第4章生化(劉建華)

BiochemistrySixthEditionChapter4:DNA,RNA,andtheFlowofGeneticInformationCopyright?2007byW.H.FreemanandCompany

Berg?Tymoczko?Stryer這個(gè)母親和她的兩個(gè)女兒基因相同，所以她們長(zhǎng)得很相像?；虮仨毐磉_(dá)后才能執(zhí)行其功能。蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。鋅指紋蛋白是一個(gè)調(diào)節(jié)基因表達(dá)的蛋白質(zhì)。該蛋白質(zhì)（用綠色球表示鋅；用紅色表示蛋白質(zhì)）能夠與相應(yīng)的DNA區(qū)域(黑色）結(jié)合。這段DNA區(qū)域就是基因表達(dá)的調(diào)控區(qū)域[(left)BarnabyHall/Photonica.(right)Drawnfrom1AAY.pdb]。圖4.1核酸的聚合物結(jié)構(gòu)。圖4.2核糖和脫氧核糖。糖單位的院子用阿拉伯?dāng)?shù)字加“’”表示，以區(qū)別于堿基原子的序號(hào)（圖4.4）。圖4.3DNA和RNA的骨架。核酸骨架用3’-到5’-的磷酸二酯鍵連接。其中一個(gè)糖單位用紅色強(qiáng)調(diào)，一個(gè)磷酸基用藍(lán)色強(qiáng)調(diào)。圖4.4嘌呤和嘧啶。堿基原子的編號(hào)不加“’”。RNA分子用尿嘧啶替代DNA的胸腺嘧啶。圖4.5核苷的糖苷鍵是b-型。圖4.6腺嘌呤核苷5’-三磷酸（ATP）和脫氧鳥嘌呤核苷3’-磷酸（3’-dGMP）?？s寫pApCpG或pACG表示一個(gè)三核苷酸DNA，是用磷酸二脂鍵連接的脫氧腺苷單磷酸、脫氧胞苷單磷酸、和脫氧鳥苷單磷酸。p表示一個(gè)磷酸基團(tuán)（圖4.7）。5'-端有一個(gè)磷酸基團(tuán)與核糖5'-OH結(jié)合。注意，核酸與多肽鏈一樣有極性。因此，ACG和GCA是兩種不同的化合物。大腸桿菌基因組只有一個(gè)DNA雙鏈，每條鏈的長(zhǎng)度是460萬(wàn)核苷酸（圖4.8）。已知DNA最長(zhǎng)的生物是印度muntjak（亞洲鹿），其基因組長(zhǎng)度與人基因組長(zhǎng)度相當(dāng)，但只有3種染色體，其中最長(zhǎng)的染色體長(zhǎng)度含有10億多個(gè)核苷酸。如果將這種DNA分子完全伸展，其長(zhǎng)度將超過(guò)1英尺。有些植物染色體含有更長(zhǎng)的DNA分子。在確定DNA三維結(jié)構(gòu)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)堿基特異性配對(duì)。MauriceWilkins和RosalindFranklin獲得了DNA纖維的x-光衍射圖譜（圖4.10）。該衍射圖譜說(shuō)明DNA是兩條鏈纏繞形成規(guī)則的螺旋結(jié)構(gòu)。從這些數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)，JamesWatson和FrancisCrick推測(cè)DNA具有雙螺旋結(jié)構(gòu)，這種雙螺旋結(jié)構(gòu)與核酸的功能相吻合。JamesWatson和FrancisCrick從x-光衍射圖譜推測(cè)的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)具有下列特征：1.兩條核酸鏈方向相反，圍繞同一軸纏繞形成螺旋結(jié)構(gòu)。2.糖-磷酸骨架在雙螺旋外側(cè)，堿基處于雙螺旋內(nèi)部。3.堿基幾乎與雙螺旋軸垂直，相鄰堿基間的距離是3.4A。這種間距在x-光衍射圖譜（圖4.10）中可以看出。一個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)重復(fù)是34A，10個(gè)堿基。因此每個(gè)堿基旋轉(zhuǎn)36o。4.螺旋的直徑是20A。圖4.11Watson-Crick的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。一條多核苷酸連用藍(lán)色表示，另一條多核苷酸連用紅色表示。嘌呤和嘧啶堿基用較淺的顏色表示，糖磷酸骨架的顏色較深。（A）軸向觀測(cè)圖。沿螺旋軸（垂直方向）每隔34A（即一條鏈的10個(gè)核苷酸）就出現(xiàn)一次重復(fù)。（B）星形觀測(cè)圖，沿螺旋的縱軸朝里面觀察。鳥嘌呤與胞嘧啶配對(duì)和腺嘌呤與胸腺嘧啶配對(duì)的形狀幾乎相同（圖4.12）。堿基配對(duì)能夠解釋ErwinChargaff在1950年觀察的現(xiàn)象，即所有DNA分子中腺嘌呤與胸腺嘧啶的比例和鳥嘌呤與胞嘧啶的比例幾乎相同，而腺嘌呤與鳥嘌呤的比值在不同物種中差異很大（表4.1）。在雙螺旋內(nèi)部，一層堿基對(duì)堆積在另一層堿基對(duì)上。堿基堆積作用包括（1）疏水效應(yīng)穩(wěn)定了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。疏水堿基聚集于雙螺旋內(nèi)部（避開DNA的水環(huán)境），而雙螺旋表面更親水。（2）疏水效應(yīng)使堿基堆積于另一個(gè)堿基之上，一對(duì)堿基的范德華力達(dá)2~4kJ/mol（0.5~1kcal/mol），跟多堿基堆積產(chǎn)生的總和非常顯著。此外DNA分子骨架的剛性五元環(huán)糖基結(jié)構(gòu)也有利于堿基堆積。半保留復(fù)制圖4.14密度梯度離心分離15NDNA和14NDNA。（A）離心管的紫外吸收?qǐng)D譜顯示兩條不同的DNA條帶。（B）兩條帶的紫外吸收峰。1958年MathewMeselson和FranklinStahl的試驗(yàn)驗(yàn)證了這個(gè)假說(shuō)。圖4.15用密度梯度離心檢測(cè)E.coliDNA的半保留復(fù)制。DNA條帶的位置取決于DNA分子的15N和14N含量。復(fù)制一代，所有DNA是一半為15N，另一半是14N的雜合鏈。實(shí)驗(yàn)解釋。圖4.16半保留復(fù)制模型。親本DNA用藍(lán)色表示，新合成DNA用紅色表示。核酸堆積堿基所吸收的紫外光比非堆積堿基所吸收的紫外光弱，這種效應(yīng)叫減色效應(yīng)（hypochromism)。因此，核酸熔化的檢測(cè)就很簡(jiǎn)單，只是測(cè)定紫外吸收值。核酸的最大吸收峰在260nm波長(zhǎng)處（圖4.17）。核酸堆積堿基所吸收的紫外光比非堆積堿基所吸收的紫外光弱，這種效應(yīng)叫減色效應(yīng)（hypochromism)。因此，核酸熔化的檢測(cè)就很簡(jiǎn)單，只是測(cè)定紫外吸收值。核酸的最大吸收峰在260nm波長(zhǎng)處（圖4.17）。DNA熔點(diǎn)（Tm）指一半的雙螺旋結(jié)構(gòu)遭到破壞的溫度。Tm值與DNA純度無(wú)關(guān)。圖4.18線粒體環(huán)狀DNA的電鏡圖譜。（A）松弛的環(huán)狀DNA。(B)超螺旋環(huán)狀DNA。封閉的DNA分子就是環(huán)狀DNA。雙螺旋DNA的軸進(jìn)一步扭曲纏繞形成超螺旋（圖4.18B）。超螺旋具有重要的生物學(xué)意義，原因是（1）超螺旋使DNA分子壓縮更緊密；和（2）超螺旋可能阻礙或促進(jìn)雙螺旋的解旋，從而影響DNA與其它分子之間相互作用。圖4.19莖環(huán)結(jié)構(gòu)。單鏈DNA或單鏈RNA能夠形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)。圖4.20一個(gè)RNA分子所形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。RNA鏈可以折回與自身鏈的另一區(qū)域形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)。（A）莖環(huán)結(jié)構(gòu)含有標(biāo)準(zhǔn)的Watson-Crick堿基對(duì)，也有非標(biāo)準(zhǔn)的堿基配對(duì)。（B）RNA分子的三維結(jié)構(gòu)和三個(gè)核苷酸之間的遠(yuǎn)程相互作用。左邊圖中，胞苷酸用藍(lán)色表示、腺苷酸用紅色表示、鳥苷酸用黑色表示、鳥苷酸用綠色表示。右邊圖中，標(biāo)準(zhǔn)Watson-Crick堿基對(duì)的氫鍵用黑色虛線表示，其它氫鍵用綠色虛線表示。

圖4.21DNA聚合酶催化的聚合反應(yīng)。

DNA合成具有下列特征：需要四種前體(即脫氧核苷5'-三磷酸dATP,dGTP,dCTP,和TTP)和Mg2+離子。需要模板。新進(jìn)入的核苷酸與模板鏈相應(yīng)位點(diǎn)的堿基完全互補(bǔ)，DNA聚合酶才能催化此反應(yīng)形成磷酸二酯鍵。因此DNA聚合酶催化反應(yīng)模板指導(dǎo)的、合成與模板互補(bǔ)的DNA鏈。需要引物啟動(dòng)DNA合成。引物鏈序列與模板鏈互補(bǔ)，并且有游離的3'-OH。DNA聚合酶催化的鏈延伸反應(yīng)是生長(zhǎng)鏈3'-OH親核攻擊脫氧核苷三磷酸最內(nèi)部的磷原子（圖4.22），形成磷酸二酯鍵，釋放焦磷酸。隨后焦磷酸酶水解焦磷酸、形成兩個(gè)磷酸根。DNA鏈延伸的方向從5'-到3'-。很多DNA聚合酶能夠刪除DNA鏈誤配核苷酸，從而糾正錯(cuò)誤。這些DNA聚合酶的核酸酶活性能夠切除堿基錯(cuò)誤的核苷酸。核酸酶活性顯著提高了DNA合成的忠實(shí)度，使每個(gè)堿基的錯(cuò)誤率低于10-8。圖4.22鏈延伸反應(yīng)。DNA聚合酶催化磷酸二酯鍵的形成。有些病毒的基因是RNA有些病毒的基因也是DNA。有些病毒的基因是RNA。病毒是用蛋白質(zhì)包裹遺傳物質(zhì)的顆粒，獨(dú)立狀態(tài)下病毒不能繁殖，但是能夠在細(xì)胞內(nèi)繁殖、并從一個(gè)細(xì)胞轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)胞。煙草花葉病毒能夠感染煙草葉子。病毒顆粒有一個(gè)單鏈RNA分子(有6390核苷酸），和包裹該核酸分子的蛋白質(zhì)衣殼。衣殼由2130個(gè)完全相同的亞基構(gòu)成。一種RNA聚合酶在RNA模板指導(dǎo)下合成RNA分子（負(fù)責(zé)病毒RNA的復(fù)制），這種酶稱為RNA-指導(dǎo)的RNA聚合酶。另一類重要的RNA病毒是反轉(zhuǎn)錄病毒。圖4.23反轉(zhuǎn)錄病毒遺傳信息流動(dòng)（從RNA到DNA）。反轉(zhuǎn)錄酶是感染病毒顆粒攜帶的DNA聚合酶，能夠?qū)⒎床《綬NA基因組轉(zhuǎn)變成DNA。反轉(zhuǎn)錄沒(méi)具有下列活性：催化合成與RNA鏈互補(bǔ)的DNA鏈；降解RNA/DNA雜合鏈的RNA鏈；隨后合成另一條與RNA序列相同的DNA鏈。

DNA序列信息轉(zhuǎn)化成RNA和蛋白質(zhì)的過(guò)程叫基因表達(dá)mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板。大腸桿菌的一個(gè)基因或一組基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生一種mRNA分子。真核生物一個(gè)基因就能產(chǎn)生一種mRNA。細(xì)胞內(nèi)mRNAs差異很大。在原核生物，mRNA分子的平均長(zhǎng)度是1.2kb左右。真核生物mRNA有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)（包括莖環(huán)結(jié)構(gòu)），這些結(jié)構(gòu)能調(diào)節(jié)mRNA的翻譯效率和mRNA的壽命。

tRNA是多肽合成的氨基酸載體。tRNA的長(zhǎng)度約為75核苷酸（相當(dāng)于25kd)。

rRNA是核糖體的主要組分。原核生物有三類rRNA，原核rRNA分別為23S，16S，和5SRNA。每個(gè)核糖體含有一個(gè)23S，一個(gè)16S，和一個(gè)5SRNA。RNA分子是蛋白質(zhì)合成的真正催化劑。圖4.24RNA聚合酶。RNA聚合酶有很多亞基，包括b-亞基（紅色）和b'-亞基（黃色）。這些亞基之間形成一個(gè)“鉗子”結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)錄DNA夾住?；钚晕稽c(diǎn)還有一個(gè)Mg2+（綠色），彎曲管道表示多肽鏈骨架。RNA聚合酶需要下列組分：模板。優(yōu)先選擇的模板是DNA雙鏈。單鏈DNA分子也能充當(dāng)RNA合成的模板。但是RNA分子(無(wú)論單鏈還是雙鏈）都不能充當(dāng)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄的RNA聚合酶酶促反應(yīng)的模板，RNA-DNA雜合鏈也不能充當(dāng)RNA聚合酶促反應(yīng)的模板?；罨绑w，即四種核苷5‘-三磷酸。二價(jià)金屬離子，如Mg2+或Mn

2+。RNA合成和DNA合成有幾個(gè)共同點(diǎn)（圖4.25）。（1）合成方向也是從5'-3'。（2）延伸機(jī)制類似，即生長(zhǎng)鏈的3'-OH親和進(jìn)攻參與的核苷三磷酸最內(nèi)部的磷原子。（3）合成的驅(qū)動(dòng)力是焦磷酸水解。與DNA聚合酶不同的是，RNA聚合酶促反應(yīng)不需要引物。此外RNA聚合酶沒(méi)有核酸酶活性，缺乏校正功能。RNA接受DNA序列指導(dǎo)的證據(jù)序列測(cè)定圖4.27原核生物（A）和真核生物（B）的轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子。圖中標(biāo)出了啟動(dòng)子的公共序列。轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的核苷酸是+1位，與+1位相鄰的5’-核苷酸叫-1位。所顯示的序列是編碼鏈的核苷酸序列。圖4.28EcolimRNA3’-末端的核苷酸序列。該區(qū)域有一個(gè)穩(wěn)定的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，發(fā)夾結(jié)構(gòu)后面是一串尿苷酸。另一種終止機(jī)制需要r因子協(xié)助。圖4.29真核mRNA的修飾。真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物需要修飾。5’-末端添加帽子核苷酸，3’-末端添加poly(A)。圖4.30氨基酸與tRNA分子連接。氨基酸（藍(lán)色）與tRNA分子末端腺苷酸的3’-OH連接形成酯。圖4.31氨酰-tRNA分子的通用結(jié)構(gòu)。氨基酸與RNA分子3’-末端結(jié)合。反密碼子是模板識(shí)別位點(diǎn)。tRNA分子三葉草結(jié)構(gòu)中堿基之間有很多氫鍵（綠色點(diǎn)）。氨酰-tRNA合成酶催化將氨基酸與相應(yīng)的tRNA分子連接，反應(yīng)需要ATP水解提供能量。一種氨基酸至少有一種氨酰-tRNA合成酶。tRNA分子識(shí)別模板的位點(diǎn)就是三堿基構(gòu)成的反密碼子。三個(gè)核苷酸編碼一個(gè)氨基酸。密碼子不重疊。如果一個(gè)序列是ABCDEF，在重疊的情況下ABC編碼第一個(gè)氨基酸，BCD編碼下一個(gè)氨基酸，CDE編碼第三個(gè)氨基酸，如此下去。在不重疊的情況下，ABC編碼第一個(gè)氨基酸，DEF編碼第二個(gè)氨基酸，如此下去。遺傳學(xué)試驗(yàn)證實(shí)密碼子不重疊。密碼子沒(méi)有逗號(hào)。從固定的起點(diǎn)開始，一個(gè)接一個(gè)地讀下去，沒(méi)有逗號(hào)（不會(huì)停頓）。遺傳密碼有簡(jiǎn)并性。很多氨基酸有多個(gè)遺傳密碼。三聯(lián)堿基有64種組合。3種三聯(lián)堿基是終止密碼子，其余61種組合編碼20種氨基酸。因此多數(shù)氨基酸有一個(gè)以上的密碼。編碼同一氨基酸的不同三聯(lián)堿基稱為同義密碼（synonyms）。多數(shù)同義密碼子處于同一方格中（除非某個(gè)氨基酸有4個(gè)以上的同義密碼）。同義密碼通常前兩位的核苷酸相同，只是