第02章遗传物质的分子基础.ppt

第二章 遗传物质的分子基础 第六节 DNA作为主要遗传物质 的证据 分子遗传学的大量直接和间接的证据，说明DNA是主要的遗传物质，而在缺乏DNA的某些病毒中，RNA就是遗传物质 一、间接证据 DNA含量、代谢、结构、染色体共有等二、直接证据1、细菌的转化 肺炎双球菌两种类型：光滑型(S型)：I S、II S、III S 粗糙型(R型)：I R、II R、III R1928,Griffith：首次将II R III S，实现了细菌遗传性状的定向转化。被加热杀死的III S型肺炎双球菌必然含有某种促成这一转变的活性物质 1944，Avery等用生物化学方法证明这种活性物质是DNA该提取物不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酸酶的影响，而只能为DNA酶所破坏 2、噬菌体的侵染与繁殖 Hershey等用同位素32P和35S分别标记T2噬菌体的DNA与蛋白质3、烟草花叶病毒的感染和繁殖 RNA接种到烟叶 发病 RNA RNA酶处理RNA 不发病 TMV 蛋白质：接种后不形成新的TMV 不发病说明在不含DNA的TMV中RNA就是遗传物质为了进一步论证上述的结论，Frankel-Conrat和Singer实验：核酸的化学结构 一、两种核酸*核酸的构成单元是核苷酸，是核苷酸的多聚体*每个核苷酸包括三部分：五碳糖、磷酸、碱基*两个核苷酸之间由3和5位的 磷酸二脂键相连 两种核酸的主要区别：DNA：脱氧核糖，A、C、G、T 双链，分子链较长RNA：核糖，A、C、G、U 单链，分子链较短构成核苷酸分子的碱基结构构成核苷酸分子的碱基结构核酸分子的学结构核酸分子的学结构二、DNA的分子结构 1953，Watson和Crick根据：碱基互补配对的规律 对DNA分子的X射线衍射成果提出了著名的DNA双螺旋结构模型。这个模型已为以后拍摄的电镜直观形象所证实。双双螺螺旋旋结结构构模模型型 DNA分子模型最主要特点：(1)两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，以一定的空间距离，环绕于同一轴相 互盘旋而成(2)反向平行：53，35(3)两条单链间以碱基间氢键配对相连：A T，C G(4)每个螺旋34(3.4nm)，含10bp，直径约为20(5)分子表面大沟和小沟交替出现图图 8-6 8-6 DNADNA分子的双螺旋结构模型分子的双螺旋结构模型图图 8-7 8-7 两条多核酸链间氢键相连两条多核酸链间氢键相连 A-T和C-G两种核苷酸对分子链内 排列的位置和方向只有四种形式:A-T C-G A-T G-C C-G A-T G-C A-T假设某一段DNA分子链有1000bp，则该段就可以有41000种不同的排列组合形式，反映出来的就是41000种不同性质的基因.DNA构型之变异：BDNA：瓦特森和克里克提出的 双螺旋构型,是DNA在生理状 态下的构型 ADNA：在高盐下存在形式，右旋，每个螺圈含11bp ZDNA:左旋，每个螺圈含12bp 其他构型二、RNA的分子结构 绝大部分RNA以单链形式存在，但可折叠起来形成若干双链区域。这些区域内，互补的碱基对间可形成氢键。一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。DNA的复制 一、DNA复制的一般特点 1、复制方式：半保留复制2、复制起点：大多数细菌及病 毒只有一个复制起点，一个 复制子；真核生物是多起点 的，多个复制子 3、复制方向：一般为双向复制 图图8 816 16 DNADNA半保留复制半保留复制 一、一、DNA的复制的方式的复制的方式 半半保留复制：保留复制：DNA在复在复制时，亲代制时，亲代DNA的双螺旋先行解的双螺旋先行解旋和分开，然后以每条链为模板，旋和分开，然后以每条链为模板，按照碱基配对的原则，在这两条按照碱基配对的原则，在这两条链上各形成一条互补链，以组成链上各形成一条互补链，以组成新的新的DNA分子。这样新形成的两分子。这样新形成的两个个DNA分子与亲代分子与亲代DNA分子的碱分子的碱基顺序完全一样。由于子代基顺序完全一样。由于子代DNA分子中一条链来自亲代，另一条分子中一条链来自亲代，另一条链是新合成的，这种复制方式称链是新合成的，这种复制方式称为半保留复制为半保留复制。二、参与二、参与 DNA复制的因子复制的因子1.底物底物 dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)2.模板模板单链的单链的DNA母链母链3.聚合酶聚合酶 DNA聚合酶聚合酶I、II、III4.引物引物寡核苷酸引物（寡核苷酸引物（RNA)5.其他酶和蛋白质因子其他酶和蛋白质因子 拓扑异构酶拓扑异构酶，解，解链酶，单链结合蛋白，连接酶。链酶，单链结合蛋白，连接酶。(一一)、DNADNA聚合酶聚合酶全称：全称：依赖依赖依赖依赖DNADNA的的的的DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶简称：简称：DNA-DNA-polpol活性：活性：5 53 3 的聚合活性的聚合活性的聚合活性的聚合活性 核酸外切酶活性核酸外切酶活性核酸外切酶活性核酸外切酶活性Arthur Kornberg特点特点:DNA DNA 新链生成需引物和模板新链生成需引物和模板新链生成需引物和模板新链生成需引物和模板 新链的延长只可沿新链的延长只可沿新链的延长只可沿新链的延长只可沿5 5 3 3 方向进行方向进行方向进行方向进行种类：种类：DNA-DNA-pol pol 、DNA-DNA-pol pol 、DNA-DNA-pol pol DNA-DNA-polpol （109kD109kD）:3 5 外切酶活外切酶活性性 5 3 外切酶活外切酶活性性5 3 的聚合的聚合活性活性功能：功能：功能：功能：对复制中的对复制中的对复制中的对复制中的错误错误错误错误进行进行进行进行校读校读校读校读;对复制和修复对复制和修复对复制和修复对复制和修复中出现的中出现的中出现的中出现的空隙空隙空隙空隙进行进行进行进行填补填补填补填补。DNA-pol（120kD）:DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活基因发生突变，细菌依然能存活,它参与它参与DNA损伤的应急状态修复损伤的应急状态修复DNA-pol (250kD)3 5 外切酶活外切酶活性性活性：活性：5 3 的聚合活性的聚合活性功能功能:是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶 对于对于DNADNA的复制也有校对功能的复制也有校对功能 配合配合 DNA-DNA-polpol使复制的错误率大大降低使复制的错误率大大降低 真核生物的真核生物的DNADNA聚合酶聚合酶DNA-DNA-polpol 起始引发，有起始引发，有起始引发，有起始引发，有引物酶引物酶引物酶引物酶活性。活性。活性。活性。复制延长中起复制延长中起复制延长中起复制延长中起主要催化主要催化主要催化主要催化作用的酶，有作用的酶，有作用的酶，有作用的酶，有解螺旋酶解螺旋酶解螺旋酶解螺旋酶活性。活性。活性。活性。参与低保真度的复制参与低保真度的复制参与低保真度的复制参与低保真度的复制 。在复制过程中起在复制过程中起在复制过程中起在复制过程中起校读、修复校读、修复校读、修复校读、修复和和和和填补缺填补缺填补缺填补缺口口口口的作用。的作用。的作用。的作用。在线粒体在线粒体在线粒体在线粒体DNADNADNADNA复制中起催化作用。复制中起催化作用。复制中起催化作用。复制中起催化作用。DNA-DNA-polpol DNA-DNA-polpol DNA-DNA-polpol DNA-DNA-polpol （二）（二）DNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶 1.DNA1.DNA的的拓扑性质拓扑性质分类及作用机制分类及作用机制分类及作用机制分类及作用机制拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶:切断切断切断切断DNADNADNADNA双链中双链中双链中双链中一股一股一股一股链，使链，使链，使链，使DNADNADNADNA解链旋转不解链旋转不解链旋转不解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，致打结；适当时候封闭切口，致打结；适当时候封闭切口，致打结；适当时候封闭切口，DNADNADNADNA变为松弛状态变为松弛状态变为松弛状态变为松弛状态。反应反应反应反应不不不不需需需需ATPATPATPATP。拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶:切断切断切断切断DNADNADNADNA分子分子分子分子两股两股两股两股链，断端通过切口旋转链，断端通过切口旋转链，断端通过切口旋转链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。利用使超螺旋松弛。利用使超螺旋松弛。利用使超螺旋松弛。利用ATPATPATPATP供能，连接断端，供能，连接断端，供能，连接断端，供能，连接断端，DNADNADNADNA分子进入分子进入分子进入分子进入负超螺旋状态负超螺旋状态负超螺旋状态负超螺旋状态功能功能功能功能:松弛正超螺旋，变为负超螺旋松弛正超螺旋，变为负超螺旋松弛正超螺旋，变为负超螺旋松弛正超螺旋，变为负超螺旋;既能水解既能水解既能水解既能水解 、又、又、又、又能连接磷酸二酯键能连接磷酸二酯键能连接磷酸二酯键能连接磷酸二酯键（三）（三）解链酶、引物酶和单链解链酶、引物酶和单链DNADNA结合蛋白结合蛋白 1.1.1.1.解链酶解链酶解链酶解链酶：利用利用利用利用ATPATPATPATP供能，作用于氢键，使供能，作用于氢键，使供能，作用于氢键，使供能，作用于氢键，使 DNADNADNADNA双链解开成为两条单双链解开成为两条单双链解开成为两条单双链解开成为两条单链链链链2.2.2.2.单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白：在复制中维持模板在单链状态在复制中维持模板在单链状态在复制中维持模板在单链状态在复制中维持模板在单链状态 保护单链的完整，避免被核酸酶水解保护单链的完整，避免被核酸酶水解保护单链的完整，避免被核酸酶水解保护单链的完整，避免被核酸酶水解3.3.引物酶引物酶引物酶引物酶：复制起始时催化生成复制起始时催化生成复制起始时催化生成复制起始时催化生成RNARNA引物的酶引物的酶引物的酶引物的酶 （四）、四）、DNADNA连接酶连接酶1.1.作用方式作用方式:催化双股催化双股DNADNA链中一股缺口的链中一股缺口的3 3-OHOH和和5 5-P P形成形成磷酸二酯键磷酸二酯键，从而使缺口两侧的，从而使缺口两侧的DNADNA片段相连接。片段相连接。2 2.功能功能 DNADNA连接酶在连接酶在复制复制中起最后接合缺口的作用中起最后接合缺口的作用 在在DNADNA修复、重组及剪接修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用中也起缝合缺口作用 也是也是基因工程基因工程的重要工具酶之一的重要工具酶之一三、三、DNA复制的过程复制的过程（一）（一）复制的起始复制的起始 （二）（二）复制的延伸复制的延伸 （三）（三）复制的终止复制的终止（四）（四）复制的忠实性复制的忠实性 复制起点复制起点复制叉复制叉复制叉复制叉复制起点复制起点（一）（一）复制的起始复制的起始-方向性方向性单向复制单向复制双向复制双向复制（一）（一）复制的起始复制的起始-有关蛋白质有关蛋白质 复制叉复制叉-复制开始后复制开始后由于由于DNA双双链解开，在链解开，在两股单链上两股单链上进行复制，进行复制，形成在显微形成在显微镜下可看到镜下可看到的叉状结构。的叉状结构。（一）（一）复制的起始复制的起始-复制叉形成复制叉形成5335复制起始流程图复制起始流程图打开打开DNA超螺超螺链链打开双打开双螺旋螺旋防止防止复螺复螺旋旋单单链链结结合合蛋蛋白白解解链链酶酶引引物物复复合合体体引引物物酶酶拓拓扑扑异异构构酶酶合合成成拓扑异构酶拓扑异构酶解链酶解链酶单链结合蛋白单链结合蛋白DNA聚合酶聚合酶引物酶及引发体引物酶及引发体DNA连接酶连接酶引物引物DNA复制起始的过程复制起始的过程拓扑异构酶拓扑异构酶与与DNA双链双链结合，解开结合，解开超螺旋。超螺旋。5 3 5 3拓扑异构酶拓扑异构酶解链酶解链酶单链结合蛋白单链结合蛋白DNA聚合酶聚合酶引物酶及引发体引物酶及引发体DNA连接酶连接酶引物引物DNA复制起始的过程复制起始的过程解链酶解开解链酶解开DNA双螺旋双螺旋 5 3 5 3拓扑异构酶拓扑异构酶解链酶解链酶单链结合蛋白单链结合蛋白DNA聚合酶聚合酶引物酶及引发体引物酶及引发体DNA连接酶连接酶引物引物DNA复制起始的过程复制起始的过程引物酶合成引物引物酶合成引物 5 3 5 3拓扑异构酶拓扑异构酶解链酶解链酶单链结合蛋白单链结合蛋白DNA聚合酶聚合酶引物酶及引发体引物酶及引发体DNA连接酶连接酶引物引物单链结合蛋白单链结合蛋白防止复螺旋防止复螺旋 5 3 5 3DNA复制起始的过程复制起始的过程（二）、（二）、DNA复制的延伸复制的延伸1.DNA1.DNA聚合酶把新生链的第一个脱氧核苷酸加聚合酶把新生链的第一个脱氧核苷酸加 到引物的到引物的3-3-OHOH上，开始新生链的合成过程。上，开始新生链的合成过程。AG T AC T A A T DNA DNA 聚合酶聚合酶ACGACGTT引物引物 5 3AG T AC T A A T AGCGACGGTTT T 组成组成 DNA 的脱氧核糖核苷酸一个个连接起来的脱氧核糖核苷酸一个个连接起来3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键引物引物 5 3 5AG T AC T A A T GGCGGTTAA TA T CDNA模板链模板链DNA新链新链引物引物 5 3 5 3半不连续复制半不连续复制前导链前导链滞后链滞后链冈崎片段冈崎片段 53 5 3半不连续复制半不连续复制 DNA复复制时制时,一条链是连续的一条链是连续的,另一条链是不连续的另一条链是不连续的,称为半称为半不连续复制不连续复制。3355（三）、（三）、复制的终止复制的终止 复制有终止信号复制有终止信号pol 5 3外切酶活性外切酶活性水解引物水解引物pol聚合活性聚合活性填补空隙填补空隙DNA连接酶连接酶连接缺口连接缺口。二、原核生物DNA合成 1、半保留复制，双向复制 2、有引物的引导，为RNA 3、延伸方向为53。4、一条链一直从5向3方向延 伸，称前导链，连续合成 ；另一条先沿53 合成冈 崎片段，再由连接酶连起 来链，后随链，不连续合成 图图8 818 18 DNADNA解旋解旋 图图8 819 19 DNADNA合成之模型合成之模型 *在前导链上，在前导链上，DNADNA引物酶只在引物酶只在 起始点合成一次引物起始点合成一次引物RNARNA，DNADNA聚合酶聚合酶IIIIII开始开始DNADNA的合成的合成*在后随链上，每个冈崎片段在后随链上，每个冈崎片段 的合成都需要先合成一段引的合成都需要先合成一段引 物物RNARNA，然后然后DNADNA聚合酶聚合酶IIIIII才才 能进行能进行DNADNA的合成。的合成。图图8 820 20 后随链后随链DNADNA的合成的合成 RNARNA病毒中病毒中RNARNA的自我复制的自我复制 先以自己为模板（先以自己为模板（“”链链）合成一条互补的单链（）合成一条互补的单链（“”链链），然后这个），然后这个“”链链从从“”链模板释放出来，它链模板释放出来，它也以自己为模板复制出一条与也以自己为模板复制出一条与自己互补的自己互补的“”链，形成了链，形成了一条新生的病毒一条新生的病毒RNARNA。三、真核生物DNA合成 真核生物DNA的复制与原核生 物的主要不同点：1、DNA的合成只是在S期进行，原 核生物则在整个细胞生长过程 中都进行DNA合成 2、原核生物DNA的复制是单起点 的，真核生物染色体的复制则 为多起点的3、所需的RNA引物及后随链上合 成的“冈崎片段”的长度比原 核生物要短 4、有二种不同的DNA聚合酶分别 控制前导链（）和后随链 （）的合成；在原核生物 中由聚合酶III同时控制二条 链的合成5、染色体端体的复制：原核生 物的染色体大多数为环状 RNA的转录及加工 一、三种RNA分子 1、mRNA mRNA 2 2、tRNAtRNA：最小的最小的RNARNA，由由7070到到 9090个核苷酸组成，具有稀有个核苷酸组成，具有稀有 碱基的特点碱基的特点 图图8 822 22 tRNAtRNA的三维结构的三维结构 8-23 8-23 tRNAtRNA 模式图模式图3、rRNA：核糖体的主要成 分。在大肠杆菌中：rRNA量占细胞总RNA量的 75-85 tRNA占15 mRNA占3-5 二、RNA合成的一般特点 1、所用原料为核苷三磷酸；在DNA合成 时为脱氧核苷三磷酸 2、只有一条DNA链被用作模板；DNA合成 时，两条链分别用作模板 3、RNA链的合成不需要引物；DNA合成一 定要引物的引导4、RNA链的合成与DNA链的合成同样，也 是从5向3端，由RNA聚合酶催化 三、原核生物RNA的合成*转录后形成一个RNA分子的一段DNA序列称为一个转录单位*一个转录单位可能刚好是一个基因，也可能含有多个基因*RNA转录分三步：(1)RNA链的起始；(2)RNA链的延长；(3)RNA链的终 止及新链的释放 定义定义：RNA的生物合成就是转录，即以的生物合成就是转录，即以 DNA为模板，在依赖于为模板，在依赖于DNA的的RNA聚合酶聚合酶 的催化下，以的催化下，以4种种NTP（ATP、CTP、GTP 和和UTP为原料，合成为原料，合成RNA的过程。的过程。合成部位合成部位：细胞核：细胞核合成原料合成原料：四种：四种NTP一、DNA指导下的RNA的合成转录特点：转录特点：1、转录单位：启动子、转录单位：启动子 终止子终止子2、不对称转录：两条、不对称转录：两条DNA链不同时链不同时 进行转录的现象。进行转录的现象。编码链或反意义链；模板链或有意义链编码链或反意义链；模板链或有意义链 3、RNA聚合酶：聚合酶：全酶：全酶：有有 5个亚基组成个亚基组成 作用识别启动子，引发作用识别启动子，引发RNA的合成。的合成。核心酶：核心酶：不含不含亚基，延长亚基，延长RNA链链核心酶核心酶(core enzyme)全酶全酶(holoenzyme)RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合聚合酶全酶在转录起始区的结合 转录过程：转录过程：转录的起始转录的起始：RNA的延长：的延长：5 3识别识别解链解链磷酸二酯键的形成磷酸二酯键的形成（ATP、GTP）转录的终止：转录的终止：遇到终止子，遇到终止子，RNA链停止延长，核心酶链停止延长，核心酶脱离，新脱离，新RNA释放。释放。AG T AC T A A T DNA的的一条链一条链AGCUGACGGUUU游离的核糖核苷酸游离的核糖核苷酸 (原料）原料）DNA DNA 解旋，以一条链为模板合成解旋，以一条链为模板合成RNARNA细细胞胞核核中中AG T AC T A A T AGCUGACGGUUU DNA与与RNA的碱基互补配对：的碱基互补配对：AU；TA；CG；GCRNA RNA 聚合酶聚合酶细细胞胞核核中中AG T AC T A A T AGCGACGGUUU U 组成组成 RNA 的核糖核苷酸一个个连接起来的核糖核苷酸一个个连接起来细细胞胞核核中中AG T AC T A A T GCGACGGUUU UA细细胞胞核核中中AG T AC T A A T GCGACGUUGU UA细细胞胞核核中中AG T AC T A A T GCGACGUGU UAA细细胞胞核核中中AG T AC T A A T GCGACGGU UAA U细细胞胞核核中中AG T AC T A A T GCGACGGU UAA UA细细胞胞核核中中AG T AC T A A T GCGCGGU UAA UA U细细胞胞核核中中AG T AC T A A T GGCGGU UAA UA U C细细胞胞核核中中AG T AC T A A T GGCGGU UAA UA U CDNADNA上的遗传信息就传递到上的遗传信息就传递到mRNAmRNA上上mRNADNA细细胞胞核核中中AG T AC T A A T UCAUG A UUAmRNA 细胞质细胞质 细胞核细胞核 核孔核孔DNAmRNAmRNA在细胞核中合成在细胞核中合成AG T AC T A A T UCAUG A UUAmRNA 细胞质细胞质 细胞核细胞核mRNAmRNA通过核孔进入细胞质通过核孔进入细胞质UCAUG A UUAmRNAAG T AC T A A T UCAUG A UUAmRNA 细胞质细胞质 细胞核细胞核mRNAmRNA通过核孔进入细胞质通过核孔进入细胞质UCAUG A UUAmRNA四、真核生物RNA的转录及加工 真核生物与原核生物RNA的转录的不同点1、真核生物RNA的转录是在细胞核内进行，而蛋白质的合成则是在细胞质内2、原核生物的一个mRNA分子通常含有多个基 因；而少数较低等真核生物外，真核生物 一个mRNA分子一般只编码一个基因3、原核生物只有一种RNA聚合酶催化所有RNA 的合成；真核生物中则有RNA聚合酶I、II 、III，分别催化不同种类型RNA的合成 4、原核生物RNA聚合酶直接起始转录合成RNA ；真核生物三种RNA聚合酶都必须在蛋白 质转录因子的协助下才能进行RNA的转录 真核生物mRNA在转录后的加工：1、5端加上帽子(7甲基鸟嘌呤核苷)在蛋白质翻译时识别起始位置及防止 被RNA酶降解 2、3端加上尾巴(聚腺苷酸,polyA)对增加mRNA的稳定性及从细胞核向细 胞质的运输具有重要作用 3、切除非编码序列(内含子)，将编码序 列(外显子)连接起来，才能进行蛋白 质的翻译 图图8 828 28 真核生物真核生物mRNAmRNA的加工的加工 遗传密码与蛋白质的翻译 一、遗传密码（1）三联体密码 （2）通用性（3）简并现象（4）遗传密码间不能重复利用：除少数情况外，一个mRNA上每 个碱基只属于一个密码子（5）起始密码子：AUG GUG 和终止密码子:UAA UAG UGA(6)遗传密码间无逗号,即在翻译过程 中，遗传密码的译读是连续的(一一)、mRNA与遗传密码与遗传密码遗传密码：指排列在遗传密码：指排列在DNA或或mRNA链上为蛋链上为蛋 白质氨基酸编码的核苷酸序列。白质氨基酸编码的核苷酸序列。密码子：在密码子：在mRNA分子中从分子中从5 3方向，方向，以以AUG开始，每三个碱基组开始，每三个碱基组 成一组称为三联体，每个三成一组称为三联体，每个三 联体代表一种氨基酸，所以称联体代表一种氨基酸，所以称 之为密码子。之为密码子。一、蛋白质合成体系的重要组成组分一、蛋白质合成体系的重要组成组分遗遗传传密密码码表表UCAUG A UUAmRNA（模板）模板）密码子密码子 密码子密码子 密码子密码子 密码子密码子 mRNAmRNA上上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基决定一个氨基酸的三个相邻的碱基密码子的性质：密码子的性质：1、简并性、简并性(终止密码子终止密码子UAA,UAG,UGA)2、兼职性（起始密码子兼职性（起始密码子AUG,GUG）3、密码子的连续性密码子的连续性(编码蛋白质氨基酸序列的编码蛋白质氨基酸序列的编码蛋白质氨基酸序列的编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码各个三联体密码各个三联体密码各个三联体密码连续阅读连续阅读连续阅读连续阅读，密码间既无间断也无交叉，密码间既无间断也无交叉，密码间既无间断也无交叉，密码间既无间断也无交叉)4、通用性与例外（或半通用性）、通用性与例外（或半通用性）5、阅读方向与、阅读方向与mRNA编码方向一致编码方向一致 简并性简并性(degeneracy)原核生物原核生物原核生物原核生物真核生物真核生物真核生物真核生物核蛋核蛋核蛋核蛋白体白体白体白体小亚基小亚基小亚基小亚基大亚基大亚基大亚基大亚基核蛋核蛋核蛋核蛋白体白体白体白体小亚基小亚基小亚基小亚基大亚基大亚基大亚基大亚基S70S70S30S30S50S50S80S80S40S40S60S60SrRNA16S-16S-rRNArRNA5S-5S-rRNArRNA23S-23S-rRNArRNA18S-18S-rRNArRNA28S-28S-rRNArRNA5S-5S-rRNArRNA5.8S-5.8S-rRNArRNA蛋白蛋白质质rpsrps 21 21种种种种rplrpl 36 36种种种种rpsrps 33 33种种种种rplrpl 49 49种种种种 不同细胞核蛋白体的组成不同细胞核蛋白体的组成 （二）、核糖体是多肽链合成的装置二）、核糖体是多肽链合成的装置核核蛋蛋白白体体的的组组成成原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:A A位：氨基酰位位：氨基酰位位：氨基酰位位：氨基酰位(aminoacylaminoacyl site)site)P P位：肽酰位位：肽酰位位：肽酰位位：肽酰位(peptidylpeptidyl site)site)E E位：排出位位：排出位位：排出位位：排出位(exit site)(exit site)（三）、（三）、tRNA与氨基酸的活化与氨基酸的活化反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂A A UAC UAUG转运转运 RNARNA（tRNAtRNA)（运载工具）运载工具）亮氨酸亮氨酸 天冬氨酸天冬氨酸 异亮氨酸异亮氨酸 氨基酸氨基酸（原料）（原料）A A U 亮氨酸亮氨酸AC U天冬氨酸天冬氨酸AUG 异亮氨酸异亮氨酸 tRNAtRNA的一端运载着氨基酸的一端运载着氨基酸 反密码子反密码子氨基酸氨基酸+tRNA氨基酰氨基酰-tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶（一）（一）氨基酰氨基酰-tRNAtRNA合成酶合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)氨基酸的活化氨基酸的活化第一步反应第一步反应氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸 ATP-E ATP-E 氨基酰氨基酰氨基酰氨基酰-AMP-E-AMP-E AMP AMP PPiPPi 第二步反应第二步反应氨基酰氨基酰氨基酰氨基酰-AMP-E-AMP-E tRNA tRNA 氨基酰氨基酰氨基酰氨基酰-tRNA tRNA AMPAMP E E tRNAtRNA与酶与酶结合的模型结合的模型tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶ATP氨基酰氨基酰-tRNAtRNA合成酶对底物氨基酸合成酶对底物氨基酸 和和tRNAtRNA都有高度都有高度特异性特异性。氨基酰氨基酰-tRNAtRNA合成酶具有合成酶具有校正校正活性活性(proofreading activity)(proofreading activity)(proofreading activity)(proofreading activity)。氨基酰氨基酰-tRNAtRNA的表示方法：的表示方法：Ala-Ala-tRNAtRNAAlaAla Ser-Ser-tRNAtRNASerSerMet-Met-tRNAtRNAMetMet 特点特点:真核生物真核生物：Met-tRNAiMet原核生物原核生物：fMet-tRNAifMet（二）起始肽链合成的氨基酰（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNAI.翻译的起始翻译的起始(initiation)II.翻译的延长翻译的延长(elongation)III.翻译的终止翻译的终止(termination)整个翻译过程可分为整个翻译过程可分为：翻翻译译过过程程从从阅阅读读框框架架的的5 5-AUG-AUG开开始始，按按mRNAmRNA模模板板三三联联体体密密码码的的顺顺序序延延长长肽肽链链，直至直至终止密码终止密码出现。出现。二、肽链合成过程：二、肽链合成过程：（一）、肽链合成起始（一）、肽链合成起始指指mRNAmRNA和起始和起始氨基酰氨基酰-tRNAtRNA分别与分别与核蛋白体核蛋白体结合而形成翻译起始复合物结合而形成翻译起始复合物(translational initiation complex)。原核、真核生物各种起始因子的生物功能原核、真核生物各种起始因子的生物功能 原核生物翻译起始复合物形成原核生物翻译起始复合物形成1.1.核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；2.2.mRNAmRNA在小亚基定位结合；在小亚基定位结合；3.3.起始氨基酰起始氨基酰-tRNAtRNA的结合；的结合；4.4.核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。IF-3IF-1IF-11.核蛋白体大小亚基分离核蛋白体大小亚基分离A A U U GG53IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基结合到小亚基A U G53IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成A U G53IF-3IF-1A U G53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi真核生物翻译起始复合物形成真核生物翻译起始复合物形成1.1.核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；2.2.起始氨基酰起始氨基酰-tRNA结合；结合；3.mRNA在核蛋白体小亚基就位；在核蛋白体小亚基就位；4.4.核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。metmet40S40S60S60SMeMet tMetMet40S40S60S60SmRNAeIFeIF-2B-2B、eIFeIF-3-3、eIF-6 elFelF-3-3GDP+Pi各种各种各种各种elFelF释放释放释放释放elF-5ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PABMetMet-tRNAiMet-elF-2-GTP真核生物翻译起始真核生物翻译起始真核生物翻译起始真核生物翻译起始复合物形成过程复合物形成过程复合物形成过程复合物形成过程（二）、肽链合成延长（二）、肽链合成延长 肽链延长在核蛋白体上连续循肽链延长在核蛋白体上连续循环式进行，又称为环式进行，又称为核蛋白体循环核蛋白体循环(ribosomal cycleribosomal cycle)。包括以下三步：包括以下三步：进位进位(entrance)成肽成肽(peptide bond formation)转位转位(translocation)延伸过程所需蛋白因子称为延伸过程所需蛋白因子称为延长因子延长因子 (elongation factor,EF)。原核生物原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物真核生物：EF-1、EF-2 又称注册又称注册又称注册又称注册(registrationregistration)进位进位指根据指根据指根据指根据mRNAmRNAmRNAmRNA下一下一下一下一组组组组遗传密码遗传密码遗传密码遗传密码指导，使指导，使指导，使指导，使相应相应相应相应氨基酰氨基酰氨基酰氨基酰-tRNAtRNAtRNAtRNA进进进进入核蛋白体入核蛋白体入核蛋白体入核蛋白体A A A A位位位位。延长因子延长因子EF-T催化催化进位（原核生物）进位（原核生物）Tu TsGTPGDPA U G53TuTsGTP成肽成肽是由是由转肽酶转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。催化的肽键形成过程。转位转位延长因子EF-G有转位酶(translocase)活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3侧移动 。fMetA U G53fMetTuGTP进进位位转转位位成肽成肽UCAUG A UUAA A U 亮氨酸亮氨酸AC U 天冬氨天冬氨酸酸 核糖体核糖体细胞质中的细胞质中的mRNA 与核糖体结合与核糖体结合.细细胞胞质质中中UCAUG A UUAA A U 亮氨酸亮氨酸AC U 天冬氨天冬氨酸酸 tRNA tRNA 上的反密码子与上的反密码子与 mRNAmRNA上的密码子互补配对上的密码子互补配对.细细胞胞质质中中UCAUG A UUAA A U 亮氨酸亮氨酸AC U 天冬氨天冬氨酸酸AUG 异亮氨酸异亮氨酸细细胞胞质质中中 tRNA tRNA 将氨基酸转运到将氨基酸转运到 mRNAmRNA上的上的 相应位置相应位置.UCAUG A UUAA A U 亮氨酸亮氨酸AC U 天冬氨天冬氨酸酸AUG 异亮氨酸异亮氨酸缩合缩合细细胞胞质质中中 两个氨基酸分子缩合两个氨基酸分子缩合UCAUG A UUAA A U 亮氨酸亮氨酸AC U 天冬氨天冬氨酸酸AUG 异亮氨酸异亮氨酸 核糖体随着核糖体随着 mRNAmRNA滑动滑动.另一个另一个 tRNA tRNA 上的碱基与上的碱基与mRNAmRNA上的上的 密码子配对密码子配对.细细胞胞质质中中UCAUG A UUAA A U 亮氨酸亮氨酸AC U 天冬氨天冬氨酸酸AUG 异亮氨酸异亮氨酸 一个个氨基酸分子缩合成链状结构一个个氨基酸分子缩合成链状结构细细胞胞质质中中UCAUG A UUAA A U 亮氨酸亮氨酸AC U 天冬氨天冬氨酸酸AUG 异亮氨酸异亮氨酸 t tRNARNA离开，再去转运新的氨基酸离开，再去转运新的氨基酸细细胞胞质质中中UCAUG A UUAAUG 亮氨酸亮氨酸 天冬氨天冬氨酸酸 异亮氨酸异亮氨酸以以mRNAmRNA为模板形成了有一定氨基酸顺序的蛋白质为模板形成了有一定氨基酸顺序的蛋白质 .细细胞胞质质中中 真真核核生生物物肽肽链链合合成成的的延延长长过过程程与与原原核核基基本本相相似似，但但有有不不同同的的反反应应体体系系和和延延长因子。长因子。真真核核细细胞胞核核蛋蛋白白体体没没有有E E位位，转转位位时卸载的时卸载的tRNAtRNA直接从直接从P P位脱落。位脱落。真核生物延长过程真核生物延长过程 （三）、肽链合成的终止三）、肽链合成的终止 1、当、当mRNA的终止密码子（的终止密码子（UAA、UAG、UGA）出现，终止因子识别出现，终止因子识别并与之结合，肽链延长停止。并与之结合，肽链延长停止。2、终止因子、终止因子RF1、RF2、RF3与与A位结合，位结合，肽酰转移酶转变为水解活性，使肽酰转移酶转变为水解活性，使tRNA从核糖体释放。从核糖体释放。3、核糖体释放因子、核糖体释放因子RRF,使核糖体从使核糖体从mRNA上释放，在上释放，在IF3作用下，大小亚基分离。作用下，大小亚基分离。终止相关的蛋白因子称为释放因子终止相关的蛋白因子称为释放因子(release factor,RF)原核生物释放因子：原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：真核生物释放因子：eRF 释放因子的功能：释放因子的功能：1.1.识别终止密码识别终止密码，如，如RF-1RF-1特异识别特异识别UAAUAA、UAGUAG；而；而RF-2RF-2可识别可识别UAAUAA、UGAUGA。2.2.诱导诱导转肽酶转肽酶改变为改变为酯酶酯酶活性，相当于活性，相当于催化肽酰基转移到水分子催化肽酰基转移到水分子-OH-OH上，使肽上，使肽链从核蛋白体上释放。链从核蛋白体上释放。原原核核肽肽链链合合成成终终止止过过程程 U A G53RFCOO-多聚核蛋白体多聚核蛋白体(polysome)合成的特点合成的特点1、每合成一个肽键需消耗、每合成一个肽键需消耗4个高能个高能 磷酸键。磷酸键。2、多聚核糖体：在合成蛋白质时每、多聚核糖体：在合成蛋白质时每 条条mRNA链上可同时连接几个到几链上可同时连接几个到几 十个核糖体，大大提高了蛋白质的十个核糖体，大大提高了蛋白质的 合成效率，这种多聚体称为多聚合成效率，这种多聚体称为多聚 核糖体。核糖体。多核糖体多核糖体 蛋白质合成过程中一个蛋白质合成过程中一个mRNAmRNA的的分子上不止结合一个核糖体而是一分子上不止结合一个核糖体而是一群核糖体，称多核糖体群核糖体，称多核糖体（polysome）。）。多个核糖体同时翻译一个多个核糖体同时翻译一个mRNAmRNA分子，这显著分子，这显著提高了提高了mRNAmRNA的利用率的利用率。一条。一条mRNAmRNA的最大利的最大利用率可达每用率可达每8080个核苷酸结合一个核苷酸结合一个核糖体。合成的多肽释放后，个核糖体。合成的多肽释放后，核糖体即解离成核糖体即解离成3030s s和和5050s s亚基亚基 。图图8 830 30 蛋白质合成的起始蛋白质合成的起始 图图8 831 31 蛋白质合成链的延伸蛋白质合成链的延