Section C Information Storage and
Transfer 信息的储存与传递
C1 Structure and
organization of DNA
DNA的结构与组装
1.DNA stucture
? 1.1 脱氧核糖核酸是所有生命细胞的遗传物质；然而有些病毒和噬菌体含
有 RNA,当作他们的遗传物质。 DNA分子的重复单位是脱氧核糖核苷酸，
它是由一个五碳脱氧核糖、磷酸基和四种碱基中的一种组成。这四种碱
基有单环的嘧啶，如胞嘧啶和胸腺嘧啶，和双环的嘌呤，如腺嘌呤和鸟
嘌呤。
N
C
N
C
C
C
N
C
N
N H 2
H
H
H H
N
C
N
C
C
C
N
C
N
H
O
NH 2
N
C
N
C
C
C
O
H
H H
H
O O
H
H N
C
N
C
C
C
O
H
C H 3
H
O
H
HH N
C
N
C
C
C
H
N H 2
（ A） （ G）
（ U） （ T） （ C）
1.DNA stucture
? 1.2 磷酸二酯键把核苷酸连在一起，形成 DNA分子的骨架,DNA
携带的遗传信息就是碱基的顺序。两股相反方向的反向平行链的
DNA链通过碱基之间的氢键结合形成双螺旋。碱基互补配对。
2.DNA packaging（ DNA的包装）
2.1 原核细胞中的 DNA包装
一个大肠杆菌细胞的 DNA长度超过 1mm,而细胞本身是 1.7? × 0.65? 的圆筒，
因此,DNA分子通过超螺旋 （ supercoiling）, 使分子形成更紧密的结构。
supercoiling
原核细胞中的染色体 -拟核（ nucleoid）
2.DNA packaging（ DNA的包装）
? 2.2 真核细胞中的 DNA包装
?
核小体 30nm的螺旋管
染色质纤维 中期的染色体
螺旋 螺旋
3,Chromosomes（ 染色体）
? 3.1 一般情况下，细菌细胞中的染色体是环状的，而且只有一个
拷贝，所以它是单倍体（ haploid,monoploid），自由分散在细
胞之中。
? 3.2 真核细胞中，大段的 DNA以一定数量的染色体形式位于细胞
核中，被核膜与细胞质分开。每个染色体都有两个拷贝，所以是
双倍体（ diploid,amphiploid），整个基因组来自两个亲本。
? 3.3 真核细胞的这种结构导致了一个非常复杂的细胞分裂机制，
叫有丝分裂，保证每个后代细胞都得到每个染色体的一个拷贝。
? 3.4 真核细胞中的线粒体和叶绿体中有 DNA,这些 DNA的特点相
原核细胞。
Section C Information Storage and
Transfer 信息的储存与传递
C2 DNA replication
DNA的复制
1.Overview（ 概述）
1.1 DNA复制是碱基配对的半保留复制。
新的 DNA链是以旧链为模板合成的，
新加入的碱基与模板上的碱基互补
配对，当整个分子复制出来时，每
个新的 DNA时由原来的一个链和一个
新合成的链组成的，所以叫半保留
复制。
2.The replication bubble（ 复制泡）
2.1 复制泡,DNA的合成发生在两条
母链上，复制起点只有一个，并
且双向延伸形成一个 θ状结构，
称之为复制泡。
2.2 复制叉（ replication forks）,环
状 DNA复制的两个位点称之为复
制叉。
3.DNA polymerase（ DNA聚合酶）
3.1在细菌中，通常负责 DNA合成的酶是 DNA聚合酶 Ⅲ, DNA聚合酶 Ⅲ 的作
用就是在延伸链上的 3’ -OH端添加一个新的核苷酸，释放一个焦磷酸，使
新合成的 DNA链沿 5’ → 3’ 方向延伸。
3.2 DNA聚合酶的特性所导致的 DNA合成的特点：
DNA聚合酶不能从头起始合成 DNA,必须有一个 3’ -OH基团，因此这些酶
必须有引物才能合成 DNA。
DNA只能在一个方向上即 5’ → 3’ 方向上合成，由于 DNA双链是反向平行
的，并且在一个复制叉上同时复制，因此只有一条链的合成是连续的，另
一条链只能以小片段形式合成。
5’ 3’
3’ 5’
4.Primers（ 引物）
? DNA起始合成问题可以由一种特殊的 RNA酶也叫引物酶来解决，
它可以在 DNA合成起始点产生一段与 DNA模板链配对的 RNA片段
（引物）。 RNA聚合酶不需要 3’ -OH基团来起始 RNA的合成，因
此它可以从头合成 RNA,为 DNA链合成提供必需的 3’ -OH基团。
? DNA聚合酶 Ⅰ 可以切去核苷酸, 往上加入脱氧核苷酸。
? 最后,DNA连接酶将缺口补上。
DNA聚合酶 Ⅲ
RNA引物
5’ 3’
3’ 5’
新合成的 DNA
5.Leading and lagging strands（ 前导链和滞后链）
? DNA可以连续合成的链成为
前导链，另一条链成为滞后
链，滞后链上的片段称为冈
崎片段。
6.Eukaryote replication（ 真核生物的复制）
真核生物复制的几个特点：
6.1 染色体上有许多复制起点；
6.2 前导链和滞后链由不同的 DNA聚合内合成。冈崎片段较原核生物小；
7.Rolling circle replication（ 滚环式复制）
? 7.1 滚环式复制经常发生在病毒或者细菌细胞中质粒的复制。
? 7.2 复制机理,DNA的一条链产生缺口，提供 3’ -OH基团，在解旋酶和单
链结合蛋白作用下产生一个复制叉，接着有缺口的链被置换。脱氧核苷
酸被加入到 3’ -OH基团来产生一条前导链，被置换下来的链作为后滞链
合成模板。
5’ -P3’ -OH
制造一个缺口，
露出可加入脱氧
核糖核苷酸的 3’ -OH
新合成的 DANA
被取代的链
利用冈崎片段，可以
复制出一个互补链
Section C Information Storage and
Transfer 信息的储存与传递
C3 RNA molecules
In the cell
细胞中的 RNA分子
1.Structure of RNA（ RNA的结构）
RNA与 DNA的区别,
1.1 戊糖是核糖而不是脱氧核糖，这也是 RNA具有酶活性的原因 ；
1.2 胸腺嘧啶（ T）,被尿嘧啶取代（ U）；
1.3 RNA为单链，但是也可以形成复杂的二级结构；
1.4 稀有核苷酸如黄嘌呤核苷、加尿嘧啶核苷可以出现在转录后的 RNA；
1.5 RNA合成的底物是三磷酸核苷酸；
1.6 RNA的序列可以用 5’ → 3’ 碱基序列的形式来表示，如 ACGUCCAUG
2.RNA moleculles in the cell（ 细胞中的 RNA分子）
? 有三种 RNA分子，他们分别是：
? 2.1 核糖体 RNA（ rRNA）,他的作用是参与蛋白质的合成，它可以协助核
糖体保持一定的结构，并发挥相应的功能。
? 2.2 转运 RNA（ tRNA）,蛋白质合成过程中转运氨基酸，将核酸序列转换
成相应的氨基酸序列。
? 2.3 信使 RNA（ mRNA）,他们又 DNA转录而来，并作为蛋白质合成的模板。
原核及真核生物 rRNA分类
生物体 核糖体亚基 沉降系数 大小
原核生物 大亚基 23S 2900
小亚基 16S,5S 1500,120
真核生物 大亚基 28S,5.8S,5S 4200,160,120
小亚基 18S 1900
3.Catalytic RNA molecules（ 具催化功能的 RNA分子）
? 在 20世纪 80年代的研究中发现有些 RNA具有酶催化活性（称之为
核酶）。其中最常见的是具有自我拼接功能的内含子，它可以将
自身从转录的 RNA上切除并将相邻两个外显子拼接起来。核酶广
泛存在于许多微生物体，如原生动物、真菌的线粒体、藻类的叶
绿体及某些噬菌体中。
Section C Information Storage and
Transfer 信息的储存与传递
C4 Transcription
转录
1.Overview（ 概述）
1.1 DNA中编码一条多肽链或者一个稳定的 RNA分子的碱基序列称作一个基
因。 DNA上的基因只能通过一种信使 RNA（ mRNA） 来传递信息，合成
蛋白质。 DNA mRNA Protein
1.2 RNA的合成过程称作转录。
1.3 RNA的合成与 DNA的复制相似，但是也有许多差别，主要有：
? 只有一条 DNA链能够被复制；
? RNA合成的底物是三磷酸核苷酸（ NTP）；
? 真核生物中一个 mRNA仅携带一个基因产物的信息；原核生物中一个 mRNA
携带多个基因的信息；
? RNA聚合酶结合在基因起始信号的特异点被称为启动子（ promoter）；
? RNA聚合酶不需要引物；
? 转录过程中，可以通过蛋白质因子对特定基因的转录进行调控。
2.DNA-dependent RNA polymerases（ DNA依赖型 RNA聚合酶）
? 大肠杆菌有完整的 RNA聚合酶（又称全酶, holoenzyme）,它包括
五个亚基,2个 α亚基,β,β’和 σ亚基。其中 σ亚基（又称 σ因子）
是与启动子结合所必需的。
? 真核生物的 RNA聚合酶需要附加的转录因子来协助 RNA的起始。
3.Stages of transcription（ 转录的步骤）
? 共分为三步：
? 3.1起始阶段：
Transfer 信息的储存与传递
C1 Structure and
organization of DNA
DNA的结构与组装
1.DNA stucture
? 1.1 脱氧核糖核酸是所有生命细胞的遗传物质；然而有些病毒和噬菌体含
有 RNA,当作他们的遗传物质。 DNA分子的重复单位是脱氧核糖核苷酸，
它是由一个五碳脱氧核糖、磷酸基和四种碱基中的一种组成。这四种碱
基有单环的嘧啶，如胞嘧啶和胸腺嘧啶，和双环的嘌呤，如腺嘌呤和鸟
嘌呤。
N
C
N
C
C
C
N
C
N
N H 2
H
H
H H
N
C
N
C
C
C
N
C
N
H
O
NH 2
N
C
N
C
C
C
O
H
H H
H
O O
H
H N
C
N
C
C
C
O
H
C H 3
H
O
H
HH N
C
N
C
C
C
H
N H 2
（ A） （ G）
（ U） （ T） （ C）
1.DNA stucture
? 1.2 磷酸二酯键把核苷酸连在一起，形成 DNA分子的骨架,DNA
携带的遗传信息就是碱基的顺序。两股相反方向的反向平行链的
DNA链通过碱基之间的氢键结合形成双螺旋。碱基互补配对。
2.DNA packaging（ DNA的包装）
2.1 原核细胞中的 DNA包装
一个大肠杆菌细胞的 DNA长度超过 1mm,而细胞本身是 1.7? × 0.65? 的圆筒，
因此,DNA分子通过超螺旋 （ supercoiling）, 使分子形成更紧密的结构。
supercoiling
原核细胞中的染色体 -拟核（ nucleoid）
2.DNA packaging（ DNA的包装）
? 2.2 真核细胞中的 DNA包装
?
核小体 30nm的螺旋管
染色质纤维 中期的染色体
螺旋 螺旋
3,Chromosomes（ 染色体）
? 3.1 一般情况下，细菌细胞中的染色体是环状的，而且只有一个
拷贝，所以它是单倍体（ haploid,monoploid），自由分散在细
胞之中。
? 3.2 真核细胞中，大段的 DNA以一定数量的染色体形式位于细胞
核中，被核膜与细胞质分开。每个染色体都有两个拷贝，所以是
双倍体（ diploid,amphiploid），整个基因组来自两个亲本。
? 3.3 真核细胞的这种结构导致了一个非常复杂的细胞分裂机制，
叫有丝分裂，保证每个后代细胞都得到每个染色体的一个拷贝。
? 3.4 真核细胞中的线粒体和叶绿体中有 DNA,这些 DNA的特点相
原核细胞。
Section C Information Storage and
Transfer 信息的储存与传递
C2 DNA replication
DNA的复制
1.Overview（ 概述）
1.1 DNA复制是碱基配对的半保留复制。
新的 DNA链是以旧链为模板合成的，
新加入的碱基与模板上的碱基互补
配对，当整个分子复制出来时，每
个新的 DNA时由原来的一个链和一个
新合成的链组成的，所以叫半保留
复制。
2.The replication bubble（ 复制泡）
2.1 复制泡,DNA的合成发生在两条
母链上，复制起点只有一个，并
且双向延伸形成一个 θ状结构，
称之为复制泡。
2.2 复制叉（ replication forks）,环
状 DNA复制的两个位点称之为复
制叉。
3.DNA polymerase（ DNA聚合酶）
3.1在细菌中，通常负责 DNA合成的酶是 DNA聚合酶 Ⅲ, DNA聚合酶 Ⅲ 的作
用就是在延伸链上的 3’ -OH端添加一个新的核苷酸，释放一个焦磷酸，使
新合成的 DNA链沿 5’ → 3’ 方向延伸。
3.2 DNA聚合酶的特性所导致的 DNA合成的特点：
DNA聚合酶不能从头起始合成 DNA,必须有一个 3’ -OH基团，因此这些酶
必须有引物才能合成 DNA。
DNA只能在一个方向上即 5’ → 3’ 方向上合成，由于 DNA双链是反向平行
的，并且在一个复制叉上同时复制，因此只有一条链的合成是连续的，另
一条链只能以小片段形式合成。
5’ 3’
3’ 5’
4.Primers（ 引物）
? DNA起始合成问题可以由一种特殊的 RNA酶也叫引物酶来解决，
它可以在 DNA合成起始点产生一段与 DNA模板链配对的 RNA片段
（引物）。 RNA聚合酶不需要 3’ -OH基团来起始 RNA的合成，因
此它可以从头合成 RNA,为 DNA链合成提供必需的 3’ -OH基团。
? DNA聚合酶 Ⅰ 可以切去核苷酸, 往上加入脱氧核苷酸。
? 最后,DNA连接酶将缺口补上。
DNA聚合酶 Ⅲ
RNA引物
5’ 3’
3’ 5’
新合成的 DNA
5.Leading and lagging strands（ 前导链和滞后链）
? DNA可以连续合成的链成为
前导链，另一条链成为滞后
链，滞后链上的片段称为冈
崎片段。
6.Eukaryote replication（ 真核生物的复制）
真核生物复制的几个特点：
6.1 染色体上有许多复制起点；
6.2 前导链和滞后链由不同的 DNA聚合内合成。冈崎片段较原核生物小；
7.Rolling circle replication（ 滚环式复制）
? 7.1 滚环式复制经常发生在病毒或者细菌细胞中质粒的复制。
? 7.2 复制机理,DNA的一条链产生缺口，提供 3’ -OH基团，在解旋酶和单
链结合蛋白作用下产生一个复制叉，接着有缺口的链被置换。脱氧核苷
酸被加入到 3’ -OH基团来产生一条前导链，被置换下来的链作为后滞链
合成模板。
5’ -P3’ -OH
制造一个缺口，
露出可加入脱氧
核糖核苷酸的 3’ -OH
新合成的 DANA
被取代的链
利用冈崎片段，可以
复制出一个互补链
Section C Information Storage and
Transfer 信息的储存与传递
C3 RNA molecules
In the cell
细胞中的 RNA分子
1.Structure of RNA（ RNA的结构）
RNA与 DNA的区别,
1.1 戊糖是核糖而不是脱氧核糖，这也是 RNA具有酶活性的原因 ；
1.2 胸腺嘧啶（ T）,被尿嘧啶取代（ U）；
1.3 RNA为单链，但是也可以形成复杂的二级结构；
1.4 稀有核苷酸如黄嘌呤核苷、加尿嘧啶核苷可以出现在转录后的 RNA；
1.5 RNA合成的底物是三磷酸核苷酸；
1.6 RNA的序列可以用 5’ → 3’ 碱基序列的形式来表示，如 ACGUCCAUG
2.RNA moleculles in the cell（ 细胞中的 RNA分子）
? 有三种 RNA分子，他们分别是：
? 2.1 核糖体 RNA（ rRNA）,他的作用是参与蛋白质的合成，它可以协助核
糖体保持一定的结构，并发挥相应的功能。
? 2.2 转运 RNA（ tRNA）,蛋白质合成过程中转运氨基酸，将核酸序列转换
成相应的氨基酸序列。
? 2.3 信使 RNA（ mRNA）,他们又 DNA转录而来，并作为蛋白质合成的模板。
原核及真核生物 rRNA分类
生物体 核糖体亚基 沉降系数 大小
原核生物 大亚基 23S 2900
小亚基 16S,5S 1500,120
真核生物 大亚基 28S,5.8S,5S 4200,160,120
小亚基 18S 1900
3.Catalytic RNA molecules（ 具催化功能的 RNA分子）
? 在 20世纪 80年代的研究中发现有些 RNA具有酶催化活性（称之为
核酶）。其中最常见的是具有自我拼接功能的内含子，它可以将
自身从转录的 RNA上切除并将相邻两个外显子拼接起来。核酶广
泛存在于许多微生物体，如原生动物、真菌的线粒体、藻类的叶
绿体及某些噬菌体中。
Section C Information Storage and
Transfer 信息的储存与传递
C4 Transcription
转录
1.Overview（ 概述）
1.1 DNA中编码一条多肽链或者一个稳定的 RNA分子的碱基序列称作一个基
因。 DNA上的基因只能通过一种信使 RNA（ mRNA） 来传递信息，合成
蛋白质。 DNA mRNA Protein
1.2 RNA的合成过程称作转录。
1.3 RNA的合成与 DNA的复制相似，但是也有许多差别，主要有：
? 只有一条 DNA链能够被复制；
? RNA合成的底物是三磷酸核苷酸（ NTP）；
? 真核生物中一个 mRNA仅携带一个基因产物的信息；原核生物中一个 mRNA
携带多个基因的信息；
? RNA聚合酶结合在基因起始信号的特异点被称为启动子（ promoter）；
? RNA聚合酶不需要引物；
? 转录过程中，可以通过蛋白质因子对特定基因的转录进行调控。
2.DNA-dependent RNA polymerases（ DNA依赖型 RNA聚合酶）
? 大肠杆菌有完整的 RNA聚合酶（又称全酶, holoenzyme）,它包括
五个亚基,2个 α亚基,β,β’和 σ亚基。其中 σ亚基（又称 σ因子）
是与启动子结合所必需的。
? 真核生物的 RNA聚合酶需要附加的转录因子来协助 RNA的起始。
3.Stages of transcription（ 转录的步骤）
? 共分为三步：
? 3.1起始阶段：
