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医学考研思维导图——基因信息的传递
这是一篇关于考研思维导图——基因信息的传递的思维导图，包含DNA的合成、RNA的合成、蛋白质的合成、蛋白质的加工修饰、蛋白质合成的干扰和抑制等。
编辑于2023-12-11 15:33:05
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基因信息的传递
中心法则
DNA复制；RNA复制
DNA—转录→RNA—翻译→蛋白质
RNA—逆转录→DNA
DNA的合成
DNA复制
DNA（母代，模板）—碱基配对→DNA（子代）
特征
半保留复制
←试验—亲代DNA用N15标记，复制n代，2^n个DNA，(2^n-2)个未被标记
生理意义
保留了亲代全部的遗传信息
遗传的保守性、稳定性
DNA复制的高保真性
物种的稳定性
双向复制
从一个复制起始点开始，向两个方向延伸，形成两个复制叉
复制子
=复制区域→从1个DNA复制起点起始的DNA复制区域
原核生物——大肠杆菌
双向复制
单起点（单复制子）
真核生物——人
双向复制
多起点（多复制子）
半不连续复制——子链
方向性：DNA合成只能从5'→3'方向移动
前导链（领头链）
合成方向与解链方向一致
连续合成
后随链（随从链）
合成方向与解链方向相反
不连续合成
冈崎片段
高保真复制
基础/前提：半保留复制
准备
参与DNA复制的物质
模板：解开成单链的DNA母链
底物：dNTP（脱氧三磷酸核苷（高能化合物）
N=ATCG，无U
dUMP、dUDP、dUTP不参与DNA复制
聚合酶：DNA-pol
依赖DNA的DNA聚合酶
不能催化两个游离的dNTP形成3',5'-磷酸二酯键
原核生物≥5种（I、II、III、IV、V）
DNA-pol I
组成：单肽链
活性
5'→3'聚合
填空
只能催化20个核苷酸/专攻修补
填补复制和DNA损伤修复中出现的空缺
3'→5'外切
校对
校对复制中的错误
5'→3'外切
去引
去除引物RNA（RNA酶）
功能
DNA-pol I—蛋白酶处理→
小片段（323AA）
5'→3'外切活性
大片段（604AA）/klenow片段，两种活性
5'→3'聚合活性
3'→5'外切活性
DNA-pol II
活性
5'→3'聚合
3'→5'外切
功能
参与DNA损伤时应急状态修复
是DNA-pol I、III缺失时暂时起作用的酶
DNA-pol III
组成：多亚基不对称二聚体
活性
5'→3'聚合
3'→5'外切
功能
复制延长中真正起作用的酶
真核生物≥15种，常见5种
DNA-pol α
引物酶
DNA-pol β
DNA修复
DNA-pol γ
线粒体NDA合成
DNA-pol δ
后随链合成
DNA-pol ε
前导链合成
引物：RNA-3'-OH
提供3'-OH结合5'-P
引物酶=RNA聚合酶
过程——原核生物
真核生物类似
起始——DNA解链——需要多种酶参与
Dna A
辨认复制起始点（ori）
“踩点”
Dna B
解螺旋酶：双链→单链
“开路”
Dna C
运送和协同Dna B
“司机”
Dna G
引物酶：催化RNA引物的合成
“勾引”
SSB/单链DNA结合蛋白
稳定已解开的DNA单链
“single”
拓扑异构酶
解开超螺旋，松解理顺DNA链，防止打结（可水解合成3',5'-磷酸二酯键）
延长——本质：DNA-pol III催化形成3',5'-磷酸二酯键
终止——领头链前端引物的去除和后随链冈崎片段的处理
切除引物
DNA-pol I/RNA酶(5'→3'外切活性)
填补空缺
DNA-pol I(5'→3'聚合活性)
连接双链中单链缺口
DNA连接酶连接3'-OH与5'-P形成3',5'-磷酸二酯键
V.S.形成3',5'-磷酸二酯键
DNA/RNA-pol
引物酶（RNA-pol）
拓扑异构酶
DNA连接酶
逆转录酶
端粒与端粒酶
端粒
作用
维持DNA复制中的完整性，维持染色体结构的稳定性
构成
DNA（核酸）——TG重复序列——（TnGn）x，x为数十~数百次
“团购”
DNA结合蛋白质
合成过程
引物：5'→3'DNA母链
模板：端粒酶RNA（AnCn）x=1—端粒酶、逆转录酶→单链端粒DNA（TnGn）x（反折）—引物酶、DNA-pol、DNA连接酶→反向DNA（反折）
机制：爬行模型
原核生物DNA复制
复制起点
单复制子，长
RNA引物
长
冈崎片段
长（1000~2000）
DNA-pol
I、II、III
快（2500dNTP/S）
端粒和端粒酶
无
真核生物DNA复制
复制起点
多复制子，短
RNA引物
短
冈崎片段
短（100~200）
DNA-pol
α、β、γ、δ、ε
慢（50dNTP/S）
端粒和端粒酶
有
端粒酶
RNA（核酸）——AC重复序列
蛋白质
协同蛋白I
逆转录酶（本质）
真核生物线粒体DNA复制
D环复制
内环结合引物延伸→外环结合引物反向延伸
内外环各有一个复制起点，不在同一位点
内外环存在复制时差→D环结构
催化酶：DNA-pol γ
逆/反转录
DNA—转录→RNA—反转录→DNA
端粒酶机制
反转录病毒（HIV）
基因工程目的基因获取
逆转录过程
逆转录酶（3种活性）
RNA为模板dNTP聚合活性
RNA酶活性
DNA为模板dNTP聚合活性
应用
cDNA文库法（获取目的基因）：收集胞内mRNA，逆转录生成cDNA
RNA病毒（逆转录病毒）：逆转录合成cDNA，整合到宿主c基因组
病毒扩增
参与肿瘤发生
意义
补充/发展了中心法则
加深了RNA病毒致癌的认识
进行基因工程操作制备cDNA
RNA的合成
DNA→RNA
编码RNA（mRNA）
非编码RNA
组成性：tRNA、rRNA、SnRNA、SnoRNA...
调控性：miRNA、siRNA、lncRNA...
参与RNA合成（转录）的物质
原料：NTP，N=AUGC
模板：DNA（同时只有一条DNA单链作为转录模板）
酶：依赖DNA的RNA聚合酶
无需引物
其他：蛋白质因子（转录因子）、Mg2+等
合成方向：5'→3'
原核生物的转录
特征：不对称转录
DNA双链中同时只有1条链作为转录模板
模板链并不是固定在某条单链上，不同基因的模板链位置不同
模板链＆编码链
碱基互补配对
新合成的RNA与编码链除了U代替T外，序列、方向均一致
RNA-pol（1种）
组成：5种亚基（α、β、β'、σ、ω）构成的六聚体（全酶）
全酶
σ(sigama)
辨认转录起点
延长时脱落
多种RNA-pol共用
α2ββ'ω(核心酶)
α：决定哪些基因被转录
β：与转录全过程有关（催化）
←抑制—利福平
β'：结合NDA模板，开链
ω：β'折叠和稳定性σ募集
作用：结合启动子
启动子
RNA-pol结合模板DNA的部位
决定转录起始点的关键部位
-35区：TTGACA
RNA-pol疏松结合
-10区：TATAAT
pribnow盒
RNA-pol紧密结合
∈调控序列
操纵子=若干个结构基因（编码序列）+上游的调控序列
转录过程
起始
本质——形成转录起始复合体/物
DNA模板
RNA-pol全酶
NTPs
→DNA-RNA-pol-5'-pppGpN-OH-3'
N=AGCU
延长
σ亚基脱落，启动延长
需要RNA-pol核心酶
形成转录泡（约17bp）
形成NDA-RNA杂化双链（80bp）
RNA产物不断向外延伸
→形成羽毛状图形（原核生物）
作用：满足快速增殖需要
含义
转录和翻译同时进行
mRNA无需加工修饰即可用作模板
转录还未结束，翻译已经开始
终止
“Park”
依赖ρ因子的终止
ρ因子
—识别结合→polyC（RNA3’）→RNA-pol构象改变，停顿下来
→ATP酶—分解→ATP
解旋酶活性使DNA-RNA杂化双链拆离→RNA产物释放
非依赖ρ因子的终止
RNA-3'端茎环/鼓槌状结构→RNA-pol构象改变等，转录终止
转录V.S.DNA复制
转录
同时只有一条链作模板
无需引物
模板链、编码链——母链
DNA复制
两条链都作模板
需要引物
领头链、随从链——子链
真核生物的转录
RNA-pol≥3种
RNA-pol I
产物：45s-rRNA
—SnoRNA、Pr→
5.8s-rRNA（大）
18s-rRNA（小）
28s-rRNA（大）
除了5s
鹅膏蕈碱——不敏感
RNA-pol II
产物
hnRNA—SnRNA+Pr(剪接体)→mRNA
lncRNA（长度＞200nt）
bp碱基对；nt氨基酸
piRNA
miRNA
→调控性非编码RNA
鹅膏蕈碱——极敏感
有羧基末端结构域（CTD）
——七肽重复序列（Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser）
可进行磷酸化修饰，在转录起始中起关键作用
RNA-pol III
产物
tRNA
5s-rRNA
SnRNA
鹅膏蕈碱——中度敏感
转录因子（辅因子，TF）
也称为反式作用因子=Pr→作为RNA-pol与DNA模板间的桥梁（真核生物独有）
DNA结合结构域（模体）
锌指
螺旋
亮AA拉链
转录激活结构域
酸性激活结构域
富含Gln结构域
富含Pro结构域
分类
通用（基本）TF
TFI
TFII
TF IID
TF IIA、B...H
TFIII
转录起始前复合物
=TF+RNA-pol+DNA
上游因子
SP1、C/EBP
特异TF（可诱导因子）
HIF-I
顺式作用元件=DNA
分类
近端序列
核心启动子：TATA盒/Hognest盒
结合TF II D=TBP+TAF
启动子上游元件
GC盒
结合SP1
CAAT盒
结合C/EBP
远隔序列
增强子：正性
结合HIF-I
沉默子：负性
绝缘子
转录过程
起始——转录起始复合物形成
延长——转录延长过程与翻译不同步（不形成羽毛状图形）
终止——与转录后修饰同时进行
转录终止修饰点：AATAAA
AATAAA与GTGTGTG间切断
3'端+poly A尾→-AAUAAA-poly A
5'端+5'帽子结构
真核生物前体RNA加工修饰
细胞核：前体/初始RNA—加工修饰→成熟RNA
mRNA前体（hnRNA）的加工修饰
hnRNA—snRNA+Pr(剪接体)→
5'-加帽——m7GPPP
加帽酶/甲基转移酶←SAM提供甲基
3'-加尾——polyA
剪接
去除内含子——边界序列——5'-GU...AG-3'
连接外显子——RNA编辑（分化加工）
rRNA的加工修饰
DNA—RNA-poly I→45s-rRNA—SnoRNA→5.8s、18s、28s-rRNA
tRNA的加工修饰
剪切5'和3'端多余的核酸
3'端加CCA
碱基修饰 （稀有碱基）
甲基化反应：mG、mA
还原反应：U→DHU
转位反应：U→ψ
脱氨反应：A→I
去除内含子
D/RNA-pol小结
真核
DNA-pol：αβγδε
RNA-pol：I、II、III
原核
DNA-pol：I、II、III
RNA-pol：αββ'ωσ
蛋白质的合成
蛋白质合成体系
原料：20种AA（约）
场所：核糖体（核糖核蛋白体）——rRNA+Pr
核酸+Pr
染色体=DNA+组Pr
端粒=DNA（TG）+DNA结合Pr
端粒酶=RNA+Pr
核糖体
病毒=DNA/RNA+Pr
剪接体=SnRNA+Pr
原核：70s
小亚基：30s
大亚基：50s
5s，23s
真核：80s
大亚基：60s
5s，5.8s，28s
小亚基：40s
模板
直接模板：mRNA
间接模板：DNA/hnRNA
酶和蛋白质因子
转运RNA（tRNA）
能量：ATP+GTP
糖原：ATP+UTP
糖异生：ATP+GTP
磷脂：ATP+CTP
嘌呤：IMP
—GTP→AMP
—ATP→GMP
遗传密码——mRNA上
密码子（三联体密码）
——4x4x4=64种
其中3种不编码AA（终止密码子）
UAA
UAG
UGA
其余61种编码20种AA
AUG
mRNA头端：起始密码子
mRNA中间：编码甲硫AA（蛋AA）
特点
方向性
5'→3'
DNA合成（复制、逆转录）
RNA合成（转录）
遗传密码的阅读
类比：N→C——蛋白质
连续性
密码子被连续阅读，不间断
从起始密码子直至终止密码子
若可读框中插入/缺失非3倍数的nt→移码突变（框移突变）
简并性
61种密码子编码20种AA→多种密码子决定同一种AA
同义密码子：编码同一种AA的密码子
密码子的特异性取决于前两位，第三位碱基改变往往不改变AA序列（一级结构）
同义突变：第三位碱基改变
摆动性
mRNA与tRNA之间碱基配对不严格，存在摆动，多种密码子对应一种反密码子
密码子第3位（mRNA）与反密码子第1位（tRNA）摆动配对
tRNA的I→mRNA的A/C/U
“AICU”
tRNA的U→mRNA的A/G
tRNA的G→mRNA的C/U
简并性/摆动性生理意义：降低基因突变的生物学效应，有利于维持生物表型稳定
通用性
所有生物共用一套遗传密码
tRNA转运AA——AA的活化
AA+tRNA3'-CCA-OH+ATP—氨酰-tRNA合成酶→氨酰tRNA+AMP+PPi
消耗2个高能磷酸建
核糖体的三个功能位
——原核、真核生物均有
A位——氨酰位——结合氨酰-tRNA（tRNA-AA）
P为——肽酰位——结合肽酰-tRNA（tRNA-AA1、2、3...）
E位——排出位——释放/排出/卸载tRNA
蛋白质因子
原核生物
起始因子（initiation）
IF1：占据A位，防止tRNA过早结合A位
IF2：GTP酶活性
IF3：防止核糖体大小亚基过早结合
延长因子（elongation）
EF-Tu：GTP酶活性，促进氨酰-tRNA进入A位
EF-Ts：EF-Tu的调节亚基
统称EF-T
EF-G：转位酶活性
终止因子/释放因子（release）
RF-1：识别终止密码子UAA或UAG
RF-2：识别终止密码子UAA或UGA
RF-3：GTP酶活性，促进RF-1或RF-2与核糖体分离
真核生物
都带“e”
肽链的合成过程
起始
本质：形成翻译起始复合物
模板mRNA
起始氨酰-tRNA
原核：fMet-tRNA
f：甲酰化
真核：Met-tRNA
核糖体
原核生物
核糖体大小亚基分离，IF1、IF3维持分离状态
②mRNA与核糖体小亚基结合
16sRNA与SD序列按照碱基配对识别并结合
AUG对应核糖体P位
③fMet-tRNA（起始）结合在核糖体P位
翻译起始复合物形成
IF-2水解GTP释放能量使IF-1和IF-3释放
大小亚基结合
真核生物
以上②和③顺序颠倒，其余类似
①核糖体大小亚基分离→②Met-tRNA进入核糖体小亚基P位
①②共同形成43s前起始复合物→mRNA与核糖体小亚基结合→核糖体大亚基的结合
延长（核糖体循环）
每循环一次增加一个AA残基
进位/注册
氨酰tRNA—EF-Tu-GTP，分解GTP耗能→进入A位
成肽
P位：(fMet/肽酰-tRNA)-COOH
A位：NH2-(AA-tRNA)
—肽酰转移酶/转肽酶→肽键
肽酰转移酶/转肽酶
核酶
本质：RNA
原核：23S rRNA
真核：28S rRNA
转位
——变换位置：核糖体移动
过程
转位酶：EF-G
消耗1GTP
A位 新肽酰tRNA→P位 新肽酰tRNA
P位 tRNA→E位 tRNA
E位 tRNA→脱离核糖体
耗能过程
形成翻译起始复合物——消耗GTP
AA活化——2ATP
延长
进位——1GTP
成肽——不耗能
转位——1GTP
4高能磷酸键
终止——1GTP
蛋白质的加工修饰
——空间构象
一级结构（主要）
分子伴侣（次要）
新生肽链的折叠
——空间结构的加工
分子伴侣
热激/热休克蛋白70（Hsp70)
伴侣蛋白
异构酶
蛋白质二硫键异构酶
Cys-SH+Cys-SH→-S-S-
肽链间、内二硫键
肽脯氨酰基顺-反异构酶
帮助Pro在蛋白质弯折处形成正确折叠
新生肽链的水解
——一级结构的改变
N端——fMet水解
脱甲酰基酶（50%）→水解甲酰基而保留Met
氨基肽酶（50%）→水解fMet，如Ang的激活
C端——水解
阿黑皮素原→ACTH...MSH等9种活性物质
ACTH＆MSH：同宗同源
化学修饰
——加基团
V.S.酶的共价修饰调节
磷酸化
丝、苏、酪AA
糖基化
Asn、Ser、Thr
如大多数血浆蛋白（除清蛋白外）
羟基化
Pro、Lys
羟脯氨酸、羟赖氨酸
前胶原蛋白-Pro/Lys—(-OH)、vitC→胶原蛋白-羟Pro/Lys
甲基化
乙酰化
硒化
硒代半胱氨酸
亚基聚合形成具有四级结构的蛋白质
Hb
α2β2：珠蛋白
4个辅基：血红素
蛋白质合成后被靶向输送至细胞特定部位
分泌蛋白质和膜蛋白
N端有信号肽，由13~26个AA残基构成
蛋白质合成的干扰和抑制
V.S.核苷酸代谢、抗代谢物
抗生素
起始
——抑制翻译起始复合物形成
伊短菌素
抗病毒药
—(-)→真核、原核核糖体小亚基→mRNA在核糖体上错位
—(-)→起始氨酰-tRNA就位和IF3的功能
延长
——核糖体循环
进位——氨酰tRNA进入A位
←(-)—四环素→特异结合原核生物小亚基的A位
引起读码错误
←原核生物小亚基←(-)—氨基糖苷类（庆大、链、卡那霉素）、新霉素、巴龙霉素
成肽——P位 肽酰tRNA←肽酰转移酶→A位 氨酰tRNA
—(-)→肽酰转移酶
氯、林可、红霉素—(-)→原核生物大亚基（23SrRNA）
放线菌酮—(-)→真核生物大亚基（28SrRNA）
嘌呤霉素≈酪胺酰tRNA
→进入A位中段Pr合成
—(-)→真核、原核生物
转位
A位 肽酰tRNA—EF-G→P位 肽酰tRNA
夫西地酸—(-)→EF-G
大观霉素→原核生物小亚基→抑制转位
毒素
白喉毒素（修饰酶）
——ADP-核糖基化修饰
(NAD+)+eEF-2→烟酰胺(N)+ADP-核糖-eEF2
eEF：有活性→ADP-核糖-eEF2：无活性
蓖麻蛋白
真核生物核糖体大亚基28SrRNA
干扰素(INF)
JAK-STAT通路
真核c（宿主c）
eIF-2—蛋白激酶PK→磷酸化eIF-2
INF→激活蛋白激酶（PK）
eIF：有活性→磷酸化eIF-2：无活性
病毒mRNA—RNA酶→降解mRNA
INF→激活RNA酶
DNA损伤和修复
突变：DNA永久性改变
DNA损伤
损伤因素
体内
DNA复制错误
DNA自身的不稳定性
脱嘌呤
最普遍
脱氨基
C→ U
A→I
机体代谢产生的活性氧
体外
物理因素
电磁辐射
最常见
eg.肿瘤放疗
紫外线
尤其是260nm附近
嘧啶二聚体形成
化学因素
亚硝酸——碱基脱氨
C→U
A→I
生物因素
病毒
麻疹、风疹、疱疹病毒
黄曲霉→黄曲霉素——肝癌
损伤类型
碱基损伤与糖基破坏
碱基损伤—脱落→碱基缺失—发生→移码（框移）突变
与密码子连续性有关
碱基错配/置换→点突变
ras发生点突变→ RAS-GTP→持续激活MAPK→大肠癌发生
镰状RBC贫血（分子病）
——错义突变
决定β亚基的DNA由原来的CTC变成CAC，谷AA→缬AA
Hb一级结构发生改变，RBC呈镰刀状，极易破裂溶血
DNA链断裂
←电离辐射
单链断裂
迅速修复
双链断裂
需要重组修复→染色体畸变
DNA链的共价交联
嘧啶二聚体形成
同义突变：不改变AA编码，与同义密码子有关（简并性、摆动性）
无义突变：变为终止密码子
DNA损伤修复
直接修复
最简单的修复方式
正常DNA—紫外线→嘧啶二聚体—可见光(400nm)激发光复活酶识别→完成解聚、修复
切除修复
最普遍的修复方式
识别水解：糖苷键→水解糖苷键→受损部位碱基切除
DNA损伤修复