第三部分遗传信息的传递.docVIP

第三部分　遗传信息的传递 复制、转录、翻译、基因表达调控及基因工程 第十章 DNA的生物合成——复制 　　要求： 　　掌握遗传信息传递的中心法则及其补充；掌握DNA的半保留复制方式、复制的原料、模板、参与复制的酶类；掌握逆转录的概念及逆转录酶的功能。 　　熟悉DNA复制的过程。 　　提要： 　　遗传信息的传递在医学生物学中具有重要作用，在这里主要讨论遗传的分子基础，即基因的分子生物学基本知识。 　　DNA是遗传的物质基础。DNA分子中碱基（核苷酸）的排列顺序即是贮藏的遗传信息。所谓基因，实质上是DNA大分子中的各功能片段。虽然DNA分子中只有A、G、C、T四种碱基，但由于DNA分子很大，含有的碱基数量极多（如人的基因组DNA含有约3×109个碱基对），可以有多种多样不同的排列方式。 　　不同的基因，其碱基的序列不同，携带着千变万化的遗传信息。细胞有丝分裂之前，细胞中的 DNA分子必须进行自我复制，将亲代DNA的遗传信息准确地传递到子代DNA分子中，这一过程称为DNA复制(replication)。由此，子代细胞则具有一套与亲代细胞完全相同的DNA分子，这就是遗传作用。 　　另一方面，DNA是信息分子，其分子中贮藏的信息必须要通过由它指导合成的特定蛋白质，表现特异的功能，才能体现出来。如前所述，蛋白质是生命的物质基础，蛋白质功能的复杂性依赖于蛋白质分子内氨基酸的排列顺序及其空间结构。蛋白质的结构不同，功能也各异，从而影响机体的各种生命活动。 　　现已证明，体内蛋白质分子合成时，其氨基酸的排列顺序最终是由DNA分子中核苷酸（碱基）顺序所决定的。但是，DNA本身并不能直接指导蛋白质的合成，而是首先以DNA分子为模板，在细胞内合成与其结构相应的RNA，将DNA的遗传信息抄录到mRNA（信使RNA）分子中，这种将 DNA遗传信息传递给RNA的过程，称为转录(transcription)。 　　通过转录，DNA的碱基序列按互补配对的原则转变成RNA分子中的相应碱基序列。然后，再以mRNA为模板，按照其碱基(A、G、C、U)的排列顺序，以三个相邻碱基序列为一种氨基酸的密码子形式，来决定蛋白质合成时氨基酸的序列。这一过程称为翻译(translation)。 　　通过转录和翻译，基因遗传信息指导合成各种功能的蛋白质，这就是基因表达（gene expression）。 　　遗传信息传递方向的这种规律，即复制—转录—翻译，称为遗传信息传递的中心法则。 　　进一步研究发现，某些病毒中RNA也可以作为模板，指导DNA的合成。这种信息传递方向与转录过程相反，称为逆（反向）转录。另外，还发现，某些病毒中的RNA亦可自身复制。这就是中心法则的补充。 　　学习基因分子生物学的基本知识具有重要意义。一方面它可以使我们对生命的本质有更深刻的认识，并且在此基础上有利于生物体的改造；另一方面，随着研究工作的深入，愈来愈多地发现某些疾病的发生与基因及表达异常有关。例如遗传病、恶性肿瘤、心血管疾病、某些神经性疾病等。为了更好地理解这些疾病发病的分子机理及相应的防治措施，学习遗传信息传递的基本知识是十分必要的。 　　在DNA复制过程中，首先是原DNA双螺旋的两条多核苷酸链之间的氢键断裂，双链解开并分为两股单链。然后，每条单链DNA各自作为模板，以三磷酸脱氧核糖核苷(dNTP)为原料，按照碱基配对规律(A与T配对，G与C配对)，合成新的互补链。这样形成的两个子代DNA分子与原来的亲代DNA分子的核苷酸顺序是完全相同的。在此过程中，每个子代DNA分子的双链，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的。这种复制方式称为半保留复制。由于DNA在代谢上的稳定性和复制的忠实性，经过许多代的复制，DNA分子上的遗传信息仍可准确地传给子代。 　　DNA的复制过程极为复杂，但其速度极快，这是由于许多酶和蛋白质因子参与了复制过程。其中，DNA聚合酶起着重要作用。在原有DNA模板链存在情况下，DNA聚合酶催化四种脱氧核苷酸(dATP、dTTP、dGTP、dCTP)，通过与模板链的碱基互补配对，合成新的对应DNA链，故此酶又称为DNA指导的DNA聚合酶(DNA directed DNA polymerase，缩写为 DDDP)。DNA聚合酶的特点是不能自行从头合成DNA链，而必须有一个多核苷酸链作为引物，DNA聚合酶只能在此引物的端催化dNTP与末端作用，形成,-磷酸二酯键，从而逐步合成DNA链。因此，DNA链的合成是有方向性的，即从端→端方向进行。这一特点在DNA复制过程中具有重要意义。无论在原核细胞或真核细胞中，都存在多种DNA聚合酶，它们的性质和作用不完全相同。在真核细胞中至少有5种DNA聚合酶，即DNA聚合酶a、b、g、d和e。其中DNA聚合酶a在细胞中活性最强，在复制中起关键作用，而D