遗传信息的流动.

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1 遗传信息的流动

2 细胞的遗传物质中所携带的遗传信息，决定了生物体的遗传性状和生物学行为。
遗传信息就是DNA分子中碱基的排列顺序。

3 基因的结构 基因（gene）是DNA分子中含有特定遗传信息（合成有功能的蛋白质或RNA）的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。
真核细胞除核内DNA外，线粒体和叶绿体的DNA分子中也含有基因，被统称为核外基因。

4 从功能上看基因包括编码蛋白质（酶、结构蛋白、阻遏蛋白）的基因、编码tRNA/rRNA的基因以及对表达起调控作用的基因。
根据基因的不同表现还有移动基因、间隔基因和重叠基因。

5 间隔基因：基因转录区中位于编码基因之间的，与蛋白质翻译无关的序列。
重叠基因（overlapping gene）：同一DNA序列中2个基因的核苷酸序列相互重叠。这种结构使较小的基因组能够携带较多的遗传信息。

6 移动基因/转座子（transposon）
Transposon： Transposons are segments of DNA that can move around to different positions in the genome of a single cell. In the process, they may cause mutations or increase (or decrease) the amount of DNA in the genome. These mobile segments of DNA are sometimes called "jumping genes".

7 转座子基因的发现者是美国的巴巴拉·麦克林托克 (1902-1992) ，她于1951年提出移动基因学说，并于1983年获诺贝尔奖。

8 巴巴拉·麦克林托克

9 玉米的遗传性状常表现为叶子和籽粒颜色的样式和斑纹的改变。
籽粒上出现斑点由基因突变引起。

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11 麦克林托克在研究玉米籽粒颜色的过程中发现，玉米籽粒颜色的变化很不稳定，斑点在单个籽粒形成过程中或出现或消失。
对此她提出了一个全新的概念来解释：遗传基因可以移动，能从染色体的一个位置跳到另一个位置，甚至从一条染色体跳到另一条染色体上。她把这种能自发转移的遗传基因称为“转座子” 。

12 转座子可编码特殊的蛋白酶，催化转座子从宿主DNA上切除并插入靶位点。

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14 当插入到一个新的位置后，转座子对附近基因的功能会造成一定的影响，成为调控序列的一部分，在离开该位置时，它又有可能把一些附近的基因也一起带走。

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16 1951年，麦克林托克在专题讨论会上递交了自己的论文，向科学界报告了她的新理论。
当时的遗传学家对此却无法理解，麦克林托克受到了空前的冷遇。

17 六七十年代，分子遗传学家找到了愈来愈多的可移动的遗传因子，并且发现这些因子不仅存在于细菌中，同时也存在于较高等的动物中。
到80年代初，麦克林托克提出的理论终于被科学界普遍接受。

18 人类核DNA约40％来自于转座子，绝大部分不能进行移动。
转座对于改变生物体的遗传组成有重要影响。

19 基因的分子结构 割裂基因（split gene）：在真核生物细胞基因中，编码序列常常被非编码序列隔断，呈现分裂状。
一个基因通常包括：转录调控区、转录区、终止子。

20 在结构基因的上游存在着决定转录起始的启动子，它是可被RNA聚合酶识别并结合的特异性DNA序列。

21 转录区包括一个起始密码子（AUG）、编码密码（外显子）和一个终止密码子。
转录区还包括两侧非翻译区，它们和编码区当中的间隔序列(内含子) 均不被翻译。 在结构基因的下游存在的终止子是具有终止转录功能的特定序列，可终止RNA聚合酶继续移动并使之脱落。

22 DNA分子中遗传信息，以复制方式向子代传递；以转录方式向RNA传递，RNA经翻译后产生的蛋白质决定生物性状。

23 遗传密码 遗传密码：mRNA上相邻的3个碱基排列形成一个密码子，一个密码子决定一种氨基酸的形成，所有的密码子统称遗传密码。

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25 遗传密码特点 密码子具有方向性：即阅读方向与mRNA合成方向一致。
密码子有兼并性和兼职性：每个密码子三联体决定一种氨基酸，而一种氨基酸可同时有几个密码子编码； 在64个密码子中AUG不仅是Met或者fMet(原核细胞)的密码子，也是肽链合成的起始信号，故称起始密码子，UAA、UAG和UGA为终止密码子，不代表任何氨基酸，也称为无意义密码子。 密码子有通用性：不论是病毒、原核生物还是真核生物，密码子的含义都是相同的。 密码子不重叠，密码子无标点。 线粒体mRNA中的密码子与核mRNA的密码子有不同

26 DNA复制 半保留复制：在DNA复制时，双链DNA解开，按互补碱基的配对原则，以每一条链为模板以合成其互补链，即可形成两个与亲代完全一样的DNA分子。

27 DNA复制要从DNA分子上特定位置开始。这个特定位置被称为复制起始点。DNA复制从起点开始双向进行直到终点为止，每一个这样的DNA单位称为复制子或复制单元。

28 DNA的复制过程大体上可以分为复制的启动，复制的延伸，和复制的终止三个阶段。

29 复制的起始－－引发（Priming） DNA复制的起始就是引物的合成。
DNA聚合酶不能引发DNA新生链的合成，只能在已存在的DNA链或RNA链上延长DNA，因此必须先由引物酶催化引物RNA的合成。 DNA聚合酶的特性决定了DNA复制时先在复制起始区合成一段RNA引物。

30 先由DNA螺旋酶将起始点处的DNA双链解开，引发体与特定序列结合，形成复制叉，再由引物酶合成一小段RNA引物， DNA聚合酶再将第一个脱氧核苷酸加在引物3’端开始链的延伸。

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32 复制的延伸： 在RNA引物的 3’-OH端由DNA聚合酶III按碱基互补规则延伸。因此DNA的合成是具有方向性的。

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34 前导链： 以 3’→5’方向的DNA链做模板链的新链合成可以随着复制叉向前移动，连续合成（5’ →3’）。
后随链：以5’ →3’ 方向的DNA链做模板链的新链合成则不能随着复制叉向前移动，即无法进行连续合成，只能分成许多小片段（okazaki fragment）分段合成。每一段新合成的DNA链前有一小段RNA引物，由 DNA聚合酶I 水解补平，最后由连接酶连接，形成完整的后随链。

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36 复制的终止： 在DNA上也存在着复制终止位点，DNA复制将在复制终止位点处终止。 若两个复制叉相遇时，复制也将终止。

37 复制误差的校对 DNA聚合酶本身具有校对作用。 RNA引物最终也要被切除掉，这样就提高了DNA复制的准确性。

38 DNA转录 以DNA为模板合成RNA的过程称为转录。（transcription）
转录是生物界RNA合成的主要方式，是遗传信息DNA向RNA传递过程，也是基因表达的开始。

39 在DNA的两条链中只有其中一条链可作为模板，这条链叫做模板链（template strand），又叫做有义链。DNA双链中另一条不做为模板的链叫做编码链，又叫做反义链。

40 各基因的模板链并不全在同一条DNA链上，转录时可选择不同链的不同区段，将它们转录到同一条RNA上。

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42 20世纪60年代Robert Roeder首次发现了RNA聚合酶，可催化RNA链中核苷酸间形成磷酸二酯键。

43 原核生物只有一种RNA聚合酶。 真核生物细胞核中有3种RNA聚合酶，分别称为RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，它们专一性地转录不同的基因，由它们催化的转录产物也各不相同。

44 原核生物RNA聚合酶

45 去除σ亚基的部分称核心酶，有RNA聚合酶活性，但不能起始RNA合成。
σ亚基与其他部分结合疏松，本身并无催化功能，它的作用是负责模板链的选择与转录的起始，使酶专一识别启动子。

46 真核生物RNA聚合酶 RNA聚合酶Ⅰ合成RNA的活性最高，它位于核仁中，负责转录编码rRNA的基因。细胞内绝大部分RNA是rRNA。
RNA聚合酶Ⅱ，位于核质中，负责核不均一RNA（ hnRNA ）和snRNA的合成，而hnRNA是mRNA的前体。 RNA聚合酶Ⅲ负责合成tRNA和许多小分子量的核内RNAs。

47 DNA转录合成RNA的方向按5’→3’ 进行，合成过程分为三个阶段：识别与起始、延长和终止。

48 识别与起始 转录是从DNA分子的特定部位开始的，这个部位也是RNA聚合酶全酶结合的部位，也就是启动子（promoter）。
启动子处的核苷酸序列具有特殊性。

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50 转录的起始是基因表达的关键阶段。RNA聚合酶中的σ亚基识别并专一结合启动子部分的特殊序列，使双螺旋局部解旋，选择模板链并开始转录。

51 在合成磷酸二酯键后，σ亚基解离，由聚合酶中的核心酶部分负责RNA链的延伸。
DNA双螺旋在转录时只是暂时局部解旋，转录完毕即恢复双螺旋结构。

52 真核生物的转录过程往往还需要多种蛋白因子的协助，有一类叫做转录因子的蛋白质分子，它们能与RNA聚合酶Ⅱ形成转录起始复合物，共同参与转录起始的过程。

53 RNA链的延长 RNA链的延长靠核心酶的催化，在起始复合物上第一个核苷酸的3’-OH上与第二个三磷酸核苷起反应形成第一个磷酸二酯键。聚合后的核苷酸链又有核糖3’-OH游离，这样就可按模板DNA的指引，一个接一个地延长下去。因此RNA链的合成方面也是5’--3。

54 由于DNA链与合成的RNA链具有反平行关系，所以RNA聚合酶是沿着DNA链3’--5’方向移动。整个转录过程是由同一个RNA聚合酶来完成的一个连续不断的反应。

55 转录的终止 移动的RNA聚合酶到达特定序列时转录终止，RNA聚合酶脱落，合成的RNA 释放，DNA恢复双螺旋结构。
DNA链从启动子到终止子的一段长度即是一个转录单位，称为转录子（transcripton）。

56 RNA聚合酶缺乏3’→5’外切酶活性，所以没有校正功能。

57 转录后加工 刚合成的mRNA是初级转录物，称为核不均一RNA（hnRNA），必须经过加工才能变为成熟的RNA。

58 真核生物转录产生初级转录物为RNA前体，它们必须经过加工过程变为成熟的RNA，才能表现其生物活性。
真核生物mRNA的加工修饰，主要包括对5’端和3’端的修饰以及对中间部分进行剪接。

59 5’端加帽：成熟的真核生物mRNA，其结构的5’端都有一个m7G-ppp结构，该结构被称为甲基鸟苷的帽子。

60 5’端帽子结构增加mRNA的稳定性，保护mRNA免遭5’外切核酸酶的攻击，这种帽子结构还可能为核糖体对mRNA的识别提供了信号。

61 3’端加尾：大多数真核mRNA 都有3’端的多聚A尾（poly A)，多聚A尾大约有200bp。
多聚A尾不是由DNA编码的，而是转录后在核内加上去的。受poly A聚合酶催化，该酶能识别mRNA游离的3’-OH端，并加上约200个A残基。

62 剪接：结构基因中可以含有几十个内含子。经过核酸内切酶作用剪切掉内含子，然后在连接酶作用下将有编码意义的核苷酸片段即外显子首尾相连，才构成完整的mRNA，可送出核外。

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64 不论拼接过程如何，拼接必须极为精确，否则会导致遗传信息传递障碍，合成的蛋白质可能丧失其正常的功能。

65 rRNA转录后加工（自我剪接）

66 tRNA转录后加工 tRNA前体需进行tRNA前体的5’端前导序列特异性剪切；还要进行碱基修饰将正常核苷酸转变为特殊核苷酸；在核苷酸转移酶作用下，3’-末端除去个别碱基，换上tRNA分子统一的CCA-OH末端，完成tRNA分子中的氨基酸臂结构。

67 蛋白质翻译 mRNA从细胞核进入细胞质后，在核糖体上进行蛋白质合成的过程即为翻译（translation）。
具体步骤包括：氨基酸的活化、肽链合成起始、肽链的延长和终止。

68 氨基酸的活化及活化后与相应 tRNA的结合过程，是由氨基酰tRNA合成酶来催化的。

69 氨基酰tRNA以反密码环识别mRNA的密码子，将氨基酸运送到核糖体上合成蛋白质，以D环识别氨基酰tRNA合成酶，以T环与核糖体5S rRNA相识别。

70 蛋白质合成的起始阶段，在起始因子（IF）的作用下，30S亚基与mRNA的起始部位结合，再与甲酰甲硫氨酰tRNA结合，形成30S起始复合体。
30S起始复合体一经形成，50S亚基随之与其结合，形成70S起始前复合体。

71 按 mRNA上的密码子，新的氨基酰 tRNA不断运至核糖体受位（A位），形成肽键。同时，核糖体从mRNA的5′端向3′端不断移位推进翻译过程。
在释放因子（RF）的参与下已合成完毕的肽链释放， tRNA及mRNA脱落，核糖体大小亚基分离。

72 肽链从核糖体释放后，经过细胞内各种修饰处理过程（切除多余肽段、糖基化、折叠……），成为有活性的成熟蛋白质。

73 The end