第八章核酸的生物合成 核酸是贮存和传递遗传信息的生物大分子。生物体的 遗传信息是以密码的形式编码在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 传信息由DNA传递到RNA,最后翻译成特异的蛋白质, 表现出与亲代相似的遗传性状(遗传信息由DNA←→RNA Pr)在某些情况下RNA也是重要的遗传物质,如在RNA 病毒中RNA具有自我复制的能力,并同时作为mRNA,指 导病毒蛋白质的生物合成。在致癌RNA病毒中,RNA还 以逆转录的方式将遗传信息传递给DNA分子。上述遗传信 息的流向称为中心法则 central dogma),它是由F.Crck在 1958年最早提出的,其后又得到不断的补充和完善 中心法则可简洁的用图11-1表示: DNA RNA 复制 转录 翻译 逆转录 蛋白质 复制[病毒]
267 第八章 核酸的生物合成 核酸是贮存和传递遗传信息的生物大分子。生物体的 遗传信息是以密码的形式编码在 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 传信息由 DNA 传递到 RNA，最后翻译成特异的蛋白质， 表现出与亲代相似的遗传性状（遗传信息由 DNA←→RNA →Pr）。在某些情况下 RNA 也是重要的遗传物质，如在 RNA 病毒中 RNA 具有自我复制的能力，并同时作为 mRNA，指 导病毒蛋白质的生物合成。在致癌 RNA 病毒中，RNA 还 以逆转录的方式将遗传信息传递给 DNA 分子。上述遗传信 息的流向称为中心法则(central dogma)，它是由 F．Crick 在 1958 年最早提出的，其后又得到不断的补充和完善。 中心法则可简洁的用图 11-1 表示： DNA 复制 转录 逆转录 复制 [病毒] 翻译 蛋白质 RNA
图11中心法则简图 *P270图中复制就 是指以原来分子为模 原来的亲代分子 板,合成出相同分子的 过程;转录(或逆转录) 就是在DNA(或RNA) 分子上合成出与其核 第一代子分子 苷酸顺序相对应的 RNA(或DNA)的过程; 翻译就是在以rRNA和 第二代子分子 蛋白质组成的核糖核 蛋白体(简称核糖体) 上,以mRNA为模板, 图11DNA的半保留复制 根据每三个相邻核苷 酸决定一种氨基酸的三联体密码规则,由tRNA运送氨基 酸,合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程。 第一节DNA的生物合成
268 图 11-1 中心法则简图 *P270 图中复制就 是指以原来分子为模 板，合成出相同分子的 过程；转录(或逆转录) 就是在 DNA(或 RNA) 分子上合成出与其核 苷酸顺序相对应的 RNA(或 DNA)的过程； 翻译就是在以rRNA和 蛋白质组成的核糖核 蛋白体(简称核糖体) 上，以 mRNA 为模板， 根据每三个相邻核苷 酸决定一种氨基酸的三联体密码规则，由 tRNA 运送氨基 酸，合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程。 第一节 DNA 的生物合成 图 11-2 DNA 的半保留复制
一、半保留复制 DNA呈双股螺旋结构,这样的结构对于维持遗传物质 的稳定性和复制的准确性都是极为重要的。两条链严格以 A-T和GC碱基配对所形成的氢键联结在一起,这两条 链是互补的。在DNA复制时,亲代DNA的双螺旋先行解 旋和分开,然后以每条链为模板,按照碱基配对原则,在 这两条链上各形成一条互补链。这样,由亲代DNA的分子 可以精确地复制出2个子代DNA分子。每个子代DNA分 子中有一条链是从亲代DNA来的,另一条则是新形成的, 这叫做半保留复制( (semiconservative replication)(图112)。 这个半保留复制首先由 Meselson与Stah(1958)用同位素 1N实验证明。将大肠杆菌培养在以1NH4Cl为惟一氮源的 培养基中,经多代之后,细胞内所形成的DNA都为1N所 标记。收集细胞并抽提出DNA,然后进行氯化铯平衡密度 梯度离心。这时DNA形成单一的浮力密度为1724g/ml 的条带,而对照是在普通1N培养基中生长的大肠杆菌, 其DNA浮力密度较低,为1.710g/ml。现在将5N氮源培 养的大肠杆菌转移到含14N的培养基中生长,每隔一段时 间取样测定DNA的浮力密度。经一代之后,DNA只出现
269 一、半保留复制 DNA 呈双股螺旋结构，这样的结构对于维持遗传物质 的稳定性和复制的准确性都是极为重要的。两条链严格以 A—T 和 G—C 碱基配对所形成的氢键联结在一起，这两条 链是互补的。在 DNA 复制时，亲代 DNA 的双螺旋先行解 旋和分开，然后以每条链为模板，按照碱基配对原则，在 这两条链上各形成一条互补链。这样，由亲代 DNA 的分子 可以精确地复制出 2 个子代 DNA 分子。每个子代 DNA 分 子中有一条链是从亲代 DNA 来的，另一条则是新形成的， 这叫做半保留复制(semiconservative replication) (图 11-2)。 这个半保留复制首先由 Meselson 与 Stahl (1958)用同位素 15N 实验证明。将大肠杆菌培养在以 15NH4Cl 为惟一氮源的 培养基中，经多代之后，细胞内所形成的 DNA 都为 15N 所 标记。收集细胞并抽提出 DNA，然后进行氯化铯平衡密度 梯度离心。这时 DNA 形成单一的浮力密度为 1.724g／ml 的条带，而对照是在普通 14N 培养基中生长的大肠杆菌， 其 DNA 浮力密度较低，为 1.710g／ml。现在将 15N 氮源培 养的大肠杆菌转移到含 14N 的培养基中生长，每隔一段时 间取样测定 DNA 的浮力密度。经一代之后，DNA 只出现
条区带,浮力密度为1717g/ml,位于1N-DNA和1N 一DNA之间,这条区带的DNA是由1N/1NDNA组成 的。经二代之后,出现两条区带,其浮力密度分别为1.710g /m和1.717g/ml,即一条区带为1N/14N-DNA,另 条区带为14N/1N-DNA。再继续培养,14N/14N-DNA 分子逐渐增多,而14N/15N-DNA分子所占的比例逐渐减 少。这些结果及其解释可用图11-3表示。这个试验结果证 明DNA是以半保留方式进行复制的。以后用其他细菌、动 物、植物、噬菌体、动物病毒等也证明了DNA的半保留复 制。DNA的半保留复制可以使遗传信息的传递保持相对的 稳定,这和它的遗传功能是相吻合的,说明半保留复制具 有重要的生物学意义。但是这种稳定性是相对的。在一定 条件下,DNA会发生损伤,需要修复;在复制和转录中 DNA会有损耗,必须进行更新;在发育和分化过程中,DNA 特定序列可能修饰、删除、扩增和重排 二、与DNA复制有关的酶和蛋白质 DNA的合成是以四种三磷酸脱氧核糖核苷为底物(四 种NTP)的聚合反应,该过程除了酶的催化之外,还需要 以适量的DNA为模板,以RNA(或DNA)为引物和镁离子
270 一条区带，浮力密度为 1.7l7g／ml，位于 15N—DNA 和 14N —DNA 之间，这条区带的 DNA 是由 14N／15N—DNA 组成 的。经二代之后，出现两条区带，其浮力密度分别为 1.710g ／ml 和 1.717g／ml，即一条区带为 14N／14N—DNA，另一 条区带为 14N／15N -DNA。再继续培养，14N／14N—DNA 分子逐渐增多，而 14N／15N—DNA 分子所占的比例逐渐减 少。这些结果及其解释可用图 11-3 表示。这个试验结果证 明 DNA 是以半保留方式进行复制的。以后用其他细菌、动 物、植物、噬菌体、动物病毒等也证明了 DNA 的半保留复 制。DNA 的半保留复制可以使遗传信息的传递保持相对的 稳定，这和它的遗传功能是相吻合的，说明半保留复制具 有重要的生物学意义。但是这种稳定性是相对的。在一定 条件下，DNA 会发生损伤，需要修复；在复制和转录中 DNA 会有损耗，必须进行更新；在发育和分化过程中，DNA 特定序列可能修饰、删除、扩增和重排。 二、与 DNA 复制有关的酶和蛋白质 DNA 的合成是以四种三磷酸脱氧核糖核苷为底物（四 种 NTP）的聚合反应，该过程除了酶的催化之外，还需要 以适量的 DNA 为模板，以 RNA(或 DNA)为引物和镁离子
的参与。 n dATP n2dGTP DNA聚合酶 (n1+n2+n+n4)PPi DNA n3dCTP 模板 DNA Mg2 nadTTP 原料 产物 271
271 的参与。 n1dATP + n2dGTP DNA 聚合酶 + (n1+n2+n3+n4)PPi + DNA n3dCTP 模板 DNA, Mg2+ + n4dTTP 原 料 产 物