第十二章 RNA的生物合成
在RNA聚合酶的催化下，以一段DNA链为模板合成RNA，从而将DNA所携带的遗传信息传递给RNA的过程称为转录。经转录生成的RNA有多种，主要的是rRNA，tRNA，mRNA，snRNA和HnRNA。
1．转录的不对称性：指以双链DNA中的一条链作为模板进行转录，从而将遗传信息由DNA传递给RNA。对于不同的基因来说，其转录信息可以存在于两条不同的DNA链上。能够转录RNA的那条DNA链称为有意义链（模板链），而与之互补的另一条DNA链称为反意义链（编码链）。
2．转录的连续性：RNA转录合成时，在RNA聚合酶的催化下，连续合成一段RNA链，各条RNA链之间无需再进行连接。
3．转录的单向性：RNA转录合成时，只能向一个方向进行聚合，RNA链的合成方向为5’→3’。
4．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，故存在特定的起始位点和特定的终止位点。
二、RNA转录合成的条件：
1．底物：四种核糖核苷酸，即ATP，GTP，CTP，UTP。
2．模板：以一段单链DNA作为模板。
3．RNA聚合酶（DDRP）： RNA聚合酶在单链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。
原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构成，即α2ββ’σ。σ亚基与转录起始点的识别有关，而在转录合成开始后被释放，余下的部分（α2ββ’）被称为核心酶，与RNA链的聚合有关。
真核生物中的RNA聚合酶分为三种：RNA polⅠ存在于核仁，对α-鹅膏蕈碱不敏感，用于合成rRNA前体；RNA polⅡ存在于核基质，对α-鹅膏蕈碱极敏感，用于合成HnRNA；RNA polⅢ存在于核基质，对α-鹅膏蕈碱敏感，用于合成tRNA前体、snRNA及5S rRNA。
4．终止因子ρ蛋白：这是一种六聚体的蛋白质，能识别终止信号，并能与RNA紧密结合，导致RNA的释放。
5．激活因子：降解产物基因激活蛋白（CAP），又称为cAMP受体蛋白（CRP），是一种二聚体蛋白质。该蛋白与cAMP结合后，刺激RNA聚合酶与起始部位结合，从而起始转录过程。
三、RNA转录合成的基本过程：
1．识别：RNA聚合酶中的σ因子识别转录起始点，并促使核心酶结合形成全酶复合物。
位于基因上游，与RNA聚合酶识别、结合并起始转录有关的一些DNA顺序称为启动子。在原核生物中的启动子通常长约60bp，存在两段带共性的顺序，即5’-TTGACA-3’和5’-TATAATG-3’，其中富含TA的顺序被称为Pribnow盒。真核生物的启动子中也存在一段富含TA的顺序，被称为Hogness盒或TATA盒。
2．起始：RNA聚合酶全酶促使局部双链解开，并催化ATP或GTP与另外一个三磷酸核苷聚合，形成第一个3’,5’-磷酸二酯键。
3．延长：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。
4．终止：RNA转录合成的终止机制有两种。
⑴自动终止：模板DNA链在接近转录终止点处存在相连的富含GC和AT的区域，使RNA转录产物形成寡聚U及发夹形的二级结构，引起RNA聚合酶变构及移动停止，导致RNA转录的终止。
⑵依赖辅助因子的终止：由终止因子（ρ蛋白）识别特异的终止信号，并促使RNA的释放。
四、真核生物RNA转录后的加工修饰：
1．mRNA的转录后加工：
⑴加帽：即在mRNA的5’-端加上m7GTP的结构。此过程发生在细胞核内，即对HnRNA进行加帽。加工过程首先是在磷酸酶的作用下，将5’-端的磷酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，形成GpppN的结构，再对G进行甲基化。
⑵加尾：这一过程也是细胞核内完成，首先由核酸外切酶切去3’-端一些过剩的核苷酸，然后再加入polyA。
⑶剪接：真核生物中的结构基因基本上都是断裂基因。结构基因中能够指导多肽链合成的编码顺序被称为外显子，而不能指导多肽链合成的非编码顺序就被称为内含子。真核生物HnRNA的剪接一般需snRNA参与构成的核蛋白体参加，通过形成套索状结构而将内含子切除掉。
⑷内部甲基化：由甲基化酶催化，对某些碱基进行甲基化处理。
2．tRNA的转录后加工：
主要加工方式是切断和碱基修饰。
3．rRNA的转录后加工：
主要加工方式是切断。
十三章、蛋白质生物合成
生物体内的各种蛋白质都是生物体利用约20种氨基酸为原料自行合成的。蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体的解译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译（translation)。参与蛋白质生物合成的各种因素构成了蛋白质合成体系，该体系包括：
1.mRNA：作为指导蛋白质生物合成的模板。
mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为密码。共有64种不同的密码。遗传密码具有以下特点：① 连续性；② 简并性；③ 通用性；④ 方向性；⑤ 摆动性；⑥ 起始密码：AUG；终止密码：UAA、UAG、UGA。
2.tRNA：在氨基酸tRNA合成酶催化下，特定的tRNA可与相应的氨基酸结合，生成氨基酰tRNA，从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。
tRNA反密码环中部的三个核苷酸构成三联体，可以识别mRNA上相应的密码，此三联体就称为反密码。 反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原则，即A—U，G—C配对。但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则，这种配对称为不稳定配对。
能够识别mRNA中5′端起动密码AUG的tRNA称为起动tRNA。在原核生物中，起动tRNA是tRNAfmet；而在真核生物中，起动tRNA是tRNAmet。
3．rRNA和核蛋白体：原核生物中的核蛋白体大小为70S，可分为30S小亚基和50S大亚基。真核生物中的核蛋白体大小为80S，也分为40S小亚基和60S大亚基。核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能：
⑴小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。
⑵大亚基：①具有两个不同的tRNA结合点。A位—— 受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；P位——给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合。②具有转肽酶活性。
在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译。由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核蛋白体。
4．起动因子（IF）：这是一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子。原核生物中存在3种起动因子，分别称为IF1-3。在真核生物中存在9种起动因子（eIF）。其作用主要是促进核蛋白体小亚基与起动tRNA及模板mRNA结合。
5．延长因子（EF）：原核生物中存在3种延长因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。其作用主要促使氨基酰tRNA进入核蛋白的受体，并可促进移位过程。
6．释放因子（RF）：原核生物中有4种，在真核生物中只有1种。其主要作用是识别终止密码，协助多肽链的释放。
7．氨基酰tRNA合成酶：该酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活化以及氨基酰tRNA的合成有关。每种氨基酰tRNA合成酶对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种tRNA具有高度特异性。
二、蛋白质生物合成过程：
1．氨基酸的活化与搬运：氨基酸的活化以及活化氨基酸与tRNA的结合，均由氨基酰tRNA合成酶催化完成。反应完成后，特异的tRNA3’端CCA上的2’或3’位自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接，形成氨基酰tRNA。
2．活化氨基酸的缩合——核蛋白体循环：活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核蛋白体循环。核蛋白体循环过程可分为三个阶段：
⑴起动阶段：①30S起动复合物的形成。在IF促进下，30S小亚基与mRNA的起动部位，起动tRNA（tRNAfmet），和GTP结合，形成复合体。②70S起动前复合体的形成。IF3从30S起动复合体上脱落，50S大亚基与复合体结合，形成70S起动前复合体。③70S起动复合体的形成。GTP被水解，IF1和IF2从复合物上脱落。
⑵肽链延长阶段：①进位：与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核蛋白体的受位。此步骤需GTP，Mg2+，和EF参与。②成肽：在转肽酶的催化下，将给位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到受位上的氨基酰tRNA上，与其α-氨基缩合形成肽键。给位上已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核蛋白上脱落。③移位：核蛋白体向mRNA的3’- 端滑动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基tRNA从受体移到给位。此步骤需EF（EFG）、GTP和Mg2+参与。 此时，核蛋白体的受位留空，与下一个密码相对应的氨基酰tRNA即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长。
⑶肽链终止阶段：核蛋白体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入受位。①识别：RF识别终止密码，进入核蛋白体的受位。②水解：RF使转肽酶变为水解酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。③解离：通过水解GTP，使核蛋白体与mRNA分离，tRNA、RF脱落，核蛋白体解离为大、小亚基。
三、多肽链合成后的加工修饰：
1．一级结构的加工修饰：
⑴N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：N端甲酰蛋氨酸是多肽链合成的起始氨基酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。其过程是：① 去甲酰化；② 去蛋氨酰基。
⑵氨基酸的修饰：由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。
⑶二硫键的形成：由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。
⑷肽段的切除：由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。
2．高级结构的形成：
⑴构象的形成：在分子内伴侣、辅助酶及分子伴侣的协助下，形成特定的空间构象。
⑵亚基的聚合。
⑶辅基的连接。
3．靶向输送：蛋白质合成后，定向地被输送到其执行功能的场所称为靶向输送。大多数情况下，被输送的蛋白质分子需穿过膜性结构，才能到达特定的地点。因此，在这些蛋白质分子的氨基端，一般都带有一段疏水的肽段，称为信号肽。分泌型蛋白质的定向输送，就是靠信号肽与胞浆中的信号肽识别粒子（SRP）识别并特异结合，然后再通过SRP与膜上的对接蛋白（DP）识别并结合后，将所携带的蛋白质送出细胞。
第十四章 基因表达调控
一、基因表达调控基本概念与原理：
1．基因表达的概念：基因表达（gene expression）就是指在一定调节因素的作用下，DNA分子上特定的基因被激活并转录生成特定的RNA，或由此引起特异性蛋白质合成的过程。
2．基因表达的时间性及空间性：
⑴时间特异性：基因表达的时间特异性(temporal specificity)是指特定基因的表达严格按照特定的时间顺序发生，以适应细胞或个体特定分化、发育阶段的需要。故又称为阶段特异性。
⑵空间特异性：基因表达的空间特异性（spatial specificity）是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因的表达在不同的细胞或组织器官不同，从而导致特异性的蛋白质分布于不同的细胞或组织器官。故又称为细胞特异性或组织特异性。
3．基因表达的方式：
⑴组成性表达：组成性基因表达（constitutive gene expression）是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。这类基因通常被称为管家基因（housekeeping gene）。
⑵诱导和阻遏表达：诱导表达（induction）是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。阻遏表达（repression）是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。
4．基因表达的生物学意义：①适应环境、维持生长和增殖。②维持个体发育与分化。
5．基因表达调控的基本原理：
⑴基因表达的多级调控：基因表达调控可见于从基因激活到蛋白质生物合成的各个阶段，因此基因表达的调控可分为转录水平（基因激活及转录起始），转录后水平（加工及转运），翻译水平及翻译后水平，但以转录水平的基因表达调控最重要。
⑵基因转录激活调节基本要素：①顺式作用元件：顺式作用元件（cis-acting element）又称分子内作用元件，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。②反式作用因子：反式作用因子（trans-acting factor）又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。反式作用因子与顺式作用元件之间的共同作用，才能够达到对特定基因进行调控的目的。③顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用：大多数调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合。这种结合通常是非共价键结合。
二、操纵子的结构与功能：
在原核生物中，若干结构基因可串联在一起，其表达受到同一调控系统的调控，这种基因的组织形式称为操纵子。典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。信息区由一个或数个结构基因串联在一起组成；控制区通常由调节基因（阻抑蛋白编码基因）、启动基因（CRP和RNA聚合酶结合区）和操纵基因（阻抑蛋白结合位点）构成。
1．原核生物乳糖操纵子：
原核生物乳糖操纵子(Lac operon)的控制区包括调节基因，启动基因（其CRP结合位点位于RNA聚合酶结合位点上游）和操纵基因；其信息区由β-半乳糖苷酶基因（lacZ），通透酶基因（lacY）和乙酰化酶基因（lacA）串联在一起构成。当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时，乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合，促使阻抑蛋白与操纵基因分离；另一方面，细胞中cAMP浓度升高，cAMP与CRP结合并使之激活，CRP与启动基因结合并促使RNA聚合酶与启动基因结合，基因转录激活。
2．原核生物色氨酸操纵子：
色氨酸操纵子（trp operon）属于阻遏型操纵子，主要调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。色氨酸操纵子通常处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。色氨酸操纵子的调控还涉及转录衰减(attenuation)机制。即在色氨酸操纵子第一个结构基因与启动基因之间存在有一衰减区域，当细胞内色氨酸酸浓度很高时，通过与转录相偶联的翻译过程，形成一个衰减子结构，使RNA聚合酶从DNA上脱落，导致转录终止。&nb
