生物化学 生化翻译终结版

DNA：染色体和基因的结构在学习DNA作为遗传信息库之前，有必要重新考虑一下信息的本质。

我们已经知道信息表达的序列，而且它与反应的混乱度和随机性的熵是完全相反的（Box14-1，364页）;信息也被称为负熵。

由此我们知道信息是与能量有关的。

实际上，去定量和测量信息并把它与熵单位联系起来是可能的，但这就需要我们对这种可能性和数据进行复杂的考虑。

在今天这个电子计算器和电脑大量被应用的时代，我们明白它们在遗传信息的贮存、加工处理和检索方面对减少劳动力的巨大作用。

在计算机语言中，信息的单位是字节，它代表在两个被选择的可能性之间做出正确选择的数量。

信息需要在两个字节给出的两个选择之间做出连续的选择。

同样的信息需要在16个插件中按照两个选择的顺序选出正确的插件组成4个字节。

通过这种方式，数字电脑就可以把信息转化为一系列双重选择并且保存清单、准备工资名单甚至录制交响乐。

然而人体细胞内在信息的种类和数量远远超过了数字电脑的编程和生化学家提供信息和它们之间联系的能力。

蛋白质中的20种氨基酸不仅仅只有20种编码单位，因为任意给定氨基酸在不同蛋白质内可能有不同含义。

例如丝氨酸，一方面它可以作为一个信号分子修饰一个极性羟基使其能力形成氢键，或着作为酶活性中心的重要基团（例如胰蛋白酶、糖原磷酸化酶），另一方面又可以作为磷酸盐的载体（像牛奶中的酪蛋白干酪素）。

要将具有多样性的DNA语言和20个氨基酸单位组成的蛋白质语言转化为数字语言是不可能的。

也许有一个更简单的方式去说明DNA内的巨大的信息量，回到只有5386个碱基对的φΧ174病毒的碱基序列，对其详细的印刷仅仅只需要一页纸的空间。

如果一个有四百万碱基对的大肠杆菌染色体碱基被印刷出来，大概需要740页纸。

如果把人体细胞内46对染色体碱基序列都印刷出来，大概需要820，000页纸，相当于我们这本书的容量的820倍。

然而如果在转录、翻译和基因表达的调控过程（也许需要大量的附加信息）中没有丰富的关于编码和编程规则的知识，这些印刷品都将是无效的。

现在让我们来学习DNA贮存遗传信息的结构以及其主要功能单位和遗传物质——基因和染色体的本质。

DNA和RNA的不同功能首先，让我们简单的了解一下核酸的本质、功能和它在细胞内的位置。

DNA 是一个非常长的分子，有四种不同的脱氧核糖核甘酸组成，在每个有机体内都有特定的序列。

DNA分子都是双链分子。

原核细胞的染色体是由单个DNA分子束状分布在核区或者类核内。

前面已经提到过原核生物是没有由膜包裹的遗传物质的（18页）。

真核生物的细胞包含很多DNA分子，他们普遍都比原核生物的单个DNA分子大。

真核生物的ＤＮＡ分子和蛋白质一起组成细胞核内的有复杂双层膜包围的染色质丝。

DNA需要所有蛋白质的详细结构和所有种类ＲＮＡ的有机组成来实现储存遗传信息的功能。

并及时的为它们制作程序和有规律的将细胞生物合成和组织成分隔开，决定以此来生物圈和生物体的个独特性。

病毒（37页）也是以核酸作为作为它们的遗传物质，它们中的一些含有DNA、一些含有RNA（表格27-1）。

病毒的核酸与细菌的核酸相比，其内含有特征蛋白的编码而且有的酶能在宿主细胞内重组病毒。

核糖核酸由线状核苷酸组成。

虽然它们比DNA短但在细胞中的含量也很丰富。

在原核细胞核真核细胞中有3类RNA：信使RNA（mRNA）、核糖体RNA（rRNA）、转移RNA（tRNA）。

它们都是由核苷酸单链组成，而且各自有其特定的分子质量、核苷酸序列和生物功能（表格27-2）。

mRNA在核糖体上作为把遗传物质转化为蛋白质上氨基酸序列的模板。

mRNA的核苷酸序列是DNA单链模板上具体一部分的遗传信息互补序列。

单个真核细胞可能含有10，000以上个不同的mRNA分子，每个mRNA分子对应一个或几个不同的多肽链。

tRNA也是由核苷酸单链组成，只是其构象折叠程度更高。

它们含70-95个核苷酸，分子质量在23，000-30，000之间。

蛋白质中的20种氨基酸各自都有一个或几个对应的tRNA来结合它，把它转运到核糖体上并且作为翻译者把mRNA 的遗传密码翻译成蛋白质，其中氨基酸序列上的每个tRNA都含有特定的三核苷酸序列我们称之为反密码子，它的序列就是一个特定氨基酸的密码，而与其互补的序列我们称之为密码子。

rRNA是核糖体的重要组成成分，占核糖体重量的65%。

在真核生物的核糖体中有三类（表格27-2），而在原核生物核糖体内分4类，如我们在29章会看的内容。

rRNA在核糖体的结构和其生物合成功能上都有重要作用。

在真核细胞内包含两种RNA：一类是核初期的mRNA（hnRNAs），另一类是参加RNA合成的小核RNA（snRNAs）。

现在让我们更详细的研究一下核酸，从它们的组件--核苷酸开始。

有特定碱基和戊糖的DNA和RNA的单位核苷酸在第三章我们知道核苷酸含有三个特定的组成部分：（1）含氮碱基（2）戊糖（3）一个磷酸，像图27-1那样连接在一起。

因此碱基在戊糖的1’碳位与糖基的N位成共价键连接，并且磷酸在5’C位被酯化。

含氮碱基嘧啶和嘌呤是杂环化合物的衍生物（图27-2）。

DNA包含两个基本的嘧啶碱基：胞嘧啶和胸腺嘧啶，以及两个基本的嘌呤碱基：腺嘌呤和鸟嘌呤。

RNA也含有两个基本的嘧啶：胞嘧啶和尿嘧啶，以及两个基本的嘌呤碱基：腺嘌呤和鸟嘌呤。

DNA和RNA的碱基唯一的不同就是DNA中的胸腺嘧啶在RNA中是没有的。

相反的，RNA中的特有碱基尿嘧啶在DNA中也很少出现。

此外胸腺和嘧啶都是不溶于水的非极性分子（图27-3）。

在核酸中有两种戊糖，DNA的脱氧核糖核苷酸单位含2‘-脱氧D-核苷酸，而RNA的核糖核苷酸单位含D-核苷酸。

并且在它们的呋喃β位上都有碱基。

图27-4已经给出了四种基本的脱氧核糖核苷酸的结构和命名，它们是DNA 的结构和编码单位，同时还给出了四种RNA的编码单位核糖核苷酸。

DNA用其具体的A、T、C、G顺序编码遗传信息。

核苷酸中除了着四种重要的和基本的碱基外，DNA中还有一些稀有碱基，通常这些稀有碱基是基本碱基的甲基化形式。

在某些具体的信号中这些DNA分子中被改变的独特的碱基在编码和保护遗传信息方面有重要作用。

在RNA中也有稀有碱基的存在，尤其是在tRNA中。

核酸中连续核苷酸的磷酸二酯链DNA和RNA中的连续核苷酸通过磷酸基以共价键的形式连接在一起。

一个核苷酸单位的5’-羟基基团与下一个核苷酸的3’-羟基基团以磷酸二酯键相连（图27-5）。

所以核酸的共价键主链由两个可选择的磷酸基团和戊糖基团组成，然而那些特有基团是被作为侧基插入主链的间隙中的。

而且由于酸性的磷酸基团对细胞内的PH值有影响所以DNA和RNA分子具有强极性。

另一方面，嘌呤和嘧啶具有疏水性都不溶于水。

同时我们应该知道DNA链和RNA链具有独特的极性和方位，这是因为所有核苷酸之间的磷酸二酯键沿着链都有相同的方向（图27-5）。

由于有这种极性每条线状的核酸链都有各自的5’端和3’端。

核酸的核苷酸序列可用图解的方式表示出来，如通过一段含有5种核苷酸单位的DNA阐明。

基部由A、T、G和C代表，每个脱氧核糖由一条竖线代表，磷酸基团由○P代表。

小数字告诉我们脱氧核糖单元在哪个位置与磷酸基团相连。

DNA 单链的结构总是写成5’末端在左，3’末端在右，也就是说，沿着5’→3’的方向。

以上的五脱氧核糖核苷酸序列的两种简便表示方法为pApTpGpCpA和pATGCA。

DNA和RNA的核苷酸间键合可通过水解作用被化学地割开。

它们也可以被一种叫做核酸水解酶。

一些核酸酶可以水解DNA或RNA链上两临近核苷酸内部位置的连接，这样的核酸酶叫内切核酸酶。

另一类核酸酶只能水解终端核苷酸的连接，一些在5’端，一些在3’端，这些是外切核酸酶。

脱氧核糖核酸酶仅能水解DNA 里特定核苷酸间键合，核糖核酸酶仅限于RNA，它们已在所有细胞中被发现。

它们同样参与消化过程中核酸的水解。

我们应看到，不同种类的内切核酸酶，是控制DNA和RNA断裂成更小的片段的重要生物化学工具，是决定核苷酸顺序的准备。

DNA储存遗传信息DNA的历史从一位瑞士生物学家Friedrich Miescher开始，他完成了细胞核的第一次系统化学研究。

在1868年，Miescher从丢弃的外科手术绷带上获得的脓细胞（脓细胞是白细胞）细胞核中分离出了一种储磷的物质，他把它叫做核素。

(脓细胞是一种白细胞)Miescher发现核素由一个酸性部分，也就是我们现在所知道的DNA，和一个由蛋白质提供的基础部分构成。

之后，他又在鲑鱼精子细胞的头部发现了类似的物质。

虽然他分离出了核酸部分并研究了它的性质，但如图27―5中所示的DNA共价结构，直到19世纪40年代末才被人们确切知晓。

尽管Miescher和他的许多支持者怀疑核素或核酸与细胞遗传有关，但第一个认为DNA是遗传信息的承载者的直接证据是在1943年被发现的，Rockefeller 协会的Oswald T.Avery，Colin MacLeod和Maclyn McCarty发现的。

他们发现了从致死的细菌品系——肺炎双球菌，也叫肺炎球菌——中抽出的DNA可以永久地将有机体内不致死品系的肺炎球菌彻底变为致死型的（图27-6）。

Avery和他的同事总结出从致死品系中抽出的DNA携带致死性的基因遗传信息并且它可以永久性地与接受它的非致死品系的DNA结合。

开始不是每个人都接受这些结论。

一些批评家认为在Avery的实验中，DNA中掺杂的少量蛋白质可能是真正的遗信息携带者。

但这种可能性很快就被排除，因为用分解蛋白质的酶处理DNA不能破坏转化活动，而用脱氧核糖核酸酶处理DNA可破坏转化活动。

后来，又一个重要的实验为DNA携带遗传信息提供了独立依据。

在1952年Alfred D.Hershey和Martha Chase通过同位素标记实验证明了当噬菌体T2感染宿主细胞，大肠杆菌细胞时，真正进入宿主细胞并为病毒的复制装配遗传信息的T2病毒性颗粒是DNA，而不是它的蛋白质部分（图27-7）。

根据这些早期的重要实验和其他许多线索的发展，现在我们已完全确定DNA 是活细胞中携带遗传信息的染色物质。

不同物种的DNA有特殊的基本构成最重要的关于DNA结构的线索出自哥伦比亚大学Erwin Chargaff和他的同事们在19世纪40年代末的一个发现。

他们发现四个碱基以不同的比例存在于不同有机体的DNA中，并且它们相互间有一个数量关系，表格27―3显示了代表物种中抽出的DNA样本的四个碱基（A、T、G和C）的相对数量。

这样的从不同物种DNA中收集的数据，使Chargaff和后来的研究人员得出了以下结论：1、从同一物种的不同器官中抽出的DNA样本有相同的基本构成。

2、DNA的基本构成根据物种变化而不同。