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

Berg?Tymoczko?Stryer這個母親和她的兩個女兒基因相同，所以她們長得很相像。基因必須表達后才能執行其功能。蛋白質調節基因的表達。鋅指紋蛋白是一個調節基因表達的蛋白質。該蛋白質（用綠色球表示鋅；用紅色表示蛋白質）能夠與相應的DNA區域(黑色）結合。這段DNA區域就是基因表達的調控區域[(left)BarnabyHall/Photonica.(right)Drawnfrom1AAY.pdb]。圖4.1核酸的聚合物結構。圖4.2核糖和脫氧核糖。糖單位的院子用阿拉伯數字加“’”表示，以區別于堿基原子的序號（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。其中一個糖單位用紅色強調，一個磷酸基用藍色強調。圖4.4嘌呤和嘧啶。堿基原子的編號不加“’”。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）。縮寫pApCpG或pACG表示一個三核苷酸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表示一個磷酸基團（圖4.7）。5'-端有一個磷酸基團與核糖5'-OH結合。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DNA雙鏈，每條鏈的長度是460萬核苷酸（圖4.8）。已知DNA最長的生物是印度muntjak（亞洲鹿），其基因組長度與人基因組長度相當，但只有3種染色體，其中最長的染色體長度含有10億多個核苷酸。如果將這種DNA分子完全伸展，其長度將超過1英尺。有些植物染色體含有更長的DNA分子。在確定DNA三維結構的過程中發現堿基特異性配對。MauriceWilkins和RosalindFranklin獲得了DNA纖維的x-光衍射圖譜（圖4.10）。該衍射圖譜說明DNA是兩條鏈纏繞形成規則的螺旋結構。從這些數據及其他數據，JamesWatson和FrancisCrick推測DNA具有雙螺旋結構，這種雙螺旋結構與核酸的功能相吻合。JamesWatson和FrancisCrick從x-光衍射圖譜推測的DNA雙螺旋結構具有下列特征：1.兩條核酸鏈方向相反，圍繞同一軸纏繞形成螺旋結構。2.糖-磷酸骨架在雙螺旋外側，堿基處于雙螺旋內部。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。一個螺旋結構重復是34A，10個堿基。因此每個堿基旋轉36o。4.螺旋的直徑是20A。圖4.11Watson-Crick的DNA雙螺旋結構模型。一條多核苷酸連用藍色表示，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）軸向觀測圖。沿螺旋軸（垂直方向）每隔34A（即一條鏈的10個核苷酸）就出現一次重復。（B）星形觀測圖，沿螺旋的縱軸朝里面觀察。鳥嘌呤與胞嘧啶配對和腺嘌呤與胸腺嘧啶配對的形狀幾乎相同（圖4.12）。堿基配對能夠解釋ErwinChargaff在1950年觀察的現象，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）。在雙螺旋內部，一層堿基對堆積在另一層堿基對上。堿基堆積作用包括（1）疏水效應穩定了DNA雙螺旋結構。疏水堿基聚集于雙螺旋內部（避開DNA的水環境），而雙螺旋表面更親水。（2）疏水效應使堿基堆積于另一個堿基之上，一對堿基的范德華力達2~4kJ/mol（0.5~1kcal/mol），跟多堿基堆積產生的總和非常顯著。此外DNA分子骨架的剛性五元環糖基結構也有利于堿基堆積。半保留復制圖4.14密度梯度離心分離15NDNA和14NDNA。（A）離心管的紫外吸收圖譜顯示兩條不同的DNA條帶。（B）兩條帶的紫外吸收峰。1958年MathewMeselson和FranklinStahl的試驗驗證了這個假說。圖4.15用密度梯度離心檢測E.coliDNA的半保留復制。DNA條帶的位置取決于DNA分子的15N和14N含量。復制一代，所有DNA是一半為15N，另一半是14N的雜合鏈。實驗解釋。圖4.16半保留復制模型。親本DNA用藍色表示，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，這種效應叫減色效應（hypochromism)。因此，核酸熔化的檢測就很簡單，只是測定紫外吸收值。核酸的最大吸收峰在260nm波長處（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，這種效應叫減色效應（hypochromism)。因此，核酸熔化的檢測就很簡單，只是測定紫外吸收值。核酸的最大吸收峰在260nm波長處（圖4.17）。DNA熔點（Tm）指一半的雙螺旋結構遭到破壞的溫度。Tm值與DNA純度無關。圖4.18線粒體環狀DNA的電鏡圖譜。（A）松弛的環狀DNA。(B)超螺旋環狀DNA。封閉的DNA分子就是環狀DNA。雙螺旋DNA的軸進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莖環結構。單鏈DNA或單鏈RNA能夠形成莖環結構。圖4.20一個RNA分子所形成的復雜結構。RNA鏈可以折回與自身鏈的另一區域形成復雜結構。（A）莖環結構含有標準的Watson-Crick堿基對，也有非標準的堿基配對。（B）RNA分子的三維結構和三個核苷酸之間的遠程相互作用。左邊圖中，胞苷酸用藍色表示、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，標準Watson-Crick堿基對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。

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。新進入的核苷酸與模板鏈相應位點的堿基完全互補，DNA聚合酶才能催化此反應形成磷酸二酯鍵。因此DNA聚合酶催化反應模板指導的、合成與模板互補的DNA鏈。需要引物啟動DNA合成。引物鏈序列與模板鏈互補，并且有游離的3'-OH。DNA聚合酶催化的鏈延伸反應是生長鏈3'-OH親核攻擊脫氧核苷三磷酸最內部的磷原子（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，從而糾正錯誤。這些DNA聚合酶的核酸酶活性能夠切除堿基錯誤的核苷酸。核酸酶活性顯著提高了DNA合成的忠實度，使每個堿基的錯誤率低于10-8。圖4.22鏈延伸反應。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。病毒是用蛋白質包裹遺傳物質的顆粒，獨立狀態下病毒不能繁殖，但是能夠在細胞內繁殖、并從一個細胞轉移到另一個細胞。煙草花葉病毒能夠感染煙草葉子。病毒顆粒有一個單鏈RNA分子(有6390核苷酸），和包裹該核酸分子的蛋白質衣殼。衣殼由2130個完全相同的亞基構成。一種RNA聚合酶在RNA模板指導下合成RNA分子（負責病毒RNA的復制），這種酶稱為RNA-指導的RNA聚合酶。另一類重要的RNA病毒是反轉錄病毒。圖4.23反轉錄病毒遺傳信息流動（從RNA到DNA）。反轉錄酶是感染病毒顆粒攜帶的DNA聚合酶，能夠將反病毒RNA基因組轉變成DNA。反轉錄沒具有下列活性：催化合成與RNA鏈互補的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序列信息轉化成RNA和蛋白質的過程叫基因表達mRNA是蛋白質合成的模板。大腸桿菌的一個基因或一組基因轉錄產生一種mRNA分子。真核生物一個基因就能產生一種mRNA。細胞內mRNAs差異很大。在原核生物，mRNA分子的平均長度是1.2kb左右。真核生物mRNA有相應的結構（包括莖環結構），這些結構能調節mRNA的翻譯效率和mRNA的壽命。

tRNA是多肽合成的氨基酸載體。tRNA的長度約為75核苷酸（相當于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。每個核糖體含有一個23S，一個16S，和一個5SRNA。RNA分子是蛋白質合成的真正催化劑。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“鉗子”結構將轉錄DNA夾住。活性位點還有一個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。優先選擇的模板是DNA雙鏈。單鏈DNA分子也能充當RNA合成的模板。但是RNA分子(無論單鏈還是雙鏈）都不能充當負責轉錄的RNA聚合酶酶促反應的模板，RNA-DNA雜合鏈也不能充當RNA聚合酶促反應的模板。活化前體，即四種核苷5‘-三磷酸。二價金屬離子，如Mg2+或Mn

2+。RNA合成和DNA合成有幾個共同點（圖4.25）。（1）合成方向也是從5'-3'。（2）延伸機制類似，即生長鏈的3'-OH親和進攻參與的核苷三磷酸最內部的磷原子。（3）合成的驅動力是焦磷酸水解。與DNA聚合酶不同的是，RNA聚合酶促反應不需要引物。此外RNA聚合酶沒有核酸酶活性，缺乏校正功能。RNA接受DNA序列指導的證據序列測定圖4.27原核生物（A）和真核生物（B）的轉錄啟動子。圖中標出了啟動子的公共序列。轉錄起始位點的核苷酸是+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。該區域有一個穩定的發夾結構，發夾結構后面是一串尿苷酸。另一種終止機制需要r因子協助。圖4.29真核mRNA的修飾。真核生物mRNA轉錄產物需要修飾。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分子的通用結構。氨基酸與RNA分子3’-末端結合。反密碼子是模板識別位點。tRNA分子三葉草結構中堿基之間有很多氫鍵（綠色點）。氨酰-tRNA合成酶催化將氨基酸與相應的tRNA分子連接，反應需要ATP水解提供能量。一種氨基酸至少有一種氨酰-tRNA合成酶。tRNA分子識別模板的位點就是三堿基構成的反密碼子。三個核苷酸編碼一個氨基酸。密碼子不重疊。如果一個序列是ABCDEF，在重疊的情況下ABC編碼第一個氨基酸，BCD編碼下一個氨基酸，CDE編碼第三個氨基酸，如此下去。在不重疊的情況下，ABC編碼第一個氨基酸，DEF編碼第二個氨基酸，如此下去。遺傳學試驗證實密碼子不重疊。密碼子沒有逗號。從固定的起點開始，一個接一個地讀下去，沒有逗號（不會停頓）。遺傳密碼有簡并性。很多氨基酸有多個遺傳密碼。三聯堿基有64種組合。3種三聯堿基是終止密碼子，其余61種組合編碼20種氨基酸。因此多數氨基酸有一個以上的密碼。編碼同一氨基酸的不同三聯堿基稱為同義密碼（synonyms）。多數同義密碼子處于同一方格中（除非某個氨基酸有4個以上的同義密碼）。同義密碼通常前兩位的核苷酸相同，只是