北京大学 分子生物学课件第3讲

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1、第三讲 生物信息的传递第三讲 生物信息的传递（上）从（上）从DNA到到RNA基因作为唯一能够自主复制、永久 存在的单位，其生物学功能是以蛋白质 的形式表达出来的。基因作为唯一能够自主复制、永久 存在的单位，其生物学功能是以蛋白质 的形式表达出来的。DNA序列是遗传 信息的贮存者，它通过自主复制得到永 存，并通过转录生成信使序列是遗传 信息的贮存者，它通过自主复制得到永 存，并通过转录生成信使RNA，翻译 生成蛋白质的过程来控制生命现象。，翻译 生成蛋白质的过程来控制生命现象。基因表达包括转录（基因表达包括转录（transcription）和 翻译（）和 翻译（translation）两个阶段。

2、）两个阶段。转录是指拷贝出一条与转录是指拷贝出一条与DNA链序列完 全相同（除了链序列完 全相同（除了TU之外）的之外）的RNA单链的 过程，是基因表达的核心步骤。单链的 过程，是基因表达的核心步骤。翻译是指以新生的翻译是指以新生的mRNA为模板，把核 苷酸三联遗传密码子翻译成氨基酸序列、 合成多肽链的过程，是基因表达的最终目 的。为模板，把核 苷酸三联遗传密码子翻译成氨基酸序列、 合成多肽链的过程，是基因表达的最终目 的。Francois Jacob (Left), Jacques Monod (Center) & Andre Lwoff (Right)DNA分子中的核苷酸排列顺序 不但决定

3、了胞内所有分子中的核苷酸排列顺序 不但决定了胞内所有RNA及蛋白质 的基本结构，还通过蛋白质（酶） 的功能间接控制了细胞内全部有效 成份的生产、运转和功能发挥。及蛋白质 的基本结构，还通过蛋白质（酶） 的功能间接控制了细胞内全部有效 成份的生产、运转和功能发挥。与与mRNA序列相同的那条序列相同的那条DNA 链是编码链（链是编码链（coding strand）或称 有意义连（）或称 有意义连（sense strand），另一 条根据碱基互补原则指导），另一 条根据碱基互补原则指导mRNA合 成的合 成的DNA链则被称为模板链 （链则被称为模板链 （template strand）或称反义链 （

4、）或称反义链 （antisense strand）。）。图3-1 DNA模板与mRNA分子及 多肽链之间存在共线性关系。图3-1 DNA模板与mRNA分子及 多肽链之间存在共线性关系。DNA和和RNA虽然很相似，只有虽然很相似，只有T或或U 及核糖的第二位碳原子上有所不同，但 它们的生物学活性却很不同。及核糖的第二位碳原子上有所不同，但 它们的生物学活性却很不同。RNA主要以单链形式存在于生物体 内，其高级结构很复杂，它们既担负着 贮藏及转移遗传信息的功能，又能作为 核酶直接在细胞内发挥代谢功能。主要以单链形式存在于生物体 内，其高级结构很复杂，它们既担负着 贮藏及转移遗传信息的功能，又能作为

5、 核酶直接在细胞内发挥代谢功能。因为只有因为只有mRNA所携带的遗 传信息才被用来指导蛋白质生 物合成，所以人们一般用所携带的遗 传信息才被用来指导蛋白质生 物合成，所以人们一般用U、 C、A、G这这4种核苷酸而不是种核苷酸而不是 T、C、A、G的组合来表示遗 传性状。的组合来表示遗 传性状。生物体内拥有三类RNA，即：生物体内拥有三类RNA，即：编码特定蛋白质序列的mRNA；编码特定蛋白质序列的mRNA；能特异性解读mRNA 中的遗传信 息并将其转化成相应氨基酸后加入 多肽链中的tRNA；能特异性解读mRNA 中的遗传信 息并将其转化成相应氨基酸后加入 多肽链中的tRNA；直接参与核糖体中蛋

6、白质合成的 rRNA。直接参与核糖体中蛋白质合成的 rRNA。3. 1 RNA的转录的转录 3. 1. 1 转录的基本过程转录的基本过程无论是原核还是真核细胞，转录的基本过 程都包括：模板识别 转录起始 通过启动子 转录的延伸和终止。无论是原核还是真核细胞，转录的基本过 程都包括：模板识别 转录起始 通过启动子 转录的延伸和终止。图3-2 大肠杆菌中依赖于DNA的RNA转录过程图示。转 录泡中单链DNA的长度约在17bp左右，被聚合酶复合物 所保护的DNA序列约为35bp左右。图3-2 大肠杆菌中依赖于DNA的RNA转录过程图示。转 录泡中单链DNA的长度约在17bp左右，被聚合酶复合物 所保

7、护的DNA序列约为35bp左右。模板识别阶段主要指模板识别阶段主要指RNA聚合 酶与启动子聚合 酶与启动子DNA双链相互作用并与 之相结合的过程。转录起始前，启 动子附近的双链相互作用并与 之相结合的过程。转录起始前，启 动子附近的DNA双链分开形成转录 泡以促使底物核糖核苷酸与模板双链分开形成转录 泡以促使底物核糖核苷酸与模板 DNA的碱基配对。的碱基配对。转录起始就是转录起始就是RNA链上第一个 核苷酸键的产生。链上第一个 核苷酸键的产生。转录起始后直到形成转录起始后直到形成9个核苷酸 短链是通过启动子阶段，此时个核苷酸 短链是通过启动子阶段，此时RNA 聚合酶一直处于启动子区，新生的聚合

8、酶一直处于启动子区，新生的 RNA链与链与DNA模板链的结合不够牢 固，很容易从模板链的结合不够牢 固，很容易从DNA链上掉下来并导 致转录重新开始。链上掉下来并导 致转录重新开始。一旦一旦RNA聚合酶成功地合成聚合酶成功地合成9 个以上核苷酸并离开启动子区， 转录就进入正常的延伸阶段。所 以，通过启动子的时间代表一个 启动子的强弱。个以上核苷酸并离开启动子区， 转录就进入正常的延伸阶段。所 以，通过启动子的时间代表一个 启动子的强弱。一般说来，通过启动子的时 间越短，该基因转录起始的频率 也越高。一般说来，通过启动子的时 间越短，该基因转录起始的频率 也越高。RNA聚合酶离开启动子，沿聚合酶

9、离开启动子，沿DNA链 移动并使新生链 移动并使新生RNA链不断伸长的过程就 是转录的延伸。大肠杆菌链不断伸长的过程就 是转录的延伸。大肠杆菌RNA聚合酶的活性一般为 每秒聚合酶的活性一般为 每秒50-90个核苷酸。随着个核苷酸。随着RNA聚合酶的 移动，聚合酶的 移动，DNA双螺旋持续解开，暴露出新 的单链双螺旋持续解开，暴露出新 的单链DNA模板，新生模板，新生RNA链的链的3末端 不断延伸，在解链区形成末端 不断延伸，在解链区形成RNA-DNA杂 合物。杂 合物。真核生物真核生物RNA聚合酶不能直接 识别基因的启动子区，需要一些被 称为转录调控因子的辅助蛋白质按 特定顺序结合于启动子上，

10、聚合酶不能直接 识别基因的启动子区，需要一些被 称为转录调控因子的辅助蛋白质按 特定顺序结合于启动子上，RNA聚 合酶才能与之相结合并形成复杂的 前 起 始 复 合 物 （聚 合酶才能与之相结合并形成复杂的 前 起 始 复 合 物 （ preinitiation transcription complex, PIC），以保 证有效地起始转录。），以保 证有效地起始转录。37时，转录生成时，转录生成mRNA的速度 大约是每分钟的速度 大约是每分钟2500个核苷酸，即每秒 钟合成个核苷酸，即每秒 钟合成14个密码子，而蛋白质合成的 速度大约是每秒钟个密码子，而蛋白质合成的 速度大约是每秒钟15个氨

11、基酸。正常 情况下，从一个基因开始表达到细胞 中出现其个氨基酸。正常 情况下，从一个基因开始表达到细胞 中出现其mRNA的间隔约为的间隔约为2.5分 钟，而再过半分钟就能在细胞内测到 相应的蛋白质。分 钟，而再过半分钟就能在细胞内测到 相应的蛋白质。1、什么是DNA的半保留复制？1、什么是DNA的半保留复制？ 2、DNA复制的生物学意义是什2、DNA复制的生物学意义是什 么？么？ 3、原核生物中主要有那几种DNA3、原核生物中主要有那几种DNA 聚合酶？请说出它们的主要功聚合酶？请说出它们的主要功 能？能？ 4、说出人类细胞中最大的和最小4、说出人类细胞中最大的和最小 的染色体，它们各有多少b

12、p。的染色体，它们各有多少bp。5、说出DNA作为遗传物质的最基本5、说出DNA作为遗传物质的最基本 特征。特征。 6、有什么证据说明染色体可能是由6、有什么证据说明染色体可能是由 核小体组成的？核小体组成的？ 7、大肠杆菌DNA完全伸展时有多7、大肠杆菌DNA完全伸展时有多 长？长？ 8、重叠基因是怎样发现的，是从哪8、重叠基因是怎样发现的，是从哪 种生物里首次发现的？种生物里首次发现的？3. 1. 2 转录机器的主要成分转录机器的主要成分1. RNA聚合酶聚合酶RNA聚合酶是转录过程中最关键的酶， 主要以双链聚合酶是转录过程中最关键的酶， 主要以双链DNA为模板，以为模板，以4种核苷三磷

13、酸作为活性前体，并以种核苷三磷 酸作为活性前体，并以Mg2+/Mn2+为辅助 因子，催化为辅助 因子，催化RNA链的起始、延伸和终 止，它不需要任何引物，催化生成的产 物是与链的起始、延伸和终 止，它不需要任何引物，催化生成的产 物是与DNA模板链相互补的模板链相互补的RNA。RNA或或RNA-DNA双链杂合体不能作 为模板。双链杂合体不能作 为模板。原核和真核生物的原核和真核生物的RNA聚合酶虽然都 能催化聚合酶虽然都 能催化RNA的合成，但在其分子组成、 种类和生化特性上各有特色。的合成，但在其分子组成、 种类和生化特性上各有特色。大多数原核生物大多数原核生物RNA聚合酶的 组成是相同的，

14、大肠杆菌聚合酶的 组成是相同的，大肠杆菌RNA聚合 酶由聚合 酶由2个亚基、一个亚基、一个 个亚基、一个亚基、一个 亚基和一个亚基组成，称为核 心酶。加上一个亚基后则成为聚 合酶全酶（亚基和一个亚基组成，称为核 心酶。加上一个亚基后则成为聚 合酶全酶（holoenzyme），相对分 子质量为），相对分 子质量为4.65105。图图3-3 大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶的主要成分与功 能分析聚合酶的主要成分与功 能分析表表3-1 大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶的组成分析聚合酶的组成分析亚基基因相对分 子量亚基 数组分功能rpoA3.6510 42核心酶核心酶组装，启动子识别。rpoB1.5110 5

15、1核心酶和共同形成RNA合成 的活性中心。rpoC1.5510 51核心酶？111041核心酶未知rpoD7.01041因子存在多种因子，用于识别 不同的启动子亚基可能与核心酶的组装及 启动子识别有关，并参与亚基可能与核心酶的组装及 启动子识别有关，并参与RNA聚合 酶和部分调节因子的相互作用。聚合 酶和部分调节因子的相互作用。T4噬菌体感染大肠杆菌后对 亚基的一个精氨酸残基进行噬菌体感染大肠杆菌后对 亚基的一个精氨酸残基进行ADP糖 基化修饰，造成糖 基化修饰，造成RNA聚合酶全酶对 启动子亲和力降低。聚合酶全酶对 启动子亲和力降低。由和由和亚基组成了聚合酶的 催化中心，它们在序列上与真核生

16、 物亚基组成了聚合酶的 催化中心，它们在序列上与真核生 物RNA聚合酶的两个大亚基有同源 性。亚基能与模板聚合酶的两个大亚基有同源 性。亚基能与模板DNA、新生、新生 RNA链及核苷酸底物相结合。链及核苷酸底物相结合。因子的作用是负责模板链的选 择和转录的起始，它是酶的别构 效应物，使酶专一性识别模板上 的启动子。核心酶在因子的作用是负责模板链的选 择和转录的起始，它是酶的别构 效应物，使酶专一性识别模板上 的启动子。核心酶在T7噬菌体噬菌体 DNA上约有上约有1300个结合位点，平 均结合常数为个结合位点，平 均结合常数为21011。因子可以极大地提高因子可以极大地提高RNA聚合酶对 启动子区聚合酶对 启动子区DNA序列的亲和力，酶底结合 常数提高序列的亲和力，酶底结合 常数提高103倍，酶底复合物的半衰期可 达数小时甚至数十小时。倍，酶底复合物的半衰期可 达数小时甚至数十小时。因子还能使因子还能使RNA聚合酶与模板聚合酶与模板DNA 上非特异性位点的结合