DNA的损伤和修复与基因突变

DNA的损伤

自发性损伤：脱嘌呤、嘧啶；碱基脱氨基作用；碱基的互变异构（烯醇式与酮式）、细胞正常代谢产物对DNA的损伤

物理因素：高能离子化辐射（X射线、γ射线）；非离子化辐射（紫外线）

化学因素：烷化剂；碱基类似物

DNA损伤的修复

直接修复、切除修复、错配修复、重组修复、SOS修复

直接修复：常见的有光复活修复，作用于紫外线引起的DNA嘧啶二聚体的损伤修复，由DNA光复活酶识别并催化光复活反应。

切除修复：切除修复是指在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤部分切除，然后以另一条完整的互补链为模板，重新合成切除的部分，使DNA恢复正常结构的过程。——修复DNA损伤的主要方式

基本步骤：识别（核酸内切酶）、切除 + 修补（DNA聚合酶Ⅰ）、连接（DNA连接酶）

错配修复：区别模板链和新合成的DNA链是通过碱基的甲基化来实现的。刚合成的子代分子中，亲代链甲基化，新合成链的GATC中的A 未被甲基化，故子代DNA暂时是半甲基化的，细胞发现错配碱基，首先切除未甲基化链上的错配碱基。

重组修复：

SOS修复：当DNA受到严重损伤，细胞为了生存诱发的一些复杂的反应。其诱发了修复机制相关酶与蛋白质产生。

基因突变

概念：在DNA分子碱基序列水平上所发生的一种永久性、可遗传的变化。

点突变（转换——嘧啶与嘧啶，嘌呤与嘌呤、颠换——嘧啶与嘌呤）、缺失、插入

DNA的转座

转座子：基因组上可自主复制和位移的DNA片段，可以直接从基因组内的一个位点移

到另一个位点，发生转座重组，从而改变染色体的结构。转座子的转移过程叫转座。转座子每次移动时携带着转座必需的基因一起在基因组内跃迁，所以转座子又称跳跃基因。

类型：简单转座子和复合转座子

结构特征：（1）结构中含有一个或多个开放阅读框，其中有一个编码转座酶的

基因，这种酶催化转座子插入新的位置；

（2）两端有20-40bp的反向末端重复序列，末端重复序列是转座所必需的，因为它们是转座酶所识别的底物。

转座机制：

转座作用的遗传学效应：1. 引起插入突变2. 产生新的基因3. 产生染色体畸变

4. 引起生物进化

反转座子：以RNA为中间体进行转座

第三章 RNA的合成

转录的概念与特点

转录：以DNA中一条链为模板，在RNA聚合酶催化下，以四种NTP为原料，合成RNA的过程。

有两种方式：

DNA指导的RNA合成——生物体内的主要合成方式。

RNA指导的RNA合成——病毒。

合成的RNA中，如只含一个基因的遗传信息，称为单顺反子；如含有几个基因的遗传信息，则称为多顺反子。

转录特点：

不对称性：指以双链DNA中的一条链作为模板进行转录，该链称为模板链（无意

义链、负链），另一条不作为模板的链称为编码链（有意义链、正链）

连续性：RNA转录合成时为连续合成一段RNA链，各条RNA链之间无需再进行

连接。

单向性：合成方向为5'→3'

有特定的起始和终止位点：RNA转录合成时，只能以DNA分子中的某一段作为模板

转录可同时进行

DNA复制与转录的比较

相同点：

都以DNA为模板

碱基的加入严格遵循碱基配对原则

都生成磷酸二酯键

新链合成方向为5’→3’

不同点：

复制需要引物，转录不需引物

转录时，模板DNA的信息全保留，复制时模板信息是半保留

转录时，RNA聚合酶只有5’→3’聚合作用，无5’ →3’及3’→5’外切活性

复制过程是整条染色体复制，而转录是有选择的，在某个时期，只有某个特定的基

因或一组基因被转录

复制--半保留，转录--不对称

转录反应体系：DNA模板，NTP，酶，Mg2+，Mn2+

合成方向：5’→3’

连接方式：3’,5’磷酸二酯键

原核与真核生物RNA聚合酶组成与功能

该酶在单链DNA模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下，不需要引物，即可从5'→3'聚合RNA。

原核

核心酶 +全酶（α2ββ′ωσ）

核心酶：不能起始RNA的合成

σ：转录起始因子，识别转录起始开始部位

作用：识别DNA分子中转录的起始部位，促进与模板链结合，催化NTP的聚合，识别转录终止信号。

真核

功能：识别DNA双链上的启动子

使DNA变性在启动子处解旋成单链

通过阅读启动子序列，RNA pol确定它自己的转录方向和模板链

达到终止子时，通过识别停止转录

启动子与终止子

启动子

基因转录起始所必需的一段DNA序列，位于结构基因上游。启动子本身不转录

原核生物启动子：包括转录起始点、结合部位（-10区）、识别部位（-35区）、及二者之间的间隔区。

-10区：位于起始点上游-10bp处，5’-TATAAT-3’， AT较丰富，易于解链，为RNA聚合酶结合部位。

-35区：位于-35bp处，5’-TTGACA-3’， 为RNA 聚合酶识别位点

真核生物启动子：（三类）RNA聚合酶Ⅱ识别的启动子包括基础元件、上游元件、应答元件

基础元件：包括TATAbox和起始子，TATAbox与-10区相似，是转录因子与DNA结合部位

上游元件：作用是提高转录效率，并不是所有的启动子必须的

终止子

在基因编码区下游的可被RNA聚合酶识别和停止合成RNA的一段DNA序列

特点：富含GC与AT，形成发卡结构和连续的U区，以终止转录。

蛋白ρ因子辅助识别终止信号，参与终止。

大肠杆菌中的两类终止子：

强终止子：发夹结构， 3′端上有6个U

弱终止子 －需要ρ因子

原核生物RNA的合成

分为起始，延长、终止三个阶段

转录起始不需要引物

RNA按5’~3’方向延伸

真核生物转录过程与原核生物的不同点

转录在细胞不同位置进行

原核只有一种RNA聚合酶，而真核细胞有三种聚合酶；

启动子的结构特点不同，真核有三种不同的启动子和有关的元件；

真核生物RNA聚合酶自身不能识别和结合到启动子上，需要转录因子先于启动子结合后才能结合上去。

RNA转录后加工

减少部分片段：切除5′端前导序列，3′端拖尾序列和中部的内含子

增加部分片段：5′加帽，3′加poly(A)，通过编辑加入一些碱基

修饰：对某些碱基进行甲基化

原核生物RNA转录后加工

转录过程中几个结构基因利用共同的启动子和共同的终止信号，转录形成一条mRNA分子，一条mRNA链可编码几种不同的蛋白质。形成的mRNA称为多顺反子Mrna。

真核生物RNA转录后加工

tRNA加工：与原核生物不同的一点是先将内含子切除，再由连接酶将外显子连接

mRNA加工：一个结构基因转录成一个mRNA分子且内含子与外显子一起被转录

包括：5’末端加帽子、3’端多聚A尾、剪接去除内含子将外显子连接

5’末端加帽子：脱磷、加GTP、甲基化 （细胞核内完成）

0型帽子：7—甲基鸟苷三磷酸吗m^7GpppN

Ⅰ型、Ⅱ型

3’端多聚A尾：poly（A）不为基因编码，由poly（A）聚合酶合成（细胞核）

剪接：核内不均一RNA （hnRNA）: 为mRNA的前体，转录物中外显子与内含子间隔排列，需经剪接加工后生成mRNA。

外显子: 在真核生物基因中编码蛋白质的序列。

内含子: 非编码蛋白的序列

5’端剪切点为GU；3’端剪切点为AG

核酶：具有酶的催化活性的RNA称为核酶

第四章 蛋白质的生物合成和转运

翻译：从mRNA链上一个特定的起始位点开始，按每三个核苷酸代表一个氨基酸的原则，依次合成一条多肽链的过程。包括起始、延长、终止。

参与蛋白质生物合成的物质

20种氨基酸、mRNA、tRNA、核糖核蛋白体（RNA和核糖体）、辅助因子

mRNA：起始密码----AUG

终止密码----UAA/UGA/UAG

通用性与特殊性(人线粒体中，UGA不是终止码，而是色氨酸的密码子)

简并性(一种以上密码子编码同一个氨基酸)

摆动性(前两个碱基决定其专一性，第三位碱基可有变异)

连续性和方向性

不重叠性

tRNA: （1）具反密码子识别mRNA上密码子，反密码子阅读方向5’~3’，反密码子第一位碱基与密码子第三位碱基配对。

（2）携带氨基酸，氨基酸结合在tRNA 3’端CCA的位置。一种氨基酸可被几种tRNA携带，一种tRNA只携带一种氨基酸。tRNA以所运氨基酸命名，如携带丙氨酸的叫丙氨酸—tRNA，结合氨基酸后，成为丙氨酰—tRNA。

（3）连接多肽链和核糖

核糖核蛋白体：蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。一类附着于粗面内质网，参与分泌蛋白的合成。另一类游离于胞质，参与细胞固有蛋白质的合成。

原核生物与真核生物核糖体组分

核糖体上活性位点

（二）蛋白质合成的过程

氨基酸的活化与转运、多肽链合成的起始、肽链的延长、肽链合成终止、折叠与加工

（1）氨基酸的活化与转运：氨酰-tRNA合成酶催化氨基酸的活化和与特异的tRNA结合

（2）多肽链合成的起始：辨认起始密码子，核糖体与mRNA、第一个氨酰-tRNA、起始因子结合形成起始复合物。

原核生物中： 真核生物中：

起始氨基酸是：甲酰甲硫氨酸 甲硫氨酸

起始AA-tRNA是：fMet-tRNAfMet Met-tRNAMet

原核起始tRNA：tRNAf 真核生物起始：tRNAi 延伸：tRNAm

肽链的延长——结合、转肽、移位

肽链合成的终止：当核蛋白体A位出现终止密码后，多肽链合成停止，肽链从肽酰－tRNA中释出，mRNA、核蛋白体大小亚基等分离

真核生物与原核生物蛋白质合成的异同

起始

核糖体为80S

用于起始的氨酰-tRNA为Met-tRNAMet（甲硫氨酸没有被甲酰化）

起始因子较多

mRNA的5′端帽子结构和3′端polyA都参与形成翻译起始复合物

（三）蛋白质合成的抑制剂

（1）抗生素类阻断剂

链霉素、卡那霉素、新霉素

抑制G﹣蛋白质合成的三个阶段：

①阻止起始复合物的形成，使氨基酰tRNA从复合物中脱落；

②在肽链延伸阶段，使氨基酰tRNA与mRNA错配；

③在终止阶段，阻碍终止因子与核蛋白体结合，使已合成的多肽链无法释放，而且还抑制70S核糖体的解离。

四环素和土霉素

作用于细菌内30S小亚基，抑制起始复合物的形成；

抑制氨基酰tRNA进入核糖体的A位，阻滞肽链的延伸；

影响终止因子与核糖体的结合，使已合成的多肽链不能脱落离核糖体。

氯霉素—广谱抗生素。

①与核糖体上的A位紧密结合，因此阻碍氨基酰tRNA进入A位。

②抑制转肽酶活性，使肽链延伸受到影响，菌体蛋白质不能合成，因此有较强的抑菌作用

嘌呤霉素

代一些氨基酰tRNA进入核糖体的A位，当延长中的肽转入此异常A位时，容易脱落，终止肽链合成。

白喉霉素

（2）干扰素对病毒蛋白合成的抑制

干扰素是真核细胞感染病毒后能分泌的一类有抗病毒作用的蛋白质，能抑制病毒的繁殖。

扰素诱导的蛋白激酶使真核eIF2磷酸化失活

蛋白质的运转

分泌蛋白—翻译-转运同步机制；细胞器需要-翻译后转录机制

翻译-运转同步机制

信号肽假说

信号肽：常指新合成多肽链中用于指导蛋白质跨膜转移的N-末端氨基酸序列

假说的基础：蛋白质定位的信息存在于该蛋白质自身结构中，并且通过与膜上特殊受体的相互作用得以表达

假说的内容：蛋白质跨膜运转信号也是由mRNA编码的。在起始密码子后，有一段编码疏水性氨基酸序列的RNA区域，这个氨基酸序列就被称为信号序列。信号序列在结合核糖体上合成后便与膜上特定受体相互作用，产生通道，允许这段多肽在延长的同时穿过膜结构，因此，这种方式是边翻译边跨膜运转。

当翻译进行到50~0个氨基酸后，信号肽开始从核糖体上露出，被糙面内质网上受体识别并结合，信号肽进入内质网后，被水解，正在合成的新生肽随之通过蛋白孔道穿越磷脂双分子层，当核糖体移至终止子，蛋白质合成结束，膜上的蛋白通道消失，核糖体重新处于自由态。

翻译后转运机制：线粒体蛋白质跨膜运转、叶绿体蛋白质的跨膜运转

（四）蛋白质的降解

泛素——蛋白酶体系统，包括两个主要步骤：（1）底物蛋白的泛素化标记（2）蛋白酶体水解底物蛋白

（1）底物蛋白的泛素化标记

A.泛素激活酶（E1)活化泛素形成E1-泛素复合物，消耗1分子ATP；

B.泛素载体蛋白（E2）催化泛素分子从E1转到E2，形成E2-泛素复合物，

释放出E1；

C.在泛素蛋白连接酶（E3）的催化下，泛素分子羟基末端与底物蛋白肽链

中某些赖氨酸侧链上的ε—氨基形成异肽键；

D.第二个泛素分子羧基末端与第一个泛素分子48位赖氨酸侧链的ε—氨

基连接，以后的泛素分子以相同方式连接，最终形成多聚泛素分子的蛋

白链标记。

（2）蛋白酶体水解底物蛋白

A.具调节活性的19S蛋白复合体使底物蛋白去折叠，并通过蛋白酶体受

体端裂隙进入20S内部；

B.具催化活性的20S蛋白复合体将底物蛋白降解为小片段，小片段的释放方式还不太清楚。释放出的泛素分子可被循环利用。