第4章生化(刘建华)

1、BiochemistrySixth EditionChapter 4:DNA, RNA, and the Flow of Genetic InformationCopyright 2007 by W. H. Freeman and Company Berg Tymoczko Stryer这个母亲和她的两个女儿基因相同，所以她们长得很相像。基因必须表达后才能执行其功能。蛋白质调节基因的表达。锌指纹蛋白是一个调节基因表达的蛋白质。该蛋白质（用绿色球表示锌；用红色表示蛋白质）能够与相应的DNA区域(黑色）结合。这段DNA区域就是基因表达的调控区域 (left)Barnaby Hall/Photoni

2、ca. (right) Drawn from 1AAY.pdb。图图4.1 核酸的聚合物结构。核酸的聚合物结构。图图4.2 核糖和脱氧核糖。核糖和脱氧核糖。糖单位的院子用阿拉伯数字加“ ”表示，以区别于碱基原子的序号（图4.4）。图图4.3 DNA和和RNA的骨架。的骨架。核酸骨架用3-到5-的磷酸二酯键连接。其中一个糖单位用红色强调，一个磷酸基用蓝色强调。图图4.4 嘌呤和嘧啶。嘌呤和嘧啶。碱基原子的编号不加“ ”。RNA分子用尿嘧啶替代DNA的胸腺嘧啶。图图4.5 核苷的糖苷键是核苷的糖苷键是b b-型。型。图图4.6 腺嘌呤核苷腺嘌呤核苷5-三磷酸（三磷酸（ATP）和脱氧鸟嘌呤核苷）和脱

3、氧鸟嘌呤核苷3-磷酸磷酸（3-dGMP）。）。缩写pApCpG或pACG表示一个三核苷酸DNA，是用磷酸二脂键连接的脱氧腺苷单磷酸、脱氧胞苷单磷酸、和脱氧鸟苷单磷酸。p表示一个磷酸基团（图4.7）。5-端有一个磷酸基团与核糖5-OH结合。注意，核酸与多肽链一样有极性。因此，ACG和GCA是两种不同的化合物。大肠杆菌基因组只有一个DNA双链，每条链的长度是460万核苷酸（图4.8）。已知DNA最长的生物是印度muntjak（亚洲鹿），其基因组长度与人基因组长度相当，但只有3种染色体，其中最长的染色体长度含有10亿多个核苷酸。如果将这种DNA分子完全伸展，其长度将超过1英尺。有些植物染色体含有更长

4、的DNA分子。在确定DNA三维结构的过程中发现碱基特异性配对。Maurice Wilkins和Rosalind Franklin获得了DNA纤维的x-光衍射图谱（图4.10）。该衍射图谱说明DNA是两条链缠绕形成规则的螺旋结构。从这些数据及其他数据，James Watson 和Francis Crick推测DNA具有双螺旋结构，这种双螺旋结构与核酸的功能相吻合。James Watson 和Francis Crick从x-光衍射图谱推测的DNA双螺旋结构具有下列特征：1. 两条核酸链方向相反，围绕同一轴缠绕形成螺旋结构。2. 糖-磷酸骨架在双螺旋外侧，碱基处于双螺旋内部。3. 碱基几乎与双螺旋轴

5、垂直，相邻碱基间的距离是3.4A。这种间距在x-光衍射图谱（图4.10）中可以看出。一个螺旋结构重复是34A，10个碱基。因此每个碱基旋转36o。4. 螺旋的直径是20A。图图4.11 Watson-Crick的的DNA双螺旋结双螺旋结构模型。构模型。一条多核苷酸连用蓝色表示，另一条多核苷酸连用红色表示。嘌呤和嘧啶碱基用较浅的颜色表示，糖磷酸骨架的颜色较深。（A）轴向观测图。沿螺旋轴（垂直方向）每隔34A（即一条链的10个核苷酸）就出现一次重复。（B）星形观测图，沿螺旋的纵轴朝里面观察。鸟嘌呤与胞嘧啶配对和腺嘌呤与胸腺嘧啶配对的形状几乎相同（图4.12）。碱基配对能够解释Erwin Charg

6、aff在1950年观察的现象，即所有DNA分子中腺嘌呤与胸腺嘧啶的比例和鸟嘌呤与胞嘧啶的比例几乎相同，而腺嘌呤与鸟嘌呤的比值在不同物种中差异很大（表4.1）。在双螺旋内部，一层碱基对堆积在另一层碱基对上。碱基堆积作用包括（1）疏水效应稳定了DNA双螺旋结构。疏水碱基聚集于双螺旋内部（避开DNA的水环境），而双螺旋表面更亲水。 （2）疏水效应使碱基堆积于另一个碱基之上，一对碱基的范德华力达2 4 kJ/mol （0.5 1 kcal/mol），跟多碱基堆积产生的总和非常显著。 此外DNA分子骨架的刚性五元环糖基结构也有利于碱基堆积。半保留复制图图4.14 密度梯度离心分离密度梯度离心分离15N

7、DNA和和14N DNA。（A）离心管的紫外吸收图谱显示两条不同的DNA条带。（B）两条带的紫外吸收峰。1958年Mathew Meselson和 Franklin Stahl的试验验证了这个假说。图图4.15 用密度梯度离心检测用密度梯度离心检测E.coli DNA的半保留复制。的半保留复制。DNA条带的位置取决于DNA分子的15N和14N含量。复制一代，所有DNA是一半为15N，另一半是14N的杂合链。实验解释。图图4.16 半保留复制模型。半保留复制模型。亲本DNA用蓝色表示，新合成DNA用红色表示。核酸堆积碱基所吸收的紫外光比非堆积碱基所吸收的紫外光弱，这种效应叫减色效应减色效应（hy

8、pochromism)。因此，核酸熔化的检测就很简单，只是测定紫外吸收值。核酸的最大吸收峰在260 nm波长处（图4.17）。核酸堆积碱基所吸收的紫外光比非堆积碱基所吸收的紫外光弱，这种效应叫减色效应减色效应（hypochromism)。因此，核酸熔化的检测就很简单，只是测定紫外吸收值。核酸的最大吸收峰在260 nm波长处（图4.17）。DNA熔点（Tm）指一半的双螺旋结构遭到破坏的温度。Tm值与DNA纯度无关。图图4.18 线粒体环状线粒体环状DNA的电镜图的电镜图谱。谱。（A）松弛的环状DNA。(B) 超螺旋环状DNA。封闭的DNA分子就是环状DNA。双螺旋DNA的轴进一步扭曲缠绕形成超螺

9、旋（图4.18B）。超螺旋具有重要的生物学意义，原因是（1）超螺旋使DNA分子压缩更紧密；和（2）超螺旋可能阻碍或促进双螺旋的解旋，从而影响DNA与其它分子之间相互作用。 图图4.19 茎环结构。茎环结构。单链DNA或单链RNA能够形成茎环结构。图图4.20 一个一个RNA分子所形成的复杂结构。分子所形成的复杂结构。RNA链可以折回与自身链的另一区域形成复杂结构。（A）茎环结构含有标准的Watson-Crick碱基对，也有非标准的碱基配对。（B）RNA分子的三维结构和三个核苷酸之间的远程相互作用。左边图中，胞苷酸用蓝色表示、腺苷酸用红色表示、鸟苷酸用黑色表示、鸟苷酸用绿色表示。右边图中，标准W

10、atson-Crick碱基对的氢键用黑色虚线表示，其它氢键用绿色虚线表示。 图图4.21 DNA聚合酶催化的聚合反应。聚合酶催化的聚合反应。 DNA合成具有下列特征：1. 需要四种前体(即脱氧核苷5-三磷酸 dATP, dGTP, dCTP, 和TTP)和Mg2+离子。2. 需要模板。新进入的核苷酸与模板链相应位点的碱基完全互补，DNA聚合酶才能催化此反应形成磷酸二酯键。因此DNA聚合酶催化反应模板指导的、合成与模板互补的DNA链。3. 需要引物启动DNA合成。引物链序列与模板链互补，并且有游离的3-OH。DNA聚合酶催化的链延伸反应是生长链3-OH亲核攻击脱氧核苷三磷酸最内部的磷原子（图4.

11、22），形成磷酸二酯键，释放焦磷酸。随后焦磷酸酶水解焦磷酸、形成两个磷酸根。DNA链延伸的方向从5-到3-。4. 很多DNA聚合酶能够删除DNA链误配核苷酸，从而纠正错误。这些DNA聚合酶的核酸酶活性能够切除碱基错误的核苷酸。核酸酶活性显著提高了DNA合成的忠实度，使每个碱基的错误率低于10-8。图图4.22 链延伸反应。链延伸反应。DNA聚合酶催化磷酸二酯键的形成。有些病毒的基因是有些病毒的基因是RNA1. 有些病毒的基因也是DNA。2. 有些病毒的基因是RNA。病毒是用蛋白质包裹遗传物质的颗粒，独立状态下病毒不能繁殖，但是能够在细胞内繁殖、并从一个细胞转移到另一个细胞。3. 烟草花叶病毒能

12、够感染烟草叶子。病毒颗粒有一个单链RNA分子(有6390核苷酸），和包裹该核酸分子的蛋白质衣壳。衣壳由2130个完全相同的亚基构成。一种RNA聚合酶在RNA模板指导下合成RNA分子（负责病毒RNA的复制），这种酶称为RNA-指导的指导的RNA聚合酶聚合酶。4. 另一类重要的RNA病毒是反转录病毒。图图4.23 反转录病毒遗传信息流动（从反转录病毒遗传信息流动（从RNA到到DNA）。反转录酶是感染病毒颗粒携带的DNA聚合酶，能够将反病毒RNA基因组转变成DNA。反转录没具有下列活性：催化合成与RNA链互补的DNA链；降解RNA/DNA杂合链的RNA链；随后合成另一条与RNA序列相同的DNA链。

13、DNA序列信息转化成RNA和蛋白质的过程叫基因表达1. mRNA是蛋白质合成的模板。大肠杆菌的一个基因或一组基因转录产生一种mRNA分子。真核生物一个基因就能产生一种mRNA。细胞内mRNAs差异很大。在原核生物，mRNA分子的平均长度是1.2 kb左右。真核生物mRNA有相应的结构（包括茎环结构），这些结构能调节mRNA的翻译效率和mRNA的寿命。2. tRNA是多肽合成的氨基酸载体。tRNA的长度约为75核苷酸（相当于25 kd)。3. rRNA是核糖体的主要组分。原核生物有三类rRNA，原核rRNA分别为23S，16S，和5S RNA。每个核糖体含有一个23S，一个16S，和一个5S R

14、NA。RNA分子是蛋白质合成的真正催化剂。图图4.24 RNA聚合酶。聚合酶。RNA聚合酶有很多亚基，包括b-亚基（红色）和b-亚基（黄色）。这些亚基之间形成一个“钳子”结构将转录DNA夹住。活性位点还有一个Mg 2+（绿色），弯曲管道表示多肽链骨架。RNA聚合酶需要下列组分：1. 模板。优先选择的模板是DNA双链。单链DNA分子也能充当RNA合成的模板。但是RNA分子(无论单链还是双链）都不能充当负责转录的RNA聚合酶酶促反应的模板，RNA-DNA杂合链也不能充当RNA聚合酶促反应的模板。2. 活化前体，即四种核苷5-三磷酸。3. 二价金属离子，如Mg 2+或 Mn 2+。RNA合成和DNA

15、合成有几个共同点（图4.25）。（1）合成方向也是从5-3。（2）延伸机制类似，即生长链的3-OH亲和进攻参与的核苷三磷酸最内部的磷原子。（3）合成的驱动力是焦磷酸水解。与DNA聚合酶不同的是，RNA聚合酶促反应不需要引物引物。此外RNA聚合酶没有核酸酶活性，缺乏校正校正功能。RNA接受DNA序列指导的证据序列测定图图4.27 原核生物（原核生物（A）和真核生物（）和真核生物（B）的转录启动子）的转录启动子。图中标出了启动子的公共序列。转录起始位点的核苷酸是+1位，与+1位相邻的5-核苷酸叫-1位。所显示的序列是编码链编码链的核苷酸序列。图图4.28 E coli mRNA 3-末端末端的核苷

16、酸序列的核苷酸序列。该区域有一个稳定的发夹结构，发夹结构后面是一串尿苷酸。另一种终止机制需要r因子协助。图图4.29 真核真核mRNA的修饰的修饰。真核生物mRNA转录产物需要修饰。5-末端添加帽子核苷酸，3-末端添加poly(A)。图图4.30 氨基酸与氨基酸与tRNA分子连接。分子连接。氨基酸（蓝色）与tRNA分子末端腺苷酸的3-OH连接形成酯。图图4.31 氨酰氨酰-tRNA分分子的通用结构。子的通用结构。氨基酸与RNA分子3-末端结合。反密码子是模板识别位点。tRNA分子三叶草结构中碱基之间有很多氢键（绿色点）。氨酰-tRNA合成酶催化将氨基酸与相应的tRNA分子连接， 反应需要ATP

17、水解提供能量。一种氨基酸至少有一种氨酰-tRNA合成酶。tRNA分子识别模板的位点就是三碱基构成的反密码子。 1. 三个核苷酸三个核苷酸编码一个氨基酸。2. 密码子不重叠不重叠。如果一个序列是ABCDEF，在重叠的情况下ABC编码第一个氨基酸，BCD编码下一个氨基酸，CDE编码第三个氨基酸，如此下去。在不重叠的情况下，ABC编码第一个氨基酸，DEF编码第二个氨基酸，如此下去。遗传学试验证实密码子不重叠。3. 密码子没有逗号没有逗号。从固定的起点开始，一个接一个地读下去，没有逗号（不会停顿）。4. 遗传密码有简并性有简并性。很多氨基酸有多个遗传密码。三联碱基有64种组合。3种三联碱基是终止密码子

18、，其余61种组合编码20种氨基酸。因此多数氨基酸有一个以上的密码。编码同一氨基酸的不同三联碱基称为同义密码同义密码（synonyms）。 多数同义密码子处于同一方格中（除非某个氨基酸有4个以上的同义密码）。同义密码通常前两位的核苷酸相同，只是第三位的核苷酸有差异，如编码颉氨酸的GUA, GUC, GUG, 和GUU。就是说大多数同义密码子最后一位核苷酸不同。仔细观察密码子表还发现，XYC和XYU通常编码同一氨基酸，而XYG和XYA也是编码同一种氨基酸。我们在第30.3节介绍tRNA反密码子特性时会指出这种等效性的结构基础。 原核生物的起始氨基酸。 UAA, UAG, 和UGA是翻译的终止密码子。tRNA不能阅读这些终止密码子，只有释放因子（一种蛋白质）能识别（30.3节）。释放因子与核糖体结合能释放刚刚合成的蛋白质。密码子与标准表格不一致大多数真核基因是内含子大多数真核基因是内含子(intron)和外显子和外显子(exon)嵌合型嵌合型证据图图4.34 b b-