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1、第二章 遗传物质的分子基础 第一节第一节 DNA DNA是主要的遗传物质是主要的遗传物质一、一、DNADNA作为主要遗传物质的间接证据作为主要遗传物质的间接证据1DNA分布在染色体内，是染色体的主要成分，而分布在染色体内，是染色体的主要成分，而染色体是直接与遗传有关的。染色体是直接与遗传有关的。2细胞核内细胞核内DNA的含量十分稳定，而且与染色体的的含量十分稳定，而且与染色体的数目存在着平行关系：在同一种生物的细胞中，体数目存在着平行关系：在同一种生物的细胞中，体细胞中细胞中DNA的含量是生殖细胞中的含量是生殖细胞中DNA含量的含量的2倍；倍；体细胞中染色体的数量也正好是生殖细胞的体细胞中染色
2、体的数量也正好是生殖细胞的2倍。倍。3DNA在代谢中较稳定，不受生物体的营养条件、在代谢中较稳定，不受生物体的营养条件、年龄等因素的影响。年龄等因素的影响。4作用于作用于DNA的一些物理和化学因素，如紫外线、的一些物理和化学因素，如紫外线、X射线等都可以引起生物体遗传特性的改变。射线等都可以引起生物体遗传特性的改变。二、二、DNADNA作为主要遗传物质的直接证据作为主要遗传物质的直接证据图图 2-1 2-1 肺炎双球菌转化实验肺炎双球菌转化实验(Griffith,1928)阿委瑞（阿委瑞（Avery,1944Avery,1944）:将将SIIISIII型细菌型细菌的的DNADNA提取物与提取物
3、与RIIRII型细菌混合在一起，型细菌混合在一起，在离体培养条件下，也成功地使少数在离体培养条件下，也成功地使少数RIIRII型细菌定向转化为型细菌定向转化为SIIISIII型细菌。型细菌。提取物不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酸提取物不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酸酶（酶（RNaseRNase）的影响，而只能为）的影响，而只能为DNADNA酶酶所破坏。确认导致转化的物质是所破坏。确认导致转化的物质是DNADNA。图图 2-3 2-3 病毒重组实验证明病毒重组实验证明RNARNA是是TMVTMV的遗传物质的遗传物质(1956(1956年弗兰克尔年弗兰克尔-康拉特与辛格尔康拉特与辛格尔)三、无三、无DNA
4、DNA生物中，生物中，RNARNA是遗传物质及其证据是遗传物质及其证据第二节 DNA和RNA的化学结构与功能一、一、DNA与与RNA 脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA）核酸核酸 核糖核酸（核糖核酸（RNA）图图2-4构成苷核酸分子的碱基和核糖结构构成苷核酸分子的碱基和核糖结构1950年，查尔格佛（E.Chargaff）提出碱基互补规则 嘌呤碱基与嘧啶碱基的含量相等，即腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）的数目相等，鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）的数目相等。A+G=T+CA与T之间、G与C之间存在配对关系。-查尔格佛法则二、DNA的化学结构DNADNA的的X X射线衍射图射线衍射图1953年，美国生物学家
5、沃森（Watson J.D.)和英国物理学家克里克(Crick F.H.C.)，根据碱基互补规碱基互补规律律和对DNA分子的X X射线衍射线衍射射研究结果，成功地提出了DNADNA分子双螺旋结构模型分子双螺旋结构模型。由两条互补的细长核苷酸链，彼此以一定的空间距离，在同一轴上互相盘旋起来。两条核苷酸链彼此依靠碱基两条核苷酸链彼此依靠碱基之间的氢键（之间的氢键（Hydrogen bond）相连，相互层叠宛如）相连，相互层叠宛如一级一级的梯子横档（图一级一级的梯子横档（图2-7b）。互补碱基对）。互补碱基对A与与T之间之间形成两对氢键，形成两对氢键，G与与C之间形之间形成三对氢键（图成三对氢键（图
6、2-7c）。）。上下碱基对之间的距离为上下碱基对之间的距离为0.34nm，每条链绕轴一周的，每条链绕轴一周的距离为距离为3.4nm，刚好含有，刚好含有10bp。双螺旋的平均直径为双螺旋的平均直径为2nm。在双螺旋分子的表面，大沟在双螺旋分子的表面，大沟（major groove）和小沟）和小沟（minor groove）交替出现。）交替出现。发现发现DNA双螺旋结构的意义双螺旋结构的意义 解释了解释了DNADNA的一切理化性质的一切理化性质结构与功能联系起来，极大地推动了分结构与功能联系起来，极大地推动了分子遗传学的发展子遗传学的发展标志着生物科学的发展进入了分子生物标志着生物科学的发展进入了
7、分子生物学阶段。学阶段。二、二、RNA的化学结构的化学结构图图2-8 一个一个RNA分子图式分子图式（二）复制的起点和复制的方向（二）复制的起点和复制的方向原核生物的复制是在原核生物的复制是在DNA分子的特定位点开分子的特定位点开始的，这一位点被叫做复始的，这一位点被叫做复制起点（制起点（replication origin,常用常用ori表示）。表示）。复制子是指在某个复制起复制子是指在某个复制起始点控制下合成的一段始点控制下合成的一段DNA序列序列.原核生物染色体只有一个原核生物染色体只有一个复制单位或称复制子复制单位或称复制子.图图2-10原核生物的复制子原核生物的复制子 真核生物每条染
8、色体上具有多个复制子真核生物每条染色体上具有多个复制子 图2-11 真核生物多复制位点电镜图 绝大多数生物体内绝大多数生物体内DNA的复制都以的复制都以双向等速方式进行双向等速方式进行。在电子显微镜下。在电子显微镜下观察正在复制的观察正在复制的DNA，复制的区，复制的区域形如一只眼睛，域形如一只眼睛，因此称为复制眼因此称为复制眼.图2-12DNA复制叉示意图 正在复制的地方犹如一个叉子，称为复制叉正在复制的地方犹如一个叉子，称为复制叉.生物体是通过生物体是通过DNA聚合酶聚合酶I（DNA polymerase I）采取两种方式来提高碱基互补选择的专一性。）采取两种方式来提高碱基互补选择的专一性
9、。第一，通过专一性识别使即将加入的碱基与模第一，通过专一性识别使即将加入的碱基与模板上的碱基严格互补来控制合成前的错误；板上的碱基严格互补来控制合成前的错误；第二，当发现存在错配时，切除新加入的错配第二，当发现存在错配时，切除新加入的错配碱基，这种方式叫校对控制（碱基，这种方式叫校对控制（proofreading control）。）。二种方式可单独起作用，也可共同起作用，最大二种方式可单独起作用，也可共同起作用，最大限度地降低限度地降低DNA复制过程中发生错误的概率。复制过程中发生错误的概率。（三）（三）DNA复制的忠实性复制的忠实性二、原核生物DNA复制（一）有关DNA合成的酶DNA聚合酶
10、（DNA polymerase）、连接酶（ligase）、解旋酶（helicase）、拓扑异构酶（topoisomerase）等。三种酶在三种酶在DNADNA复制中共同的特性复制中共同的特性 都只有都只有5-3聚合酶的功能，而没有聚合酶的功能，而没有3-5聚合酶聚合酶功能，说明功能，说明DNA链的延伸只能从链的延伸只能从5向向3端进行。端进行。都没有直接起始合成都没有直接起始合成DNA的能力，只有在引物的能力，只有在引物存在下才能进行链的延伸，因此存在下才能进行链的延伸，因此DNA的合成必的合成必须具有引物引导。须具有引物引导。都有核酸外切酶的功能，可对合成过程中发生都有核酸外切酶的功能，可对
11、合成过程中发生的错误进行校正，保证的错误进行校正，保证DNA复制的高度准确性。复制的高度准确性。DNA连接酶连接酶 在在DNA复制过程中催化链的两个末端之间复制过程中催化链的两个末端之间形成共价连接的酶形成共价连接的酶。DNA连接酶能在连接酶能在ATP或或NAD作为能源的作为能源的基础上，催化双链基础上，催化双链DNA切口处的切口处的5-磷酸磷酸基和基和3羟基生成磷酸二脂键，使羟基生成磷酸二脂键，使DNA成为一条完整的分子。成为一条完整的分子。DNA 解螺旋酶解螺旋酶 催化催化DNA两条互补链分开形成单链两条互补链分开形成单链DNA（即解旋（即解旋）的酶。）的酶。它打断互补碱基配对的氢键并结合
12、、水解它打断互补碱基配对的氢键并结合、水解ATP，以大约，以大约5001000bp/秒的速率沿秒的速率沿DNA链解旋链解旋DNA双螺旋。双螺旋。（二）（二）DNA复制过程复制过程DNA的复制包括起始、延伸、终止三个步骤。的复制包括起始、延伸、终止三个步骤。1.DNA复制的起始复制的起始（1）专一识别复制起）专一识别复制起点序列的蛋白结合在复点序列的蛋白结合在复制起点上，促使其临近制起点上，促使其临近的的DNA发生扭曲，从发生扭曲，从而让而让DNA解旋酶和其解旋酶和其他有关的因子进入；他有关的因子进入；（2）DNA双链在解旋酶作用下解螺旋；双链在解旋酶作用下解螺旋；（3）DNA双链解开后，单链双
13、链解开后，单链DNA结合蛋白结合蛋白（single-strand DNA-banding protein，SSB protein）马上结合在分开的单链上，保持其伸）马上结合在分开的单链上，保持其伸展状态（图展状态（图2-13），否则分开的双链互补碱基），否则分开的双链互补碱基间又可重新配对，或者在同一链上的互补碱基间又可重新配对，或者在同一链上的互补碱基间配对形成发夹结构。间配对形成发夹结构。2.DNA复制的延伸复制的延伸2-14DNA合成模型合成模型DNA聚合酶聚合酶III把新生链把新生链的第一个核苷酸加到的第一个核苷酸加到RNA引物的引物的3羟基上，羟基上，按照碱基互补配对原则，按照碱基互
14、补配对原则，开始新生链的延伸合成开始新生链的延伸合成过程。过程。2-14DNA合成模型合成模型一般把从一般把从5-3方向延伸方向延伸的链称为前导链。它是的链称为前导链。它是连续合成的。而另一条连续合成的。而另一条链先沿链先沿5-3方向合成一方向合成一些片段，也叫冈崎片段些片段，也叫冈崎片段（Okazaki fragment），），然后由然后由DNA连接酶连接连接酶连接起来，成为一条完整的起来，成为一条完整的链，这条链称为后随链，链，这条链称为后随链，其合成是不连续的。其合成是不连续的。3.DNA 复制的终止复制的终止一般都具有终止区域，含有多个位点，可结合一般都具有终止区域，含有多个位点，可结
15、合终止蛋白，从而使复制在终止区域不能离开。终止蛋白，从而使复制在终止区域不能离开。DNA到达终止区域后，到达终止区域后，DNA聚合酶聚合酶I利用其有利用其有5-3端核酸外切酶的功能，将引物端核酸外切酶的功能，将引物RNA切除，切除，同时利用其同时利用其5-3聚合酶的功能，以对应的聚合酶的功能，以对应的DNA链为模板，合成链为模板，合成DNA，置换切除，置换切除RNA引物链区引物链区域，最后由域，最后由DNA连接酶连接起来，形成一条完连接酶连接起来，形成一条完整的新链。整的新链。三、真核生物三、真核生物DNADNA的合成的特点的合成的特点（1）DNA复制发生在细胞周期的特定时期。复制发生在细胞周
16、期的特定时期。真核生物的真核生物的DNA复制只在细胞周期的复制只在细胞周期的S期期进行，而原核生物则在整个细胞生长过程进行，而原核生物则在整个细胞生长过程中都可以进行中都可以进行DNA复制或合成。复制或合成。（2）真核生物的）真核生物的DNA聚合酶多。有聚合酶多。有DNA聚聚合酶合酶、和和等等5种。种。聚合酶聚合酶位于线粒体，其他位于核中。位于线粒体，其他位于核中。对对DNA合成起作用的主要是聚合酶合成起作用的主要是聚合酶和和，而聚合酶，而聚合酶、可能与可能与DNA的修复等功能的修复等功能有关。有关。聚合酶聚合酶 控制前导链的合成，聚合酶控制前导链的合成，聚合酶则控则控制不连续的后随链的合成。
17、制不连续的后随链的合成。真核生物中真核生物中DNA聚合酶在细胞内的拷贝数聚合酶在细胞内的拷贝数量众多。如真核生物的每个细胞内聚合酶量众多。如真核生物的每个细胞内聚合酶可以达到可以达到50000多个拷贝，而大肠杆菌的多个拷贝，而大肠杆菌的聚合酶聚合酶III只有只有1020个拷贝。个拷贝。（3）原核生物）原核生物DNA复制速度约为复制速度约为50个核苷酸个核苷酸秒，复制是单起点的，而真核生物的复制的速秒，复制是单起点的，而真核生物的复制的速度仅为原核生物的度仅为原核生物的110，复制为多起点的，复制为多起点的，无终止位点或区域。无终止位点或区域。真核生物的一条染色体上真核生物的一条染色体上的的DN
18、A含量远大于原核生物整个细胞含量远大于原核生物整个细胞DNA的含的含量，而且真核生物的量，而且真核生物的DNA聚合酶活性比原核生聚合酶活性比原核生物物DNA聚合酶活性低，因此要在比较短的时间聚合酶活性低，因此要在比较短的时间内完成内完成DNA的合成，必须有多个复制起点。真的合成，必须有多个复制起点。真核生物中前导链的合成不像原核生物那样是连核生物中前导链的合成不像原核生物那样是连续的，而是以半连续的方式，由一个复制起点续的，而是以半连续的方式，由一个复制起点控制一个复制子的合成直到另一个复制子的起控制一个复制子的合成直到另一个复制子的起点为止，最后由连接酶将其连接成一条完整的点为止，最后由连接
19、酶将其连接成一条完整的新链。新链。（4）真核生物）真核生物DNA复制中合成的冈崎片段复制中合成的冈崎片段比原核生物的短。比原核生物的短。原核生物中，后随链原核生物中，后随链上合成的冈崎片段长度为上合成的冈崎片段长度为10002000个个核苷酸，而真核生物中的冈崎片段长度核苷酸，而真核生物中的冈崎片段长度约为原核生物的十分之一，只有约为原核生物的十分之一，只有100150个核苷酸。个核苷酸。（5）核小体的复制核小体的复制真核生物细胞的真核生物细胞的DNA同各种组蛋白复合组成染色同各种组蛋白复合组成染色体。染色体上的体。染色体上的DNA是半保留复制的，而组蛋是半保留复制的，而组蛋白八聚体则以全保留
20、的方式传递给子代分子，白八聚体则以全保留的方式传递给子代分子，即亲本的组蛋白八聚体在复制过程中并不解离，即亲本的组蛋白八聚体在复制过程中并不解离，而新组蛋白的而新组蛋白的8个亚基则完全重新合成。而且个亚基则完全重新合成。而且在在DNA复制过程中亲代八聚体仍与亲本链保持复制过程中亲代八聚体仍与亲本链保持一定的结合，并不完全从亲本链上脱落下来，一定的结合，并不完全从亲本链上脱落下来，从而导致复制后所有的亲代八聚体都分布在一从而导致复制后所有的亲代八聚体都分布在一条子链上，而新的八聚体分布在另一条子链上。条子链上，而新的八聚体分布在另一条子链上。（6）真核生物染色体端粒的复制。）真核生物染色体端粒的
21、复制。真核生物染真核生物染色体为线状，存在端粒，保持线状染色体的稳色体为线状，存在端粒，保持线状染色体的稳定性。真核生物的新链定性。真核生物的新链DNA合成完毕后，合成完毕后，RNA引物被切除，就没有引物被切除，就没有3端的自由羟基为端的自由羟基为DNA合合成引物，成引物，5末端的末端的DNA就无法自动合成形成端就无法自动合成形成端粒。端粒的合成是在一种特殊聚合酶粒。端粒的合成是在一种特殊聚合酶端粒端粒酶（酶（telomerase）作用下完成的。端粒酶是一）作用下完成的。端粒酶是一种核糖核蛋白，含有种核糖核蛋白，含有RNA分子。在分子。在RNA上存在上存在复制端粒亚单位所需要的关键核苷酸模板，
22、从复制端粒亚单位所需要的关键核苷酸模板，从而合成端粒或保持端粒的长度。而合成端粒或保持端粒的长度。3 3名美国科学家因为名美国科学家因为“解释了端粒如何保护解释了端粒如何保护染色体的末端以及端粒酶如何合成端粒染色体的末端以及端粒酶如何合成端粒”获得获得20092009年度诺贝尔生理学或医学奖年度诺贝尔生理学或医学奖 卡萝尔卡萝尔格雷德格雷德 伊丽莎白伊丽莎白布莱克本布莱克本 杰克杰克绍斯塔克绍斯塔克 四、RNA的复制在在RNA聚合聚合酶作用下，酶作用下，先以自己的先以自己的RNA作为模作为模板合成一条板合成一条互补的单链互补的单链 单链噬菌体单链噬菌体RNA合成示意图合成示意图第四节第四节 R
23、NA RNA的转录与加工的转录与加工一、三种一、三种RNA分子分子1、mRNA功能：把功能：把DNA上的遗传信息准确无误地转上的遗传信息准确无误地转 录下来。录下来。穿过核膜，将携带的遗传信息在核穿过核膜，将携带的遗传信息在核 糖体上翻译成蛋白质。糖体上翻译成蛋白质。模板链模板链(template strand)(template strand)：可作为模板转录为可作为模板转录为RNARNA的那条链，该链与转录的的那条链，该链与转录的RNARNA碱基互补碱基互补（A-U,G-CA-U,G-C）。在转录过程中，）。在转录过程中，RNARNA聚合酶聚合酶与模板链结合，并沿着模板链的与模板链结合，并
24、沿着模板链的3535方向方向移动，按照移动，按照5353方向催化方向催化RNARNA的合成。的合成。编码链（编码链（coding strandcoding strand）：）：双链双链DNADNA中，不中，不能进行转录的那条能进行转录的那条DNADNA链链,该链的核苷酸序列该链的核苷酸序列与转录生成的与转录生成的RNARNA的序列一致（在的序列一致（在RNARNA中是以中是以U U取代了取代了DNADNA中的中的T T）。）。(2)tRNA功能：蛋白质合功能：蛋白质合成原料的运载成原料的运载者，根据者，根据mRNAmRNA的遗传的遗传密码，依次准密码，依次准确地将携带的确地将携带的氨基酸连成多
25、氨基酸连成多肽。肽。图图 tRNA tRNA的三维结构的三维结构图图2-15tRNA的三叶草构型的三叶草构型 5端具有端具有G(大部分大部分)或或C。3端都以端都以ACC的顺序终结。的顺序终结。有一个富有鸟嘌呤的环。有一个富有鸟嘌呤的环。有一个反密码子环，在其顶有一个反密码子环，在其顶端有三个暴露的碱基，称为反端有三个暴露的碱基，称为反密码子，该密码子可与密码子，该密码子可与mRNA链上同自己互补的密码子配对。链上同自己互补的密码子配对。有一个胸腺嘧啶环。有一个胸腺嘧啶环。共同特征：共同特征：35（3）rRNArRNA与核糖体蛋白质结合在一起，形成核糖体与核糖体蛋白质结合在一起，形成核糖体蛋蛋
26、白质合成的中心。白质合成的中心。在大肠杆菌中，在大肠杆菌中，rRNA占细胞总占细胞总RNA量的量的7585%，而，而tRNA占占15%左右，左右，mRNA仅占仅占35%。原核生物的核糖体所含的原核生物的核糖体所含的rRNA有有5S、16S和和23S三种。三种。5S含有含有120个核苷酸，个核苷酸，16S含有含有1540个核苷酸，而个核苷酸，而23S则则含有含有2900个核苷酸。个核苷酸。真核生物的核糖体比原核生物复杂，含有真核生物的核糖体比原核生物复杂，含有5S、5.8S、18S和和28S等等4种种rRNA和约和约80种蛋白质，种蛋白质，4种种rRNA具有具有的核苷酸数分别为的核苷酸数分别为1
27、20、160、1900和和4700个。个。其它其它RNA小核小核RNA（snRNA）：）：存在于真核细胞的细胞核存在于真核细胞的细胞核内，为小分子核糖核酸，长度为内，为小分子核糖核酸，长度为106-189个核苷酸。个核苷酸。作用作用：参与参与hnRNA 的剪接的剪接和转运。（和转运。（hnRNA：核内核内不均一不均一RNA，是成熟，是成熟mRNA的前体。）的前体。）反义反义RNA：反义：反义RNA(antisense RNA)是指是指mRNA互补的互补的RNA分子。这种反义分子。这种反义RNA能与能与mRNA分子特异性地互补结合，从而抑制该分子特异性地互补结合，从而抑制该mRNA的加工与翻译，
28、是原核细胞中基因表达的的加工与翻译，是原核细胞中基因表达的调控的一种方式。调控的一种方式。二、二、RNARNA合成的一般特点合成的一般特点1、所用的原料为核苷三磷酸，而在DNA合成时则为脱氧核苷三磷酸；2、RNA链的合成不需要引物，而DNA合成一定要引物的引导；3、只有一条DNA链被用作模板，而DNA合成时两条链分别用作模板；用作模板进行RNA转录的DNA链称作为模板链(template strand)；而另一条则称为非模板链(nontemplate strand).也叫编码链。4、相对于DNA复制而言，RNA合成的速度比DNA慢得多，一般每秒只有40个核苷酸左右，而DNA复制时每秒可达上千个
29、核苷酸。启动子：启动子：RNA的转录起始于RNA聚合酶与特定的启动部位的结合，该启动部位称为启动子（promotor），转录起始的第一个碱基称为启动点，在RNA聚合酶的作用下合成RNA，至终止子（terminator）结束。转录单位：转录单位：由启动子到终止子的序列称为转录单位（transcription unit）。在细菌等原核生物中一个转录单位通常含有多个基因，而在真核生物中大多只含有一个基因。三、原核生物三、原核生物RNARNA合成合成转录起始点前面的序列称为上游上游（upstream），后面的序列称为下游下游（downstream）。因为RNA的转录总是从53端进行，所以上游指RNA分
30、子的5端，下游为其 3端。起始点为+1，上游的第一个核苷酸为-1，依此类推。1 1、RNARNA聚合酶聚合酶一个多蛋白亚基组成的复合酶。其分子量约为480000，含有、和等4种不同功能的多肽，其中为两个分子，因而其全酶（是指酶蛋白及其辅酶构成的有功能的复合物）的组成是2 。亚基与全酶结合疏松，亚基与全酶结合疏松，容易脱落，把脱落后的部分称为核心酶（core enzyme)。亚基与RNA聚合酶的四聚体核心(2)形成有关；亚基具有核苷三磷酸结合的位点；亚基含有与DNA模板结合的位点；亚基有多种不同的类型，它们参与全酶的组装和识别不同的启动子，与链的延伸没有关系，一旦转录开始，将脱落下来，而链的延伸
31、由核心酶催化。亚单位亚单位 分子量分子量 亚单位数目亚单位数目 功功 能能 36512 2 决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 150618 1 与转录全过程有关与转录全过程有关 155613 1 结合结合DNA模板模板 702632 1 辨认起始点辨认起始点大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶聚合酶2 2、启动子、启动子典型的原核启动子有四大要素典型的原核启动子有四大要素 ：转录起始位点，转录起始位点，-10区，区，-35区和区和-10区与区与-35区之间的间隔。区之间的间隔。原核基因转录起始位点通常是嘌呤，其序列为原核基因转录起始位点通常是嘌呤，其序列为CAT（A为起始位点）。为起始位点）。-1
32、0区是一个区是一个6碱基保守序列碱基保守序列TATAAT，有助于，有助于DNA的解链。的解链。-35区是另一个区是另一个6碱基保守序列碱基保守序列TTGACA启动子是一段特定的直接与启动子是一段特定的直接与RNARNA聚合酶及其转录因聚合酶及其转录因子相结合、决定基因转录起始与否的子相结合、决定基因转录起始与否的DNADNA序列。序列。3 3、终止子、终止子在在RNA转录过程中，提供转录转录过程中，提供转录终止信号的序列称为终止子终止信号的序列称为终止子.一类为内在终止子，只要核心酶与一类为内在终止子，只要核心酶与终止子结合就足以使转录终止，不终止子结合就足以使转录终止，不依赖其他辅助因子，为
33、强终止子；依赖其他辅助因子，为强终止子；另一类终止子必须在另一类终止子必须在 因子因子（factorfactor）的存在下核心酶才能）的存在下核心酶才能终止转录，因此称为依赖终止转录，因此称为依赖 因子的因子的终止子终止子.发夹结构与发夹结构末发夹结构与发夹结构末端紧跟着连续的端紧跟着连续的U串串.共同的序列特征共同的序列特征:即在转录终止点之前有一段回文结构即在转录终止点之前有一段回文结构,因而因而所产生的所产生的mRNAmRNA可形成茎环状的发夹结构可形成茎环状的发夹结构,在回文序列的下游在回文序列的下游的寡聚的寡聚U,U,是使是使RNARNA聚合酶脱离模板的信号聚合酶脱离模板的信号.（四
34、）（四）RNARNA的合成的合成 第一步：第一步：RNA转录的起始。转录的起始。RNA聚合酶在聚合酶在因因子的作用下结合于子的作用下结合于DNA的启动子部位，并在的启动子部位，并在RNA聚合酶的催化下使聚合酶的催化下使DNA双链解开，形成双链解开，形成转转录泡录泡（图（图2-16），为），为RNA 合成提供模板，并按合成提供模板，并按照碱基配对原则，结合核苷酸，然后在核苷酸照碱基配对原则，结合核苷酸，然后在核苷酸之间形成磷酸二酯键，使其连接，形成之间形成磷酸二酯键，使其连接，形成RNA新新链。链。图图2-16RNA合成形合成形成的转录泡成的转录泡 第二步：第二步：RNA链的延链的延伸伸。因子在
35、因子在RNA链伸链伸长到长到9个核苷酸后就个核苷酸后就被释放（图被释放（图2-17），然），然后由核心酶催化链的延后由核心酶催化链的延伸。核心酶不仅能够解伸。核心酶不仅能够解开开DNA双链，而且还双链，而且还会使分开的会使分开的DNA双链双链重新闭合。因此随着重新闭合。因此随着RNA链的延伸，链的延伸，RNA聚合酶使聚合酶使DNA双链不双链不断解开和重新闭合，转断解开和重新闭合，转录泡也不断前移合成新录泡也不断前移合成新的的RNA分子。分子。图图2-19因子结合与释放因子结合与释放示意图示意图第三步：第三步：RNA链的终止及释链的终止及释放。当放。当RNA链链延伸遇到终止延伸遇到终止信号时，转
36、录信号时，转录复合体就发生复合体就发生解体，新合成解体，新合成的的RNA链释放链释放出来。出来。图图2-19因子结合与释放示意图因子结合与释放示意图四、真核生物四、真核生物RNARNA的转录及加工的转录及加工1 1、真核生物、真核生物RNARNA的转录在细胞核内。的转录在细胞核内。RNARNA其存在的其存在的时间就比原核生物的长，可达数小时。时间就比原核生物的长，可达数小时。2 2、真核生物一个、真核生物一个mRNAmRNA分子一般只编码一个基因。分子一般只编码一个基因。3 3、真核生物、真核生物RNARNA聚合酶较多但都不能独立转录聚合酶较多但都不能独立转录RNARNA。RNARNA聚合酶聚
37、合酶I I、II II、IIIIII等三种，每一种都含有等三种，每一种都含有1010种以种以上的亚基。它们都不能直接结合到启动子上，而必上的亚基。它们都不能直接结合到启动子上，而必须要有另外的启动蛋白结合在启动子上后，才能结须要有另外的启动蛋白结合在启动子上后，才能结合上去启动转录。每一种聚合酶转录不同的合上去启动转录。每一种聚合酶转录不同的RNARNA。（一）真核生物（一）真核生物RNA转录的特点转录的特点真核生物的真核生物的RNARNA聚合酶聚合酶种类种类分布分布合成的合成的RNARNA类型类型 MtMt核仁核仁 核质核质核质核质线粒体线粒体rRNA(5sRNArRNA(5sRNA除外）除
38、外）hnRNAhnRNA（不均一（不均一RNA)RNA)tRNAtRNA，5sRNA5sRNA线粒体线粒体RNAsRNAs4 4、真核生物的启动子比原核生物复、真核生物的启动子比原核生物复杂。真核生物中每种杂。真核生物中每种RNARNA聚合酶结聚合酶结合的启动子都不同，其中以合的启动子都不同，其中以RNARNA聚聚合酶合酶II II的启动子结构最复杂。每种启的启动子结构最复杂。每种启动子含有保守序列的数量和组合也动子含有保守序列的数量和组合也存在差异，构成了真核生物启动子存在差异，构成了真核生物启动子的复杂性。的复杂性。转录因子(transcription factor)是起正调控作用的反式作
39、用因子。转录因子是转录起始过程中RNA聚合酶所需的辅助因子。真核生物基因在无转录因子时处于不表达状态，RNA聚合酶自身无法启动基因转录，只有当转录因子(蛋白质)结合在其识别的DNA序列上后，基因才开始表达。增强子是指能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。（二）真核生物（二）真核生物RNARNA转录后的加工转录后的加工1.rRNA转录后加工真核生物有4种rRNA，即5.8S rRNA、18S rRNA、28S rRNA和5S rRNA。对成熟的rRNA结构研究发现，有一个显著的特点是其结构上，特别是保守区域有大量的甲基化位点甲基化位点，甲基基团主要加在核糖上。甲基化多数在细胞核内完成，
40、少量被运送到细胞质中进行。前体rRNA还需要进一步去掉不需要的序列。（1 1）5-5-端加帽端加帽(capping)mRNA(capping)mRNA前体的前体的5-5-端加甲基化鸟苷端加甲基化鸟苷(7mG)(7mG)，其作用：其作用：为核糖体识别为核糖体识别mRNAmRNA提提供信号供信号 使使mRNAmRNA更稳定更稳定 增加蛋白质合成的效率增加蛋白质合成的效率 帽子结构对帽子结构对mRNAmRNA前体前体的剪接是必需的的剪接是必需的图图2-19mRNA转录后的加工转录后的加工2、mRNA加工加工 （2)3-2)3-端接多聚腺苷端接多聚腺苷(poly(A)(poly(A)在在mRNAmRN
41、A前体前体33端接上一个约端接上一个约200200250250个腺嘌呤核苷酸个腺嘌呤核苷酸(A)(A)的的尾巴。尾巴。poly(A)poly(A)尾巴的作用：尾巴的作用：有利于有利于mRNAmRNA通过核孔；通过核孔；参与稳定参与稳定mRNAmRNA；增强翻译效率。增强翻译效率。图图2-192-19mRNAmRNA转录后的加工转录后的加工（3 3）hnRNAhnRNA被剪接，除去由内被剪接，除去由内含子转录来的序列，将外显子含子转录来的序列，将外显子的转录序列连接起来。的转录序列连接起来。内含子（内含子（intronsintrons）在转录）在转录后的加工中，从最初的转录产后的加工中，从最初的
42、转录产物除去的内部的核苷酸序列。物除去的内部的核苷酸序列。也指编码相应也指编码相应RNARNA内含子的内含子的DNADNA中的区域（非编码序列）。中的区域（非编码序列）。外显子（外显子（exonsexons）既存在于）既存在于最初的转录产物中，也存在于最初的转录产物中，也存在于成熟的成熟的RNARNA分子中的核苷酸序分子中的核苷酸序列。（编码蛋白质合成的序列）列。（编码蛋白质合成的序列）。图图2-192-19mRNAmRNA转录后的加转录后的加工工图真核生物图真核生物mRNAmRNA的加工的加工 一、遗传密码（一、遗传密码（Genetic code)Genetic code)遗传信息：遗传信息
43、：包含在包含在DNADNA或或RNARNA分子中具有功能意分子中具有功能意义的核苷酸顺序。义的核苷酸顺序。DNA DNA核苷酸的序列决定了蛋白质氨基酸序列。核苷酸的序列决定了蛋白质氨基酸序列。(1)(1)三联体密码：由三个连续的核苷酸组成的密码三联体密码：由三个连续的核苷酸组成的密码(2)(2)三联体密码的翻译三联体密码的翻译第五节第五节 遗传密码与蛋白质的翻译遗传密码与蛋白质的翻译表2-120种氨基酸的遗传密码子字典（注：*同时为起始信号）第一碱基(5端）第二碱基（中间碱基）第三碱基（3端）UCAGUUUU苯丙氨酸PheUCU丝氨酸SerUAU酪氨酸TyrUGU半光氨酸CysUUUCUCCU
44、ACUGCCUUA亮氨酸LeuUCAUAA终止信号UGA终止信号AUUGUCGUAGUGG色氨酸TrpGCCUU亮氨酸LeuCCU脯氨酸ProCAU组氨酸HisCGU精氨酸ArgUCUCCCCCACCGCCCUACCACAA谷氨酰胺GlnCGAACUGCCGCAGCGGGAAUU异亮氨酸IleACU苏氨酸ThrAAU天冬酰胺AsnAGU丝氨酸SerUAUCACCAACAGCCAUAACAAAA赖氨酸LysAGA精氨酸ArgAAUG*甲硫氨酸Met ACGAAGAGGGGGUU缬氨酸ValGCU丙氨酸AlaGAU天冬氨酸AspGGU甘氨酸GlyUGUCGCCGACGGCCGUAGCAGAA谷氨酸
45、GluGGAAGUG*缬氨酸ValGCGGAGGGGG遗传密码的主要特征遗传密码的主要特征（1 1）遗传密码为三联体。即三个碱基决定一）遗传密码为三联体。即三个碱基决定一个氨基酸。个氨基酸。（2 2）遗传密码间无间隔或逗号。即在翻译过）遗传密码间无间隔或逗号。即在翻译过程中，遗传密码的编码是连续的。程中，遗传密码的编码是连续的。（3 3）遗传密码间存在简并现象。除甲硫氨酸）遗传密码间存在简并现象。除甲硫氨酸和色氨酸外的所有氨基酸都由两种或两种以和色氨酸外的所有氨基酸都由两种或两种以上的密码子编码。上的密码子编码。（4 4）遗传密码第三碱基的灵活性。决定同一氨基）遗传密码第三碱基的灵活性。决定同
46、一氨基酸或性质相近的不同氨基酸的多个密码子往往只酸或性质相近的不同氨基酸的多个密码子往往只有最后一个碱基的变化，这种现象对生命的稳定有最后一个碱基的变化，这种现象对生命的稳定性具有重要意义。性具有重要意义。（5 5）遗传密码具有起始和终止密码子。蛋白质合）遗传密码具有起始和终止密码子。蛋白质合成的启动和终止由专门的密码子决定。成的启动和终止由专门的密码子决定。（6 6）遗传密码具有通用性。除一些极少数的例外）遗传密码具有通用性。除一些极少数的例外情况，遗传密码从病毒到人类都通用。情况，遗传密码从病毒到人类都通用。表2-6 密码子通用性的一些例外情况（改自朱军，2002）密码子通用情况例外情况发
47、现例外的生物UGA终止子色氨酸Trp人和酵母的线粒体，枝原体MycoplasmaCUA亮氨酸Leu苏氨酸Thr酵母的线粒体AUA异亮氨酸Ile 甲硫氨酸Met人的线粒体AGA精氨酸Arg终止子人的线粒体AGG精氨酸Arg终止子人的线粒体GUG缬氨酸Val丝氨酸Ser假丝酵母CandinaUAA终止子谷氨酰胺Gln草履虫Paramecium，四膜虫TetrahymrnaUAG终止子谷氨酰胺Gln草履虫Paramecium表表2-2 密码子通用性的一些例外情况密码子通用性的一些例外情况（改自朱军，改自朱军，2002）二、蛋白质的合成二、蛋白质的合成蛋白质的生物合成称为翻译蛋白质的生物合成称为翻译(
48、translation)(translation)。翻译就是翻译就是mRNAmRNA携带着从携带着从DNADNA上转录的遗传上转录的遗传密码附着在细胞内的核糖体（密码附着在细胞内的核糖体（ribosomeribosome）上，）上，由由tRNAtRNA运来各种氨基酸，按照运来各种氨基酸，按照mRNAmRNA的密码的密码顺序，相互联结起来成为多肽链，并进一步顺序，相互联结起来成为多肽链，并进一步通过修饰成为立体的蛋白质分子过程。通过修饰成为立体的蛋白质分子过程。三、中心法则三、中心法则遗传信息从遗传信息从DNA mRNA DNA mRNA 蛋白质的转蛋白质的转录和翻译的过程及遗传信息从录和翻译的
49、过程及遗传信息从DNA DNADNA DNA的的复制过程。复制过程。意义：合理说明了两类大分子的联系和分工。意义：合理说明了两类大分子的联系和分工。指遗传信息从指遗传信息从DNADNA传递给传递给RNARNA，再从，再从RNARNA传传递给蛋白质的转录和翻译的过程，以及遗传信递给蛋白质的转录和翻译的过程，以及遗传信息从息从DNADNA传递给传递给DNADNA的复制过程。的复制过程。图图2-24中心法则的遗传信息流向中心法则的遗传信息流向 DNA RNA 蛋白质反转录酶反转录酶(reverse transcriptase)：单链的：单链的RNA分子反转录成分子反转录成单链的单链的DNA，然后再以单链的，然后再以单链的DNA为模板生成双链为模板生成双链DNA。互。互补补DNA(complementary DNA)：在反转录酶催化下，：在反转录酶催化下，RNA分分子产生与其序列互补的子产生与其序列互补的DNA分子简写为分子简写为cDNA，这个过程即为，这个过程即为反转录反转录(reverse transcription)。作业P58：2、3、4、5、8、9、10