第15章基因及其作用要点概述15.1中心法则描述了基因编码信息的流向细胞通过RNA来制造蛋白。基因信息的表达分为两步，首先是转录成RNA，然后RNA再被翻译成蛋白。15.2基因编码的信息由三核苷酸密码子表示遗传密码。蛋白质中的氨基酸序列是由DNA的核苷酸序列来编码的，每三个核苷酸编码一个氨基酸。15.3基因先转录后翻译转录：RNA聚合酶使DNA双螺旋解旋，并合成一条链的RNA拷贝。翻译：mRNA的翻译是通过激活酶来选择与相应氨基酸匹配的tRNA。蛋白质在核糖体上合成，核糖体为tRNA和mRNA的相互作用提供了框架。15.4真核细胞的基因转录本是剪接的内含子的发现。真核细胞的基因含有很多并不翻译的部分。细菌与真核细胞基因表达的区别。细菌与真核细胞的基因表达大致是相似的，虽然在某些方面存在着差异。你身体的每一个细胞内都含有遗传物质，它们决定了你将会具有胳膊而不是鱼鳍，长出头发而不是羽毛，两个眼睛而不是一个。你眼晴的颜色，指甲的纹理，以及其他你从父母那里继承来的特征都记录在你的身体细胞内。正如我们所知，这些信息包含在长链DNA分子内（图15.1）。这些遗传的根本物质为细胞提供了运用其DNA中的信息产生出特殊蛋白质从而影响细胞形态功能的能力。从这个角度上讲，蛋白质是遗传的工具。本章我们将要分别以原核细胞和真核细胞为
第 15 章 基因及其作用 要点概述 15.1 中心法则描述了基因编码信息的流向 细胞通过 RNA 来制造蛋白。基因信息的表达分为两步 。 ，首先是转录成 RNA， 然后 RNA 再被翻译成蛋白。 15.2 基因编码的信息由三核苷酸密码子表示 遗传密码。蛋白质中的氨基酸序列是由 。 DNA 的核苷酸序列来编码的，每三 个核苷酸编码一个氨基酸。 15.3 基因先转录后翻译 转录：RNA 聚合酶使 DNA 双螺旋解旋，并合成一条链的 RNA 拷贝。 翻译：mRNA 的翻译是通过激活酶来选择与相应氨基酸匹配的 tRNA。蛋白 质在核糖体上合成，核糖体为 tRNA 和 mRNA 的相互作用提供了框架。 15.4 真核细胞的基因转录本是剪接的 内含子的发现。真核细胞的基因含有很多并不翻译的部分 。 。 细菌与真核细胞基因表达的区别。细菌与真核细胞的基因表达大致是相似 。 的，虽然在某些方面存在着差异。 你身体的每一个细胞内都含有遗传物质，它们决定了你将会具有胳膊而不是 鱼鳍，长出头发而不是羽毛，两个眼睛而不是一个。你眼睛的颜色，指甲的纹理， 以及其他你从父母那里继承来的特征都记录在你的身体细胞内。正如我们所知， 这些信息包含在长链 DNA 分子内（图 15.1）。这些遗传的根本物质为细胞提供 了运用其 DNA 中的信息产生出特殊蛋白质从而影响细胞形态功能的能力。从这 个角度上讲，蛋白质是遗传的工具。本章我们将要分别以原核细胞和真核细胞为
LargeribosomalLarge subunitsubunitPsiteEsiteAsiteSmallsubunitmRNAbindingsiteSmall ribosomalsubunit图15.2：每个核糖体由两个亚基组成。较小的亚基结合在较大亚基表面上的一个凹陷处。在本章后面讨论图15.1：大肠杆菌的染色体。到的A，P和E位点在蛋白质合成中起到了关键的作这一团复杂缠乱的DNA代表用。着大肠杆菌一整套合成生命物Large subunit大亚基；small subunit小亚基；Large质的指令。ribosomalsubunit核糖体大亚基：smallribosomalsubunit核糖体小亚基；mRNAbinding sitemRNA结合位点：EsiteE位点：AsiteA位点：PsiteP位点；例，讨论蛋白质是如何根据DNA中的遗传信息合成的。15.1中心法则描述了基因编码信息的流向细胞通过 RNA 来制造蛋白为了了解真核细胞是如何运用其DNA来指导蛋白质合图15.3：核糖体是非常复杂的机构。细菌核糖体的大成的，你必须先知道蛋白质是亚基的完整原子结构最近在2.4A分辨率上得到解在细胞内什么地方合成的。我析。这个亚基的RNA表示为灰色，蛋白质是金黄色。亚基的RNA缠绕成不规则的形状，并互相吻合就好们可以把细胞放置在含有放像三维的智力拼图。蛋白质合成中形成肽键的化学反射性标记氨基酸的培养基中应是在核糖体RNA在最内部进行的。核糖体于是也就成了核酶。蛋白质在活性部位上缺少，但在表面上一段时间来解答这个问题。细的各个部位都很丰富。蛋白质通过与相邻的RNA链胞会利用标记的氨基酸并将相互作用来稳定其结构
例，讨论蛋白质是如何根据 DNA 中的遗传信息合成的。 15.1 中心法则描述了基 因编码信息的流向 细胞通过 RNA 来制造蛋 白 为了了解真核细胞是如何 运用其 DNA 来指导蛋白质合 成的，你必须先知道蛋白质是 在细胞内什么地方合成的。我 们可以把细胞放置在含有放 射性标记氨基酸的培养基中 一段时间来解答这个问题。细 胞会利用标记的氨基酸并将 图 15.1：大肠杆菌的染色体 ：大肠杆菌的染色体。 这一团复杂缠乱的 DNA 代表 着大肠杆菌一整套合成生命物 质的指令。 图 15.2：每个核糖体由两个亚基组成 ：每个核糖体由两个亚基组成。较小的亚基结 合在较大亚基表面上的一个凹陷处。在本章后面讨论 到的 A，P 和 E 位点在蛋白质合成中起到了关键的作 用。 Large subunit 大亚基；small subunit 小亚基；Large ribosomal subunit 核糖体大亚基；small ribosomal subunit 核糖体小亚基；mRNA binding site mRNA 结合位点；E site E 位点；A site A 位点；P site P 位点； 图 15.3：核糖体是非常复杂的机构 ：核糖体是非常复杂的机构。细菌核糖体的大 亚基的完整原子结构最近在 2.4Å 分辨率上得到解 析。这个亚基的 RNA 表示为灰色，蛋白质是金黄色。 亚基的 RNA 缠绕成不规则的形状，并互相吻合就好 像三维的智力拼图。蛋白质合成中形成肽键的化学反 应是在核糖体 RNA 在最内部进行的。核糖体于是也 就成了核酶。蛋白质在活性部位上缺少，但在表面上 的各个部位都很丰富。蛋白质通过与相邻的 RNA 链 相互作用来稳定其结构
其整合到蛋白质中，如果我们OH找到放射性蛋白质最先出现Aminoacidattacheshere-在细胞的什么部位，我们会发现那不是含有DNA的细胞核，而是在细胞质内RNA和蛋白质的聚合体叫做核糖体Anticodon(ribosomes)（图15.2）。这些多-Anticodon肽工厂非常的复杂，由若干图15.4：tRNA的结构（a）在二维示意图上，tRNARNA分子和超过50种不同的的三个环不是折叠的。其中的两个环在多肽链合成蛋白质组成（图15.3）。蛋白的时候与核糖体结合，而第三个环上含有一个反密码子序列，它与信使RNA上的三碱基序列互补。氨质合成涉及核糖体表面上的基酸与游离的单链上的-OH端相结合。（b）在三维三个不同的位点，分别叫做P，结构上，tRNA的环是折叠的。Anticodon反密码子：aminoacidattacheshere氨基A和E位点，在本章后面将要酸附着此处讨论。RNA的种类在核糖体内发现的RNA叫做核糖体RNA（rRNA）(ribosomalRNA)。在多肽的合成过程中，rRNA提供了多肽的装配场所。除了rRNA，细胞内还有两种重要的RNA。转运RNA（tRNA）（TransferRNA）分子不仅将合成多肽所需的氨基酸运输至核糖体，同样也确定了每个氨基酸在伸长的多肽链上的正确位置（图15.4)。人类细胞含有大约45种不同的tRNA分子。信使RNA（mRNA)(MessengerRNA)分子是从DNA转录来的长链RNA分子，它转移到核糖体上以精确地指导哪种氨基酸组装进多肽中。这些RNA分子，再加上核糖体蛋白质和某些酶，组成了一个能够阅读DNA中由核苷酸序列编码的信息并制造该信息所决定的多肽链的体系。正如我们将要看到的，生物学家也学会了阅读这些信息。这样，他们就了解了许多关于基因到底是什么、如何指导蛋白质的合成和将在什么时候进行合成。中心法则(TheCentralDogma)所有的生物体，从最简单的细菌到我们自己，都是通过同样的基本机制来解
其整合到蛋白质中，如果我们 找到放射性蛋白质最先出现 在细胞的什么部位，我们会发 现那不是含有 DNA 的细胞 核，而是在细胞质内 RNA 和 蛋白质的聚合体叫做核糖体 (ribosomes)（图 15.2）。这些多 肽工厂非常的复杂，由若干 RNA 分子和超过 50 种不同的 蛋白质组成（图 15.3）。蛋白 质合成涉及核糖体表面上的 三个不同的位点，分别叫做 P， A 和 E 位点，在本章后面将要 讨论。 RNA 的种类 在核糖体内发现的 RNA 叫做核糖体 RNA（rRNA）(ribosomal RNA)。在多肽 的合成过程中，rRNA 提供了多肽的装配场所。除了 rRNA，细胞内还有两种重 要的 RNA。转运 RNA（tRNA）（Transfer RNA）分子不仅将合成多肽所需的氨 基酸运输至核糖体，同样也确定了每个氨基酸在伸长的多肽链上的正确位置（图 15.4）。人类细胞含有大约 45 种不同的 tRNA 分子。信使 RNA（mRNA）(Messenger RNA)分子是从 DNA 转录来的长链 RNA 分子，它转移到核糖体上以精确地指导 哪种氨基酸组装进多肽中。 这些 RNA 分子，再加上核糖体蛋白质和某些酶，组成了一个能够阅读 DNA 中由核苷酸序列编码的信息并制造该信息所决定的多肽链的体系。正如我们将要 看到的，生物学家也学会了阅读这些信息。这样，他们就了解了许多关于基因到 底是什么、如何指导蛋白质的合成和将在什么时候进行合成。 中心法则(The Central Dogma) 所有的生物体，从最简单的细菌到我们自己，都是通过同样的基本机制来解 图 15.4：tRNA 的结构 （a）在二维示意图上，tRNA 的三个环不是折叠的。其中的两个环在多肽链合成 的时候与核糖体结合，而第三个环上含有一个反密 码子序列，它与信使 RNA 上的三碱基序列互补。氨 基酸与游离的单链上的-OH 端相结合。（b）在三维 结构上，tRNA 的环是折叠的。 Anticodon 反密码子；amino acid attaches here 氨基 酸附着此处
读和表达基因的，所以正如我NN们所知，生命的基础就是通常Transcription所提到的“中心法则”：信息从喜MRNA基因（DNA）传递至基因的一Translation个RNA拷贝，然后这个RNA福拷贝再指导氨基酸链的序列装配（图15.5）。简要地说，就是：图15.5：基因表达的中心法则。DNA转录成mRNA，而mRNA翻译成蛋白质。DNA-RNA→蛋白质Transcription转录；translation翻译；protein蛋白质转录：概述中心法则的第一步是信息从DNA到RNA的转移，这发生在基因的mRNA拷贝产生的时候。像其他的RNA一样，mRNA同样以DNA模板合成。因为DNA的序列被转录为RNA的序列，这个步骤就被称为转录(transcription)。当RNA聚合酶(RNApolymerase)与基因起始端的一个叫做启动子(promoter)的特殊结合位点相结合的时候，转录就开始了。从这里开始，RNA聚合酶沿着基因链移动。它每遇到一个DNA核苷酸，就相应在不断伸长的mRNA链上加上一个互补的RNA核苷酸。于是，DNA中的鸟嘌呤（G），胞嘧啶（C)，胸腺嘧啶（T）和腺嘌呤（A）分别与mRNA中的C,GA和尿啶（U）相对应。当RNA聚合酶遇到基因另一端的转录“终止”信号时，它便从DNA上脱离下来，并释放出新合成的RNA链。这条链是与它所复制基因互补的转录本。翻译：概述中心法则的第二步是把RNA信息翻译成蛋白质，也就是mRNA转录本中所含的信息用来指导核糖体上多肽链合成时的氨基酸序列。这个过程叫做翻译(translation)，因为mRNA转录本中的核苷酸序列被翻译成了多肽链中的氨基酸序列。当核糖体中的rRNA分子辨认并结合在mRNA上的一个“开始”序列的时候，翻译就开始了。核糖体随后沿着mRNA分子移动，一次三个核苷酸。每三个一组的核苷酸都是一个决定什么氨基酸将要被加在伸长的多肽链上的密码子。核糖体按此方法继续移动直到它遇到一个翻译“终止”信号：然后它从mRNA
读和表达基因的，所以正如我 们所知，生命的基础就是通常 所提到的“中心法则”：信息从 基因（DNA）传递至基因的一 个 RNA 拷贝，然后这个 RNA 拷贝再指导氨基酸链的序列装 配（图 15.5）。简要地说，就是： DNA→RNA→蛋白质 转录：概述 中心法则的第一步是信息从 DNA 到 RNA 的转移，这发生在基因的 mRNA 拷贝产生的时候。像其他的 RNA 一样，mRNA 同样以 DNA 模板合成。因为 DNA 的序列被转录为 RNA 的序列，这个步骤就被称为转录(transcription)。当 RNA 聚合酶(RNA polymerase)与基因起始端的一个叫做启动子(promoter)的特殊结 合位点相结合的时候，转录就开始了。从这里开始，RNA 聚合酶沿着基因链移 动。它每遇到一个 DNA 核苷酸，就相应在不断伸长的 mRNA 链上加上一个互补 的 RNA 核苷酸。于是，DNA 中的鸟嘌呤（G），胞嘧啶（C），胸腺嘧啶（T）和 腺嘌呤（A）分别与 mRNA 中的 C,G,A 和尿嘧啶（U）相对应。 当 RNA 聚合酶遇到基因另一端的转录“终止”信号时，它便从 DNA 上脱离 下来，并释放出新合成的 RNA 链。这条链是与它所复制基因互补的转录本。 翻译：概述 中心法则的第二步是把 RNA 信息翻译成蛋白质，也就是 mRNA 转录本中所 含的信息用来指导核糖体上多肽链合成时的氨基酸序列。这个过程叫做翻译 (translation)，因为 mRNA 转录本中的核苷酸序列被翻译成了多肽链中的氨基酸 序列。当核糖体中的 rRNA 分子辨认并结合在 mRNA 上的一个“开始”序列的 时候，翻译就开始了。核糖体随后沿着 mRNA 分子移动，一次三个核苷酸。每 三个一组的核苷酸都是一个决定什么氨基酸将要被加在伸长的多肽链上的密码 子。核糖体按此方法继续移动直到它遇到一个翻译“终止”信号；然后它从 mRNA 图 15.5：基因表达的中心法则 ：基因表达的中心法则。DNA 转录成 mRNA， 而 mRNA 翻译成蛋白质。 Transcription 转录；translation 翻译；protein 蛋白质
上脱离下来，并释放新生的多肽链。中心法则的两个步骤合并在一起，就是一个有活性的基因表达过程的简要概述。生物学家就把这个过程称为基因表达(geneexpression)。遗传信息的表达分两步：转录，在此过程中RNA聚合酶合成一条与DNA核苷酸序列互补的mRNA分子；翻译，在此过程中核糖体合成多肽，其氨基酸顺序由mRNA中的核苷酸序列所决定。15.2基因编码的信息由三个一组的核苷酸密码子表示遗传密码基因表达的根本问题是：“DNA分子的核苷酸顺序是如何编码多肽链中氨基酸顺序的信息的？”答案于1961年由弗朗西斯·克里克领导的实验所揭晓。由于这个实验是如此精巧，其结果对于理解遗传密码又是如此关键，因此我们将细致地介绍实验的细节。证明密码子仅由三个学母组成克里克和他的同事推测遗传密码是由一系列的叫做密码子(codons)的信息单位组成，每一个密码子对应编码的蛋白质当中的一个氮基酸。他们更进一步假设一个密码子当中的信息可能是由三个核苷酸的序列来确定一个氨基酸。他们认为是三，是因为两个核苷酸组成的密码子不够用来编码蛋白质中常见的20中氨基酸。对于DNA的四种核苷酸（G，C，T和A）来说，只能形成42，或者说16种不同的核酸对。但是，同样是这四中核苷酸可以排成4也就是64种不同的三元组合，对于20种氨基酸来说足够了。理论上来说，基因的密码子可以紧挨着排列，形成连续转录的核苷酸序列。或者，在密码子之间序列也可以由不发生编译的核苷酸打断，就像句子中用空格来间隔单词。确定细胞到底使用那种方式至关重要，因为这两种不同的DNA编译方法意味着不同的翻译过程。为了从这两种不同的机制中做出正确的选择，克里克和他的同事们使用化学物质去掉一种病毒DNA分子中的一个、两个或三个核苷酸，然后看看删除位点
上脱离下来，并释放新生的多肽链。 中心法则的两个步骤合并在一起，就是一个有活性的基因表达过程的简要概 述。生物学家就把这个过程称为基因表达(gene expression)。 遗传信息的表达分两步：转录，在此过程中 RNA 聚合酶合成一条与 DNA 核苷酸序列互补 的 mRNA 分子；翻译，在此过程中核糖体合成多肽 ，在此过程中核糖体合成多肽，其氨基酸顺序由 ，其氨基酸顺序由 mRNA 中的核苷酸 序列所决定。 15.2 基因编码的信息由三个一组的核苷酸密码子表示 遗传密码 基因表达的根本问题是：“DNA 分子的核苷酸顺序是如何编码多肽链中氨基 酸顺序的信息的？”答案于 1961 年由弗朗西斯·克里克领导的实验所揭晓。由 于这个实验是如此精巧，其结果对于理解遗传密码又是如此关键，因此我们将细 致地介绍实验的细节。 证明密码子仅由三个字母组成 克里克和他的同事推测遗传密码是由一系列的叫做密码子(codons)的信息单 位组成，每一个密码子对应编码的蛋白质当中的一个氨基酸。他们更进一步假设 一个密码子当中的信息可能是由三个核苷酸的序列来确定一个氨基酸。他们认为 是三，是因为两个核苷酸组成的密码子不够用来编码蛋白质中常见的 20 中氨基 酸。对于 DNA 的四种核苷酸（G，C，T 和 A）来说，只能形成 4 2，或者说 16 种不同的核苷酸对。但是，同样是这四中核苷酸可以排成 4 3 也就是 64 种不同的 三元组合，对于 20 种氨基酸来说足够了。 理论上来说，基因的密码子可以紧挨着排列，形成连续转录的核苷酸序列。 或者，在密码子之间序列也可以由不发生编译的核苷酸打断，就像句子中用空格 来间隔单词。确定细胞到底使用那种方式至关重要，因为这两种不同的 DNA 编 译方法意味着不同的翻译过程。 为了从这两种不同的机制中做出正确的选择，克里克和他的同事们使用化学 物质去掉一种病毒 DNA 分子中的一个、两个或三个核苷酸，然后看看删除位点