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第五章 遗传信息的表达

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中心法则：

pr DNA RNA

转录

逆转录

翻译

第一节 转录（ transcription ）

以ＤＮＡ为模板合成ＲＮＡ的过程

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（ 4 ）模板： 复制： 两条全部 DNA 分子； 转录：一条 DNA 分子的部分

与复制的相同之处 :

(1) 都以 DNA 为模板 .

(2) 都以 nt 为原料 , 合成方向都是 5 ＇ 3 ＇ .

(3) 都服从碱基配对原则

不同之处 :(1) 四种原料不同 : DNAdNTP, RNANTP

(2) 配对碱基不同： A=T ； A=U

（ 3 ）酶不同： DNA 聚合酶； RNA 聚合酶

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一、原核生物 RNA 的生物合成（一） RNA 聚合酶（ RNA polymerase ） ： 1 种

RNA 合成的错误率为 10-6 （ DNA 合成的错误率为 10-9-10-10

）

大肠杆菌中： 全酶为：五聚体（ 2 ＇）： ：识别结合启动子 2 ：启动子上游 ：催化形成二酯键 ＇：酶与模板的结合部位

需 Mg2+ ， Mn2+ ， 无校对功能

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（二）转录模板

基因 1: 链 2: 转录模板链 (template strand) or 反意义链 (antisense strand) 链 1: 信息链 or 有意义链 (sense strand) or 编码链 (coding strand)

基因 2: 链 1: 转录模板链 (template strand) or 反意义链 (antisense strand) 链 2 为信息链 or 有意义链 (sense strand) or 编码链 (coding strand)

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( 三 ) 转录过程

1 、起始阶段 : 不需要引物 , 全酶中识别并结合启动子DNA 构象发生变化RNA 聚合酶催化两个相邻的 nt 与模板配对 第一个 nt 为 5 ＇ pppG or pppA, 第二个 nt 有游离 3 ＇-OH继续加入 NTP, 延长 几个 nt 之后 因子脱落

全酶 -DNA- pppGpN ＇ -OH 称为起始复合物

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2 、延长阶段 : 核心酶 (core enzyme) 沿模板 3 ＇ 5 ＇滑行 , RNA 按 5 ＇3 ＇方向合成>12nt, RNA 5 ＇端与 DNA 模板脱离mRNA: 45nt/sec, rRNA: 90nt/sec

3 、 . 终止阶段

两种方式 : 因子不依赖终止 因子依赖终止

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RNA 酶行进到模板的终止子部位 ( 富含 GC, 可在RNA 上形成发夹结构 )

发夹结构影响 RNA 酶的行进

RNA 链先从 DNA 上释放 , 再与核心酶分离

终止转录

（ 1 ）因子不依赖终止 图 5-1

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因子与 RNA 聚合酶结合 ( 终止子 ) 使 RNA-DNA 杂交体解开 因子、 RNA 聚合酶与 DNA 分离 转录终止

（ 2 ）因子依赖终止 图 5-2

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（四）、转录后加工

初级转录产物（ primary transcrips ）：一个操纵子转录出的一条完整 RNA 。

mRNA ：不需要加工 rRNA ：需加工、修饰 tRNA ：需加工、修饰

6 个基因： 3 个 tRNA 16s rRNA 23 s rRNA 称为 30 s RNA 5 s rRNA 间隔序列

如大肠杆菌 rrnD 操纵子 （ rRNA 、 tRNA 混排）图 5-3

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30 s RNA 核酸内切酶（ RNase P ）16 s 、 23 s 、 5 s rRNA 前体 + tRNA 前体 （内、外切酶） （ 1 ） 剪切作用：多余序列

切除原间隔序列 （ 2 ）添加和修复 3‘ 端 CCA 序列 （ 3 ）某些碱基的化学修饰

成熟 16 s 、 23 s 、 5 s rRNA 成熟 tRNA

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二、真核生物 RNA 的生物合成（一） RNA 聚合酶

pol 1 ：核仁： 5.8S 、 18S 、 28S rRNA pol 2 ：核浆： mRNA pol 3 ：核浆： tRNA

（二）转录单位： 为一个基因（一个结构基因加相应调控元件）

三、转录过程：

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1 ．起始阶段：需一些蛋白质参与，称转录因子（ transcrption factor ， TF ）（ 1 ） mRNA 前体的转录 图 5-4 ： pol 2

TF2D （含一个 TATAbox 结合蛋白（ TBP ）和多个 TBP 结合因子（ TAF ）） + TATA box TF2A ， TF2B 结合 TF2D TF2F+ pol2 结合 TF2B

TF2E 、 TF2H 加入，形成起始复合物

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人基因：核心启动子 + 上游调控元件（ UCE ） 转录因子： 上游结合因子（ UBF1 ）、 选择因子1 （ selectivity factor1 ， SL1 ） （含一个 TBP 和 3 个 TBP 结合因子）

（ 2 ） rRNA 前体的转录 ： pol 1

UBF1 与核心启动子和 UCE 结合SL1 与 UBF1 结合pol 1 与 SL1 中的 TBP 结合起始转录

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基因： A box 、 B box TF 3 C 结合与 B box TF 3 B 结合与启动子 pol 3 进入

（ 3 ） tRNA 、 5SrRNA ： pol 3

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3 、终止阶段：机制不清

2 、延长阶段：与原核生物相似，方向 5 ＇ 3 ＇

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7mG ： 5 ＇ -5 ＇磷酸二酯键（正常： 3 ＇ -5 ＇磷酸二酯键）

（四）转录产物的加工

5 ＇端加帽子1 ． mRNA 前体的加工：3 ＇端加尾巴（ poly A）去除内含子拼接外显子

（ 1 ） 5 ＇端加帽子（ capping ）图 5-5

1 型帽子结构： m7G-nt1 （ 2 ＇ -OH 被甲基化） 2 型帽子结构 : m7G-nt1 （ 2 ＇ -OH 被甲基化） - nt2

（ 2’ -OH 被甲基化）

两种：

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(2)3 ＇端加尾巴（ poly A tail ）图 5-6 mRNA 中 AAUAAA 序列被核酸内切酶识别并在其下游 11 nt -30nt 处切断 , 在 poly A 聚合酶作用下加入 poly A.

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(3) 去除内含子拼接外显子 (splicing): 图 5-7

剪接反应 : 在剪接体 (spliceosome) 中进行 ( 两步 ) SnRNA: U1, U2,U3…..U6 蛋白质

内含子的结构 : 5 ＇ GU------------------A-------AG 3 ＇（ 5 ＇剪切位点） ( 分支点 ) (3 ＇剪切位点 )

第二步 : 5 ＇外显子攻击 3 ＇剪接位点 , 两个外显子拼接 , 同时释放套索状中间产物 .

第一步 : 分支点 A 攻击 5 ＇侧剪接位点 G, 释放 5 ＇外显子 .

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mRNA 内含子的自我剪接

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特点：内含子自我剪接 / 核酶产物：套索结构

（ 4 ）化学修饰 : 主要是甲基化修饰

（ 5 ） RNA 的编辑 (RNA editing)

隐蔽基因 (cryptogene) 产物如 线粒体细胞色素氧化酶 C亚基 mRNA ：

在 145 个不同位点插入 407 个 U ，

在 9 个不同位点删除 19 个 U ， 编辑 nt占成熟 mRNA 的一半以上。

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（ 2 ） tRNA 前体的加工

A ： tRNA 前体的剪接：去除内含子和 5 ＇侧先导序列。 B ： 添加或修复 3 ＇端 CCA 序列。 C ： 化学修饰：形成稀有碱基。

（ 3 ） rRNA 前体的加工： A ： rRNA 前体的剪接； B ：化学修饰

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第三节 翻译一、原核生物蛋白质的生物合成（一）蛋白质生物合成体系

1 、 mRNA ：（ 1 ）密码子（ codon ）：每三个相邻的 nt决定一个氨基酸。（ 2 ）开放阅读框（ open reading frame ， ORF ）：从起始密码子到终止密码子。

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（ 3 ）遗传密码： 64 个密码子的统称。密码子表（ P78）

（ 1 ）起始密码子： AUG- met ； （ 2 ）终止密码子： UAG ， UAA ， UGA （ 3 ）读写方向： 5 ＇ 3 ＇； （ 4 ） 连续性； （ 5 ）兼并性：几个密码子决定同一个氨基酸； （ 6 ） 通用性；

特点：

（ 7 ）摆动性（ wobble ）：密码子的第三位与反密码子的第一位 碱基的配对不十分严格。

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第一位（ 5端） 碱基

第二位（中间）碱基 第三位（ 3 端）碱基

 

   

A 

G 

U 

C

  

A

AAA 赖氨酸AAG 赖氨酸 AAU 天 冬 酰胺AAC 天 冬 酰胺

AGA 精氨酸AGG 精氨酸 AGU 丝氨酸AGC 丝氨酸

AUA 异 亮 氨酸AUG 甲 硫 氨酸 + 起始信号AUU 异 亮 氨酸AUC 异 亮 氨酸

ACA 苏氨酸ACG 苏氨酸 ACU 苏氨酸ACC 苏氨酸

AG UC

  

G

GAA 谷氨酸GAG 谷氨酸GAU 天 冬 氨酸GAC 天 冬 氨酸

GGA 甘氨酸GGG 甘氨酸GGU 甘氨酸GGC 甘氨酸

GUA 缬氨酸GUG 缬氨酸GUU 缬氨酸GUC 缬氨酸

GCA 丙氨酸GCG 丙氨酸GCU 丙氨酸GCC 丙氨酸

AGUC

  

U

UAA 终 止 信号UAG 终 止 信号UAU 酪氨酸UAC 酪氨酸

UGA 终 止 信号UGG 色氨酸UGU 半 胱 氨酸UGC 半 胱 氨酸

UUA 亮氨酸UUG 亮氨酸UUU 苯 丙 氨酸UUC 苯 丙 氨酸

UCA 丝氨酸UCG 丝氨酸UCU 丝氨酸UCC 丝氨酸

AGUC

  

C

CAA 谷 氨 酰胺CAG 谷 氨 酰胺CAU 组氨酸CAC 组氨酸

CGA 精氨酸CGG 精氨酸CGU 精氨酸CGC 精氨酸

CUA 亮氨酸CUG 亮氨酸CUU 亮氨酸CUC 亮氨酸

CCA 脯氨酸CCG 脯氨酸CCU 脯氨酸CCC 脯氨酸

AGUC

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主要活性部位： A 位（受位 acceptor site ）：氨酰 tRNA(tRNA-a.a) 进入的部位 .

P 位 (供位 donor site,peptide site): 肽酰 tRNA(tRNA-a.a-a.a-a.a-a.a…a.a) 占据的部位 .

2 ．核糖体（ ribosome ）： rRNA + prs ：是蛋白质合成的场所

3 ． tRNA ：氨基酸的运输工具， 细菌中约 30 种 -40 种。

4 ．各种蛋白质：起始因子： IF ： IF-1 ； IF-2 ； IF-3 。 延伸因子： EF ： EF-Tu ； EF-Ts ； EF-G。 终止因子： RF ： RF-1 ； RF-2 ； RF-3 。

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5 ．氨基酰 -tRNA 合成酶：催化氨基酸与 tRNA 结合形成 tRNA-a.a, 具有特异性 .

1. 起始阶段 : IF-3+ 30S mRNAfmet-tRNAfmet-IF-2-GTP(IF-1促进该三元复合物形成 ) 50S 释放 IF-1,IF-2,IF-3,GDP,Pi

形成 70S.mRNA. fmet-tRNAfmet 三元起始复合物 .

( 二 )氨基酸的活化 : tRNA + a.a tRNA-a.a ( 三 ) 翻译过程 : 三个阶段

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2. 延长阶段 : 许多循环组成，每个循环包括三步

（ 1 ）进位 : ：甲硫氨酰 -tRNA 首先进入 P位（ 由起 始密码子 AUG 编码）此后的所有 aa-tRNA 都首先进入 A 位 .

（ 2 ）转肽：肽键形成

（ 3 ）移位 : ： A 位 P 位 .

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3 终止阶段 : 当进入终止密码子时 .

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二、真核生物蛋白质合成的特点 ： 与原核生物基本相同

1 ．肽链的折叠2 ．各种共价修饰3 ．水解修饰4 ．亚单位聚合

三、肽链的翻译后加工

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修饰水解

成熟的分泌蛋白高尔基体中切除部分肽段 / 修饰蛋白原