执业医师最新最全考点解析系列生物化学部分第九节遗传信息的传递.docx
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执业医师最新最全考点解析系列生物化学部分第九节遗传信息的传递
第九单元 遗传信息的传递
本章考点:
1.遗传信息传递概述:
中心法则
2.DNA的生物合成
(1)DNA生物合成的概念
(2)DNA的复制
(3)逆转录
(4)DNA的损伤与修复
3.RNA的生物合成
(1)RNA生物合成的概念
(2)转录体系的组成及转录过程
(3)转录后加工过程
第一节 遗传信息传递概述
一.DNA的功能
DNA是生物遗传的主要物质基础。
1.遗传信息的储存:
遗传信息以密码的形式编码在DNA分子上,表现为特定的核苷酸序列。
2.遗传信息的传递:
通过DNA的复制由亲代传递给子代。
3.遗传信息的表达:
遗传信息自DNA转录给RNA,然后翻译成特异的蛋白质,以执行各种生命功能。
二.遗传学的中心法则:
遗传学的中心法则指的是遗传信息的传递方式
反转录现象是对中心法则的补充,它表明少数RNA也是遗传信息的携带者。
第二节 DNA的生物合成
DNA生物合成有DNA复制和反转录两种方式。
DNA复制是指遗传物质的传代。
复制是指以母链为模板合成子链DNA的过程。
复制的分子基础是碱基配对规律和DNA双螺旋结构
复制的化学本质是酶促的生物细胞单核苷酸聚合。
一、复制基本规律
1.半保留复制:
DNA合成时,母链DNA解开为两股单链,各自作为模板按碱基配对规律,合成与模板互补的子链。
子代细胞的DNA,一股单链从亲代完整的接受过来,另一股单链则完全重新合成,这种复制方式为半保留复制。
2.半不连续复制:
DNA复制时,两条子链合成的情况不同,一条链连续合成,另一条链不连续合成。
以复制叉向前移动的方向为标准,一条模板链是5’到3’走向,在其上DNA能连续合成;另一条链模板链是3’到5’走向,在其上DNA也是5’到3’方向合成,但与复制叉方向正好相反,所以随着复制叉的移动,形成许多不连续的片段,最后连成一条完整的DNA链。
因此,这种复制方式为不连续复制。
3.双向复制:
复制起始点:
DNA复制在DNA特定的位点起始,叫复制起始点。
原核生物只有一个复制起始点(单点复制),真核生物可有多个复制起始点(多点复制)。
复制子:
复制起始点到复制终点形成一个复制单位。
原核有一个复制子,真核有多个复制子,复制子之间形成“眼睛”结构。
多数为定点双向复制。
二、复制的酶学
(一)DNA聚合的参与物
1.原料:
dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)
2.模板:
DNA两条链分别做模板
3.引物:
小段寡核苷酸,多为RNA(提供3’一0H末端)
4.多种酶:
DNA聚合酶、引物酶或RNA聚合酶、解螺旋酶、DNA拓扑异构酶、单链DNA结合蛋白
5.Mg2+
(二)DNA聚合酶(DNA依赖的DNA聚合酶、DNA-poI)
1.原核生物DNA聚合酶
(1)原核生物DNA聚合酶有三种:
DNA聚合酶I:
切除引物、填补空隙,在修复合成中起主要作用
DNA聚合酶Ⅲ:
在复制中起主要作用的聚合酶
(2)用蛋白水解酶将DNApoII部分水解可得两个片段:
大片段(Klenow片段),75kD,活性:
5’--3’聚合活性、3’--5’外切活性;
小片段,36kD,活性:
5’--3’外切活性。
2.真核生物DNA聚合酶
(1)真核生物复制延长中起主要催化作用的是DNA聚合酶δ。
(2)真核生物复制中起校读、修复和填补引物缺口作用的聚合酶是DNA聚合酶ε。
3.DNA聚合酶的反应特点
(1)以4种dNTP为底物;
(2)反应需要接受模板的指导,不能催化游离的dNTP的聚合;
(3)反应需有引物3’一0H存在;
(4)链延长方向5’一3’;
(5)产物DNA的性质与模板相同。
(6)有校正纠错的功能
(三)引物酶或RNA聚合酶
细胞内,DNA的复制需要引物(DNA或RNA),引物酶或RNA聚合酶可合成6~10个碱基的RNA引物。
(四)解螺旋酶
大肠杆菌的解螺旋酶利用ATP供能,使DNA双链解开成两条单链。
(五)DNA拓扑异构酶
1.拓扑异构酶功能
松解超螺旋、防止打结。
2.拓扑异构酶分类:
拓扑异构酶I和Ⅱ,广泛存在于原核生物和真核生物。
(1)拓扑异构酶I:
使DNA的一条链发生断裂和再连接,反应无须供给能量,主要集中在活性转录区,与转录有关。
(2)拓扑异构酶Ⅱ:
使DNA的两条链同时断裂和再连接,当它引入超螺旋时需要由ATP供给能量。
(六)单链DNA结合蛋白
复制叉上的解螺旋酶,沿双链DNA前进,产生单链区,大量的单链DNA结合蛋白与单链区结合,阻止重新生成双链和保护单链DNA不被核酸酶降解。
即复制中维持模板的单链状态并保护单链的完整。
(七)DNA连接酶
通过形成磷酸二酯键,连接在互补基础上的双链DNA上的切口。
三、DNA生物合成过程
(一)起始阶段
1.螺旋松弛与解链
DNA解旋、解链、形成复制叉
参与酶:
拓扑异构酶、解链酶(解螺旋酶)、单链结合蛋白(SSB)
2.引发(合成RNA引物)
复制起始点:
DNA复制在DNA特定的位点起始,叫复制起始点。
原核生物只有一个复制起始点,真核生物可有多个复制起始点。
(1)复制叉在复制DNA双螺旋分子的分叉处。
(2)引物酶按着单链碱基互补合成RNA引物。
原核生物复制时的RNA引物较长,真核生物的引物较短。
(3)引发体将与复制有关的基因命名为Dna,
DnaB是解旋酶,DnaG是引物酶。
DnaA,DnaB,DnaC,DnaG和其他一些复制因子组成聚合体,再和DNA结合组成引发体。
除去DnaG的聚合物叫引发前体,前体可反复和引物酶结合,合成引物。
(二)链延长
复制需同时满足两条链反向平行、新链从5’→3’延长、边解链边复制。
复制的延长指在DNA-pol催化下,dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上,即按碱基互补原则新链不断的延长。
1.新合成链的延长方向:
5’端→3’端。
2.碱基配对双链反向平行:
A—T,T—A,G—C,C—G。
3.半不连续复制:
先导链(领头链)连续合成、随从链分段合成。
(写字板)
复制时两条链分别作模板,但方向相反。
新链合成方向与母链解链方向相同—连续合成—领头链
新链合成方向与母链解链方向相反—不连续合成—随从链,合成冈崎片段。
4.冈崎片段:
复制中不连续片段被命名为冈崎片段。
随从链中的DNA片段。
原核生物的冈崎片段较长,真核生物的冈崎片段较短。
(三)终止
1.原核生物
是环状DNA,单复制子复制。
从起始点开始进行双向复制各进行1800,同时在终止点上汇合。
去除引物,填补空隙,连接冈崎片段形成完整DNA分子
2.真核生物
(1)染色体线性DNA分子末端有端粒结构,需端粒酶完成终止。
(2)端粒酶:
由RNA和蛋白质组成,RNA作为模板,蛋白组分催化末端DNA合成,故端粒酶实质上属于一种特殊的反转录酶。
四、反转录(逆转录)
反转录是指以RNA为模板,即按照RNA中的核苷酸顺序合成DNA的过程。
这与通常转录过程中遗传信息流从DNA到RNA的方向相反。
(一)反转录病毒和反转录酶
1.RNA病毒的基因组是RNA而不是DNA,其复制方式是反转录,也称反转录病毒。
2.反转录的信息流动方向:
RNA--DNA
3.反转录酶活性:
RNA依赖的DNA聚合酶活性、DNA依赖的DNA聚合酶活性、RNA水解酶活性。
4.反应体系:
RNA模板、原料(dNTP)、引物(tRNA)、反转录酶。
(二)意义
补充中心法则;
揭示了反转录病毒的致癌机制;
为基因工程提供工具和思路。
五、DNA的损伤修复
(一)损伤因素和类型:
物理因素:
紫外线(UV)、各种辐射。
化学因素:
多种化学诱变剂。
损伤类型:
碱基更替、丢失、链内连接键断裂,两条链之间交联等。
(二)修复类型
1光修复
主要修复嘧啶二聚体。
2.切除修复
可修复多数DNA损伤。
过程:
切(AP内切酶、UvrC等)、补(DNA聚合酶I)、连(连接酶)。
典型病例:
着色性干皮病(XP)患者易患皮肤癌。
经分析表明,患者皮肤细胞中缺乏紫外线特异性核酸内切酶,因此对紫外线引起的DNA损伤不能修复。
这就说明修复系统障碍可能是癌症发生的一个原因。
3.重组修复
由错误模板复制的子链带有错误切口时,用此方式。
4.SOS修复
DNA广泛损伤至难以继续复制而诱发的复杂反应。
第三节 RNA的生物合成
一、RNA的生物合成(转录)的概念
转录是以DNA的一条链为模板,4种NTP为原料,在DNA指导的RNA聚合酶(DDRP)作用下,按碱基配对规律生成RNA链。
二、转录体系的组成及转录过程
(一)转录体系的组成
1.原料、RNA聚合酶及其他蛋白因子。
2.转录模板
转录是以DNA的一条链为模板。
(1)模板链(Watson链):
是双链DNA中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链。
(2)编码链(Crick链):
与模板链互补的单链,其碱基序列与mRNA基本相同(只有T和u的差别)。
转录的碱基互补规律:
A-U、T-A、C-G
(3)不对称转录:
在DNA分子双链上,一股链用作模板指引转录,而另一股链不转录;
模板链并不总是在同一单链上。
3.RNA聚合酶
(1)原核生物RNA聚合酶
①原核生物的RNA聚合酶只有一种,可以催化不同种类的RNA合成。
②RNA聚合酶由四种五个亚基构成,亚基有各自的功能。
原核生物的RNA聚合酶可被利福平抑制
(2)真核生物RNA聚合酶
有多种,不同RNA由不同聚合酶催化生成。
1)RNA聚合酶I………………转录生成rRNA
2)RNA聚合酶Ⅱ………………转录生成mRNA前体
3)RNA聚合酶Ⅲ………………转录生成小分子RNA(tRNA,5SrRNA,snRNA等)
3.模板与酶的辨认结合:
原核生物以RNA聚合酶全酶结合到DNA的启动子上来启动转录,其中由σ亚基辨认启动子,其他亚基相互配合。
(二)转录过程
转录过程包括起始、延长、终止。
原核生物和真核生物的RNA-pol种类不同,结合模板的特性不一样,转录起始过程有较大区别。
1.起始
(1)s因子辨认转录起始点,RNA聚合酶与模板结合
转录起始部位也称启动子。
启动子是在转录起始点上游的特殊碱基序列,一般包括RNA聚合酶识别、结合、起始转录的特殊序列,如TATA盒。
原核生物启动子
原核生物转录起始复合物RNA-pol(α2ββ’σ)-DNA-pppGpN-OH3’
(2)DNA双链解开,按碱基互补掺入核苷酸
第一个磷酸二酯键生成,s亚基脱落。
(3)真核生物转录起始前复合物(PIC):
真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化,转录起始时,RNA-pol不直接结合模板,需要先和转录因子结合。
转录因子TFⅡD的TBP亚基结合TATA,在TFⅡA和ⅡB的促进和配合下,形成ⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合体。
TFⅡF结合RNA-polⅡ进入启动子的核心区TATA,、接着TFⅡE和TFⅡF进入而完成PIC的装配。
2.链延长
链延长方向:
5’端--3’端
RNA聚合酶在模板链的移动方向:
3’端--5’端
碱基配对:
A—U,T—A,G—C,C—G
(1)原核生物
σ因子从全酶上脱离,余下的核心酶继续沿DNA链移动,按照碱基互补原则,不断聚合RNA。
1)酶和DNA结合较松,向前滑动,按与模板碱基配对不断合成RNA。
2)转录泡:
RNA聚合酶所在区,有17个碱基对解链,有12个碱基对形成DNA-RNA杂交链,前后DNA都是双链。
3)RNA聚合酶核心酶、DNA和RNA组成的复合物,也叫转录复合物。
4)为多顺反子转录(1个启动子,数个结构基因)。
5)转录后一般不需特别加工。
(2)真核生物
1)真核生物RNA聚合酶不能直接与DNA结合,需与TFⅡD等因子结合形成复合物。
2)为单顺反子转录(1个启动子,1个结构基因)。
3)转录后需加工。
3.终止
(1)原核生物
1)依赖ρ因子(终止因子)的转录终止:
ρ因子与转录产物结合,结合后ρ因子和RNA聚合酶发生构象改变,从而使RNA聚合酶停顿。
2)非依赖ρ因子的转录终止:
转录产物的3’端有多个连续的u,在连续u的5’上游可形成发夹结构。
(2)真核生物mRNA在修饰点处被切断。
转录终止的修饰点:
读码框架下游的AATAAA序列,及再下游有相当多的GT序列。
三、真核生物转录后修饰
转录生成的RNA是初级转录产物。
真核生物mRNA转录后,需进行首尾修饰,以及对mRNA链进行剪接。
(一)mRNA的转录后加工
1.首、尾的修饰
“戴帽”:
5’端添加mGpppG一结构。
“加尾”:
3’端添加多聚腺苷酸(polyA)结构。
2.剪接去除“内含子”和连接“外显子”
(1)内含子:
隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。
(2)外显子:
在断裂基因及其初级转录产物上出现,并表达为成熟RNA的核酸序列。
3.化学修饰甲基化等。
4.RNA编辑:
是遗传信息在转录水平发生改变,由一个基因产生不止一种蛋白质。
(二)tRNA的转录后加工
酶的剪接过程;
各种稀有碱基的生成,如甲基化,还原反应,核苷内的转位反应,脱氨反应;
3’末端加上CCA-OH。
(三)rRNA的转录后加工
45S-rRNA是rRNA基因的主要初级转录产物,经剪接成为5.8SrRNA、18SrRNA和28SrRNA。
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