第三章 遗传物质的分子基础基因 必须表现三种基本的功能：
(1)遗传功能即基因的复制,遗传物质必须贮存遗传信息，并能将其复制且一代一代精确地传递下去。
(2)表型功能即基因的表达,遗传物质必须控制生物体性状的发育和表达。
(3)进化功能即基因的变异,遗传物质必须发生变异，以适应外界环境的变化，没有变异就没有进化。
遗传学诞生后，在二十世纪的上半叶，人们建立了基因遗传的染色体理论，认为基因存在于染色体上。但没有对基因的化学本质作出回答。
第一节 DNA作为主要遗传物质的证据基因存在于染色体上。
脱氧核糖核酸 (DNA)
核酸核糖核酸 (RNA)
组蛋白染色体蛋白质非组蛋白少量的拟脂与无机物质
27%
6%
66%
分子遗传学拥有大量直接和间接证据，说明 DNA是主要的遗传物质。
一,DNA作为主要遗传物质的 间接证据大部分 DNA存在于染色体上。 RNA和蛋白质在细胞质内也很多。
每个物种 不同组织 的细胞 不论其大小和功能如何，它们 的
DNA含量是恒定的。 精子或卵子中的 DNA含量正好是体细胞的一半；而细胞内的 RNA和蛋白质量在不同细胞间变化很大。另外，多倍体系列的一些物种，其细胞中 DNA的含量随染色体倍数的增加，也呈现倍数性的 递增 。
DNA在代谢上比较 稳定 。 细胞内蛋白质和 RNA分子与 DNA分子不同，
它们在迅速形成的同时，又不断分解。而原子一旦被 DNA分子所摄取，则在细胞保持健全生长的情况下，保持稳定，不会离开 DNA。
基因突变与 DNA分子的变异密切相关。 用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，其最有效的波长为 260nm，这与 DNA所吸收的紫外线光谱是一致的。
(一 )细菌的转化
肺炎双球菌有两种不同的类型：
1.光滑型 (S型 ) 被一层多糖类的荚膜所保护，具有 毒性,在培养基上形成 光滑 的菌落。
2.粗糙型 (R型 ) 没有荚膜和毒性，在培养基上形成粗糙的菌落。
二,DNA作为主要遗传物质的 直接证据在 R型和 S型内还可以按血清免疫反应不同，分成许多抗原型，常用 RⅠ,RⅡ 和 SⅠ,SⅡ,SⅢ 等加以区别。
1928年 Criffith将少量无毒的 RⅡ 型肺炎双球菌注入家鼠体内，再将大量无毒但已加热杀死的 SⅢ 型肺炎双球菌注入同一只鼠体内，结果家鼠发病死亡，从死鼠体内分离出 SⅢ 型的肺炎双球菌。 ( 如图）
肺炎双球菌转化实验
16后,Avery等用生物化学方法 证明这种引起转化的物质是 DNA,他们将 SⅢ 型细菌的 DNA提取物与 RⅡ 型细菌混合在一起，在离体培养条件下，成功的使少数 RⅡ 型细菌定向转化为 SⅢ 型细菌。 (如图 ）
迄今，已经在几十种细菌和放线菌中成功地获得了遗传性状的定向转化。这些 试验都证明起转化作用的物质是
DNA。
(二 )噬菌体的侵染与繁殖
噬菌体是极小的低级生命类型。必须在电子显微镜下才可以看到。据研究 T2噬菌体 DNA进入到大肠杆菌内,可以利用大肠杆菌的材料来制造自己的 DNA、蛋白质外壳和尾部，从而形成完整的新生的噬菌体。
赫尔希 等用同位素 32P和 35S分别标记 T2噬菌体的 DNA与蛋白质。因为 P是 DNA的组分，但不见于蛋白质；而 S是蛋白质的组分，但不见于 DNA。然后用标记的 T2噬菌体
(32P或 35S)分别感染大肠杆菌，经 10分钟后，用搅拌器甩掉附着于细胞外面的噬菌体外壳。
(图 3－ 2)
第一种情况下，基本上全部放射活性见于细菌内而不被甩掉并可传递给子代。
第二种情况下，放射性活性大部分见于被甩掉的外壳中，细菌内只有较低的放射性活性，
且不能传递给子代这样看来，主要是由于 DNA进入细胞内才产生完整的噬菌体。
所以说 DNA是具有连续性的遗传物质。
(三 )烟草花叶病毒的感染和繁殖烟草花叶病毒（ TMV）是由 RNA与蛋白质组成的管状微粒，它的中心是单螺旋的 RNA，外部是蛋白质的外壳。
（如图）
佛兰科尔－康拉特与辛格尔 (Frankel-Conrat,H.和
Singer,B.)把 TMV的 RNA
与另一个病毒品系 (HR,
Holmes ribgrass)的蛋白质，重新合成混合的烟草花叶病毒，用它感染烟草叶片时，所产生的新病毒颗粒与提供 RNA的品系完全一样，亦即 亲本的 RNA
决定了后代的病毒类型
(图 3－ 3)。
以上实例均直接证明 DNA
是生物主要的遗传物质,
而在缺少 DNA的生物中，
RNA则为遗传物质。
第二节 核酸的化学结构核酸 (nucleic acid)是一种高分子的化合物，它的构成单元是 核苷酸 (nucleotide)。 两个核苷酸之间由 3’和 5’位的磷酸二脂键相连 。
核酸有两种,脱氧核糖核酸 (DNA)和 核糖核酸 (RNA)。
两种核酸的 主要区别 如下：
RNA DNA
酸 磷 酸 磷 酸糖 D-核酸 D-2-脱氧核酸含氮碱嘌 呤 腺嘌呤 A鸟嘌呤 G 腺嘌呤 A鸟嘌呤 G
嘧 啶 胞嘧啶 C尿嘧啶 U 胞嘧啶 C胸腺嘧啶 A
DNA通常是双链一般较长。
RNA主要为单链，分子链较短。
二,DNA的分子结构
(一 )DNA的双螺旋结构
DNA分子是脱氧核苷酸的多聚体,含有 4种脱氧核苷酸,脱氧腺嘌呤核苷酸 (dATP),脱氧胸腺嘧啶核苷酸
(dTTP),脱氧鸟嘌呤核苷酸 (dGTP)、脱氧胞嘧啶核苷酸
(dCTP)。
1953年，瓦特森 (Watson,
J,D.)和克里克 (Crick,F.)
根据碱基互补配对的规律以及对 DNA分子的 X射线衍射研究的成果，提出了著名的 DNA双螺旋结构模型 (图 3－ 7)。
这个模型最主要特点有：
(1)由两条互补的多核苷酸链以 右手螺旋 的形式，彼此以一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，很象一个 扭曲起来的梯子。
(2)两条多核苷酸链走向为反向平行 (antiparallel)。即一条链磷酸二脂键为 5’－ 3’
方向，而另一条为 3’－ 5’方向，二者刚好相反。
(3)每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过 氢键 (hydrogen bond)
与它互补的碱基相联系，相互层叠宛如一级一级的梯子横档。互补碱基对 A与 T之间形成两对氢键，而 C与 G
之间形成三对氢键 (图 3－ 8)。
上下碱基对之间的距离为
3.4nm。
(4)每个螺旋为 3.4nm长，刚好含有 10个碱基对，其直径约为 2nm。
(5)在双螺旋分子的表面大沟 (major groove)和小沟
(minor groove)交替出现。
由此可知,DNA的分子结构是由 A-T和 C-G两种核苷酸对从头到尾连接起来的，每个 DNA分子一般有上万个这两种核苷酸对，但是它们在分子链内排列的位置和方向只有以下四种形式,
对一特定物种的 DNA分子来说，其碱基顺序是一定的，
并且通常保持不变，这样才能 保持该物种遗传特性的稳定 。
只有在特殊的条件下，改变其碱基顺序或位置或以碱基类似物代替某一碱基时，才出现遗传的变异 (突变 )。
近来发现 DNA的构型并不是固定不变的，除主要以瓦特森和克里克提出的右手双螺旋构型存在外，
还有许多变型。
瓦特森和克里克提出的双螺旋构型称为 B－ DNA。
B－ DNA是 DNA在生理状态下的构型 。
当 DNA在高盐浓度下时，则以 A－ DNA形式存在 。 A
－ DNA是 DNA的脱水构型，它也是右手螺旋，但每螺圈含有 11个核苷酸对。 A－ DNA比较短和密。
现在还发现，某些 DNA序列可以以 左手螺旋的形式存在,称为 Z－ DNA。
(二 )DNA构型之变异三,RNA的分子结构就其化学组成上看，由四种核苷酸组成的多聚体。它与
DNA的不同，首先在于 以 U
代替了 T，其次是 用核糖代替了脱氧核糖 。
此外,绝大部分 RNA以单链形式存在,但可以折叠起来形成若干双链区域。在这些区域内，凡互补的碱基对间可以形成氢键 (图 3－ 10)。
但有一些以 RNA为遗传物质的动物病毒含有双链
RNA。
第三节 染色体的分子结构一、原核生物染色体
与真核生物相比,原核生物 的染色体要简单得多，其染色体通常 只有一个核酸分子 (DNA或 RNA),其遗传信息的含量也比真核生物少得多。
病毒 染色体 只含一个 DNA或者 RNA分子,可以是单链也可以是双链；大多呈环状，少数呈线性分子。
细菌 染色体 均为环状双链 DNA分子 。虽然病毒和细菌的染色体比真核生物小得多，但其伸展长度比其本身仍要大得多。
近年来研究发现，原核生物的染色体并不是象过去人们认为的那样是“露裸”的 DNA分子，其 DNA分子同样与蛋白质和 RNA等其它分子结合。
二、真核生物染色体
(一 )染色质的基本结构
染色质 (chromatin)是染色体在细胞分裂的间期所表现的形态，呈纤细的丝状结构，故亦 称为染色质线 (chromatin
fiber)。
DNA
组蛋白,H1,H2A,H2B,H3和 H4
染色质蛋白质非组蛋白少量核糖核酸 (RNA)
染色质的 基本结构单位是核小体 (nucleosome),连接丝 (linker)和一个分子的组蛋白 H1。每个核小体的核心是由 H2A,H2B,H3和
H4四种组蛋白各以两个分子组成的 八聚体,其形状近似于扁球状 (图 3－ 13)。
DNA双螺旋就盘绕在这八个组蛋白分子的表面。 连接丝把两个核小体串联起来，它是两个核小体之间的 DNA双链。组蛋白 H1结合于连接丝与核小体的接合部位，影响连接丝与核小体结合的长度。
根据染色反应，间期细胞核中的染色质可以分为两种：
异染色质 是染色质线中染色很深的区段，这称为异染色质区 (heterochromatin region)。
常染色质 是染色很浅的区段，这称为常染色质区 (euchro-
matin region)。
据分析，两者在化学性质上没有什么差别，核酸的紧缩程度及含量上的不同；二者在结构上是连续的。
在同一染色体上所表现的这种差别称为 异固缩 (heteroch-
romatin)现象。
图异染色质 常染色质
染色体的这种结构与功能密切相关,常染色质 可经转录表现为 活跃的遗传功能,而异染色质一般不编码蛋白质，只对维持染色体结构的完整性起作用。放射自显影的实验证明,异染色质的复制时间总是迟于常染色质。
异染色质又可分为 组成型异染色质 (constitutive heteroch-
romatin )和 兼性异染色质 (facutative heterochromatin)。
组成型异染色质主要是卫星 DNA，构成染色体的 特殊区域,
如着丝点部位等。只与染色体结构有关,一般无表达功能。
兼性异染色质可以存在于染色体的 任何部位 。它可以在某类细胞内表达，而在另一类细胞内完全不表达。
每条染色单体包括一条 染色线 (chromonema)，以及位于线上许多染色很深、颗粒状的 染色粒 (chromomere)。
现已证实每个染色体所含的染色质线是单线的,即一个染色体所包含的两条染色单体都分别是单线的,换言之，每条染色单体是一个 DNA分子与蛋白质结合形成的染色质线。
(二 )染色体的结构模型在细胞有丝分裂的中期，利用光学显微镜可以观察到：
染色体的结构是由两条染色单体 (chromatid)组成的。
细胞分裂过程中染色质线至少存在三个层次的卷缩 (图 3-14)：
第一个层次 是 DNA分子超螺旋化形成核小体,产生直径约为 10nm的间期染色质线，在此过程中组蛋白 H2A,H2B、
H3和 H4参与作用。
第二个层次 是核小体的长链进一步螺旋化形成直径约为 30nm的超微螺旋，称为 螺线管 (solenoid)，此过程中组蛋白
H1参与作用。
最后 是染色体螺旋管进一步卷缩,并附着于由非组蛋白形成的骨架 )或者称中心 (图 3－ 15)上面成为 一定形态的染色体。
在细胞分裂过程中，染色质是如何螺旋化形成染色体的呢？
Bak等人提出了 染色质螺旋化的四级结构模型（ 核小体、
螺线体、超螺线体、染色体 ） 解释了这个问题。
(三 )着丝粒和端体染色体另外二个重要的结构就是 着丝粒 (centromoere)和 端体 (telomere)。
1,着丝粒 是染色体的缩缢部位，是细胞分裂过程中纺锤丝
(spindle fiber)结合的区域。
着丝粒在细胞分裂过程中，对染色体向子细胞的正确分配起着关键的作用。 缺少着丝粒的染色体片段，由于没有纺锤丝的牵引，
在细胞分裂过程中经常容易丢失。
2,端体 (telomere)也就是染色体的末端，存在着特珠的结构。
主要有三方面的功能,
1、防止染色体末端为 DNA酶酶切；
2、防止染色体末端与其它 DNA分子的结合；
3、使染色体末端在 DNA复制过程中保持完整。
第四节 DNA的复制一,DNA复制的一般特点
(一 )半保留复制
半保留复制
(semiconservative
replication)----复制时 DNA双链解开并以每一单链为模板来形成另一对应的新链。 (图 3-16)。
DNA自身的复制方式 ------半保留复制
(二 )复制起点和复制方向
多数细菌及病毒,只有一个复制起点，控制整个染色体的复制。所以 整个染色体也就是一个复制子。
复制子 (replicon)。 是指在同一个复制起点控制下合成的一段 DNA序列。
在 真核生物 中，每条染色体的 DNA复制则是 多起点的,多个复制起点共同控制一条染色体的复制，即每条染色体有多个复制子 (图 3－ 17)。
真核 生物的研究发现，其复制也是 双向的 。但近来发现，并不是所有的生物 DNA的复制都是双向的，
如,噬菌体 T2,其 DNA的复制就是沿 一个方向 进行的。 5/ — 3/
大肠杆菌和其它许多 原核生物的环状 DNA复制是双向的。 即 DNA的复制从复制起点开始，向二个方向同时进行，最后相遇，完成复制。
复制方向？从起点开始是沿着一个方向进行的呢？还是双向的？
二、原核生物 DNA合成
(一 )有关 DNA合成的酶
1957年科恩伯格 (Kornberg,A.)及其同事，从大肠杆菌中分离 DNA聚合酶 Ⅰ (polymerase Ⅰ )。
聚合酶 Ⅰ 在有 DNA,4种脱氧核苷酸及 Mg++的情况下，在离体条件下可以 合成 DNA。
后来发现,DNA聚合酶 Ⅰ 只有在引物 DNA提供 3’端自由羟基的情况下，才使 DNA链从 5’向 3’方向延伸。
实际上在此实验体系中的 DNA起着 模板和引物 的双重作用。
DNA聚合酶 Ⅰ 由一条多肽链组成,含有 928个氨基酸，分子量约为 109,000道尔顿,编码此酶的基因为 pol A。
后来，从 pol A基因突变株中又分离出二种 DNA聚合酶，分别命名为 DNA聚合酶 Ⅱ I和 DNA聚合酶 Ⅲ 。
三种 DNA聚合酶有一些共同的特性，从而决定 DNA合成的特点：
1、三种酶都只有 5’－ 3’聚合酶的功能，而没有 3’－ 5’聚合酶功能，说明 DNA链的延伸只能从 5’向 3’端进行。
2、它们都没有直接起始合成 DNA的能力，只能在引物存在下进行链的延伸，因此,DNA的合成必须有引物引导才能进行。
3、三种酶还都有核酸外切酶的功能，可对合成过程中发生的错识进行 校正,从而保证 DNA复制的高度准确性 。
(二 )DNA复制的过程
DNA的合成是半保留复制（ 分别以两条链互为模板，而合成两条互补新链），复制是双向的,DNA的合成 必须有引物 的引导，并且复制时链的 延伸总是从 5’向 3’方向 进行。
DNA的合成过程：
1,DNA双螺旋的解链
ATP提供能量，
DNA双链由 解旋酶 解开后,单链 DNA结合蛋白（ SSB） 马上结合在分开的单链上，
从而保持其伸展状态。
在大肠杆菌中,DNA的合成速度每分钟约为
30,000bp，即 双螺旋每分钟必须旋转 3000
次才能完全解旋。
如果没有 SSB的作用,分开的双链 互补碱基对间 又可重新配对 。或者，在同一条链的互补碱基对间配对而 形成发夹状结构,这种结构会阻止 DNA聚合酶的作用。
随着解链的进行，在 DNA复制叉前面就会形成一种张力，
而导致超螺旋的产生。
DNA拓扑异构酶 将 DNA双链切开一个口子，使一条链旋转一圈，然后再将其共价相连，从而 消除其张力。
现在发现 主要有二类 DNA拓扑异构酶：
DNA拓扑异构酶 I，只对双链 DNA中的一条链进行切割，
产生切口 (nick)，每次切割只能去除一个超螺旋，此过程不需要外加能量。
DNA拓扑异构酶 II，可以对双链 DNA的二条链同时进行切割。
每次切割可以去除二个超螺旋，此过程需要 ATP提供能量。
2,DNA合成的开始由于三种 DNA聚合酶均 需要 DNA模板和 3’端的自由－ OH，才能进行 DNA的合成，使 DNA延伸。
人们很早就发现 RNA聚合酶 (RNA ploymerase)利用 DNA模板，
不需要特殊的引物可以直接合成 RNA。
DNA合成前，以 DNA为模板，根据碱基配对的原则，在一种特殊的 RNA聚合酶－ DNA引物酶 (DNA primase)的催化下，
先合成 一段长度为 5－ 60个核苷酸的 RNA引物，提供 3’端自由
－ OH。
然后，在 DNA聚合酶 III的作用下进行 DNA的合成。
3、一条 DNA链连续合成，一条链不连续
从电子显微镜和放射自显影的结果可知,DNA两条新链的合成是从一个 复制叉 (replicating fork)向着 同一个方向 延伸的。
而组成 DNA双螺旋的互补双链具有相反的方向，一条从 5’
－ 3’，而另地条 3’－ 5’，为 反向平行。
二条 DNA新链，只有一条 DNA链的合成是 连续的,而另一条则是 不连续的。
所以从整个 DNA分子水平来看,DNA二条新链的 合成方向是相反的，但是都是从 5’向 3’方向延伸。
把一直从 5’向 3’方向延伸的链称作 前导链 (leading
strand),它是连续合成的。
另一条先沿 5’－ 3’方向合成一些片段，然后再由连接酶将其连起来的链，称为 后随链 (lagging strand),其合成是不连续的 (图 3－ 19)。
在前导链上,DNA引物酶只在起始点 合成一次引物
RNA,DNA聚合酶 III就可开始进行 DNA的合成。
每个“冈崎片段”的合成都需要 先合成一段引物
RNA,然后 DNA聚合酶 III才能进行 DNA的合成。
随后,引物 RNA被切除,并为新合成的 DNA片段所替代。
在大肠杆菌中，引物 RNA
被 切除过程是在 DNA聚合酶
Ⅰ 的催化下 完成的。
后随链上合成的 DNA不连续单链小片段称为 冈崎片段后随链 DNA的合成：
因为 DNA聚合酶 I有 5’－ 3’
端核酸外切酶的功能，它可以将 RNA引物切除，
同时利用其 5’－ 3’聚合酶功能，以临近“冈崎片段”
的 3’端自由－ OH进行 DNA
的合成，从而将 RNA引物替换为 DNA链。
最后由 DNA连接酶
(DNA ligase)将“冈崎片段”连接起来，形成一条完整的新链 (图 3－ 20)。
最后，简要说明一下 RNA病毒中 RNA的自我复制。大多数 RNA病毒是单链的。
这种 RNA的复制一般是先以自己为模板合成一条互补的单链，通常称病毒原有的，起模板作用的链称为“＋”链，而新复制的 RNA链称为“－”链，这样就形成了 双螺旋的复制类型 (replicative
form)。
然后这个“－”链又从“＋”链模板释放出来，它也以自己为模板复制出一条与自己互补的“＋”链，于是形成了一条新生的病毒 RNA。
三、真核生物 DNA合成现在已有很多证据表明，真核生物 DNA的复制基本上与原核生物相同，但比原核生物更为复杂。
1,DNA合成只是发生在细胞周期的某个时期：
真核细胞 DNA的合成只是在细胞周期的 S期 进行。
而原核生物则 在整个细胞生长过程 中都可进行 DNA合成。
2、原核生物 DNA的复制是 单起点的,而真核生物染色体的复制则为 多起点的。
3、真核生物 DNA合成所需的 RNA引物 及后随链上合成的,冈崎片段”的长度比原核生物要短
4、有二种不同的 DNA聚合酶分别控制前导链和后随链的合成 (图 3－ 21)。
在原核生物中有 DNA聚合酶
I,II和 III等三种聚合酶，并由聚合酶 III同时控制二条链的合成。
主要不同点：
5、染色体端体的复制
原核生物的染色体大多数为 环状,而真核生染色体为 线状。
端体：染色体 其末端有特殊 DNA序列组成的结构称为 。
根据 DNA合成的过程，新链 5’末端 DNA是无法自动合成的，因为当末端的 RNA引物被切除后，就没有 3’端的自由羟基为 DNA的合成作引物。
在 DNA的末端存在特殊的结构，并在含有 RNA的端体酶
(telomerase)的催化下完成末端的合成。
主要不同点：
第五节 RNA的转录及加工遗传物质不管其化学性质如何，其必须具有 遗传、表达和变异等三种基本功能。
下面我们介绍其第二个重要的功能 —基因表达。
基因的表达,第一步 DNA转录 (transcription)为 RNA，然后由 RNA再翻译 (translation)成蛋白质。
转录,就是以 DNA双链之一的遗传密码为模板，把遗传密码以互补的方式转录到 mRNA上。
翻译,就是 mRNA携带着转录的遗传密码，附着在核糖体上，把 tRNA运来的各种氨基酸，按照 mRNA
的密码顺序，相互连接起来成为多肽链，并进一步折叠起来成为立体蛋白质分子。
先介绍 RNA的转录一、三种 RNA分子信使 RNA (messenger RNA,mRNA)
转移 RNA (transfer RNA,tRNA)
核糖体 RNA (ribosomal RNA,rRNA)
三种不同的 RNA分子在基因的表达过程中起重要的作用。
(一 )mRNA
mRNA的功能就是把 DNA上的遗传信息精确无误地转录下来，然后，由 mRNA的碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序,是基因表达过程中遗传信息传递的中介。
它 起着传递信息的作用,因而称为 信使 RNA (mRNA)。
在真核生物中，转录形成的 RNA中，含由大量非编码序列，大约只有 25％ RNA经加工成为 mRNA，最后翻译为蛋白质。
未经加工的前体 mRNA(pre-mRNA)在分子大小上差别很大，所以通常 称为 不均一核 RNA (heterogeneous
nuclear RNA,hnRNA)。
前面已经介绍，生物的 遗传信息主要贮存于 DNA的碱基序列中，但 DNA并不直接决定蛋白质的合成。而且在真核细胞中，
DNA主要存在于细胞核的染色体上,而 蛋白质的合成中心却位于细胞质的核糖体上 。因此，它需要一种中介物质，才能把 DNA上控制蛋白质合成的遗传信息传递给核糖体。
(二 )tRNA
如果说 mRNA是合成蛋白质的蓝图，则 核糖体是合成蛋白质的工厂。
由于合成蛋白质的原材料 —20种氨基酸与 mRNA的碱基之间缺乏特殊的亲和力。
因此，必须用一种特殊的 RNA—转移 RNA(tRNA)把氨基酸搬运到核糖体上,tRNA能根据 mRNA的遗传密码依次准确地将它携带的氨基酸连结成多肽链。
每种氨基酸可与 1－ 4种 tRNA相结合，现在已知的
tRNA的种类在 40种以上。
tRNA是最小的 RNA。 其分子量约为 27000(25000－ 30000)，
由 70到 90个核苷酸组成。
1969年以来，研究了来自各种不同生物，如：
酵母、大肠杆菌、小麦、
鼠等的十几种 tRNA的结构,证明它们的碱基序列都能折叠成 三叶草叶型 (图 3－ 22)。
tRNA的结构 的共性 (图 3－ 23)：
(1) 5’端之末具有 G(大部分 )或 C。
(2) 3’端之末都以 ACC
的顺序终结。
(3) 有一个富有鸟嘌呤的环。
(4)有一个反密码子环，
其的顶端有三个暴露的碱基，称为 反密码子。
这一个反密码子可以与
mRNA链上同自己互补的密码子配对。
(5) 有一个胸腺嘧啶环。
(三 )rRNA
核糖体 RNA,它是组成核糖体的主要成分，而核糖体则 是合成蛋白质的中心。
原核生物的核糖体所含的 rRNA，有 5S,16S及 23S等三种。
S为沉降系数 (sedimentation coefficient)，当用超速离心测定一个粒子的沉淀速度时，此速度与粒子的大小直接成比例。
真核生物的核糖体，含有 4种 rRNA和约 80种蛋白质。四种
rRNA为 5S,5.8S,18S和 28S。
rRNA是单链,它包含不等量的 A与 U,G与 C，但是有广泛的双链区域。在双链区，碱基因氢鍵相连，表现为 发夹式螺旋。
rRNA在蛋白质合成中的功能尚未完全明了 。但 16S的
rRNA3’端有一段核苷酸序列与 mRNA的前导序列是互补的，
这可能有助于 mRNA与核糖体的结合。
除了上述三种主要的 RNA外，还有 小核 RNA (small
nuclear RNA,snRNA)是真核生物转录后加工过程中 RNA
剪接体 (spliceosome)的主要成份。
另外，还有 端体酶 RNA (telomerase RNA)，它与染色体末端的复制有关；以及反义 RNA(antisense RNA)，它参与基因表达的调控。
上述各种 RNA分子均为转录的产物,mRNA最后翻译为蛋白质，而 rRNA,tRNA及 snRNA等并不翻译，其终产物即为 RNA。
二,RNA合成的一般特点
RNA的合成 与 DNA合成 有以下三方面明显不同：
(1)所用的原料为 核苷三磷酸,而在 DNA合成时则为脱氧核苷三磷酸；
(2)只有一条 DNA链被用作模板,而 DNA合成时，两条链分别用作模板；
(3)RNA链的合成 不需要引物,可以直接起始合成，而
DNA合成一定要引物的引导。
转录合成的 RNA链，除了 U替换为 T
以外，与用作模板的 DNA链互补，而与另一条非模板链相同。
如果转录的 RNA是 mRNA，其信息最后通过密码子决定蛋白质的合成。
现在通常将用作模板，进行 RNA转录的链称作 模板链 (template strand)；而另一条则为 非模板链 (nontemplate strand)。
RNA链的合成与 DNA链的合成同样,也是从 5’向 3’端进行的,此过程由 RNA聚合酶 (RNA polymerase)催化。
RNA聚合酶首先在启动子部位
(promoter)与 DNA结合，形成转录泡
(transcription bubble)，并开始转录。
在原核生物中只有一种 RNA聚合酶完成所有
RNA的转录，而在真核生物中，有三种不同的
RNA聚合酶控制不同类型 RNA的合成。
RNA的合成也同样遵循碱基配对的规则，只是 U代替了 T。
三、原核生物 RNA的合成通常把转录后形成一个 RNA分子的一段 DNA序列称为 一个转录单位 (transcript unit)。
一个转录单位可能刚好是一个基因，也可能含有多个基因。
RNA的转录可以分为三步 (图 3－ 24)：
(1)RNA链的起始；
(2)RNA链的延长；
(3)RNA链的终止及新链的释放。
在讨论有关 RNA转录时通常要用到上游 (upstream)和下游
(downstream)二个概念。因为 RNA的转录总是从 5’向 3’端进行，所以上游总是指 RNA分子的 5’端，而下游则指 3’端。
(一 ) RNA聚合酶
催化转录的 RNA聚合酶是一种由 多个蛋白亚基 组成的复合酶。
如大肠杆菌的 RNA聚合酶有五个亚基组成，其分子量为
480,000道尔顿，含有 α,β,β’和 δ等四种不同的多肽，其中
α为二个分子。
α亚基与 RNA聚合酶的四聚体核心 (α2ββ’)的形成有关 ;
β亚基含有核苷三磷酸的结合位点；
β’亚基含有与 DNA模板的结合位点；
δ因子的作用就是识别转录的起始位置，并使 RNA聚合酶结合在启动子部位。
(二 ) 链的起始
RNA链转录的起始首先是 RNA聚合酶在 δ因子的作用下结合于 DNA的启动子部位 ;
并在 RNA聚合酶的作用下，使
DNA双链解开，形成转录泡，为
RNA合成提供单链模板，并按照碱基配对的原则，结合核苷酸 ;
然后，在核苷酸之间形成磷酸二脂键，使其相连，形成 RNA新链。
δ因子在 RNA链伸长到 8－ 9个核酸后，就被释放，然后由核心酶催化 RNA的延伸。
启动子位于 RNA转录起始点的上游,δ因子对启动子的识别是转录起始的第一步。
(三 ) 链的延伸
RNA链的延伸是在 δ因子释放以后，在 RNA聚合酶四聚体核心酶的催化下进行。
因 RNA聚合酶同时具有解开 DNA双链，并使其重新闭合的功能。
随着 RNA的延伸，
RNA聚合酶使 DNA
双链不断解开和重新闭合。
RNA转录泡也不断前移，合成新的 RNA链
(图 3－ 26)。
(四 ) 链的终止当 RNA链延伸遇到终止信号 (termination signal)时,RNA
转录复合体就发生解体，而使新合成的 RNA链释放出来。
现在发现在大肠杆菌中有二类终止信号：
一类只有在存在蛋白质 ρ的情况下，转录才会终止，称为依赖于 ρ的终止 (ρ–dependent terminator)。
第二类使转录终止不需要 ρ的参与，所以称为不依赖于 ρ
的终止 (ρ-independent terminator)。
实际上在原核生物中,RNA的转录、蛋白质的合成以及
mRNA的降解通常可以是同时进行的。
因为在原核生物中不存在核膜分隔的核，另外,RNA的转录和多肽链的合成都是从 5’向 3’方向进行，只要 mRNA的 5’端合成后，即可以进行蛋白质的翻译过程。
在原核生物中 mRNA的寿命一般只有几分种。因此，往往在
3’端 mRNA的转录还没有最后结束,5’端 mRNA在完成多肽链的合成后，已经开始降解。
四、真核生物 RNA的转录及加工
(一 )真核生物 RNA转录的特点 真核生物与原核生物 RNA的转录过程主要有以下几点不同 (图 3－ 27)：
1、真核生物 RNA的转录是在细胞核内进行 而蛋白质的合成则是在细胞质内，所以,RNA转录后首先必须从核内运输到细胞质内，才能进行蛋白质的合成。
2、真核生物 mRNA分子一般只编码一个基因 原核生物的一个 mRNA分子通常含有多个基因，而少数较低等真核生物外，在真核生物中，一个 mRNA分子一般只编码一个基因。
3、真核生物 RNA聚合酶较多 在原核生物中只有一种 RNA聚合酶催化所有 RNA的合成，而在真核生物中则有 RNA聚合酶 I、
II,III等三种不同酶，分别催化不同种类型 RNA的合成。
4,真核生物 RNA聚合酶不能独立转录 RNA 在真核生物中，三种 RNA聚合酶都必须在蛋白质转录因子的协助下才能进行 RNA的转录。
（一）原核生物与真核生物 RNA 转录的区别
1,真核生物 RNA 的转录是在细胞核内，翻译在细胞质中进行；
原核生物 则在核区同时进行转录翻译；
2,真核生物 一个 mRNA 只编码一个基因；
原核生物 一个 mRNA 编码多个基因；
3,真核生物 有 RNA 聚合酶 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ 等三种不同的酶；
原核生物 则只有一种 RNA 聚合酶；
4,真核生物 中转录的起始更复杂,RNA 的合成需要转录因子的 协助进行转录； 原核生物 则较为简单；
5,真核生物 的 mRNA 转录后进行加工，然后运送到细胞质中进 行翻译； 原核生物 无需进行加工，边转录边翻译。
(二 ) mRNA的加工
1、在 mRNA前体的 5’端加上 7－甲基鸟嘌呤核苷的帽子 (cap)。
2、在 mRNA前体的 3’
端加上聚腺苷酸 (poly
(A))的尾巴。
3、如果基因中存在不编码的内含子序列，
要进行剪接，将其切除。
(1)遗传功能即基因的复制,遗传物质必须贮存遗传信息，并能将其复制且一代一代精确地传递下去。
(2)表型功能即基因的表达,遗传物质必须控制生物体性状的发育和表达。
(3)进化功能即基因的变异,遗传物质必须发生变异，以适应外界环境的变化，没有变异就没有进化。
遗传学诞生后，在二十世纪的上半叶，人们建立了基因遗传的染色体理论，认为基因存在于染色体上。但没有对基因的化学本质作出回答。
第一节 DNA作为主要遗传物质的证据基因存在于染色体上。
脱氧核糖核酸 (DNA)
核酸核糖核酸 (RNA)
组蛋白染色体蛋白质非组蛋白少量的拟脂与无机物质
27%
6%
66%
分子遗传学拥有大量直接和间接证据，说明 DNA是主要的遗传物质。
一,DNA作为主要遗传物质的 间接证据大部分 DNA存在于染色体上。 RNA和蛋白质在细胞质内也很多。
每个物种 不同组织 的细胞 不论其大小和功能如何，它们 的
DNA含量是恒定的。 精子或卵子中的 DNA含量正好是体细胞的一半；而细胞内的 RNA和蛋白质量在不同细胞间变化很大。另外，多倍体系列的一些物种，其细胞中 DNA的含量随染色体倍数的增加，也呈现倍数性的 递增 。
DNA在代谢上比较 稳定 。 细胞内蛋白质和 RNA分子与 DNA分子不同，
它们在迅速形成的同时，又不断分解。而原子一旦被 DNA分子所摄取，则在细胞保持健全生长的情况下，保持稳定，不会离开 DNA。
基因突变与 DNA分子的变异密切相关。 用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，其最有效的波长为 260nm，这与 DNA所吸收的紫外线光谱是一致的。
(一 )细菌的转化
肺炎双球菌有两种不同的类型：
1.光滑型 (S型 ) 被一层多糖类的荚膜所保护，具有 毒性,在培养基上形成 光滑 的菌落。
2.粗糙型 (R型 ) 没有荚膜和毒性，在培养基上形成粗糙的菌落。
二,DNA作为主要遗传物质的 直接证据在 R型和 S型内还可以按血清免疫反应不同，分成许多抗原型，常用 RⅠ,RⅡ 和 SⅠ,SⅡ,SⅢ 等加以区别。
1928年 Criffith将少量无毒的 RⅡ 型肺炎双球菌注入家鼠体内，再将大量无毒但已加热杀死的 SⅢ 型肺炎双球菌注入同一只鼠体内，结果家鼠发病死亡，从死鼠体内分离出 SⅢ 型的肺炎双球菌。 ( 如图）
肺炎双球菌转化实验
16后,Avery等用生物化学方法 证明这种引起转化的物质是 DNA,他们将 SⅢ 型细菌的 DNA提取物与 RⅡ 型细菌混合在一起，在离体培养条件下，成功的使少数 RⅡ 型细菌定向转化为 SⅢ 型细菌。 (如图 ）
迄今，已经在几十种细菌和放线菌中成功地获得了遗传性状的定向转化。这些 试验都证明起转化作用的物质是
DNA。
(二 )噬菌体的侵染与繁殖
噬菌体是极小的低级生命类型。必须在电子显微镜下才可以看到。据研究 T2噬菌体 DNA进入到大肠杆菌内,可以利用大肠杆菌的材料来制造自己的 DNA、蛋白质外壳和尾部，从而形成完整的新生的噬菌体。
赫尔希 等用同位素 32P和 35S分别标记 T2噬菌体的 DNA与蛋白质。因为 P是 DNA的组分，但不见于蛋白质；而 S是蛋白质的组分，但不见于 DNA。然后用标记的 T2噬菌体
(32P或 35S)分别感染大肠杆菌，经 10分钟后，用搅拌器甩掉附着于细胞外面的噬菌体外壳。
(图 3－ 2)
第一种情况下，基本上全部放射活性见于细菌内而不被甩掉并可传递给子代。
第二种情况下，放射性活性大部分见于被甩掉的外壳中，细菌内只有较低的放射性活性，
且不能传递给子代这样看来，主要是由于 DNA进入细胞内才产生完整的噬菌体。
所以说 DNA是具有连续性的遗传物质。
(三 )烟草花叶病毒的感染和繁殖烟草花叶病毒（ TMV）是由 RNA与蛋白质组成的管状微粒，它的中心是单螺旋的 RNA，外部是蛋白质的外壳。
（如图）
佛兰科尔－康拉特与辛格尔 (Frankel-Conrat,H.和
Singer,B.)把 TMV的 RNA
与另一个病毒品系 (HR,
Holmes ribgrass)的蛋白质，重新合成混合的烟草花叶病毒，用它感染烟草叶片时，所产生的新病毒颗粒与提供 RNA的品系完全一样，亦即 亲本的 RNA
决定了后代的病毒类型
(图 3－ 3)。
以上实例均直接证明 DNA
是生物主要的遗传物质,
而在缺少 DNA的生物中，
RNA则为遗传物质。
第二节 核酸的化学结构核酸 (nucleic acid)是一种高分子的化合物，它的构成单元是 核苷酸 (nucleotide)。 两个核苷酸之间由 3’和 5’位的磷酸二脂键相连 。
核酸有两种,脱氧核糖核酸 (DNA)和 核糖核酸 (RNA)。
两种核酸的 主要区别 如下：
RNA DNA
酸 磷 酸 磷 酸糖 D-核酸 D-2-脱氧核酸含氮碱嘌 呤 腺嘌呤 A鸟嘌呤 G 腺嘌呤 A鸟嘌呤 G
嘧 啶 胞嘧啶 C尿嘧啶 U 胞嘧啶 C胸腺嘧啶 A
DNA通常是双链一般较长。
RNA主要为单链，分子链较短。
二,DNA的分子结构
(一 )DNA的双螺旋结构
DNA分子是脱氧核苷酸的多聚体,含有 4种脱氧核苷酸,脱氧腺嘌呤核苷酸 (dATP),脱氧胸腺嘧啶核苷酸
(dTTP),脱氧鸟嘌呤核苷酸 (dGTP)、脱氧胞嘧啶核苷酸
(dCTP)。
1953年，瓦特森 (Watson,
J,D.)和克里克 (Crick,F.)
根据碱基互补配对的规律以及对 DNA分子的 X射线衍射研究的成果，提出了著名的 DNA双螺旋结构模型 (图 3－ 7)。
这个模型最主要特点有：
(1)由两条互补的多核苷酸链以 右手螺旋 的形式，彼此以一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，很象一个 扭曲起来的梯子。
(2)两条多核苷酸链走向为反向平行 (antiparallel)。即一条链磷酸二脂键为 5’－ 3’
方向，而另一条为 3’－ 5’方向，二者刚好相反。
(3)每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过 氢键 (hydrogen bond)
与它互补的碱基相联系，相互层叠宛如一级一级的梯子横档。互补碱基对 A与 T之间形成两对氢键，而 C与 G
之间形成三对氢键 (图 3－ 8)。
上下碱基对之间的距离为
3.4nm。
(4)每个螺旋为 3.4nm长，刚好含有 10个碱基对，其直径约为 2nm。
(5)在双螺旋分子的表面大沟 (major groove)和小沟
(minor groove)交替出现。
由此可知,DNA的分子结构是由 A-T和 C-G两种核苷酸对从头到尾连接起来的，每个 DNA分子一般有上万个这两种核苷酸对，但是它们在分子链内排列的位置和方向只有以下四种形式,
对一特定物种的 DNA分子来说，其碱基顺序是一定的，
并且通常保持不变，这样才能 保持该物种遗传特性的稳定 。
只有在特殊的条件下，改变其碱基顺序或位置或以碱基类似物代替某一碱基时，才出现遗传的变异 (突变 )。
近来发现 DNA的构型并不是固定不变的，除主要以瓦特森和克里克提出的右手双螺旋构型存在外，
还有许多变型。
瓦特森和克里克提出的双螺旋构型称为 B－ DNA。
B－ DNA是 DNA在生理状态下的构型 。
当 DNA在高盐浓度下时，则以 A－ DNA形式存在 。 A
－ DNA是 DNA的脱水构型，它也是右手螺旋，但每螺圈含有 11个核苷酸对。 A－ DNA比较短和密。
现在还发现，某些 DNA序列可以以 左手螺旋的形式存在,称为 Z－ DNA。
(二 )DNA构型之变异三,RNA的分子结构就其化学组成上看，由四种核苷酸组成的多聚体。它与
DNA的不同，首先在于 以 U
代替了 T，其次是 用核糖代替了脱氧核糖 。
此外,绝大部分 RNA以单链形式存在,但可以折叠起来形成若干双链区域。在这些区域内，凡互补的碱基对间可以形成氢键 (图 3－ 10)。
但有一些以 RNA为遗传物质的动物病毒含有双链
RNA。
第三节 染色体的分子结构一、原核生物染色体
与真核生物相比,原核生物 的染色体要简单得多，其染色体通常 只有一个核酸分子 (DNA或 RNA),其遗传信息的含量也比真核生物少得多。
病毒 染色体 只含一个 DNA或者 RNA分子,可以是单链也可以是双链；大多呈环状，少数呈线性分子。
细菌 染色体 均为环状双链 DNA分子 。虽然病毒和细菌的染色体比真核生物小得多，但其伸展长度比其本身仍要大得多。
近年来研究发现，原核生物的染色体并不是象过去人们认为的那样是“露裸”的 DNA分子，其 DNA分子同样与蛋白质和 RNA等其它分子结合。
二、真核生物染色体
(一 )染色质的基本结构
染色质 (chromatin)是染色体在细胞分裂的间期所表现的形态，呈纤细的丝状结构，故亦 称为染色质线 (chromatin
fiber)。
DNA
组蛋白,H1,H2A,H2B,H3和 H4
染色质蛋白质非组蛋白少量核糖核酸 (RNA)
染色质的 基本结构单位是核小体 (nucleosome),连接丝 (linker)和一个分子的组蛋白 H1。每个核小体的核心是由 H2A,H2B,H3和
H4四种组蛋白各以两个分子组成的 八聚体,其形状近似于扁球状 (图 3－ 13)。
DNA双螺旋就盘绕在这八个组蛋白分子的表面。 连接丝把两个核小体串联起来，它是两个核小体之间的 DNA双链。组蛋白 H1结合于连接丝与核小体的接合部位，影响连接丝与核小体结合的长度。
根据染色反应，间期细胞核中的染色质可以分为两种：
异染色质 是染色质线中染色很深的区段，这称为异染色质区 (heterochromatin region)。
常染色质 是染色很浅的区段，这称为常染色质区 (euchro-
matin region)。
据分析，两者在化学性质上没有什么差别，核酸的紧缩程度及含量上的不同；二者在结构上是连续的。
在同一染色体上所表现的这种差别称为 异固缩 (heteroch-
romatin)现象。
图异染色质 常染色质
染色体的这种结构与功能密切相关,常染色质 可经转录表现为 活跃的遗传功能,而异染色质一般不编码蛋白质，只对维持染色体结构的完整性起作用。放射自显影的实验证明,异染色质的复制时间总是迟于常染色质。
异染色质又可分为 组成型异染色质 (constitutive heteroch-
romatin )和 兼性异染色质 (facutative heterochromatin)。
组成型异染色质主要是卫星 DNA，构成染色体的 特殊区域,
如着丝点部位等。只与染色体结构有关,一般无表达功能。
兼性异染色质可以存在于染色体的 任何部位 。它可以在某类细胞内表达，而在另一类细胞内完全不表达。
每条染色单体包括一条 染色线 (chromonema)，以及位于线上许多染色很深、颗粒状的 染色粒 (chromomere)。
现已证实每个染色体所含的染色质线是单线的,即一个染色体所包含的两条染色单体都分别是单线的,换言之，每条染色单体是一个 DNA分子与蛋白质结合形成的染色质线。
(二 )染色体的结构模型在细胞有丝分裂的中期，利用光学显微镜可以观察到：
染色体的结构是由两条染色单体 (chromatid)组成的。
细胞分裂过程中染色质线至少存在三个层次的卷缩 (图 3-14)：
第一个层次 是 DNA分子超螺旋化形成核小体,产生直径约为 10nm的间期染色质线，在此过程中组蛋白 H2A,H2B、
H3和 H4参与作用。
第二个层次 是核小体的长链进一步螺旋化形成直径约为 30nm的超微螺旋，称为 螺线管 (solenoid)，此过程中组蛋白
H1参与作用。
最后 是染色体螺旋管进一步卷缩,并附着于由非组蛋白形成的骨架 )或者称中心 (图 3－ 15)上面成为 一定形态的染色体。
在细胞分裂过程中，染色质是如何螺旋化形成染色体的呢？
Bak等人提出了 染色质螺旋化的四级结构模型（ 核小体、
螺线体、超螺线体、染色体 ） 解释了这个问题。
(三 )着丝粒和端体染色体另外二个重要的结构就是 着丝粒 (centromoere)和 端体 (telomere)。
1,着丝粒 是染色体的缩缢部位，是细胞分裂过程中纺锤丝
(spindle fiber)结合的区域。
着丝粒在细胞分裂过程中，对染色体向子细胞的正确分配起着关键的作用。 缺少着丝粒的染色体片段，由于没有纺锤丝的牵引，
在细胞分裂过程中经常容易丢失。
2,端体 (telomere)也就是染色体的末端，存在着特珠的结构。
主要有三方面的功能,
1、防止染色体末端为 DNA酶酶切；
2、防止染色体末端与其它 DNA分子的结合；
3、使染色体末端在 DNA复制过程中保持完整。
第四节 DNA的复制一,DNA复制的一般特点
(一 )半保留复制
半保留复制
(semiconservative
replication)----复制时 DNA双链解开并以每一单链为模板来形成另一对应的新链。 (图 3-16)。
DNA自身的复制方式 ------半保留复制
(二 )复制起点和复制方向
多数细菌及病毒,只有一个复制起点，控制整个染色体的复制。所以 整个染色体也就是一个复制子。
复制子 (replicon)。 是指在同一个复制起点控制下合成的一段 DNA序列。
在 真核生物 中，每条染色体的 DNA复制则是 多起点的,多个复制起点共同控制一条染色体的复制，即每条染色体有多个复制子 (图 3－ 17)。
真核 生物的研究发现，其复制也是 双向的 。但近来发现，并不是所有的生物 DNA的复制都是双向的，
如,噬菌体 T2,其 DNA的复制就是沿 一个方向 进行的。 5/ — 3/
大肠杆菌和其它许多 原核生物的环状 DNA复制是双向的。 即 DNA的复制从复制起点开始，向二个方向同时进行，最后相遇，完成复制。
复制方向？从起点开始是沿着一个方向进行的呢？还是双向的？
二、原核生物 DNA合成
(一 )有关 DNA合成的酶
1957年科恩伯格 (Kornberg,A.)及其同事，从大肠杆菌中分离 DNA聚合酶 Ⅰ (polymerase Ⅰ )。
聚合酶 Ⅰ 在有 DNA,4种脱氧核苷酸及 Mg++的情况下，在离体条件下可以 合成 DNA。
后来发现,DNA聚合酶 Ⅰ 只有在引物 DNA提供 3’端自由羟基的情况下，才使 DNA链从 5’向 3’方向延伸。
实际上在此实验体系中的 DNA起着 模板和引物 的双重作用。
DNA聚合酶 Ⅰ 由一条多肽链组成,含有 928个氨基酸，分子量约为 109,000道尔顿,编码此酶的基因为 pol A。
后来，从 pol A基因突变株中又分离出二种 DNA聚合酶，分别命名为 DNA聚合酶 Ⅱ I和 DNA聚合酶 Ⅲ 。
三种 DNA聚合酶有一些共同的特性，从而决定 DNA合成的特点：
1、三种酶都只有 5’－ 3’聚合酶的功能，而没有 3’－ 5’聚合酶功能，说明 DNA链的延伸只能从 5’向 3’端进行。
2、它们都没有直接起始合成 DNA的能力，只能在引物存在下进行链的延伸，因此,DNA的合成必须有引物引导才能进行。
3、三种酶还都有核酸外切酶的功能，可对合成过程中发生的错识进行 校正,从而保证 DNA复制的高度准确性 。
(二 )DNA复制的过程
DNA的合成是半保留复制（ 分别以两条链互为模板，而合成两条互补新链），复制是双向的,DNA的合成 必须有引物 的引导，并且复制时链的 延伸总是从 5’向 3’方向 进行。
DNA的合成过程：
1,DNA双螺旋的解链
ATP提供能量，
DNA双链由 解旋酶 解开后,单链 DNA结合蛋白（ SSB） 马上结合在分开的单链上，
从而保持其伸展状态。
在大肠杆菌中,DNA的合成速度每分钟约为
30,000bp，即 双螺旋每分钟必须旋转 3000
次才能完全解旋。
如果没有 SSB的作用,分开的双链 互补碱基对间 又可重新配对 。或者，在同一条链的互补碱基对间配对而 形成发夹状结构,这种结构会阻止 DNA聚合酶的作用。
随着解链的进行，在 DNA复制叉前面就会形成一种张力，
而导致超螺旋的产生。
DNA拓扑异构酶 将 DNA双链切开一个口子，使一条链旋转一圈，然后再将其共价相连，从而 消除其张力。
现在发现 主要有二类 DNA拓扑异构酶：
DNA拓扑异构酶 I，只对双链 DNA中的一条链进行切割，
产生切口 (nick)，每次切割只能去除一个超螺旋，此过程不需要外加能量。
DNA拓扑异构酶 II，可以对双链 DNA的二条链同时进行切割。
每次切割可以去除二个超螺旋，此过程需要 ATP提供能量。
2,DNA合成的开始由于三种 DNA聚合酶均 需要 DNA模板和 3’端的自由－ OH，才能进行 DNA的合成，使 DNA延伸。
人们很早就发现 RNA聚合酶 (RNA ploymerase)利用 DNA模板，
不需要特殊的引物可以直接合成 RNA。
DNA合成前，以 DNA为模板，根据碱基配对的原则，在一种特殊的 RNA聚合酶－ DNA引物酶 (DNA primase)的催化下，
先合成 一段长度为 5－ 60个核苷酸的 RNA引物，提供 3’端自由
－ OH。
然后，在 DNA聚合酶 III的作用下进行 DNA的合成。
3、一条 DNA链连续合成，一条链不连续
从电子显微镜和放射自显影的结果可知,DNA两条新链的合成是从一个 复制叉 (replicating fork)向着 同一个方向 延伸的。
而组成 DNA双螺旋的互补双链具有相反的方向，一条从 5’
－ 3’，而另地条 3’－ 5’，为 反向平行。
二条 DNA新链，只有一条 DNA链的合成是 连续的,而另一条则是 不连续的。
所以从整个 DNA分子水平来看,DNA二条新链的 合成方向是相反的，但是都是从 5’向 3’方向延伸。
把一直从 5’向 3’方向延伸的链称作 前导链 (leading
strand),它是连续合成的。
另一条先沿 5’－ 3’方向合成一些片段，然后再由连接酶将其连起来的链，称为 后随链 (lagging strand),其合成是不连续的 (图 3－ 19)。
在前导链上,DNA引物酶只在起始点 合成一次引物
RNA,DNA聚合酶 III就可开始进行 DNA的合成。
每个“冈崎片段”的合成都需要 先合成一段引物
RNA,然后 DNA聚合酶 III才能进行 DNA的合成。
随后,引物 RNA被切除,并为新合成的 DNA片段所替代。
在大肠杆菌中，引物 RNA
被 切除过程是在 DNA聚合酶
Ⅰ 的催化下 完成的。
后随链上合成的 DNA不连续单链小片段称为 冈崎片段后随链 DNA的合成：
因为 DNA聚合酶 I有 5’－ 3’
端核酸外切酶的功能，它可以将 RNA引物切除，
同时利用其 5’－ 3’聚合酶功能，以临近“冈崎片段”
的 3’端自由－ OH进行 DNA
的合成，从而将 RNA引物替换为 DNA链。
最后由 DNA连接酶
(DNA ligase)将“冈崎片段”连接起来，形成一条完整的新链 (图 3－ 20)。
最后，简要说明一下 RNA病毒中 RNA的自我复制。大多数 RNA病毒是单链的。
这种 RNA的复制一般是先以自己为模板合成一条互补的单链，通常称病毒原有的，起模板作用的链称为“＋”链，而新复制的 RNA链称为“－”链，这样就形成了 双螺旋的复制类型 (replicative
form)。
然后这个“－”链又从“＋”链模板释放出来，它也以自己为模板复制出一条与自己互补的“＋”链，于是形成了一条新生的病毒 RNA。
三、真核生物 DNA合成现在已有很多证据表明，真核生物 DNA的复制基本上与原核生物相同，但比原核生物更为复杂。
1,DNA合成只是发生在细胞周期的某个时期：
真核细胞 DNA的合成只是在细胞周期的 S期 进行。
而原核生物则 在整个细胞生长过程 中都可进行 DNA合成。
2、原核生物 DNA的复制是 单起点的,而真核生物染色体的复制则为 多起点的。
3、真核生物 DNA合成所需的 RNA引物 及后随链上合成的,冈崎片段”的长度比原核生物要短
4、有二种不同的 DNA聚合酶分别控制前导链和后随链的合成 (图 3－ 21)。
在原核生物中有 DNA聚合酶
I,II和 III等三种聚合酶，并由聚合酶 III同时控制二条链的合成。
主要不同点：
5、染色体端体的复制
原核生物的染色体大多数为 环状,而真核生染色体为 线状。
端体：染色体 其末端有特殊 DNA序列组成的结构称为 。
根据 DNA合成的过程，新链 5’末端 DNA是无法自动合成的，因为当末端的 RNA引物被切除后，就没有 3’端的自由羟基为 DNA的合成作引物。
在 DNA的末端存在特殊的结构，并在含有 RNA的端体酶
(telomerase)的催化下完成末端的合成。
主要不同点：
第五节 RNA的转录及加工遗传物质不管其化学性质如何，其必须具有 遗传、表达和变异等三种基本功能。
下面我们介绍其第二个重要的功能 —基因表达。
基因的表达,第一步 DNA转录 (transcription)为 RNA，然后由 RNA再翻译 (translation)成蛋白质。
转录,就是以 DNA双链之一的遗传密码为模板，把遗传密码以互补的方式转录到 mRNA上。
翻译,就是 mRNA携带着转录的遗传密码，附着在核糖体上，把 tRNA运来的各种氨基酸，按照 mRNA
的密码顺序，相互连接起来成为多肽链，并进一步折叠起来成为立体蛋白质分子。
先介绍 RNA的转录一、三种 RNA分子信使 RNA (messenger RNA,mRNA)
转移 RNA (transfer RNA,tRNA)
核糖体 RNA (ribosomal RNA,rRNA)
三种不同的 RNA分子在基因的表达过程中起重要的作用。
(一 )mRNA
mRNA的功能就是把 DNA上的遗传信息精确无误地转录下来，然后，由 mRNA的碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序,是基因表达过程中遗传信息传递的中介。
它 起着传递信息的作用,因而称为 信使 RNA (mRNA)。
在真核生物中，转录形成的 RNA中，含由大量非编码序列，大约只有 25％ RNA经加工成为 mRNA，最后翻译为蛋白质。
未经加工的前体 mRNA(pre-mRNA)在分子大小上差别很大，所以通常 称为 不均一核 RNA (heterogeneous
nuclear RNA,hnRNA)。
前面已经介绍，生物的 遗传信息主要贮存于 DNA的碱基序列中，但 DNA并不直接决定蛋白质的合成。而且在真核细胞中，
DNA主要存在于细胞核的染色体上,而 蛋白质的合成中心却位于细胞质的核糖体上 。因此，它需要一种中介物质，才能把 DNA上控制蛋白质合成的遗传信息传递给核糖体。
(二 )tRNA
如果说 mRNA是合成蛋白质的蓝图，则 核糖体是合成蛋白质的工厂。
由于合成蛋白质的原材料 —20种氨基酸与 mRNA的碱基之间缺乏特殊的亲和力。
因此，必须用一种特殊的 RNA—转移 RNA(tRNA)把氨基酸搬运到核糖体上,tRNA能根据 mRNA的遗传密码依次准确地将它携带的氨基酸连结成多肽链。
每种氨基酸可与 1－ 4种 tRNA相结合，现在已知的
tRNA的种类在 40种以上。
tRNA是最小的 RNA。 其分子量约为 27000(25000－ 30000)，
由 70到 90个核苷酸组成。
1969年以来，研究了来自各种不同生物，如：
酵母、大肠杆菌、小麦、
鼠等的十几种 tRNA的结构,证明它们的碱基序列都能折叠成 三叶草叶型 (图 3－ 22)。
tRNA的结构 的共性 (图 3－ 23)：
(1) 5’端之末具有 G(大部分 )或 C。
(2) 3’端之末都以 ACC
的顺序终结。
(3) 有一个富有鸟嘌呤的环。
(4)有一个反密码子环，
其的顶端有三个暴露的碱基，称为 反密码子。
这一个反密码子可以与
mRNA链上同自己互补的密码子配对。
(5) 有一个胸腺嘧啶环。
(三 )rRNA
核糖体 RNA,它是组成核糖体的主要成分，而核糖体则 是合成蛋白质的中心。
原核生物的核糖体所含的 rRNA，有 5S,16S及 23S等三种。
S为沉降系数 (sedimentation coefficient)，当用超速离心测定一个粒子的沉淀速度时，此速度与粒子的大小直接成比例。
真核生物的核糖体，含有 4种 rRNA和约 80种蛋白质。四种
rRNA为 5S,5.8S,18S和 28S。
rRNA是单链,它包含不等量的 A与 U,G与 C，但是有广泛的双链区域。在双链区，碱基因氢鍵相连，表现为 发夹式螺旋。
rRNA在蛋白质合成中的功能尚未完全明了 。但 16S的
rRNA3’端有一段核苷酸序列与 mRNA的前导序列是互补的，
这可能有助于 mRNA与核糖体的结合。
除了上述三种主要的 RNA外，还有 小核 RNA (small
nuclear RNA,snRNA)是真核生物转录后加工过程中 RNA
剪接体 (spliceosome)的主要成份。
另外，还有 端体酶 RNA (telomerase RNA)，它与染色体末端的复制有关；以及反义 RNA(antisense RNA)，它参与基因表达的调控。
上述各种 RNA分子均为转录的产物,mRNA最后翻译为蛋白质，而 rRNA,tRNA及 snRNA等并不翻译，其终产物即为 RNA。
二,RNA合成的一般特点
RNA的合成 与 DNA合成 有以下三方面明显不同：
(1)所用的原料为 核苷三磷酸,而在 DNA合成时则为脱氧核苷三磷酸；
(2)只有一条 DNA链被用作模板,而 DNA合成时，两条链分别用作模板；
(3)RNA链的合成 不需要引物,可以直接起始合成，而
DNA合成一定要引物的引导。
转录合成的 RNA链，除了 U替换为 T
以外，与用作模板的 DNA链互补，而与另一条非模板链相同。
如果转录的 RNA是 mRNA，其信息最后通过密码子决定蛋白质的合成。
现在通常将用作模板，进行 RNA转录的链称作 模板链 (template strand)；而另一条则为 非模板链 (nontemplate strand)。
RNA链的合成与 DNA链的合成同样,也是从 5’向 3’端进行的,此过程由 RNA聚合酶 (RNA polymerase)催化。
RNA聚合酶首先在启动子部位
(promoter)与 DNA结合，形成转录泡
(transcription bubble)，并开始转录。
在原核生物中只有一种 RNA聚合酶完成所有
RNA的转录，而在真核生物中，有三种不同的
RNA聚合酶控制不同类型 RNA的合成。
RNA的合成也同样遵循碱基配对的规则，只是 U代替了 T。
三、原核生物 RNA的合成通常把转录后形成一个 RNA分子的一段 DNA序列称为 一个转录单位 (transcript unit)。
一个转录单位可能刚好是一个基因，也可能含有多个基因。
RNA的转录可以分为三步 (图 3－ 24)：
(1)RNA链的起始；
(2)RNA链的延长；
(3)RNA链的终止及新链的释放。
在讨论有关 RNA转录时通常要用到上游 (upstream)和下游
(downstream)二个概念。因为 RNA的转录总是从 5’向 3’端进行，所以上游总是指 RNA分子的 5’端，而下游则指 3’端。
(一 ) RNA聚合酶
催化转录的 RNA聚合酶是一种由 多个蛋白亚基 组成的复合酶。
如大肠杆菌的 RNA聚合酶有五个亚基组成，其分子量为
480,000道尔顿，含有 α,β,β’和 δ等四种不同的多肽，其中
α为二个分子。
α亚基与 RNA聚合酶的四聚体核心 (α2ββ’)的形成有关 ;
β亚基含有核苷三磷酸的结合位点；
β’亚基含有与 DNA模板的结合位点；
δ因子的作用就是识别转录的起始位置，并使 RNA聚合酶结合在启动子部位。
(二 ) 链的起始
RNA链转录的起始首先是 RNA聚合酶在 δ因子的作用下结合于 DNA的启动子部位 ;
并在 RNA聚合酶的作用下，使
DNA双链解开，形成转录泡，为
RNA合成提供单链模板，并按照碱基配对的原则，结合核苷酸 ;
然后，在核苷酸之间形成磷酸二脂键，使其相连，形成 RNA新链。
δ因子在 RNA链伸长到 8－ 9个核酸后，就被释放，然后由核心酶催化 RNA的延伸。
启动子位于 RNA转录起始点的上游,δ因子对启动子的识别是转录起始的第一步。
(三 ) 链的延伸
RNA链的延伸是在 δ因子释放以后，在 RNA聚合酶四聚体核心酶的催化下进行。
因 RNA聚合酶同时具有解开 DNA双链，并使其重新闭合的功能。
随着 RNA的延伸，
RNA聚合酶使 DNA
双链不断解开和重新闭合。
RNA转录泡也不断前移，合成新的 RNA链
(图 3－ 26)。
(四 ) 链的终止当 RNA链延伸遇到终止信号 (termination signal)时,RNA
转录复合体就发生解体，而使新合成的 RNA链释放出来。
现在发现在大肠杆菌中有二类终止信号：
一类只有在存在蛋白质 ρ的情况下，转录才会终止，称为依赖于 ρ的终止 (ρ–dependent terminator)。
第二类使转录终止不需要 ρ的参与，所以称为不依赖于 ρ
的终止 (ρ-independent terminator)。
实际上在原核生物中,RNA的转录、蛋白质的合成以及
mRNA的降解通常可以是同时进行的。
因为在原核生物中不存在核膜分隔的核，另外,RNA的转录和多肽链的合成都是从 5’向 3’方向进行，只要 mRNA的 5’端合成后，即可以进行蛋白质的翻译过程。
在原核生物中 mRNA的寿命一般只有几分种。因此，往往在
3’端 mRNA的转录还没有最后结束,5’端 mRNA在完成多肽链的合成后，已经开始降解。
四、真核生物 RNA的转录及加工
(一 )真核生物 RNA转录的特点 真核生物与原核生物 RNA的转录过程主要有以下几点不同 (图 3－ 27)：
1、真核生物 RNA的转录是在细胞核内进行 而蛋白质的合成则是在细胞质内，所以,RNA转录后首先必须从核内运输到细胞质内，才能进行蛋白质的合成。
2、真核生物 mRNA分子一般只编码一个基因 原核生物的一个 mRNA分子通常含有多个基因，而少数较低等真核生物外，在真核生物中，一个 mRNA分子一般只编码一个基因。
3、真核生物 RNA聚合酶较多 在原核生物中只有一种 RNA聚合酶催化所有 RNA的合成，而在真核生物中则有 RNA聚合酶 I、
II,III等三种不同酶，分别催化不同种类型 RNA的合成。
4,真核生物 RNA聚合酶不能独立转录 RNA 在真核生物中，三种 RNA聚合酶都必须在蛋白质转录因子的协助下才能进行 RNA的转录。
（一）原核生物与真核生物 RNA 转录的区别
1,真核生物 RNA 的转录是在细胞核内，翻译在细胞质中进行；
原核生物 则在核区同时进行转录翻译；
2,真核生物 一个 mRNA 只编码一个基因；
原核生物 一个 mRNA 编码多个基因；
3,真核生物 有 RNA 聚合酶 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ 等三种不同的酶；
原核生物 则只有一种 RNA 聚合酶；
4,真核生物 中转录的起始更复杂,RNA 的合成需要转录因子的 协助进行转录； 原核生物 则较为简单；
5,真核生物 的 mRNA 转录后进行加工，然后运送到细胞质中进 行翻译； 原核生物 无需进行加工，边转录边翻译。
(二 ) mRNA的加工
1、在 mRNA前体的 5’端加上 7－甲基鸟嘌呤核苷的帽子 (cap)。
2、在 mRNA前体的 3’
端加上聚腺苷酸 (poly
(A))的尾巴。
3、如果基因中存在不编码的内含子序列，
要进行剪接，将其切除。
