第五章 遗传的分子基础

　　本章提要：

　　生命的物质基础是蛋白质和核酸，蛋白质是生命体最主要的组成成分，但它不是遗传物质。肺炎双球菌转化实验和噬菌体感染实验直接证明了遗传物质是DNA，而不是蛋白质；烟草花叶病毒感染实验则证明了在有些生物中，RNA也是遗传物质。核酸是一种高分子化合物，由单核苷酸聚合而成，核苷酸由碱基、戊糖（也称核糖）和磷酸三部分构成。DNA中的戊糖为D-2-脱氧核糖，RNA所含的戊糖为D-核糖，DNA中含有4种碱基，即腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G ），胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）， RNA分子中的4种碱基是腺嘌呤、鸟嘌呤，胞嘧啶和尿嘧啶（U）。

　　核酸的一级结构是指DNA或RNA分子中4种核苷酸的连接方式和排列顺序。DNA分子大都由两条单链构成，通常以线性或环状的形式存在；RNA分子则多以单链形式存在。DNA分子的四种碱基中腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T），鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）的摩尔含量总是相等的，即[A]=[T]、[G]=[C]，因此嘌呤的总含量和嘧啶的总含量是相等的，即A+G=C+T。DNA两条链上的碱基之间不是任意配对的，A只能与T配对，G只能与C 配对，碱基之间的这种一一对应的关系叫做碱基互补配对原则。DNA的二级结构为右手双螺旋结构模型，双螺旋的直径是2nm，螺距为3.4nm，上下相邻碱基和垂直距离为0.34nm，交角为36°，每个螺旋10个碱基对。

　　DNA的复制是以亲代DNA分子为模板合成一条与亲代模板结构相同的子代DNA分子的过程。DNA复制有两个最主要的特点，即半保留和半不连续复制。其基本过程可以分为起始、延伸和终止三个阶段。复制过程中还需要许多酶和蛋白质的参与。

　　RNA分子有3类：信使RNA、核糖体RNA和转移RNA。DNA转录与DNA复制的化学反应过程十分相似，都是在酶的催化作用以DNA为模板，按照碱基互补配对的原则，沿5’→3’方向合成与模板互补的新链。区别在于复制是合成新的基因组拷贝，而转录是把基因组的遗传信息表达成RNA，两者的目的和功能不同。

　　mRNA与蛋白质之间的关系是通过遗传密码作为桥梁的。遗传密码是指编码基因的碱基序列和蛋白质的氨基酸序列的对应关系。遗传密码共有64种，其中61个密码子编码常规的20种氨基酸，3个密码子为肽链终止密码。mRNA上每三个相邻核苷酸组成一个三联体密码，编码一种氨基酸。遗传密码以三个核苷酸为一个阅读单元。遗传密码具有通用性，绝大多数生物的遗传密码都是相同的。但真核生物线粒体基因组的密码子不完全遵循遗传密码的通用性原则。由一种以上密码子编码同一氨基酸的现象称为遗传密码的简并性，编码相同氨基酸的密码子称为同义密码子，密码子的专一性主要由头两位核苷酸决定。密码子虽有简并性，但它们使用的频率并不相等。密码子具有方向性，密码也具有方向性，即mRNA从5'端到3'端的核苷酸排列顺序就决定了多肽链中从N端到C端的氨基酸排列顺序。摆动假说指某些mRNA的反密码子仅要求与tRNA上的三联体密码的前两个核苷酸严格配对而允许第三个核苷酸错配，或者说可以有某种程度的“摆动”。

　　蛋白质的合成大约有200种生物大分子参与，比复制和转录都复杂，蛋白合成的场所是核糖体，翻译的过程分为起始，肽链的延伸和终止三个阶段。中心法则是指生物体的遗传信息以遗传密码的形式编码在DNA分子上，在细胞分裂过程中，通过DNA的复制把遗传信息由亲代传递给子代；在子代的个体发育过程中，遗传信息通过转录过程由DNA传递到RNA，然后翻译成特异的蛋白质，表现出与亲代相似的遗传性状。在RNA为遗传物质的情况下，RNA具有自我复制的能力，并同时作为mRNA指导蛋白质的生物合成。在致癌RNA病毒中，RNA以逆转录的方式将遗传信息逆向传递给DNA分子，因此中心法则得以补充和完善。

　　基因的概念经历了一个历史发展过程，并正在发展和逐渐完善之中。孟德尔最早提出“遗传因子”的概念，并总结出遗传因子传递的两大规律——分离规律和自由组合规律，后更名为基因，并一直沿用至今。摩尔根通过大量的果蝇细胞遗传学实验，提出了基因位于染色体上的“念珠模型”，指出基因是携带生物体遗传信息的结构单位，具有控制特定性状、突变和发生交换的功能。基因的产物可以是具有翻译成多肽的mRNA，还可以是tRNA和rRNA，即 “一个基因一种酶”或更确切地说是“一个基因一条多肽链”。基因的化学本质是DNA，是染色体上的一段有功能的DNA片段，同时，又是一个突变单位和重组单位。顺反子学说首次把基因具体化为DNA分子上一个决定一条多肽链的完整的功能单位，其内部是可分的，包含多个突变和重组单位。转座子的位置是不固定的，可以在染色体上移动，也称跳跃基因。原核生物中功能上相关的结构基因往往在染色体上紧密排列在一起，一起转录和表达以产生一系列协调的生化反应，即操纵子学说。绝大多数的真核基因的编码序列是不连续的，它们被一些非编码的DNA序列间隔开，形成一种断裂结构，其中编码序列叫做外显子，非编码的间隔序列叫做内含子。重叠基因是两个或两个以上的基因共有一段DNA序列。基因是有功能的DNA片段，它含有合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核苷酸序列。基因具有以下四方面的特点：（1）基因是一个突变单位，突变的本质是基因的改变，最终导致生物遗传性的改变；（2）基因是一个功能单位，以遗传密码的方式携带遗传信息，发出指令产生各种生物表型；（3）基因是一个重组单位，由于重组促进了生物的进化和生物的多样性；（4）基因是一个调控的和可调控的单位。

　　基因工程是在分子水平上通过对遗传物质的直接操作，把供体细胞中的基因或DNA片段提取出来，按照预先设计的蓝图，经过体外加工重组，或者把人工合成的基因转移到受体细胞并获得新的遗传特性的技术，基因工程又叫DNA重组技术。

　　基因工程的基本操作程序包括：（1）目的基因的获取；（2）用工具酶对目的基因和载体（Vector）进行加工处理，把目的基因与载体结合成重组DNA分子；（3）把重组DNA分子引入受体细胞，并使目的基因和载体上其他基因得以表达；（4）转化体细胞的扩增、鉴定与筛选。

　　将外源DNA导入动物基因组产生了可遗传的改变，这样的动物称为转基因动物，转基因动物的用途在于：（1）研究基因表达的调控机理；（2）作为人类疾病的动物模型，用于某些药物实验；（3）培育高产、优质、抗病的优秀农业动物；（4）作为生物反应器，生产工业和医学所需的生物活性蛋白；（5）作为人类器官移植的供体动物。

　　动物克隆是由一个动物经无性繁殖而产生的遗传构成与供体完全相同的动物个体。是指将发育不同时期胚胎或成体动物细胞核经显微手术和细胞融合的方法移植到去核卵母细胞中，重新组成胚胎并使之发育到产仔的过程。动物克隆的意义在于

　　（1）能够快速复制出优秀种畜；（2）最理想的实验动物；（3）保护濒危动物。

　　本章要求掌握的概念：

　　1．转化：加热杀死的具有毒性的肺炎双球菌可以使活的无毒的肺炎双球菌成为有毒细菌，这种现象称为转化。

　　2．简并：有一种以上的密码子编码同一氨基酸的现象，称为简并。

　　3．转录：DNA上的遗传信息形成相应的mRNA，称为转录。

　　4．翻译：遗传信息通过转录形成mRNA，然后指导形成蛋白质的过程，称为翻译。

　　5．中心法则：遗传信息通过转录过程由DNA传递到RNA，然后再翻译成蛋白质，这种信息的流向，称为中心法则。

　　6．密码子：在mRNA上，每三个相邻的核苷酸组成一个三联体密码，称为密码子，每个密码子编码一种氨基酸。

　　7．基因工程：是在分子水平上通过对遗传物质的直接操作，把供体细胞中的基因或DNA片段提取出来，按照预先设计的蓝图，经过体外加工重组，或者把人工合成的基因转移到受体细胞，并获得新的遗传特性的技术。

　　复习思考题：

　　1．简要说明DNA复制与转录的不同点。

　　答：（1）对于一个基因组来说，转录只发生在部分区域，基因组中许多区域并不表达成RNA；而复制是全部基因组的拷贝过程。（2）转录时只有一条DNA链作为模板，称为模板链或反义链；而复制时，两条链都作为模板。（3）转录起始不需要引物存在，而复制需要引物存在。（4）转录的底物是4种核糖核苷三磷酸，碱基互补配对关系为A-U和G-C；而复制的底物是4种脱氧核糖核苷三磷酸，碱基互补配对关系为A-T和G-C。（5）转录（RNA合成）依赖于RNA聚合酶的催化作用，而复制需要DNA聚合酶，两种聚合酶系不同。（6）转录时DNA-RNA杂合双链分子是不稳定的，RNA链在延伸过程中不断从模板上游离出来，模板DNA恢复双链状态；而DNA复制叉形成之后一直打开，不断向两侧延伸，新合成的链与亲本链形成子链。（7）真核生物基因和rRNA、tRNA基因经转录生成的初级转录物一般需要经过加工成熟，才能具有生物功能。

　　2．简述蛋白质生物合成的基本过程。

　　答：蛋白质生物合成的场所是核糖体，翻译的过程分为起始、肽链的延伸和终止三个阶段。合成起始是指核糖体大小亚基、tRNA和mRNA在起始因子的作用下组装成起始复合物的过程。肽链的延伸就是由tRNA将各种氨基酸运来，按mRNA的密码顺序，连接起来成为多肽链，当肽链合成进行到终止密码时，各种氨基酰-tRNA都不能进位，肽链合成终止并释放，其后，几条多肽链结合，进一步折叠成为立体蛋白质分子。

　　3．说明遗传密码的基本特点。

　　遗传密码有简并性，即一种以上的密码子编码一种氨基酸；密码子具有方向性，即mRNA从5’端到3’端的核苷酸排列顺序决定了多肽链中从N端到C端的氨基酸排列顺序；tRNA上的反密码子环可以识别特定的氨基酸，并将其运载至mRNA模板上。

　　4．简要介绍中心法则及其发展。

　　核酸是贮存和传递遗传信息的生物大分子。生物体的遗传信息以遗传密码的形式编码在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂过程中，通过DNA的复制把遗传信息由亲代传递给子代；在子代的个体发育过程中，遗传信息通过转录过程由DNA传递给RNA，然后翻译成特异的蛋白质，表现出与亲代相似的遗传性状，这种遗传信息的流向，称为中心法则。在某些情况下，RNA也是重要的遗传物质，如RNA病毒中RNA具有自我复制的能力，并同时作为mRNA指导蛋白质的生物合成。在致癌RNA病毒中，RNA还以逆转录的方式将遗传信息逆向传递给DNA分子，因此对中心法则进行了补充和完善。