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生物化学与分子生物学（遗传信息：传递和表达）
这是一篇关于生物化学与分子生物学（遗传信息：传递和表达）的思维导图，主要内容包括：基因和染色体、DNA、RNA、蛋白质。
编辑于2025-01-16 23:44:16- 基因
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复习大纲
主题
第 13 章 DNA 的复制和修复
本章重点和难点：DNA 复制的特点、参与因子、复制过程、DNA 的损伤与修复
13．1 DNA 的复制
13．1．1 DNA 的半保留复制
DNA的半保留复制
13．1．2 复制起点和复制单位
DNA的复制起点和复制方式
13．1．3 DNA 聚合反应有关的酶
DNA聚合反应和有关的酶
13．1．4 DNA 的半不连续复制
子主题
13．1．5 DNA 复制的拓扑性质
子主题
13．1．6 DNA 复制体的结构
？
13．1．7 真核生物 DNA 的复制
真核生物DNA的复制
13．1．8 DNA 复制的调控
？
13．2 DNA 的损伤及修复
13．2．1 光复活
13．2．2 切除修复
13．2．3 重组修复
13．2．4 诱导修复和应急反应
二、DNA的损伤修复
13．3 RNA 指导 DNA 的合成
13．3．1 反转录酶
13．3．2 病毒 RNA 的反转录
13．3．3 反转录的生物学意义
逆转录的生物学意义
第 14 章 RNA 的生物合成
本章重点和难点：RNA 的合成过程、参与因子，RNA 转录后的加工与修饰
14．1 转录
14．1．1 RNA 聚合酶
14．1．2 转录过程
14．1．3 启动子和转录因子
14．1．4 终止于和终止因子
14．1．5 转录过程的调节控制
14．2 转录后的加工
14．2．1 原核生物 RNA 加工
14．2．2 真核生物 RNA 的加工
14．2．3 RNA 的拼接和催化机理
14．3 RNA 的复制
14．3．1 噬菌体 QB RNA 的复制
14．3．2 病毒 RNA 复制的主要方式
第 15 章 蛋白质的生物合成
本章重点和难点：蛋白质合成过程及各种参与因子的功能、合成后的输送与加工
15．1 遗传密码
15．1．1 遗传密码的确定
15．1．2 遗传密码的特点
15．2 蛋白质生物合成中的生物大分子
15．2．1 mRNA
15．2．2 rRNA
15．2．3 核糖体
15．2．4 辅助因子
？
15．3 蛋白质生物合成的过程
15．3．1 原核生物蛋白质的合成过程
15．3．2 真核生物蛋白质的合成过程
15．3．3 mRNA 的结构与翻译
？
15．3．4 蛋白质合成的抑制剂
15．4 多肽合成后的定向输送与加工
15．4．1 信号肽及信号肽的识别
15．4．2 内质网上多肽的糖基化修饰
15．4．3 高尔基体中多肽的糖基化修饰及多肽的分类
15．4．4 线粒体、叶绿体蛋白质的来源
生物化学与分子生物学 （遗传信息：传递和表达）
基因和染色体
基因的概念的演化
孟德尔的遗产因子假说
摩尔根的基因学说和染色体理论
基因是编码多肽链和RNA的一段DNA序列。
重要的是研究其编码的遗传信息，而不是只有表面上的物理载体
基因和基因组的结构
概念
基因组：生物单倍体的整套基因。
基因与基因组
病毒
DNA：单链或双链，线状或环状 RNA：正链、负链或双链，线状或环状
原核生物和 真核生物细胞器
DNA：双链环状，极少数为线状分子
基因组的结构特征
① 基因组较小，大部分为编码序列，单拷贝（rRNA 基因为多拷贝），间隔序列和调节序列所占比例较小； ② 基因编码序列连续，无内含子； ③ 功能相关的基因组成操纵子； ④ 重复序列极少、较短。
推测，能够独立生活的原始细胞可能最低基因数为256个。
大肠杆菌操纵子
子主题
质粒 染色体外的基因或基因组
双链环状，极少数为线状分子
有些质粒并不携带对宿主有益的遗传信息，仅有的功能就在于可自身繁殖。
单拷贝质粒
多拷贝质粒
线粒体DNA（mtDNA）
多个环状分子
低等生物
大小
植物
后生动物
叶绿体DNA（cpDNA）
多个环状分子
120~217kb
染色体外的遗传因子
病毒基因组
选择的压力使病毒基因组被压缩，基因间隔区很小或没有。
有些病毒基因相互重叠
子主题
真核生物
真核生物基因组的结构特征
① 基因组较大（＞10Mb），间隔序列和调节序列所占比例大。 ② 通常基因的编码序列不连续，编码的外显子被非编码的内含子序列分割开。 ③ 功能相关基因不组成操纵子，分散在各染色体中。 ④ 存在较大比例各种重复序列。
人类单倍体基因组DNA 结构
各类调控元件
增强子
沉默子
绝缘子
重复序列
高度重复序列 （卫星DNA）
仅存在于基因组的着丝点 和端粒等位点。
前者是细胞有丝分裂时纺锤丝的同着点，
后者是线状染色体 DNA 的末端结构，起着保护 DNA 末端和完成 DNA 复制的作用。
中度重复序列
包括多拷贝基因(如组蛋白、IRNA、IRNA 基因)、调节序列、倍增片段以及大量各类转座子
基因家族： 由一个祖先基因经重复和突变， 形成若干序列相似、其编码产物结构和功能相近的基因群。
基因簇： 位置上彼此排列在一起。
染色体的结构
在有丝分裂和减数分裂期的细胞核中呈现一些对染料着色深的结构实体，称为染色体，是基因的载体，染色体的组成物质称为染色质，也就是基因组DNA与蛋白质的复合物。
细菌拟核的结构
细菌染色体DNA在细胞内盘绕形成致密体，称为拟核，约占细胞体积的三分之一。细菌的基因组DNA为环状双链分子，其上结合了一些小的碱性蛋白，称为HU蛋白。
拟核结构
HU蛋白
突环
支架结构
真核生物染色体的结构
染色质可以分为两类：常染色质和异染色质。染色质的基本结构单位是核小体。
（1）常染色质和异染色质的特点和功能
常染色质
DNA 相对比较伸展，压缩比较低
主要为单拷贝和中等重复序列，是基因活跃表达区域其表达受各种调节因子的作用
异染色质
DNA 有更多的螺旋和折叠，压缩比较高
大多不能转录;
①组成型异染色质
由着丝粒、端粒、次缢痕以及染色体的某些节段 DNA 所组成，大多是短的高度重复序列它们虽缺少表达活性，但具有染色体不可或缺的功能;
②功能型异染色质
另一些染色质区域随细胞分化而进步螺旋化和折叠，通过压缩以封闭基因活性
核小体
染色质的基本结构单位
每一组蛋白八聚体（H2A、H2B、H3、H4各2分子）构成核小体的核心，DNA在其上绕1.65圈。H1可能以另外的方式结合在核小体的连接DNA之上。
背
组蛋白八聚体（H2A H2B H3 H4 *2）
H1
DNA与组蛋白结合形成一串直径为11nm的念珠状细丝，平均每个核小体的DNA约200bp。
染色体的不同结构层次
压缩比指DNA分子长度与组装后特定结构长度之比。
DNA与蛋白复合体结合
压缩近1000倍
1||| DNA（直径：2nm）
缠绕到核小体上
2||| 核小体链（11nm，200bp/个）
螺旋化
3||| 纤丝(30nm，6个/圈)
固定在核的骨架蛋白上
4||| 突环（150nm，75000bp）
5||| 玫瑰花结（300nm，6个突环）
螺旋
6||| 螺旋圈（700nm，30个玫瑰花）
7||| 染色单体（1400nm）
染色质重塑： 染色质的结构改变
染色质的结构改变称为染色质重塑，主要涉及核构的改变。核小体组成和结构的改变、核小体相位的改变和由此导致的染色质高级结构的改变。
1 组蛋白变异和修饰
（1）组蛋白变异体的置换：
在染色质的某些特殊区域，或染色质处于某些特殊状态下，核小体的一种正常组蛋白可被其变异体所取代，从而给染色质的该区域带上标志，或是给予该区域特殊功能。
（2）组蛋白修饰：
组蛋白的共价修饰主要发生在尾部，较为常见的有甲基化、乙酰化和磷酸化，有时还发生泛素化、SUMO化和ADP-核糖基化。核小体组蛋白的尾部垂挂在核小体表面，存在众多可被修饰的位点，修饰基团的加入或除去。
组蛋白修饰酶：
组蛋白修饰由特异酶催化，如组蛋白乙酰转移酶（HAT）催化乙酰基加到组蛋白上；组蛋白脱乙酰酶（HDAc）催化修饰的组蛋白脱去乙酰基。与此类似，组蛋白甲基转移酶（HMT）加甲基到组蛋白上；组蛋白脱甲基酶（HDM）脱去修饰组蛋白的甲基等。
2 DNA的修饰
（1）DNA甲基化：
DNA甲基化是DNA修饰的主要方式，通常甲基位于胞嘧啶的第5位碳上，由DNA甲基转移酶（DNMT）催化。DNA甲基化引起基因沉默和异染色质化，沉默基因重新激活需要除去甲基。
① CpG岛：是指基因5′端调控区成串存在的CpG二核苷酸，长达500～1000bp，一般存在于结构基因中。
(h)m5C
DNA甲基化的酶有两类：
维持性的 DNA 甲基化酶:在 DNA 复制后以旧链为模板使新链甲基化甲基化酶
m6A
全新的 DNA 甲基化酶:在新的位点使 DNA 甲基化
(h)m5C
（2）性别决定和剂量补偿：
① 性别决定：性染色体决定生物性别，雌性与雄性个体细胞常染色体数量是相同的，但是性染色体数量不同。
② 剂量补偿效应： 调节基因活性，或是将两个X染色体中的一个关闭掉 以补偿雌、雄细胞X染色体连锁基因数量的不同，使雌性和雄性细胞基因表达产物达到同样水平。
③ 巴氏小体：在雌性哺乳动物胚胎发育早期，细胞的两个X染色体随机关闭一个，被关闭的X染色体凝缩成致密的巴氏小体。
（3）基因组印记：
又称遗传印记，是指基因的表达与否取决于他们是在父源染色体上还是在母源染色体上，以及父源染色体或母源染色体上基因是否发生沉默，从而表达出来。
基因的进化
进化热力学和动力学
生命的起源
子主题
生物的进化
基因与基因组的进化
表观遗传对生物进化的作用
DNA
DNA的复制和修复
一、DNA的复制
引言
染色体的复制
染色体外遗传因子的复制
DNA是遗传信息的载体，在合成DNA时能够进行自我复制。
DNA的半保留复制
双链DNA普遍的复制机制
在复制的过程中，亲代DNA的两条链解开，各自作为模板通过碱基配对原则合成出另一条互补链。
定义：
① 半保留复制是指以亲代DNA双链为模板，以碱基互补配对方式合成子代DNA，这样新形成的两个DNA分子与原来DNA分子的碱基顺序完全相同。其中，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的。半保留复制是双链DNA普遍的复制机制。
概念
模板链：模板链是指能够提供合成一条互补链所需精确信息的核酸链。
互补链：按照核酸中碱基互补配对的原则，两条核苷酸单链在一定条件下能相互作用，形成双链核苷酸链，它们互称为互补链。
半保留复制的特点：
① 半保留复制要求亲代DNA的两条链解开，各自作为模板，通过碱基互补配对原则，合成出另一条互补链。
② 碱基互补配对是核酸分子间传递信息的结构基础。无论是复制、转录还是逆转录，在形成双链螺旋分子时都是通过碱基配对来完成的。
③ DNA的半保留复制机制可以说明DNA在代谢上的稳定性。DNA的半保留复制是保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代的必要措施。
DNA的复制起点和复制方式
复制子：复制子是指 基因组能够独立进行复制的单位。
① 每个复制子都含有控制复制起始的起点(ori)，可能还含有终止复制的终点。
复制起点与基因分布规律： 离复制起点越近基因出现的频率越高。
② 复制是在起始阶段进行控制的，一旦复制开始，它将继续下去，直到整个复制子完成复制。
（2）复制方式：
① 双向复制。
双向复制即DNA从一个固定起始点向两个方向解链，形成两个复制叉或生长点，分别向两侧进行复制。复制叉是指复制时双链打开，分开成两股，各自作为模板，自链沿模板延长形成Y字形结构。
类型
（1） 直线双向
（2） 多起点双向
（3） q型双向
② 单向复制。
单向复制是指DNA复制只形成一个复制叉或生长点的复制方式。
（1） q型单向
单向复制的特殊方式
（1） 滚环式 噬菌体fX174 环状单链DNA 某些双链DNA也可以
1||| 形成共价闭环的双链分子（复制型，正链、负链）
2||| A蛋白在正链特定位点切开，与5' 末端结合，游离出3' -OH末端
3||| DNA聚合酶以环状的负链为模板，向正链游离出3' -OH末端添加脱氧核苷酸使链不断延长
4||| 合成一圈后，露出切口序列，A蛋白切开后结合在5' 末端 游离出单位长度的单链DNA
（2） 替代环/D环 线粒体DNA（mtDNA）
环的两条链起点不在同一位置，一条链先复制， 待复制到一定程度后， 另一条链的复制起点露出，另一条链才开始复制。
（3） 2D环 叶绿体DNA（cpDNA）
环的两条链起点不在同一位置，同时在起点处解开双链。
环的两条链起点不在同一位置
（3）原核生物DNA复制：
复制速度 50000bp/min 20~40min完成复制，会出现多复制叉的情况
① 原核生物DNA都是环状双链分子，只有一个固定的复制起点。
② 复制方式大多数为双向复制，少数单向复制。
③ 通常复制是对称的，两条链同时进行复制，也有些是不对称的，一条链复制后另一条链再复制。
（4）真核生物DNA复制：
复制速度 1000~3000bp/min 单个复制子100~200kb 整体6~8h完成复制。
真核生物染色体DNA是线性双链分子，含有许多复制起点，是多复制子。
（5）病毒DNA复制：
① 病毒DNA多种多样，有环状分子或线性分子、双链或单链。
② 每一个病毒基因组DNA分子都是一个复制子。
③ 复制方式多种多样，双向或单向，对称或不对称。
④ 有些病毒线性DNA分子在侵入细胞后可转变成环状分子，另一些线性DNA分子的复制起点通常在末端。
DNA聚合反应和有关的酶
（1）DNA的聚合反应和聚合酶：
① DNA聚合酶：
DNA聚合酶是以DNA为复制模板，从DNA5′端点开始复制到3′端的酶。DNA聚合酶的主要活性是催化DNA的合成（在具备模板、引物、dNTP等的情况下）及其相辅的活性。
作用机制
Mg2+、dNTP、引物、DNA
（RNA引物起始）游离的3'-OH，对dNTP的α磷酸发生亲核攻击， 形成3'-5'磷酸二脂键并脱下焦磷酸。
形成磷酸二酯键所需要的能量来自于 α和β磷酸基团之间高能磷酸键水解。
反应可逆，焦磷酸的水解推动反应向正向进行。
DNA链由5'向3'延长 需要一段引物链 加入的核苷酸种类由模板决定
② DNA聚合酶反应特点：
当有适量DNA和镁离子同时存在时，该酶能够催化四种脱氧核糖核苷三磷酸合成DNA，所合成的DNA具有与天然DNA相同的化学结构及物理化学性质。
a．反应底物：以dATP、dGTP、dCTP和dTTP四种脱氧核糖核苷三磷酸作底物，它们不能被相应的二磷酸或一磷酸化合物及核糖核苷酸所取代。
b．引物链：一小段RNA（或DNA）为引物，在大肠杆菌中，DNA的合成需要一段RNA链作引物，引物含3′-OH。
c．DNA合成方向：5′端→3′端。
大肠杆菌DNA聚合酶
大肠杆菌中共含有五种不同的DNA聚合酶，分别称为DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ。
DNA聚合酶I
切除引物 DNA修复——切除修复
结构特征
相对分子质量103000 一条单一多肽链，多肽链中有两个二价金属离子（Mg/Zn）参与聚合反应 球体，直径=6.5nm=3*DNA 400/个 1000bp/min 速度慢，持续合成能力弱。
多功能酶 可以催化的反应
DNA聚合酶活性 3'→5'外切酶活性（校对修复）
持续合成能力低
5'→3'外切酶活性（切除引物）
酶切片段
小片段 35000
5'→3'外切酶活性
切除引物 切除嘧啶二聚体
大片段/Klenow片段 68000
所有聚合酶共同的特征
3'→5'外切酶活性 DNA聚合酶活性
双链DNA结合位点
构象改变，合成链3'端位于催化位点
聚合反应催化位点
辨别进入的底物核苷酸（选择作用）
3'→5'外切酶位点
切除聚合过程中的错配碱基（校对作用）
双重核对
DNA聚合酶II和III
DNA聚合酶II
DNA修复——重组修复
相对分子质量88000 一条单一多肽链，Mg2+和NH4+激活反应 100/个 2400bp/min，速度中等，持续合成能力中等。
无5'→3'外切酶活性
不能切除引物。
需要带有缺口的双链DNA作为模板-引物， 缺口不能过大，否则活性会降低。
DNA聚合酶III 全酶
DNA复制
10种亚基 10~20/个
异二聚体：使DNA解开的双链可以同时进行复制
核心酶
α亚基
聚合酶活性
ε亚基
3'→5'外切酶位点
θ亚基
组建核心酶
τ亚基
促使核心酶二聚化
夹子安装器 γ复合物（γδδ'ψχ）
γ亚基
依赖DNA的ATP酶活性 形成γ复合体
δ亚基
打开夹子
δ' 亚基
安装夹子
χ亚基
SSB
ψ亚基
χ γ
依赖DNA的ATP酶活性， 帮助β亚基夹住DNA以及其后卸下来。
β亚基
夹子
夹住DNA分子并向前滑动
三种dna聚合酶的性质对比
DNA聚合酶IV和V
DNA修复——易错修复
DNA受到严重损伤时，诱导产生这两种酶。 可以进行跨越损伤的合成，但会使修复缺乏准确性而出现高突变率。
无校对功能
DNA连接酶
DNA连接酶是指能催化双链DNA切口处的5′-磷酸基和3′-羟基生成磷酸二酯键的酶。连接过程如下：
① 由NAD或ATP与酶反应，形成腺苷酰化的酶（酶-AMP复合物），其中AMP的磷酸基与酶的赖氨酸的ε-氨基以磷酰胺键相连接。
② 酶将AMP转移给DNA切口处的5′-磷酸，以焦磷酸键的形式活化，形成AMP-DNA。
③ 通过相邻链的3′-OH对活化的磷原子发生亲核攻击，生成3′,5′-磷酸二酯键，同时释放出AMP。
大肠杆菌DNA连接酶
子主题
能量来源：NAD+
T4 DNA连接酶
+而且能连接无单链粘性末端的平头双链DNA
能量来源：ATP
连接反应
3',5'-磷酸二脂键
ATP→AMP+PPi
NAD+→AMP+NMN
酶-AMP复合物 Lε-磷酰胺键
DNA-AMP 活化切口的5'-磷酸基
3'-OH对活化的磷酸基团发生亲核进攻，3', 5'-磷酸二脂键，同时将AMP释放
DNA后随链的半不连续复制
概念
① DNA的半不连续复制：DNA的半不连续复制是由日本学者冈崎等提出的，当DNA复制时，一条链是连续的，另一条链是不连续的现象。
② 冈崎片段：冈崎片段是指在DNA的后随链的不连续合成期间生成的相对较短的不连续的DNA链片段。
冈崎片段
细菌 1000~2000bp，相当于一个顺反子，即基因的大小
真核生物 100~200bp，相当于核小体DNA的大小。
DNA两条链不同的复制特征
前导链：以复制叉向前移动的方向为标准，一条模板链是3′→5′走向，在其上DNA能以5′→3′方向连续合成，称为前导链。
滞后链：一条模板链是5′→3′走向，在其上DNA也是从5′→3′方向合成，与复制叉移动的方向刚好相反，随复制叉的移动，形成许多不连续的片段（冈崎片段），最后连成一条完整的DNA链，该链称为滞后链或者后随链。
为什么DNA聚合酶需要RNA引物， 之后又为什么要切掉？
高保真系统
DNA聚合酶的校对功能会核查前一个核苷酸是否处于正确配对状态 因此不能从无到有合成
RNA引物都是重新开始合成的，错配可能性很大 因此需要切除。
半不连续复制合成过程
原料
四种核糖核苷酸三磷酸
四种脱氧核糖核苷酸三磷酸
引发酶（Dna G）
催化合成RNA引物。长度通常为几个或几十个核苷酸 前导链的引物比后随链略长。
DNA聚合酶III合成冈崎片段 DNA聚合酶I切除引物和修补缺口 DNA连接酶连接
DNA复制的拓扑性质
核酸的拓扑结构：是指核酸分子结构的空间关系。在DNA的复制、重组、转录和装配等过程中都牵涉到其拓扑结构的变化。
拓扑异构酶
拓扑异构酶：拓扑异构酶是指引起拓扑异构反应的酶，在DNA重组修复和其他转变方式方面起重要作用。
类型I
与转录有关
使DNA的一条链发生断裂和再连接，反应无需供给能量。 只能消除负超螺旋 +1
类型II/ DNA旋转酶
与复制有关
DNA的两条链同时发生断裂和再连接，引入超螺旋时需要ATP提供能量。
连续引入负超螺旋 100个/min +2/次 消除复制叉前进时带来的扭曲张力，促进双链的解开
DNA解螺旋酶 ——Dna B
六聚体
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ
参与DNA复制，与DNA模板链结合后沿着DNA链5'→3'方向移动
DNA解螺旋酶通过水解ATP获得能量解开DNA两条链，每解开一对碱基，需要水解2分子ATP。
单链结合蛋白（SSB）
单链结合蛋白覆盖解开的两条单链， 稳定DNA解开的单链，
阻止复性和保护单链部分不被核酸酶降解。
协同结合是指原核生物的一个SSB蛋白与DNA结合可以促进其他SSB蛋白与相邻的单链DNA结合。
与解链相关的酶。
DNA的复制过程
复制体：
复制体是指在DNA合成的生长点（即复制叉）上分布的各种各样与复制有关的酶和蛋白质因子构成的复合物。DNA复制的阶段不同，复制体结构发生变化。
1. 复制的起始
复制起点：大肠杆菌 ori C（245bp）
DNA复制的调节
只发生在起始阶段
ori C（245bp）共有 11个4bp回文结构GATC
Dam 甲基化酶
使GATC位点 A6N甲基化
半甲基化
新复制的子链未被甲基化，半甲基化DNA不能发生复制的起始
复制后的子链复制起点的 GATC位点保持13min才会被甲基化
延迟的 可能原因
ori C 与膜结合阻碍了甲基化
3段13bp序列（富含AT）
HU
促使双链DNA弯曲
4段9bp序列
复制起点上四个9bp重复序列为DnaA蛋白的结合位点，20～40个DnaA蛋白各带一个ATP结合在此位点上，并聚集在一起，DNA缠绕其上，形成起始复合物。
起始复合物
DNA旋转酶
类型II/ DNA旋转酶
DNA呈负超螺旋状态
20~40个 Dna A-ATP
前提：DNA呈负超螺旋状态 且起点附近基因处于转录状态
四个9bp重复序列为DnaA蛋白的结合位点
20～40个DnaA蛋白各带一个ATP结合在此位点上，并聚集在一起，DNA缠绕其上，形成起始复合物。
开链复合物
HU
大肠杆菌的类组蛋白
可与DNA结合，促使双链DNA弯曲
三个成串的富含AT的13bp序列变性，成为开链复合物，所需能量由ATP供给。
引发复合物
Dna C 协助 Dna B 六聚体
DNA解螺旋酶 ——Dna B
结合于解链区，ATP 5'→3'移动，解开DNA双链
单链结合蛋白（SSB）
单链结合蛋白（SSB）
复制起始过程：
a．拓扑异构酶解开超螺旋；
b．Dna A蛋白识别并在ATP存在下结合于四个9bp的重复序列，形成起始复合物；
c．在类组蛋白HU及ATP参与下，邻近三个富含AT的13bp序列被变性，成为开链复合物；
d．Dna B（解螺旋酶）六聚体借助水解ATP产生的能量在Dna C帮助下沿DNA链5′→3′方向移动，解开DNA的双链，形成前引发复合物；
e．单链结合蛋白结合于单链；
f．引物合成酶合成RNA引物，并开始DNA的复制。
2. 复制的延伸
复制的延伸阶段前导链和滞后链的合成同时进行，二者方向相反，合成的基本反应相同（但也有差别，前导链连续合成，后随链分段合成），并且都由DNA聚合酶Ⅲ所催化。
① 前导链合成（连续进行）：
a．先由引物合成酶（Dna G蛋白）在起点处合成一段RNA引物，
前导链的引物一般比冈崎片段的引物略长，某些质粒和线粒体DNA由RNA聚合酶合成引物可以更长；
b．随后DNA聚合酶Ⅲ在引物上加入脱氧核糖核苷酸；
c．前导链的合成与复制叉的移动保持同步。
② 滞后链的合成（分段进行）：
后随链 复杂性在于如何保持与前导链步伐一致
引发体
B G构成的复制体的基本功能单位
合成RNA引物
β夹子在γ复合体的协助下将引物与模板双链夹住，带到核心酶上
开始合成冈崎片段，遇到上一个冈崎片段后停止
可能停止时RNA引物合成的信号，开始合成RNA引物
a．需要不断合成冈崎片段的RNA引物，然后由DNA聚合酶Ⅲ加入脱氧核糖核苷酸；
b．为使滞后链能与前导链被同一个DNA聚合酶Ⅲ不对称二聚体所合成，滞后链必须绕成一个突环；
c．合成冈崎片段需要DNA聚合酶Ⅲ不断与模板脱开，然后在新的位置再与模板结合。
DNA聚合酶III复合物推动DNA运动
DNA聚合酶III 全酶
3. 复制的终止
拓扑异构酶IV（类型Ⅱ）
每次作用可以使DNA两条链断开和再连接
① 细菌环状染色体的两个复制叉向前推移，最后在终止区相遇并停止复制，终止区含有多个终止子位点；
终止区 ter
多个约22bp的终止子位点
大肠杆菌 6个终止子位点 terA~F
② 大肠杆菌有6个终止子位点，与Tus-ter复合物结合，够阻止一个方向的复制叉前移；
Tus-ter复合物
阻止一个方向的复制叉前移；
③ 两个复制叉在终止区相遇而停止复制，复制体解体。
复制体解体
两条亲代链解开，50bp~100bp未复制区域以修复的方式填补
此时两环状染色体相互缠绕称为连锁体。
真核生物DNA的复制
（1）真核生物的DNA复制的起始与原核生物基本相似。
① 主要5种组蛋白：即H1、H2A、H2B、H3和H4；核小体的核心为H2A、H2B、H3和H4各两分子组成的八聚体。
② 真核生物复制起始点比原核生物短， DNA的复制速度比原核生物慢。
多复制起点
自主复制序列（ARS）/复制基因
约150bp，含有几个基本的保守序列
起始——起点识别复合物（ORC）
6个蛋白质，相对分子质量400 000，与DNA结合 ATP
复制子长度30~200kb 400个复制基因
真核DNA的复制速度
复制叉的移动速度相差20~50倍
但复制子只有细菌的几十分之一
复制所需的时间与细菌在同一量级
③ 真核生物染色体在全部复制完成之前起点不再重新开始复制；而在快速生长的原核生物中，起点可以连续发动复制。真核生物在快速生长时，往往采用更多的复制起点。
④ 真核生物有多种DNA聚合酶，其基本性质和细菌DNA聚合酶的相同。具体如下：
哺乳动物的DNA聚合酶
哺乳动物的DNA聚合酶
多达15种 主要5种DNA聚合酶
DNA聚合酶α(I)
定位：细胞核
亚基数目：4
引物合成酶活性：有
持续合成能力：低
抑制剂：蚜肠霉素
功能：引物合成
DNA聚合酶β(IV)
定位：细胞核
亚基数目：1
持续合成能力：低
抑制剂：双脱氧TTP
功能：修复
DNA聚合酶γ(M)
线粒体
定位：线粒体
亚基数目：2
外切酶活性：3'→5'外切酶
持续合成能力：高
抑制剂：双脱氧TTP
功能：线粒体DNA复制和修复
DNA聚合酶δ(Ⅲ)
定位：细胞核
亚基数目：4
外切酶活性：3'→5'外切酶
持续合成能力：有PCNA时高
抑制剂：蚜肠霉素
功能：核DNA复制和修复
DNA聚合酶ε(II)
定位：细胞核
亚基数目：4
外切酶活性：3'→5'外切酶
持续合成能力：高
抑制剂：蚜肠霉素
功能：核DNA修复
*酵母相应DNA聚合酶以括弧内罗马数字和M表示。
真核生物复制的延长发生 DNA聚合酶α/δ转换。
① DNA聚合酶α和DNA聚合酶δ共同完成细胞核染色体的复制。DNA聚合酶δ为复制酶，在增殖细胞核抗原（PCNA）存在下有持续的合成能力。
② DNA聚合酶ε是一种修复酶（相当于细菌的DNA聚合酶I），参与DNA的修补合成，并存在复制叉用以取代滞后链冈崎片段的引物。
③ RP-A是真核生物的单链DNA结合蛋白，相当于大肠杆菌的SSB蛋白。
④ RF-C是夹子装置器，相当于大肠杆菌的γ复合物，帮助PCNA因子安装到双链上以及拆下来，促进复制体的装配。
端粒——解决线性DNA末端复制的问题
端粒：真核生物线性染色体末端的特殊结构，由许多成串短的重复序列所组成。
端粒的两条链
富含C的AC链
亲代前导链
新合成的子链3’端
端粒酶会补充子代TG链使3'端延长
富含G的TG链，较长，形成3'单链末端
亲代后随链
新合成的子链5'端由于引物的切除会变短 母链的3'单链末端可回折作为引物合成互补链
端粒的作用及特点：
稳定染色体末端结构，防止染色体间末端连接，补偿后随链5'端消除引物造成的空缺。
端粒酶
结构
逆转录酶活性
携带的RNA链（富含C的AC链）
AACCCCAAC
功能
可结合在端粒的3'端，使其TG链延长，以保持端粒的长度。
端粒缩短的后果
端粒酶活性低时，端粒会因不断DNA的不断复制而逐渐缩短。 直至达到一个临界长度，此时细胞会进入复制性衰老状态，最终失去分裂能力并死亡。
二、DNA的损伤修复
DNA的损伤
DNA的损伤是指DNA的正常双螺旋结构遭到破坏。
（1）DNA损伤的原因及部位：
① DNA损伤的原因可能细胞内外各种是生物因素、物理因素和化学因素。
② 受到破坏的部位可能是DNA的碱基、糖或是磷酸二酯键。
（2）DNA损伤的修复系统：错配修复、直接修复、切除修复、重组修复和易错修复。
DNA损伤修复系统
（1） 错配修复
置换、缺失、重复
错配修复是指在含有错配碱基的DNA分子中，使正常核苷酸序列恢复的修复方式。细胞错配修复系统能识别出正确的链，切除掉不正确链的部分，然后通过DNA聚合酶和DNA连接酶的作用，合成正确配对的双链DNA。
功能缺陷所造成的 病例
HNPCC/Lynch 综合征
遗传性非息肉结肠直肠癌
相关基因
hMSH2, hMLH1
一般过程
区分新旧链
复制后半甲基化DNA，GATC序列的A6N未甲基化的链为新链。
一旦发现错配碱基，随即将未甲基化的链的一段核苷酸切除，
以甲基化链为模板进行修复合成
大肠杆菌 错配修复机制
参与蛋白 至少12种
切除的链长达1000bp以上
mut基因编码蛋白
Mut S 二聚体
识别并结合在DNA的错配碱基部位
Mut L二聚体 与S结合为复合体，Mut SL
水解ATP沿着DNA移动，期间DNA形成突环
找到GATC序列后终止
Mut H内切核酸酶 结合在Mut SL上
在未甲基化链GATC位点的5'端切开
若切开处位于错配碱基的3'端
3'→5'核酸外切酶切除核酸链
外切核酸酶Ⅰ/Ⅹ
若切开处位于错配碱基的5'端
5'→3'核酸外切酶切除核酸链
外切核酸酶Ⅶ/Rec J
解旋酶Ⅱ和SSB，帮助链的解开
DNA聚合酶Ⅲ和DNA连接酶，负责链的合成和连接
真核生物 错配修复机制
MSH、MLH
Mut S、Mut S同源蛋白 homolog
MSH可与夹子相互作用，随着复制过程检查错配 一旦发现错配即从新合成的链上加以切除。
前导链
自3'端生长点切除核苷酸
后随链
冈崎片段的断开出就相当于切口
无Mut H同源蛋白
不依靠半甲基化的GATC序列区分新旧链
（2） 直接修复
胸腺嘧啶二聚体：
经紫外线照射能够使DNA分子中同一条链的两相邻胸腺嘧啶碱基间形成二聚体（TT最多），此二聚体由两个胸腺嘧啶碱基以共价键联结成环丁烷的结构形成。
影响DNA的双螺旋结构 使复制和转录受到阻碍
修复种类
光修复/光复活修复
在生物界广泛存在，尤其是植物 哺乳类没有
可见光（有效波长400nm左右） 激活光修复酶
分解嘧啶二聚体
暗修复
高等的哺乳类重要
暗修复先切除含嘧啶二聚体的核酸链，然后再修复合成。对高等动物很重要。
切除修复
核苷酸切除修复
O^6-甲基鸟嘌呤的修复
碱基烷基化，碱基配对性质改变。
DNA甲基转移酶
将甲基转移到自身的半胱氨酸残基上，失活成为其他基因的活化物
复制前损伤部位的修复
当在转录的过程中，RNA聚合酶遇到模板链的损伤部位，将无法识别而停止转录， 此时可招致核苷酸切除酶系统进行修复，称为转录偶联的修复
（3） 切除修复
最为普遍和最有效的修复方式
切除修复又称复制前修复（发生在DNA复制之前），是指在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤部分切除掉，并以完整的那一条链为模板，合成出切去的部分，然后使DNA恢复正常结构的过程。
功能缺陷所造成的 病例
着色性干皮病
日光或紫外线敏感，容易出现皮肤癌。
基因
XP
转录偶联的修复：在转录过程中，RNA聚合酶遇到模板链的损伤部位，将无法识别而停止转录，此时可导致核苷酸切除酶系统进行修复。
RNA聚合酶
过程
1||| 细胞特异的酶找到DNA损伤部位， 切除含有损伤结构的核酸链
碱基切除修复
DNA糖基化酶
识别DNA中不正常碱基，水解糖与其的连接键。
切除碱基后的位点称为AP位
AP内切酶，将DNA链断开
外切酶切除含有AP位的DNA链
核苷酸切除修复
核酸内切酶
损伤部位的两端同时切开
核酸外切酶
2||| 以另一条完整的链为模板，修复合成并连接
DNA聚合酶I
DNA连接酶
（4） 重组修复
重组修复又称复制前修复（发生在复制之前），是指遗传信息有缺损的子代DNA分子可通过遗传重组而加以弥补，即从同源DNA的母链上将相应核苷酸序列片段移至子链缺口处，然后用再合成的序列来补上母链的空缺的过程。
未去除母链的DNA损伤部位
功能缺陷所造成的 病例
乳腺癌
基因
Brca 1和Brca 2
编码的蛋白与重组蛋白质Rad 51相作用
修复机制
重组有关的酶
重组基因rec A
编码蛋白具有交换DNA链的活力
基因rec BCD
多功能酶Rec BCD
具有解旋酶、核酸酶和ATP酶活性
修复合成有关的酶
复制过程中遇到损伤部位
DNA发动复制时复制叉遇到损伤部位，无法通过碱基配对合成子链，会跳过损伤部位，在下一个冈崎片段起始位置或前导链的相应位置重新合成引物和DNA链。 此时子链会在在损伤的对应处留下缺口。
（5） 应急反应和易错修复
需诱导发生
当DNA损伤严重时，细胞抑制复制 并产生一系列复杂的诱导反应，称为SOS反应
诱导诱变效应
SOS反应诱导的 修复系统：
避免差错的修复
SOS反应能够进行DNA修复，诱导切除修复和重组修复中某些关键酶和蛋白质的产生，增强切除修复和重组修复的能力。
DNA聚合酶Ⅰ和Ⅲ
易错修复
SOS反应还能诱导产生缺乏校对功能的DNA聚合酶，能在DNA损伤部位进行复制而避免了死亡，但带来了高的变异率。
DNA聚合酶IV和V
诱导细胞分裂的抑制
避免产生无DNA的细胞 使细胞有更多进行重组修复的机会
诱导溶原性细菌释放噬菌体
属于噬菌体的应急反应
反应机理
Lex A
基因阻遏蛋白
自我分解可使一系列基因表达
各种被Lex A阻隔的其他靶基因
表达各种修复相关产物
lex A基因
表达，但产物会自分解
rec A基因
促进Lex A自身的蛋白水解酶活性
Rec A
辅蛋白酶
会被单链DNA和ATP激活
促进Lex A自身的蛋白水解酶活性
三、DNA的突变
引发突变的因素
DNA重组、病毒基因的整合
不同DNA分子之间的交换重组，会产生突变
物理化学因子
紫外线、电离辐射
化学诱变剂
导致DNA损伤和错配
当损伤和错配得不到修复或发生易错修复时，会产生突变。
突变的类型
DNA突变是指DNA核苷酸序列的改变，突变导致DNA的复制及转录和翻译产物随之发生变化，出现异常的遗传特性。包括由于DNA损伤和错配得不到修复而引起的突变，以及遗传重组。
突变类型如下：
（1） 碱基对的置换
碱基对的置换又称点突变，是指DNA错配碱基在复制后被固定下来，由原来的一个碱基对被另一碱基对所取代的突变。
碱基对置换的类型
置换，发生嘌呤与嘌呤、嘧啶与嘧啶的转换
常见
颠换，发生嘌呤与嘧啶之间的转换
引起的突变
同义突变/沉默突变
由于密码子兼并性，虽核苷酸序列改变，但氨基酸序列未改变
错义突变
密码子改变导致一个氨基酸残基被替换为另一个氨基酸残基
无义突变
氨基酸密码子变为终止密码，导致翻译提前结束而常使产物失活。
（2） 移码突变
移码突变是指由于一个或多个非三整倍数的核苷酸对插入或缺失，而使编码区该位点后的三联体密码子阅读框架改变，导致后向氨基酸都发生错误。通常该基因产物会完全失活，若出现终止密码子则使翻译提前结束。
由于非三整数的插入或缺失
编码区该位点后的氨基酸都发生错误，出现终止密码则会使翻译提前结束而常使产物失活。
（3） 大片段的缺失和重复
诱变剂的作用
（1）相关定义：
① 自发突变是指在自然条件下发生的突变，突变率非常低。
② 诱变剂是指能够提高突变率的物理或化学因子。
诱变剂的分类
碱基类似物（碱基置换）
掺入会与互补链碱基配对，由于易发生互变异构，导致复制时可能会跟其他碱基配对。
5-溴尿嘧啶（BU）
k A e G
2-氨基嘌呤（AP）
a T i C
碱基的修饰剂（碱基置换）
通过对碱基的修饰，改变其配对性质。
羟胺
4-羟胺胞嘧啶与腺嘌呤配对
烷化剂
使碱基的氮原子烷基化
嵌入染料（移码突变）
撑大碱基之间的距离
溴化乙锭
诱变剂和致癌剂的检测
（1）细胞癌变：细胞癌变与修复机制的受损坏以及突变率的提高有关。
（2）检测方法：
① Ames试验：通过鼠伤寒沙门氏杆菌的营养缺陷型菌株的恢复突变检测诱变剂。
② 根据SOS反应可引起溶原菌释放噬菌体的方法检测致癌剂。
DNA重组
概述
遗传重组
遗传重组又称基因重排，是指DNA分子内或分子间发生遗传信息的重新组合。
重组的意义
能够迅速增加群体的遗传多样性 能够使有利突变与不利突变分开 通过优化组合积累有意义的遗传信息 为 DNA 损伤或复制障碍提供修复机制 基因表达受 DNA 重组的调节 生物发育过程也受到基因加工的控制
三种重组方式
一、 同源重组
概念
同源重组又称一般性重组，是指由两条同源区的DNA分子，通过配对、链的断裂和再连接而产生片段交换的过程，是最基本的重组方式。
Holliday模型 及其修正
模型的关键步骤
Holliday模型能够较好的解释同源重组现象，其关键步骤有：
（1）两个同源染色体DNA整齐排列。
（2）一个DNA的一条链裂断并与另一个DNA对应的链连接，形成的连接分子，即为Holliday中间体。
（3）通过分支移动产生异源双链DNA。
（4）Holliday中间体切开并修复，形成两个双链重组体DNA。切开的方式不同，所得到的重组产物也不同。重组产物分类如下表：
表31-1 重组产物的分类
细菌的基因转移和重组
细菌基因转移主要的四种机制
接合
接合作用
接合质粒
F质粒
转化
转导
普遍性转导
局限性转导
细胞融合
细菌可以通过多种途径进行细胞间的转移，并且可以通过基因重组适应变化的环境。细菌的基因转移机制与进入受体细胞的外源基因的结果如下所示。
（1）细菌的接合作用：
① 接合作用：
接合作用是指细菌的细胞相互接触时遗传信息由一个细胞转移到另一个细胞。供体细胞被定义为雄性，受体细胞为雌性。
② 致育因子：
致育因子又称性因子或F因子，是指能够促使染色体基因转移的接合质粒。研究得最多、最清楚的接合质粒是大肠杆菌F质粒（F因子）。
③ 性导：
性导是指细胞基因通过接合而转移的过程。
④ Hfr菌株：
Hfr菌株是指整合F因子后具有较高频率重组的大肠杆菌菌株。
（2）细菌的遗传转化：
① 遗传转化是指细菌品系由于吸收了外源DNA（转化因子）而发生遗传性状改变的现象。
② 很多细菌在自然条件下就具有吸收外源DNA的能力（如固氮菌、链球菌、芽孢杆菌、奈氏球菌及嗜血杆菌等）；有些细菌在自然条件下不发生转化或转化效率很低，但在实验室中可以人工促使转化（如大肠杆菌，用高浓度Ca2＋处理，可诱导细胞成为感受态）。
（3）细菌的转导：
转导是指通过噬菌体将细菌基因从供体转移到受体细胞的过程。分类如下表：
表31-2 细菌转导的分类
（4）细菌的细胞融合
细菌的细胞融合是指在有些细菌的种属中可发生由细胞质膜融合导致的基因转移和重组的现象。
进入受体细胞的外源基因的四种结果
降解
暂时保留
与内源基因发生置换
发生整合
重组有关的酶
Rec A
（1）Rec A蛋白：
① 在大肠杆菌中，最关键的步骤是Rec A蛋白参与的重组。
② 作用过程：
a．Rec A与DNA单链结合成复合物。
b．复合物与双链DNA作用寻找与单链互补的序列。
c．入侵单链与双链中的互补链配对，同源链被置换出来。交换沿单链5′→3′方向进行，直至交换终止，由Rec A水解
ATP提供能量。
Rec F, Rec O, Rec R
Rec BCD
（2）Rec BCD酶：
Rec BCD酶是产生参与重组的DNA单链主要途径。该酶的亚基分别由基因编码。
① Rec BCD酶具有三种酶活性
② 作用过程：
DNA分子断裂时，Rec BCD酶即结合在其游离端，使DNA双链解旋并降解，ATP水解提供解旋所需能量至酶移动到chi位点
（5′GCTGGTGG3′），在其3′侧4～6个核苷酸处将链切开，产生具有3′末端的游离单链。随后单链可参与重组。
Ruv A, Ruv B, Ruv C
（3）Ruv A和Ruv B蛋白的作用如下表：
表31-3 Ruv A和Ruv B蛋白的作用
（4）Ruv C蛋白：
Ruv C是一种核酸内切酶，特异识别Holliday联结体并将其切开，并决定结果是片段重组还是拼接重组。并由DNA聚合
酶和DNA连接酶进行修复合成。
二、 特异位点重组
概念
特异位点重组发生在特定位点内，并有特异的酶（重组酶）参与作用。
作用
某些基因表达的调节
发育过程中程序性DNA重排
有些病毒和质粒DNA的整合与切除
特异性位点重组的结果依赖于重组位点的位置和方向
λ噬菌体DNA的整合与切除
（1）λ噬菌体DNA的整合：
λ噬菌体的λ整合酶识别噬菌体和宿主染色体的特定位点，需整合宿主因子（IHF）协助，而后发生选择性整合。整合过程不需ATP提供能量。
（2）λ噬菌体DNA的切除：
在切除反应中，需要将原噬菌体两侧附着位点联结到一起，需Int、IHF和噬菌体编码的Xis蛋白参与作用。
细菌的特异位点重组
鞭毛相转变是指从单菌落的沙门氏菌中经常能出现少数呈另一H抗原的细菌细胞的现象。这种抗原相位的改变是由H片段发生倒位所决定。H片段的两端为14bp特异重组位点（hix），其方向相反，发生重组后可使H片段倒位。
鼠伤寒沙门氏杆菌由鞭毛蛋白决定的H抗原有两种，分别为为H1鞭毛蛋白和H2鞭毛蛋白。
免疫球蛋白基因的重排
（1）定义：
免疫球蛋白基因的重排是指淋巴细胞发育中免疫球蛋白可变区基因片段经重组而形成完整可变区序列的过程。
免疫球蛋白（Ig）及其 相关基因家族
两条轻链（IgL）
决定轻链的基因家族片段的排列（两个独立的基因家族，κ链和λ链） L，V，J，C
L：前导片段 V：可变片段
J：连接片段 C：恒定片段
两条重链（IgH）
决定重链的基因家族片段的排列（一个独立的基因家族，H链） L，V，D，J，C
D：多样性片段，决定抗体的效应功能，即抗体的类型和亚类型 J和C片段之间有增强子
体细胞重排机制
分化为成熟的淋巴B
第一次重排
前B细胞
① 首先是重链的基因参与重排，称为V-D-J连接。接着是轻链κ链基因重排，形成V-J复合体。只有κ链基因重排失败，才发动λ链基因重排。
a．等位基因排斥：是指两个等位基因中只发生一个等位基因重排。二者之中何者重排是随机的，但只要一个等位基因发生重排，另一等位基因即受到抑制，不再发生重排。
b．同型性排斥：轻链基因重排表现出此特性，即κ链和λ链基因只有一种轻链基因发生重排。
V-J重排
V-D-J重排
重组信号序列
回文七核苷酸
与基因相连
固定长度的间隔序列
12-23规则
富含A的九核苷酸
重组酶
子主题
第二次重排
② 在成熟B细胞经抗原刺激后发生第二次重排，这次重排出现重链基因改变恒定区，即类型转换，其抗原特异性不变。
三、 转座重组 （图来源：CRISPR-Cas系统电镜图）
细菌的转座因子
插入序列(IS)
转座子
组合因子/组合型转座子
复合因子/复合型转座子
转座过程与效应
真核生物的转座因子
相似
差异
控制因子的系统
解离-激活系统（Ac-Ds）
抑制-促进-增变系统（Spm）
斑点系统（Dt）
果蝇的P因子不育
转座因子又称转座子，是指一种可以由染色体的一个位置转移到另外位置的遗传因子，即一段可以发生转座的DNA。
1 细菌的转座因子
（1）插入序列（IS）：
插入序列是最小的转座因子，除转座所需基因外不携带任何标记基因。所有插入序列的两端都有反向重复，转座酶识别需要反向重复。重复序列有时只是类似，并非完全相同。
（2）转座子（Tn）：
① 转座子的两个功能：编码转座功能有关的基因；携带抗性或其他标记基因。
② 转座子的类型：
表31-4 转座子按其结构分类
（3）转座过程与效应：
① 转座过程：
转座过程通过借助转座酶将转座子两末端切开两条单链，并将靶位点交错切开两条单链，使二者连接。两种转座过程如
下表：
表31-5 非复制转座和复制转座的过程
② 转座因子：
a．转座作用最直接的效应——转座因子插入基因使基因突变失活。
b．转座因子具有极性，即方向性，影响到邻近基因的表达。
c．转座因子会引起宿主染色体DNA重组，造成染色体断裂、重复、缺失、倒位及易位等，是基因突变和重排的重要原因。
d．转座因子也可通过干扰宿主基因与其调控元件之间的关系或转座因子本身的作用而影响邻近基因的表达，从而改变宿主的表型。
2 真核生物的转座因子
（1）真核生物的转座因子与原核生物转座因子的比较如下表所示：
表31-6 真核生物的转座因子与原核生物转座因子的比较
（2）玉米中控制因子系统：
① 激活-解离系统：
② 抑制-促进-增变系统（Spm-dSpm）：
Spm-dSpm因子插入新的位点可使靶位点基因被抑制，或被促进，决定于插入在基因外显子中还是在基因附近位置
RNA的生物合成和加工
前言
在DNA指导下，以DNA的一条链为模板在RNA聚合酶的催化下，以4种核糖核苷三磷酸（NTP）为底物，按照碱基互补配对原则，形成一条与DNA链一定区域互补的RNA链的过程称为转录。
转录单位
转录起始到终止过程发生的区域 可以是一个基因也可以是多个基因。
基因的转录选择性
不同的生长发育阶段 细胞内外条件的改变
会有不同基因的转录。
反义链和有义链
（1）模板链是指用于转录的链，又称负链（－链），为非编码链，也称反义链。
（2）编码链是指与模板链互补的链，与mRNA序列相同，即正链（＋链），为非模板链，也称有义链。
DNA指导下的RNA的合成 ——转录
常染色体
RNA聚合酶
DNA指导的RNA聚合酶的作用特点：
（1）RNA聚合酶以4种核糖核苷三磷酸为底物，DNA为模板，Mg2＋促进聚合反应。
（2）RNA聚合酶无需引物，直接在模板上合成RNA链，RNA链的合成方向是5′→3′。
（3）反应是可逆的，焦磷酸的分解可推动反应趋向聚合。
（4）RNA聚合酶无校对功能。
DNA两条链
体外可两条链同时转录
体内只能一条链
模板链 / 负链 / (-)链
用于转录的链
编码链 / 正链 / (+)链
与形成的RNA序列一致，用于翻译的链
大肠杆菌RNA聚合酶全酶
五种亚基
σ亚基/ σ因子
识别启动子 促进转录的起始
σ因子与其他肽链结合不很牢固，当σ因子脱离全酶后，剩下的α2ββ′ω称核心酶。
核心酶（α2ββ'ω）
RNA链延长
核心酶只能使已经开始合成的RNA链延长，不具有起始合成RNA的功能，转录的起始需要全酶，即需要σ因子（起始因子）。
2α
参与全酶的组装; 参与 RNA 聚合酶与一些调控因子间的作用
β
结合核苷酸底物， 催化磷酸二酯键的形成
β'
负责与模板 DNA 结合
催化中心
ω
组建、调节
RNA聚合酶与DNA的结合
亚基的结合 不同的 σ因子识别不同的启动子
一般基因
σ_70
特殊基因
其他σ因子
单独核心酶的结合
可通过扩散与DNA的任意部位结合，这种结合疏松可逆
校对机制
聚合的逆反应
熄火后退，切除一段RNA后继续转录
大肠杆菌的RNA聚合酶催化的转录过程
起始阶段
识别和结合：RNA聚合酶在σ亚基的引导下识别并结合在启动子上。
启动子的-10和-35区由σ亚基识别
上游序列则是由α亚基识别
形成转录复合物：全酶与DNA形成闭合型复合物， 然后DNA构象改变活化，转化为开放型复合物
DNA双链被局部解开，形成转录泡
β亚基夹住DNA直至转录结束 σ亚基离开DNA入口，方便DNA移动
特征
第一个核苷酸通常为嘌呤核苷酸（A，G）
流产起始，最初产生不超过10个核苷酸的RNA链即被释放，也许是转录前的试探。
σ亚基脱离，后者离开启动子，起始阶段结束。
延伸阶段
核心酶沿DNA分子向前移动，解链区随之移动，新生RNA链得以不断生长，并与DNA模板链在解链区形成RNA-DNA杂交体。
转录受阻，核心酶的移动停止， 此种情况称为熄火。
排除受阻因素后，核心酶为恢复转录会后退若干个核苷酸， 在辅助因子的帮助下切掉一段RNA后继续生长。
终止阶段
RNA聚合酶在终止Nus A因子（亚基）帮助下识别转录终止信号，停止RNA链的延长，酶与RNA链离开模板，RNA-DNA杂合物分离，转录泡瓦解，DNA恢复双螺旋结构。
真核生物RNA聚合酶种类和性质
真核生物的转录
真核生物各类RNA聚合酶 功能特性
RNA聚合酶I
转录45SrRNA前体,经加工产生5.8SrRNA、18SrRNA和28SrRNA。
对α-鹅膏蕈碱不敏感
RNA聚合酶II
转录所有编码蛋白质的基因和大多数核内小RNA
对α-鹅膏蕈碱敏感
RNA聚合酶III
转录小RNA的基因,包括tRNA、5S rRNA、U6 snRNA和 scRNA
对α-鹅膏蕈碱中等敏感
真核生物与原核生物转录过程中的区别
时序性
有严格的时序性 转录和翻译在时间和空间上是彼此分开的过程
无时序性 转录和翻译几乎同时进行 边转录边翻译
转录产物类型
单顺反子mRNA
多顺反子mRNA
识别启动子的方式
转录因子
真核生物RNA聚合酶自身不能识别和结合到启动子上， 而需要在启动子上由转录因子和RNA聚合酶装配成活性转录复合物才能起始转录。
没有σ 因子对应物，必须借助各种转录因子才能选择和结合到启动子上。
RNA聚合酶本身
转录后加工
复杂加工过程
几乎无加工过程
？
线粒体和叶绿体RNA聚合酶
结构简单，类似于细菌的RNA聚合酶，能催化所有RNA的生物合成。
启动子和转录因子
启动子和转录因子
（1）启动子：
① 原核生物的启动子如下表：
原核生物启动子 信号序列—— 启动子共有序列
② 真核生物的启动子：真核生物有三种RNA聚合酶：RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶Ⅱ和RNA聚合酶Ⅲ，与之对应的有三种启动子。
真核生物三类酶分别 对应的三类启动子
（2）转录因子（TF）：
转录因子是指RNA聚合酶起始转录需要的辅助因子（蛋白质）。
这类调节蛋白能作用或是识别DNA的顺式作用位点、识别其他因子或是识别RNA聚合酶，通过DNA-蛋白质相互作用而调节转录活性，并决定不同基因的时间空间的特异性表达。
（3）顺式作用元件：
顺式作用元件是DNA分子中，位于基因两端（）具有转录调节功能的特异DNA序列。包括启动子、增强子、调控序列和可诱导元件等，参与基因表达的调控。
顺式作用元件本身不编码任何蛋白质，仅提供一个作用位点，与反式作用因子相互作用而起作用。
（4）反式作用因子：
反式作用因子是参与基因表达调控的因子，能结合在各类顺式作用元件核心序列上参与调控靶基因转录效率的蛋白质或RNA。
确定启动子的核心序列 的方法
足迹法
子主题
DNA测序法
转录单位序列的书写
RNA链
DNA的有义链/(+)链
5'→3'方向
起点左侧为上游，为-，起点前一个为-1
起点后为下游，即转录区
转录单位的起点（A/G）核苷酸为+1，由近向远计数。
原核生物启动子 信号序列—— 启动子共有序列
最短12bp，不一定连续
-10序列 / Pribnow框 TATA框
富含AT
TATAAT（80、95、45、60、50、96）
有助于DNA局部双链解开
-35序列 / 识别区
TTGACA（82、84、78、65、54、45）
提供了RNA聚合酶识别的信号
真核生物三类酶分别 对应的三类启动子
启动子由转录因子识别，多种转录因子和RNA聚合酶在起点形成起始复合物
类别Ⅰ启动子
类型Ⅰ启动子：由RNA聚合酶Ⅰ进行转录，富含G-C区域，控制rRNA前体基因转录。它包括转录起点附近的核心启动子和上游控制元件（UCE）。
由两个部分保守序列组成 都富含GC
核心启动子
-45 +20
上游控制元件（UCE）
-180 -107
两种转录因子参与
UBF1
SL1
定位
类别Ⅱ启动子
启动子序列多种多样，由各种顺式作用元件组合而成， 分散在起点上游200bp的范围内
类型Ⅱ启动子：类型Ⅱ启动子涉及众多编码蛋白质的基因表达的调控，该类型启动子包含五类控制元件。
五类控制单元
基本启动子
与RNA聚合酶的定位有关，DNA链由此解开并决定转录的起点位置。 该序列缺失转录，将在许多位点上开始。
是RNA聚合酶Ⅱ和通用因子形成前起始复合物的主要装配点
TATA框
基本启动子序列 -25 -30 7bp保守区
TATA(AT)A(AT)
82、97、93、85（63、37）82（60、37）
起始子
位于转录起始位点的一段保守序列。
Py为嘌呤碱，N为任意碱基，A为转录起点
核心启动子 能够准确进行转录的最小序列元件
二者均无，则通过 结合于上游元件上的激活因子 介导并装配起始复合物。
上游元件
位于转录区上游的调控序列。
CAAT框
CTF家族成员
GC框
Sp1
八聚体框
Oct
帮助形成起始复合物 稳定其与启动子的结合 提高转录活性
下游元件
位于转录区下游游的调控序列。
应答元件
位于基因上与被转录因子识别和结合，从而调控基因专一性性表达的DNA 序列
如：热激应答元件(HSE)
转录因子
通用转录因子（GTF） 作用于基本启动子上的辅助因子
TFⅡX
基本启动子
上游因子/转录辅助因子 识别上游元件的转录调节因子
CTF家族成员
CAAT框框
Sp1
GC框
Oct
八聚体框
需要中介复合物介导 才能作用于RNA聚合酶
可诱导因子
应答元件
类别Ⅲ启动子
类型Ⅲ启动子：类别Ⅲ启动子为RNA聚合酶Ⅲ所识别，涉及一些小分子RNA的转录。
除snRNA基因，其他基因的启动子位于基因内部
5S rRNA基因启动子
+55 +80 boxA 中间元件 boxC
3种转录因子
TFⅢA、TFⅢC
装配因子
TFⅢB
起始因子
链的延伸和延伸因子
原核生物延伸依赖于RNA聚合酶
亚基脱落，Nus亚基取代
α亚基C端结域（CTD）为细长柔性结构，可直接与DNA接触，可能在酶移动中起重要作用。
真核生物除了酶含有诸多延伸因子参与作用， 延伸因子的功能主要是阻止转录的暂停和终止。
RNA聚合酶Ⅱ的最大亚基 RBP1的CTD
含有许多七氨基酸（YSPTSPS）重复序列
Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro--Ser
背
酵母27个
小鼠和人52个
CTD磷酸化，聚合酶离开启动子，并 与诸多延伸因子和酶结合，转录进入延伸阶段
转录结束后，延伸因子解离CTD去磷酸化 在终止因子的帮助下转录终止。
终止子和终止因子
提供转录停止信号的DNA序列称为终止子 协助RNA聚合酶识别终止信号的辅助因子则称为终止因子
终止信号位于已转录的序列中
有些终止子的作用可被特异的因子所阻止，使酶得以越过终止子继续转录，这称为通读。
抗终止因子
大肠杆菌存在的两类终止子
当RNA聚合酶的核心酶沿模板3′→5′方向移动到终止信号区域时转录终止，提供终止信号的DNA序列称终止子。转录终止机制分两类：不依赖ρ因子的转录终止和依赖ρ因子的转录终止。
简单终止子/内在终止子/不依赖于rho(ρ) 的终止子
该方式是原核生物的主要终止方式。其中又包括两种终止机制。
DNA(+)链的3′端附近有 富含G-C碱基的回文结构， 随后紧密相连的是polyT
（1） 以这段终止信号， 转录出的RNA即形成具有茎环的发夹结构，该结构会影响RNA-DNA杂合分子的稳定性。
（2） 发夹结构的3′端含有一系列U核苷酸（约6个）
寡聚U可以提供引起转录停顿的信号，使RNA聚合酶脱离模板。
rU-dA碱基配对比较弱，酶暂停后RNA-DNA杂交分子可解开。
依赖于rho(ρ) 的终止子
ρ因子具有催化NTP水解的能力，促进新生RNA链释放。该机制在噬菌体中广泛存在。
C含量高，可能有短的回文结构，无寡聚U
rho(ρ) 因子
六聚体
依赖于RNA的ATPase活性
移动
RNA-DNA解旋酶活性
解离
与新转录产生的RNA结合，并沿RNA链移动
RNA聚合酶遇到终止子暂停， 追上酶后与之发生作用，使酶从DNA上脱落。
抗终止作用：
Nus A因子是终止因子，与RNA聚合酶的核心酶结合，由Nus A识别终止子序列，促进RNA聚合酶在终止子位置上的停顿，提高终止效率。
Nus 因子
N蛋白的抗终止作用
前早期的基因产物
发生通读
Q蛋白的抗终止作用
后早期的基因产物
真核生物转录的终止过程了解甚少
酶Ⅱ的产物是在3'端切断，然后腺苷酸化，并无终止作用
ⅠⅡ末端有2~4个U，可能其附近序列于终止有关。
转录的调节控制
时序调控和适应调控
（1）时序调控是指在细胞的生长、发育和分化过程中，遗传信息的表达可按一定时间顺序发生变化。
（2）适应调控是指在细胞的生长、发育和分化过程中，随着细胞内外环境条件的改变而加以调整。
大肠杆菌操纵子结构模型
操纵子是细菌基因表达和调控的单位，包括结构基因、调节基因和由调节基因产物所识别的控制序列。当调节基因的产物阻遏蛋白与操纵基因结合后，即可阻止邻近启动子的起始转录，起到基因表达的调控作用。
衰减子
衰减子是指原核生物的操纵子中可以明显衰减乃至终止转录作用的一段核苷酸序列，位于操纵子的上游。
增强子
增强子主要存在于真核生物的基因组中， 是一类顺式作用元件，能极大促进启动子的转录活性。 增强子的特点包括以下几方面：
（1）能在很远距离对启动子产生影响；
（2）无论位于启动子上游或是下游都能发挥作用；
（3）其功能与序列取向无关；
（4）无生物种属特异性；
（5）受发育和分化的影响。
标注
真核生物的转录调节
（1）真核生物的转录调节 与原核生物的差别：
① 原核生物功能相关的基因常组织在一起构成操纵子，真核生物不组成操纵子。
② 原核生物只有少数种类的调节元件，真核生物有为数众多的上游调节元件。
③ 原核生物与真核生物，转录受反式调节因子（转录激活因子或抑制因子）所调节，原核生物常以负调节为主，真核生物以正调节为主。
④ 真核生物基因活化首先需要改变染色质的状态，使转录因子能够接触启动子DNA。染色质水平的调节在原核生物中不存在。
（2）上游调节元件：
上游调节元件包括激活因子和阻遏因子，属于反式作用因子，与顺式元件中的上游激活序列元件、应答元件、增强子和沉默子等特异地结合，对真核生物的转录分别起促进和阻遏作用。上游调节因子含有三个结构域： DNA结合结构域、转录激活结构域和二聚化结构域。
RNA生物合成的抑制剂
RNA生物合成的抑制剂根据其作用性质的不同可分为三类。
嘌呤和嘧啶类似物
DNA模板功能的抑制物
RNA聚合酶的抑制物
二、RNA的转录后加工
真核：核仁
原初转录物经过一系列变化 RNA的成熟/转录后加工
RNA的成熟即转录后加工，是指由RNA聚合酶合成的原初转录物需要经过一系列的变化，包括链的裂解、5′端与3′端的切除和特殊结构的形成、核苷的修饰和糖苷键的改变、以及拼接和编辑等过程。
加工过程
链的裂解
核酸内切酶
5'端与3'端的切除
核酸外切酶
末端特殊结构的形成
核苷的修饰
甲基化酶
子主题
糖苷键的改变
剪接和编辑
稳定的RNA经过一系列加工才能成为有活性的分子
真核生物 转录与翻译在时间和空间上被分隔开
真核生物大多数基因是不连续的， 被居间序列（内含子）所分割，而称为断裂基因。
内含子
长度变化大，一般在50~20000nt 最长>100000nt
较高等生物有更多的内含子序列
外显子
一般100~200nt，多数<1000nt
同一基因可以通过不同的加工方式， 表达出不同的信息，即选择性基因。
剪接
选择性剪接
编码
再编码
原核生物中RNA的加工
大肠杆菌
一、 原核生物rRNA前体的加工
rRNA前体基因
大肠杆菌基因组中有7个rRNA转录单位， 分散在基因组各处。
转录单位： 16S rRNA、 23S rRNA、 5S rRNA 一个或几个tRNA
前体的两侧序列互补，形成茎环结构
rRNA前体加工
30S rRNA前体首先在特定碱基处甲基化产生中间产物，再通过核酸酶（核酸内切酶、核酸外切酶）作用除去一些核苷酸残基，生成成熟的16S、23S和5S rRNA。
修饰
甲基化修饰
切割
内切酶切除 两侧形成的茎环
RNaseⅢ
负责RNA加工的内切核酸酶
识别部位为特定的RNA双螺旋区域， 在茎部相对的两切割位点间相差2bp
RNase E
RNase P
内部tRNA
由外切酶逐个修剪多余序列
二、 原核生物tRNA前体的加工
tRNA前体基因
tRNA基因60个 大多成簇存在或与其他基因混合转录。
表明：某些反密码子可以不止一个tRNA或 某些tRNA基因不止一个拷贝。
tRNA前体 加工
① 切断：
由核酸内切酶在tRNA两端切断。
RNase P
RNase F
RNase D
② 修剪：
由核酸外切酶从3′端逐个切去多余序列，进行修剪。
③ 3′端加—CCAOH：
由核苷酰转移酶催化，
CTP、ATP提供胞苷酸和腺苷酸。
④ 核苷酸的 修饰和异构化：
主要的修饰成分包括甲基化碱基(m)和假尿嘧啶核苷(j)， 其中甲基供体一般为S-腺苷蛋氨酸（SAM）。
三、 原核生物mRNA前体的加工
由于原核生物的转录和翻译是同时进行的，所以原核生物的mRNA没有转录后的加工过程，一经转录即可直接进行翻译。
少数多顺反子mRNA需通过核酸内切酶切成较小的单位，然后再进行翻译。
真核生物中RNA的一般加工
一、 真核生物rRNA前体的加工
核仁：合成、加工、装配， 通过核孔转移到细胞质。
rRNA前体基因
真核生物有4种rRNA，即5S、5.8S、18S和28S rRNA。真核生物的rRNA由两个转录单位转录。
rRNA基因成簇排列，转录产生45S rRNA前体， 由16S~18S、5.8S、26S~28SrRNA基因组成一个转录单位， RNA聚合酶Ⅰ转录
5SrRNA成簇排列， 由RNA聚合酶Ⅲ转录
转录后的5S rRNA不需要加工。
结构特点
大多数真核生物rRNA前体基因不含内含子，
有些真核生物rRNA前体基因含有内含子但不转录。
rRNA前体加工
snoRNA
snoRNA指导rRNA前体的甲基化、假尿苷酸化和切割
修饰
甲基化
C框/D框snoRNA
借助互补序列识前体的甲基化和切割位点
核糖2'-OH
2'OMe
甲基化程度比原核生物高
假尿苷酸化
H框/ACA框snoRNA
识别假尿苷酸化位点
切割
二、 真核生物tRNA前体的加工
真核生物tRNA前体的3′端不含CCA序列，在核苷酰转移酶的催化下加上CCA；tRNA的修饰成分由特异的修饰酶所催化。
tRNA前体基因
tRNA前体基因数目与原核生物相比要大得多
也是成簇排列，并被间隔区分开
由RNA聚合酶Ⅲ转录
前体>4.5S，两侧末端都有附加序列需要切除。
成熟为4S
tRNA前体加工
（1） 修饰
特异的修饰酶
甲基化
（2） 切割
RNase P
切除5'末端
多种内切酶和外切酶配合
切除3'端
居间序列切除
（3） 3'端加CCA
核苷酰转移酶
三、 真核生物mRNA前体的一般加工
mRNA前体基因
编码蛋白质的基因以单基因作为转录单位， 其转录产物为单顺反子mRNA。
大多数具有居间序列，需切除。
需要转移到细胞质中才能表现出翻译功能。
mRNA前体加工
核内不均一RNA（hnRNA）
mRNA原初转录物在核内加工的过程中形成分子大小不等的中间物。
在核内迅速合成和降解，半寿期很短 几分钟~1h
大小不均一，约mRNA的4~5倍，约25%转变为mRNA
加工方式
1||| 5'端加帽
三步反应
RNA三磷酸酯酶
转录起始后不久5'端三磷酸（pppNp）脱去一个磷酸
purine nucleoside 嘌呤核苷(Np)
ppN_1pN_2p-RNA
mRNA鸟苷酰转移酶
加帽
与GTP反应生成5', 5'-三磷酸键，并释放出焦磷酸
GpppN_1pN_2p-RNA
两次甲基化
帽子修饰
甲基供体：S-腺苷蛋氨酸（SAM）
mRNA（鸟嘌呤-7）甲基转移酶
m7GpppN_1pN_2p-RNA
mRNA（核苷-2'）甲基转移酶
m7GpppN_1mpN_2p-RNA
m7G5'ppp5'N_1mpN_2p-RNA
甲基化程度不同 不同形式（三种）的帽子。
Cap O
m7G5'ppp5'NpNp-
Cap Ⅰ
m7G5'ppp5'NmpNp-
常见的帽子
Cap Ⅱ
m7G5'ppp5'NmpNmp-
加帽酶结合在pol Ⅱ的CTD上，加帽完成后脱离 通过帽子结合复合物（CBC）拴在CTD上
功能
保护
防止降解外切酶降解，稳定mRNA
标记
剪接、运输、翻译
2||| 3'端切断并多聚腺苷酸化
位于近3'端的保守序列AAUAAA 距离大概11~30个核苷酸范围内为 多聚腺苷酸插入位点
这一序列为链的切断和多聚腺苷酸化 提供了某种信号。
RNase Ⅲ
切断
多聚腺苷酸聚合酶
抑制：冬虫夏草素
多聚腺苷酸化
保护
防止降解外切酶降解，稳定mRNA
3||| 剪接除去内含子
RNA的剪接/拼接
4||| 内部碱基甲基化
主要 N^6-甲基腺嘌呤（m6A）
RNA的剪接、 编辑和再编码
一、 RNA的剪接/拼接
RNA剪接
剪接，去除插入序列，使编码区成为连续序列的过程。
内含子主要通过RNA核酶通过两次转酯反应切除，少数由酶切除。 一般为依次剪接，但有些内含子具有增强或抑制作用。
需要对内含子5'3'剪接位点精准识别，不能有差错
剪接体
snRNA和snRNP组成，参与剪接的识别、空间组装和催化反应。
SR蛋白家族
N端结构域
子主题
-RNA
C端结构域
子主题
-蛋白质
RNA的四种 剪接方式
内含子类型不同 分子内剪接， 即顺式剪接
I. 类型Ⅰ自我剪接
类型Ⅰ内含子
分布
细胞器（线粒体、叶绿体）基因 低等真核生物rRNA基因 细菌和噬菌体部分基因
内含子指导序列（IGS） GGAGGG
于左侧外显子末端CUCUCU序列配对
其核酶活性于其二级结构特定的折叠有关。
反应过程
在鸟苷酸或尿苷和一二价阳离子 的存在下自发进行。
游离的G 3'-OH
第一次转酯反应
进攻内含子5'-磷酸基
外显子Ⅰ-内含子-外显子Ⅱ+G → 外显子Ⅰ+G-内含子-外显子Ⅱ
第一个外显子3'-OH
第二次转酯反应
第二个外显子5'-磷酸基
外显子Ⅰ+G-内含子-外显子Ⅱ →G-内含子+ 外显子Ⅰ-外显子Ⅱ
内含子环化
第三次转酯反应
G-内含子→G+内含子
II. 类型Ⅱ自我剪接
类型Ⅱ内含子
分布
只见于真菌线粒体基因和植物叶绿体基因
3'端有一段保守序列CUGAC
A 2'-OH
外显子结合位点（EBS）
于左侧外显子内含子结合位点（IBS）配对
演化
hnRNA的剪接
反应过程
内含子3'端，A 2'-OH
第一次转酯反应
内含子5'-磷酸基
第一个外显子3'-OH
第二次转酯反应
第二个外显子5'-磷酸基
III. hnRNA的剪接
一般认为是由类型Ⅱ演变而来 内含子的催化功能转交给了小RNA和辅助蛋白，以专司其职。
该类型内含子
GT-AG规则
内含子的5'端均为GT，3'端均为AG
分支点
Py区
剪接体
50S~60S，有突起的椭球
snRNA
U系列的snRNA，尿嘧啶含量高
通常与多肽或蛋白质结合形成核糖核蛋白（RNP）
snRNP： 每个snRNA与 数个或数十个蛋白结合形成。
U1、U2、U4、U5、U6
参与hnRNA的剪接
U3
参与rRNA前体的加工
snRNP与数十种剪接因子和调节因子逐步装配形成的复合物
剪接体装配和反应过程
U1、U2
U1
结合在5'剪接点
释放
形成B2复合物
U2
结合在分支点
U4、U5、U6
三聚体
U4
释放
形成C1复合物
U5
与外显子结合
U1释放后转到内含子
U4释放后转到3'剪接位点
3'位点断开，外显子连接。
U6
结合在U2上
U1释放后，结合在5'剪接位点
与U2一起，催化转酯反应， 5'位点断开，形成套索
少数AT-AC内含子
U11、U21、U4atac、U5、U6atac
IV. 核内tRNA前体的酶促剪接
该类型内含子
14~46bp，无保守序列
推测酶识别的是共有的二级结构
内含子靠近反密码子右端，与反密码子配对
反应过程
由一个特殊内切核酸酶切去插入序列
2', 3'-环磷酸 + 5'-外显子
磷酸二酯酶
RNA连接酶催化连接， 消耗ATP
ATP+5'-外显子→AMP-外显子
2'-磷酸外显子-外显子
磷酸二酯酶
外显子-外显子+Pi
反式剪接与选择性剪接
反式剪接
生物内还存在分子间剪接，即反式剪接 一个RNA分子具有5'剪接点，另一个RNA分子具有3'剪接点，两者又靠得很近，即可发生。
很少见
给出前导序列的RNA称为 (leader sequence)SL RNA
选择性剪接
一个基因的转录产物在不同的发育阶段、分化细胞和生理状态下， 通过不同的剪接方式，可以得到不同的mRNA和翻译产物，称为选择性剪接。
所产生的多个蛋白质即为同源体。
选择性剪接的方式
剪接产物缺失一个或几个外显子
剪接产物保留一个或几个内含子作为外显子
外显子中存在剪接点，导致缺失部分剪接位点
内含子中存在剪接点，导致部分内含子变为了编码序列
RNA剪接的生物学意义
RNA剪接是生物机体在进化历史中形成的，是进化的结果。
RNA剪接是基因表达调节的重要环节。
外显子和内含子有古老的历史。
RNA剪接主要存在于真核生物，原核生物少见，但并非没有。
外显子和内含子是相对的，有些内含子具有编码序列，能够产生蛋白质或功能RNA。
二、 RNA的编辑
RNA编码序列改变。
碱基的置换、插入和删除
编辑类型及机制
gRNA指导
U的插入与删除
C, A/U的插入
内含子指导下的脱氨反应
A-I
C-U
RNA的编辑的生物学意义
消除突变的危害
增加基因产物多样性
与生物发育与分化有关，是基因调控的一种重要方式。
可能使基因产物获得新的结构和功能，有利于生物进化。
三、 RNA的再编码
再编码是指RNA编码序列改变了原来编码的含义，以不同的方式进行编码，把RNA编码和读码方式改变的一种方式。
RNA编码和读码方式的改变。
三种再编码的方式
矫正tRNA
或是反密码子环碱基发生改变， 或是决定tRNA特异性即个性的碱基发生改变， 从而改变编码规则，使错误的编码信息得到矫正。
错义/无义突变
会在该位置上引入与原来氨基酸相同或性质相近的氨基酸， 恢复或部分恢复基因编码蛋白的活性
移码突变
通过阅读一个二联体密码子或四联体密码子而消除-1/+1移码的效应。
有时rRNA的突变也有助于消除移码突变的影响
翻译移码
核糖体一般会按照mRNA上三联体阅读框架移动， 某些mRNA可在翻译的一定位点上发生”“或”“，由此改变阅读框架。
② 翻译跳跃是指在翻译时核糖体跳过一段mRNA不翻译的现象。
可能与mRNA的高级结构有关。
可以使一个mRNA产生两个或多个相互有关但不同的蛋白质， 也可以借以调节蛋白质的合成。
RNA的降解
mRNA最不稳定，更新率高
由于与表达活性直接相关 不同的mRNA需要以不同的速度降解
真核生物mRNA降解：主要途径首先是poly（A）尾巴的缩短，通过去腺苷酸化诱发5′端脱掉帽子结构，然后由5′→3′方向或3′→5′方向降解mRNA。
所有细胞都存在核糖核酸酶
核糖核酸酶降解RNA：通常由核糖核酸外切酶按5′→3′方向降解RNA。
提高稳定的结构
局部双链结构
发卡结构
polyA尾巴
帽子
三、RNA指导下RNA和DNA的合成
RNA病毒
RNA的复制
宿主的 细胞质
一、 RNA的复制是指存在于RNA病毒中，以病毒RNA作模板，由RNA复制酶催化，在4种核苷三磷酸为底物和镁离子存在时合成出与模板性质相同的RNA的过程。
某些RNA病毒侵入宿主后，可借助复制酶以自身RNA为模板完成复制过程。
复制酶的特异性很高，只能识别病毒自身的RNA。
二、 噬菌体Qβ RNA的复制
结构组成和 基因组
直径20nm，正二十面体。30%RNA
单链RNA
4500bp，含有3~4个编码蛋白的基因
5'-成熟蛋白-外壳蛋白（或A1蛋白）-复制酶β亚基-3'
A1蛋白N端序列与外壳蛋白一致， 推测其序列中含有两个终止位点，且第一个位点发生了通读。
Qβ复制酶
RNA指导的RNA聚合酶
侵入大肠杆菌后直接进行蛋白质的合成，编码出β亚基。
然后利用宿主的蛋白质因子，完成复制酶装配。
可结合在(+)链3'端，也可结合在-链3'端 且合成速度均为35bp/s。
复制过程
以病毒RNA（(+)链）为模板，合成互补(-)链；
需要宿主的蛋白因子
HFⅠ和HFⅡ
然后再以负链为模板合成病毒RNA。
自我调节
天然高级结构状态
成熟蛋白基因封闭
复制酶亚基基因的合成起始区 与外壳蛋白基因内部序列配对
因此核糖体先启动外壳蛋白的合成。
在此过程中，核糖体使双链结构打开后 复制酶亚基基因的合成起始区才可接受核糖体，开始亚基的合成。
只有刚复制完成的病毒RNA，才能表达成熟蛋白。
三、 病毒RNA复制的主要方式
病毒含有正链RNA
噬菌体Qβ、脊髓灰质炎病毒
噬菌体Qβ RNA的复制
病毒含有负链RNA和复制酶
狂犬病毒、
病毒含有双链RNA和复制酶
呼吸孤病毒
先转录出(+)链，以之为模板翻译病毒蛋白。 再用复制酶，合成-链，形成双链RNA分子。
致癌RNA病毒
白血病毒、肉瘤病毒
RNA的逆转录
只有正链才能翻译出蛋白
RNA的逆转录
宿主的细胞质 cRNA进入细胞核内， 可整合染色体DNA上。
一、 以病毒RNA（(+)链）为模板，合成DNA； 然后DNA（(-)链）再转录出病毒RNA。
逆转录是指以RNA为模板、按照RNA中的核苷酸顺序合成DNA，与通常转录过程中遗传信息流从DNA到RNA的方向相反的转录途径。
二、 逆转录酶
（1）逆转录酶是指RNA指导的DNA聚合酶。
（2）逆转录酶的性质：
① 含有Zn2＋，催化的DNA合成反应要求有模板和引物，以4种脱氧核苷三磷酸（NTP）作为底物，2价阳离子（Mg2＋和Mn2＋）和还原剂（以保护酶蛋白中的巯基）参与。
以自身正链RNA为模板， 以tRNA为引物合成DNA
② DNA链的延长方向为5′→3′。
多功能酶 兼有三种酶的活力
RNA指导的DNA聚合酶活性
逆转录
DNA指导的DNA聚合酶活性
DNA复制
核酸酶H活性， 水解杂合分子中的RNA。
水解RNA
三、 病毒 RNA 的反转录
逆转录病毒的基因组
通常由两条相同的(+)链RNA组成，靠近5'端区域以氢键结合。 因此在各类病毒中是独特的二倍体。
典型的
全长7000~10000nt 携带三个基因
gag
编码病毒颗粒核心蛋白
pol
编码必需的酶
蛋白酶、整合酶、逆转录酶
env
被膜蛋白
与病毒的入侵有关
蛋白酶剪切成 两条肽链
表面蛋白
跨膜蛋白
劳氏肉瘤病毒
src
癌基因
HIV
有更多的开放阅读框，且有些含有内含子，需要剪接。
逆转录位点
引物结合位点（PBS）
长末端重复序列（LTR）
正链（5' - U3、R、U5 - 3'）
多聚嘌呤片段（PPT）
进入宿主的物质
基因组RNA
逆转录和整合所需要的引物和酶
逆转录过程
逆转录酶两次换模板 (-)链DNA和(+)链DNA分别 以tRNA、TPP为引物 最终得到cDNA
1||| 合成一小段(-)链DNA
tRNA作为引物结合在靠近5'端的引物结合位点（PBS）上。
逆转录酶合成U5和R区的互补的DNA序列。
逆转录酶-RNase H水解掉U5和R区
2||| 第一次跳跃
(-)链DNA的R区与(+)链3'端R区配对
逆转录酶-RNA指导的DNA聚合酶延长(-)链DNA
模板链3'端的U3、R和polyA被水解掉
同时5'也开始水解，除多聚嘌呤片段（PPT）外，正链RNA全部被水解
3||| 合成一小段(+)链DNA
3'端附近的多聚嘌呤片段（PPT）保留作为合成(+)链DNA的引物，
完成(-)链合成后，更换引物
逆转录酶-RNA指导的DNA聚合酶合成(+)链DNA 此时(+)链DNA
5'-TPP
U3
R
U5
带有tRNA与PBS位点配对的序列。-3'
引物tRNA被逆转录酶-RNase H降解
4||| 第二次跳跃
(+)链DNA与(-)链DNA5'端的PBS位点配对。
(+)链DNA延长合成出双链DNA
最后两末端重新合成形成长末端重复序列（LTR） ——正链（5' - U3、R、U5 - 3'）
四、 前病毒
cRNA进入细胞核内，可整合染色体DNA上，称为前病毒。
可随宿主一起复制和转录， 只有其mRNA才能翻译产生病毒蛋白质。
转移到质膜后RNA与蛋白质装配以出芽的方式形成新的病毒颗粒。
五、 逆转录的生物学意义
细胞逆转录过程频繁发生， 但在细胞中并无可察觉的逆转录酶活性
可能逆转录酶只在一定条件下才能表达
端粒酶就是一种逆转录酶
其作用结果体现在逆转座上
逆转座子的种类和作用机制
扩充了中心法则的内容
有助于了解RNA病毒的致癌机制
逆转座子的种类和作用机制
逆转座子是指在基因组内存在着通过DNA转录为RNA后，再逆转录成为cDNA并插入到基因组的新位点上的因子。
逆转座子的结构特点
两类
具有长末端重复（LTR）结构
有gag、pol基因
逆转座子的整体结构与整合的逆转录病毒极为相似，其主要特征之一是在两端具有长的同向末段重复序列，而两个末端的每一个末端又各具备一个倒转重复序列。逆转座子含有内部编码区，编码与逆转录病毒的种群专一性抗原和多蛋白相类似的蛋白质。
逆转座子的转座作用
逆转座子的生物学意义
蛋白质的合成、加工和定位
遗传密码
遗传密码是指核苷酸三联体决定氨基酸的对应关系。
遗传密码的破译
破译过程
三联体
1954 物理学家 G. Gamov
非重叠、连续编码并无标点分隔的三联体密码子。
无细胞蛋白质合成系统 人工合成mRNA
人工合成得均聚核苷酸
UUU Phe
CCC Pro
AAA Lys
两/三种核苷酸得共聚物
如，无序的poly UG
由此确定了50种密码子与氨基酸的对应关系
人工合成与酶促合成巧妙结合 合成了重复序列的多聚核苷酸
如， poly（UG）
由此，64中密码子全部破译。
密码的基本单位
蛋白质中的氨基酸序列的遗传密码编码在核酸分子上， 其基本单位是按5' →3'编码、不重叠、无标点的三联体密码子。
遗传密码字典 （U、C、A、G） 64
3个终止密码子：UAA, UAG, UGA
剩余61个密码子 对应20种氨基酸
1：1
无简并性
甲硫氨酸兼起始密码子：AUG
色氨酸密码子：UGG
1：2~4
密码子的简并性体现在第三个碱基上。 有两个密码子第三个碱基要么都是嘌呤要么都是嘧啶。 密码子的专一性体现在前面的两个碱基，氨基酸的极性通常由而密码子的第二位碱基决定。
遗传密码的基本性质
密码的简并性
同一种氨基酸有两个或更多个密码子的现象称为密码子的简并性。 对应于同一氨基酸的不同密码子称为同义密码子。
意义
①减少有害突变;
②增加密码子中碱基改变仍然编码原来氨基酸的可能性;
③使 DNA 上碱基组成有较大变动余地;
在物种的稳定上起着一定作用
密码的摆动性 （变偶性）
tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子反向配对时， 密码子第一位和第二位的碱基配对是严格的， 第三位的碱基可以有一定的变动（变偶）。
I
U/C/A
某些情况下，四种碱基均可。”三配二“
翻译密码子经常在第一位出现次黄嘌呤
U
A/G
嘌呤
C
A
反密码子第一位
已知的情况下，反密码子第一位没有A
G
U/C
密码子第三位
嘧啶
密码子的第三位与反密码子的第一位 U和G可以配对
意义
保证遗传密码决定的氨基酸相对稳定，遗传性状也相对稳定，有利于保持物种的相对稳定
密码的通用性
生物界共用一套遗传密码
意义
保证产生有效蛋白质及其稳定性
变异性
仅一些低等生物和细胞器内的编码规则有所不同
线粒体RNA（mtRNA）
硒代半胱氨酸
第21种常见氨基酸，半胱氨酸以硒代替硫
编码硒蛋白的mRNA有一段硒代半胱氨酸插入序列（SECIS）所构成的二级结构， 可以帮助硒代半胱氨酸tRNA识别UGA（原终止密码子）
有观点认为，UGA正在演化为该氨基酸的密码子，可能是未进化完善。
意义
进化并未完善
密码的防突变
密码子的简并性体现在第三个碱基上。 有两个密码子的氨基酸密码子第三个碱基要么都是嘌呤要么都是嘧啶。 密码子的专一性体现在前面的两个碱基，氨基酸的极性通常由而密码子的第二位碱基决定。
这种密码的编排具有防错功能，当碱基置换时，其结果或是编码相同氨基酸，或是被性质接近的氨基酸取代。可以使突变带来的伤害降到最低。
RNA对遗传密码的解读
RNA不仅传递遗传信息，还会对信息进行加工处理
选择性转录遗传信息
对遗传信息进行加工处理
RNA的纠错功能
矫正tRNA
主导表型的形成
蛋白质合成有关RNA和装置
一、 rRNA 组成核糖体
核糖体是一个巨大的核糖核蛋白体，由几十种蛋白质和几种核糖体RNA组成亚细胞颗粒。在原核细胞中，它可以游离形式存在，也可与mRNA结合形成串状的多核糖体。
核糖体
核糖体的 RNA和蛋白质组分
核糖体有大、小两个亚基，每个亚基都由多种核糖体蛋白质和rRNA组成。 具体如下：
原核生物核糖体（70S）
大亚基（50S）
rRNA
5S、23S
r-蛋白
36
小亚基（30S）
rRNA
16S
r-蛋白
21种
原核生物核糖体（80S）
大亚基（60S）
rRNA
5S、5.8S、28S
r-蛋白
49
小亚基（40S）
rRNA
18S
r-蛋白
33
大肠杆菌核糖体精细晶体结构
外形与核糖体RNA的三级结构基本一致，蛋白质分布在外表。
大亚基
结构
柄
中央突起
翼
L1
大小亚基 共同组成的 中心区域
大亚基的肽基转移酶活性中心只有RNA，证明肽基转移反应是由RNA催化。 可能，活性位点（保守序列 AUAACAGG）的腺嘌呤（A2486）催化→
A位（突环，23S rRNA螺旋92） （Aminoacyl-tRNA site）
氨酰-tRNA进入和密码子配对。
氨酰-tRNA → n+1肽酰tRNA
氨酰-tRNA α氨基进攻肽酰tRNA 羧基碳
肽链加到氨基上，使肽链延长
P位（突环，23S rRNA螺旋80） （peptidyl-tRNA site）
甲硫氨酸tRNA进入和起始密码子配对。
肽链转移到A位的氨酰-tRNA上。
肽酰tRNA → tRNA
E位点
脱酰tRNA脱落
小亚基
平台
小亚基的译码中心具有忠实校对功能
tRNA与mRNA密码子形成三个碱基对
小亚基
A1493
与第一个碱基对结合
A1492、S12
与第二个碱基对结合
G530不敏感
与第三个碱基对结合
tRNA不匹配，不会被小亚基接纳
裂缝
mRNA在此穿过
头部
多核糖体：
多核糖体是指分离核糖体时得到的若干成串的核糖体。多核糖体是由一个mRNA分子与一定数目的单个核糖体结合而成的，形似念珠状。
每个核糖体可以独立完成一条肽链的合成，在多核糖体上可以同时进行多条多肽链的合成，提高了翻译的效率。
二、 氨酰-tRNA
（1）tRNA含有两个关键的部位， 即氨基酸结合部位和mRNA的结合部位，具有接头的作用。
tRNA三级结构特征
碱基、磷酸和核糖的2'-OH之间形成氢键
反密码子的碱基和接受氨基酸的CCA末端在其三级结构的两端
（2）氨基酸一旦与tRNA形成氨酰-tRNA后，进一步的去向由tRNA来决定。氨酰-tRNA合成酶能够识别氨基酸和相关tRNA，由ATP提供能量合成氨酰-tRNA。 反应分为：
20种氨酰-tRNA合成酶
活化氨基酸
- ATP
氨酰-tRNA合成酶的功能：
1||| 每一个氨酰-tRNA合成酶可识别一个特定的氨基酸和与此氨基酸对应的tRNA的特定部位。
能识别对应于同一氨基酸的多种tRNA
同工tRNA
双重校对功能
区分结构极为相似的氨基酸
发现错误还能予以校正
2||| 氨酰-tRNA合成酶的 帮助使氨基酸结合到其特定的tRNA上。
某些氨酰-tRNA合成酶将氨基酸连接到相应tRNA的3′-OH端上； 另一些连到2′-OH上，然后再转移到3′端。总的氨酰化反应为：
氨基酸＋ATP＋tRNA→氨酰-tRNA＋PPi＋AMP
3||| 氨酰-tRNA合成酶能够纠正酰化的错误。
发现错误还能予以校正
催化两步反应
氨基酸＋ATP ⇌ 氨酰-AMP＋PPi
① 氨基酸与ATP反应而被激活，形成氨酰-腺苷酸。通常此中间产物牢固结合在酶上。
氨酰-AMP＋tRNA ⇌ 氨酰-tRNA＋AMP
② 氨酰-AMP与相应tRNA反应，形成氨酰-tRNA。
氨酰-tRNA
高能化合物
连接到tRNA的3'-OH端 一些连在2'上的也会再转移过来
三、 mRNA
mRNA是蛋白质合成的模板，以核苷酸序列的方式携带遗传信息，指导合成多肽链中的氨基酸的序列。核糖体在mRNA上移动的方向是5′端→3′端，多肽链合成的方向是N端→C端。每一个氨基酸可通过mRNA上3个核苷酸序列组成的遗传密码来决定，这些密码以连续的方式连接组成读码框架，读码框架之外的序列称为非编码区。
（1）起始密码与终止密码
AUG
UAA、UAG、UGA
（2）原核生物和真核生物 识别起始密码的机制：
① 原核生物中在mRNA分子起始密码子的上游含有一段特殊的核糖体结合位点序列，使得核糖体能够识别正确的起始密码AUG。原核生物的mRNA通常是多基因的，分子内的核糖体结合位点使得多个基因可独立地进行读码框架的翻译。
② 真核生物mRNA通常只为一条多肽链编码，mRNA5′末端的帽子结构可能对于核糖体进入部位的识别起到一定作用。翻译的起始通常开始于核糖体进入部位向下游扫描到的第一个AUG序列。
信使RNA
原核生物mRNA结构特征
多顺反子，有多个基因的编码区，
各编码区为一开放阅读框（ORF）/译框， 以起始密码子开头，终止密码子结束，读框的长度为3的倍数。
核糖体结合位点（RBS）， 与小亚基16SrRNA3'端序列互补
SD序列
位于起始密码子上游3~11nt处 长度4~9nt，富含嘌呤碱基
真核生物mRNA结构特征
单顺反子
无SD序列，5'3'非翻译区存在调控序列，可结合各种调节因子。
起始密码子附近存在不同的茎环结构，起调节作用
3'定位信号序列
四、 辅助因子
三种起始因子（IF）
IF-1
促进起始复合物的结合
IF-2 · GTP
协助，将甲硫氨酸tRNA带到P位
IF-3
大小亚基分离
三种延长因子（EF）
Ef - Tu · GTP
协助，将氨酰-tRNA带到A位
Ef-Ts
Ef-Ts帮助Ef-Tu · GTP再生
Ef-G · GTP
进位
释放因子（RF）
RF-1 UAA UAG
RF-2 UAA UGA
RF-3 结合在核糖体上引起GTP水解，使RF-1, 2脱落
蛋白质的生物合成
蛋白质的生物合成大体可以分为五个步骤，即氨酰-tRNA的合成、多肽链合成的起始、多肽链合成的延伸、多肽链合成的终止以及多肽链的折叠与加工。
原核生物蛋白质的合成过程
一、 氨基酸的活化和转移
活化
- n+1 ATP
（1）氨基酸的活化：
氨基酸的活化是指在氨酰-tRNA合成酶催化下，氨基酸与ATP作用产生带有高能磷酸键的复合物。氨基酸的活化是为了获得额外的能量。
20种氨酰-tRNA合成酶
（2）活化氨基酸的转移：
活化的高能化合物的氨酰基转给tRNA以形成氨酰-tRNA，后者再转移到核糖体上。氨基酸的活化与转移是同一种酶催化的。活化后的氨基酸必须转运到核糖体去进行蛋白质合成。这个转移任务是由tRNA来完成的。
二、 多肽链合成的起始
起始密码
- GTP
底物
三种起始因子（IF）
IF-1
IF-2
IF-3
翻译装置的装配
30s、mRNA、50s、氨酰-tRNA
甲硫氨酰-tRNA
识别ORF内的AUG密码子
识别起始密码子
氨基甲酰化
原核生物
氨基封闭，防止其误读框内密码子
形成起始复合物的起始三步
核糖体大小亚基分离
IF-1和IF-3与30S小亚基结合
mRNA结合定位
随后通过SD序列与mRNA模板结合，并沿mRNA移动直至找到AUG起始密码子，形成30S-mRNA-（IF-1）-（IF-3）复合物。
IF-2 · GTP结合
将乙酰化甲硫氨酸带到P位，与mRNA的起始密码子结合。
形成完整的70S核糖体
IF-3脱离，50S大亚基与复合物结合
IF-2 · GTP水解推动复合物构象的改变，活化
IF-1，2脱离
真核生物的差别
甲硫氨酸不需要甲酰化，靠辅助因子区分起始密码子和内部密码子
参与的起始因子由10多个
eIF
由于无SD序列，RBS位于起始密码子附近，最常见的是 GCCAGCCAUGG
甲硫氨酸tRNA先于mRNA与小亚基结合
需要水解ATP从mRNA5'端移动到RBS
三、 多肽链合成的延伸
n循环 n+1aa
2nGTP
肽链的延伸需要经过进位、转肽和移位三步反应， 并且需要三种延长因子（EF）参与。
三种延长因子（EF）
Ef-Tu
Ef-Ts
Ef-G
延伸三步
1||| 进位：
当与起始密码子紧邻的密码子被其氨酰-tRNA上的反密码子识别并结合后，延长反应开始。
与mRNA起始密码子下一个三联体密码相对应的氨酰-tRNA进入核糖体的A位，该过程需要GTP、Mg2＋、延长因子（EF-Tu，Ts）。
氨酰-tRNA结合在A位
Ef-Tu协助 与IF-2功能类似，运送tRNA，GTPase
氨酰-tRNA · Ef-Tu · GTP
Ef-Ts帮助Ef-Tu · GTP再生
2||| 转肽——肽键的形成：
在肽基转移酶催化下，P位上起始tRNA所携带的甲酰甲硫氨酰基/甲硫氨酰基或肽酰基转移到A位上，与A位上氨酰基的α-氨基缩合形成肽键，P位tRNA脱落，留出空位。转肽过程可看作是新加入的氨酰-tRNA上氨基酸对肽酰-tRNA上酯键的羰基进行亲核进攻，实质上是将一个酯键转变为肽键的反应。
肽酰转移反应
肽酰转移酶
P位的多肽转移到A位的氨基酸的氨基上
原本的脂键转变为肽键
嘌呤霉素
肽酰转移酶可催化其与多肽结合，从而使多肽脱落
3||| 移位：
移位是延长过程中的最后一步，由移位因子催化（原核中为EF-G，真核中为eEF-2），此过程有GTP的水解。核糖体向mRNA3′端方向移动使下一个密码子暴露出来，以供继续翻译，同时肽酰-tRNA从A位移到P位，A位腾出。
核糖体沿着mRNA由5'3'方向移动一个密码子
Ef-G · GTP
《核糖体机械移动假说》
移位是核糖体的主动移位， 是本身所固有的，不受任何外部蛋白质因子的介导。
EF-G通过深入核糖体的解码中心，破坏并替代密码子-反密码子双螺旋与解码中心的相互作用，从而催化核糖体移动。
EF-G不是核糖体移动的直接原因
如何相对移动
脱酰tRNA 转至E位点（密码子配对解开）后再脱落
肽酰tRNA转至P位
A位空出
真核生物的差别
eEF1A· GTP eEF1B eEF2· GTP
对应相同
白喉毒素
可使eEF2失活
无E位点，脱酰tRNA直接从P位脱落
GTP
四、 合成终止和释放
标注
- 2GTP
当核糖体沿mRNA的5′→3′的方向移位，A位出现终止密码UAA、UGA、UAG时，没有相应的氨酰-tRNA能与之结合，而释放因子（RF）能识别这些密码子并与之结合，水解P位多肽链与tRNA之间的酯键，肽链合成终止，多肽链合成完成，水解释放出来。
多肽链合成的终止
终止密码子和释放因子（RF）
终止密码子靠释放因子识别
RF-1 UAA UAG RF-2 UAA UGA
三级结构与tRNA类似， 可结合到A位活化肽基转移酶活性 将肽链水解下来
RF-3 · GTP 结合在核糖体上引起GTP水解，使RF-1/2脱落
核糖体循环因子（RRF） EF-G IF-3 共同参与
水解GTP
复合物解离
真核生物的差别
eRF-1
识别三种终止密码
eRF-3 · GTP
能量消耗总结
每合成一个肽键消耗4个高能键
4n
核糖体反应中GTP的作用
（1）掺入氨基酸的延长过程中，都有两个GTP分子发生了水解，相当于这一过程消耗的能量的一半。
（2）GTP的结合与水解都在EF-Tu和EF-G因子上进行，这些因子和GTP的复合物与核糖体作用，才激活了水解部位的活性。
（3）随着GTP水解成GDP，这些因子的构象将发生变化，与核糖体分离。GTP及GDP与这些因子的结合与否，成了调节这些因子与核糖体结合的开关。
（4）与GTP发生作用的翻译因子属于G蛋白家族，所有的G蛋白都能结合并水解GTP，当与GTP结合后，这些蛋白被激活，当结合上水解来的GDP后，就变成无活性的构象。
原核细胞和真核细胞 蛋白质生物合成的比较
帽子结合复合物 eIF-4F
eIF-4E
具有帽子结合活性。
A
G
蛋白质合成的抑制物
多种抗生素和毒蛋白能在不同步骤上抑制蛋白质合成。它们可做抗菌剂应用于临床治疗或防治农牧业的病害，也可用来揭示蛋白质合成的生化机制。 各抑制剂作用机制如下：
抗菌素类
- 春日霉素 (kasugamycin)
- 抑制对象: 原核生物
- 作用方式: 抑制 fMet-tRNA 的结合
- 链霉素 (streptomycin) - 新霉素 (neomycin) - 卡那霉素 (kanamycin)
氨基环醇类抗生素
- 抑制对象: 原核生物
- 作用方式: 结合于 30S 亚基，阻止起始复合物形成，并造成错读
- 四环素 (tetracycline)
四环素族
- 抑制对象: 原核生物
- 作用方式: 结合于 30S 亚基，抑制氨酰-tRNA 进入 A 位点
- 氯霉素 (chloramphenicol)
- 抑制对象: 原核生物
- 作用方式: 抑制 50S 亚基的肽基转移酶活性
- 红霉素 (erythromycin) - 麦迪霉素 (midecamycin) - 螺旋霉素 (spiramycin)
- 抑制对象: 原核生物
- 作用方式: 与 50S 亚基结合，抑制移位反应
阻断剂
- 梭链孢酸 (fusidic acid)
- 抑制对象: 两者
- 作用方式: 抑制 EF-G·GDP 从核糖体解离
- 环己酰亚胺 (cycloheximide)
- 抑制对象: 真核生物
- 作用方式: 作用于 60S 亚基，抑制肽基转移酶活性
- 嘌呤霉素 (puromycin)
- 抑制对象: 两者
- 作用方式: 作为氨酰-tRNA 类似物接受肽基使肽链合成终止
- 白喉毒素 (diphtheria toxin)
- 抑制对象: 真核生物
- 作用方式: 通过 ADP-核糖基化使 eEF2 失活
- 蓖麻毒素 (ricin)
毒蛋白
- 抑制对象: 真核生物
- 作用方式: 核糖体失活
蛋白质合成的忠实性
蛋白质合成的忠实性需要消耗能量
合成酶的校对功能提高了忠实性
核糖体对忠实性的影响
蛋白质合成的定位
留在胞浆 分配到 内质网、 线粒体、 叶绿体、 细胞核
一、 基质游离的核糖体
游离状态合成的蛋白
胞浆蛋白、线粒体或叶绿体蛋白
线粒体和叶绿体蛋白质的定位
核蛋白的定位
需要到内质网合成的蛋白
溶酶体蛋白、分泌蛋白、膜蛋白
蛋白质的信号肽和跨膜运输
二、 蛋白质的信号肽和跨膜运输
真核生物蛋白质信号肽 及跨膜运输 （ 共翻译转运）机制
信号肽序列
信号肽序列是指每一需要运输的多肽都含有的13～36个氨基酸残基的序列，可引导多肽至不同的转运系统。 真核细胞中，当某一种多肽的N端刚开始合成不久，这种多肽合成后的去向就已被决定。
N端上的信号肽出现，会引导核糖体到内质网膜上
特征
通常在被转运多肽链的N端 10~40个氨基酸 至少有一个带正电荷的氨基酸
中部有一段10~15个高度疏水的氨基酸
可引导蛋白到膜上
C端有信号肽酶识别位点
位点上游常有一段疏水性五肽
-1-3残基有小的侧链氨基酸
信号识别颗粒（SRP） 是一种核蛋白体，有两个功能域：
1 7SL RNA（300nt） 6 不同的多肽分子
两个功能域
（1） 识别信号肽
（2） 通过干扰转肽，停止多肽链的延伸
干扰进入的氨酰-tRNA和肽酰移位酶的反应，以终止多肽链的延伸作用。
内质网
SRP受体停泊蛋白
二聚体
α亚基
β亚基
多肽转运装置
SRP释放，多肽链开始延伸
两个整合膜蛋白
核糖体整合膜蛋白Ⅰ
核糖体整合膜蛋白Ⅱ
ATP驱动下，将多肽链送到内质网腔中。
腔内加工肽链
信号肽酶切除信号肽
等
跨膜运输过程
共翻译转运：蛋白质合成开始不久信号肽与SRP结合，肽链的延伸作用暂时停止。SRP-核糖体复合物随即移到内质网上与SRP受体停泊蛋白结合。SRP与受体结合后，蛋白质合成的延伸作用又重新开始。带新生肽链的核糖体被送到多肽转运装置上（核糖体受体蛋白Ⅰ和Ⅱ），SRP被释放到胞浆中，新生肽链又继续延长。SRP和SRP受体都结合了GTP，当它们解离时均伴有GTP的水解。多肽链通过转运装置送入内质网腔，耗能。多肽链进入内质网腔后，信号肽即被信号肽酶切除。
共翻译转运 （真核生物唯一）
原核生物
同样有共翻译转运
SRP
RNA 2种蛋白
转运子
形成孔道
还存在另一套转运系统
SecA SecB SecD SecF SecYEG
SecB
与信号肽结合
将多肽链带到SecA
SecA
内膜受体，ATPase
借助ATP水解引起构象变化，推动多肽链运动。 1ATP 前进 20个氨基酸
SecYEG
转运复合体
糖基化在蛋白质定位中的作用
内质网、高尔基体
分泌型的真核蛋白在内质网内合成，在内质网上或转运到高尔基体后，多肽被糖基化修饰，形成糖蛋白。糖基化蛋白质易被识别，分别按其结构特征包裹到分泌粒、运输泡和溶酶体内，将它们分泌到胞外、运输到质膜或保存在溶酶体中。
过程
1||| 内质网 糖基化
核心寡糖的合成
多萜醇磷酸酯作为寡糖载体，位于内质网腔内侧
类异戊二烯（类萜）
核心寡糖
核心寡糖在转移酶的作用下
与蛋白质的Asn残基形成N-糖苷键
Asn N-连接型寡糖链
2||| 高尔基体
进一步修饰
形成O-糖苷键连接的寡糖修饰
Ser/Thr O-连接型寡糖链
糖蛋白易被识别，可按其结构特征包裹到，分泌泡、运输泡和溶酶体内
三、 翻译后转运
翻译后运输是指大部分线粒体和叶绿体的蛋白质由细胞核基因组DNA编码，在胞浆内由游离核糖体合成这些蛋白质，再送到这些细胞器中的运输过程。
线粒体和叶绿体蛋白质的定位
大部分线粒体和叶绿体蛋白质由核基因编码，在胞浆内由游离核糖体合成，再送到细胞器中去。
前体多肽链
引导线粒体和叶绿体蛋白质靶定位的肽段称为 导肽/前导肽
位于N端
25~35个氨基酸，富于Ser、Thr和碱性氨基酸
合成后即与分子伴侣（Hsp70/MSF）结合
线粒体
外膜受体
通道蛋白进入基质
ATP、电化学梯度
切除导肽
二次分配
基质蛋白
折叠
内外膜蛋白 间隙可溶蛋白
第二信号序列引导穿膜
叶绿体
类似，蛋白质定位更复杂
核蛋白的定位
1||| 运输受体
ATP/GTP
运输受体能够识别底物蛋白的核定位信号（NLS）和核输出信号（NES）。携带NLS或NES序列的蛋白质如与另外的蛋白质或RNA结合，即可一起进行转运。
识别底物
核定位信号（NLS）
短的、含有多个碱性氨基酸的肽段
碱性氨基酸上游常有中断α螺旋的脯氨酸残基
核输出信号（NES）
子主题
与底物结合，运输
2||| 进出核孔
+Ran-GTP
GTPase
底物-受体-Ran-GTP 三元复合物
Ran-GAP
到细胞质
促使Ran-GTP水解
底物与受体解离
底物-受体-Ran-GDP 三元复合物
Ran-GEF
到核内
Ran-GTP再生
复合物解离
3||| 定位序列不切除
多肽链的折叠、加工和修饰
新生肽的折叠
自然折叠
4二级
10超二级
40结构域
可改变多肽链共价结构的酶
蛋白质二硫键异构酶 PDI
肽基脯氨酰异构酶 PPIase
分子伴侣
帮助蛋白质的折叠与组装
不属于最终结构的一部分 对底物无专一性， 只是防止错误折叠
主要两类
（1） Hsp70家族
单体
（2） 伴侣蛋白家族
寡居体
翻译后的加工修饰
氨基端和羧基端修饰
信号肽切除
个别氨基酸残基修饰
连接糖链
连接异戊二烯基
连接辅基
蛋白酶解加工
二硫键形成
总结
反式作用因子 顺式作用元件
复制相关
一般
复制起点 ori
DNA聚合酶
功能
引物切除
DNA的复制或修复
DNA合成的校对
DNA聚合酶活性
3'→5'外切酶活性（校对修复）
5'→3'外切酶活性（切除引物）
拓扑异构酶
产生或
例子
Dna A-ATP
HU
开链
Dna C
DNA解螺旋酶 （Dna B）
单链结合蛋白（SSB）
引发酶/引物合成酶 （Dna G）
功能
没有或多个终止区 ter
原核生物 （大肠杆菌）
五种 DNA聚合酶
真核生物的异同
子主题
修复相关
子主题
转录相关
一般
RNA聚合酶
启动子与转录因子
延伸因子
终止子与终止因子
原核生物 （大肠杆菌）
RNA聚合酶
启动子与转录因子
延伸因子
终止子与终止因子
真核生物的异同
三种 RNA聚合酶
对应三种 启动子
转录产物的加工
snoRNA
切割
修饰
剪接
snRNA和snRNP
RNA指导下 RNA和DNA的合成
RNA病毒
RNA复制
RNA复制酶
反转录
逆转录酶
翻译相关
一般
翻译装置
核糖体
mRNA
顺反子
起始密码子
终止密码子
tRNA
20种氨酰-tRNA合成酶
细胞因子
起始因子（IF）
延长因子（EF）
释放因子（RF）
原核生物 （大肠杆菌）
翻译装置
核糖体
mRNA
顺反子
起始密码子
终止密码子
tRNA
20种氨酰-tRNA合成酶
三种延长因子（EF）
真核生物的异同
蛋白定位
蛋白修饰
酶活性及对应酶的亚基
DNA聚合酶活性
子主题
主题