生物化学丨遗传信息的传递

医学联络官

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遗传信息的传递

遗传信息传递概述

一.DNA的功能

DNA是生物遗传的主要物质基础。

1.遗传信息的储存

2.遗传信息的传递：　　

3.遗传信息的表达：

二.遗传学的中心法则： 

遗传学的中心法则指的是遗传信息的传递方式

DNA的生物合成

DNA复制是指遗传物质的传代。复制是指以母链为模板合成子链DNA的过程。分子基础是碱基配对规律和DNA双螺旋结构

一、复制基本规律

1.半保留复制：2.半不连续复制：3.双向复制 ：　　

复制起始点：DNA复制在DNA特定的位点起始，叫复制起始点。

原核生物只有一个复制起始点（单点复制），真核生物可有多个复制起始点（多点复制）。　　

复制子：复制起始点到复制终点形成一个复制单位。　　

原核有一个复制子，真核有多个复制子，复制子之间形成“眼睛”结构。多数为定点双向复制。

二、复制的酶学 　　

（一）DNA聚合的参与物

1.原料：dNTP（dATP，dGTP，dCTP，dTTP）

2.模板：DNA两条链分别做模板

3.引物：小段寡核苷酸，多为RNA（提供3’一0H末端）

4.多种酶：DNA聚合酶、引物酶或RNA聚合酶、解螺旋酶、DNA拓扑异构酶、单链DNA结合蛋白

5.Mg²⁺　　

（二） DNA聚合酶（DNA依赖的DNA聚合酶、DNA-pol）

1.原核生物DNA聚合酶　　

（1）原核生物DNA聚合酶有三种：

DNA聚合酶I：切除引物、填补空隙，在修复合成中起主要作用

DNA聚合酶Ⅲ：在复制中起主要作用的聚合酶　　

（2）用蛋白水解酶将DNA pol l部分水解可得两个片段：　　

大片段（Klenow片段），75kD，活性：5’--3’聚合活性、3’-- 5’外切活性；　　

小片段，36kD，活性：5’--3’外切活性。　　

2.真核生物DNA聚合酶 　　

（1）真核生物复制延长中起主要催化作用的是DNA聚合酶δ。

（2）真核生物复制中起校读、修复和填补引物缺口作用的聚合酶是DNA聚合酶ε。   

（三）引物酶或RNA聚合酶 

细胞内，DNA的复制需要引物（DNA或RNA），引物酶或RNA聚合酶可合成6～10个碱基的RNA引物。　　

（四）解螺旋酶　　

大肠杆菌的解螺旋酶利用ATP供能，使DNA双链解开成两条单链。　　

（五）DNA拓扑异构酶

1.拓扑异构酶功能　　

松解超螺旋、防止打结。

2.拓扑异构酶分类：　　

拓扑异构酶I和Ⅱ，广泛存在于原核生物和真核生物。　

（1）拓扑异构酶I：使DNA的一条链发生断裂和再连接，反应无须供给能量，主要集中在活性转录区，与转录有关。　

（2）拓扑异构酶Ⅱ：使DNA的两条链同时断裂和再连接，当它引入超螺旋时需要由ATP供给能量。　　

（六）单链DNA结合蛋白　　

复制叉上的解螺旋酶，沿双链DNA前进，产生单链区，大量的单链DNA结合蛋白与单链区结合，阻止重新生成双链和保护单链DNA不被核酸酶降解。即复制中维持模板的单链状态并保护单链的完整。　　

（七）DNA连接酶　　

通过形成磷酸二酯键，连接在互补基础上的双链DNA上的切口。

三、DNA生物合成过程　　

（一） 起始阶段

1. 螺旋松弛与解链

DNA解旋、解链、形成复制叉　　

参与酶：拓扑异构酶、解链酶（解螺旋酶）、单链结合蛋白（SSB）

2.引发（合成RNA引物）　　

复制起始点：DNA复制在DNA特定的位点起始，叫复制起始点。原核生物只有一个复制起始点，真核生物可有多个复制起始点。　　

（1） 复制叉在复制DNA双螺旋分子的分叉处。　　

（2） 引物酶按着单链碱基互补合成RNA引物。　　

原核生物复制时的RNA引物较长，真核生物的引物较短。　　

（3）引发体 将与复制有关的基因命名为Dna，DnaB是解旋酶，DnaG是引物酶。DnaA，DnaB，DnaC，DnaG和其他一些复制因子组成聚合体，再和DNA结合组成引发体。除去DnaG的聚合物叫引发前体，前体可反复和引物酶结合，合成引物。　　

（二）链延长　　

复制需同时满足两条链反向平行、新链从5’→ 3’延长、边解链边复制。　　

复制的延长指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，即按碱基互补原则新链不断的延长。

1.新合成链的延长方向：5’端 → 3’端。

2.碱基配对双链反向平行：A—T，T—A，G—C，C—G。 

3.半不连续复制：先导链（领头链）连续合成、随从链分段合成。（写字板）　　

复制时两条链分别作模板，但方向相反。　　

新链合成方向与母链解链方向相同 — 连续合成 — 领头链　　

新链合成方向与母链解链方向相反 — 不连续合成 — 随从链，合成冈崎片段。

4.冈崎片段：复制中不连续片段被命名为冈崎片段。随从链中的DNA片段。　　

原核生物的冈崎片段较长，真核生物的冈崎片段较短。　　

（三）终止

1.原核生物　　

是环状DNA，单复制子复制。从起始点开始进行双向复制各进行180⁰，同时在终止点上汇合。　　

去除引物，填补空隙，连接冈崎片段形成完整DNA分子　　

2.真核生物　　

（1）染色体线性DNA分子末端有端粒结构，需端粒酶完成终止。　　

（2）端粒酶：由RNA和蛋白质组成，RNA作为模板，蛋白组分催化末端DNA合成，故端粒酶实质上属于一种特殊的反转录酶。

四、反转录（逆转录）

反转录是指以RNA为模板，即按照RNA中的核苷酸顺序合成DNA的过程。　　

这与通常转录过程中遗传信息流从DNA到RNA的方向相反。　　

（一）反转录病毒和反转录酶

1.RNA病毒的基因组是RNA而不是DNA，其复制方式是反转录，也称反转录病毒。

2.反转录的信息流动方向：RNA--DNA  

3.反转录酶活性：RNA依赖的DNA聚合酶活性、DNA依赖的DNA聚合酶活性、RNA水解酶活性。

4.反应体系：RNA模板、原料（dNTP）、引物（tRNA）、反转录酶。　　

五、DNA的损伤修复

RNA的生物合成

一、RNA的生物合成（转录）的概念

转录是以DNA的一条链为模板，4种NTP为原料，在DNA指导的RNA聚合酶 （DDRP）作用下，按碱基配对规律生成RNA链。

二、转录体系的组成及转录过程 　　

（一）转录体系的组成

1.原料、RNA聚合酶及其他蛋白因子。

2.转录模板

转录是以DNA的一条链为模板。　　

（1）模板链（Watson链）:是双链DNA中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链。　　

（2）编码链（Crick链）: 与模板链互补的单链，其碱基序列与mRNA基本相同（只有T和u的差别）。

转录的碱基 互补规律： A-U、T-A、C-G　　

（3）不对称转录：　　

在DNA分子双链上，一股链用作模板指引转录，而另一股链不转录；模板链并不总是在同一单链上。　　

3.RNA聚合酶　　

（1）原核生物RNA聚合酶

①原核生物的RNA聚合酶只有一种，可以催化不同种类的RNA合成。

②RNA聚合酶由四种五个亚基构成，亚基有各自的功能。

原核生物的RNA聚合酶可被利福平抑制　　

（2）真核生物RNA聚合酶有多种，不同RNA由不同聚合酶催化生成。

1）RNA聚合酶I………………转录生成rRNA

2）RNA聚合酶Ⅱ………………转录生成mRNA前体

3）RNA聚合酶Ⅲ………………转录生成小分子RNA（tRNA，5SrRNA，snRNA等）

3.模板与酶的辨认结合：　　

原核生物以RNA聚合酶全酶结合到DNA的启动子上来启动转录，其中由σ亚基辨认启动子，其他亚基相互配合。　　

（二）转录过程

转录过程包括起始、延长、终止。　　

原核生物和真核生物的RNA-pol种类不同，结合模板的特性不一样，转录起始过程有较大区别。

1.起始　　

（1）s因子辨认转录起始点，RNA聚合酶与模板结合 

转录起始部位也称启动子。　　

启动子是在转录起始点上游的特殊碱基序列，一般包括RNA聚合酶识别、结合、起始转录的特殊序列，如TATA盒。　　

原核生物启动子　　

原核生物转录起始复合物RNA-pol（α₂ ββ’σ）-DNA-pppGpN-OH 3’　　

（2）DNA双链解开，按碱基互补掺入核苷酸　　

第一个磷酸二酯键生成，s亚基脱落。　　

（3）真核生物转录起始前复合物（PIC） ：　　

真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，需要先和转录因子结合。　　

转录因子TFⅡD的TBP亚基结合TATA，在TFⅡA和ⅡB的促进和配合下，形成ⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合体。TFⅡF结合RNA-polⅡ进入启动子的核心区TATA，、接着TFⅡE和TFⅡF进入而完成PIC的装配。 

2.链延长 

链延长方向：5’端--3’端

RNA聚合酶在模板链的移动方向：3’端--5’端

碱基配对：A—U，T—A，G—C，C—G　　

（1）原核生物

σ因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿DNA链移动，按照碱基互补原则，不断聚合RNA。

1）酶和DNA结合较松，向前滑动，按与模板碱基配对不断合成RNA。

2）转录泡：RNA聚合酶所在区，有17个碱基对解链，有12个碱基对形成DNA-RNA杂交链，前后DNA都是双链。

3）RNA聚合酶核心酶、DNA和RNA组成的复合物，也叫转录复合物。

4）为多顺反子转录（1个启动子，数个结构基因）。

5）转录后一般不需特别加工。　　

（2）真核生物 

1）真核生物RNA聚合酶不能直接与DNA结合，需与TFⅡD等因子结合形成复合物。

2）为单顺反子转录（1个启动子，1个结构基因）。

3）转录后需加工。

3.终止　　

（1）原核生物

1）依赖ρ因子（终止因子）的转录终止：ρ因子与转录产物结合，结合后ρ因子和RNA聚合酶发生构象改变，从而使RNA聚合酶停顿。

2）非依赖ρ因子的转录终止：转录产物的3’端有多个连续的u，在连续u的5’上游可形成发夹结构。　　

（2）真核生物mRNA在修饰点处被切断。　　

转录终止的修饰点：读码框架下游的AATAAA序列，及再下游有相当多的GT序列。

三、真核生物转录后修饰　　

转录生成的RNA是初级转录产物。真核生物mRNA转录后，需进行首尾修饰，以及对mRNA链进行剪接。　　

（一）mRNA的转录后加工

1.首、尾的修饰 “戴帽”：5’端添加mGpppG一结构。“加尾”：3’端添加多聚腺苷酸（poly A）结构。

2.剪接去除“内含子”和连接“外显子”　　

（1）内含子：隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。　　

（2）外显子：在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。

3.化学修饰甲基化等。

4.RNA编辑：是遗传信息在转录水平发生改变，由一个基因产生不止一种蛋白质。　　

（二）tRNA的转录后加工 ；

各种稀有碱基的生成，3’末端加上CCA-OH。　　

（三）rRNA的转录后加工

45S -rRNA是rRNA基因的主要初级转录产物，经剪接成为5.8S rRNA、18S rRNA和28S rRNA。