基因存在于染色体上课件

第11章遗传的分子基础Genetics第11章遗传的分子基础Genetics目录第一节DNA作为主要遗传物质的证据第二节DNA的分子结构第三节DNA的复制第四节DNA与蛋白质合成第五节基因的概念与发展第六节遗传工程2目录第一节DNA作为主要遗传物质的证据2第一节DNA作为主要遗传物质的证据基因存在于染色体上。从化学上分析，生物的染色体是核酸和蛋白质的复合物。其中，核酸主要是脱氧核糖核酸(DNA)，在染色体中平均约占27%；其次是核糖核酸(RNA)约占6%；蛋白质约占66%，主要有组蛋白与非组蛋白两种，其中组蛋白的含量比较稳定，根据细胞的类型与代谢活动，非组蛋白的含量与性质变化较大。此外，还含有少量的拟脂与无机物质。3第一节DNA作为主要遗传物质的证据基因存在于染色体上。3DNA作为主要遗传物质的间接证据

大部分DNA存在于染色体上，而RNA和蛋白质在细胞质内也很多。每个物种不同组织的细胞不论其大小和功能如何，它们的DNA含量是恒定的，而且精子或卵子中的DNA含量正好是体细胞的一半；而细胞内的RNA和蛋白质量在不同细胞间变化很大。另外，多倍体系列的一些物种，其细胞中DNA的含量随染色体倍数的增加，也呈现倍数性的递增。4DNA作为主要遗传物质的间接证据大部分DNA存在于染色体上DNA作为主要遗传物质的间接证据

DNA在代谢上比较稳定。细胞内蛋白质和RNA分子与DNA分子不同，它们在迅速形成的同时，又不断分解。用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，其最有效的波长均为260nm。这与DNA所吸收的紫外线光谱是一致的，亦即在260nm处吸收最多。这证明基因突变是与DNA分子的变异密切相联系的。5DNA作为主要遗传物质的间接证据DNA在代谢上比较稳定。细DNA作为主要遗传物质的直接证据(一)细菌的转化

(二)噬菌体的侵染(三)烟草花叶病毒的感染6DNA作为主要遗传物质的直接证据(一)细菌的转化6(一)细菌的转化

肺炎双球菌有两种不同的类型：一种是光滑型(S型)，被一层多糖类的荚膜所保护，具有毒性，在培养基上形成光滑的菌落。另一种是粗糙型(R型)，没有荚膜和毒性，在培养基上形成粗糙的菌落。在R型和S型内还可以按血清免疫反应的不同，分成许多抗原型，常用IR、IIR和IS、IIS、IIIS等加以区别。7(一)细菌的转化肺炎双球菌有两种不同的类型：7(一)细菌的转化

1928年，Griffith首次将一种类型的肺炎双球菌IIR转化为另一种类型IIIS，实现了细菌遗传性状的定向转化。8(一)细菌的转化1928年，Griffith首次将一种类型(一)细菌的转化

实验的方法是先将少量无毒的IIR型肺炎双球菌注入家鼠体内，再将大量有毒但已加热(65oC)杀死的IIIS型肺炎双球菌注入。结果，家鼠发病死亡。从死鼠体内分离出的肺炎双球菌全部是IIIS型。9(一)细菌的转化实验的方法是先将少量无毒的IIR型肺炎双(一)细菌的转化

可以肯定，被加热杀死的IIIS型肺炎双球菌必然含有某种促成这一转变的活性物质。但当时并不知道这种物质是什么。10(一)细菌的转化可以肯定，被加热杀死的IIIS型肺炎双球(一)细菌的转化

十六年后，Avery等用生物化学方法证明这种活性物质是DNA。他们不仅成功地重复了上述的试验，而且将IIIS型细菌的DNA提取物与IIR型细菌混合在一起，在离体培养的条件下，也成功地使少数IIR型细菌定向转化为IIIS型细菌。其所以确认导致转化的物质是DNA，是因为该提取物不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酸酶的影响，而只能为DNA酶所破坏。11(一)细菌的转化十六年后，Avery等用生物化学方法证明这(一)细菌的转化

12(一)细菌的转化12(二)噬菌体的侵染

Hershey等用同位素32P和35S分别标记T2噬菌体的DNA与蛋白质。因为P是DNA的组分，但不见于蛋白质；而S是蛋白质的组分，但不见于DNA。然后用标记的T2噬菌体(32P或35S)分别感染大肠杆菌，经10分钟后，用搅拌器甩掉附着于细胞外面的噬菌体外壳。13(二)噬菌体的侵染Hershey等用同位素32P和35S分(二)噬菌体的侵染

在第一种情况下，基本上全部放射活性见于细菌内而不被甩掉并可传递给子代。14(二)噬菌体的侵染在第一种情况下，基本上全部放射活性见于细(二)噬菌体的侵染

在第二种情况下，放射性活性大部分见于被甩掉的外壳中，细菌内只有较低的放射性活性，且不能传递给子代。15(二)噬菌体的侵染在第二种情况下，放射性活性大部分见于被甩(三)烟草花叶病毒的感染烟草花叶病毒(TMV)是由RNA(不是DNA)与蛋白质组成的管状微粒，它的中心是单螺旋的RNA，外部是由蛋白质组成的外壳。16(三)烟草花叶病毒的感染烟草花叶病毒(TMV)是由RNA(不(三)烟草花叶病毒的感染如果将TMV的RNA与蛋白质分开，把提纯的RNA接种到烟叶上，可以形成新的TMV而使烟草发病；单纯利用它的蛋白质接种，就不能形成新的TMV，烟草继续保持健壮。如果事先用RNA酶处理提纯的RNA，再接种到烟草上，也不能产生新的TMV。这说明在不含DNA的TMV中，RNA就是遗传物质。17(三)烟草花叶病毒的感染如果将TMV的RNA与蛋白质分开，把(三)烟草花叶病毒的感染为了进一步论证上述的结论，Frankel-Conrat,和Singer把TMV的RNA与另一个病毒品系(HR,Holmesribgrass)的蛋白质，重新合成混合的烟草花叶病毒，用它感染烟草叶片时，所产生的新病毒颗粒与提供RNA的品系完全一样，亦即亲本的RNA决定了后代的病毒类型。18(三)烟草花叶病毒的感染为了进一步论证上述的结论，Frank结论以上实例均直接证明DNA是生物主要的遗传物质，而在缺少DNA的生物中，RNA则为遗传物质。19结论以上实例均直接证明DNA是生物主要的遗传物质，而在缺第二节DNA的分子结构与复制1、两种核酸及其分布2、DNA的分子结构3、RNA的分子结构20第二节DNA的分子结构与复制1、两种核酸及其分布201、两种核酸及其分布

核酸(nucleicacid)是一种高分子的化合物，它的构成单元是核苷酸(nucleotide)，是核苷酸的多聚体。每个核苷酸包括三部分：五碳糖、磷酸和环状的含氮碱基；这种碱基包括双环结构的嘌呤(purine)和单环结构的嘧啶(pyrimidine)。两个核苷酸之间由3’和5’位的磷酸二脂键相连。211、两种核酸及其分布核酸(nucleicacid)是一种OHOCH2糖HHH一个核苷酸

一磷酸腺苷(AMP)OHNH2NNNN碱基POOHHOO磷酸2’3’4’5’1’核苷酸核苷H+-22OHOCH2糖HHH一个核苷酸

一磷酸腺苷(AMP)OHNH1、两种核酸及其分布

核酸有两种：脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。两种核酸的主要区别如下：(1)DNA含的糖分子是脱氧核糖，RNA含的是核糖；(2)DNA含有的碱基是腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)和胸腺嘧啶(T)；RNA含有的碱基前三个与DNA完全相同，只有最后一个胸腺嘧啶被尿嘧啶(U)所代替(图)。231、两种核酸及其分布核酸有两种：脱氧核糖核酸(DNA)和核嘧啶NH2ONNNHN鸟嘌呤NN腺嘌呤NNNH2NONH2NONH2N胞嘧啶尿嘧啶(RNA)CH3NONONHNONONH胸腺嘧啶(DNA)嘌呤24嘧啶NH2ONNNHN鸟嘌呤NN腺嘌呤NNNH2NONH2N1、两种核酸及其分布

(3)DNA通常是双链，RNA主要为单链；DNA的分子链一般较长，而RNA分子链较短。(4)真核生物的绝大部分DNA存在于细胞核内的染色体上，它是构成染色体的主要成分之一，还有少量的DNA存在于细胞质中的叶绿体、线粒体等细胞器内。RNA在细胞核和细胞质中都有，核内则更多地集中在核仁上，少量在染色体上。细菌也含有DNA和RNA。多数噬菌体只有DNA；多数植物病毒只有RNA；动物病毒有些含有RNA，有些含有DNA。251、两种核酸及其分布(3)DNA通常是双链，RNA主要为2、DNA的分子结构(一)DNA的双螺旋结构

(二)DNA构型的变异

262、DNA的分子结构(一)DNA的双螺旋结构26(一)DNA的双螺旋结构DNA分子是脱氧核苷酸的多聚体。因为构成DNA的碱基通常有四种，所以，脱氧核苷酸也有四种，即：脱氧腺嘌呤核苷酸(dATP)脱氧胸腺嘧啶核苷酸(dTTP)脱氧鸟嘌呤核苷酸(dGTP)脱氧胞嘧啶核苷酸(dCTP)(图)27(一)DNA的双螺旋结构DNA分子是脱氧核苷酸的多聚体。因(一)DNA的双螺旋结构1953年，瓦特森(Watson,J.D.)和克里克(Crick,F.)根据碱基互补配对的规律以及对DNA分子的X射线衍射研究的成果，提出了著名的DNA双螺旋结构模型。这个模型已为以后拍摄的电镜直观形象所证实。28(一)DNA的双螺旋结构1953年，瓦特森(Watson,(一)DNA的双螺旋结构这个空间构型满足了分子遗传学需要解答的许多问题，例如：DNA的复制、DNA对于遗传信息的贮存及其改变和传递等，从而奠定了分子遗传学的基础。29(一)DNA的双螺旋结构这个空间构型满足了分子遗传学需要解(一)DNA的双螺旋结构瓦特森(Watson,J.D.)和克里克(Crick,F.)模型最主要特点有：(1)两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，彼此以一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，很象一个扭曲起来的梯子。30(一)DNA的双螺旋结构瓦特森(Watson,J.D.(一)DNA的双螺旋结构(2)两条多核苷酸链走向为反向平行。即一条链磷酸二脂键为5’－3’方向，而另一条为3’－5’方向，二者刚好相反。亦即一条链对另一条链是颠倒过来的，这称为反向平行。31(一)DNA的双螺旋结构(2)两条多核苷酸链走向为反向平(一)DNA的双螺旋结构(3)每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过氢键与它互补的碱基相联系，相互层叠宛如一级一级的梯子横档。互补碱基对A与T之间形成两对氢键，而C与G之间形成三对氢键。上下碱基对之间的距离为3.4Å。32(一)DNA的双螺旋结构(3)每条长链的内侧是扁平的盘状糖-磷酸骨架HPOHOOOCH2HOHPOOHOOOCH2HPOOHHOOOCH2NH2NNNNOONH2NNHNNNONH2NBASESD

N

AOHPOHOOOCH2HOOH2NNHNNNHHPOHOOCH2OONOH2NNHH2OHOHPOOHOOCH2CH3OOHNNH2O33糖-磷酸骨架HPOHOOOCH2HOHPOOHOOOCH2H(一)DNA的双螺旋结构(4)每个螺旋为34Å(3.4nm)长，刚好含有10个碱基对，其直径约为20Å。(5)在双螺旋分子的表面大沟(majorgroove)和小沟(minorgroove)交替出现。34(一)DNA的双螺旋结构(4)每个螺旋为34Å(3.4n(二)DNA构型的变异

近来发现DNA的构型并不是固定不变的，除主要以瓦特森和克里克提出的右手双螺旋构型存在外，还有许多变型。所以现在一般将瓦特森和克里克提出的双螺旋构型称作B-DNA。B-DNA35(二)DNA构型的变异近来发现DNA的构型并不是固定不变(二)DNA构型的变异

B-DNA是DNA在生理状态下的构型。生活细胞中极大多数DNA以B-DNA形式存在。但当外界环境条件发生变化时，DNA的构型也会发生变化。实际上在生活细胞内，B-DNA一螺圈也并不是正好10个核苷酸对，而平均一般为10.4对。B-DNA36(二)DNA构型的变异B-DNA是DNA在生理状态下的构(二)DNA构型的变异

当DNA在高盐浓度下时，则以A-DNA形式存在。A-DNA是DNA的脱水构型，它也是右手螺旋，但每螺圈含有11个核苷酸对。A-DNA比较短和密，其平均直径为23Å。大沟深而窄，小沟宽而浅。在活体内DNA并不以A构型存在，但细胞内DNA-RNA或RNA-RNA双螺旋结构，却与A-DNA非常相似。A-DNA37(二)DNA构型的变异当DNA在高盐浓度下时，则以A-D(二)DNA构型的变异

现在还发现，某些DNA序列可以以左手螺旋的形式存在，称为Z-DNA。当某些DNA序列富含G-C，并且在嘌呤和嘧啶交替出现时，可形成Z-DNA。Z-DNA除左手螺旋外，其每个螺圈含有12个碱基对。分子直径为18Å，并只有一个深沟。现在还不知道，Z-DNA在体内是否存在。Z-DNA38(二)DNA构型的变异现在还发现，某些DNA序列可以以左(二)DNA构型的变异

DNA结构除上述构型变化外，在体内还以超螺旋的形式存在。从病毒到高等生物，DNA在生物体内均表现为负超螺旋(negativesupercoil)形式。负超螺旋是DNA复制过程中，在拓扑异构酶的催化下形成。现在已有很多证据表明，这种负超螺旋结构与DNA复制、重组以及基因的表达和调控有关。39(二)DNA构型的变异DNA结构除上述构型变化外，在体内(二)DNA构型的变异

IllustrationofDNAsupercoiling40(二)DNA构型的变异IllustrationofD3、RNA的分子结构就化学组成上看，RNA也是由四种核苷酸组成的多聚体。它与DNA的不同，首先在于以U代替了T，其次是用核糖代替了脱氧核糖，此外，还有一个重要的不同点，就是绝大部分RNA以单链形式存在，但可以折叠起来形成若干双链区域。413、RNA的分子结构就化学组成上看，RNA也是由四种核苷酸3、RNA的分子结构在这些区域内，凡互补的碱基对间可以形成氢键。有一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。423、RNA的分子结构在这些区域内，凡互补的碱基对间可以形成氢第三节DNA的复制1、DNA复制的一般特点2、原核生物DNA合成3、真核生物合成的特点43第三节DNA的复制1、DNA复制的一般特点431、DNA复制的一般特点(一)半保留复制：Watson和Crick发表了DNA双螺旋模型之后不久，于同年又紧接着发表了DNA半保留复制的复制机理，这一建立在碱基互补基础上的机制为转录、修复、重组、分子杂交等奠定了基础。441、DNA复制的一般特点(一)半保留复制：441、DNA复制的一般特点(一)半保留复制：Watson和Crick认为：“DNA自我复制并不依赖于特异的蛋白质的合成，DNA双螺旋中的每一条互补DNA链，在合成它的一条互补新链时都可以作为模板”。451、DNA复制的一般特点(一)半保留复制：451、DNA复制的一般特点(一)半保留复制：复制时“连接互补链的氢键必须断裂，两条链还必须解缠和分离。很可能这种单链本身可以呈螺旋构型，并作为模板，游离的核苷酸通过形成氢键自动地结合到它上面”。这就是DNA复制的半保留模型。461、DNA复制的一般特点(一)半保留复制：461、DNA复制的一般特点(二)复制起点和复制方向：在极大多数细菌及病毒中，只有一个复制起点，控制整个染色体的复制。所以整个染色体也就是一个复制子(replicon)。复制子是指在同一个复制起点控制下合成的一段DNA序列。471、DNA复制的一般特点(二)复制起点和复制方向：471、DNA复制的一般特点(二)复制起点和复制方向：在真核生物中，每条染色体的DNA复制则是多起点的，多个复制起点共同控制一条染色体的复制，即每条染色体有多个复制子。481、DNA复制的一般特点(二)复制起点和复制方向：481、DNA复制的一般特点491、DNA复制的一般特点491、DNA复制的一般特点(二)复制起点和复制方向：大肠杆菌和其它许多原核生物的环状DNA复制是双向的。即DNA的复制从复制起点开始，向二个方向同时进行，最后相遇，完成复制。真核生物的复制也是双向的。501、DNA复制的一般特点(二)复制起点和复制方向：501、DNA复制的一般特点(二)复制起点和复制方向：但近来发现，并不是所有的生物DNA的复制都是双向的，如：噬菌体P2，其DNA的复制就是沿一个方向进行的。511、DNA复制的一般特点(二)复制起点和复制方向：512、原核生物DNA合成

(一)有关DNA合成的酶(二)DNA复制的过程

522、原核生物DNA合成(一)有关DNA合成的酶52(一)有关DNA合成的酶1957年Kornberg及其同事，从大肠杆菌中分离出DNA聚合酶I（polymeraseI），这种聚合酶在有DNA、4种脱氧核苷酸及Mg++的情况下，在离体条件下可以合成DNA。后来发现，DNA聚合酶I并不能直接起始DNA的合成，只有在引物DNA提供3’端自由羟基的情况下，才使DNA链从5’向3’方向延伸。53(一)有关DNA合成的酶1957年Kornberg及其同事(一)有关DNA合成的酶DNA聚合酶I由一条多肽链组成，含有928个氨基酸，分子量约为109,000道尔顿，编码此酶的基因为polA。但是后来发现此酶可能不是直接控制大肠杆菌体内DNA复制的酶。因为此酶在体外合成DNA的速度很慢，另外其合成单链DNA比合成双链DNA效率要高得多，同时发现它既能合成DNA，也能降解DNA。54(一)有关DNA合成的酶DNA聚合酶I由一条多肽链组成，含(一)有关DNA合成的酶DNA聚合酶I除具有5’－3’聚合酶功能外，还具有3’－5’核酸外切酶和5’－3’核酸外切酶的功能。后来，从polA基因突变株中又分离出二种DNA聚合酶，分别命名为DNA聚合酶II和DNA聚合酶III。并发现在含有DNA聚合酶I的正常菌株中也同样含有这二种酶。55(一)有关DNA合成的酶DNA聚合酶I除具有5’－3’聚合(一)有关DNA合成的酶DNA聚合酶II是一种起修复作用的DNA聚合酶，具有5’－3’核酸聚合酶的功能外，还有3’－5’核酸外切酶的功能，但是没有5’－3’外切酶的功能。它由一条多肽链组成，其分子量约为90,000道尔顿。DNA聚合酶III结构比较复杂，它至少有20个亚基组成，其全酶(holoenzyme)分子量达167,500道尔顿。具有5’－3’聚合酶的功能，也有3’－5’核酸外切酶的功能，但是没有5’－3’外切酶功能。现在已经证实它才是活体细胞内真正控制DNA合成的酶。56(一)有关DNA合成的酶DNA聚合酶II是一种起修复作用的(一)有关DNA合成的酶57(一)有关DNA合成的酶57(一)有关DNA合成的酶这三种DNA聚合酶有一些共同的特性，从而决定DNA合成的特点：如三种酶都只有5’－3’聚合酶的功能，而没有3’－5’聚合酶功能，说明DNA链的延伸只能从5’向3’端进行。它们都没有直接起始合成DNA的能力，只能在引物存在下进行链的延伸，因此，DNA的合成必须有引物引导才能进行。三种酶还都有核酸外切酶的功能，可对合成过程中发生的错误进行校正，从而保证DNA复制的高度准确性。58(一)有关DNA合成的酶这三种DNA聚合酶有一些共同的特性(二)DNA复制的过程

从上面的讨论，我们知道：DNA的合成是半保留复制；复制是双向的；DNA的合成必须有引物的引导；复制时链的延伸总是从5’向3’方向进行。下面我们介绍DNA的合成过程。59(二)DNA复制的过程从上面的讨论，我们知道：59(二)DNA复制的过程

(1)、DNA双螺旋的解链(2)、DNA合成的开始(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续60(二)DNA复制的过程(1)、DNA双螺旋的解链60(1)、DNA双螺旋的解链DNA半保留复制分别以两条链为模板，而合成两条互补新链，因此，在合成前必须使双螺旋二条链解开。DNA的解旋过程是由DNA解旋酶(helicase)催化下完成，由ATP提供解旋所需的能量。61(1)、DNA双螺旋的解链DNA半保留复制分别以两条链为模板(1)、DNA双螺旋的解链DNA双链由解旋酶解开后，单链DNA结合蛋白(SSB)马上结合在分开的单链上，从而保持其伸展状态。如果没有SSB的作用，分开的双链互补碱基对间又可重新配对。或者，在同一条链的互补碱基对间配对而形成发夹状结构，这种结构会阻止DNA聚合酶的作用。62(1)、DNA双螺旋的解链DNA双链由解旋酶解开后，单链DN(1)、DNA双螺旋的解链单链DNA结合蛋白解旋酶63(1)、DNA双螺旋的解链单链DNA结合蛋白解旋酶63(1)、DNA双螺旋的解链在DNA复制时，双螺旋每分钟必须旋转3000次才能完全解旋。随着解链的进行，在DNA复制叉前面就会形成一种张力，而导致超螺旋的产生。这种张力主要是通过DNA拓扑异构酶作用而消除的。解旋酶64(1)、DNA双螺旋的解链在DNA复制时，双螺旋每分钟必须旋(1)、DNA双螺旋的解链主要有二类DNA拓扑异构酶：DNA拓扑异构酶I：只对双链DNA中的一条链进行切割，产生切口(nick)，每次切割只能去除一个超螺旋，此过程不需要外加能量。65(1)、DNA双螺旋的解链主要有二类DNA拓扑异构酶：65(1)、DNA双螺旋的解链主要有二类DNA拓扑异构酶：DNA拓扑异构酶II：可以对双链DNA的二条链同时进行切割。每次切割可以去除二个超螺旋，此过程需要ATP提供能量。66(1)、DNA双螺旋的解链主要有二类DNA拓扑异构酶：66(2)、DNA合成的开始DNA双链解开后，接下去就可以进行DNA的合成。在DNA合成前，以DNA为模板，根据碱基配对的原则，在一种特殊的RNA聚合酶－DNA引物酶的催化下，先合成一段长度为5－60个核苷酸的RNA引物，提供3’端自由－OH。然后，在DNA聚合酶III的作用下进行DNA的合成。引物酶RNA引物DNA聚合酶III67(2)、DNA合成的开始DNA双链解开后，接下去就可以进行D(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续从电子显微镜和放射自显影的结果可知，DNA两条新链的合成是从一个复制叉(replicatingfork)向着同一个方向延伸的。而组成DNA双螺旋的互补双链具有相反的方向，一条从5’－3’，另一条3’－5’，为反向平行。68(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续从电子显微镜和放射(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续但我们知道，三种DNA聚合酶都只有5’－3’聚合酶的功能，而没有3’－5’聚合酶功能。这样二条DNA链在延伸时就产生了矛盾。最初人们想法寻找一种具有3’－5’方向聚合功能的酶，但是没有成功。那么，二条DNA新链到底是如何合成的呢？69(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续但我们知道，三种D(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续后来发现，只有一条DNA链的合成是连续的，而另一条则是不连续的。所以从整个DNA分子水平来看，DNA二条新链的合成方向是相反的，但是都是从5’向3’方向延伸。70(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续后来发现，只有一条(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续现在一般把一直从5’向3’方向延伸的链称作前导链(leadingstrand)，它是连续合成的。而另一条先沿5’－3’方向合成一些片段，然后再由连接酶将其连起来的链，称为后随链(laggingstrand)，其合成是不连续的。71(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续现在一般把一直从5(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续这种不连续合成是由冈崎等人首先发现的，所以现在将后随链上合成的DNA不连续单链小片段称为冈崎片段(Okazakifragment)。72(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续这种不连续合成是由(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续因此，在前导链上，DNA引物酶只在起始点合成一次引物RNA，DNA聚合酶III就可开始进行DNA的合成，而在后随链上，每个“冈崎片段”的合成都需要先合成一段引物RNA，然后DNA聚合酶III才能进行DNA的合成。73(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续因此，在前导链上，(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续随后，引物RNA被切除，并为新合成的DNA片段所替代。在大肠杆菌中，此过程是在DNA聚合酶I的催化下完成的。74(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续随后，引物RNA被(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续因为DNA聚合酶I有5’－3’端核酸外切酶的功能，它可以将RNA引物切除，同时利用其5’－3’聚合酶功能，以临近“冈崎片段”的3’端自由－OH进行DNA的合成，从而将RNA引物替换为DNA链。最后由DNA连接酶(DNAligase)将“冈崎片段”连接起来，形成一条完整的新链。75(3)、一条DNA链连续合成，一条链不连续因为DNA聚合酶IRNA病毒中RNA的自我复制大多数RNA病毒是单链的。这种RNA的复制一般是先以自己为模板合成一条互补的单链，通常将病毒原有的、起模板作用的链称为“＋”链，而新复制的RNA链称为“－”链，这样就形成了双螺旋的复制类型(replicativeform)。然后这个“－”链又从“＋”链模板释放出来，它也以自己为模板复制出一条与自己互补的“＋”链，于是形成了一条新的病毒RNA。76RNA病毒中RNA的自我复制大多数RNA病毒是单链的。这种R3、真核生物DNA合成的特点

现在已有很多证据表明，真核生物DNA的复制基本上与原核生物相同，但比原核生物更为复杂。主要有以下几方面的不同：(1)DNA合成只是发生在细胞周期的某个时期：真核细胞DNA的合成只是在细胞周期的S期进行，而原核生物则在整个细胞生长过程中都可进行DNA合成。773、真核生物DNA合成的特点现在已有很多证据表明，真核生物3、真核生物合成的特点

(2)原核生物DNA的复制是单起点的，而真核生物染色体的复制则为多起点的。例如果蝇的最大一条染色体含有6.5×107碱基对，现在已经知道果蝇DNA的合成速度每分钟约2600碱基对，如果复制也象原核生物一样是单起点的话，那么大约需要17.5天才能完成DNA的复制，而实际上果蝇胚胎DNA的复制只需要3－4分钟。只有9－10分钟，其细胞核就发生一次分裂。因此，大概需要7000个左右的复制起点同时进行DNA复制才能在3－4分钟点内完成整个染色体的复制。783、真核生物合成的特点(2)原核生物DNA的复制是单起点3、真核生物合成的特点

真核生物DNA复制的多起点特性为后来的许多实验所证实。并且发现快速生长的细胞比生长速度较慢的细胞每条染色体的复制起点要多。所以在真核生物中前导链的合成并不象原核生物那样是连续的，而是以半连续的方式，由一个复制起点控制一个复制子的合成，最后由连接酶将其连接成一条完整的新链。793、真核生物合成的特点真核生物DNA复制的多起点特性为后来3、真核生物合成的特点

(3)真核生物DNA合成所需的RNA引物及后随链上合成的“冈崎片段”的长度比原核生物要短。在原核生物中引物的长度约为10－60个核苷酸，“冈崎片段”的长度为1000－2000个核苷酸；而在真核生物中引物的长度只有10个核苷酸，而“冈崎片段”的长度约为原核生物的十分之一，只有100－150核苷酸。803、真核生物合成的特点(3)真核生物DNA合成所需的RNA3、真核生物合成的特点

(4)有二种不同的DNA聚合酶分别控制前导链和后随链的合成(图3－21)。在原核生物中有DNA聚合酶I、II和III等三种聚合酶，并由聚合酶III同时控制二条链的合成。而在真核生物中共有α、β、γ、δ和ε等五种DNA聚合酶。813、真核生物合成的特点(4)有二种不同的DNA聚合酶分别控3、真核生物合成的特点

聚合酶α和δ是DNA合成的主要酶，由聚合酶α控制不连续的后随链的合成，而聚合酶δ则控制前导链的合成，所以其二条链的合成是在二种不同的DNA聚合酶的控制下完成。聚合酶β可能与DNA修复有关，而γ则是线粒体中发现的唯一一种DNA聚合酶。823、真核生物合成的特点聚合酶α和δ是DNA合成的主要酶，由3、真核生物合成的特点

833、真核生物合成的特点833、真核生物合成的特点

(5)染色体端体的复制：原核生物的染色体大多数为环状，而真核生染色体为线状，在DNA的末端存在特殊的结构，并在含有RNA的端体酶(telomerase)的催化下完成末端的合成。843、真核生物合成的特点(5)染色体端体的复制：原核生物的染第四节DNA与蛋白质合成一、RNA的转录及加工二、遗传密码与蛋白质的翻译85第四节DNA与蛋白质合成一、RNA的转录及加工85一、RNA的转录及加工遗传物质不管其化学性质如何，其必须具有遗传、表达和变异等三种基本功能。前面已经介绍了DNA是主要的遗传物质，它的结构以及复制即其遗传功能。下面我们介绍其第二个重要的功能—基因表达。基因的表达，第一步就是DNA转录(transcription)为RNA，然后由RNA再翻译(translation)成蛋白质。下面我们先介绍RNA的转录。86一、RNA的转录及加工遗传物质不管其化学性质如何，其必须具有1、三种RNA分子

现在发现主要有三种不同的RNA分子在基因的表达过程中起重要的作用。它们是：信使RNA(messengerRNA，mRNA)转移RNA(transferRNA，tRNA)核糖体RNA(ribosomalRNA，rRNA)。871、三种RNA分子现在发现主要有三种不同的RNA分子在基因(一)mRNA

生物的遗传信息主要贮存于DNA的碱基序列中，但DNA并不直接决定蛋白质的合成。而且在真核细胞中，DNA主要存在于细胞核的染色体上，而蛋白质的合成中心却位于细胞质的核糖体上。因此，它需要一种中介物质，才能把DNA上控制蛋白质合成的遗传信息传递给核糖体。88(一)mRNA生物的遗传信息主要贮存于DNA的碱基序列中(一)mRNA

这种中介物质是一种特殊的RNA，它起着传递信息的作用，因而称为信使RNA(mRNA)。mRNA的功能就是把DNA上的遗传信息精确无误地转录下来，然后，由mRNA的碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序，是基因表达过程中遗传信息传递的中介。89(一)mRNA这种中介物质是一种特殊的RNA，它起着传递(一)mRNA

在真核生物中，转录形成的RNA中，含有大量非编码序列，大约只有25％RNA经加工成为mRNA，最后翻译为蛋白质。因为这种未经加工的前体mRNA(pre-mRNA)在分子大小上差别很大，所以通常称为不均一核RNA(heterogeneousnuclearRNA，hnRNA)。90(一)mRNA在真核生物中，转录形成的RNA中，含有大量(二)tRNA

如果说mRNA是合成蛋白质的蓝图，则核糖体是合成蛋白质的工厂。但是，合成蛋白质的原材料—20种氨基酸与mRNA的碱基之间缺乏特殊的亲和力。因此，必须用一种特殊的RNA—转移RNA(tRNA)把氨基酸搬运到核糖体上，tRNA能根据mRNA的遗传密码依次准确地将它携带的氨基酸连结成多肽链。每种氨基酸可与1－4种tRNA相结合，现在已知的tRNA的种类在40种以上。91(二)tRNA如果说mRNA是合成蛋白质的蓝图，则核糖(二)tRNA

tRNA是最小的RNA。其分子量约为27000(25000－30000)，由70到90个核苷酸组成。而且具有稀有碱基的特点，稀有碱基除假尿嘧啶核苷与次黄嘌呤核苷外，主要是甲基化了的嘌呤和嘧啶。这类稀有碱基一般是tRNA在DNA模板转录后，经过特殊的修饰而成的。92(二)tRNAtRNA是最小的RNA。其分子量约为27(二)tRNA

tRNA的结构具有如下的共性(图3－23)：(1)5’端之末具有G(大部分)或C。(2)3’端之末都以ACC的顺序终结。(3)有一个富有鸟嘌呤的环。(4)有一个反密码子环，在这一环的顶端有三个暴露的碱基，称为反密码子(anti-codon)。这一个反密码子可以与mRNA链上同自己互补的密码子配对。(5)有一个胸腺嘧啶环。93(二)tRNAtRNA的结构具有如下的共性(图3－23(二)tRNA

94(二)tRNA94(三)rRNA

核糖体RNA，它是组成核糖体的主要成分，而核糖体则是合成蛋白质的中心。rRNA一般与核糖体蛋白质结合在一起，形成核糖体(ribosome)。原核生物的核糖体所含的rRNA，有5S、16S及23S等三种。而真核生物的核糖体比原核生物复杂，含有4种rRNA和约80种蛋白质。四种rRNA为5S、5.8S、18S和28S。rRNA是单链，它包含不等量的A与U、G与C，但是有广泛的双链区域。在双链区，碱基因氢鍵相连，表现为发夹式螺旋。95(三)rRNA核糖体RNA，它是组成核糖体的主要成分，(三)rRNA

rRNA在蛋白质合成中的功能尚未完全明了。但16S的rRNA3’端有一段核苷酸序列与mRNA的前导序列是互补的，这可能有助于mRNA与核糖体的结合。96(三)rRNArRNA在蛋白质合成中的功能尚未完全明了2、RNA合成的一般特点RNA的合成与DNA合成从总体上来看非常相似。但有以下三方面明显不同：(1)所用的原料为核苷三磷酸，而在DNA合成时则为脱氧核苷三磷酸；(2)只有一条DNA链被用作模板，而DNA合成时，两条链分别用作模板；(3)RNA链的合成不需要引物，可以直接起始合成，而DNA合成一定要引物的引导。972、RNA合成的一般特点RNA的合成与DNA合成从总体上来看2、RNA合成的一般特点转录合成的RNA链，除了U替换为T以外，与用作模板的DNA链互补，而与另一条非模板链相同。如果转录的RNA是mRNA，其信息最后通过密码子决定蛋白质的合成。现在通常将用作模板，进行RNA转录的链称作模板链(templatestrand)；而另一条则为非模板链(nontemplatestrand)。982、RNA合成的一般特点转录合成的RNA链，除了U替换为T以2、RNA合成的一般特点RNA链的合成与DNA链的合成同样，也是从5’向3’端进行的，此过程由RNA聚合酶(RNApolymerase)催化。RNA聚合酶首先在启动子部位(promoter)与DNA结合，形成转录泡(transcriptionbubble)，并开始转录。992、RNA合成的一般特点RNA链的合成与DNA链的合成同样，2、RNA合成的一般特点在原核生物中只有一种RNA聚合酶完成所有RNA的转录，而在真核生物中，有三种不同的RNA聚合酶控制不同类型RNA的合成。RNA的合成也同样遵循碱基配对的规则，只是U代替了T。1002、RNA合成的一般特点在原核生物中只有一种RNA聚合酶完成3、原核生物RNA的合成(一)、RNA聚合酶(二)、链的起始(三)、链的延伸(四)、链的终止1013、原核生物RNA的合成(一)、RNA聚合酶1013、原核生物RNA的合成现在通常把转录后形成一个RNA分子的一段DNA序列称为一个转录单位(transcriptunit)。一个转录单位可能刚好是一个基因，也可能含有多个基因。在细菌等原核生物中一个转录单位通常含有多个基因，而真核生物中则大多只含有一个基因。1023、原核生物RNA的合成现在通常把转录后形成一个RNA分子的3、原核生物RNA的合成RNA的转录可以分为三步(图3－24)：(1)RNA链的起始；(2)RNA链的延长；(3)RNA链的终止及新链的释放。在讨论有关RNA转录时通常要用到上游(upstream)和下游(downstream)二个概念，在此有必要对其进行解释。因为RNA的转录总是从5’向3’端进行，所以上游总是指RNA分子的5’端，而下游则指3’端。1033、原核生物RNA的合成RNA的转录可以分为三步(图3－243、原核生物RNA的合成1043、原核生物RNA的合成104(一)、RNA聚合酶

催化转录的RNA聚合酶是一种由多个蛋白亚基组成的复合酶。如大肠杆菌的RNA聚合酶有五个亚基组成，其分子量为480,000道尔顿，含有α、β、β’和δ等四种不同的多肽，其中α为二个分子。所以其全酶(holoenzyme)的组成是α2ββ’δ。105(一)、RNA聚合酶催化转录的RNA聚合酶是一种由多个蛋白(一)、RNA聚合酶

α亚基与RNA聚合酶的四聚体核心(α2ββ’)的形成有关。β亚基含有核苷三磷酸的结合位点；β’亚基含有与DNA模板的结合位点；而Sigma(δ)因子只与RNA转录的起始有关，与链的延伸没有关系，一旦转录开始，δ因子就被释放，而链的延伸则由四聚体核心酶(coreenzyme)催化。所以，δ因子的作用就是识别转录的起始位置，并使RNA聚合酶结合在启动子部位。106(一)、RNA聚合酶α亚基与RNA聚合酶的四聚体核心(α2(二)、链的起始

RNA链转录的起始首先是RNA聚合酶在δ因子的作用下结合于DNA的启动子部位，并在RNA聚合酶的作用下，使DNA双链解开，形成转录泡，为RNA合成提供单链模板，并按照碱基配对的原则，结合核苷酸，然后，在核苷酸之间形成磷酸二脂键，使其相连，形成RNA新链。δ因子在RNA链伸长到8－9个核酸后，就被释放，然后由核心酶催化RNA的延伸。107(二)、链的起始RNA链转录的起始首先是RNA聚合酶在δ因(二)、链的起始

启动子位于RNA转录起始点的上游，δ因子对启动子的识别是转录起始的第一步。对大肠杆菌大量基因的启动子(图3－25)部位测序发现，在转录开始位置的上游10个和35个核苷酸位置有二段DNA的序列比较保守，分别称为－10序列(－10sequence)和－35序列(－35sequence)。108(二)、链的起始启动子位于RNA转录起始点的上游，δ因子对(二)、链的起始

因为上述二段序列是大部分基因的启动子所共有，所以又称作共有序列(consensussequence)。－10共有序列在非模板链为TATAAT，－35共有序列则为TTGACA。δ因子首先识别和接合于－35序列，所以该序列又称为识别序列(recognitionsequence)。而富含AT的－10序列则与DNA的解链有关，因为A与T之间只有二对氢键，比较容易解开。另外，在－10和－35序列之间的核苷酸数目是高度保守的，其长度从不少于15个或者超过20个核苷酸。109(二)、链的起始因为上述二段序列是大部分基因的启动子所共有(二)、链的起始

110(二)、链的起始110(三)、链的延伸

RNA链的延伸是在δ因子释放以后，在RNA聚合酶四聚体核心酶的催化下进行。因RNA聚合酶同时具有解开DNA双链，并使其重新闭合的功能。随着RNA的延伸，RNA聚合酶使DNA双链不断解开和重新闭合。RNA转录泡也不断前移，合成新的RNA链(图3－26)。111(三)、链的延伸RNA链的延伸是在δ因子释放以后，在RNA(三)、链的延伸

112(三)、链的延伸112(三)、链的延伸

在大肠杆菌中转录泡的大小约为18碱基对，而RNA合成的速度，每分钟约为40碱基对。实际上，DNA模板与新合成的RNA链之间配对非常少，可能只有3碱基对，所以现在认为并不是DNA模板与RNA链之间的氢键使转录复合体得于稳定。113(三)、链的延伸在大肠杆菌中转录泡的大小约为18碱基对，(四)、链的终止

当RNA链延伸遇到终止信号(terminationsignal)时，RNA转录复合体就发生解体，而使新合成的RNA链释放出来。现在发现在大肠杆菌中有二类终止信号：一类只有在存在蛋白质ρ的情况下，转录才会终止，称为依赖于ρ的终止(ρ–dependentterminator)。第二类使转录终止不需要ρ的参与，所以称为不依赖于ρ的终止(ρ-independentterminator)。114(四)、链的终止当RNA链延伸遇到终止信号(termina(四)、链的终止

实际上在原核生物中，RNA的转录、蛋白质的合成以及mRNA的降解通常可以是同时进行的。因为在原核生物中不存在核膜分隔的核，另外，RNA的转录和多肽链的合成都是从5’向3’方向进行，只要mRNA的5’端合成后，即可以进行蛋白质的翻译过程。在原核生物中mRNA的寿命一般只有几分钟。因此，往往在3’端mRNA的转录还没有最后结束，5’端mRNA在完成多肽链的合成后，已经开始降解。115(四)、链的终止实际上在原核生物中，RNA的转录、蛋白质的4、真核生物RNA的转录及加工真核生物与原核生物RNA的转录过程总体上基本相同，但是，其过程要复杂得多，主要有以下几点不同(图3－27)：首先，真核生物RNA的转录是在细胞核内进行，而蛋白质的合成则是在细胞质内，所以，RNA转录后首先必须从核内运输到细胞质内，才能进行蛋白质的合成。其次，原核生物的一个mRNA分子通常含有多个基因，在真核生物中，一个mRNA分子一般只编码一个基因。1164、真核生物RNA的转录及加工真核生物与原核生物RNA的转录4、真核生物RNA的转录及加工第三、在原核生物中只有一种RNA聚合酶催化所有RNA的合成，而在真核生物中则有RNA聚合酶I、II、III等三种不同酶，分别催化不同种类型RNA的合成。三种RNA聚合酶都是有10个以上亚基组成的复合酶。聚合酶I存在于细胞核内，催化合成除5SrRNA以外的所有rRNA；聚合酶II催化合成mRNA前体，即不均一核RNA(hnRNA)；聚合酶III催化tRNA和小核RNA的合成。1174、真核生物RNA的转录及加工第三、在原核生物中只有一种RN4、真核生物RNA的转录及加工第四、在原核生物中，RNA聚合酶可以直接起始转录合成RNA。在真核生物中，三种RNA聚合酶都必须在蛋白质转录因子的协助下才能进行RNA的转录。另外，RNA聚合酶对转录启动子的识别，也比原核生物更加复杂。1184、真核生物RNA的转录及加工第四、在原核生物中，RNA聚合4、真核生物RNA的转录及加工如对聚合酶II来说，至少有三个DNA的保守序列与其转录的起始有关，第一个称为TATA框(TATAbox)，具有共有序列TATAAAA，其位置在转录起始点的上游约为25个核苷酸处，它的作用可能与原核生物中的－10共有序列相似，与转录起始位置的确定有关。1194、真核生物RNA的转录及加工如对聚合酶II来说，至少有三个4、真核生物RNA的转录及加工第二个共有序列称为CCAAT框(CCAATbox)，具有共有序列GGCCAATCT，位于转录起始位置上游约50－500个核苷酸处。如果该序列缺失会极大地降低生物的活体转录水平。第三个区域一般称为增强子(enhancer)，其位置可以在起始位置的上游，也可以在基因的下游或者在基因之内。它可能虽不直接与转录复合体结合，但可以显著提高转录效率。1204、真核生物RNA的转录及加工第二个共有序列称为CCAAT框4、真核生物RNA的转录及加工1214、真核生物RNA的转录及加工1214、真核生物RNA的转录及加工大多数真核生物的mRNA在转录后必须进行下面三方面的加工后(图3－28)，才能运送到细胞质进行蛋白质的翻译。1、在mRNA前体的5’端加上7－甲基鸟嘌呤核苷的帽子(cap)。当RNA链合成大概达到30个核苷酸后，就在其5’端加上一个7－甲基鸟嘌呤核苷的帽子，它含有二个甲基和稀有的5’－5’三磷酸键。其作用主要是在蛋白质翻译时帮助识别起始位置以及防止被RNA酶降解。1224、真核生物RNA的转录及加工大多数真核生物的mRNA在转录4、真核生物RNA的转录及加工2、在mRNA前体的3’端加上聚腺苷酸(poly(A))的尾巴。真核生物中在RNA聚合酶II催化下合成mRNA的前体hnRNA，比实际mRNA要长一些。一般hnRNA的转录终止于加poly(A)尾巴的3’末端的下游1000－2000个核苷酸处，然后由核酸内切酶对其进行加工，切除多余的核苷酸。核酸内切酶一般在保守的共有序列AAUAAA的下游11－30个核苷酸处停止切割。最后在poly(A)聚合酶的催化下加上大约200个聚腺苷酸poly(A)尾巴，此过程一般称为聚腺苷酸化(polyadenylation)。它对增加mRNA的稳定性以及从细胞核向细胞质的运输具有重要作用。1234、真核生物RNA的转录及加工2、在mRNA前体的3’端加上4、真核生物RNA的转录及加工3、如果基因中存在不编码的内含子序列，要进行剪接，将其切除。真核生物基因与原核生物基因的一个显著的不同就是真核生物的大多数基因含有大量的非编码序列。现在一般将一个基因中编码蛋白质合成的序列称为外显子(exon)，而非编码的序列则称为内含子(intron)。刚转录的hnRNA既含有编码序列，也含有非编码序列。因此，必须对hnRNA进行剪接，切除这些非编码序列，并将编码序列连接起来，才能进行蛋白质的翻译。1244、真核生物RNA的转录及加工3、如果基因中存在不编码的内含4、真核生物RNA的转录及加工现在已经证实不同的RNA主要有三种RNA剪接的方式：第一、某些tRNA前体的剪接过程首先是在剪接内切核酸酶(splicingendonuclease)的催化下，非常精确地在内含子与外显子的交界处进行切割，并在一种特殊的剪接连接酶(splicingligase)的催化下重新连接起来，而成为成熟的tRNA。1254、真核生物RNA的转录及加工现在已经证实不同的RNA主要有4、真核生物RNA的转录及加工第二、某些rRNA前体的内含子是在RNA分子本身的催化下完成，在此过程中发生一系列磷酯键的转移，不需要外界能量，也不需要蛋白质酶的参与，所以称为RNA自剪接(self-splicing)，这种具有自动催化活性的RNA有时也称为核酶(ribozyme)。1264、真核生物RNA的转录及加工第二、某些rRNA前体的内含子4、真核生物RNA的转录及加工第三、mRNA前体hnRNA的内含子是在复杂的核酸蛋白质复合结构－核酸剪接体(spliceosome)的作用下完成。核酸剪接体的结构有点象核糖体，它是由被称为小核RNA(smallnuclearRNA，snRNA)的小分子RNA和蛋白质共同组成。现在发现大部分基因的内含子在5’端为GU，3’端为AG，并存在一些其它的共有序列。在剪接时首先是核酸剪接体的装配及对内含子共有序列的识别；然后对RNA在内含子与外显子交界处进行切割再重新连接起来而成为成熟的mRNA。1274、真核生物RNA的转录及加工第三、mRNA前体hnRNA的二、遗传密码与蛋白质的翻译1、遗传密码2、蛋白质的合成3、中心法则及其发展128二、遗传密码与蛋白质的翻译1、遗传密码1281、遗传密码前面我们已经介绍，DNA分子是由四种核苷酸组成的多聚体。这四种核苷酸的不同在于所含碱基的不同，即A、T、C、G四种碱基的不同。用A、T、C、G分别代表四种密码符号，则DNA分子中将含有四种密码符号。以一个DNA含有1000对核苷酸来说，这四种密码的排列组合就可以有41000种形式，可以表达出无限信息。1291、遗传密码前面我们已经介绍，DNA分子是由四种核苷酸组成的1、遗传密码遗传密码(geneticcode)又是如何翻译呢?首先是以DNA的一条链为模板合成与它互补的mRNA，根据碱基互补配对的规律，在这条mRNA链上，A变为U，T变为A，C变为G，G变为C。因此，这条mRNA上的遗传密码与原来模板DNA的互补DNA链是一样的，所不同的只是U代替了T。然后再由mRNA上的遗传密码翻译成多肽链中的氨基酸序列。1301、遗传密码遗传密码(geneticcode)又是如何翻译1、遗传密码碱基与氨基酸两者之间的密码关系，显然不可能是一个碱基决定一个氨基酸。因此，一个碱基的密码子(codon)是不能成立的。如果是两个碱基决定一个氨基酸，那么两个碱基的密码子可能的组合将是42=16。这种比现存的二十种氨基酸还差四种，因此不敷应用。1311、遗传密码碱基与氨基酸两者之间的密码关系，显然不可能是一个1、遗传密码如果是每三个碱基决定一种氨基酸，这三个碱基的密码子可能的组合将是43＝64种。这比二十种氨基酸多出四十四种。所以会产生过剩密码子，可以认为是由于每个特定的氨基酸是由一个或一个以上的三联体(triplet)密码所决定的。一个氨基酸由一个以上的三联体密码所决定的现象，称为简并(degeneracy)。1321、遗传密码如果是每三个碱基决定一种氨基酸，这三个碱基的密码1、遗传密码每种三联体密码译成什么氨基酸呢？从1961年开始，经过大量的试验，分别利用64个已知三联体密码，找出了与它们对应的氨基酸。1966－1967年，全部完成了这套遗传密码的字典(表3－3)。1331、遗传密码每种三联体密码译成什么氨基酸呢？从1961年开始1、遗传密码1341、遗传密码1341、遗传密码从表3－3可以看出，大多数氨基酸都有几个三联体密码，多则六个，少则二个，这就是上面提到过的简并现象。只有色氨酸与甲硫氨酸这两种氨基酸例外，每种氨基酸只有一个三联体密码。此外，还有三个三联体密码UAA、UAG、UGA不编码任何氨基酸，是蛋白质合成的终止信号。三联体密码AUG在原核生物中编码甲酰化甲硫氨酸，在真核生物中编码甲硫氨酸，并起合成起点作用。GUG编码缬氨酸，在某些生物中也兼有合成起点的作用。1351、遗传密码从表3－3可以看出，大多数氨基酸都有几个三联体密1、遗传密码在分析简并现象时可以看到，当三联体密码的第一个、第二个碱基决定之后，有时不管第三个碱基是什么，往往决定同一个氨基酸。例如，脯氨酸是由下列的四个三联体密码决定：CCU、CCC、CCA、CCG。也就是说，在一个三联体密码上，第一个、第二个碱基比第三个碱基更为重要，这就是产生简并现象的基础。1361、遗传密码在分析简并现象时可以看到，当三联体密码的第一个、1、遗传密码同义的密码子越多，生物遗传的稳定性越大。因为一旦DNA分子上的碱基发生突变时，突变后所形成的三联体密码，可能与原来的三联体密码翻译成同样的氨基酸，或者化学性质相近的氨基酸，在多肽链上就不会表现任何变异或者变化不明显。因而简并现象对生物遗传的稳定性具有重要的意义。1371、遗传密码同义的密码子越多，生物遗传的稳定性越大。因为一旦1、遗传密码除1980年以来发现某些生物的线粒体tRNA在解读个别密码子时，有不同的翻译方式外(表3－4)，整个生物界，从病毒到人类，遗传密码都是通用的：即所有的核酸语都是由四个基本碱基符号所编成；所有的蛋白质语都是由20种氨基酸所编成，它们共同的语言写成不同的文章(生物种类和生物性状)。共同语言说明了生命的共同本质和共同起源；不同文章说明了生物变异的原因和进化的无限历程。1381、遗传密码除1980年以来发现某些生物的线粒体tRNA在解1、遗传密码1391、遗传密码1391、遗传密码综上所述，现在已经证实遗传密码主要有下列基本的特性：(1)遗传密码为三联体：即三个碱基决定一个氨基酸。(2)遗传密码间不能重复利用：除近来发现的少数情况外，在一个mRNA上每个碱基只属于一个密码子。(3)遗传密码间无逗号：即在翻译过程中，遗传密码的译读是连续的。(4)遗传密码间存在简并现象：除二个氨基酸外，所有氨基酸都有一种以上的密码子编码。1401、遗传密码综上所述，现在已经证实遗传密码主要有下列基本的特1、遗传密码综上所述，现在已经证实遗传密码主要有下列基本的特性：(5)遗传密码的有序性(ordered)：决定同一个氨基酸或性质相近的不同氨基酸的多个密码子，往往只是最后一个碱基发生变化。(6)遗传密码包含起始密码子和终止密码子：蛋白质翻译的起始和终止有专门的密码子所决定。(7)遗传密码的通用性：除线粒体等极少数情况外(表3－4)，遗传密码从病毒到人类是通用的。1411、遗传密码综上所述，现在已经证实遗传密码主要有下列基本的特2、蛋白质的合成蛋白质是由20种不同的氨基酸组成的多肽链，每种蛋白质都有其特定的氨基酸序列。前面我们已经介绍，遗传信息贮存于DNA里，由DNA所含的碱基序列决定氨基酸序列的过程即蛋白质的合成过程，也就是基因的表达过程，实际上包括遗传信息的转录和翻译两个步骤。上一节我们已对由DNA合成mRNA的转录过程作了详细介绍。下面我们主要介绍蛋白质的合成，也就是遗传信息的翻译过程。1422、蛋白质的合成蛋白质是由20种不同的氨基酸组成的多肽链，每2、蛋白质的合成翻译就是mRNA携带着转录的遗传密码附着在核糖体(ribosome)上，把由tRNA运来的各种氨基酸，按照mRNA的密码顺序，相互联结起来成为多肽链，并进一步折叠成为立体的蛋白质分子的过程。翻译过程非常复杂，有大量的蛋白质及RNA参与。蛋白质合成的场所糖核体至少由50多种多肽和3－5种RNA分子组成；至少有20种氨基酸活化酶，决定氨基酸的活化；有40到60种tRNA分子负责氨基酸的输送；还有大量的可溶性蛋白质参与多肽链的起始、延伸和终止。1432、蛋白质的合成翻译就是mRNA携带着转录的遗传密码附着在核2、蛋白质的合成(一)、核糖体

(二)、在核糖体上合成蛋白质(1)、链的起始

(2)、链的延伸(3)、链的终止

1442、蛋白质的合成(一)、核糖体144(一)、核糖体

核糖体是合成蛋白质的中心，是rRNA与核糖体蛋白结合起来的小颗粒。在细菌的细胞内，核糖体散见于细胞质内；它在高等生物细胞质中，大多附着于内质网上。在细胞内含有大量的核糖体，在大肠杆菌细胞内约含有200,000个核糖体，约占整个细胞干物重的25％。核糖体包含大小不同的两个亚基，由镁离子Mg++结合起来，虽然不同生物核糖体的大小不同，但具有大致相同的三维结构，一般呈不倒翁形(图3－29)。145(一)、核糖体核糖体是合成蛋白质的中心，是rRNA与核糖体(一)、核糖体

146(一)、核糖体146(一)、核糖体

大肠杆菌，包括其它原核生物的核糖体为70S，分子量为2.6×106道尔顿，由50S大亚基和30S小亚基结合而成；大亚基包括5S和23S两种rRNA和31种多肽；小亚基包括16SrRNA和21种多肽。高等生物的核糖体为80S，由60S大亚基和40S小亚基组成。大亚基包含5S、5.8S和28S三种rRNA以及49种多肽；小亚基包含18SrRNA和33种多肽。147(一)、核糖体大肠杆菌，包括其它原核生物的核糖体为70S，(一)、核糖体

核糖体rRNA与mRNA一样也是DNA转录的产物。在真核生物中rRNA的合成主要在细胞核的核仁区域进行。rRNA基因转录首先形成rRNA前体，然后通过转录后加工形成成熟rRNA。如在大肠杆菌中转录先产生30S的rRNA前体，再切割为5S、15S和23S三种rRNA及一种4S的tRNA。而在哺乳动物中，5.8S、18S和28S三种rRNA由45S的rRNA前体分割而成，而5SrRNA则由另外基因转录而成。核糖体RNA在转录后，除加工成为成熟的rRNA外，其碱基还发生甲基化，这可能与核糖体的稳定性有关。148(一)、核糖体核糖体rRNA与mRNA一样也是DNA转录的(一)、核糖体

在研究过的所有生物中，均发现rRNA基因是以多拷贝的形式存在的。在大肠杆菌中rRNA基因存在于其染色体的三个不同区域，而在真核生物中rRNA基因有数百到几千个拷贝，其5.8S-18S-28SrRNA基因通常串连地存在于染色体的核仁组织中心(nucleolarorganizerregion)区域。而5SrRNA基因则存在于其它染色体上，但其拷贝数同样也很多。这也就解释了单个细胞中为何有会有大量核糖体的原因。149(一)、核糖体在研究过的所有生物中，均发现rRNA基因是以(一)、核糖体

在蛋白质合成过程中，核糖体是以70S(80S)存在，因为只有这种状态才能维持它们生理上的活性。一般说来，rRNA在细胞内远较mRNA稳定，可以反复用来进行多肽的合成，而且核糖体本身的特异性小，这就是说，同一核糖体根据与其结合的mRNA不同，可以合成不同种类的多肽。150(一)、核糖体在蛋白质合成过程中，核糖体是以70S(80S(二)、在核糖体上合成蛋白质

前面我们已经介绍，mRNA是蛋白质合成的模板，而tRNA则作为运载工具将氨基酸运送到核糖体上蛋白质合成的位置，从而完成蛋白质的合成。但是，在翻译开始以前，各种氨基酸，必须在ATP的参与下先进行活化，然后在氨基酰tRNA合成酶(aminoacyltRNAsynthetase)催化下，与其相对应的tRNA结合形成氨基酰tRNA。151(二)、在核糖体上合成蛋白质前面我们已经介绍，mRNA是蛋(二)、在核糖体上合成蛋白质

现在发现总共有20种氨基酰tRNA合成酶，即一种氨基酸，一种合成酶。氨基酸与其相对应的tRNA结合是否准确，对蛋白质合成的准确与否非常关键，因此也有人将氨基酸与其相对应的tRNA的结合，称为第二遗传密码(secondgeneticcode)。152(二)、在核糖体上合成蛋白质现在发现总共有20种氨基酰tR(二)、在核糖体上合成蛋白质

蛋白质的合成与RNA的合成一样，可将其分为链的起始、延伸和终止三个阶段分别进行介绍。153(二)、在核糖体上合成蛋白质蛋白质的合成与RNA的合成一样(1)、链的起始在大肠杆菌中，蛋白质多肽链合成的起始至少需要核糖体小亚基、一个mRNA分子、决定起始的氨酰基tRNA、GTP、Mg++以及至少三种可溶性蛋白质起始因子(initiationfactors，IFs)IF1、IF2和IF3的参与。在原核生物中，蛋白质合成的起始密码子为AUG，编码甲酰化甲硫氨酸。154(1)、链的起始在大肠杆菌中，蛋白质多肽链合成的起始至少需(1)、链的起始蛋白质合成开始时，首先是决定蛋白质起始的甲酰化甲硫氨酰－tRNA与起始因子IF2结合形成第一个复合体。同时，核糖体小亚基与起始因子IF3和mRNA结合形成第二个复合体。此过程中在起始密码子前面大约7个核苷酸的一段mRNA保守序列(AGGAGG)起着关键作用。它与核糖体小亚基16SrRNA3’端的一段碱基序列互补，可能起着识别作用。当该序列发生改变后，mRNA就不能翻译或者翻译效率很低。155(1)、链的起始蛋白质合成开始时，首先是决定蛋白质起始的甲(1)、链的起始接着二个复合体在起始因子IF1和一分子GDP的作用下，形成一个完整的30S起始复合体。此时，甲酰化甲硫氨酰－tRNA通过tRNA的反密码子识别起始密码子AUG，而直接进入核糖体的P位(peptidyl，P)并释放出IF3。最后与50S大亚基结合，形成完整的70S核糖体，此过程需要水解一分子GDP以提供能量，同时释放出IF1和IF2，完成肽链的起始(图3－30)。156(1)、链的起始接着二个复合体在起始因子IF1和一分子GD(1)、链的起始157(1)、链的起始157(1)、链的起始真核生物蛋白质合成的起始与原核生物基本相同，只是更加复杂一些罢了。例如需要的起始因子更加多些。但也有两点明显的不同：第一是蛋白质合成的起始氨基酸为甲硫氨酸而不是甲酰化甲硫氨酸；其次是合成的起始位置一般是在mRNA5’端的第一个起始密码子AUG位置，而不是在一个特殊的起始序列处。158(1)、链的起始真核生物蛋白质合成的起始与原核生物基本相同(2)、链的延伸肽链的延伸在原核生物和真核生物中基本一致。当甲酰化甲硫氨酰－tRNA(或甲硫氨酰－tRNA)结合在P位后，与其相临的一个三联体密码位置就称为A位(aminoacyl，A)。根据反密码子与密码子配对的原则，第二个氨基酰tRNA就进入A位，此过程需要带有一分子GTP的延伸因子Tu(elongationfactor，EF－Tu)的参与。EF－TuGTP则是在延伸因子Ts的作用下水解一分子的GTP而形成的。随后，在转肽酶(peptidyltransferase)的催化下，在A位的氨基酰tRNA上的氨基酸残基与在P位上的氨基酸的碳末端间形成多肽键。159(2)、链的延伸肽链的延伸在原核生物和真核生物中基本一致。(2)、链的延伸过去认为核糖体50S大亚基本身就有转肽酶的活性，但现在发现50S大亚基中的23SRNA才真正具有转肽酶的活性。此过程水解与EF－Tu结合的GTP而提供能量。最后是核糖体向前移一个三联体密码，原来在A位的多肽－tRNA转入P位，而原在P位的tRNA离开核糖体。此过程需要延伸因子G(EF－G)和水解GTP提供能量。这样空出的A位就可以接合另外一个氨基酰tRNA从而开始第二轮的多肽链延伸(图3－31)。160(2)、链的延伸过去认为核糖体50S大亚基本身就有转肽酶的(2)、链的延伸161(2)、链的延伸161(2)、链的延伸多肽链的延伸速度非常快，在大肠杆菌中，多肽链上每增加一个氨基酸只需0.05秒，也就是说合成一个300个氨基酸的多肽链只需要15秒钟。162(2)、链的延伸多肽链的延伸速度非常快，在大肠杆菌中，多肽(3)、链的终止当多肽链的延伸遇到UAA、UAG和UGA等终止密码子进入核糖体的A位时，多肽链的延伸就不再进行。对终止密码子的识别，需要多肽链释放因子(releasefactor，RF)的参与。在大肠杆菌中有二类释放因子RF1和RF2，RF1识别UAA和UAG；RF2识别UAA和UGA。在真核生物中则只有一种释放因子(eRF)，可以识别所有三种终止密码子。163(3)、链的终止当多肽链的延伸遇到UAA、UAG和UGA等(3)、链的终止当释放因子结合在核糖体的A位后，改变了转肽酶的活性，在新合成多肽链的末端加上水分子，从而使多肽链从P位tRNA上释放出来，离开核糖