第三章 DNA的功能
第一节 转录
Transcription
DNA一般存在于核内, 蛋白质合成则
在细胞质内, 那么 DNA是怎样控制蛋白质
的合成呢？
一, RNA是中间体：实验证据
用放射性 RNA前体（如尿嘧啶）作标记实验表明，最先合成的放
射性 RNA是在细胞核中产生的；然后用非放射性 RNA前体作跟
踪实验，结果：放射性 RNA又流向了细胞质，这提示，在 DNA
和蛋白质之间的遗传信息传递过程中,RNA是一中间物。
用非放射性
用放射性 RNA前体标记 示踪后 RNA出现于细胞质中
RNA前体示踪
遗传信息的流向 —— 中心法则
□ 如 用 T2 噬菌体感染大肠杆菌，最明显的变化是 RNA 的快速合
成，而且发现 RNA 与 T2 噬菌体的 DNA 的核苷酸成份是非常相
近的。证明 RNA 是由 DNA 合成而来的，然后进入细胞质,
在细胞质的特定场所指导合成特定的蛋白质，因此遗传信息的
流向包括三个步骤。
DNA
复制
转录
核
RNA RNA
质
转译
蛋白质
转录
□ 以 DNA为模板, 按照碱基互补原
则合成一条单链 RNA, 从而将
DNA中的遗传信息转移到 RNA中
去的过程称转录 （ transcription）,
RNA合成以 5’—3’方向进行 。
转录
□ 不对称转录,转录仅发生在 DNA的一条链上
。 分子杂交证明, 某一基因的 RNA只能与其
DNA的一条链有杂交反应, 即说明 DNA上只有
一条链可作为模板合成该基因的 RNA。
5’
3’
变性分开
5’
3’
+
标记的 RNA
复性
5’
5’
5’ 3’
3’
3’
3’ 5’
模板链（或互补链）
编码链
RNA在一定时间上是由 DNA的一条链转录而来的
,然而在整个染色体或生活周期的各个时期并不一定
由同一条链转录 。 在一个包含有许多基因的 DNA分子
中, 各个基因的有意义链并不总是同一条 DNA单链 。
在原核生物中, 所有类型的 RNA转录都由同一种聚
合酶完成；而在高等真核生物中, 有三种不同的 RNA
聚合酶转录不同的 RNA（ 核仁内的 RNA聚合酶催化
rRNA,核内有二种 RNA聚合酶分别催化合成 mRNA
和 tRNA） 。
三, 转录的起始 （ Initiation）
1,启动子 （ promoter）,是 DNA转录起始信号的一段序列, 它
能指导全酶与模板正确地结合, 并活化酶使之具有起始特异性转录
形式 。
大肠杆菌启动子序列分三个部位,R位点,RNA聚合酶识别位点；
B位点：结合部位； I位点：转录起始部位 。
－ 10区
－ 35区 pribnow box
TGTTGACA…15 － 17bp－ … TATAAT…5 － 8bp… 起始点 ） +1——
2,RNA聚合酶
E.coli RNA聚合酶 500kd,由 α,β,β’,ω,σ五
种不同的亚基组成, 全酶,α2ββ’ωσ。
核心酶,α2ββ’ω；
σ因子本身无催化功能, 当它与核心酶结合时可
使 RNA聚合酶识别启动子序列, 并能特异性地在
这些部位上形成稳定的复合体 。
3,如何起始 （ Initiation）, 首先 Sigma因子和核心酶结
合成全酶, 全酶与 DNA上识别部位结合后移至转录起始部位, 并
使 DNA双链打开, 在全酶的催化下, 使底物 rNTPs结合于 DNA分
子的起始位上, 并形成第一个磷酸二酯链 。 σ亚基的释放表示起
始的终结 。
四, 转录延伸 （ Elongation）
RNA合成以 5’→ 3’方向延伸, 在此过程中, DNA,酶, RNA始
终维持稳定的三元复合物 。 在延伸中 OH总是新的末端 。
The early stages of
transcription in
prokaryotes,showing
(a) the components
of the process; (b)
template binding at
the – 10 site
involving the sigma
subunit of RNA
polymerase and
subsequent initation
of RNA synthesis;
and (c) chain
elongation,after the
sigma subunit has
dissociated from the
transcription
complex and the
enzyme moves along
五, 转录的终止 （ Termination）
RNA聚合物也能识别链的终止信号 。
1,在某些情况下, 识别作用是直接的 。
终止子 （ tenminator）,转录终止的信号, 其作用
是在 DNA模板特异位置处终止 RNA的合成 。 在终
止处 RNA聚合酶作用停止, 新生 RNA链释放,
2,识别终止信号有时需要某些蛋白质因子 （ rho因子
） 的作用, rho因子与 RNA聚合酶相互作用导致 RNA链释
放 。
终止子 （ terminator）, DNA序列上转录终止的信号, 其作用
是在 DNA模板的特定位置处终止 RNA的合成 。
DNA上终止子有两个明显特征,如下图（ 1）链内具有对称结
构，能使转录物形成发卡式结构；（ 2） DNA上有一串 A，转
录形成的 RNA 3’端具有多个 U,A－ U配对不牢固，使 RNA脱
落 。 UCC
U G
G · C
A · U－ 25
C · G
15－ C · G
G · C
C · G
C · G
5’UAAUCCCACAG · CAUUUU 3’
5 35
第二节 转译 translation
一, 不同组分的 RNA分子
E.coli 中的 RNA分子,
类型 占细胞 RNA% S 分子量 n.t,
rRNA 80 23 1.2× 106 3700
16 0.55× 106 1700
5 3.6× 104 1700
tRNA 15 4 2.5× 104 75
mRNA 5 异质性
? 核糖体 ribosomes
是由核糖体蛋白和核糖体 RNA（ rRNA） 组成
的复合体 。 在电镜下, 一个核糖体象一个墨滴
。 有关核糖体的精细的功能仍然是目前众多研
究中的重要课题, rRNA分子如何与蛋白质相结
合以及其功能目前仍然不清楚 。
A comparison of the components in the prokaryotic and
eukaryotic ribosome 13-1
二, 蛋白质合成
作为化学反应的蛋白质合成, 主要有以下几个过程,
合成酶
1,aa1 + tRNA1 + GTP
aa1－ tRNA1 + GDP
装载型 （ charged）
2,在核糖体上, 装载型 tRNA的能量转为连接 aa的肽键能 。
aa1-tRNA1 + aa2-tRNA2
核糖体上肽基转移酶
aa1-aa2-tRNA2 + tRNA1（释放）
较小的多肽
二, 蛋白质合成
3,新的氨基酸通过肽键接到生长的链上,
aa3-tRNA3 + aa1-aa2-tRNA2
aa1-aa2-aa3-tRNA3 + tRNA2（释放 ）
较大的多肽
4,上述过程继续进行直至 aa
n（ 最后一个 aa连接上 ),整个过程还
需 mRNA,核糖体, 一些蛋白质因子, 酶和无机离子 。
三, 蛋白质合成的特异性
1,识别 mRNA上编码特异性氨基酸的密码子是 tRNA还
是氨基酸?
半胱氨酸 --tRNA半 丙氨酸 —tRNA半
用杂合性的 丙氨酸 —tRNA半 合成的蛋白在原先预期是半胱氨酸
的位置上都是丙氨酸 。
结论：氨基酸在语言上有错误, 识别密码子是由 tRNA的特异
性决定的 。
镍化氢
2,反密码子 （ anticodon）, tRNA上能识别一个 mRNA密码
子的位置, 这个位置上的碱基与密码子的碱基是互补的 。
3,tRNA的一般结构和功能区
由于 tRNA上反密码子环能识别 mRNA相应的密码子, 因此在遗传
信息的转译中起十分重要的作用 。
4,tRNA来自何处？
一个基因一条多肽的理论并不是完全正确的, 有些基因编码蛋白
,而另一些基因 （ 如 rRNA或 tRNA基因 ） 是编码并合成 RNA作为
终产物 。
Holley’s two-
domensional
cloverleaf
model of
transfer RNA,
13-3
A three-
dimension
al model of
transfer
RNA,
13-4
四、核糖体功能和蛋白质合成
1,转译组分
2,
转
译
起
始
1,在起始因子的作
用下,mRNA与小亚基
结合
2.在 P位点上起始
tRNA与 mRNA的密码
子相结合,起始因子
IF3释放。
3,大亚基结合到复合
体上，起始因子 IF1
和 IF2释放；延长因
子与 tRNA结合利于
进入 A位点
Elongation of the
growing polypeptide
chain during
translation,
3.延长
Termination of
the process of
translation,
13-8
4.终止
Polyribosomes visualized under the electron
microscope,
a.兔子网织红细胞血红蛋白 mRNA的转译
b.摇蚊巨唾液腺细胞中 mRNA的转译
□ 在原核生物中，转译并不等到 mRNA合成完成之后开始，一
部分 mRNA合成后，核糖体能立即附着到 mRNA上起动转译，
而在真核生物中，转录与转译有时间和空间上的分开。
第三节 遗传密码 The Genetic Code
假如核苷酸对是密码中的字母, 字母的不同组合会
形成代表不同 氨基酸的文字, 要解决的问题是,
1.密码是重叠还是非重叠的?
2.由多少个字母组成一个 文字?即 密码子
3.哪一种特定的密码子或哪几种密码子代表各自特
定的 氨基酸?
一、遗传密码的非重叠性
( nonoverlapping)
1,1961年, 用遗传分析证明, 遗传密码是非重叠的
实验证据,对 TMV由亚硝酸诱发的突变的蛋白作分析表
明, 在某一蛋白质区段中一次只有一个氨基酸的变化
。 如果是重叠密码子, 那么一个碱基的变化将会使蛋
白质中邻近位置上多达三个氨基酸的变化 。
A T T G C T C A G C T T G A C
A T T T T G T G C G C T C T C
Overlapping code
aa1 aa2 aa3 aa4 aa5
1 2 3 4 5
Nucleic acid
Nonoverlapping
code
aa1 aa2 aa3 aa4 aa5 Amino acid
Codon
Codon
Amino acid
非重叠密码子和重叠密码子的区别
2,在某一特定蛋白质的转译中是以非重叠方式读
码的, 但并不排除用相应不同的读码框架 （ reading
frames） 来编码不同蛋白质的氨基酸的可能性 。
一种蛋白编码方式 …… ATT GCT CAG CTT G……
另一种蛋白解读时移动一个碱基,
…… A TTG CTC AGC TTG……
二, 密码中字母的数目
理论上推测：至少三个核苷酸对组成一个密码子,43 = 64种
三, 利用抑制基因证明密码三联体性质
60年代初, Crick等用遗传学实验验证了密码子的三联体特征,
1,原黄素能诱发 T4的 rII突变 （ 不能在 K上生长 ）, 其作用 是
在 DNA链中造成单个核苷酸对的插入或缺失,
插 A—T A TC T A G T C T
T A GA T C A G A
A T C T G T C T
T A G A C A G A
T A G A C A A
缺 C—G A T C T G T T
开始由原黄素诱导的突变体称 FCO突变体, FCO再经黄原素处理
会自发产生能在 E.coli K（ λ） 上形成野生型噬菌斑的, 回复突变体
” （ revertants） 。 对这些突变体作遗传分析发现, 与真正的野生型
不同, 其回复突变的表型是由于在 FCO的同一顺反子中不同位点上
发生了第二个突变 。 这种第二个突变抑制了原先 FCO突变的表达
突变抑制基因 （ Suppressor mutation）, 能反作用于或抑制
另一突变的效应 。 （ 1） 抑制基因与它被抑制的那个基因的位置不
同； （ 2） 可位于同一基因内, 也可位于不同的基因内； （ 3） 不同
的抑制基因有不同的功能 。
利用重组可以从原初的正向突变体分离到抑制基因突变体。奇怪
的是,发现该抑制基因自身也是一种 rII突变。
rII’
(–FCO)
rII’ rII’’ 回复
rII’ rII’’
+ +
rII’
rII’’
和
分离 FCO和抑制基因
Wild type
怎样解释上述结果？
原黄素诱导的单个核苷酸对的插入或缺失会引起 移码突变
（ frame-shiit mutation）,从而引起大多数密码的错读，但是在
某个地方由于插入和缺失的补偿作用，会恢复合适的读码，只
在两个突变位点之间产生一小段错误的密码,
（用三字母英文单词代表密码子）
THE FAT CAT ATE THE BIG RAT
缺 C,THE FAT ATA TET HEB IGR AT
插 A,THE FAT ATA ATE THE BIG RAT
插入恢复了信息中大多数密码的含义，从而抑制了缺失的效应
大多数密
码的错读
大部分恢复
合适的读码
假定 FCO突变是由于一个核苷酸对的插入, 那么第二个突变即
抑制基因突变就应该是一个缺失, 因为只有这样才能恢复该基因的
读码框 。 假定密码由三字母组成,
野生型,CAT CAT CAT CAT CAT……
rII’ 插入 A,CAT ACA TCA TCA TCA T……
√ × × × × 不正确
rII’rII’’ 缺失 A,
CAT ACA TCT CAT CAT ……
√ × × √ √ 正确
结论
? 在抑制性基因型中只有少数密码子错
误, 大部分可恢复原来野生型的密码子,
从而产生近乎正常的酶 。 因此具有类似
野生型表型 。 这与 Crick发现的抑制基因
突变体表型回恢的遗传事实相符 。
2,符号突变
如果将 FCO突变的插入定为, +”,那么抑制基因突变就可自动
地定为, －,, 一个突变与它的抑制因子的符号相反, 实验证明：
一个, +”不能抑制一个, +”,一个, －, 也不能抑制一个, －,,
相同符号的两个突变永远不会相互抑制 。
Crick用巧妙的遗传学实验提供了三联体密码学说的第一个证据
,*构成, +++”或, －－－, 的三重突变组合共同
作用可以恢复到野生型表型, 这一发现说明：遗传
密码的单词是由三个连续的核苷酸对组成的 。
恢复合适的读
码
进一步图解,
CAT CAT CAT CAT CAT CAT CAT……
CAT ACA TAT CAT CAT CAT …… 正常
√ × × √ √ √
* 结论：只有密码子是三联体才会使一个基因
内的三个插入或三个缺失自动恢复正确读码,才
可以恢复到野生型表型,
Deletions
四, 遗传密码的兼并性 （ degeneracy）
一个氨基酸具有两个或多个不同的密码子称作密码的兼并性 。
如果只有 20种三联密码有意义, 其余 44种为无意义, 那么大多
数移码突变将导致蛋白质合成的终止 。
小结有关密码的基本知识,
（ 1） 密码是非重叠的 。
（ 2） 密码子是三联体。
（ 3） 读码从一固定的起始点开始一直连续不断地读至编码序
列的末端，移码突变会改变序列中其余密码子的排列。
（ 4） 密码子是兼并的，一个氨基酸不只有一种密码子。
第四节 遗传密码的破译
Cracking the code
遗传密码的破译 ——确定每种三联
体的含义, 这是过去近四十年来遗
传学中最重大的突破之一 。
一, 破译密码的试验
1,制备单一核苷酸的 mRNA。 Nurenberg（ 1961） 用大肠
杆菌蛋白 质合成的无细胞系统 。
Poly U：苯丙氨酸的多肽 （ UUU） 。
CCC：脯, GGG：甘, AAA：赖 。
2,合成含有两种和三种不同核苷酸的 mRNA,确定了许
多氨基酸的密码子组成, 但尚不能确定顺序 。 如将 U和 G
以 3,1掺入合成的 mRNA,可得以下结果,
由 3/4U和 1/4G合成的 mRNA中各种密码子的预期频率
密码子 机率 比例
UUU p(UUU)=(3/4)(3/4)(3/4)=27/64 1.00
UUG p(UUG)=(3/4)(3/4)(1/4)=9/64 0.33
UGU p(UGU)=(3/4)(1/4)(3/4)=9/64 0.33
GUU p(GUU)=(1/4)(3/4)(3/4)=9/64 0.33
UGG p(UGG)=(3/4)(1/4)(1/4)=3/64 0.11
GGU p(GGU)=(1/4)(1/4)(3/4)=3/64 0.11
GUG p(GUG)=(1/4)(3/4)(1/4)=3/64 0.11
GGG p(GGG)=(1/4)91/4)(1/4)=1/64 0.03
由 3/4U和 1/4G组成的 mRNA转译蛋白质中各种氨基酸的比例
氨基酸 比例 密码子组成
苯
1.00
亮
0.37
UUU
G+2U
缬 0.36 G+2U
半胱
0.35 G+2U
色
0.14 U+2G
甘 0.12 U+2G
3,三联体结合试验
最终破译密码的试验是三联体结合试
验 。 1964年 Nurenberg设计 。
原理：特定 Mini mRNA（ 三联体 ） 能与
特定的 tRNA—氨基酸和核糖体组成复合
体, 这种复合体不能通过硝酸纤维滤膜
,而未与 Mini mRNA结合的 tRNA—氨基
酸能通过滤膜, 从而达到检定 。
例子与步骤,
1,制备 Mini mRNA GUU,加到有 E.coli核糖体, 各种 tRNA及
20种氨基酸的合成体系中反应, 每次反应中只有一种氨基
酸 （ 随意的 ） 是用 14C标记的,
2,反应系统经滤膜过滤后, 其中只有与核糖体结合的 GUU
和 14C标记的相应于该密码子的氨酰 tRNA复合体结合到膜
上, 其它未与 GUU结合的 tRNA－ aa都流走, 直至找到
GUU结合的标记氨基酸为止 。
很快解决了 G+2U三种异构三联体的意义：如：
GUU将缬氨酰 tRNA缬 结合到核糖体上, 因此,
GUU为缬氨酸密码子 。 同样可测定 UUG为亮氨酸
密码子, UGU为半胱氨酸密码子 。
4,用三联体多聚体作模板体外合成多肽 。 如用 （ UUC） 。 多核
苷酸作模板可按三种方式中的任何一种方式读码,
（ 1） UUC UUC UUC UUC ……
（ 2） UCU UCU UCU UCU ……
（ 3） CUU CUU CUU CUU ……
在无细胞系统中会得到三种肽链, 一条是单一苯丙氨酸肽链
,一条是单一丝氨酸肽链, 再一条是单一亮氨酸肽链, 从而缩小
了 （ C+2U） 密码子意义的范围 。 再经三联体结合试验可以很快
确定 UUC为苯丙氨酸密码子, UCU为丝氨酸密码子, CUU为亮
氨酸密码子 。
二, 某些氨基酸会有多个密码子
原因主要有二个,
1,有些氨基酸能被多个不同的 tRNA带到核糖体上, 不同的
tRNA有不同的反密码子 。
2,某些 tRNA能将特异的 aa带到多种密码子上, 因为碱基的配
对在 密码子的 3’端和反密码子的 5’端是不严格的, 这种松散的
配对学说称 摆动学说, 反密码子 5’位的 G能与 C和 U配对, 说明
一种 tRNA（ 图中携带丝氨酸 ） 能识别 UCU和 UCC两种密码子 。
AG G
UCU/C
5’——————————————3’mRNA
密码子
3’ 5’
——反密码子环
密码子 —反密码子配对摆动原则
反密码子 5’端 密码子 3’
G U orC
C G only
A U only
U A or G
I U,C or A
密码子 —
反密码子
配对原则
三, 终止密码子 （ Stop Codons)
定义：并不编码任何 aa,为肽链合成终止的信号 。
1965年, Brenner等发现终止密码子 。
将 T4噬菌体控制头部蛋白合成的一个顺反子中的 6种突
变体蛋白的末端与野生型比较, 记下每个突变体蛋白
末端接下来的那个氨基酸, 这 6种 aa在其密码子的一个
核苷酸位置发生变化就会形成 UAG,因此 UAG是一个
终止密码子 。
野生型 m+Su+————————————————
m1Su+————————————（ 谷酰 ） CAG
m2Su+———————————（ 赖 ) AAG
m3Su+—————————(谷 ) GAG
m4Su+————————(酪 ) UAU UAG
m5Su+———————(色 ) UGG
m6Su+——————(丝 ) UCG
mSu－ ————————————————
多肽长度
紧跟突变体蛋白末
端接下来的那个氨
基酸,
UAG终止密码子称为琥珀型密码子 （ amber codon）, 由琥珀
密码子造成的突变称为琥珀型突变 （ amber mutation）, 另二
个终止密码子为 UGA（ 乳白型 Ocher） 。 UAA（ 赭石型 ocher
）
* 终止密码子也称 无义密码子 （ nonsense codons）, 无义突变
是指某一密码子变为终止密码子后造成肽链合成中断的突变,
而 错义突变 （ missense mutation） 是导致多肽链中单个氨基酸
的变化, 是一种 aa的密码子变为另一 aa的密码子的突变 。
四, 无义突变抑制基因
* Nonsense Suppressor Mutations是 tRNA反密
码子环上发生突变的 tRNA基因, 它能识别
mRNA上的一个无义密码子, 因此它能将携带的
氨基酸在无义密码子处插入, 从而使转译能顺利
通过那个无义密码子, 而不致造成肽链合成的中
止 。
酪氨酸反密码子发生突变后能识别终止密
码子 UAG,UAG的终止作用受到了突变的
tRNA抑制后, 肽链得以继续延伸 。
五, 起始密码子 Start Codon
AUG为起始密码子, 在 mRNA中, 通常编码 Met,而在大多数
原核生物中新的多肽的第一个氨基酸一般为 N－ f－ Met。
携带 N－ f－ Met的 tRNA能起始一条多肽但不能插入到一条生长
的链中；携带 Met的 tRNA能插入到生长的肽链中, 但不能起始
一条肽链；这二种 tRNA具有相同的反密码子, 并与密码子
AUG互补 。
小结：遗传信息的贮存, 复制, 转录和转译在所有的生物中基
本上是一致的 。
至 1966年，全
部 64种遗传密码
破译
第五节 真核生物 RNA
在真核生物中, RNA的合成和加工在某些方面不同于原核生物
一, RNA合成
在原核生物中, 只用单一的 RNA聚合酶合成各种类型的
RNA；而在真核系统中, 有三种不同的 RNA聚合酶,（ 1）
RNA聚合酶 1合成 tRNA； （ 2） RNA聚合酶 II合成 mRNA，
mRNA是 单顺子反子 （ monocistron）, 而在原核生物中许多
mRNA是 多顺反子 。 （ polycistron） ； （ 3） RNA聚合酶 III合
成 tRNA。
二, RNA的加工
由细胞核产生的初级 RNA转录物在运送到细胞质作转译之前通
常要以多种方式进行加工,
1,在转录物的 5’端通过三磷酸键结合上一个 7－甲基鸟
苷, 即, 戴帽, 。
2．在 3’端加一串多聚腺苷，即由 polyA组成的尾巴
（ 150－ 200）。
3．剪接，除去 RNA转录物的某些内部的插入序列
（ intervening seguences）。
由细胞核产
生的初级
RNA转录物
在运送到细
胞质作转译
之前通常要
以多种方式
进行加工
12-9
三, 断裂基因 (Split Genes)
1,DNA分子上编码蛋白区被一些间隔序列分开, 这些间
隔序列称为内含子 （ intron） 。 Those DNA sequences that are
not represented in the final mRNA product are called
introns and those retained and expressed are called exons
(“int” for intervening,“ex” for expressed)
2,初级转录物经过一系列断裂反应的加工后, 除去了内
含子并将编码区连接到一起, 这些编码区称为外显子 （ exon
）, 从而组成一个完整的 mRNA。 至此, 该 mRNA的序列才
与多肽的顺序具有完全对应的关系 。
An electron
micrograph and an
interpretive drawing
of the hybrid
molecule(heterodupl
ex) formed between
the template DNA
strand of the chicken
ovalbumin gene and
the mature
ovalbumin mRNA,
12-10
Intervening sequences in various
eukaryotic genes, 12-11
3.同一初级转录本经不同的剪接路线产生不同的 mRNA。
降钙素肽（ Calcitonin）
mRNA B C D Calcitonin
剪接途径 1 甲状腺
A B C D Calcitonin CGRP
剪接途径 2 下丘脑
mRNA B C D CGRP
CGRP肽（降钙素相关蛋白）
初级转录本
真核和原核生物基因表达的差异
原核 1,所有的 RNA都由一种 RNA聚合酶合成。
2,mRNA的转译是在转录过程中同时进行。
3,基因是 DNA的连续片段，它与转译成蛋白质
的 mRNA有线性对应。
4,mRNA通常是多顺子性质。
真核 1,有三种不同的 RNA聚合酶合成不同的 RNA。
2,mRNA在运送到细胞质转译之前要经过一系
列加工：戴帽、加尾和切除内含子等步骤。
3,基因通常是断裂的，它的编码序列不是连续
的，而是被一些插入序列（内含子）所间隔
。
4,mRNA是单顺反子。
第一节 转录
Transcription
DNA一般存在于核内, 蛋白质合成则
在细胞质内, 那么 DNA是怎样控制蛋白质
的合成呢？
一, RNA是中间体：实验证据
用放射性 RNA前体（如尿嘧啶）作标记实验表明，最先合成的放
射性 RNA是在细胞核中产生的；然后用非放射性 RNA前体作跟
踪实验，结果：放射性 RNA又流向了细胞质，这提示，在 DNA
和蛋白质之间的遗传信息传递过程中,RNA是一中间物。
用非放射性
用放射性 RNA前体标记 示踪后 RNA出现于细胞质中
RNA前体示踪
遗传信息的流向 —— 中心法则
□ 如 用 T2 噬菌体感染大肠杆菌，最明显的变化是 RNA 的快速合
成，而且发现 RNA 与 T2 噬菌体的 DNA 的核苷酸成份是非常相
近的。证明 RNA 是由 DNA 合成而来的，然后进入细胞质,
在细胞质的特定场所指导合成特定的蛋白质，因此遗传信息的
流向包括三个步骤。
DNA
复制
转录
核
RNA RNA
质
转译
蛋白质
转录
□ 以 DNA为模板, 按照碱基互补原
则合成一条单链 RNA, 从而将
DNA中的遗传信息转移到 RNA中
去的过程称转录 （ transcription）,
RNA合成以 5’—3’方向进行 。
转录
□ 不对称转录,转录仅发生在 DNA的一条链上
。 分子杂交证明, 某一基因的 RNA只能与其
DNA的一条链有杂交反应, 即说明 DNA上只有
一条链可作为模板合成该基因的 RNA。
5’
3’
变性分开
5’
3’
+
标记的 RNA
复性
5’
5’
5’ 3’
3’
3’
3’ 5’
模板链（或互补链）
编码链
RNA在一定时间上是由 DNA的一条链转录而来的
,然而在整个染色体或生活周期的各个时期并不一定
由同一条链转录 。 在一个包含有许多基因的 DNA分子
中, 各个基因的有意义链并不总是同一条 DNA单链 。
在原核生物中, 所有类型的 RNA转录都由同一种聚
合酶完成；而在高等真核生物中, 有三种不同的 RNA
聚合酶转录不同的 RNA（ 核仁内的 RNA聚合酶催化
rRNA,核内有二种 RNA聚合酶分别催化合成 mRNA
和 tRNA） 。
三, 转录的起始 （ Initiation）
1,启动子 （ promoter）,是 DNA转录起始信号的一段序列, 它
能指导全酶与模板正确地结合, 并活化酶使之具有起始特异性转录
形式 。
大肠杆菌启动子序列分三个部位,R位点,RNA聚合酶识别位点；
B位点：结合部位； I位点：转录起始部位 。
－ 10区
－ 35区 pribnow box
TGTTGACA…15 － 17bp－ … TATAAT…5 － 8bp… 起始点 ） +1——
2,RNA聚合酶
E.coli RNA聚合酶 500kd,由 α,β,β’,ω,σ五
种不同的亚基组成, 全酶,α2ββ’ωσ。
核心酶,α2ββ’ω；
σ因子本身无催化功能, 当它与核心酶结合时可
使 RNA聚合酶识别启动子序列, 并能特异性地在
这些部位上形成稳定的复合体 。
3,如何起始 （ Initiation）, 首先 Sigma因子和核心酶结
合成全酶, 全酶与 DNA上识别部位结合后移至转录起始部位, 并
使 DNA双链打开, 在全酶的催化下, 使底物 rNTPs结合于 DNA分
子的起始位上, 并形成第一个磷酸二酯链 。 σ亚基的释放表示起
始的终结 。
四, 转录延伸 （ Elongation）
RNA合成以 5’→ 3’方向延伸, 在此过程中, DNA,酶, RNA始
终维持稳定的三元复合物 。 在延伸中 OH总是新的末端 。
The early stages of
transcription in
prokaryotes,showing
(a) the components
of the process; (b)
template binding at
the – 10 site
involving the sigma
subunit of RNA
polymerase and
subsequent initation
of RNA synthesis;
and (c) chain
elongation,after the
sigma subunit has
dissociated from the
transcription
complex and the
enzyme moves along
五, 转录的终止 （ Termination）
RNA聚合物也能识别链的终止信号 。
1,在某些情况下, 识别作用是直接的 。
终止子 （ tenminator）,转录终止的信号, 其作用
是在 DNA模板特异位置处终止 RNA的合成 。 在终
止处 RNA聚合酶作用停止, 新生 RNA链释放,
2,识别终止信号有时需要某些蛋白质因子 （ rho因子
） 的作用, rho因子与 RNA聚合酶相互作用导致 RNA链释
放 。
终止子 （ terminator）, DNA序列上转录终止的信号, 其作用
是在 DNA模板的特定位置处终止 RNA的合成 。
DNA上终止子有两个明显特征,如下图（ 1）链内具有对称结
构，能使转录物形成发卡式结构；（ 2） DNA上有一串 A，转
录形成的 RNA 3’端具有多个 U,A－ U配对不牢固，使 RNA脱
落 。 UCC
U G
G · C
A · U－ 25
C · G
15－ C · G
G · C
C · G
C · G
5’UAAUCCCACAG · CAUUUU 3’
5 35
第二节 转译 translation
一, 不同组分的 RNA分子
E.coli 中的 RNA分子,
类型 占细胞 RNA% S 分子量 n.t,
rRNA 80 23 1.2× 106 3700
16 0.55× 106 1700
5 3.6× 104 1700
tRNA 15 4 2.5× 104 75
mRNA 5 异质性
? 核糖体 ribosomes
是由核糖体蛋白和核糖体 RNA（ rRNA） 组成
的复合体 。 在电镜下, 一个核糖体象一个墨滴
。 有关核糖体的精细的功能仍然是目前众多研
究中的重要课题, rRNA分子如何与蛋白质相结
合以及其功能目前仍然不清楚 。
A comparison of the components in the prokaryotic and
eukaryotic ribosome 13-1
二, 蛋白质合成
作为化学反应的蛋白质合成, 主要有以下几个过程,
合成酶
1,aa1 + tRNA1 + GTP
aa1－ tRNA1 + GDP
装载型 （ charged）
2,在核糖体上, 装载型 tRNA的能量转为连接 aa的肽键能 。
aa1-tRNA1 + aa2-tRNA2
核糖体上肽基转移酶
aa1-aa2-tRNA2 + tRNA1（释放）
较小的多肽
二, 蛋白质合成
3,新的氨基酸通过肽键接到生长的链上,
aa3-tRNA3 + aa1-aa2-tRNA2
aa1-aa2-aa3-tRNA3 + tRNA2（释放 ）
较大的多肽
4,上述过程继续进行直至 aa
n（ 最后一个 aa连接上 ),整个过程还
需 mRNA,核糖体, 一些蛋白质因子, 酶和无机离子 。
三, 蛋白质合成的特异性
1,识别 mRNA上编码特异性氨基酸的密码子是 tRNA还
是氨基酸?
半胱氨酸 --tRNA半 丙氨酸 —tRNA半
用杂合性的 丙氨酸 —tRNA半 合成的蛋白在原先预期是半胱氨酸
的位置上都是丙氨酸 。
结论：氨基酸在语言上有错误, 识别密码子是由 tRNA的特异
性决定的 。
镍化氢
2,反密码子 （ anticodon）, tRNA上能识别一个 mRNA密码
子的位置, 这个位置上的碱基与密码子的碱基是互补的 。
3,tRNA的一般结构和功能区
由于 tRNA上反密码子环能识别 mRNA相应的密码子, 因此在遗传
信息的转译中起十分重要的作用 。
4,tRNA来自何处？
一个基因一条多肽的理论并不是完全正确的, 有些基因编码蛋白
,而另一些基因 （ 如 rRNA或 tRNA基因 ） 是编码并合成 RNA作为
终产物 。
Holley’s two-
domensional
cloverleaf
model of
transfer RNA,
13-3
A three-
dimension
al model of
transfer
RNA,
13-4
四、核糖体功能和蛋白质合成
1,转译组分
2,
转
译
起
始
1,在起始因子的作
用下,mRNA与小亚基
结合
2.在 P位点上起始
tRNA与 mRNA的密码
子相结合,起始因子
IF3释放。
3,大亚基结合到复合
体上，起始因子 IF1
和 IF2释放；延长因
子与 tRNA结合利于
进入 A位点
Elongation of the
growing polypeptide
chain during
translation,
3.延长
Termination of
the process of
translation,
13-8
4.终止
Polyribosomes visualized under the electron
microscope,
a.兔子网织红细胞血红蛋白 mRNA的转译
b.摇蚊巨唾液腺细胞中 mRNA的转译
□ 在原核生物中，转译并不等到 mRNA合成完成之后开始，一
部分 mRNA合成后，核糖体能立即附着到 mRNA上起动转译，
而在真核生物中，转录与转译有时间和空间上的分开。
第三节 遗传密码 The Genetic Code
假如核苷酸对是密码中的字母, 字母的不同组合会
形成代表不同 氨基酸的文字, 要解决的问题是,
1.密码是重叠还是非重叠的?
2.由多少个字母组成一个 文字?即 密码子
3.哪一种特定的密码子或哪几种密码子代表各自特
定的 氨基酸?
一、遗传密码的非重叠性
( nonoverlapping)
1,1961年, 用遗传分析证明, 遗传密码是非重叠的
实验证据,对 TMV由亚硝酸诱发的突变的蛋白作分析表
明, 在某一蛋白质区段中一次只有一个氨基酸的变化
。 如果是重叠密码子, 那么一个碱基的变化将会使蛋
白质中邻近位置上多达三个氨基酸的变化 。
A T T G C T C A G C T T G A C
A T T T T G T G C G C T C T C
Overlapping code
aa1 aa2 aa3 aa4 aa5
1 2 3 4 5
Nucleic acid
Nonoverlapping
code
aa1 aa2 aa3 aa4 aa5 Amino acid
Codon
Codon
Amino acid
非重叠密码子和重叠密码子的区别
2,在某一特定蛋白质的转译中是以非重叠方式读
码的, 但并不排除用相应不同的读码框架 （ reading
frames） 来编码不同蛋白质的氨基酸的可能性 。
一种蛋白编码方式 …… ATT GCT CAG CTT G……
另一种蛋白解读时移动一个碱基,
…… A TTG CTC AGC TTG……
二, 密码中字母的数目
理论上推测：至少三个核苷酸对组成一个密码子,43 = 64种
三, 利用抑制基因证明密码三联体性质
60年代初, Crick等用遗传学实验验证了密码子的三联体特征,
1,原黄素能诱发 T4的 rII突变 （ 不能在 K上生长 ）, 其作用 是
在 DNA链中造成单个核苷酸对的插入或缺失,
插 A—T A TC T A G T C T
T A GA T C A G A
A T C T G T C T
T A G A C A G A
T A G A C A A
缺 C—G A T C T G T T
开始由原黄素诱导的突变体称 FCO突变体, FCO再经黄原素处理
会自发产生能在 E.coli K（ λ） 上形成野生型噬菌斑的, 回复突变体
” （ revertants） 。 对这些突变体作遗传分析发现, 与真正的野生型
不同, 其回复突变的表型是由于在 FCO的同一顺反子中不同位点上
发生了第二个突变 。 这种第二个突变抑制了原先 FCO突变的表达
突变抑制基因 （ Suppressor mutation）, 能反作用于或抑制
另一突变的效应 。 （ 1） 抑制基因与它被抑制的那个基因的位置不
同； （ 2） 可位于同一基因内, 也可位于不同的基因内； （ 3） 不同
的抑制基因有不同的功能 。
利用重组可以从原初的正向突变体分离到抑制基因突变体。奇怪
的是,发现该抑制基因自身也是一种 rII突变。
rII’
(–FCO)
rII’ rII’’ 回复
rII’ rII’’
+ +
rII’
rII’’
和
分离 FCO和抑制基因
Wild type
怎样解释上述结果？
原黄素诱导的单个核苷酸对的插入或缺失会引起 移码突变
（ frame-shiit mutation）,从而引起大多数密码的错读，但是在
某个地方由于插入和缺失的补偿作用，会恢复合适的读码，只
在两个突变位点之间产生一小段错误的密码,
（用三字母英文单词代表密码子）
THE FAT CAT ATE THE BIG RAT
缺 C,THE FAT ATA TET HEB IGR AT
插 A,THE FAT ATA ATE THE BIG RAT
插入恢复了信息中大多数密码的含义，从而抑制了缺失的效应
大多数密
码的错读
大部分恢复
合适的读码
假定 FCO突变是由于一个核苷酸对的插入, 那么第二个突变即
抑制基因突变就应该是一个缺失, 因为只有这样才能恢复该基因的
读码框 。 假定密码由三字母组成,
野生型,CAT CAT CAT CAT CAT……
rII’ 插入 A,CAT ACA TCA TCA TCA T……
√ × × × × 不正确
rII’rII’’ 缺失 A,
CAT ACA TCT CAT CAT ……
√ × × √ √ 正确
结论
? 在抑制性基因型中只有少数密码子错
误, 大部分可恢复原来野生型的密码子,
从而产生近乎正常的酶 。 因此具有类似
野生型表型 。 这与 Crick发现的抑制基因
突变体表型回恢的遗传事实相符 。
2,符号突变
如果将 FCO突变的插入定为, +”,那么抑制基因突变就可自动
地定为, －,, 一个突变与它的抑制因子的符号相反, 实验证明：
一个, +”不能抑制一个, +”,一个, －, 也不能抑制一个, －,,
相同符号的两个突变永远不会相互抑制 。
Crick用巧妙的遗传学实验提供了三联体密码学说的第一个证据
,*构成, +++”或, －－－, 的三重突变组合共同
作用可以恢复到野生型表型, 这一发现说明：遗传
密码的单词是由三个连续的核苷酸对组成的 。
恢复合适的读
码
进一步图解,
CAT CAT CAT CAT CAT CAT CAT……
CAT ACA TAT CAT CAT CAT …… 正常
√ × × √ √ √
* 结论：只有密码子是三联体才会使一个基因
内的三个插入或三个缺失自动恢复正确读码,才
可以恢复到野生型表型,
Deletions
四, 遗传密码的兼并性 （ degeneracy）
一个氨基酸具有两个或多个不同的密码子称作密码的兼并性 。
如果只有 20种三联密码有意义, 其余 44种为无意义, 那么大多
数移码突变将导致蛋白质合成的终止 。
小结有关密码的基本知识,
（ 1） 密码是非重叠的 。
（ 2） 密码子是三联体。
（ 3） 读码从一固定的起始点开始一直连续不断地读至编码序
列的末端，移码突变会改变序列中其余密码子的排列。
（ 4） 密码子是兼并的，一个氨基酸不只有一种密码子。
第四节 遗传密码的破译
Cracking the code
遗传密码的破译 ——确定每种三联
体的含义, 这是过去近四十年来遗
传学中最重大的突破之一 。
一, 破译密码的试验
1,制备单一核苷酸的 mRNA。 Nurenberg（ 1961） 用大肠
杆菌蛋白 质合成的无细胞系统 。
Poly U：苯丙氨酸的多肽 （ UUU） 。
CCC：脯, GGG：甘, AAA：赖 。
2,合成含有两种和三种不同核苷酸的 mRNA,确定了许
多氨基酸的密码子组成, 但尚不能确定顺序 。 如将 U和 G
以 3,1掺入合成的 mRNA,可得以下结果,
由 3/4U和 1/4G合成的 mRNA中各种密码子的预期频率
密码子 机率 比例
UUU p(UUU)=(3/4)(3/4)(3/4)=27/64 1.00
UUG p(UUG)=(3/4)(3/4)(1/4)=9/64 0.33
UGU p(UGU)=(3/4)(1/4)(3/4)=9/64 0.33
GUU p(GUU)=(1/4)(3/4)(3/4)=9/64 0.33
UGG p(UGG)=(3/4)(1/4)(1/4)=3/64 0.11
GGU p(GGU)=(1/4)(1/4)(3/4)=3/64 0.11
GUG p(GUG)=(1/4)(3/4)(1/4)=3/64 0.11
GGG p(GGG)=(1/4)91/4)(1/4)=1/64 0.03
由 3/4U和 1/4G组成的 mRNA转译蛋白质中各种氨基酸的比例
氨基酸 比例 密码子组成
苯
1.00
亮
0.37
UUU
G+2U
缬 0.36 G+2U
半胱
0.35 G+2U
色
0.14 U+2G
甘 0.12 U+2G
3,三联体结合试验
最终破译密码的试验是三联体结合试
验 。 1964年 Nurenberg设计 。
原理：特定 Mini mRNA（ 三联体 ） 能与
特定的 tRNA—氨基酸和核糖体组成复合
体, 这种复合体不能通过硝酸纤维滤膜
,而未与 Mini mRNA结合的 tRNA—氨基
酸能通过滤膜, 从而达到检定 。
例子与步骤,
1,制备 Mini mRNA GUU,加到有 E.coli核糖体, 各种 tRNA及
20种氨基酸的合成体系中反应, 每次反应中只有一种氨基
酸 （ 随意的 ） 是用 14C标记的,
2,反应系统经滤膜过滤后, 其中只有与核糖体结合的 GUU
和 14C标记的相应于该密码子的氨酰 tRNA复合体结合到膜
上, 其它未与 GUU结合的 tRNA－ aa都流走, 直至找到
GUU结合的标记氨基酸为止 。
很快解决了 G+2U三种异构三联体的意义：如：
GUU将缬氨酰 tRNA缬 结合到核糖体上, 因此,
GUU为缬氨酸密码子 。 同样可测定 UUG为亮氨酸
密码子, UGU为半胱氨酸密码子 。
4,用三联体多聚体作模板体外合成多肽 。 如用 （ UUC） 。 多核
苷酸作模板可按三种方式中的任何一种方式读码,
（ 1） UUC UUC UUC UUC ……
（ 2） UCU UCU UCU UCU ……
（ 3） CUU CUU CUU CUU ……
在无细胞系统中会得到三种肽链, 一条是单一苯丙氨酸肽链
,一条是单一丝氨酸肽链, 再一条是单一亮氨酸肽链, 从而缩小
了 （ C+2U） 密码子意义的范围 。 再经三联体结合试验可以很快
确定 UUC为苯丙氨酸密码子, UCU为丝氨酸密码子, CUU为亮
氨酸密码子 。
二, 某些氨基酸会有多个密码子
原因主要有二个,
1,有些氨基酸能被多个不同的 tRNA带到核糖体上, 不同的
tRNA有不同的反密码子 。
2,某些 tRNA能将特异的 aa带到多种密码子上, 因为碱基的配
对在 密码子的 3’端和反密码子的 5’端是不严格的, 这种松散的
配对学说称 摆动学说, 反密码子 5’位的 G能与 C和 U配对, 说明
一种 tRNA（ 图中携带丝氨酸 ） 能识别 UCU和 UCC两种密码子 。
AG G
UCU/C
5’——————————————3’mRNA
密码子
3’ 5’
——反密码子环
密码子 —反密码子配对摆动原则
反密码子 5’端 密码子 3’
G U orC
C G only
A U only
U A or G
I U,C or A
密码子 —
反密码子
配对原则
三, 终止密码子 （ Stop Codons)
定义：并不编码任何 aa,为肽链合成终止的信号 。
1965年, Brenner等发现终止密码子 。
将 T4噬菌体控制头部蛋白合成的一个顺反子中的 6种突
变体蛋白的末端与野生型比较, 记下每个突变体蛋白
末端接下来的那个氨基酸, 这 6种 aa在其密码子的一个
核苷酸位置发生变化就会形成 UAG,因此 UAG是一个
终止密码子 。
野生型 m+Su+————————————————
m1Su+————————————（ 谷酰 ） CAG
m2Su+———————————（ 赖 ) AAG
m3Su+—————————(谷 ) GAG
m4Su+————————(酪 ) UAU UAG
m5Su+———————(色 ) UGG
m6Su+——————(丝 ) UCG
mSu－ ————————————————
多肽长度
紧跟突变体蛋白末
端接下来的那个氨
基酸,
UAG终止密码子称为琥珀型密码子 （ amber codon）, 由琥珀
密码子造成的突变称为琥珀型突变 （ amber mutation）, 另二
个终止密码子为 UGA（ 乳白型 Ocher） 。 UAA（ 赭石型 ocher
）
* 终止密码子也称 无义密码子 （ nonsense codons）, 无义突变
是指某一密码子变为终止密码子后造成肽链合成中断的突变,
而 错义突变 （ missense mutation） 是导致多肽链中单个氨基酸
的变化, 是一种 aa的密码子变为另一 aa的密码子的突变 。
四, 无义突变抑制基因
* Nonsense Suppressor Mutations是 tRNA反密
码子环上发生突变的 tRNA基因, 它能识别
mRNA上的一个无义密码子, 因此它能将携带的
氨基酸在无义密码子处插入, 从而使转译能顺利
通过那个无义密码子, 而不致造成肽链合成的中
止 。
酪氨酸反密码子发生突变后能识别终止密
码子 UAG,UAG的终止作用受到了突变的
tRNA抑制后, 肽链得以继续延伸 。
五, 起始密码子 Start Codon
AUG为起始密码子, 在 mRNA中, 通常编码 Met,而在大多数
原核生物中新的多肽的第一个氨基酸一般为 N－ f－ Met。
携带 N－ f－ Met的 tRNA能起始一条多肽但不能插入到一条生长
的链中；携带 Met的 tRNA能插入到生长的肽链中, 但不能起始
一条肽链；这二种 tRNA具有相同的反密码子, 并与密码子
AUG互补 。
小结：遗传信息的贮存, 复制, 转录和转译在所有的生物中基
本上是一致的 。
至 1966年，全
部 64种遗传密码
破译
第五节 真核生物 RNA
在真核生物中, RNA的合成和加工在某些方面不同于原核生物
一, RNA合成
在原核生物中, 只用单一的 RNA聚合酶合成各种类型的
RNA；而在真核系统中, 有三种不同的 RNA聚合酶,（ 1）
RNA聚合酶 1合成 tRNA； （ 2） RNA聚合酶 II合成 mRNA，
mRNA是 单顺子反子 （ monocistron）, 而在原核生物中许多
mRNA是 多顺反子 。 （ polycistron） ； （ 3） RNA聚合酶 III合
成 tRNA。
二, RNA的加工
由细胞核产生的初级 RNA转录物在运送到细胞质作转译之前通
常要以多种方式进行加工,
1,在转录物的 5’端通过三磷酸键结合上一个 7－甲基鸟
苷, 即, 戴帽, 。
2．在 3’端加一串多聚腺苷，即由 polyA组成的尾巴
（ 150－ 200）。
3．剪接，除去 RNA转录物的某些内部的插入序列
（ intervening seguences）。
由细胞核产
生的初级
RNA转录物
在运送到细
胞质作转译
之前通常要
以多种方式
进行加工
12-9
三, 断裂基因 (Split Genes)
1,DNA分子上编码蛋白区被一些间隔序列分开, 这些间
隔序列称为内含子 （ intron） 。 Those DNA sequences that are
not represented in the final mRNA product are called
introns and those retained and expressed are called exons
(“int” for intervening,“ex” for expressed)
2,初级转录物经过一系列断裂反应的加工后, 除去了内
含子并将编码区连接到一起, 这些编码区称为外显子 （ exon
）, 从而组成一个完整的 mRNA。 至此, 该 mRNA的序列才
与多肽的顺序具有完全对应的关系 。
An electron
micrograph and an
interpretive drawing
of the hybrid
molecule(heterodupl
ex) formed between
the template DNA
strand of the chicken
ovalbumin gene and
the mature
ovalbumin mRNA,
12-10
Intervening sequences in various
eukaryotic genes, 12-11
3.同一初级转录本经不同的剪接路线产生不同的 mRNA。
降钙素肽（ Calcitonin）
mRNA B C D Calcitonin
剪接途径 1 甲状腺
A B C D Calcitonin CGRP
剪接途径 2 下丘脑
mRNA B C D CGRP
CGRP肽（降钙素相关蛋白）
初级转录本
真核和原核生物基因表达的差异
原核 1,所有的 RNA都由一种 RNA聚合酶合成。
2,mRNA的转译是在转录过程中同时进行。
3,基因是 DNA的连续片段，它与转译成蛋白质
的 mRNA有线性对应。
4,mRNA通常是多顺子性质。
真核 1,有三种不同的 RNA聚合酶合成不同的 RNA。
2,mRNA在运送到细胞质转译之前要经过一系
列加工：戴帽、加尾和切除内含子等步骤。
3,基因通常是断裂的，它的编码序列不是连续
的，而是被一些插入序列（内含子）所间隔
。
4,mRNA是单顺反子。
