第6章 分子生物学翻译
分子生物学中的基因转录和翻译
分子生物学中的基因转录和翻译基因是生命的基本单位，是人类、动物和植物的遗传信息载体。
基因可以转录为RNA，并且RNA可以被翻译为蛋白质。
基因转录和翻译是维持细胞和生物体正常生理功能的重要过程。
基因转录基因转录是指DNA水平上的信息传递，即将DNA编码的信息转换为RNA信息，并用来推断蛋白质的氨基酸序列。
基因转录是由RNA聚合酶(RNA polymerase)复制DNA时合成RNA分子的过程，RNA聚合酶会在DNA串内扫描，寻找一段特定的DNA序列，其通常以一个起始站点开始，称为启动子。
在这个地方，RNA聚合酶结合并开始克隆RNA。
这个启动序列通常是由两个特定的功能元件组成。
第一部分是TATA盒(TATA box)，它告诉RNA聚合酶在哪里开始转录。
第二部分是增强子(enhancer)序列，它可以增加基因的表达并协调DNA复制的过程。
完成转录之后，pre-mRNA序列会被剪切并拼接，形成成熟的mRNA。
mRNA可以被转运到细胞质中并参与翻译过程。
转录的主要产物是mRNA，但是转录也可以产生其他类型RNA。
转录的调控是生物体中基因表达的关键控制因素。
细胞可以通过控制RNA聚合酶与DNA的互作、核糖体合成和RNA降解等因素来控制基因转录的发生。
此外，转录的调控还受到一些核酸因子和转录激活因子的影响。
许多疾病，如肿瘤和自身免疫疾病，都与转录调控紊乱有关。
基因翻译基因翻译是指RNA水平上的信息传递，即通过将RNA信息翻译为氨基酸序列，生成蛋白质。
蛋白质质量和结构的确定取决于氨基酸的顺序。
20种不同的氨基酸可以以不同的序列组合来进一步分别形成不同的蛋白质。
蛋白质的信息来源于mRNA，mRNA中通过第三个核苷酸测序，信息被读取为三个核苷酸组成的非重叠密码子的序列。
在翻译过程中，一个RNA分子会通过核糖体与一个氨基酸专一地配对，然后一个又一个的氨基酸加入到正在被构建的多肽链中。
翻译是一个复杂的过程，它涉及到许多因素，如翻译起始和停止位点的识别、翻译调节和后翻译修饰等。
第六章 表观遗传学
NIH-National Institutes of Health(美国)
Epigenetic changes have been associated with disease, but further progress requires the development of better methods to detect the modifications and a clearer understanding of factors that drive these changes. 192 million USD for 5 years ( 2008 to 2012)
获得性遗传（ Inheritance
of acquired characteristics）
Jean-Baptiste Lamarck
(1744-1829)
问题 环境的作用能否改变个体的遗传 特性，并传递给下一代?
这种被称为“拉马克学说”(Lamarckism) 的观点一直被正统的生物学家拒之门外。
AHEAD(人类表观基因组与疾病联合会） （Alliance for the Human Epigenome and Disease）计划.
The international AHEAD scientific committee will discuss the issue of the global collaborative efforts in light of the recent launch of NIH routemap Epigenetics program
effect variegation (PEV) —— 第一种表观遗
传学现象。 1942年，Waddington提出现代Epigenetics的
分子生物学第5章、第6章
•DNA分子内或分子间发生遗传信息的重新组合，称为 遗传重组，或基因重排。→ 重组DNA •真核生物基因组间重组多发生在减数分裂时同源染 色体之间的交换；细菌及噬菌体的基因组为单倍体， 来自不同亲代两组DNA之间可通过多种形式进行遗传 重组。 •DNA重组对生物进化起着关键的作用。 •重组分类：同源重组(homologous recombination) 、 位点特异性重组(site-specific recombination)、 转座重组(transposition recombination)和 异常重组(illegitimate recombination)。
1. 互变异构体：碱基发生烯醇式-酮式互变异构或者氨 基-亚氨基互变异构时，使碱基错配。 2. 脱氨基作用：碱基上氨基自发脱落，或在诱变剂的 作用下脱去氨基，则C→U、A →I、G →X，引起子 链错误。 3. DNA聚合酶“打滑”：DNA复制时发生碱基的环出现 象，引起一个或数个碱基的插入或缺失，易发生于 几个相同碱基串联的部位。 4. 活性氧（O3）引起的诱变：①氧化碱基与C、A配对， 造成GC → TA颠换，这种损伤可以积累；②H2O2造成 的DNA氧化损伤，此类损伤一般能被修复。
核苷酸切除修复
错配修复
错配修复对 DNA复制忠实 性的贡献力达 102-103，DNA 子链中的错配 几乎完全都被 修正，充分反 映了母链的重 要性。
大肠杆菌甲基化引 导的错配修复
重组修复
易错修复和SOS反应
•SOS反应：当DNA损伤广泛难以继续复制时，由此而
诱发出一系列复杂的反应。
•这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差。
5.3.4 基因突变的后果
基因突变的后果主要是生物功能的丧失。 某一基因突变后使其所表达的蛋白质或酶失活， 有时还会引起多种酶的缺乏。 有些突变可产生功能获得性显性表现型。 典型的人体细胞突变每个基因每代发生率为107～10-5，但并非所有的突变都会导致疾病。
分子生物学中的转录和翻译过程
分子生物学中的转录和翻译过程转录和翻译是分子生物学中的两个重要过程。
转录是指从DNA模板合成RNA分子的过程，其中RNA作为信息的中介传递到细胞内的核外，然后供翻译使用。
翻译是指将RNA翻译成蛋白质序列的过程，是生命体系中产生多种功能蛋白质的基础。
本文将分别介绍这两个过程的机制和重要性。
一、转录过程转录是一种基因表达过程，它涉及到模板DNA的开放和RNA合成。
本质上，转录是一种DNA依赖性RNA合成过程，能够启动生物体内大多数核苷酸序列的表达。
相比DNA，RNA分子更易于合成和分解，并且具有许多不同类型：传递RNA（tRNA）、转运RNA（rRNA）和信使RNA（mRNA）等。
转录过程的主要步骤如下：1. 启动子序列的结合：RNA聚合酶必须与某种DNA序列结合才能启动合成RNA的过程。
启动子序列通常位于基因的起始位置，用于指示RNA酶具体在哪一片段开始转录。
2. 开链：RNA酶从DNA双链中打开某一区段，从而产生一个开放的DNA单链。
该单链被稳定地保护，以避免在转录期间被其他元件损坏。
3. 合成RNA：RNA聚合酶沿着单链DNA向前移动，并利用进入口处的核苷酸再合成一个反义核苷酸链的RNA分子。
RNA聚合酶仅将核苷酸添加到5'末端，仅被用作RNA合成起始部分的碱基标志在3'末端停止合成。
整个过程持续到RNA合成末端的终止序列，然后RNA成品释放，并RNA聚合酶从DNA模板中离开。
二、翻译过程翻译是将RNA序列转化为蛋白质的序列的过程，可以分为三个主要步骤：启动、延长和终止。
启动从AUG（起始）密码子开始，在三联码（一种由三个核苷酸组成的密码子，每个三联码都代表一条氨基酸）的作用下继续进行。
翻译过程必须稍微转换一下信息：DNA中的碱基序列被翻译成RNA中的天然核苷酸单元，然后转变为氨基酸的多肽链中的化学信号。
然而，在许多细胞中，许多会影响翻译机制的复杂调节机制也存在。
三、结论转录翻译是基因表达的重要过程，可实现生命中原始信息的继承、分化和增加。
专业英语翻译：分子生物学词汇
专业英语翻译：分子生物学词汇convalescent phase serum 恢复期血清convallamarin 铃兰苦苷convallaria cardiac glycoside 铃兰（类）强心苷convallarin 铃兰苷convective mass transfer 对流传质convective transfer 对流传递conventional mouse 常规小鼠convergence 会聚[用于神经系统]；趋同convergent evolution 趋同进化convergent synthesis 汇集合成conversion （基因）转变cooked meat medium 庖肉培养基cooling 冷却cooling air 冷却空气cooling bath 冷却水浴cooling coil 冷却旋管cooling jacket 冷却套管，冷却夹套cooling system 冷却系统cooling tower 冷却塔cooling tube 冷却管cooling water 冷却水cooling water circulation 冷却水循环coomassie blue [商]考马斯蓝coomassie brilliant blue [商]考马斯亮蓝cooperation 协同（作用）cooperative 协同的cooperative effect 协同效应，合作效应cooperative feedback inhibition 协同反馈抑制cooperative site 协同部位，协同位点cooperativity 协同性coordinate 坐标coordinate axis 坐标轴coordinate bond 配位键coordinate regulation 协同调节coordination 配位（作用）；协同（作用），协调（作用）coordination agent 配位剂coordination anion 配（位）阴离子coordination bond 配位键coordination catalysis 配位催化coordination cation 配（位）阳离子coordination compound 配位化合物，配合物coordination ion 配离子coordination isomerism 配位异构coordination number 配位数coordination site 配位点coordination sphere 配位层copolycondensation 共缩聚copolymer （二元）共聚物copolymerization 共聚合（反应）copper grid 铜载网copper protein 铜蛋白[共包括i,ii、iii型，i型即铜蓝蛋白] coprecipitation 共沉淀coprinin 鬼伞菌素coproporphyrin 粪卟啉coproprophyrinogen 粪卟啉原coprosterol 粪固醇，粪甾醇copurification 共纯化copy error 复制错误copy number 拷贝数cord factor 索状因子[如见于白喉杆菌]cordycepin 3'-脱氧腺苷；蛹虫草菌素。
分子生物学-08-1-生物信息的传递-6-翻译-遗传密码与tRNA
生物 所有
密码 子
UGA
线粒体DNA编 核DNA编码的
码的氨基酸
氨基酸
色氨酸
终止子
酵母 CUA
苏氨酸
亮氨酸
果蝇 AGA
丝氨酸
精氨酸
哺乳类 AGA/G 终止子
精氨酸
哺乳类 AUA 甲硫氨酸 异亮氨酸
线粒体的遗传密码子存在较多的例外情况，其中最常见的一种变化是 UGA由终止密码子变为色氨酸的密码子，这可能是进化上最早期的变化
2020/7/6
核糖体结合技术
特定三核苷酸为模板
如UUU,UCU
促进 结合
保温
核糖体
+
20 种AA-tRNA
其中一种AAtRNA的氨基 酸被14C标记
如果标记的aa能与模板配对， 体积增大，被滤膜滞留
过滤 硝酸纤维滤膜过滤
检测 分析留在滤膜上的核糖体-AA-tRNA放射性
2020/7/6
确定与核糖体结合的AA和模板
3个终止密码 UAG、UAA 、
UGA
61个密码代表20种AA
（3）方向性
5’---- 3’ ;
（4）连续性
密码子间连续阅读；不重叠、
不间断
（5）简并性
一种氨基酸有多个密码子
（6）摆动性
密码子第三个碱基与反密码的第一
个碱基不严格的配对现象。
2020/7/6
1、简并性
page121
由多个密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并 （degeneracy），对应于同一氨基酸的密码子称 为同义密码子（synonymous codon）。
4.1.2 遗传密码的性质
（1）普遍性与特殊性 普遍性：
遗传密码无论在体内还是体外，无论是对病 毒、细菌、动物还是植物而言都通用； 特殊性：
(NEW)朱玉贤《现代分子生物学》(第5版)笔记和课后习题(含考研真题)详解
4.3 名校考研真题详解 第5章 分子生物学研究法（上）——DNA、RNA及蛋白质操作技术
5.1 复习笔记 5.2 课后习题详解 5.3 名校考研真题详解 第6章 分子生物学研究法（下）——基因功能研究技术 6.1 复习笔记 6.2 课后习题详解 6.3 名校考研真题详解 第7章 原核基因表达调控 7.1 复习笔记 7.2 课后习题详解 7.3 名校考研真题详解 第8章 真核基因表达调控 8.1 复习笔记 8.2 课后习题详解 8.3 名校考研真题详解
② T2噬菌体感染大肠杆菌实验
a．在分别含有35S和32P的培养基中培养大肠杆菌。
b．用上述大肠杆菌培养T2噬菌体，分别制备含35S的T2噬菌体和32P的
T2噬菌体。
c．分别用含35S的T2噬菌体和32P的T2噬菌体感染未被放射性标记的大 肠杆菌。
d．培养一段时间后，将混合液离心，检测子代噬菌体放射性。上清液 主要是噬菌体，沉淀物主要是大肠杆菌。
（4）基因组、功能基因组与生物信息学研究
基因组计划是一项国际性的研究计划，其目标是确定生物物种基因组所 携带的全部遗传信息，并确定、阐明和记录组成生物物种基因组的全部 DNA序列。
功能基因组学相对于测定DNA核苷酸序列的结构基因组学，其研究内容 是在利用结构基因组学丰富信息资源的基础上，应用大量的实验分析方 法并结合统计学和计算机分析方法来研究基因的表达、调控与功能，以 及基因间、基因与蛋白质之间和蛋白质与底物、蛋白质与蛋白质之间的 相互作用和生物的生长发育等规律。功能基因组学的研究目标是对所有 基因如何行使其职能从而控制各种生命现象的问题作出回答。
严格地说，重组DNA技术并不完全等于基因工程，因为后者还包括其他
可能使生物细胞基因组结构得到改造的体系。
第6章原核生物的基因表达调控
一、操纵子(operon)
细菌能随环境的变化，迅速改变某 些基因表达的状态，这就是很好的基因 表达调控的实验模型。人们就是从研究 这种现象开始，打开认识基因表达调控 分子机理的窗口的。
既然从DNA到蛋白质的过程称为基因表达，对这个过程
的调节就称为基因表达调控（gene regulation或gene control）。基因表达调控是现阶段分子生物学研究的中
心课题。
6.1.1基因表达调控的意义
基因组(genome) 是指含有一个生物体生存、发育、活动和 繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。
一个受精卵含有发育成一个成熟个体的全部遗传信息，在个 体发育分化的各个阶段，各种基因极为有序地表达，一般 在胚胎时期基因开放的数量最多，随着分化发展，细胞中 某些基因关闭(turn off)、某些基因转向开放(turn on)， 胚胎发育不同阶段、不同部位的细胞中开放的基因及其开 放的程度不一样，合成蛋白质的种类和数量都不相同，显 示出基因表达调控在空间和时间上极高的有序性，从而逐 步生成形态与功能各不相同、极为协调、巧妙有序的组织 脏器。
组成性基因表达也不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。
②适应性表达(adaptive expression)指环境的变化容易使其表达 水平变动的一类基因表达。
应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)， 这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)；
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16S rRNA
Prokaryotic
21 proteins of small subunit (S1 ~ S21)
30S subunit
70S prokaryotic ribosome
5S rRNA 5.8S rRNA 28S rRNA
L1
L2
L3
L50
50 proteins of large subunit (L1 ~ L50)
If each codon has one base Amino Codons Acids
If each codon has two bases First Second Amino base base Codons acids
If each codon has three bases First Second Third base base base Amino acids aa1 aa2 aa3 aa4 aa5 aa6 aa7 aa8 aa9 aa10 aa11 aa12 aa13 aa14 aa15 aa16
AGG Arg
AAA Lys
终止 Ser
终止
Asp Asp
Thr
遗传密码的特点
(1) 遗传密码是三联体密码。 (2)遗传密码无逗号。 (3)遗传密码是不重迭的。 (4)遗传密码具有通用性。 (5)遗传密码具有简并性(degeneracy synonyms)。 (6) 密码子有起始密码子和终止密码子。
G
U C A G U C A G U C A G Third position (3’ end)
CUC
C First position (5’ end) A CUA CUG AUU AUC AUA AUG = Met lle Leu
CCC
CCA CCG ACU ACC ACA ACG
Pro
CAC
CAA CAG AAU AAC AAA AAG
NH2
fMet His Ala
Cys
tRNA
Direction of translation
G A U G C U A A U C G G C U A U G C U A
C
G
U
U
A
mRNA
5’
3’
图 6.2
翻译时RNA不能直接作为生产氨基酸模板
• 遗传密码是一组规则，将DNA或RNA序列 以三个核苷酸为一组的密码子翻译为蛋白 质的氨基酸序列，以用于蛋白质合成。几 乎所有的生物都使用同样的遗传密码，称 为标准遗传密码；即使是非细胞结构的病 毒，它们也是使用标准遗传密码。但是也 有少数生物使用一些稍微不同的遗传密码。
表 14-3 密码子在原核生物和真核生物线粒体及原生动物中的改变 AUA AUG UGA UGU UAA UAG CUA CAA UAG Ile Met( 终止 Trp 终止 终止 Arg Gln Gln 起始) Trp Trp Glu Glu Glu Glu Glu Glu Cys — Trp
AGA Arg
60S subunit proteins of small subunit (S1 ~ S33)
Eukaryotic
40S subunit
80S eukaryotic ribosome
图 6.4 原核生物与真核生物核糖体的组成
6.2.1 起始
• 多聚核糖体：原核生物中带有很多核糖体 的mRNA称为多聚核糖体。 • 开放阅读框（Open Reading Frame） 就是直接翻译成蛋白质的那段DNA序列。 从atg开始到终止密码子结束，中间没有内 含子。 • 非翻译区（UnTranslated Regions) 转录产物开头和末尾不翻译成蛋白质的那 段序列。
GCU (Ala/A)丙氨酸 GCC (Ala/A)丙氨酸 GCA (Ala/A)丙氨酸 GCG (Ala/A)丙氨酸
AAU (Asn/N)天冬酰胺 AAC (Asn/N)天冬酰胺 AAA (Lys/K)赖氨酸 AAG (Lys/K)赖氨酸
GAU (Asp/D)天冬氨酸 GAC (Asp/D)天冬氨酸 GAA (Glu/E)谷氨酸 GAG (Glu/E)谷氨酸
6.1 遗传密码
DNA 3’
5’ C A A T G C A T G C A A T G C A A T G U
A C G U A C G U G U U A C
RNA 5’
Direction of transcription
3’ U
A C
图 6.1 转录时DNA可以直接作为生产RNA的模板， 因为核糖体核苷酸能与脱氧核糖核苷酸结合
U
U C A G
U C A G U C A G U C A G
UUU UUC UUA UUG
UCU UCC UCA UCG UAU UAC UAA UAG UGU UGC UGA UGG
C
C U*
A
A
G
G
*Codons and amino acids from using C, A or G as the first base are not listed in this case.
AGU (Ser/S)丝氨酸 AGC (Ser/S)丝氨酸 AGA (Arg/R)精氨酸 AGG (Arg/R)精氨酸
GGU (Gly/G)甘氨酸 GGC (Gly/G)甘氨酸 GGA (Gly/G)甘氨酸 GGG (Gly/G)甘氨酸
G
遗传密码在纤毛虫和线粒体中的改变
生物 一般生物 枝原体 纤毛虫 四膜虫 游仆虫 哺乳动物 ( 线 粒体) 果蝇(线粒体) 酵母(线粒体)
Codons
U C A G
aa1 aa2 aa3 aa4
U
U C A G
U C A G U C A G U C A G
UU UC UA UG
CU CC CA CG AU AC AA AG GU GC GA GG
aa1 aa2 aa3 aa4
aa5 aa6 aa7 aa8 aa9 aa10 aa11 aa12 aa13 aa14 aa15 aa16
32种(L1-L32）含CGAAC和GTψCG互补
21种(S1-S21) 16S RNA(CCUCCU)和S-D 顺序(AGGAGG)互补
50种 有GAUC和tRNAfMat的TψCG互补
33种
和Capm7G结合
5S rRNA
23S rRNA
L1
L2
L3
L32
32 proteins of large subunit (L1 ~ L32) 50S subunit
6.2 原核生物翻译机理
• 核糖体是细胞内一种核糖核蛋白颗粒 (ribonucleoprotein particle)，主要由rRNA和 蛋白质构成，其惟一功能是按照mRNA的指 令将氨基酸合成蛋白质多肽链，所以核糖 体是细胞内蛋白质合成的分子机器。
原核和真核生物核糖体的组成及功能
核糖体亚基 rRNAs 细菌 70S 50S 23S=2904b 2.5×106D 5S=120b 66%RNA 30S 16S=1542b 哺乳动物 80S 60S 28S=4718b 4.2×106D 5S=120b 60%RNA 5.8S=160b 40S 18S=1874b 蛋白 RNA的特异顺序和功能
ACGAGGCTTTCTCCTCCTCCCTGCTCGGCCTCCATTCGCCGTCCGCGGTTCTCTCCACCG AACAAGCTCACACATCAAGACAATAAATAGAGCCTCGTCTGTTTGGGGCCAATCAAACCA AACAACAAGTTCATGTCTGATCTCGACGTCCAGGTTCCAACTGCTTTTGATCCGTTTGCT M S D L D V Q V P T A F D P F A GAGGCAAATGCTGAGGACTCCGGCGCTGGTGCTGGATCAAAGAACTATGTGCATGTGCGT E A N A E D S G A G A G S K N Y V H V R GTACAGCAGCGCAACGGAAGAAAGAGTCTGACAACTGTTCAGGGCTTGAAGAAAGATTAC V Q Q R N G R K S L T T V Q G L K K D Y AGCTACAACAAGATTCTCAAGGATCTCAAAAAGGAGTTCTGCTGTAATGGTACTGTAGTC S Y N K I L K D L K K E F C C N G T V V CAGGATCCAGAACTAGGCCAGGTCATTCAACTCCAAGGTGATCAGCGTAAAAATGTTGCT Q D P E L G Q V I Q L Q G D Q R K N V A ACTTTTCTAGTTCAGGCTGGACTTGCAAAGAAAGAGAGCATCAAGATTCACGGATTTTAG T F L V Q A G L A K K E S I K I H G F * GCAACACACAAATGCCCGTGTGCCGTCACCGAAGCCTGGAAGTTGTCATATACTTGGTAT TGTCACATCTAAGACATTTGAATTGCTAGTAGTCGTGTGAGGCATCTGTGTTTGATGCAC TTCTACACCAAGACATTTGAATTGGCATCGGTGTGTTGATGCAAGTTGTCCTTCACCATG GTTTGTATGCGCCACCAGTATGGCAGTATGGTTTATCCAGGTTAAAAAAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAA
His Gln Asn Lys Asp Glu
CGC
CGA CGG AGU AGC AGA AGG
Arg
Ser Arg
Thr
GUU
G GUC GUA GUG Val