发布时间 : 星期日 文章高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座 专题八 基因与分子生物学更新完毕开始阅读
2．DNA双螺旋结构模型的要点如下： ① DNA分子由两条多核苷酸链构成。这两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，彼此以一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，很象一条扭曲起来的梯子（图3-7）。
②两条多核苷酸链反向平行（antiparallel），即一条链磷酸二脂键为5’-3’方向，另一条链为3’－5’方向，二者刚好相反。亦即一条链对另一条链是颠倒过来的，这称为反向平行。 ③每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过氢键（hydrogen bond）与它互补的碱基相联系，相互层迭宛如一级一级的梯子横档。互补碱基对A和T之间形成两个氢键，而C和G之间形成三个氢键（如上图）。上下碱基对之间的距离为0.34nm。 ④每个螺旋为3.4nm长，刚好含有10个碱基对， 其直径约为2nm。 ⑤在双螺旋分子的表面大沟（major groove）和小沟（minor groove）交替出现。 3．碱基互补配对原则：DNA分子中嘌呤数等于嘧啶数。 碱基互补配对原则在解体中的应用：
DNA分子是由两条脱氧核苷酸链构成的。根据碱基互补配对的原则，一条链上的A一定等于互补链上的T；一条链上的G一定等于互补链上的C；反之如此。因此，可推知多条用于碱基计算的规律。
①规律一：在一个双链DNA分子中，A=T、G=C。即：A+G=T+C或A+C=T+G，变形为
A?GA?C?1或?1。也就是说，嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数。
T?CT?G②规律二：在双链DNA分子中，两个互补配对的碱基之和的比值与该DNA分子中每一单链中这一比值相等，即DNA分子中
A?T与该DNA分子每一单链中的这一比值相等。 G?CA?G的比值等于其互补链中这一比值的倒数。 T?C③规律三：DNA分子一条链中，两个不互补配对的碱基之和的比值等于另一互补链中这一比值的倒数，即DNA分子一条链中
④规律四：在双链DNA分子中，互补的两个碱基和占全部碱基的比值等于其中任何一条单链占该碱基比例的比值，且等于其转录形成的mRNA中该种比例的比值。即 双链(A+T)%或(G+C)%=任意单链 (A+T)%或(G+C)%=mRNA中 (A+U)%或(G+C)%。 二．DNA的复制
1．场所：主要在细胞核，细胞质中也存在着DNA复制，如线粒体和叶绿体中也有DNA的复制过程。
2．时间：主要在细胞分裂间期（S期），细胞质中DNA复制的时间不一定在细胞分裂的间期。
3．过程：边解螺旋边复制。
4．特点：半保留式复制，也就是说新复制出的两个DNA分子中，有一条链是旧的，即原来DNA的。
5．条件：
①模板：开始解旋的DNA分子的两条单链。 ②原料：是游离在核液中的脱氧核苷酸。 ③能量：是通过水解ATP提供。
④酶：酶是指一个酶系统，不仅仅是指一种解旋酶。 6．DNA分子复制的一般过程：
DNA双螺旋是由两条方向相反的单链组成，复制开始时，双链打开，形成一个复制叉(replicative fork,从打开的起点向一个方向形成)或一个复制泡(replicative bubble，从打开的起点向两个方向形成) 。两条单链分别做模板。各自合成一条新的DNA链。由于DNA一条链的走向是5’→3’方向，另一条链的走向是3’→5’方向，但生物体内DNA聚合酶只能催化DNA从5’→3’的方向合成。那么，两条方向不同的链怎样才能做模板呢？这个问题由日本学者岗崎先生解决。
原来，在以3’→5’方向的母链为模板时，复制合成出一条5’→3’方向的前导链(leadingstrand)，前导链的前进方向与复制叉打开方向是一致的，因此前导链的合成是连续进行的，而另一条母链DNA是5’→3’方向，它作为模板时，复制合成许多条5’→3’方向的短链，叫做随从链(lagging strand)，随从链的前进方向是与复制叉的打开方向相反的。随从链只能先以片段的形式合成，这些片段就叫做岗崎片段(Okazaki fragments)，原核生物岗崎片段含有1000～2000核苷酸，真核生物一般100～200核苷酸。最后再将多个岗崎片段连接成一条完整的链。由于前导链的合成是连续进行的，而随从链的合成是不连续进行的，所以从总体上看DNA的复制是半不连续复制。
7．DNA分子损伤：造成DNA损伤的因素有生物体内自发的、亦有外界物理和化学等因素。
自发的因素：由于DNA分子受到周围环境溶剂分子的随机热碰撞(thermal collision)，腺嘌呤或鸟嘌呤与脱氧核糖间的N-糖苷键可以断裂，使A或G脱落。
物理因素：紫外线损伤由于嘌呤环与嘧啶环都含有共轭双键，能吸收紫外线而引起损伤。嘧啶碱引起的损伤比嘌呤碱大10倍。电离辐射损伤如X射线和γ射线，可以是辐射能量直接对DNA的影响，或DNA周围的溶剂分子吸收了辐射能，再对DNA产生损伤作用。如碱基的破坏、单链的断裂、双链的断裂、分子间的交联、碱基脱落或核糖的破坏等。 8．DNA分子修复：在复制过程中发生的损伤或错误可由生物体自身修复，如光修复机制（主要存在于低等生物）、切除修复系统，后者像外科手术“扩创”一样，将损伤的一段DNA切掉，按碱基配对原则以另一条完好链为模板进行修复，最后由DNA连接酶将新合成的DNA片段与原来DNA链连接封口，这种方式是人体细胞的重要修复形式。 三．遗传信息流从DNA到RNA到蛋白质 （一）基因的结构
1909年丹麦约翰逊提出“基因”的概念。基因是由遗传效应的DNA片段，是DNA的基本结构和功能单位。基因中有意义链上的核苷酸顺序包含着遗传信息，能通过转录和翻译决定蛋白质合成，从而控制生物性状。有时基因与基因之间存在一段间隔区，导致转录不能进行。绝大多数真核类生物，基因内部都含有不能翻译的核苷酸顺序（内含子），使基因中的编码顺序（外显子）由若干非编码区域（内含子）隔开。这种基因亦称为隔裂基因。每个断裂基因在第一个和最后一个外显子的外侧各有一段非编码区，有人称其为侧翼序列。在侧翼序列上有一系列调控序列。原合生物的基因中无内含子，是连续的。下面以真核生物为例介绍基因的结构（如下图所示）。
真核生物的基因结构示意图
1．增强子：在转录起始点上游大约100碱基对之外的位置有些基因的编码顺序可以增强启动基因进行转录它能使转录活性增强上百倍，因此被称为增强子。当这些顺序不存在时，可大大降低转录水平。
2．CAAT框：在转录起始点的5ˊ端侧翼区域的80和70位置之间，有CAAT框，这个顺序属于启动区域。这段顺序被改变后，mRNA的形成量明显下降。
3．TATA框：在转录起始点的5ˊ端上游20—30核苷酸的地方，有TATA框顺序。这是RNA聚合酶的重要接触点，可使酶定位在DNA的正确位置上而开始转录。这一编码顺序改变时，mRNA的转录从不正常的位置起始，且转录水平下降。
4．AATAAA：在3′ 端终止密码的下游有一个核苷酸顺序为AATAAA，这一顺序可能对mRNA的加尾(mRNA尾部添加多聚A)有重要作用。这个顺序的下游是一个反向重复顺序。这个顺序经转录后可形成一个发卡结构(图3-4)。发卡结构阻碍了RNA聚合酶的移动。发卡结构末尾的一串U与转录模板DNA中的一串A之间，因形成的氢键结合力较弱，使mRNA与DNA杂交部分的结合不稳定，mRNA就会从模板上脱落下来，同时，RNA聚合酶也从DNA上解离下来，转录终止。AATAAA顺序和它下游的反向重复顺序合称为终止子，是转录终止的信号。 （二）基因的表达
1．转录：以DNA为模板合成信使RNA的过程。 场所：细胞核。
条件：模板（DNA双链中有意义的一条链）、原料（核糖核苷酸）、酶（转录酶）、能量。
方向：mRNA从5ˊ→3ˊ方向进行转录。
加工：mRNA的前体必须经过下述加工后才能成为成熟的mRNA。戴帽：在mRNA的5ˊ端加上一个鸟苷酸作为帽子（促进mRNA与核糖体结合）；加尾：在mRNA的3ˊ端加上一条具有150～200个腺苷酸的序列（帮助mRNA进入细胞质）；甲基化：在mRNA帽子的5ˊ端，一般有2～3个核苷酸被甲基化；切除间隔序列：切除内含子内含子并将外显子连接起来。
2．翻译：在核糖体上以信使RNA（mRNA）为模板，转移RNA（tRNA）为工具，把氨基酸连接成多肽链的过程。
信使RNA(Mrna)：mRNA的含量最少，约占RNA总量的2%。mRNA分子中从5′-未端到3′-未端每三个相邻的核苷酸组成的三联体代表氨基酸信息，称为密码子。
转移RNA（tRNA）：tRNA约含70~100个核苷酸残基，是分子量最小的RNA，占RNA总量的16%，现已发现有100多种。tRNA的主要生物学功能是转运活化了的氨基酸，参与蛋白质的生物合成。各种tRNA的一级结构互不相同，但它们的二级结构都呈三叶草形。在3′端有一个CCA序列，能接特定氨基酸。有反密码子可用来识别mRNA上
的遗传密码。
核糖体RNA（rRNA）：是细胞中含量最多的RNA，约占RNA总量的82%。rRNA单独存在时不执行其功能，它与多种蛋白质结合成核糖体，作为蛋白质生物合成的“装配机器”。rRNA的分子量较大，结构相当复杂，目前虽已测出不少rRNA分子的一级结构，但对其二级、三级结构及其功能的研究还需进一步的深入。原核生物的rRNA分三类：5SrRNA、16SrRNA和23SrRNA。真核生物的rRNA分四类：5SrRNA、5.8SrRNA、18SrRNA和28SrRNA。S为大分子物质在超速离心沉降中的一个物理学单位，可间接反应分子量的大小。原核生物和真核生物的核糖体均由大、小两种亚基组成。真核生物核糖体的分布有两种情况，或者是游离在细胞质基质中，或者附着在内质网上，后者合成的蛋白质主要包括：向细胞外分泌的蛋白质、各种膜蛋白、与其他细胞组分严格隔离的蛋白质（如溶酶体中的酸性水解酶类）、需要进行复杂修饰的蛋白质。
遗传密码：mRNA分子上每3个特定排列的碱基用来决定一个氨基酸称为遗传密码。遗传密码子共有64个，其中3个密码子时无意义的（UAA、UAG、UGA），是肽链合成的终止密码，起始密码是AUG和GUG，前面还有一些核苷酸称前导系列。合成多肽时，起始端（氨基端）的第一个甲硫氨酸（若细菌则是甲酰氨酸）可能被分解掉，有时甚至前面几个氨基酸都可能被分解掉，因此，多肽的第一个氨基酸可以是各种氨基酸；密码是高度专一性的。但密码的第3个字母改变，往往不改变密码的意义，这与tRAN上反密码子的第一个字母常常是稀有碱基Ⅰ（次黄嘌呤或甲基次黄嘌呤）有关。因为Ⅰ 与U、A、C都能配对；密码的通用性。所有生物共用一套遗传密码，这是生命同一性的一个有力证据，但也有例外：某些线粒体DNA的编码和这一通用密码有不少差异之处；有些不同的密码决定同一个氨基酸，这在遗传的稳定性上有一定意义。
翻译过程：核糖体大亚基上有2个与tRNA结合的部位（P部位：进入的tRAN在它所带的氨基酸形成肽键后，就从A部位移到P部位。A部位：刚进入的tRNA与核糖体结合的位置。）翻译时，核糖体与mRNA结合，并沿5ˊ→3ˊ方向移动，此时，tRNA按密码顺序将氨基酸逐个带入核糖体中连成多肽（从起始密码开始到终止密码结束）。一条mRNA上可以有多个核糖体同时进行工作，这些核糖体与mRNA的聚合体称多聚核糖体。
3．中心法则：遗传学上遗传信息流动的方向叫做信息流，是科学家克里克提出的（如下图所示）。遗传信息的一般流动方向（图中红线所示）是：遗传信息可以从DNA流向DNA，即完成DNA的自我复制过程，也可以从DNA流向RNA，进而流向蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译过程。后来的科学研究又发现，在某些病毒中，RNA也可以自我复制，并且还发现在一些病毒蛋白质的合成过程中，RNA可以在逆转录酶的作用下合成DNA。因此，在某些病毒中，遗传信息可以沿图中的蓝线方向流动。上述逆转录过程以及RNA自我复制过程的发现，补充和发展了“中心法则”，使之更加完整。
（三）基因表达的调控
基因表达是指基因通过转录和翻译产生其蛋白质产物，或转录后直接产生其RNA产物，如tRNA、rRNA等。在此过程中，基因的启动和关闭，活性的增加或减弱等是受到调节控