《医学细胞生物学》基因信息的传递与蛋白质合成-精选文档
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《医学细胞生物学》基因信息的传递与蛋白质合成
翻译——蛋白质的合成
核糖体
核糖体是一个能够找到mRNA序 列上起始的、具有蛋白质合成功 能的大分子复合物。
tRNA携带氨基酸
tRNA能够携带氨基酸到核糖体， 保证蛋白质的合成顺利进行。
蛋白质折叠
合成后的蛋白质需要经过黑匣子 阶段，折叠成特定的三维结构， 才能发挥作用。
合成过程中的调控
1 启动子及基因转录因子的结合
激活启动子上的转录因子会提高基因的转录速率。
2 翻译前的转录后修饰
在转录后，还可以添加一套翻译前修饰机制，如mRNA的翻译起始区域会被修饰为Kozak 序列，提高翻译的效率。
3 翻译后的后修饰
蛋白质合成后，还需要进行后修饰，在这过程中可以加上磷酸化、甲基化、糖基化等化 学修饰，以改变蛋白质的特性。
蛋白质后修饰及其功能
DNA聚合酶
DNA聚合酶是一种蛋白质酶， 能够沿着DNA模板合成新的 DNA链。
转录与RNA的合成
1
启动子序列
启动子序列是调控转录的区域，在此区域的启动子能够吸引RNA聚合酶将mRNA 合成的起点对准。
2
转录因子
转录因子是一类能够结合启动子，启动转录的蛋白质。
3
mRNA修饰
mRNA合成后会进一步地修饰，如羧基端的剪切等，这些修饰使得成熟的mRNA 能够出核并参与下一步的翻译。
蛋白电泳
蛋白电泳是从混合的蛋白质中分 离出单独的蛋白质，实现了蛋白 质鉴定与分辨定性。
干细胞
干细胞可以自我复制以产生同样 的干细胞，并且可以在接受适当 模拟后变成更多的细胞种类。
《医学细胞生物学》基因 信息的传递与蛋白质合成
本次演讲将会深入浅出地介绍细胞中基因信息的传递与蛋白质的合成，使您 对细胞机制有一个全景式的认识。
基因信息的传递--蛋白质的生物合成(精)
• 氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASer MettRNAMet真核生物： Met-tRNAiMet原核生物中起始tRNA所携带 的蛋氨酸被甲基化，因此用 fMet-tRNAifMet表示
密码子与反密码子的 阅读方向均为5‘ 3’ 两者反向平行配对。 CCG GGC
遗 传 密 码 表
遗传密码具有以下的特点：
①连续性：指两个相邻的密码子之间没有任何特殊的符号加以间 隔，翻译时必须从某一特定的起始点开始，连续地一个密码子 挨着一个密码子“阅读”下去，直到终止密码子为止。mRNA上 碱基的插入或缺失都会造成密码子的阅读框架改变，使翻译出 的氨基酸序列异常，产生“移码突变”。 ②简并性：除蛋氨酸和色氨酸各有一个密码子外，其余每种氨基 酸都有2～6个密码子。一种氨基酸具有2个或2个以上密码子的 现象，称为遗传密码的简并性。遗传密码的简并性主要表现在 密码子的前2个碱基相同，第3个碱基不同，因此当第3个碱基 突变时不会造成翻译时氨基酸序列的改变。遗传密码的简并性 对于减少有害突变，保证遗传的稳定性具有一定的意义。 ③方向性：起始密码子位于mRNA链的5’端，终止密码子位于3’ 端，翻译时从起始密码子开始，沿5’→3’方向进行，直到终 止密码子为止，与此相应多肽链的合成从N端向C端延伸。
蛋白质的生物合成的具体步骤，在原核生物和 真核生物细胞基本类似。目前了解比较清楚 的是大肠杆菌，下面以此为例来介绍翻译过 程。
（一）氨基酸的活化与转运 氨基酸必须通过活化才能参与蛋白质的生物合 成，活化反应是在氨基酸的羧基上进行，由氨 基酰tRNA合成酶催化，ATP供能，活化一分子 氨基酸需要消耗2个高能磷酸键。 氨基酸活化的总反应式
第十章基因信息的传递 蛋白质的生物合成
遗传信息传递与蛋白质合成的规律反应
Transmission of Genetic Information and Protein Synthesis 首 页
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第九章 基因信息的传递与蛋白质合成
三﹑蛋白质合成的一般过程
(一)氨基酸活化是蛋白质生物合成的预备阶段
氨基酸+tRNA+ATP 氨基酰-tRNA 氨基酰tRNA+AMP+PPi 合成酶
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第九章 基因信息的传递与蛋白质合成
二﹑蛋白质合成的场所——核糖体
核糖体是合成蛋白质的机器，其功能是按照mRNA 的指令由氨基酸合成蛋白质。
(一)核糖体是由rRNA和蛋白质组成的大分子复合物
Transmission of Genetic Information and Protein Synthesis 首 页
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第九章 基因信息的传递与蛋白质合成
三﹑蛋白质合成的一般过程
(三)肽链延长是多因子参与的核糖体循环过程 核糖体循环包括三个步骤：
进位（registration）：特异的氨酰-tRNA进入A位。 成肽（peptide formation）：P位上的氨基酸连接
Transmission of Genetic Information and Protein Synthesis 首 页
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第九章 基因信息的传递与蛋白质合成
二﹑蛋白质合成的场所——核糖体
(二)核糖体是蛋白质合成的场所
2.P位（peptidyl-tRNA site）起始氨酰-tRNA和肽酰-tRNA结合的位置。 3.A位（aminoacyl site）氨酰tRNA结合的位置。 4.E位点(exit site) 肽酰转移后与即将释放的tRNA结合位点 。 5.延伸因子EF-G位 与肽酰-tRNA从A位点转移到P位点有关的转移酶的结合 位点。 6.转肽酶（transpeptidase）活性部位 位于P位和A位的连接处，催化肽键的 形成。 7.参与蛋白质合成的因子的结合部位
基因信息的传递和蛋白质合成-七年制
基因是DNA分子中含有特定遗传信息的核苷酸序列； 基因的产物为RNA和多肽； 基因是生物遗传的最小功能单位，无法再分割； 基因的分类：结构基因及调控基因
增强子
启动子
exon intron
转录起始点
exon
intron
终止子
基因：能产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部DNA序列
基因及其结构
✓ 启动子：TATA盒，CAAT盒及GC盒 ✓ 外显子及内含子（GT-AG法则） ✓ 5’及3’非翻译区 ✓ 终止子，转录后形成发夹，终止转录
结合转录因子，控制转录频率 结合RNA聚合酶，确定转录起始位点
ATG TAA
基因及其结构
基因的结构及特点——真核生物
✓ 基因家族（gene family）：由同一祖先基因
基因及其结构
基因的结构及特点——原核生物
简单的结构：无内含子，基因排列紧密 高效的组织形式：操纵子（多顺反子） 原核启动子：RNA聚合酶识别结合的部位，包括-35区及-10区
基因重叠区
gene0 gene1
gene2
gene3
gene4
启动子
连续的编码序列
转录起始点
终止子
基因及其结构
基因的结构及特点——原核生物
结构复杂而冗余； 经重复和变异形成的，结构相似，功能相关的
组织形式：单顺反子
一组基因。如：编码组蛋白、免疫球蛋白和珠 蛋白的基因都属于基因家族；
基本元件构成：
✓ 基因家族的分类：
基因家族及假基因 重复序列
1.家族成员紧密地排列在一起，成为基因簇 （gene cluster），如组蛋白基因簇
2.家族成员广泛分散于整个染色体，如珠蛋
原核生物启动子基本元件
增强子
启动子
exon intron
转录起始点
exon
intron
终止子
基因：能产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部DNA序列
基因及其结构
✓ 启动子：TATA盒，CAAT盒及GC盒 ✓ 外显子及内含子（GT-AG法则） ✓ 5’及3’非翻译区 ✓ 终止子，转录后形成发夹，终止转录
结合转录因子，控制转录频率 结合RNA聚合酶，确定转录起始位点
ATG TAA
基因及其结构
基因的结构及特点——真核生物
✓ 基因家族（gene family）：由同一祖先基因
基因及其结构
基因的结构及特点——原核生物
简单的结构：无内含子，基因排列紧密 高效的组织形式：操纵子（多顺反子） 原核启动子：RNA聚合酶识别结合的部位，包括-35区及-10区
基因重叠区
gene0 gene1
gene2
gene3
gene4
启动子
连续的编码序列
转录起始点
终止子
基因及其结构
基因的结构及特点——原核生物
结构复杂而冗余； 经重复和变异形成的，结构相似，功能相关的
组织形式：单顺反子
一组基因。如：编码组蛋白、免疫球蛋白和珠 蛋白的基因都属于基因家族；
基本元件构成：
✓ 基因家族的分类：
基因家族及假基因 重复序列
1.家族成员紧密地排列在一起，成为基因簇 （gene cluster），如组蛋白基因簇
2.家族成员广泛分散于整个染色体，如珠蛋
原核生物启动子基本元件
生物学中的基因编码与蛋白质合成
生物学中的基因编码与蛋白质合成生命的DNA分子是由一系列核苷酸组成的，每个核苷酸由一个五碳糖、一种氨基酸和一种磷酸分子组成。
通过四种碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和鸟嘌呤）的不同排列组合，使得人类DNA分子中有数十亿种组合方式。
这样复杂的组合关系为基因编码和蛋白质合成提供了生物学基础。
基因编码和蛋白质合成是生物系统中最核心的过程之一。
DNA 中包含着这类带有遗传性质的信息，它们通过不断复制来确保遗传信息的传递。
但是，只有当DNA序列被转录成RNA分子后，它才能变成一种具有功能的蛋白质。
这个过程涉及到很多复杂的步骤，下面我们将对这些过程进行更详细的探讨。
1. DNA复制DNA复制是基因编码和蛋白质合成的第一步，它是一个“半保守性”过程，即每个新复制出的DNA分子都由原来的DNA分子中一部分的遗传信息组成。
DNA分子是由两根互补的链组成的，每根链中的碱基都有一个与之互补的碱基。
简单来说，碱基腺嘌呤只与胸腺嘧啶互补，而碱基鸟嘌呤只与胸腺嘧啶互补。
这种互补关系是DNA分子复制过程中的基础。
在DNA复制过程中，每根单链被复制出来，形成两根新DNA分子。
2. 转录转录是DNA分子复制完成后的下一步骤。
它是DNA信息传递的第二步，能够将DNA信号转换为RNA信号。
与DNA不同，RNA分子是由单根链组成的，其中碱基鸟嘌呤与DNA中的胸腺嘧啶互补，而胸腺嘧啶则通过Uracil碱基与鸟嘌呤互补。
转录过程在RNA聚合酶的帮助下进行。
这种酶在RNA与DNA的反式链之间扫描，将链上各个核苷酸的信息转录成RNA分子。
3. 剪接转录后的RNA分子在细胞核中被剪辑成mRNA，然后到达细胞质中准备进行翻译。
剪辑过程是一种非常复杂的过程，其中一些RNA分子部分或全部被剪辑掉，而其他一些RNA分子则通过嵌合成新的片段来形成成熟的功能RNA分子。
4. 翻译翻译是DNA分子到蛋白质合成的最后一步。
通常，每个蛋白质都由20种氨基酸通过特定的组合方式组成。
《医学细胞生物学》基因信息的传递与蛋白质合成
二、基因的结构及其特点 （一）原核细胞的基因结构
cell Biology
cell Biology
启动子：位于结构基因上游的一段DNA序列，它 是RNA聚合酶识别和结合的部位，可以 控制在同一条DNA上紧密连接的一个或 几个基因的转录。
转录起始点： DNA模板链上开始进行转录作用的位点，以“+1”标识。 从起始点开始顺着转录方向的区域称为下游，用+标识； 从起始点开始逆着转录方向的区域称为上游，用-标识。
三、蛋白质合成的一般过程
cell Biology
蛋白质生物合成可分为五个阶段，即氨基酸的 活化、多肽链合成的起始、肽链的延长、肽链的终 止和释放、蛋白质合成后的加工修饰。
ATP +
1、氨基酸的活化
第一步
氨基酸
在氨酰-tRNA合成酶 作用下，氨基酸的羧基 与tRNA 3’末端的CCAOH缩合成氨酰-tRNA。
cell Biology
摆动性：一般来讲，密码子的前两位碱基在和 反密码子配对时，遵循正常的碱基互补配对原则， 而第三位碱基的配对有一定的灵活性，即反密码子 的第三个碱基可与密码子的第三个碱基不配对，这 就是密码子和反密码子配对的摆动性。
cell Biology
二、蛋白质合成的场所——核糖体 原核细胞和真核细胞核糖体成分的比较
cell Biology
RNA的合成方向是5’→3’，并且在RNA合成中 不需要引物。
二、原核细胞的基因转录
cell Biology
原核细胞基因转录的基本过程分为三个阶段：
cell Biology
1、转录的起始阶段 RNA聚合酶的σ亚基识别基因上游的启动子，使 全酶与启动子结合形成复合物。开始合成RNA，当 RNA链延长到8~9个核苷酸后， σ亚基从全酶上解离 出来，转录起始完成。
细胞生物学课程第9章基因信息的传递与蛋白质合成(医学院) 厦门大学
三、基因的转录
（一）基因转录的一般特点 （二）原核细胞的基因转录 （三）真核细胞的基因转录与转录后加工
（一）基因转录的一般特点
❖ 以DNA双螺旋中反义链为为模板，按照碱基互补配对原则， 以四种核苷三磷酸ATP、GTP、CTP、UTP为原料，在RNA 聚合酶作用下，合成RNA的过程。
1.转录基本特征
➢ 对一个基因组，转录只发生在一部分基因。 ➢ RNA的合成方向是: 5’→ 3’ ➢ RNA合成的起始不需要引物。 ➢ RNA合成以NTP为底物，遵循严格的碱基互补
配对原则。 ➢ 新合成的RNA5’端具有三磷酸结构，第一个
常为嘌呤核苷酸。 ➢ 不对称转录
2.不对称转录
5’
3’
3’
5’
— ❖ 为模板链，也称反义链，与mRNA互补；
① 原核生物中rRNA前体的加工
❖ rRNA的初级转录产物——30S前体 ❖ 加工后产物：三种rRNA:5S、16S、23SRNA,三者比
例为1：1：1。
② tRNA转录后的加工
❖ tRNA的加工是在RNAaseP、 RNAaseF、 RNAaseD的共同参与下完成的。
（三）真核细胞的基因转录与转录后加工特点
❖ ④调控区，包括启动子和增强子等。
1.原核启动子
2.真核启动子
真核细胞启动子与原核启动子结构差异，主要由 TATA盒及其上游的CAAT盒和/或GC盒组成。
4. 终止子
❖ 基因末端具有转录终止功能的特定序列。终止子 序列转录后形成发夹结构，使RNA聚合酶脱落，终 止转录。
二、基因组的概念
➢ “基因组”是表示某物种单倍体的总DNA，即 含有生物一整套遗传信息的遗传物质，泛指 一个细胞或病毒的全部遗传信息。
第九章 基因信息的传递与蛋白质合成
第九章基因信息的传递与蛋白质合成第一节基因及其结构基因（gene）：是细胞内遗传物质的最小功能单位，是负载有特定遗传信息的DNA片段。
结构基因（structural gene）：编码非调控因子的任何蛋白质和RNA的基因。
调控基因（regulatory gene）：编码调节其他基因表达的白质或RNA的基因。
人类基因组约有3.0×109 bp，2~3万个基因。
(一)原核细胞的基因结构特点编码区：能够转录为相应的mRNA，进而指导蛋白质合成的基因区段在原核细胞中是连续的，功能相关的结构基因串联排列。
非编码区：占整个基因组小部分，不能转录为mRNA、编码蛋白质的区段由编码区上游和下游的DNA序列组成。
⑴启动子（promoter）：位于结构基因上游，包含转录起始点和RNA聚合酶识别及结合的部位。
⑵起始点：DNA模板链上开始进行转录作用的位点。
⑶识别部位：RNA聚合酶的σ因子识别DNA分子的部位，中心位于-35区，共有序列是5′-TTGACA-3′。
⑷结合部位：在DNA分子上与RNA聚合酶核心酶紧密结合的序列，中心位于-10区，共同序列为5′-TATAAT-3′，又称为Pribnow盒（pribnow box）(二)真核细胞的基因结构特点由编码区和非编码区两部分组成，编码区是不连续的，被非编码区所隔断，因而真核细胞基因也称为断裂基因。
1.断裂基因(split gene)：由若干内含子和外显子构成的不连续镶嵌结构的结构基因。
⑴内含子(intron)：指插入在结构基因内部能够被转录，但不能指导蛋白质生物合成的非编码顺序。
GT-AG法则：在内含子的5’端多以GT开始，3’端多以AG结束，是普遍存在于真核细胞基因中RNA剪接的识别信号。
⑵外显子(exon)：指在结构基因中能够被转录，并能指导蛋白质生物合成的编码顺序。
⑶启动子真核生物启动子由TATA盒及其上游的CAAT盒和/或GC盒组成。
TATA盒（TATA box）：在转录起始位点上游-25～-35 bp区段，是以TATA为核心的序列，RNA聚合酶及其他蛋白质因子的结合位点。
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离心
离心
图 9- Hershey 和 Chase 的 T2 渗震实验
RNA也是遗传物质
cell Biology
1956年A.Gierer和G.Schraman发现烟草花叶 病毒（tobacco mosaic virus,TMV），其遗传物质 是RNA。 烟草花叶病毒(TMV) 是一种RNA病毒，不含 DNA，它有一个圆筒状的 蛋白质外壳，由2130个相 同的亚基组成，内有一条 RNA分子，沿着内壁在蛋 白质亚基之间盘旋 。
调控基因：通过编码蛋白质或RNA来调节其他 基因的表达。
cell Biology
基因组：是指细胞或生物体的一套完整的单倍 体遗传物质，是所有染色体上全部基因和基因间的 DNA的总和，它含有一个生物体进行各种生命活动 所需要的全部遗传信息。 蛋白质是生命活动的执行者！
cell Biology
中心法则： 遗传信息从DNA到RNA再到蛋白质的流动。 中心法则包括：1、DNA的复制 2、RNA的转录 3、蛋白质的翻译 此外，逆转录和RNA复制是对中心法则的补充。
（2）ρ因子非依赖性终止：由新合成RNA链形 成局部发夹结构，使RNA聚合酶不再向下 移动，磷酸二酯键停止形成，RNA从模板 上脱离。
2、转录的延长阶段
cell Biology
核心酶沿模板链3’→5’方向移动，使RNA链 以5’→3’方向不断延长。
3、转录的终止阶段
原核细胞中转录终止有两种形式：
cell Biology
（1）ρ因子依赖性终 止： ρ因子在转 录终止点与RNA 聚合酶结合，使 RNA链脱离；
cell Biology
cell Biology
cell Biology
在双链DNA中，作为转录模板的链称为模板 链或反义链，即与mRNA互补的DNA链； 与模板链互补的另一条链称为编码链或有意 链，该链与转录产物的序列相同。 模板链并非总在同一单链上。
不对称转录： 在DNA双链的某一区段，以其中一条单链为模 板，而在另一区段，以其相对应的互补链为模板。 这种DNA链的选择性转录也称为不对称转录。
cell Biology
终止子：存在于基因末端具有转录终止功能的特定 序列，转录后形成发夹结构，使RNA聚合 酶从模板上脱离，终止转录。
cell Biology
真核细胞和原核细胞mRNA的区别
基因家族
cell Biology
基因家族是真核细胞基因组中来源相同、结 构相似、功能相关的一组基因，是由一个祖先基 因经重复和变异形成的。 按照在基因组中的分布不同，基因家族可分 为两类： 1、基因簇—基因家族成员成簇存在，串联 排列于染色体区段上； 2、基因家族成员分散存在，广泛分布于整 个染色体，甚至不同染色体上。
二、基因的结构及其特点 （一）原核细胞的基因结构
cell Biology
cell Biology
启动子：位于结构基因上游的一段DNA序列，它 是RNA聚合酶识别和结合的部位，可以 控制在同一条DNA上紧密连接的一个或 几个基因的转录。
转录起始点： DNA模板链上开始进行转录作用的位点，以“+1”标识。 从起始点开始顺着转录方向的区域称为下游，用+标识； 从起始点开始逆着转录方向的区域称为上游，用-标识。
cell Biology
RNA是遗传物质
1957年美国的 Heinz FraenkelConrat和B.Singre 用重建实验证实了 RNA是遗传物质
第一节 基因及其结构 一、基因及其信息流向
cell Biology
基因是DNA分子中一段具有生物功能的核苷酸 序列，控制着生物某一特定的性状。
结构基因：指编码非调控因子的任何蛋白质和 RNA的基因，其表达产物如结构蛋 基因 白、酶、rRNA和tRNA等。
cell Biology
cell Biology
GT-AG法则：在内含子的5’端多以GT开始，3’端 多以AG结束。这是普遍存在于真核 细胞基因RNA剪接的识别信号。
真核生物启动子：TATA盒（-25~-35bp） CAAT盒（-70~-80bp） GC盒（-80~-110bp）
cell Biology
cell Biology
RNA的合成方向是5’→3’，并且在RNA合成中 不需要引物。
二、原核细胞的基因转录
cell Biology
原核细胞基因转录的基本过程分为三个阶段：
cell Biology
1、转录的起始阶段 RNA聚合酶的σ亚基识别基因上游的启动子，使 全酶与启动子结合形成复合物。开始合成RNA，当 RNA链延长到8~9个核苷酸后， σ亚基从全酶上解离 出来，转录起始完成。
cell Biology
第九章 基因信息的传递与蛋白质合成
遗传物质的发现
cell Biology
1928年Frederick Griffith 转化实验
cell Biology
1952年，Hershey和Chase 噬菌体感染实验
35
cell Biology
S
32
P
10’
Waring blender
组蛋白基因簇
cell Biology
人血红蛋白亚基
cell Biology
cell Biology
假基因：在基因家族中，有些成员不能产生有功能 的基因产物，称为假基因。
Байду номын сангаас
假基因或是不能转录，或是转录后生成无功能 的基因产物。但他们在核苷酸序列上与有功能的基 因相似，可能来源于同一祖先基因。
真核基因组中含有大量的DNA重复序列：
cell Biology
单一序列：在真核细胞基因组中编码蛋白质的基因 一般只有一个或几个拷贝，这称为单一 序列；
中序重复序列：有相对较短的序列组成，重复次数 在10~1000之间。与基因调控有关。
高度重复序列：由基因组中非常短的序列组成，重 复次数在几千次以上。
第二节 基因的转录和转录后加工
一、基因转录的一般特点
cell Biology
识别部位：-35区（TATA盒）
结合部位：-10区（Pribnow盒）
（二）真核细胞的基因结构
cell Biology
真核细胞的基因序列由编码区和非编码区组成。
内含子：基因内部能够被转录，但不能指导蛋白 质生物合成的非编码序列； 外显子：基因内部能够被转录，并指导蛋白质生 物合成的编码序列；