1、第三章 遗传信息的传递,第一节 DNA的复制,什么是DNA的复制？,DNA分子的复制是指以DNA分子为模板合成一个新的与亲代模板结构相同的子代DNA分子的过程。,DNA分子是在什么时间进行复制的？,在间期进行复制,动物细胞有丝分裂周期图,DNA分子是在什么时间进行复制的？,在减数第一次分裂前的间期进行复制,DNA分子是在什么时间进行复制的？,DNA复制发生在细胞有丝分裂的间期和减数第一次分裂前的间期。,积极思维：,分析： 1、离心处理后，为什么子一代DNA只有杂合链？ 2、子二代DNA出现了轻链和杂合链，说明了什么？,(一)DNA半保留复制,一、DNA复制的基本规律,A,A,A,T,T,T,G
2、,G,G,G,C,C,C,A,T,C,DNA 平 面 模 式 图,DNA 复 制 过 程,思考：1、DNA复制需要哪些基本条件？2、复制过程有何主要特点？3、复制形成的子代DNA和亲代DNA有何关系？,DNA复制后产生的每个子代DNA分子中，都有一条单链是原DNA保留下来的，而另一条单链是新合成的。这种复制方式称为半保留复制。,解旋,合成,复旋,(二) 半不连续复制,半不连续复制(semi-discontinuous replication)：在DNA 复制过程中，一条子链的复制是连续的，而另一条子链的复制是不连续的。 冈崎片段(Okazaki fragment)：DNA后随链的复制是先以53
3、方向不连续合成许多小片段，然后连接成一条完整的子链。,课堂练习,选择题：,1、某些药物可以抑制肿瘤细胞DNA的复制，从而达到控制癌症的目的。这些药物作用的细胞正处于细胞周期的（ ） A 间期 B 前期 C 中期 D 不能确定,2、下列关于DNA复制过程的正确顺序是（ ） 互补碱基对间氢键断裂 互补碱基对之间形成氢键DNA分子在解旋酶作用下解旋 以母链为模板进行碱基互补配对 子链与母链盘旋成双螺旋结构 A B C D,A,C,课堂练习,3、DNA分子解旋时，下列哪一组碱基被解开（ ） A 鸟嘌呤和腺嘌呤 B 胸腺嘧啶和胞嘧啶 C 腺嘌呤和胸腺嘧啶 D 腺嘌呤和胞嘧啶,C,4、下面关于DNA复制过
4、程的描述，错误的是（ ） A 复制需要能量 B边解旋边复制 C 复制需要氨基酸和酶 D 复制遵循碱基互补配对原则,C,5、若对一个DNA分子进行标记, 经过4次复制后，含有标记DNA分子数占DNA总数的（ ） A 1/6 B 1/8 C 1/4 D 1/2,B,根据半保留复制和碱基互补配对原则,1、与复制有关的碱基计算,一个DNA连续复制n次后，共有多少个DNA？多少条脱氧核苷酸链？母链多少条？子链多少条？,DNA分子数=,2n,脱氧核苷酸链数=,2n+1,母链数=,子链数=,2,2n+1 2,解析：所用知识为“半保留复制”和“碱基互补配对原则”，并图示分析。,连续第一次复制,连续第二次复制,
5、连续第n次复制,解：,答：一个DNA连续复制n次后，共有2n个DNA，2n+1条脱氧核苷酸链，母链2条，子链2n+1 2条,有关DNA中的碱基计算,二、DNA复制所需的条件,酶 ： 能量： 原料： 原则： 时间： 场所： 模板 ：,解旋酶、聚合酶、连接酶,四种游离的脱氧核苷酸,碱基互补配对原则,发生在细胞周期的间期,主要在细胞核内,DNA解开的两条单链,ATP是直接的能源物质,为什么复制能形成两条完全相同的DNA，并且它们都和亲代DNA一样？,AGAACGAG,TCTTGCTC,AGAACGAG,TCTTGCTC,AGAACGAG,TCTTGCTC,+,1、DNA分子的独特的双螺旋结构为复制D
6、NA提供精确的模板。,为什么复制能形成两条完全相同的DNA，并且它们都和亲代DNA一样？,AGAACGAG,TCTTGCTC,AGAACGAG,TCTTGCTC,AGAACGAG,TCTTGCTC,+,碱基互补配对能力保证了复制能够 准确无误地进行。,复制起始点,复制叉,复制起始点,(一)DNA复制的起始,三、DNA复制的一般过程,复制起始点,复制叉,先导链,后导链（延迟链）,RNA引物,岗崎片段,(二) DNA复制的延伸,第一阶段：双链DNA不断解螺旋； 第二阶段：前导链的合成； 第三阶段：后随链上RNA引物的合成； 第四阶段：冈崎片段的合成； 最后阶段：RNA引物去除和冈崎片段连接。,(三
7、) DNA复制的终止,环状DNA单向复制终止于复制起点附近，线状和环状DNA双向复制的终点不固定。 在复制终止阶段还需进行RNA引物切除、缺口补齐和冈崎片段的连接，以产生完整的DNA链。,四、原核生物和真核生物DNA的复制特点,都是半保留和半不连续复制； 复制过程都存在起始、延伸和终止三个阶段； 都必须有相应功能的酶和蛋白质参与。,(一)相同点：,原核生物 真核生物 复制起点 1个 很多个 复制子 1个 多个 复制速率 快 慢 冈崎片段 较长 较短 第二轮复制开始 结束前 结束后 在第一轮复制,(二)不同点,1、复制的起点和速率,2、复制方式,型复制：原核生物的染色体和质粒DNA。,A. 环状
8、双链DNA及复制起始点 B. 复制中的两个复制叉 C. 复制接近终止点(termination, ter),滚环复制,滚环式复制：病毒、细菌F因子、真核生物rRNA基因。,D环复制方式：哺乳动物的线粒体DNA。,3、真核生物染色体末端DNA的复制,进一步加工,染色体DNA是线性分子； 端粒(telimere)和端粒酶(telomerase)用于解决5端空缺问题； 端粒是真核生物染色体两端的一种短片段重复序列单链末端，可形成特殊的发夹结构，如四膜虫端粒的重复序列是GGGGTT。,第二节 DNA转录,转录是以DNA为模板，在RNA聚合酶的作用下，合成RNA的过程。 在由DNARNA蛋白质的过程中，
9、转录是一个中心环节。 对于大多数基因而言，转录是基因表达的第一步，也是最关键的步骤。,转录,一、DNA转录的基本特征,原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: DNA酶: RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol)其他蛋白质因子,参与转录的物质,1、原核生物的RNA聚合酶,二、RNA聚合酶,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,2、真核生物的RNA聚合酶,原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)，包括若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。,RN
10、A聚合酶结合模板DNA的部位，称为启动子(promoter)。,三、基因转录的一般过程,(一)转录起始,1） RNA聚合酶全酶(2)与模板结合 2） DNA双链解开 3） 在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物,（二）转录延长,1）亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移； 2）在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。,5,3,DNA,原核生物转录过程中的羽毛状现象,核糖体,RNA,RNA聚合酶,（三）转录终止,概念：指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。 分类：依赖Rho ()因子
11、的转录终止；非依赖Rho因子的转录终止。,A T P,1）依赖 Rho因子的转录终止,2）非依赖 Rho因子的转录终止,DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列(如茎环、发夹结构)，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。 原理：使RNA聚合酶变构，转录停顿；使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3,RNA,5TTGCAGCCTGACAAAT
12、CAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT. 3,DNA,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU. 3,茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构,几种主要的加工方式,1. 剪接(splicing),2. 剪切(cleavage),3.修饰(modification),4.添加(addition),四、RNA转录后的加工 (Post-transcriptional Modification),1、首、尾的修饰,5端形成 帽子结构(m7GpppGp )3端加上多聚腺苷酸尾
13、巴(poly A tail),（一）mRNA的转录后加工,2、mRNA的剪接,核内的初级mRNA称为杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA) snRNA (small nuclear RNA)+核内的蛋白质组成小分子核糖核酸蛋白体（snRNP） snRNP与hnRNA结合成为并接体,鸡卵清蛋白基因,hnRNA,首、尾修饰,hnRNA剪接,成熟的mRNA,鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后加工,tRNA前体,（二）tRNA的转录后加工,1、剪接,3、碱基修饰,（三）rRNA的转录后加工,最简单的核酶二级结构槌头状结构 (hammerhead structure),底物部分
14、,通常为60个核苷酸左右 同一分子上包括有催化部份和底物部份 催化部份和底物部份组成锤头结构,除rRNA外，tRNA、mRNA的加工也可采用自我剪接方式。,四膜虫rRNA内含子的二级结构,如四膜虫rRNA的剪接采用自我剪接方式,5-端核苷酸序列,第四节 蛋白质的生物合成,Protein Biosynthesis (Translation),参与蛋白质生物合成的物质包括：,原料：氨基酸 模板：mRNA 运载工具：tRNA 装配场所：核蛋白体 能量：GTP，ATP 酶：氨基酰tRNA合成酶，转肽酶 因子：起始因子(IF)，延长因子(EF)，释放因子(RF)，核蛋白体释放因子(RR),一、遗传密码,
15、1961年，Nirenberg 证明了mRNA的模板作用。,遗传密码的连续性,重叠密码,非重叠连续的密码,不连续的密码,遗传密码的简并性,遗传密码的摆动性,二、核糖体的结构和功能,核糖体的组成,原核生物核糖体的组成,核糖体的组成,原核生物翻译过程中核糖体结构模式:,P位：肽酰位 (peptidyl site),A位：氨基酰位 (aminoacyl site),E位：排出位 (exit site),1、肽链合成的起始,三、蛋白质生物合成的过程,2、肽链的延长,3、肽链的终止,四、肽链的修饰,从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象的功能蛋
16、白。 主要包括,多肽链折叠为天然的三维结构 肽链一级结构的修饰 高级结构修饰,新生肽链,天然构象及功能蛋白质,二级结构 模序 结构域等,折叠产生,条件,分子伴侣,折叠酶,N端在核蛋白体上一出现折叠即开始,蛋白质的生物活性不仅依赖于其正确的氨基酸顺序，而且依赖于其正确的空间结构。新生肽链必需经过一系列严格而复杂的折叠过程，才能形成具有正确空间结构的有活性的蛋白质。,1、多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质,（1）氨基酸残基的化学修饰：由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。 （2）N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：N端甲酰蛋氨酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。 去甲
17、酰化： 甲酰化酶甲酰蛋氨酸-肽 甲酸 + 蛋氨酸-肽 去蛋氨酰基：蛋氨酸氨基肽酶蛋氨酰-肽 蛋氨酸 + 肽,2、肽链一级结构的修饰,（3）信号肽的切除：被信号肽酶切除。 （4）切除前体中功能不需要的肽段：在专一性的蛋白水解酶作用下完成。 （5）二硫键的形成：由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。,选择性剪接的实际例子： - 原肌球蛋白 mRNA (-tropomyosin),1）亚基聚合,蛋白质与糖、脂类、核酸、血红素等结合形成糖蛋白、Lp、核蛋白、Hb等。,具有四级结构的蛋白质需进行亚基之间的聚合，如血红蛋白4个亚基的聚合。,2）辅基连接,某些蛋白质(如G蛋白等)翻译后需要在特殊位
18、点连接疏水性较强的链或多异戊二烯链等。这些蛋白质通过脂链嵌入疏水膜脂双层，定位成为特殊脂膜内在蛋白，是具有生物功能的蛋白质。,3）疏水脂链的共价连接,3、高级结构的修饰,第四节 基因表达调控,基因表达是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。 典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。 rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工，产生成熟的rRNA或tRNA，也是rRNA或tRNA的基因表达。,一、原核生物基因表达调控,1）DNA元件：原核生物的操纵子：启动序列、操纵序列等调节序列及下游的编码序列串联组成。真核生物的顺式作用元件：启动子、增强子、抑
19、制子。 2）调节蛋白、特异因子、阻遏蛋白 3）RNA聚合酶,1、基因表达调控的要素,2、操纵子模型,3、乳糖操纵子,负调控,正调控,5、基因表达的时序调控,1981年，Losick and Pero提出因子级联调控模型。 RNA聚合酶因子在不同时期的级联式转换是实现细菌和噬菌体的基因表达时序调控的一种重要分子基础。,沙门菌鞭毛素基因的调节,6、DNA序列重排的调控,二、真核基因表达调控,真核生物表达调控是多层次的，包括DNA及染色体水平、转录水平、转录后RNA加工和运输水平、翻译水平以及蛋白质加工水平等。 转录水平的调控是最主要的调控方式，一般以单顺反子转录形式进行。,1、顺式作用元件与反式作
20、用元件,（二）转录水平的调控,顺式作用元件(cis-acting element)：与结构基因连锁的转录调控区域，包括增强子、启动子、沉默子及应答元件等。,反式作用元件(trans-acting element)：能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件812bp核心序列上，参与靶基因表达调控的一组调节蛋白，又称转录因子，分为： 基本转录因子，如各类启动因子 转录激活因子，如诱导物 转录抑制因子，如阻遏物,2、转录因子的分子结构特征, 锌指(zinc finger),（1）DNA结合域, 螺旋-转角-螺旋(H-T-H),（同源结构域）,碱性亮氨酸拉链模体,(2) 二聚体化域(dimerizat
21、ion domain),二聚体,螺旋-环-螺旋(H-L-H),（3）转录激活域,转录后调控的步骤和方式,(三) 转录后水平的调控 (post-transcriptional control ),1、RNA 编辑（RNA editing）,指mRNA在转录后因插入、缺失或替换碱基而改变了DNA模板原来的遗传信息，从而表达出多种不同氨基酸序列的蛋白质的现象。 如：插入一个或多个 “U”。,深蓝：均保留的exon; 浅蓝：仅在一个mRNA 中保留的exon; 黄色：intron; 红线：被剪切去的区域。,2、mRNA前体的选择性拼接,如图为选择性剪接的不同形式,3、反义RNA的调控,含义：指真核生物基因组中，某些调节基因转录所产生的RNA可与基因组DNA或RNA序列互补，形成杂交体，阻断或减弱基因转录或翻译的调控机制。 反义RNA与DNA结合形成三螺旋，将阻止转录； 反义RNA与mRNA结合，将阻止剪接、核糖体结合，使核糖体迁移受阻，从而影响转录。,习 题,P3536 6、7、11 15、18、19,
