1、醫學生物化學重點輔導四：遺傳信息的傳遞2006.10 第三部分遺傳信息的傳遞復制、轉錄、翻譯、基因表達調控及基因工程第十章 DNA的生物合成復制要求：掌握遺傳信息傳遞的中心法則及其補充；掌握DNA的半保留復制方式、復制的原料、模板、參與復制的酶類；掌握逆轉錄的概念及逆轉錄酶的功能。熟悉DNA復制的過程。提要：遺傳信息的傳遞在醫學生物學中具有重要作用，在這里主要討論遺傳的分子基礎，即基因的分子生物學基本知識。DNA是遺傳的物質基礎。DNA分子中堿基（核苷酸）的排列順序即是貯藏的遺傳信息。所謂基因，實質上是DNA大分子中的各功能片段。雖然DNA分子中只有A、G、C、T四種堿基，但由于DNA分子很大

2、，含有的堿基數量極多（如人的基因組DNA含有約3×109個堿基對），可以有多種多樣不同的排列方式。不同的基因，其堿基的序列不同，攜帶著千變萬化的遺傳信息。細胞有絲分裂之前，細胞中的 DNA分子必須進行自我復制，將親代DNA的遺傳信息準確地傳遞到子代DNA分子中，這一過程稱為DNA復制。由此，子代細胞則具有一套與親代細胞完全相同的DNA分子，這就是遺傳作用。另一方面，DNA是信息分子，其分子中貯藏的信息必須要通過由它指導合成的特定蛋白質，表現特異的功能，才能體現出來。如前所述，蛋白質是生命的物質基礎，蛋白質功能的復雜性依賴于蛋白質分子內氨基酸的排列順序及其空間結構。蛋白質的結構不同，功

3、能也各異，從而影響機體的各種生命活動。現已證明，體內蛋白質分子合成時，其氨基酸的排列順序最終是由DNA分子中核苷酸（堿基）順序所決定的。但是，DNA本身并不能直接指導蛋白質的合成，而是首先以DNA分子為模板，在細胞內合成與其結構相應的RNA，將DNA的遺傳信息抄錄到mRNA（信使RNA）分子中，這種將 DNA遺傳信息傳遞給RNA的過程，稱為轉錄。通過轉錄，DNA的堿基序列按互補配對的原則轉變成RNA分子中的相應堿基序列。然后，再以mRNA為模板，按照其堿基(A、G、C、U)的排列順序，以三個相鄰堿基序列為一種氨基酸的密碼子形式，來決定蛋白質合成時氨基酸的序列。這一過程稱為翻譯。通過轉錄和翻譯，

4、基因遺傳信息指導合成各種功能的蛋白質，這就是基因表達。遺傳信息傳遞方向的這種規律，即復制轉錄翻譯，稱為遺傳信息傳遞的中心法則。進一步研究發現，某些病毒中RNA也可以作為模板，指導DNA的合成。這種信息傳遞方向與轉錄過程相反，稱為逆（反向）轉錄。另外，還發現，某些病毒中的RNA亦可自身復制。這就是中心法則的補充。學習基因分子生物學的基本知識具有重要意義。一方面它可以使我們對生命的本質有更深刻的認識，并且在此基礎上有利于生物體的改造；另一方面，隨著研究工作的深入，愈來愈多地發現某些疾病的發生與基因及表達異常有關。例如遺傳病、惡性腫瘤、心血管疾病、某些神經性疾病等。為了更好地理解這些疾病發病的分子機

5、理及相應的防治措施，學習遺傳信息傳遞的基本知識是十分必要的。在DNA復制過程中，首先是原DNA雙螺旋的兩條多核苷酸鏈之間的氫鍵斷裂，雙鏈解開并分為兩股單鏈。然后，每條單鏈DNA各自作為模板，以三磷酸脫氧核糖核苷(dNTP)為原料，按照堿基配對規律(A與T配對，G與C配對)，合成新的互補鏈。這樣形成的兩個子代DNA分子與原來的親代DNA分子的核苷酸順序是完全相同的。在此過程中，每個子代DNA分子的雙鏈，一條鏈來自親代DNA，而另一條鏈則是新合成的。這種復制方式稱為半保留復制。由于DNA在代謝上的穩定性和復制的忠實性，經過許多代的復制，DNA分子上的遺傳信息仍可準確地傳給子代。DNA的復制過程極為

6、復雜，但其速度極快，這是由于許多酶和蛋白質因子參與了復制過程。其中，DNA聚合酶起著重要作用。在原有DNA模板鏈存在情況下，DNA聚合酶催化四種脫氧核苷酸(dATP、dTTP、dGTP、dCTP)，通過與模板鏈的堿基互補配對，合成新的對應DNA鏈，故此酶又稱為DNA指導的DNA聚合酶(DNA directed DNA polymerase，縮寫為 DDDP)。DNA聚合酶的特點是不能自行從頭合成DNA鏈，而必須有一個多核苷酸鏈作為引物，DNA聚合酶只能在此引物的端催化dNTP與末端作用，形成,-磷酸二酯鍵，從而逐步合成DNA鏈。因此，DNA鏈的合成是有方向性的，即從端端方向進行。這一特點在DN

7、A復制過程中具有重要意義。無論在原核細胞或真核細胞中，都存在多種DNA聚合酶，它們的性質和作用不完全相同。在真核細胞中至少有5種DNA聚合酶，即DNA聚合酶a、b、g、d和e。其中DNA聚合酶a在細胞中活性最強，在復制中起關鍵作用，而DNA聚合酶b主要在DNA損傷的修復中起作用。在DNA復制過程中，若有 dNTP與親代DNA鏈中相應堿基錯誤配對時，某些DNA聚合酶還具有核酸外切酶的活性，切去錯誤配對的核苷酸，以保證DNA復制的忠實性，稱為“校對”作用。DNA復制的這一特性也具有重要意義。引物酶是DNA復制的另一種重要的酶。如上所述，DNA聚合酶不能自行從頭合成DNA鏈，因此，在復制過程中首先需

8、要合成一小段多核苷酸鏈作為引物。實驗證明，這段引物是RNA鏈片段，在這段引物的3端引導DNA鏈的合成。催化引物鏈合成的酶稱為引物酶，實際上它是一種特殊的RNA聚合酶。此酶以相應復制起始部位的DNA鏈為模板，合成短片段的RNA引物。DNA連接酶也是DNA復制過程中不可缺少的酶。因為復制過程中DNA鏈的合成方向只能由端53端方向進行，因此其中有一條新鏈的合成是不連續的，起初生成的只是許多短鏈的DNA片段（對這點的理解十分重要）。此種片段須在DNA連接酶的催化下，首尾相連，才能成為一條完整的DNA長鏈。實際上，DNA連接酶是將一片段DNA鏈上的-OH末端與相鄰另一片段DNA鏈上的P末端連接起來，使二

9、者生成磷酸二酯鍵，從而將兩個片段的DNA鏈連接起來。除了上述的三種酶，DNA復制還需要一些其它的酶和蛋白質因子，它們主要參與DNA的解旋和解鏈過程。因為DNA具有超螺旋結構，復制時必然要松弛DNA模板的超螺旋結構，并使DNA的雙鏈分開，暴露堿基，才能發揮模板作用。松弛DNA超螺旋結構的酶是拓撲異構酶，解開DNA雙鏈的酶是解鏈酶。還有一些蛋白質因子結合在解開的單鏈DNA鏈上，保持模板鏈處于單鏈狀態，便于復制，稱為DNA結合蛋白。DNA的復制過程十分復雜，大體可分為幾個階段：1起始與引物的合成。DNA復制有固定的起始部位，原核細胞中只有一個復制起始部位，而真核細胞DNA有多個復制起始部位。在起始部

10、位首先起作用的是DNA拓撲異構酶和解鏈酶，它們分別松弛DNA超螺旋結構和解開一段雙鏈，并由DNA結合蛋白保護和穩定解開的DNA單鏈，形成復制點，又稱復制叉。在此基礎上，進一步由引物酶起作用，合成引物RNA片段。引物的長短約為十多個至數十個核苷酸。2DNA片段的合成。這是DNA復制的核心內容。在細胞內，DNA的兩條鏈都可以作為模板，分別合成兩條新的DNA子鏈。由于DNA的兩條鏈是反向平行的，即一條鏈是53，而另一條鏈則是35。但是，如上所述，DNA聚合酶催化DNA鏈的合成只能沿著53方向進行，因此，解開雙鏈以后，在35方向的模板上可以反向平行的方式順利地按53方向合成新的DNA鏈。這條鏈是連續合

11、成的（以35方向鏈為模板，稱為前導鏈；而另一條鏈是不連續合成的（以53方向鏈為模板），稱為隨從鏈。即在隨從鏈合成過程中，首先仍以53方向合成較短的DNA片段（由岡崎發現，故稱為“岡崎片段”），然后在DNA連接酶作用下，再將這些片段連接起來，形成完整的 DNA鏈。雖然隨從鏈的合成從總體來看是53方向，但每個岡崎片段的合成方向仍然是53。只有這樣才能使合成隨從鏈成為可能。正確理解隨從鏈合成在DNA復制中的作用，是本章的難點所在。3RNA引物的水解。DNA片段合成到一定長度后，鏈中的RNA引物即被核酸酶水解而除去。由此出現的缺口通過DNA片段的繼續延長而填補。4完整子代DNA分子的形成。隨從鏈中相鄰

12、的兩個DNA片段在DNA連接酶作用下連接起來，形成大分子DNA鏈，與其對應的模板DNA鏈一起生成子代雙螺旋DNA，即完整的 DNA分子。合成的前導鏈也與其對應的另一條模板DNA鏈生成另一個雙螺旋子代DNA分子。這兩個子代DNA與親代DNA的結構完全相同，由此遺傳信息從親代傳遞給子代。DNA復制在細胞分裂周期的S期進行。抑制DNA復制可以抑制細胞分裂，其些抗腫瘤藥物則是通過這個途徑而達到治療的目的。DNA的合成除了復制外，還可以RNA為模板合成DNA，這個過程稱為逆(反)轉錄。催化此反應的酶是逆（反）轉錄酶。逆轉錄在病毒RNA的致癌過程中起重要作用。第十一章RNA的生物合成轉錄要求：掌握轉錄的原

13、料、模板、酶及轉錄的基本過程。熟悉編碼鏈、模板鏈、內含子、外顯子的概念。提要：細胞中的RNA是以DNA為模板合成的。這種由DNA向RNA傳遞信息的過程，稱為轉錄。RNA的轉錄需要多種成分參與，包括DNA模板、四種三磷酸核糖核苷酸(NTP)，RNA聚合酶及某些蛋白質因子等，總稱為轉錄體系。RNA合成需要DNA做為模板，根據堿基配對規律，按照DNA模板中核苷酸的排列順序，合成相應核苷酸順序的RNA分子，即模板DNA分子中的A、G、C、T分別對應合成 RNA分子中的U、C、G、A。由此，模板DNA的結構決定著轉錄RNA的結構，從而將遺傳信息傳遞給RNA(mRNA)。可見，轉錄是基因表達的重要過程。細

14、胞內DNA的雙鏈中只有一條鏈可以作為模板轉錄合成RNA，此鏈稱為模板鏈。轉錄本RNA的核苷酸序列與DNA模板鏈序列互補。DNA的另一條鏈無轉錄功能，稱為編碼鏈。此鏈的序列與轉錄本RNA鏈的序列基本相同，只是編碼鏈中的T相應在轉錄本RNA中為U。由于轉錄本RNA編碼合成蛋白質，故DNA的這條鏈命名為“編碼鏈”。與 DNA復制不同，轉錄是不對稱的（即只有一條鏈轉錄，而不是象復制中兩條鏈均可以用做模板）。這是轉錄的重要特點。需要指出的是，在一個包含多個基因的雙鏈DNA分子中，各個基因的模板鏈并不是全在同一條鏈上，在某個基因節段以某一條鏈為模板轉錄，而在另一個基因節段可由另一條鏈為模板。正確理解這一特

15、點也十分重要。轉錄是在DNA模板上的特定部位開始的。轉錄起始點之前有一段核苷酸序列組成的啟動子，是RNA聚合酶的識別和結合部位。啟動子在轉錄的調控中起著重要作用。在DNA模板上，從起始點順轉錄方向的區域稱為“下游”，從起始點開始與轉錄方向相反的區域稱為“上游”。在轉錄的DNA模板上，除了啟動子外，還有停止轉錄作用的部位，稱為終止信號。能轉錄出mRNA，然后指導蛋白質合成的基因，稱為結構基因。可見，轉錄過程是在模板的一定范圍內進行的，稱為轉錄單位。在模板DNA上，還有一些調節基因轉錄的區域，例如增強轉錄作用的增強子和減弱轉錄作用的抑制子等。DNA指導的RNA聚合酶是轉錄過程中最重要的酶，它催化核

16、糖核苷酸之間形成磷酸二酯鍵，合成RNA鏈。已知大腸桿菌的RNA聚合酶由五個亞基組成，全酶去除亞基 (又稱因子)后，稱為核心酶)。因子的作用是辨認DNA模板上轉錄的啟動子，協助轉錄的起始。核心酶的作用是延長RNA鏈。某些藥物如利福霉素或利福平能特異抑制細菌的RNA聚合酶，從而發揮藥理作用。真核細胞中有三種RNA聚合酶，它們分別催化不同類型RNA的合成。轉錄過程大體分為三個階段，即起始、RNA鏈的延長和終止。與DNA復制不同的是：轉錄不需要引物；轉錄時堿基配對的規律是U代替T。轉錄時RNA鏈的合成也有方向性，即從端端進行，這一點與復制類似。值得注意的是，轉錄生成的是RNA初級產物，即RNA的前體。

17、真核細胞轉錄的前體RNA均要經過一系列酶的作用，進行修飾加工，才能成為具有生物功能的成熟RNA，這個過程稱為轉錄后加工。mRNA的加工具有特別重要的意義，主要包括：1剪接，即切去前體RNA中的內含子部分，而將外顯子拚接起來。在這里要正確理解內含子和外顯子的概念。2在5端加一個特殊的“帽”結構。3在端加多聚腺苷酸的“尾”結構。4前體RNA鏈中堿基的修飾，最常見的是堿基甲基化。雖然mRNA，tRNA，rRNA的具體加工過程不同，但不外乎是鏈的剪切、拚接、末端添加核苷酸和堿基修飾等幾種基本方式。學習本章時，可與DNA復制進行比較，便于理解和記憶。第十二章蛋白質生物合成一翻譯要求：掌握蛋白質生物合成的

18、概況：原料、三類RNA在蛋白質生物合成中的作用、遺傳密碼的概念及其特點。熟悉蛋白質合成的基本過程：氨基酸的活化與轉運、肽鏈的起始、延長及終止；熟悉核蛋白體循環的概念。提要：蛋白質的生物合成即翻譯過程，是以mRNA作為模板、由氨基酸通過肽鍵結合，形成特定多肽鏈的過程。由此，遺傳信息從mRNA的核苷酸排列序列傳遞到蛋白質分子中相應的氨基酸排列序列。20種a-氨基酸是蛋白質合成的原料。mRNA、tRNA及rRNA均參與蛋白質合成過程。此外還需要有關的酶、蛋白質因子、ATP與GTP供能物質以及必要的無機離子，總稱為蛋白質合成體系。mRNA在蛋白質合成中具有重要作用。mRNA分子中每相鄰的三個核苷酸編成

19、一組，在蛋白質合成時，代表某一種氨基酸，稱為密碼子。共有64組密碼子，其中61組編碼氨基酸，還有起始密碼子和終止密碼子。密碼子具有方向性、不間隔性、通用性等特點。不同氨基酸所具有的密碼子數目不同，每一種氨基酸至少有1組密碼子。tRNA在蛋白質合成中的作用是特異性轉運氨基酸，并通過tRNA的反密碼子與mRNA的密碼子配對結合，使氨基酸準確地在mRNA密碼子上“對號入座”，保證了遺傳信息的傳遞。此外，反密碼子中的第一位堿基常出現次黃嘌呤 (I)，它與密碼子中的A、C、U均可形成氫鍵而結合，配對不甚嚴格。但是反密碼子中的第2、3位堿基與密碼子的第2、1位堿基的結合是嚴格遵守配對規律在氨基酸的轉運過程

20、中，氨基酸tRNA合成酶起著重要作用。由rRNA組成的核蛋白體是蛋白質多肽鏈合成的場所，即“裝配機”。在蛋白質合成過程中，上述三類RNA缺一不可。蛋白質合成的過程包括氨基酸的活化與轉運，肽鏈合成的起始、延長和終止。后三個過程總稱為核蛋白體循環。在多肽鏈合成過程中，轉肽酶起著重要作用。蛋白質多肽鏈的合成是耗能、不可逆的過程，并且有方向性，即由N端向C端延伸。體內蛋白質合成的速度很快。多個核蛋白體可以同時利用同一條mRNA，構成多核蛋白體，合成多條相同的多肽鏈，從而提高合成效率。第十三章基因表達調控與基因工程要求：掌握基因及基因表達的概念；掌握基因工程的基本概念及基本步驟。熟悉乳糖操縱子的概念。提

21、要：一、基因表達及乳糖操縱子基因表達就是指基因轉錄和翻譯的過程。并非所有基因表達過程都產生蛋白質分子，有些基因只轉錄合成RNA分子，如rRNA、tRNA等。這些基因轉錄合成RNA的過程也屬于基因表達。原核生物，如細菌調節基因表達是為適應環境變化，調節代謝、維持細胞生長與分裂。真核生物，如動物乃至人類在環境變化及個體生長、發育的不同階段調節基因的表達既為調節代謝、適應環境，也為維持生長、發育與分化。操縱子的概念：所謂操縱子就是由功能上相關的一組基因在染色體上串聯、共同構成的一個轉錄單位。一個操縱子通常含一個啟動序列及數個可轉錄的編碼基因，除啟動序列和編碼序列，操縱子內還含有其它具有調節功能的序列。乳糖操縱子的結構：大