即一段GC富集区、随后是一段AT富集区。

在GC富集区内组成一段反向重复序列，转录至此生成的RNA在相应序列中形成了发卡结构，使RNApol脱离模板而终止转录。

三、转录后的加工

转录后生成的是RNA前体，即未成熟RNA。

RNA前体不具有生物学活性，还需要在酶的作用下加工后才能成为有活性的成熟的RNA。

RNA加工部位主要在细胞内及少数在胞浆中进行。

各种RNA的加工过程有自己的特点，但加工的类型主要有以下几种：

①剪切和剪接；②末端添加核苷酸；③化学修饰；④RNA编辑

1．mRNA前体的加工：

①剪接：

去除内含子部分，再将外显子部分连接起来。

②5′末端加“帽”，甲基三磷酸双鸟苷（mGpppmG）。

③3′末端加尾：

mRNA前体分子3′末端在多聚A聚合酶的催化下，由ATP聚合形成多聚A尾。

④化学修饰：

mRNA中含有少量稀有碱基是经转录后化学修饰形成的（如碱基被甲化）。

⑤RNA编辑：

某些mRNA转录后还需插入、删除和取代某些核苷酸残基，才具有翻译功能，并改变了原有DNA模板上的遗传信息。

2．tRNA前体的加工：

tRNA前体在酶的作用下，先切除5′与3′末端多余的核苷酸，再去除内含子进行剪接；其3′末端加-CCA以及碱基的化学修饰，如某些碱基的甲基化；U加氢还原为DHU。

3．rRNA前体的加工：

染色体DNA中rRNA基因为多拷贝，这些rRNA基因纵向串联并重复排列。

重复单位之间由非转录的间隔区将其分开。

某些间隔区的转录产物为tRNA。

原核生物rRNA的前体30S，在RNaseⅢ及核酸酶的作用下，切除间隔区序列，产生成熟的16S、23S、5SrRNA及成熟的tRNA；16SrRNA上某些碱基被甲基化。

真核生物的5SrRNA自成体系进行加工，但加工甚少；45SrRNA前体包括58S、28S和18SrRNA，45SrRNA在核酸酶的几次剪切下产生相应成熟的几种rRNA分子；并在加工过程中使分子进行广泛地甲基化。

第三节蛋白质的生物合成

一、参与蛋白质生物合成的物质

1．合成原料：

20种氨基酸；

2．酶及蛋白因子

（1）氨基酰tRNA合成酶

（2）转肽酶

（3）蛋白因子：

起始因子（IF）；延长因子（EF）；释放因子（RF）

3．RNA

（1）mRNA：

mRNA分子中，每三个相连的核苷酸决定一个氨基酸，三个核苷酸组成的三联体称为一个“遗传密码”。

1起始密码（AUG），终止密码（UAG、UAA、UGA）。

2遗传密码的特性：

连续性；简并性；方向性；通用性；摆动性

（2）tRNA：

以氨基酰tRNA的形式活化氨基酸；通过其反密码子与mRNA密码子的对应结合来确定氨基酸的转运位置

（3）rRNA：

与多种蛋白质共同构成核糖体；核糖体是多肽链合成的场所；参加蛋白质生物合成的各种成分，最终均需结合在核糖体上，再将氨基酸按特定的顺序聚合成多肽链

4．供能物质及无机离子：

合成过程中需ATP或GTP提供能源，并需Mg+、K+

二、蛋白质生物合成的过程——翻译

1．氨基酸的活化与转运：

氨基酸与相应tRNA在氨基酰-tRNA合成酶的催化下，生成氨基酰-tRNA，再转运到核蛋白体大亚基的给位和受位。

2．“核糖体循环”：

肽链合成的起始、延长和终止过程

（1）起始阶段：

在起始因子的作用下，mRNA、核蛋白体小亚基、甲硫氨酰-tRNA和核蛋白体大亚基形成起始复合体。

（2）延长阶段：

氨基酰-tRNA按照mRNA的密码子序列把相应的氨基酸转运到核蛋白体中，在延长因子、GTP、Mg2+和K+的参与下，“进位-成肽-转位”连续进行，氨基酸通过肽键结合形成多肽。

（3）终止阶段：

合成到mRNA终止密码时，释放因子辨认终止密码进入受位，促进肽链C端与tRNA3＇-羟基酯键的水解，释放出多肽链，mRNA也从核蛋白体释放出来。

三、翻译后的加工

1.多数多肽链合成后需经过一定的加工、修饰，才能转变成具有特定生物学功能的蛋白质

2.加工修饰的方法：

切除N端起始的氨基酸；形成二硫键；肽段的水解；氨基酸侧链的修饰；辅基的结合及亚基的聚合等。

四、蛋白质生物合成与医学：

分子病；抗生素对蛋白质生物合成的影响

【小结要点】

一、DNA的复制

1．DNA复制的定义及特征

2．参与DNA复制的物质及过程（起始、延长、终止）

二、DNA的损伤与修复：

引发损伤的因素、损伤的类型及修复

三、逆转录

四、转录

1．转录的定义及特点

2．转录的模板，RNA聚合酶，转录的过程（起始、延长、终止）

3．转录后mRNA、tRNA和rRNA的加工

五、蛋白质的生物合成

1．参与蛋白质生物合成的物质：

遗传密码的定义及特点

三类RNA在蛋白质生物合成中作用

2．蛋白质生物合成的过程——翻译：

核糖体循环

3．翻译后的加工

【教学思考】

1．学生普遍反映生物化学抽象难懂，所以在讲授过程中应尽量采取简单明了的方法，多与实践挂钩，多引入例证，让学生容易接受。

2．在本章节的讲授讨论中，通过启迪诱导，归纳分析，引入分类和命名，起到了事半功倍的效果，学生反应掌握得均较理想。

【思考题】

1．讨论DNA复制的主要步骤及其特点。

2．何谓逆转录？

RNA病毒致癌的分子过程。

3．讨论参与RNA转录的成分及它们在RNA合成中的作用。

4．以mRNA为例，说明转录的加工过程。

5．讨论核苷酸在体内的主要生理功能。

6.复制与转录过程的异同点。

7．简述三类RNA在蛋白质合成过程中的作用。

8．简述蛋白质合成的基本过程。