21 基因的分子生物学

冈崎片段上的 RNA 引物被 RNA 水解酶水解，DNA 小片段 取代之，再通过 DNA 连接酶(DNA ligase)使各个冈崎片段连 接起来。
具体过程： 在解旋酶的作用下，首先双螺旋的 DNA 可以 同时在
许多 DNA 复制的起始位点 局部解螺旋并拆开为两条单链， 如此在一条双链上可形成许多“复制泡”，解链的叉口处 称为复制叉(replication fork)。
物分子或遗传物质，能够使无害的 R 型肺炎球菌转化成为高 致病性的 S 型肺炎球菌；
被转化成 S 型肺炎球菌的后代仍保持为 S 型，可见 该肺炎球菌的遗传特性被改变。
在美国纽约洛克菲洛研究所工作的 Avery 立刻敏感地抓 住这一问题，进一步进行研究：
他将被加热杀死的 S 型肺炎球菌的各个生物化学成 分分离，包括多糖、蛋白质、脂肪、核酸。
10 个核苷酸与DNA形成双链形式。
四、遗传密码(genetic code)
1、遗传密码的破译 当DNA的双螺旋结构被发现后，另一个重大的问题被提出：
“遗传信息如何储存在只有简单碱基差别的4种核苷酸中？” 在美国健康研究所工作的 Nirenberg & Matthei在进行蛋
单链附着蛋白(SSB)——与解旋的单链结合，使母链 能稳定存在一段时间。
引物酶 —— 负责合成引物。 引物(primer)——为10个左右的核苷酸的RNA短链， 为DNA的合成提供游离的3`OH端。 DNA 聚合酶(DNA polymerase)——负责使游离的核苷 酸准确地与母链 DNA 上互补的碱基结合，并与早先形成的核 苷酸新链连接，使新链延长。
tRNA 起识别密码子和携带相应氨基酸的作用。
茎－环结构 stem-loop
3、rRNA 单链RNA，和核糖体大、小亚基蛋白共同组成核糖体，核
糖体是蛋白质合成的场所。 核糖体的大小亚基在行使翻译功能(肽链合成)时，聚合成
整体，为蛋白质的合成提供场所。 核糖体上具有
附着mRNA模板链的位置。 两个tRNA附着的位置，分别称为A位和P位。
终止子(terminator)——终止RNA新链合成的一段核苷酸 序列，即RNA聚合酶脱离的位点。
• 基本过程： RNA聚合酶结合到DNA分子在启动子附近，并局部打开双
链，其中只有一条链成为RNA分子合成的模板链。
RNA聚合酶沿着模板链的 3`向5`端移动，按5`3`的方 向合成新的RNA链。
RNA聚合酶遇上终止子，RNA 聚合酶脱离，新合成的RNA 链离开模板链游离于细胞核中，DNA 双链恢复双螺旋。
mRNA) ， 核 糖 体 RNA(ribosome RNA, rRNA) 和 转 运 RNA(tranfer RNA, tRNA)
1、 mRNA 是遗传信息的携带者，在细胞核中转录DNA上的遗传信息，
再进入细胞质，成为蛋白质合成的模板(template)。 2、tRNA
局部为双链，在3′、5′端相反一端的环上具有由3个核 苷酸组成的反密码子。tRNA 的反密码子在蛋白质合成时与 mRNA上互补的密码子相结合。
二、RNA的结构与功能
RNA也是核苷酸的多聚体，它与DNA的主要差别： (1)RNA大多是单链分子； (2)含核糖而不是脱氧核糖； (3)4种核苷酸中，不含胸腺嘧啶(T)，而是由尿嘧啶(U)代替了胸
腺嘧啶(T) 细 胞 中 主 要 有 3 种 RNA ， 即 信 使 RNA(messager RNA,
两条链均为右手螺旋，每一螺距为 3.4nm，而相邻碱基对 (base pair, bp)之间的距离为 0.34nm，因此每一螺旋中有 10 个 bp。
2、碱基的互补配对是固定的准确的，A与T 之间形成两条氢键， 而 G 与 C之间形成三条氢键，可见G与C的连接比A与T 之间的 连接更稳定。
3、DNA 分子是有方向性的，由于脱氧核糖核磷酸通过 5`,3`-磷 酸二酯键 连接形成多核苷酸长链，长链的 一端为3`端，有游离的3`-OH 一端为5`端，有游离的5`-磷酸
遗传信息的转录和翻译要复杂得多
转录与翻译耦联
• 基本定义： 转录(transcription)——以单链DNA分子为模板，按照碱
基互补配对原则，合成一条单链RNA分子，DNA分子上携带 的遗传信息被转移到 RNA 分子中的过程。 • 基本结构：
启动子(promoter)——由一段特殊的核苷酸序列构成，是 DNA链上的转录起始信号，是RNA聚合酶识别、结合并打开 DNA双链的位点。
第一代分裂完成的菌体 第二代分裂完成的菌体 将 DNA 分离出来，进行密度梯度离心
结果： 亲本的 DNA 离心后形成一条带，分布在离心管的下部，
可见是仅含 15N 的双链 第一代的 DNA 离心后形成一条带，正好分布在离心管
的中部，可见是同时含 15N 和 14N 的双链 第二代的 DNA 离心后形成两条带，一条位于离心管的
在转录过程中，第一个 RNA 聚合酶在解离下来之前， 第二个 RNA 聚合酶能结合上去，进行第二次转录。
转录与复制的不同点： 1、转录有转录单位，并非整段DNA链全部转录。 2、转录不需要引物，合成的是RNA。 3、转录是不对称的，即仅以一条DNA链为模板，合成一条
RNA链。 4、新合成的RNA链的 5`端游离出来，仅有正在合成的约
2、更有说服力的噬菌体实验
1952 年，Hershey & Chase 利用噬菌体(细菌病毒，其结 构十分简单，由 DNA 内核和蛋白质外壳构成)为实验对象完成 的实验
分别用放射性同位素 35S 标记病毒的蛋白质外壳、32P标记 病毒的 DNA 内核，分别感染未被标记的细菌 关键：
控制好感染时间，保证噬菌体恰好可以完成感染作用，然 后在组织搅拌机中搅拌，切断噬菌体外壳与细菌细胞间的联系。
二、DNA的半保留复制
1、DNA 合成的同位素示踪实验
1958 年，Meselson & Stath 设计了 DNA 合成的同位素 示踪实验，具体作法：
将大肠杆菌放置在一 15NH4Cl 为唯一氮源的培养液中
培养若干代
所有大肠杆菌的 DNA 都被 15N 标记
转入以 14NH4Cl 为唯一氮源的培养液中生长
§21·2 DNA的复制
一、DNA 复制依赖于碱基互补配对原则
DNA 是遗传物质，它携带由特定顺序的核苷酸组成的遗 传信息，控制着生物体特定的性状，并在细胞增殖的过程中将 遗传信息传递给下一代
DNA 分子能够准确地自我复制(self-replication)—— 保 证一套完整的遗传信息的代代相传。 特殊结构 ：DNA的双链结构
中部，一条位于离心管的上部，可见其 DNA 有两种，一种 为同时含 15N 和 14N 的双链，另一种为只含 14N的双链。
结论： 新合成的 DNA 分子的两条 DNA 链，一条来自亲代
DNA(parental chain)，一条是新合成的子链 半保留复制(semiconservative relpication)——细胞中
究过程中，科学工作者们才开始发现遗传物质的蛛丝马迹。
1、著名的肺炎球菌实验
1928 年，英国的细菌学家 Griffith 首次发现了基因 是一类特殊生物分子的证据
他的实验对象是两种肺炎球菌：
S型 —— 有荚膜，菌落表面光滑，高致病性 R型 —— 无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性
实验结果说明： 被加热杀死的 S 型肺炎球菌无致病性； 被加热杀死的 S 型肺炎球菌中 一定有某种特殊的生
在DNA双螺旋分子中， 两条链反向平行
一条长链的方向为 5`3` 一条长链的方向为 3`5`
4、双螺旋的表面形成两条沟，其中 ➢ 大沟(wide groove)宽 2.2 nm，是蛋白质的结合位点； ➢ 小沟(narrow groove)宽 1.2 nm
5、DNA 分子中，4 种核苷酸的排列顺序不受任何限制，能构 成极其繁多的组合形式 如一段长 100 bp 的 DNA片段，其核苷酸的排列方式 有 4100 种 DNA 分子蕴藏着无穷多的遗传信息
上清： 游离的 噬菌体
结论：
沉淀：被 感染过的 细菌
进一步发现：
• 实验结果： 噬菌体在感染细菌时，仅仅是其中的 DNA 内
核进入细菌，而蛋白质外壳留在细菌细胞外
从细菌中释放的新噬菌体颗粒中，能检测出 32P 标记，而检测不出 35S 标记
可见噬菌体在繁殖的过程中，DNA 得到了复制，并 且控制新的蛋白质外壳的合成
特点： DNA聚合酶只能将游离的核苷酸加在新链的 3`OH 端，因
此 DNA 的复制总是由 5`向 3`方向进行 亲代 DNA 双链打开后，一条为 3`5`方向，以这条链
为模板，正好使核苷酸按 5` 3`的方向连续合成新链。 另一条模板链为 5` 3` 方向，无法连续合成新链，
只能分段进行，每合成的一段小片段称为“冈崎片 段”(Okazaki fragment)。
• 速度： 快，大肠杆菌 30 min 完成 4.64 Mb 的复制，人类
几小时完成 3000 Mb 的复制。 • 准确率：
高，平均为 1 ∕ 107。 • 结论：
DNA 的半保留复制保证了所有的体细胞都携带相同 的遗传信息，并可以将遗传信息稳定地传递给下一代。
§21·3 遗传信息流是从DNA到RNA到蛋白质
但是，直到二十世纪四十年代，困扰科学工作者的两 大问题还未解决： 基因是由什么物质构成的？
基因是如何工作的？
当时人们猜测，构成遗传物质的应该是蛋白质，理由： 构成蛋白质的氨基酸有 20 种，氨基酸的不同组
合，就能形成多种不同的蛋白质 蛋白质在生物体内作为酶，催化生物的代谢反应，
并由此控制多种遗传性状的表现 后来，在对细菌tion)
由DNA控制的蛋白质合成涉及两个基本过程：
➢ 第一步，转录(transcription)——将DNA的遗传信息转录到
mRNA中，发生在细胞核中；