疯狂小丸子广告:遗传信息传递的中心法则

现代生物学已充分证明，DNA是遗传的主要物质基础。生物机体的遗传信息以密码的形式编码在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序，通过DNA的复制（replication）由亲代传递给子代。在后代的生长发育过程中，遗传信息自DNA转录（transcription）给RNA，然后翻译（translation）成特异的蛋白质，以执行各种生命功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状。所谓“复制”，就是指以DNA分子为摸板合成相同分子的过程。所谓“转录”是指在DNA分子上合成出与其核苷酸顺序相对应的RNA分子的过程。“翻译”则是在RNA的控制下，根据核苷酸上每三个核苷酸决定一个氨基酸的三联体密码（tripletcode）规则，合成具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程。在某些情况下RNA也可以是遗传信息的基本携带者，例如，RNA病毒能以自身核酸分子为摸板进行复制产生RNA，致癌RNA病毒还能通过逆转录的方式将遗传信息传递给DNA。1958年，DNA双螺旋的发现人之一F.Crick把上述遗传信息的传递归纳为中心法则(the central dogma)。  

中心法则代表了大多数生物遗传信息贮存和表达的规律，并奠定了在分子水平上研究遗传、繁殖、进化、代谢类型、生长发育、生命起源、健康或疾病等生命科学上的关键问题的理论基础。逆转录是1970年H.Temin发现逆转录现象后，对中心法则的扩充。　

以DNA为主导的中心法则是个单向的信息流，体现了遗传的保守性；扩充了的中心法则，使RNA也可处于中心地位。蛋白质作为基因表达产物，又作用于复制、转录、翻译的各个过程。可见，单向信息流不能全面反映生命活动的本质。RNA性质上比DNA不稳定而有更大的可塑性。最近对某些RNA分子有酶活性的研究，使人们认识到它不单只是沟通核酸与蛋白质的桥梁，而可能是功能比DNA更广泛的信息分子。有人提出，RNA可能是生物进化过程或生命起源过程中最早出现的生物大分子。可见，中心法则还会继续得到补充、扩充、甚至修正，F.Crick认为有可能存在由DNA指导蛋白质合成的途径。

中心法则(genetic central dogma)

　　是指遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译的过程。也可以从DNA传递给DNA，即完成DNA的复制过程。这是所有有细胞结构的生物所遵循的法则。在某些病毒中的RNA自我复制（如烟草花叶病毒等）和在某些病毒中能以RNA为模板逆转录成DNA的过程（某些致癌病毒）是对中心法则的补充。RNA的自我复制和逆转录过程，在病毒单独存在时是不能进行的，只有寄生到寄主细胞中后才发生。逆转录酶在基因工程中是一种很重要的酶，它能以已知的mRNA为模板合成目的基因。在基因工程中是获得目的基因的重要手段。
　　遗传物质可以是DNA，也可以是RNA。细胞的遗传物质都是DNA，只有一些病毒的遗传物质是RNA。这种以RNA为遗传物质的病毒称为反转录病毒(retrovirus)，在这种病毒的感染周期中，单链的RNA分子在反转录酶(reverse transcriptase)的作用下，可以反转录成单链的DNA，然后再以单链的DNA为模板生成双链DNA。双链DNA可以成为宿主细胞基因组的一部分，并同宿主细胞的基因组一起传递给子细胞。在反转录酶催化下，RNA分子产生与其序列互补的DNA分子，这种DNA分子称为互补DNA(complementary DNA)，简写为cDNA，这个过程即为反转录(reverse transcription)。
　　由此可见，遗传信息并不一定是从DNA单向地流向RNA，RNA携带的遗传信息同样也可以流向DNA。但是DNA和RNA中包含的遗传信息只是单向地流向蛋白质，迄今为止还没有发现蛋白质的信息逆向地流向核酸。这种遗传信息的流向，就是克里克概括的中心法则(central dogma)的遗传学意义。
　　任何一种假设都要经受科学事实的检验。反转录酶的发现，使中心法则对关于遗传信息从DNA单向流入RNA做了修改，遗传信息是可以在DNA与RNA之间相互流动的。那么，对于DNA和RNA与蛋白质分子之间的信息流向是否只有核酸向蛋白质分子的单向流动，还是蛋白质分子的信息也可以流向核酸，中心法则仍然肯定前者。可是，病原体朊粒(Prion)的行为曾对中心法则提出了严重的挑战。
　　朊粒是一种蛋白质传染颗粒(proteinaceous infectious particle)，它最初被认识到是羊的瘙痒病的病原体。这是一种慢性神经系统疾病，在200多年前就已发现。1935年法国研究人员通过接种发现这种病可在羊群中传染，意味着这种病原体是能在宿主动物体内自行复制的感染因子。朊粒同时又是人类的中枢神经系统退化性疾病如库鲁病(Kuru)和克—杰氏综合征(Creutzfeldt-Jacobdisease，CJD)的病原体，也可引起疯牛病即牛脑的海绵状病变(bovin spongiform encephalopathy，BSE)。以后的研究证明，这种朊粒不是病毒，而是不含核酸的蛋白质颗粒。一个不含DNA或RNA的蛋白质分子能在受感染的宿主细胞内产生与自身相同的分子，且实现相同的生物学功能，即引起相同的疾病，这意味着这种蛋白质分子也是负载和传递遗传信息的物质。这是从根本上动摇了遗传学的基础。
　　实验证明，朊粒确实是不含DNA和RNA的蛋白质颗粒，但它不是传递遗传信息的载体，也不能自我复制，而仍是由基因编码产生的一种正常蛋白质的异构体。
　　哺乳动物细胞里的基因编码产生一种糖蛋白PrP。人的PrP基因位于20号染色体短臂，PrP由253个氨基酸残基组成，在氨基端有22个氨基酸组成的信号 肽。在正常脑组织中的PrP称为PrPc，相对分子质量为33 000～35 000，对蛋白酶敏感。在病变脑组织中的PrP称为PrPsc，相对分子质量为27 000～30 000，是PrPc中的一段，蛋白酶对其不起作用。现在知道，PrPc和PrPsc是PrP的两种异构体，氨基酸组分和线性排列次序相同，但是三维构象不同。PrPc的结构中。螺旋占42％，β片层占30％；PrPsc则是。螺旋占30％，β片层占43％。PrPc的4条。螺旋可以排列成一个致密的球状结构，这个结构的随机涨落(stochastic fluctua—tion)会长成部分折叠的单体PrP*，这是一种中间体，即PrP*可以生成PrPc，也可以生成PrPsc。一般情况下，PrP*的含量极少，所以生成的PrPsc极少。可是外源的PrPsc可以促使PrP*变成PrPsc。PrPsc的不溶性使生成PrPsc过程成为不可逆转。PrPsc在神经细胞里大量沉积，引起神经细胞的病变，破坏了神经细胞功能。因此，PrPsc感染正常细胞后，可以促使细胞内生成更多的PrPsc，PrPsc逐渐积累，需要有一个时间过程才会引发疾病，这也就是这种神经退化性疾病有一个很长的潜伏期的原因。所以说，PrPsc进入宿主细胞并不是自我复制，而是将细胞内基因编码产生的PrPc变成PrPsc。由此可见，中心法则是正确的，至少在目前还是无需修正的。

中心法则

遗传信息的传递：DNA的复制(replication)

DNA复制最重要的特征是半保留复制（semiconservative replication）。复制时，母链的双链DNA解开成两股单链，各自作为模板，指导合成新的互补子链。新合成的DNA分子（即子代DNA双链），其中一股单链从亲代完整地接受过来，称为母链；另一条单链则完全重新合成。称为子链。由于碱基互补，两个子细胞的DNA双链，都和亲代母链DNA碱基序列一致。这种方式称为半保留复制。

一、  DNA复制的酶学　

复制是在酶催化下的核苷酸聚合过程，需要多种物质的共同参与。　

（一）底物（substrate）　

新链是由单核苷酸（dNMP）聚合而成的，但是dNMP不能直接用来合成核苷酸链，必须将其活化为dNTP才能参加合成，因此合成核苷酸链的直接底物是dNTP(dATP、dGTP、dCTP、dTTP)。活化过程需消耗ATP。

（二）聚合酶(polymerase)　

DNA聚合酶（DNA指导的DNA聚合酶，DDDP），聚合dNTP—→DNA，在大肠杆菌中发现了五种，即DNA聚合酶Ⅰ（含量最多）、DNA聚合酶Ⅱ、DNA聚合酶 Ⅲ、DNA聚合酶IV和DNA聚合酶V，其中IV和V是1999年发现的。

在试管内加入模板、底物和引物，DDDPⅠ就能催化新链DNA的生成。这证明DNA是可以脱离细胞环境复制的。由表7-1-1可知，三重DNA聚合酶都能延长子链，并具有3′→5′外切酶活性（图7-1-4），DNA聚合酶I还具有5′→3′外切酶活性。外切酶活性指的是从DNA末端逐个水解释放核苷酸的能力，3′→5′外切过程可以切除3′末端错配的核苷酸，它可以防止DNA复制过程中错误核苷酸的产生（校读功能）。5′→3′外切过程使DNA冈崎片段（Okazaki fragments）3′端的RNA引物水解。三种DNA聚合酶中聚合能力最强的是DAN聚合酶III，因此该酶的主要功能是复制（子链延长）。

真核细胞中DNA聚合酶主要有α、β、γ、δ等四种。α和δ是DNA起主要作用的酶；β有最强的核酸外切酶活性，可能与修复作用有关；γ存在于线粒体内，参与线粒体DNA复制。DNA聚合酶不能从头合成DNA子链，只能在现有的核苷酸链3′-OH端聚合新的核苷酸使子链延长，因此，DNA的合成需要现有的DNA或RNA片段作为引物。在细胞中，引物成分是RNA，由引物酶催化聚合；实验室合成DNA时既可以用RNA为引物，也可以用DNA为引物。聚合酶链式反应（DNA体外快速扩增技术）使用现成的DNA片段为引物，这样省去了引物酶，使合成方便快捷。　

（三）其他酶和蛋白因子　

1． 引物酶（primase）  　

该酶是一种RNA聚合酶，但又不同于催化转录过程的RNA聚合酶，它在模板的复制起始部位催化互补碱基的聚合，形成短片段RNA。因此，引物酶的的作用是为DNA合成提供3′-OH末端，使DNA聚合酶能在3′-OH末端延长DNA子链。　

2． 解链酶(helicase)  　

解链酶的作用是解开DNA双链，即断开碱基对之间的氢键，形成两条单链DNA。每解开一对碱基对，需消耗2个ATP。　

3． 拓扑异构酶  　

拓扑一词，是指物体或图象作弹性移位而又保持物体不变的性质。DNA双螺旋沿轴旋绕，复制解链也沿同一轴反向旋转，复制速度快，旋转达100次/秒，易造成DNA分子打结、缠绕、连环现象。　

扑异构酶对DNA分子的作用是断开DNA的双链或单链，释放紧张螺旋状态后再促使DNA单链或双链的连接。即断开磷酸二酯键，旋转DNA释放螺旋紧张状态，然后重新以磷酸二酯键连接断开的DNA。拓扑异构酶有两种，一种能断开DNA的一条链，并使断开的单链绕未断开的单链旋转而释放螺旋，另一种能同时断开DNA双链。

4． DNA连接酶(DNA ligase)　

DNA连接酶的作用是将1个DNA片段的3′-OH末端和另一个DNA片段的5′-磷酸基脱水生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA片段链连接起来，形成完整的DNA子链。连接酶的催化作用在原核细胞需要消耗NAD+，在真核细胞则需消耗ATP。

5． 单链结合蛋白(SSB)　

作为模板的DNA总要处于单链状态，而DNA 分子只要符合碱基配对，又总会有形成双链的倾向，以使分子达到稳定状态及免受胞内存在的核酸酶降解。解链酶断开碱基对间的氢键（相当与DNA变性）后，DNA两条单链会再度粘合（复性）而使DNA复制无法继续。单链结合蛋白结合在解链后的D单链DNA上，防止单链复性为双链。　

（四）模板　

指解开成单链的DNA母链，指导着dNTP按照碱基配对的原则逐一合成新链。

二、DNA的复制过程　

复制是连续的过程，可分为起始、延长和终止三个阶段。　

（一）复制的起始　

起始是DNA复制中较复杂的一环，所需的各种酶和蛋白质因子较多，细节也未尽清楚。简单来说，就是要把DNA解成单链和生成引物。解链酶借助ATP的能量解开DNA双链，能量主要用于使维持碱基配对的氢键断裂。无论是原核还是真核细胞，复制开始后，由于DNA双链解开，在两股单链上进行复制，在电子显微镜下均看到伸展成叉状的复制现象，称为复制叉。

1． DNA解成单链  　

解开双链并非解链酶单独作用。DNA双螺旋在反向重复序列的基础上绕成一圈的超螺旋，超螺旋内结合着至少七种蛋白质和酶，其中包括解链酶、引物酶及其他的复制因子。双链解开后，还必须在一定时间内保持开链状态，使新加入的核苷酸有模板作依据。单链DNA结合蛋白结合于开放的单链上，起稳定和保护单链模板的作用。　

2． 引发体的生成  　

随从链是不连续复制，需多次生成引物。引发体在随从链每一次的引物合成中均起作用。引物酶按碱基配对规律合成RNA引物。其合成的方向也是自5′端至3′端，因此已合成的引物必保留一个3′-OH末端。此时，就可以开始真正的DNA复制。　

（二）复制的延长　

1． 复制延长的生化过程  复制过程是在引物（寡核苷酸）上逐个加入dNTP，使新链不断延长。　

（dNMP）n +dNTP——→（dNMP）n+1 +ppi　

反应式中的寡核苷酸n，可体会为引物或延长中的新链，其3′-OH与dNTP的α-磷酸基起反应，生成3′，5′-磷酸二酯键，因而使n延长为n+1。dNTP上的β和γ-磷酸基游离而生成焦磷酸。新链只能从5′端向3′端延长。这就是DNA复制的方向性。DNA双螺旋上两股单链走向相反，复制时也按相反走向合成新链。　

2． 复制的半不连续性和岗崎片段  由于DNA双链的走向相反，一链是5′→3′方向，其互补链是3′→5′方向。分开后，两股单链在复制叉上也是相反走向。复制，也包括引物的合成，总是从5′→3′方向延伸的。因此，前导链可以顺着解链方向延长，滞后链复制方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长。这种情况下，必须等待模板链解出足够的长度，复制才能开始并延长。一段链在延长之际，又同时等待下一段暴露出的单链达到足够的长度，因此，这股链不可能连续地复制。　

1968年，冈崎用电子显微镜及放射自显影技术，观察到DNA复制过程中，出现一些不连续片段。后人证实了这些不连续片段只存在于DNA复制叉上其中的一股。后来就把这种复制中不连续片段称为冈崎片段，至复制过程即将全部终结时，这些片段互相汇合。

（三）复制的终止　

原核生物复制，往往从一定的起始点向两个方向同时进行，称为双向复制。某些原核生物还有一定的复制终止点。　

复制叉中，前导链几乎可以不间断地延长，滞后链是通过冈崎片段来延长的。第一个冈崎片段延长至第二个冈崎片段引物前方时，DNA聚合酶的5′→3′外切酶活性可把前方的RNA引物水解,同时DNA聚合酶的聚合酶活性使冈崎片段继续延长。因为复制总是从5′→3′进行的，所以第二个冈崎片段的引物间隙应由第一个岗崎片段延长进行填补。延长一直达到引物遗留的空隙被填满为止，亦即达到第二个片段的5′-磷酸基末端。此时，第一个片段的3′-OH和第二个片段的5′-磷酸基仍是游离的，也就是说，两链之间还有个小缺口，未连接起来。　

DNA连接酶在这个复制的最后阶段起作用，把片段之间所剩的小缺口通过生成磷酸二酯键而接合起来，成为真正连续的子链。　

注意：DNA聚合酶只有5′→3′聚合活性，没有3′→5′聚合活性！但是DNA聚合酶都具有外切酶活性。因此，在原核生物的环状DNA复制时所有的引物都能被水解并由DNA链填补，但是，在真核生物的线性DNA分子中，前导链的RNA引物和滞后链的最后一个RNA引物水解后无法再形成DNA链，与引物配对的模板链形成单链，单链DNA不稳定，随后被DNA聚合酶的外切酶活性催化水解，导致线性DNA分子每复制一次，DNA分子就截短一节。这个特性导致大多数真核细胞不能无限分裂下去。真核胚胎细胞体外培养分裂代数大约为50代。 

在无限增殖的细胞如生殖细胞、干细胞、癌细胞中存在恢复DNA原有长度的端粒酶，端粒酶是一种逆转录酶。酶分子中存在一段RNA序列，端粒酶以这段RNA为模板合成DNA子链，从而恢复DNA的长度。这导致DNA分子的两端出现高度重复的碱基序列，这种重复结构存在于染色体的两端，称做端粒。　

具有端粒酶的细胞是可以无限增殖的。　

此外，真核生物DNA复制的同时，几乎是与染色体蛋白，包括组蛋白及非组蛋白类的合成同步进行的。DNA复制完成后，随即装配成核内的核蛋白，并组成染色体。　

（四）DNA复制的特点：半保留复制；准确性、保真性；对称性；方向性5′→3′。　
（五）意义：是细胞分裂、生物生长、繁殖的物质基础

三、逆转录(reverse transcription)与逆转录酶(reverse transcriptase) 

1970年H.Temin和D.Baltimore分别从RNA病毒中发现了一种酶，能催化以单链RNA为模板合成双链DNA的反应。反应过程先以单链RNA的基因组为模板，催化合成一条单链互补DNA(cDNA)。产物与模板生成RNA-DNA杂化双链，杂化双链中的RNA被RNA酶水解后，再以新合成的单链DNA为模板，催化合成第二条单链DNA。催化此反应的酶称为逆转录酶，也称反转录酶。酶的作用需Zn2+的辅助。合成方向也是从5′→3′方向延伸新链。全过程所用的引物，现在认为是病毒本身的一种tRNA。　

逆转录酶具有3种酶活力：①它可利用RNA为模板合成互补DNA链，形成RNA-DNA杂化分子（RNA指导的DNA聚合酶活性）；②它以新合成的DNA为模板合成另一条互补DNA链，形成DNA双链分子（DNA指导的DNA聚合酶活性）；③具有核糖核酸酶活性，专门水解RNA-DNA杂化分子中的RNA链。　

逆转录过程是依赖RNA的DNA合成作用；以RNA为模板，由dNTP(dATP、dGTP、dCTP、dTTP)聚合成DNA分子。此过程中，核酸合成与转录（DNA→RNA）过程遗传信息的流动方向相反（RNA→DNA），故称为逆转录。　

逆转录酶和逆转录现象是分子生物学研究中的重大发现。中心法则认为：DNA的功能兼有遗传信息的传递和表达，因此，DNA处于生命活动的中心位置。逆转录现象说明：至少在某些生物，RNA同样兼有遗传信息传递和表达功能。20世纪80年代末，又发现某些RNA，即核酶（ribozyme）具有催化功能。过去所知，有生物催化作用的酶，其化学本质都是蛋白质。核酶的发现，使科学界对RNA在生命活动中的重要性添加了更深刻的认识。有人认为，RNA在进化过程中，是比DNA更早出现的生物大分子。

RNA的合成----转录(transcription)

生物体以DNA为模板合成RNA的过程称为转录，意思是把DNA的碱基序列转抄成RNA的碱基序列。DNA分子上的遗传信息是决定蛋白质氨基酸序列的原始模板。RNA把遗传信息从染色体内贮存的状态转送至胞液，作为蛋白质合成的直接模板。转录还包括tRNA和rRNA的生物合成，这两种RNA不用作翻译模板，但参与蛋白质的生物合成。　

转录和复制都是酶促的核苷酸聚合过程，有许多相似之处：都以DNA为模板；都需依赖聚合酶；聚合过程都是核苷酸之间生成磷酸二酯键；都从5′→3′方向延伸成新链多聚核苷酸；都遵从碱基配对规律。但相似之中又有区别。 

（一）模板　

转录时，DNA双链中一股单链作为起转录作用的模板链（用大写字母表示），可称为有意义链或W链，按碱基配对规律指引核苷酸的聚合。与其互补的相应链称为编码链（用小写字母表示），也可称为反意义链或C链。 

转录是有选择性的，在细胞不同的发育时序，按生存条件和需要才转录。在基因组的庞大的DNA链上，也并非任何区段都可以转录。能转录出RNA的DNA区段，称为结构基因。转录的这种选择性，称为不对称转录（asymmetric transcription）。它有两方面的含义：一是在DNA双链分子上，一股链可转录，另一股链不转录；其二是模板链并非永远在同一单链上。在DNA双链某一区段，以其中一单链为模板链；在另一区段，又反过来以其对应单链作模板链。处在不同单链的模板链转录方向相反。转录和复制一样，产物链，即转录出的RNA链，方向总是从5′→3′延长的。　

（二）原料　

NTP(ATP、GTP、CTP、UTP)。　

（三）酶　

转录酶（transcriptase）即RNA聚合酶（DNA指导的RNA聚合酶，DDRP），在原核生物及真核生物均广泛存在，但有所区别。　

原核细胞中只有一种DDRP，由五个亚基（α2ββ′σ）共同组成全酶。σ亚基的功能是辨认起始点，脱离了σ亚基的α2ββ′称为核心酶，核心酶的作用是延长RNA链。真核细胞已发现有三种DDRP，分别称为DDRPⅠ、II、III，它们专一地转录不同的基因，因此，由它们催化的转录过程产物也各不相同。DDRPⅡ被认为是真核生物中最重要的DDRP。　

（四）过程　

转录过程以DDRP辨认、结合DNA模板开始。随着酶向前移动，转录产物RNA逐渐延长。直至转录酶到达终止信号处，DDRP与DNA模板分离，产物RNA链脱落，转录即告终止。真核生物的转录产物还需要有转录后再加工的过程。　

1．起始  

目前已知，转录时DNA解成单链的幅度只有10多个至20个的碱基对，形成转录空泡。原核生物辨认转录起始点现已知只有σ因子，起始点的碱基序列（被认出的DNA区段）也比较单一。真核生物的情形就复杂得多。在转录起始点上游的-30核苷酸处，有共同的5′-TATA盒，称为Hogness盒或TATA盒（TATA Box）。此外，还有好几组核苷酸序列，统称为顺式调控元件。辨认DNA的蛋白质不止一种，统称为反式调控因子。因子与因子之间又需互相结合、辨认，以准确地调控基因的表达。

已证明转录起始不需引物，两个相邻核苷酸只要与模板相配对，直接在起始点上就被DDRP催化形成磷酸二酯键。为首的一个总是GTP和ATP，又以GTP更为常见。GTP与随后而来的NTP生成磷酸二酯键，仍保留三磷酸鸟苷状态。5′-端的三磷酸鸟苷结构，不但在延长中保留，至转录完成，RNA脱落，也还有这一结构。　

第一个磷酸二酯键形成后，σ亚单位即从转录起始复合物上脱落。核心酶则连同合成的RNA链，继续结合于DNA分子上并沿DNA链向前移动。实验证明：σ亚单位不脱落，DDRP则停留在起始位置，即转录不能继续进行。　

2．延长  　

随着σ亚基的脱落，核心酶的构象会发生改变。起始区的DNA有特殊的碱基序列，因此，酶与模板的结合有高度的特异性，而且较为紧密。过了起始区，不同基因的碱基序列大不相同，所以，DDRP与模板的结合就是非特异性的。而且结合得较为松弛，有利于DDRP迅速向前移动。DDRP构象的改变，就是适应于这种不同区段的结构与需要的。　

在起始复合物上，3′-端仍保留糖的游离OH基。作为底物的三磷酸核苷上的α-磷酸就可与这一3′-OH起反应，生成磷酸二酯键。同时脱落的β、γ磷酸基则生成无机焦磷酸。聚合进去的核苷酸又有3′-OH游离，这样就可按模板链的指引，一个接一个地延长下去。产物RNA是没有T的；遇到模板为A的的位置时，转录产物相应加入的是U。A-T配对是两个氢键，A-U配对也同样是两个氢键。转录延长过程中，DDRP是沿着DNA链向前移动，新合成的RNA链与模板链互补。　

3． 终止  　

转录终止的现象是DDRP在模板的某一位置停顿，RNA链从转录复合物上脱离出来。1969年，J.Roberts在大肠杆菌中发现一种蛋白质有控制转录终止的作用，定名为ρ因子（Rho factor）。ρ因子是帮助DDRP辨认终止点并停止转录的。　

（五） 方向：5′→3′方向。　

（六） 转录后的加工　

在原核细胞，由于不存在核膜，因此RNA是边转录边翻译，即转录还没完成，蛋白质的翻译过程已经开始。而真核细胞转录产生的RNA必须经过加工修饰，然后经核膜孔被送入细胞质才能开始蛋白质的翻译，所以，真核细胞在转录和翻译之间有一个加工修饰过程。　

mRNA分子的前体是核不均一RNA(hnRNA)，hnRNA的加工修饰主要有四项工作：①加尾，在3′端添加多聚腺苷酸尾巴(poly A)。多聚A的存在保护遗传密码部分不被核糖核酸酶水解，但是多聚A的尾巴依然能被水解，所以多聚A的长短决定了mRNA的寿命。②戴帽，即在5端添加m7GpppG（6-甲基鸟苷三磷酸），这种结构使水解酶无法从5′端进行水解；③剪接，真核生物转录产生的RNA不是最后翻译时用的模板，其中一些片段会被核酶进行剪切，然后将剩余段落进行拼接形成最终的翻译模板；对应于DNA，被剪切的部分称内含子，拼接的段落称外显子。④化学修饰，部分碱基进行甲基化、还原、移位、脱氨基等修饰过程）。转录的RNA经剪接或修饰转变成为成熟的具有功能的mRNA。tRNA、rRNA同样存在加工修饰现象。

蛋白质的合成----翻译(translation)

翻译（translation）就是把核酸中四种碱基组成的遗传信息，以遗传密码翻译方式转变为蛋白质中20种氨基酸的排列顺序。DNA分子贮存遗传信息，通过转录生成mRNA，由mRNA作直接的模板来指导翻译。翻译在细胞质中进行，mRNA则在核内（原核生物则在核区）合成。mRNA经过加工修饰后穿过核膜进入细胞质与核糖体结合，在rRNA和tRNA，还有一些蛋白质和酶的共同参与下，以各种氨基酸为原料，完成蛋白质的生物合成过程。

（一） 模板：mRNA。　

（二） 原料：氨基酰tRNA。　

（三） 酶　

1． 氨基酰tRNA合成酶  有20种以上，催化特定的氨基酸与其相应的tRNA结合，消耗ATP。　

2． 转肽酶  催化氨基酸间形成肽键，存在于核糖体的大亚基上，过去认为是核糖体的蛋白质部分，现在已经证实转肽活性是核糖体辅基RNA的作用，即该RNA具有催化活性。转肽过程是不需要任何蛋白质因子参与的核糖体催化过程。

3． 移位因子（移位酶）  核糖体向mRNA的3′端移动1个密码子的距离。　

4． 其他因子  起始因子（IF1、2、3）；延长因子（EF1、2）；终止因子或释放因子（RF）。　

5． 其他物质  还有Mg2+、K+等无机离子；ATP、GTP等供能物质。　

（四） 方向：mRNA链从5′→3′；蛋白质多肽链从N→C端。　

（五）三种RNA的作用　

1． mRNA　

转录遗传信息，是翻译的直接模板，指导蛋白质的生物合成。mRNA从5′→3′方向，以AUG开始，每三个相邻的核苷酸组成一个三联体，组成一个遗传密码。密码子共64种，有以下特点：　

①简并性  在遗传密码中，除色氨酸和蛋氨酸外，其余氨基酸均有2个、3个或4个多至6个密码。有2、3、4个密码的氨基酸，其三联体上1、2位碱基相同，第3位碱基则不同。若前两位碱基发生错配突变，可以译出不同的氨基酸；而第3位碱基的突变，不会影响氨基酸的翻译。　

②连续性  密码之间没有核苷酸间断，连续三个一组往下翻译。mRNA链上的碱基插入或缺失，可造成框移突变，使下游翻译出的氨基酸完全改变。突变出现碱基插入，也同样可引起框移。

③通用性  从最简单的病毒、原核生物、直至人类，都使用相同的一套遗传密码。　

④摆动性  翻译过程中，氨基酸的正确加入，需靠mRNA上的密码与tRNA上的反密码相互辨认。密码与反密码配对辨认时，有时不完全遵照碱基互补的规律。尤其是密码的第3位碱基对反密码的第1位碱基，更常出现这种摆动现象，即碱基不严格互补也能互相辨认。tRNA碱基组成的特点是有很多稀有碱基，其中次黄嘌呤常出现于反密码的第1位，可以与密码的第3位A、C或U配对，这就是常见的摆动现象。

2． tRNA　

tRNA分子的反密码可识别mRNA密码子，通过氢键相互配对。tRNA的3′-末端CCA-OH是氨基酸的结合位点。一种氨基酸可以和2～6种tRNA特异地结合，已发现的tRNA有40～50种。tRNA能携带活化的氨基酸，总是由mRNA上的遗传密码子决定的。这样由密码-反密码-氨基酸之间的“对号入座”，保证了从核酸到蛋白质的信息传递的准确性。　

3． rRNA　

早在50年代初期，已发现核糖体可能与蛋白质合成有关。核糖体由大、小亚基构成。亚基中各含有了不相同的蛋白质和rRNA。在翻译过程中，就靠这些蛋白质与参与翻译的各种RNA进行高度特异、准确的相互作用，使氨基酸能按mRNA上遗传密码的排列次序合成相应的肽链。是提供蛋白质合成的场所。　

（六）过程　

1．  氨基酸的活化与转运  　

氨基酸加ATP，在氨基酰tRNA合成酶的作用下，氨基酸与3′末端游离的OH以酯键相结合成为活化型的氨基酸。　

氨基酸 + ATP-酶 → 氨基酰-AMP-酶 + PPi　

氨基酰-AMP-酶 + tRNA → 氨基酰-tRNA + AMP + 酶　

2．  翻译过程  　

也可分为起始、延长和终止三个阶段。　

（1）起始：翻译的起始是将带有蛋氨酸的tRNA与mRNA结合到核糖体上形成起始复合物的过程。这是mRNA能忠实地翻译的关键步骤，也是调节蛋白质合成的部位。此过程在原核生物与真核生物中完全相同。由大、小亚基、mRNA与甲酰蛋氨酰tRNA共同构成70S起始复合物。

（2）延长：翻译过程的肽链延长，也称为核糖体循环（ribosmal cycle）。每次核糖体循环，可分为三个步骤：注册、成肽、转位。每循环一次，肽链延长一个氨基酸，如此不断重复，肽链不断延长，直至肽链合成终止。　

①注册(进位)  指氨基酰-tRNA根据遗传密码的指引，进入核糖体的A（受位）位。起始复合体形成后，核糖体的P位（给位）已为fMet-tRNAfmet占据，但A位是留空的，而且对应着mRNA的第二位密码，即紧接AUG的三联体。接受新的氨基酰-tRNA进入A位（受位）称为进位。　

②成肽(转肽)  此过程由转肽酶催化，此酶实际上是核糖体大亚基上的辅基RNA（核酶），成肽的过程是P位上的fMet-tRNAfmet的酰基与A位上的AA-tRNA的氨基进行反应，反应在A位上进行，即P位上的蛋氨酸移至A位成肽。在整个延长过程中起始蛋氨酸的α-氨基可保留至翻译终止成为新生的肽链上的N-末端。但自然界的蛋白质大多数不是以蛋氨酸作为N-末端的，翻译后这一N-蛋氨酸，或者N-端的肽段会被切除。成肽完成后，生成的二肽-tRNA在A位上，这是第一个核糖体循环的情况，第二个循环，A位上为三肽，第三个循环，A位上为四肽，余类推。由于成肽中蛋氨酸（以下的循环则为二肽、三肽……）已移至A位成肽，P位留下一个无负载的tRNA。在成肽结束前，tRNA从核糖体上脱落，使P位留空。　

③转位(移位)  在A位的二肽连同mRNA从A位进入P位。这实际是整个核糖体的相对位置的移动。催化转位作用的是转位酶。，其活性存在于EFG(延长因子G)中。由于肽-tRNA-mRNA与核糖体位置的相对变更，此时，肽-tRNA-mRNA占据了P位，A位是留空的。情况和第一循环开始时一样，不同的只是P位为肽-tRNA-mRNA，而第一次循环开始P位是fMet-tRNA-mRNA。总之，A位留空，并对应着mRNA链上第三个三联体密码，于是，第三个氨基酸就按密码的指引进入A位注册，开始下一循环。同样，经过注册、成肽、转位，P位出现三肽-tRNA-mRNA，A位留空让第四号氨基酰-tRNA进入注册。　

可见，核糖体阅读mRNA密码是从5′→3′方向进行，肽链合成是从N-端向C-端方向进行的。每进行一次核糖体循环，肽链便延长一个氨基酸。

（3）终止：肽链合成的终止包括终止信号（UAA、UAG、UGA）的辨认，肽链从肽- tRNA上水解释放，mRNA从核糖体中分离，大小亚基拆开。终止过程也需蛋白质因子，通常称为释放因子（RF）。任何一种终止信号出现，延长即终止。具体过程如下：　

① 当翻译到A位出现mRNA的终止密码时，因无AA-tRNA与之对应，由RF-1或RF-2识别终止密码，进入A位。RF-3加强此种作用。　

② 释放因子的结合，可诱导核糖体上的转肽酶将合成的肽链转移到水分子，故实际上表现出酯酶活性，将P位上肽链从tRNA分离出来。　

③ 通过GTP水解为GDP及Pi，使残留在核糖体上的tRNA，乃至各种释放因子释出，最终使核糖体也从mRNA脱落下来。

（七） 多聚核糖体  　

在蛋白质生物合成过程中，一条mRNA链上，常有多个核糖体呈串珠状排列，可见核糖体以多聚核糖体的形式存在。每个核糖体之间约有5～15nm距离，估算在mRNA链上的每80个核苷酸即附有一个核糖体。多聚核糖体的形成是由于第一个核糖体在mRNA链上随着翻译的进行而向下游移动，空出的起始部位就会与第二个核糖体结合，以后第三、第四个核糖体也可在mRNA的起始位点进入。通过多个核糖体在一条mRNA链上同时翻译，可以大大加速蛋白质的合成速度，mRNA得到充分的利用。

（八） 翻译后加工　

从核糖体上最终释出的多肽链，即使能自行卷曲而具有一定的构象，但还不是具有生物活性的成熟蛋白质，必须进一步加工，进行切割或修饰，乃至聚合，才能表现出生理活性。这些蛋白质的修饰过程，称为翻译后加工。翻译后加工可分为高级结构的修饰、一级结构的修饰和靶向输送三方面：　

1． 高级结构的修饰　

①亚基聚合  具四级结构的蛋白质由两条以上的肽链通过非共价键聚合，形成寡聚体。常见的例子如血红蛋白分子α2β2的聚合。各亚基虽自有独立功能，但又必须互相依存，才得以发挥作用。　

②辅基连接  结合蛋白质中辅基（辅酶）与肽链的结合是复杂的生化过程。例如糖蛋白的糖基化，是目前基因工程中一个未解决的关键问题。不少生物活性物质，当用基因工程方法表达出其肽链后，还不具备活性。因此，如何使该蛋白质实现糖基化是正在大力研究中的问题之一。　

2． 一级结构的修饰　

①氨基肽酶切除肽链N-端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸   翻译过程以fMet-tRNAfmet作为第一个注册的起始物，在蛋白质合成过程中，N-端氨基酸总是fMet（甲酰蛋氨酸），其α-氨基是甲酰化的。但天然蛋白质大多数不以蛋氨酸为N-端第一位氨基酸。细胞内的脱甲酰基酶或氨基肽酶可以除去N-甲酰基，N-末端蛋氨酸或N-末端的一段肽。这个过程不一定等肽链合成终止才发生，有时边合成可边进行加工。　

②个别氨基酸残基的修饰  在结缔组织的蛋白质内常出现羟脯氨酸、羟赖氨酸，这两种氨基酸并无遗传密码、反密码子及tRNA引导入肽链，而是在脯氨酸、赖氨酸残基经过羟化而出现的。不少酶的活性中心上有磷酸化的丝氨酸、苏氨酸，甚至酪氨酸；这些含-OH基团的氨基酸是翻译后才磷酸化的。多肽链内或肽链之间往往可由两个半胱氨酸的-SH形成的二硫键，这是常见的维系蛋白质结构的化学键，其形成也是在肽链合成后两个半胱氨酸的-SH基脱氢氧化而连接的。　

③部分肽段水解切除修饰  真核生物中往往会遇到一条已合成的多肽链经翻译后加工产生多种不同活性的蛋白质或肽的情况。最典型的例子如鸦片促黑皮质素原，由265个氨基酸残基组成，经水解修剪，可生成ACTH（三十九肽）、β-MSH(十八肽)等活性物质。　

3． 蛋白质合成后的靶向输送　

蛋白质合成后，定向地到达其执行功能的目标地点，称为靶向输送。穿过合成所在细胞到其他组织细胞去的蛋白质，可统称为分泌性蛋白质。

中心法则环节的阻断与医学应用

蛋白质生物合成与遗传、分化、免疫、肿瘤发生以及药物作用均有密切关系，是医学上的重大课题。　

一、分子病 

分子病是由于DNA分子上碱基的变化（基因突变），引起mRNA和蛋白质结构变异，导致体内某些结构和功能的异常，由此造成的疾病。例如镰刀形红细胞贫血，病人血红蛋白β-链的N-端第6位氨基酸残基由亲水的谷氨酸变成疏水的缬氨酸，这是由于结构基因发生单一碱基变异，在转录时使mRNA相应密码子单个碱基发生改变，以致在翻译时在血红蛋白β-链N-端第6位氨基酸残基的谷氨酸被缬氨酸替代。患者血红蛋白容易析出聚集，而使红细胞变型成镰刀型并较易破裂而引起溶血。 

二、干扰素抗病毒感染 

干扰素是一组小分子的糖蛋白，宿主细胞受病毒感染后，病毒在细胞繁殖过程中复制产生的双链RNA能诱导宿主细胞产生干扰素，产生的干扰素能作用于其他邻近细胞，使这些细胞具有抗病毒的能力，从而抑制病毒的繁殖。 

三、抗生素对蛋白质合成的影响　 

多种抗生素可作用于复制、转录和翻译各个环节，通过抑制细菌或肿瘤细胞蛋白质的合成，起到抑菌或抗癌作用。　

抑制DNA模板功能的抗生素有争光霉素、自力霉素、放线菌素、丝裂霉素C等。例如丝裂霉素C能选择性地与模板DNA上鸟嘌呤的第6位氧原子结合，妨碍DNA双链拆开，从而抑制DNA复制，临床上用以治疗白血病、肉瘤等恶性肿瘤。　

抑制RNA合成的抗生素有利福霉素，其作用机制是利福霉素与原核细胞RNA聚合酶的β-亚基结合，使核心酶不能和起始因子σ结合，从而抑制转录，利福霉素对真核细胞的RNA聚合酶无明显作用，临床用以抗结核治疗。

抑制蛋白质翻译过程的抗生素有链霉素和卡那霉素，能与30S亚基结合，使氨基酰-tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子结合松弛，还能引起读码错误，导致合成异常蛋白质。四环素与小亚基结合，能阻止氨基酰-tRNA注册，另外氯霉素能与原核细胞大亚基结合，抑制转肽酶的活性，阻止肽键的形成。