【细胞生物学】基因信息的传递与蛋白质的合成
《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。
基因信息的传递和蛋白质合成-七年制
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
DNA到蛋白质基因信息的传递与实现
DNA到蛋白质基因信息的传递与实现DNA，即脱氧核糖核酸，是生物体中储存遗传信息的重要分子。
然而，这些遗传信息是如何从DNA中传递并最终实现蛋白质合成的呢？本文将从基因转录、mRNA翻译、蛋白质合成等方面，详细探讨DNA 到蛋白质基因信息的传递与实现过程。
一、基因转录基因转录是DNA到RNA的过程，它是蛋白质合成的第一步。
在细胞质中的核糖体中，mRNA由DNA提供的模板进行合成。
转录的过程经历了三个阶段：起始、延伸和终止。
首先，在起始阶段，RNA聚合酶与DNA结合，并在启动子区域识别并结合。
其次，在延伸阶段，RNA聚合酶将核苷酸一个接一个地添加到新型RNA链上，以与DNA模板链互补。
这是一个高度选择性的过程，使用A、U、G和C四种核苷酸来构建mRNA的编码序列，并与DNA双链进行互补配对。
最后，在终止阶段，转录终止信号会导致RNA聚合酶分离并释放新合成的mRNA链。
二、mRNA翻译mRNA翻译是DNA到蛋白质的关键步骤。
它发生在细胞质中的核糖体中，由tRNA分子和核酸进行指导。
首先，翻译的起始是由小核仁体中的小核仁RNA（rRNA）和特定的蛋白质组成的小核仁体促进的。
小核仁体位置在核糖体的初始位置，并与mRNA中的特定序列配对。
其次，起始密码子（通常是AUG）被mRNA上的识别因子识别，然后大核糖体亚基结合并组装到起始位置。
接下来，通过tRNA分子介导，氨基酸按照mRNA的编码被添加到蛋白质链上。
tRNA分子上的天然氨基酸与mRNA上的密码子进行互补配对，以确保正确的氨基酸被添加到蛋白质链上。
最后，遇到终止密码子时，翻译终止。
终止密码子不编码任何氨基酸，它被特定的终止因子识别并导致核糖体解离，释放合成的蛋白质链。
三、蛋白质合成蛋白质合成是通过RNA聚合酶合成mRNA后进行的，它是DNA到蛋白质的最后一步。
蛋白质合成包括折叠、修饰和定位等过程。
合成的蛋白质链在多肽链释放酶的作用下从核糖体上释放出来，并在细胞质中折叠成特定的三维结构。
细胞生物学中的细胞核与蛋白质合成与运输机制解析
细胞生物学中的细胞核与蛋白质合成与运输机制解析细胞是生物体的基本单位，它拥有各种功能齐全的细胞器，其中包括细胞核和蛋白质合成与运输机制。
本文将对细胞核的结构和功能以及蛋白质合成与运输的机制进行详细解析。
一、细胞核的结构和功能细胞核是细胞中最重要的细胞器之一，它起着细胞遗传信息的贮存与传递的重要作用。
细胞核由核膜、染色质和核仁组成。
1. 核膜：细胞核由两层包围的核膜组成。
核膜由内外两层膜和核膜间隔空间组成。
核膜上还有许多核孔，这些核孔能够调节细胞核内外物质的交换。
2. 染色质：染色质是细胞核的主要组成部分，它包括DNA、RNA 和蛋白质等物质。
染色质经过复制和缠绕过程形成染色体，染色体中固有的遗传信息储存在DNA分子中。
3. 核仁：核仁是细胞核内的一个小细胞器，它主要参与到蛋白质的合成过程中。
核仁包含着许多核糖体，它们以蛋白质合成的场所。
细胞核的功能主要包括贮存和传递遗传信息、控制蛋白质合成等。
细胞中的DNA通过核孔进入细胞核，在细胞核内进行复制和转录，并形成mRNA分子。
这些mRNA分子通过核孔离开细胞核，进入到细胞质中参与到蛋白质合成的过程中。
二、蛋白质合成与运输的机制蛋白质是细胞中最重要的功能性分子之一，它们在细胞的结构和功能中扮演着重要的角色。
蛋白质的合成过程主要包括转录和翻译两个阶段。
1. 转录：转录是指DNA分子以模板的形式合成RNA的过程。
转录发生在细胞核内，由RNA聚合酶酶催化下进行。
RNA聚合酶通过在DNA模板上添加互补碱基来合成mRNA分子，然后mRNA分子通过核孔进入到细胞质中。
2. 翻译：翻译是指mRNA分子被核糖体识别并转化为氨基酸序列的过程。
翻译发生在细胞质中，涉及到mRNA、tRNA、氨基酸等多种分子的相互作用。
tRNA分子携带相应的氨基酸与mRNA上的密码子互补配对，该过程在核糖体的催化下进行，最终形成特定的氨基酸序列，从而合成蛋白质。
蛋白质的运输主要依靠高度有序的细胞器网络系统，其中包括内质网、高尔基体和细胞器。
遗传信息传递与蛋白质合成
遗传信息传递与蛋白质合成遗传信息的传递和蛋白质合成是生物体内基本的生物化学过程。
遗传信息是通过DNA分子在细胞内传递的，而蛋白质合成是根据这一遗传信息来合成蛋白质的过程。
本文将从基因到蛋白质的转化过程中的遗传信息传递和蛋白质合成两个方面进行论述。
DNA：遗传信息的携带者DNA（脱氧核糖核酸）是一种双螺旋结构的巨大分子，它是遗传信息的携带者。
在细胞核中，DNA分子以染色体的形式存在。
DNA由四种碱基组成：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）。
这四种碱基按一定的规则排列在一条DNA链上，形成了遗传信息的编码。
DNA的两条链相互补充，通过碱基间的氢键相互结合。
DNA复制：遗传信息的传递DNA的复制是指在细胞分裂过程中一条DNA链复制成两条完整的DNA链的过程，确保每个成熟细胞都拥有相同的遗传信息。
复制的过程中，DNA链由酶在鸟嘌呤（G）对胞嘧啶（C），腺嘌呤（A）对胸腺嘧啶（T）的规则下进行拆开，随后在原有的DNA链上合成一条新的互补链，形成两条完全相同的DNA分子。
RNA转录：DNA到mRNA的转化RNA（核糖核酸）是一种类似于DNA的分子，它在细胞核内由DNA分子转录而成。
转录的过程中，酶在DNA链上识别到一段特定的遗传信息，将其复制成一条互补的RNA链，这条链被称为mRNA（信使RNA）。
mRNA分子携带着从DNA复制而来的遗传信息，将其带到细胞质中。
mRNA翻译：遗传信息的翻译在细胞质中，mRNA分子参与到蛋白质的合成过程中。
翻译是指mRNA上的遗传信息被翻译成具体的氨基酸序列的过程。
翻译的过程中，mRNA上的一段遗传信息（称为密码子）被特定的tRNA（转运RNA）识别并携带相应的氨基酸，最终通过氨基酸之间的化学反应，合成出特定的蛋白质。
这个过程在细胞中由核糖体（ribosome）进行引导和催化，确保蛋白质的正确合成。
蛋白质合成：遗传信息的表达蛋白质是生物体中最重要的分子之一，它们在维持生命活动中发挥着关键的作用。
基因表达与蛋白质合成
基因表达与蛋白质合成基因表达是生物体内基因信息被转录和转译为蛋白质的过程。
这个过程涉及到多个环节和参与者，包括DNA、RNA和蛋白质分子等。
通过这个过程，生物体能够利用自身遗传信息来合成不同功能的蛋白质，并支持生命的正常运行和发展。
本文将从基因转录、信使RNA的功能以及蛋白质合成等方面，阐述基因表达与蛋白质合成的基本原理和重要作用。
一、基因转录基因转录是基因表达的第一步，也是信息从DNA到RNA的转换过程。
在细胞核中，DNA的双链解旋，使得其其中的一个链（模板链）可以作为模板来合成RNA。
这个过程由RNA聚合酶酶（RNA polymerase）催化完成。
首先，RNA聚合酶从某个起始位点开始识别DNA链的序列，然后沿着模板链开始合成RNA。
合成的RNA链主要是由腺苷酸（A）、胞嘧啶酸（C）、鸟苷酸（G）和尿苷酸（U）组成的核苷酸链。
在基因转录过程中，除了RNA聚合酶，还有其他支持因子和调控因子参与其中。
这些参与者协同作用，调节基因表达过程中的速度和效率。
此外，在某些情况下，有些基因转录过程可能还需要进一步的后转录修饰，例如剪接和修饰。
二、信使RNA（mRNA）的功能转录生成的RNA被称为主要转录产物（primary transcript），但它并不直接能参与蛋白质的合成。
为了能够合成蛋白质，RNA需要经历剪接和修饰等一系列的处理步骤，最终生成功能完整的信使RNA （mRNA）。
信使RNA是蛋白质合成的模板，它携带着从基因中转录而来的遗传信息。
在细胞质中，信使RNA会与核糖体结合，进而开始蛋白质的合成过程。
核糖体根据信使RNA上的遗传信息，将氨基酸按照特定的顺序链接在一起，形成多肽链（肽段），最终将多肽链折叠成特定的三维结构，进而形成蛋白质。
三、蛋白质合成蛋白质合成是基因表达的最后一步，也是最重要的一步。
它发生在细胞质中的核糖体中，需要多个生物分子和化学反应的协同作用。
蛋白质合成的过程可以分为三个主要的阶段：启动、延伸和终止。
遗传信息的传递与蛋白质合成解析
遗传信息的传递与蛋白质合成解析遗传信息的传递与蛋白质合成是生物学中的重要过程。
在细胞中，遗传信息以DNA分子的形式存在，并通过转录和翻译的过程被传递到蛋白质中。
本文将从分子水平解析遗传信息的传递和蛋白质合成的过程。
一、DNA的复制和传递DNA是存储遗传信息的分子。
在有丝分裂中，DNA通过复制过程被准确地复制并传递给子细胞。
DNA复制的过程是由酶和蛋白质复制机制协同完成的。
首先，DNA螺旋结构被解开，形成两条模板链。
然后，DNA聚合酶将新的核苷酸与模板链上的互补碱基配对，形成新的双链DNA分子。
二、转录的过程转录是将DNA中的遗传信息以RNA分子的形式进行复制的过程。
在细胞核中，DNA的部分碱基序列被RNA聚合酶读取，并根据模板链合成互补的RNA链，形成mRNA分子。
mRNA是将遗传信息从DNA传递到蛋白质合成机器的重要中间产物。
转录的过程主要包括启动、延伸和终止三个阶段。
启动阶段，细胞内的特定蛋白质结合到DNA的启动子上，使RNA聚合酶能够结合并开始转录过程。
延伸阶段，RNA聚合酶沿着DNA模板链上游动，合成互补的RNA链。
终止阶段，RNA聚合酶到达终止子区域，停止转录并释放出新合成的mRNA分子。
三、翻译的过程翻译是将mRNA上的信息转化为氨基酸序列的过程，进而合成蛋白质。
翻译发生在细胞质中的核糖体上。
翻译的过程主要包括启动、延伸和终止三个阶段。
启动阶段，mRNA与核糖体亚单位结合，并与tRNA的起始密码子配对。
延伸阶段，tRNA将特定的氨基酸带入核糖体，依次配对到mRNA上的密码子上，形成多肽链。
终止阶段，到达终止密码子时，特定的终止因子结合到核糖体上，使核糖体解离并释放出新合成的蛋白质。
四、蛋白质后修饰新合成的蛋白质经过翻译后，还需要进行一系列的后修饰过程才能达到功能性。
后修饰包括去除信号肽、磷酸化、甲基化、酰化等化学修饰，以及蛋白质的折叠和整合等结构修饰。
这些后修饰过程可以使蛋白质在形状上发生变化，从而适应不同的功能需求。
细胞生物学细胞基因表达和蛋白质的生物合成
（四）进入内质腔内的蛋白质的命运
1、内质网驻留蛋白（ER resident protein） （1）特点：C端有由4个氨基酸组成的驻留信号序列，
动 物 KDEL（Lys-Asp-Glu-Leu)， 酵 母 HDEL， 植 物 不确定。 （2）驻留蛋白的功能：催化剂的作用和分子伴侣的作 用。协助进入ER腔的蛋白质正确折叠和组装。 2、途径ER腔，经修饰加工后被运到其它部位的蛋白质
• 使两膜靠近的物质：ATP，GTP，乙酰CoA和 几种蛋白质，其中两种主要的蛋白—NSF和 SNAP，Rab蛋白。NSF是可溶性的ATP酶， SNAP与v-SNARE和t-SNARE均能结合， Rab蛋白是GTP结合蛋白，水解GTP后将CO 泡锁定在靶膜上。
（三）细胞骨架与摩托蛋白在膜泡运 输中的作用（前已述）
Hsp90 等(heat shock protein)，为主要的分子伴侣 类的蛋白；热休克蛋白的功能。p474 2、钙连接蛋白：即钙结合蛋白。
（二）分子伴侣的基本结构和作用机制
1．Hsp70分子伴侣系统： 功能结构域:2个 N端：ATPase功能域
C端：底物结合域、可变动功能域 Hsp70的两种状态：ATP结合态，能与底物结合
二、蛋白质运输的信号理论
（一）信号学说
• 1971年Blobel等提出有关分泌蛋白合成机制的信号假 说
• 1975年破译了第一个信号肽序列 • 20世纪80年代初发现了信号识别颗粒及其受体
• 信号学说的主要内容：
（1）信号序列、信号肽(signal peptide)，10-30个疏水 氨基酸（mRNA带信号序列）；
3. 分子伴侣在蛋白质跨膜运转中的作用
例子，Hsp70在蛋白质向线粒体中输入的作用。图14-75
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基因转录的特点： （1）合成RNA的底物是5′-三磷酸核糖核苷 （2）在RNA聚合酶的作用下形成磷酸二酯键 （3）RNA碱基顺序由模板DNA碱基顺序决 （4）被转录的区域都以单链为模板 （5）RNA合成的方向是5′→3 ′ （6）RNA合成中不需要引物
(一) DNA链是基因转录的模板
模板链（template strain）能指引转录生成RNA 的DNA单链模板链，也称有意义链（sense strain） 或Watson 链。编码链（coding strain）相对于模板 链不能指引转录的另外一股DNA单链，又称反义 链（antisense strain）或Crick链。
• 转录后加工(post-transcriptional processing) 即将新 生的、无活性的RNA初级产物转变成有活性的成熟 RNA的过程，也叫RNA的成熟。
真核细胞RNA的转录后加工
四、真核生物转录后的加工
㈠ hnRNA进行首尾修饰和内含子剪切后转 变为成熟的mRNA
1. 5′端帽子结构生成 mRNA成熟的真核生物， 其结构5′端都有一个m7GpppG...结构，该结构被称 为甲基鸟苷的帽子。
真核生物的转录同样可分为起始、延长和终止3 个阶段。与原核生物相比，真核生物转录的主要特 点是：
1.有多种RNA聚合酶分别合成不同类别的RNA 2.有多种类型的启动子为不同的RNA聚合酶所用 3.有多种转录因子 4.真核生物于转录时或转录后有广泛的RNA加工
三﹑初级转录产物经过加工具有活性
• 初级转录产物(primary transcripts) 是指转录生成的 RNA。其不一定是成熟的RNA分子，常要有一个加 工修饰过程，才能生成成熟的RNA分子。
剪接部位在内含子末端的特定位点，即5′↓GV， AG↓3′。
第九章
基因信息的传递与蛋白质 的合成
transmission of genetic information and protein synthesis
内容
第一节 基因及其功能 第二节 基因转录和转录后加工 第三节 蛋白质的生物合成 第四节 基因表达信息的调控及
应答
第一节 基因及其功能
一、基因 • 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。
• 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。
• 原核细胞：
编码区 能够转录为相应的mRNA，进而指导蛋 白质的合成的基因区段，在原核细胞中是连续 的。
非编码区 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。该区不 能编码蛋白质，但有许多调控遗传信息表达的 核苷酸序列，在遗传信息的表达中起重要作用。
2. PolyA尾的生成 poly A尾的有无与长短是维 持mRNA 作为翻译模板活性和增加mRNA稳定性的重 要因素。
真核生物mRNA 5′端帽子结构和PolyA尾的生成
3. hnRNA的剪接
hnRNA经转录最初生成的mRNA前体，其分子量 常比成熟mRNA大几倍或几十倍。
剪接作用在所谓剪接体(splicesome)中进行，剪接 体由多种snRNA和几十种蛋白质组成。
转录起始复合物：RNA聚合酶（全酶）﹑DNA链和 新链前两个核苷酸。
转录的起始
㈡ 转录空泡是转录延伸阶段的主要形式
转录延伸阶段的主要形式是转录空泡（transcription complex）。
转录空泡示意图Βιβλιοθήκη ㈢ 原核生物的转录终止包括两种方式
1.依赖ρ因子的转录终止 2.非依赖ρ因子的转录终止
ρ因子参与的转录终止过程 RNA的发卡结构与转录终止
5.增强子 能增强基因转录的DNA序列，不具有启 动子的功能，但能增强或提高启动子的活性。
6.沉默子（silencer）是负性调节元件，当其结合 特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。
7.终止子 具有转录终止的功能。
二、“中心法则”阐明细胞内遗传信 息流
遗传信息通过DNA﹑RNA
和蛋白质的单向流动，称为
不对称转录
（二） RNA聚合酶是基因转录的关键酶
大肠杆菌RNA聚合酶组分和功能
亚 数 分子 基目 量
功能
α2
2
36512
决定转录的特异 性
β
1
15061 8
与转录全过程有 关
β′
1
15561 3
结合DNA模板
δ 1 70263 辨认起始点
真核生物的RNA聚合酶
种类
细胞内定 位
转录产物
RNA聚合酶 Ⅰ
分子生物学的中心法则 （central dogma）。后来发 现逆转录酶能催化以RNA为 模板合成DNA的过程，证明
了遗传信息亦可反向转录， 即从RNA→DNA，这是对中
心法则的有益补充。
中心法则
第二节 基因转录和转录后加工
一﹑转录过程需要诸多因素参与
转录（transcription）以DNA为模板，RNA聚合酶 催化合成RNA分子的过程。转录的实质就是将DNA的 遗传信息传递给RNA分子。
核仁
45S- rRNA
RNA聚合酶 Ⅱ
核质
hnRNA
RNA聚合酶 Ⅲ
核质
5S- rRNA、 tRNA、snRNA
线粒体RNA 聚合酶
线粒体
线粒体的RNA
叶绿体RNA 聚合酶
叶绿体
叶绿体的RNA
（三）DNA模板上启动子是控制转录的 关键部位
启动子决定转录的起始位点和转录的方向， 启动转录的开始。
二﹑基因转录过程包括三个阶段 ㈠ 转录起始复合物的形成标志转录开始
2.外显子－内含子接头 每个外显子和内含子接头 区的一段高度保守顺序,即内含子5′末端大多数是 GT开始，3′末端大多是AG结束，称为GT-AG法 则。
3.侧翼顺序 第一个外显子和最后一个外显子的外 侧的一段不被翻译的非编码区。
4.启动子（promoter，P）确保转录精确而有效地 起始的DNA序列。
• 真核细胞：
由编码区和非编码区两部分组成，编码区 是间隔的、不连续的。
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。内含子 (intron)是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。外 显子(exon)是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。