nullnull 第九章
基因信息的传递与蛋白质的合成
transmission of genetic information
and protein synthesis null
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
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达信息的调控及应 答内容第一节 基因及其功能第一节 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。 null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。null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。 null2.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。 null5.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。null 遗传信息通过DNA﹑RNA和蛋白质的单向流动,称为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
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合成DNA的过程,
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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。 中心法则二、“中心法则”阐明细胞内遗传信息流null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。null 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null(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。不对称转录null (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 真核生物的RNA聚合酶 null(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。null 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
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null㈡ 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 null㈢ 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null 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
null 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。
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。三﹑初级转录产物经过加工具有活性null真核细胞RNA的转录后加工 null㈠ 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。四、真核生物转录后的加工null 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 null 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。null 剪接部位在内含子末端的特定位点,即5′↓GV,
AG↓3′。卵清蛋白基因转录及加工过程null(二)前体tRNA的转录后加工
1. tRNA前体的剪切
2. tRNA前体的化学修饰
3. 3′端加上CCA
tRNA的转录后加工null(三)核酶参与了rRNA的转录后加工
rRNA进行的是自我剪接,表明RNA分子也具有酶的催化活性。这种有酶催化活性的RNA分子被命名为核酶(ribozyme)。 核酶的发现,对中心法则作了重要补充
核酶的发现是对传统酶学的挑战
利用核酶的结构设计合成人工核酶 第三节 蛋白质的生物合成第三节 蛋白质的生物合成一﹑翻译是蛋白质合成过程 将核酸中由4种核苷酸序列编码的遗传信息通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序的过程叫做翻译。null(一)核蛋白体是肽链合成的场所
核蛋白体 由rRNA和几十种蛋白质组成的亚细胞颗粒,位于胞质内。 可分为两类: 附着于糙面内质网,主要参与白蛋白、胰岛素等分泌性蛋白质的合成;
游离于胞质,主要参与细胞固有蛋白质的合成。 糙面内织网上的核糖体 null真核生物与原核生物核蛋白体成分的比较 null 核蛋白体大、小亚基上有许多活性蛋白是参与蛋白质生物合成过程的酶和蛋白质因子
1.mRNA结合位点
2.P位点(peptidyl-tRNA site)
3.A位点(Aminoacyl-tRNA site)
4.转肽酶(transpeptidase)活性部位
5.结合参与蛋白质合成的因子(二) mRNA是合成蛋白质的直接模板 (二) mRNA是合成蛋白质的直接模板 mRNA分子上以5′→3′方向,从AUG开始每三个连续的核苷酸组成一个密码子,mRNA中的四种碱基可以组成64种密码子。null遗传密码有如下特点:
1.通用性
2.方向性
3.简并性
4.连续性
5.起始密码子和终止密码子null氨基酸的密码表 (三)tRNA是活化和转运氨基酸的工具 (三)tRNA是活化和转运氨基酸的工具 tRNA的二级结构 (四)若干酶类和因子参与蛋白质生物合成(四)若干酶类和因子参与蛋白质生物合成1.氨基酰-tRNA合成酶 氨基酸在组成多肽之前,必须先经过氨基酰-tRNA 合成酶催化并与其特异的tRNA结合。
2.转肽酶(transpeptidase) 使大亚基P位上肽酰-tRNA的肽酰基转移到A位上氨基酰-tRNA的氨基上,结合成肽键,使肽链延长。null3.其他因子
①蛋白质因子:起始因子﹑延长因子﹑终止因子等;
②无机离子:如镁离子﹑钾离子等;
③供能物质:如ATP﹑GTP等。 null㈠ 氨基酸活化及转运
氨基酸+tRNA+ATP → 氨基酰tRNA +AMP +PPi
氨基酰-tRNA合成酶 二﹑蛋白质合成的一般过程null㈡ 翻译起始复合物的形成
起始阶段指大亚基、小亚基、mRNA和具有启动作用的起始氨基酰-tRNA聚合为起始复合物的过程。null 大肠杆菌细胞翻译起始复合物的形成 大肠埃希菌细胞翻译起始复合物形成的过程:
1.核糖体30S小亚基附着于mRNA起始信号部位
2.30S前起始复合物的形成
3.70S起始复合物的形成(三)肽链的延长(核蛋白体循环过程)(三)肽链的延长(核蛋白体循环过程)核蛋白体循环(ribosome circulation) 肽链延长在核蛋白体上连续循环进行,所以这个过程又称核蛋白体循环
每经过一个循环肽链增加一个氨基酸
核蛋白体循环包括进位(register)、成肽(peptide formation)、转位(transposition)三个步骤null(四)肽链合成终
止过程
1.终止密码的辨认
2.肽链和mRNA等释出
3.核糖体大小亚基解聚 肽链合成的终止过程null(五)多核糖体循环
在生物细胞内进行蛋白质合成时,每分子mRNA上同时结合着多个核蛋白体,可以在一条mRNA链上同时合成多条相同的多肽链,大大提高了翻译的效率。 三﹑肽链合成后进行加工和输送三﹑肽链合成后进行加工和输送 ㈠ 肽链合成后的加工、修饰
1.肽链氨基端的修饰
2.共价修饰 ⑴磷酸化 ⑵糖基化 ⑶羟基化 ⑷二硫键的形成
3.辅助因子的连接和亚基聚合
4.多肽链的水解修饰 null 蛋白质合成后运送到相应功能部位,称为蛋白质的靶向运输
按功能和去向分成两类:
1.分泌蛋白 由结合于糙面内质网的核蛋白体合成
2.分布于胞质、线粒体及核内蛋白 由游离核蛋白体合 成 ㈡ 蛋白质经过靶向运输到特定区域发挥生
物学活性null靶向输送蛋白的信号序列或成分 分泌性蛋白的信号肽形成和靶向运输分泌性蛋白的信号肽形成和靶向运输第四节 基因表达信息的调控及应用
第四节 基因表达信息的调控及应用
一﹑基因信息表达受到严密精确的调控
㈠基因表达调控是发育分化和适应的需要
基因表达(gene expression)是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。典型的基因表达是基因经过转录、翻译,产生有生物活性的蛋白质的过程。
基因调控分为正调控和负调控。㈡基因表达具有时间性和空间性
㈢基因表达调控是多环节、多步骤的过程null㈣基因表达包括组成性表达和可诱导/阻
遏表达两种方式
1.组成性表达 (constitutive expression) 指不易受环境变动而变化的一类基因表达,例如管家基因。
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。null二﹑转录水平调控在基因表达中发挥重要 作用
㈠ 多种要素参与了基因转录调控
1.特异DNA序列
操纵子(operon)由一组结构基因加上其上游的调控区组成。
顺式作用元件(cis-acting element)是指特异性转录因子的结合位点或DNA序列。
2.调节蛋白
3.RNA聚合酶㈡ 基因转录调节包括多种常见模式㈡ 基因转录调节包括多种常见模式1.乳糖操纵子(lac operon)的表达调控模式
⑴ 阻遏蛋白的调控null⑵ CAP的正性调控
⑶ 协调调控机制null2.色氨酸操纵子(trp operon)的表达调控模式
⑴ 色氨酸操纵子的负性调控null⑵ 衰减子及其作用
色氨酸操纵子的操纵基因O与结构基因E之间是L基因,或称前导序列(leader)。在L基因内,距E基因上游端约30~60个核苷酸短序列能使基因表达衰减,故称衰减子(attenuator)。
衰减作用使转录开始后还没有进入第一个结构基因时便终止。null3.真核生物RNA聚合酶的转录调控
(1)真核生物RNA聚合酶Ⅱ的转录调控
TFⅡD组成成分TBP识别TATA盒或启动元件,TAF参 与结合,形成TFⅡD-启动子复合物;在TFⅡA~F等基本转录因子的参与下,RNA聚合酶Ⅱ与TFⅡD、TFⅡB聚合,形成一个功能性的前起始复合物PIC。
(2)真核生物RNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ的转录调控依赖于DNA调控元件与转录因子之间的特异DNA-蛋白质相互作用。null㈠ 原核生物翻译水平调节
自我控制(autogenous control)
反义调控(antisense control) 三﹑翻译水平调控㈡ 真核生物翻译水平调节
真核生物翻译水平调节点主要在起始阶段,通过 磷酸化调节起始因子活性。
㈢ 泛素-蛋白酶体在蛋白质的降解中发挥作用null四、其他几种重要的调控机制㈠ 噬菌体调控策略使λ噬菌体维持溶源发育㈡ DNA重排是基因活性调节的一种方式㈢ 微小RNA基因调节机制是一新的调控理论null五﹑基因信息表达调控的医学应用 蛋白质生物合成是很多天然抗菌药和某些毒素的作用靶点。它们通过阻断真核、原核生物蛋白质翻译体系某组分功能,干扰和抑制蛋白质生物合成过程而起作用。 针对蛋白质生物合成必需的关键组分作为研究新抗菌药物的作用靶点。同时利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异,以设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物。 null 抗菌药(antibiotics)
是微生物产生的能够杀灭或抑制细菌的一类药物 某些毒素也作用于基因信息传递过程 抗代谢药物
指能干扰生物代谢过程,从而抑制细胞过度生 长的药物,如:6-MP 泛素蛋白酶体系统参与了疾病的发生发展null抗菌药抑制蛋白质生物合成的原理 null干扰素抑制病毒蛋白质生物合成泛素-蛋白酶体系统与疾病泛素-蛋白酶体系统与疾病 泛素-蛋白酶体途径是细胞内环境稳定的关键调节因素,细胞的许多重要蛋白都处在此通路的调控之下 。null 1.简述真核细胞mRNA转录后的加工过程。
2.试述核蛋白体循环的概念及过程。
3.简述真核生物翻译后的加工和修饰过程。
4.试述乳糖操纵子的调控机理。
5.简述真核生物基因调控的过程。
6.简述在生物体中遗传信息的传递包含哪些内容?不同类型的生物,遗传信息的传递过程有何差异?思考题null推荐阅读资料1.杨恬, 左伋. 细胞生物学. 北京: 人民卫生出版社, 2005
2. 陈誉华, 左伋. 医学细胞生物学. 第四版. 北京: 人民卫生出版社, 2008
3.翟中和,王喜忠,丁明孝.细胞生物学.第三版.北京:高等教育出版社,2007
4.The evolution of gene regulation by transcription factors and microRNAs Kevin Chen & Nikolaus Rajewsky. Nature Reviews Genetics 8, 93-103, 2007
5.胡以平.医学细胞生物学.北京:高等教育出版社,2009nullCell
Nature
Science
EMBO
Annual Review of Cell Biology
Cell Research
主要期刊杂志null生物学网站生物谷 http://www.bioon.com/
生物秀 http://www.bbioo.com/
丁香园论坛 http://www.dxy.cn/
中国生物论坛 http://bbs.biooo.com/
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http://www.jove.com 生物网址通 http://www.bio-address.com/