現(xiàn)代生物學(xué)已充分證明，DNA是遺傳的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。生物機(jī)體的遺傳信息以密碼的形式編碼在DNA分子上，表現(xiàn)為特定的核苷酸排列順序，通過(guò)DNA的復(fù)制（replication）由親代傳遞給子代。在后代的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，遺傳信息自DNA轉(zhuǎn)錄（transcription）給RNA，然后翻譯（translation）成特異的蛋白質(zhì)，以執(zhí)行各種生命功能，使后代表現(xiàn)出與親代相似的遺傳性狀。所謂“復(fù)制”，就是指以DNA分子為摸板合成相同分子的過(guò)程。所謂“轉(zhuǎn)錄”是指在DNA分子上合成出與其核苷酸順序相對(duì)應(yīng)的RNA分子的過(guò)程。“翻譯”則是在RNA的控制下，根據(jù)核苷酸上每三個(gè)核苷酸決定一個(gè)氨基酸的三聯(lián)體密碼（tripletcode）規(guī)則，合成具有特定氨基酸順序的蛋白質(zhì)肽鏈的過(guò)程。在某些情況下RNA也可以是遺傳信息的基本攜帶者，例如，RNA病毒能以自身核酸分子為摸板進(jìn)行復(fù)制產(chǎn)生RNA，致癌RNA病毒還能通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄的方式將遺傳信息傳遞給DNA。1958年，DNA雙螺旋的發(fā)現(xiàn)人之一F.Crick把上述遺傳信息的傳遞歸納為中心法則(the central dogma)。
中心法則代表了大多數(shù)生物遺傳信息貯存和表達(dá)的規(guī)律，并奠定了在分子水平上研究遺傳、繁殖、進(jìn)化、代謝類(lèi)型、生長(zhǎng)發(fā)育、生命起源、健康或疾病等生命科學(xué)上的關(guān)鍵問(wèn)題的理論基礎(chǔ)。逆轉(zhuǎn)錄是1970年H.Temin發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象后，對(duì)中心法則的擴(kuò)充?！?/p>
以DNA為主導(dǎo)的中心法則是個(gè)單向的信息流，體現(xiàn)了遺傳的保守性；擴(kuò)充了的中心法則，使RNA也可處于中心地位。蛋白質(zhì)作為基因表達(dá)產(chǎn)物，又作用于復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯的各個(gè)過(guò)程?？梢?jiàn)，單向信息流不能全面反映生命活動(dòng)的本質(zhì)。RNA性質(zhì)上比DNA不穩(wěn)定而有更大的可塑性。最近對(duì)某些RNA分子有酶活性的研究，使人們認(rèn)識(shí)到它不單只是溝通核酸與蛋白質(zhì)的橋梁，而可能是功能比DNA更廣泛的信息分子。有人提出，RNA可能是生物進(jìn)化過(guò)程或生命起源過(guò)程中最早出現(xiàn)的生物大分子?？梢?jiàn)，中心法則還會(huì)繼續(xù)得到補(bǔ)充、擴(kuò)充、甚至修正，F(xiàn).Crick認(rèn)為有可能存在由DNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的途徑。
是指遺傳信息從DNA傳遞給RNA，再?gòu)腞NA傳遞給蛋白質(zhì)，即完成遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯的過(guò)程。也可以從DNA傳遞給DNA，即完成DNA的復(fù)制過(guò)程。這是所有有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物所遵循的法則。在某些病毒中的RNA自我復(fù)制（如煙草花葉病毒等）和在某些病毒中能以RNA為模板逆轉(zhuǎn)錄成DNA的過(guò)程（某些致癌病毒）是對(duì)中心法則的補(bǔ)充。RNA的自我復(fù)制和逆轉(zhuǎn)錄過(guò)程，在病毒單獨(dú)存在時(shí)是不能進(jìn)行的，只有寄生到寄主細(xì)胞中后才發(fā)生。逆轉(zhuǎn)錄酶在基因工程中是一種很重要的酶，它能以已知的mRNA為模板合成目的基因。在基因工程中是獲得目的基因的重要手段。
遺傳物質(zhì)可以是DNA，也可以是RNA。細(xì)胞的遺傳物質(zhì)都是DNA，只有一些病毒的遺傳物質(zhì)是RNA。這種以RNA為遺傳物質(zhì)的病毒稱(chēng)為反轉(zhuǎn)錄病毒(retrovirus)，在這種病毒的感染周期中，單鏈的RNA分子在反轉(zhuǎn)錄酶(reverse transcriptase)的作用下，可以反轉(zhuǎn)錄成單鏈的DNA，然后再以單鏈的DNA為模板生成雙鏈DNA。雙鏈DNA可以成為宿主細(xì)胞基因組的一部分，并同宿主細(xì)胞的基因組一起傳遞給子細(xì)胞。在反轉(zhuǎn)錄酶催化下，RNA分子產(chǎn)生與其序列互補(bǔ)的DNA分子，這種DNA分子稱(chēng)為互補(bǔ)DNA(complementary DNA)，簡(jiǎn)寫(xiě)為cDNA，這個(gè)過(guò)程即為反轉(zhuǎn)錄(reverse transcription)。
由此可見(jiàn)，遺傳信息并不一定是從DNA單向地流向RNA，RNA攜帶的遺傳信息同樣也可以流向DNA。但是DNA和RNA中包含的遺傳信息只是單向地流向蛋白質(zhì)，迄今為止還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的信息逆向地流向核酸。這種遺傳信息的流向，就是克里克概括的中心法則(central dogma)的遺傳學(xué)意義。
任何一種假設(shè)都要經(jīng)受科學(xué)事實(shí)的檢驗(yàn)。反轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)，使中心法則對(duì)關(guān)于遺傳信息從DNA單向流入RNA做了修改，遺傳信息是可以在DNA與RNA之間相互流動(dòng)的。那么，對(duì)于DNA和RNA與蛋白質(zhì)分子之間的信息流向是否只有核酸向蛋白質(zhì)分子的單向流動(dòng)，還是蛋白質(zhì)分子的信息也可以流向核酸，中心法則仍然肯定前者。可是，病原體朊粒(Prion)的行為曾對(duì)中心法則提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。
朊粒是一種蛋白質(zhì)傳染顆粒(proteinaceous infectious particle)，它最初被認(rèn)識(shí)到是羊的瘙癢病的病原體。這是一種慢性神經(jīng)系統(tǒng)疾病，在200多年前就已發(fā)現(xiàn)。1935年法國(guó)研究人員通過(guò)接種發(fā)現(xiàn)這種病可在羊群中傳染，意味著這種病原體是能在宿主動(dòng)物體內(nèi)自行復(fù)制的感染因子。朊粒同時(shí)又是人類(lèi)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退化性疾病如庫(kù)魯病(Kuru)和克—杰氏綜合征(Creutzfeldt-Jacobdisease，CJD)的病原體，也可引起瘋牛病即牛腦的海綿狀病變(bovin spongiform encephalopathy，BSE)。以后的研究證明，這種朊粒不是病毒，而是不含核酸的蛋白質(zhì)顆粒。一個(gè)不含DNA或RNA的蛋白質(zhì)分子能在受感染的宿主細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生與自身相同的分子，且實(shí)現(xiàn)相同的生物學(xué)功能，即引起相同的疾病，這意味著這種蛋白質(zhì)分子也是負(fù)載和傳遞遺傳信息的物質(zhì)。這是從根本上動(dòng)搖了遺傳學(xué)的基礎(chǔ)。
實(shí)驗(yàn)證明，朊粒確實(shí)是不含DNA和RNA的蛋白質(zhì)顆粒，但它不是傳遞遺傳信息的載體，也不能自我復(fù)制，而仍是由基因編碼產(chǎn)生的一種正常蛋白質(zhì)的異構(gòu)體。
哺乳動(dòng)物細(xì)胞里的基因編碼產(chǎn)生一種糖蛋白PrP。人的PrP基因位于20號(hào)染色體短臂，PrP由253個(gè)氨基酸殘基組成，在氨基端有22個(gè)氨基酸組成的信號(hào) 肽。在正常腦組織中的PrP稱(chēng)為PrPc，相對(duì)分子質(zhì)量為33 000～35 000，對(duì)蛋白酶敏感。在病變腦組織中的PrP稱(chēng)為PrPsc，相對(duì)分子質(zhì)量為27 000～30 000，是PrPc中的一段，蛋白酶對(duì)其不起作用?，F(xiàn)在知道，PrPc和PrPsc是PrP的兩種異構(gòu)體，氨基酸組分和線(xiàn)性排列次序相同，但是三維構(gòu)象不同。PrPc的結(jié)構(gòu)中。螺旋占42％，β片層占30％；PrPsc則是。螺旋占30％，β片層占43％。PrPc的4條。螺旋可以排列成一個(gè)致密的球狀結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)的隨機(jī)漲落(stochastic fluctua—tion)會(huì)長(zhǎng)成部分折疊的單體PrP*，這是一種中間體，即PrP*可以生成PrPc，也可以生成PrPsc。一般情況下，PrP*的含量極少，所以生成的PrPsc極少?？墒峭庠吹腜rPsc可以促使PrP*變成PrPsc。PrPsc的不溶性使生成PrPsc過(guò)程成為不可逆轉(zhuǎn)。PrPsc在神經(jīng)細(xì)胞里大量沉積，引起神經(jīng)細(xì)胞的病變，破壞了神經(jīng)細(xì)胞功能。因此，PrPsc感染正常細(xì)胞后，可以促使細(xì)胞內(nèi)生成更多的PrPsc，PrPsc逐漸積累，需要有一個(gè)時(shí)間過(guò)程才會(huì)引發(fā)疾病，這也就是這種神經(jīng)退化性疾病有一個(gè)很長(zhǎng)的潛伏期的原因。所以說(shuō)，PrPsc進(jìn)入宿主細(xì)胞并不是自我復(fù)制，而是將細(xì)胞內(nèi)基因編碼產(chǎn)生的PrPc變成PrPsc。由此可見(jiàn)，中心法則是正確的，至少在目前還是無(wú)需修正的。
 |
| 中心法則 |
DNA復(fù)制最重要的特征是半保留復(fù)制（semiconservative replication）。復(fù)制時(shí)，母鏈的雙鏈DNA解開(kāi)成兩股單鏈，各自作為模板，指導(dǎo)合成新的互補(bǔ)子鏈。新合成的DNA分子（即子代DNA雙鏈），其中一股單鏈從親代完整地接受過(guò)來(lái)，稱(chēng)為母鏈；另一條單鏈則完全重新合成。稱(chēng)為子鏈。由于堿基互補(bǔ)，兩個(gè)子細(xì)胞的DNA雙鏈，都和親代母鏈DNA堿基序列一致。這種方式稱(chēng)為半保留復(fù)制。
一、 DNA復(fù)制的酶學(xué)
復(fù)制是在酶催化下的核苷酸聚合過(guò)程，需要多種物質(zhì)的共同參與?！?/p>
（一）底物（substrate）
新鏈?zhǔn)怯蓡魏塑账幔╠NMP）聚合而成的，但是dNMP不能直接用來(lái)合成核苷酸鏈，必須將其活化為dNTP才能參加合成，因此合成核苷酸鏈的直接底物是dNTP(dATP、dGTP、dCTP、dTTP)?；罨^(guò)程需消耗ATP。
（二）聚合酶(polymerase)
DNA聚合酶（DNA指導(dǎo)的DNA聚合酶，DDDP），聚合dNTP—→DNA，在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了五種，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年發(fā)現(xiàn)的。
在試管內(nèi)加入模板、底物和引物，DDDPⅠ就能催化新鏈DNA的生成。這證明DNA是可以脫離細(xì)胞環(huán)境復(fù)制的。由表7-1-1可知，三重DNA聚合酶都能延長(zhǎng)子鏈，并具有3′→5′外切酶活性（圖7-1-4），DNA聚合酶I還具有5′→3′外切酶活性。外切酶活性指的是從DNA末端逐個(gè)水解釋放核苷酸的能力，3′→5′外切過(guò)程可以切除3′末端錯(cuò)配的核苷酸，它可以防止DNA復(fù)制過(guò)程中錯(cuò)誤核苷酸的產(chǎn)生（校讀功能）。5′→3′外切過(guò)程使DNA岡崎片段（Okazaki fragments）3′端的RNA引物水解。三種DNA聚合酶中聚合能力最強(qiáng)的是DAN聚合酶III，因此該酶的主要功能是復(fù)制（子鏈延長(zhǎng)）。
真核細(xì)胞中DNA聚合酶主要有α、β、γ、δ等四種。α和δ是DNA起主要作用的酶；β有最強(qiáng)的核酸外切酶活性，可能與修復(fù)作用有關(guān)；γ存在于線(xiàn)粒體內(nèi)，參與線(xiàn)粒體DNA復(fù)制。DNA聚合酶不能從頭合成DNA子鏈，只能在現(xiàn)有的核苷酸鏈3′-OH端聚合新的核苷酸使子鏈延長(zhǎng)，因此，DNA的合成需要現(xiàn)有的DNA或RNA片段作為引物。在細(xì)胞中，引物成分是RNA，由引物酶催化聚合；實(shí)驗(yàn)室合成DNA時(shí)既可以用RNA為引物，也可以用DNA為引物。聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（DNA體外快速擴(kuò)增技術(shù)）使用現(xiàn)成的DNA片段為引物，這樣省去了引物酶，使合成方便快捷?！?/p>
（三）其他酶和蛋白因子
1． 引物酶（primase）
該酶是一種RNA聚合酶，但又不同于催化轉(zhuǎn)錄過(guò)程的RNA聚合酶，它在模板的復(fù)制起始部位催化互補(bǔ)堿基的聚合，形成短片段RNA。因此，引物酶的的作用是為DNA合成提供3′-OH末端，使DNA聚合酶能在3′-OH末端延長(zhǎng)DNA子鏈?！?/p>
2． 解鏈酶(helicase)
解鏈酶的作用是解開(kāi)DNA雙鏈，即斷開(kāi)堿基對(duì)之間的氫鍵，形成兩條單鏈DNA。每解開(kāi)一對(duì)堿基對(duì)，需消耗2個(gè)ATP?！?/p>
3． 拓?fù)洚悩?gòu)酶
拓?fù)湟辉~，是指物體或圖象作彈性移位而又保持物體不變的性質(zhì)。DNA雙螺旋沿軸旋繞，復(fù)制解鏈也沿同一軸反向旋轉(zhuǎn)，復(fù)制速度快，旋轉(zhuǎn)達(dá)100次/秒，易造成DNA分子打結(jié)、纏繞、連環(huán)現(xiàn)象?！?/p>
撲異構(gòu)酶對(duì)DNA分子的作用是斷開(kāi)DNA的雙鏈或單鏈，釋放緊張螺旋狀態(tài)后再促使DNA單鏈或雙鏈的連接。即斷開(kāi)磷酸二酯鍵，旋轉(zhuǎn)DNA釋放螺旋緊張狀態(tài)，然后重新以磷酸二酯鍵連接斷開(kāi)的DNA。拓?fù)洚悩?gòu)酶有兩種，一種能斷開(kāi)DNA的一條鏈，并使斷開(kāi)的單鏈繞未斷開(kāi)的單鏈旋轉(zhuǎn)而釋放螺旋，另一種能同時(shí)斷開(kāi)DNA雙鏈。
4． DNA連接酶(DNA ligase)
DNA連接酶的作用是將1個(gè)DNA片段的3′-OH末端和另一個(gè)DNA片段的5′-磷酸基脫水生成磷酸二酯鍵，從而把兩段相鄰的DNA片段鏈連接起來(lái)，形成完整的DNA子鏈。連接酶的催化作用在原核細(xì)胞需要消耗NAD+，在真核細(xì)胞則需消耗ATP。
5． 單鏈結(jié)合蛋白(SSB)
作為模板的DNA總要處于單鏈狀態(tài)，而DNA 分子只要符合堿基配對(duì)，又總會(huì)有形成雙鏈的傾向，以使分子達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)及免受胞內(nèi)存在的核酸酶降解。解鏈酶斷開(kāi)堿基對(duì)間的氫鍵（相當(dāng)與DNA變性）后，DNA兩條單鏈會(huì)再度粘合（復(fù)性）而使DNA復(fù)制無(wú)法繼續(xù)。單鏈結(jié)合蛋白結(jié)合在解鏈后的D單鏈DNA上，防止單鏈復(fù)性為雙鏈?！?/p>
（四）模板
指解開(kāi)成單鏈的DNA母鏈，指導(dǎo)著dNTP按照堿基配對(duì)的原則逐一合成新鏈。
二、DNA的復(fù)制過(guò)程
復(fù)制是連續(xù)的過(guò)程，可分為起始、延長(zhǎng)和終止三個(gè)階段?！?/p>
（一）復(fù)制的起始
起始是DNA復(fù)制中較復(fù)雜的一環(huán)，所需的各種酶和蛋白質(zhì)因子較多，細(xì)節(jié)也未盡清楚。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是要把DNA解成單鏈和生成引物。解鏈酶借助ATP的能量解開(kāi)DNA雙鏈，能量主要用于使維持堿基配對(duì)的氫鍵斷裂。無(wú)論是原核還是真核細(xì)胞，復(fù)制開(kāi)始后，由于DNA雙鏈解開(kāi)，在兩股單鏈上進(jìn)行復(fù)制，在電子顯微鏡下均看到伸展成叉狀的復(fù)制現(xiàn)象，稱(chēng)為復(fù)制叉。
1． DNA解成單鏈
解開(kāi)雙鏈并非解鏈酶單獨(dú)作用。DNA雙螺旋在反向重復(fù)序列的基礎(chǔ)上繞成一圈的超螺旋，超螺旋內(nèi)結(jié)合著至少七種蛋白質(zhì)和酶，其中包括解鏈酶、引物酶及其他的復(fù)制因子。雙鏈解開(kāi)后，還必須在一定時(shí)間內(nèi)保持開(kāi)鏈狀態(tài)，使新加入的核苷酸有模板作依據(jù)。單鏈DNA結(jié)合蛋白結(jié)合于開(kāi)放的單鏈上，起穩(wěn)定和保護(hù)單鏈模板的作用?！?/p>
2． 引發(fā)體的生成
隨從鏈?zhǔn)遣贿B續(xù)復(fù)制，需多次生成引物。引發(fā)體在隨從鏈每一次的引物合成中均起作用。引物酶按堿基配對(duì)規(guī)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個(gè)3′-OH末端。此時(shí)，就可以開(kāi)始真正的DNA復(fù)制。
（二）復(fù)制的延長(zhǎng)
1． 復(fù)制延長(zhǎng)的生化過(guò)程 復(fù)制過(guò)程是在引物（寡核苷酸）上逐個(gè)加入dNTP，使新鏈不斷延長(zhǎng)?！?/p>
（dNMP）n +dNTP——→（dNMP）n+1 +ppi
反應(yīng)式中的寡核苷酸n，可體會(huì)為引物或延長(zhǎng)中的新鏈，其3′-OH與dNTP的α-磷酸基起反應(yīng)，生成3′，5′-磷酸二酯鍵，因而使n延長(zhǎng)為n+1。dNTP上的β和γ-磷酸基游離而生成焦磷酸。新鏈只能從5′端向3′端延長(zhǎng)。這就是DNA復(fù)制的方向性。DNA雙螺旋上兩股單鏈走向相反，復(fù)制時(shí)也按相反走向合成新鏈。
2． 復(fù)制的半不連續(xù)性和崗崎片段 由于DNA雙鏈的走向相反，一鏈?zhǔn)?′→3′方向，其互補(bǔ)鏈?zhǔn)?′→5′方向。分開(kāi)后，兩股單鏈在復(fù)制叉上也是相反走向。復(fù)制，也包括引物的合成，總是從5′→3′方向延伸的。因此，前導(dǎo)鏈可以順著解鏈方向延長(zhǎng)，滯后鏈復(fù)制方向與解鏈方向相反，不能順著解鏈方向連續(xù)延長(zhǎng)。這種情況下，必須等待模板鏈解出足夠的長(zhǎng)度，復(fù)制才能開(kāi)始并延長(zhǎng)。一段鏈在延長(zhǎng)之際，又同時(shí)等待下一段暴露出的單鏈達(dá)到足夠的長(zhǎng)度，因此，這股鏈不可能連續(xù)地復(fù)制?！?/p>
1968年，岡崎用電子顯微鏡及放射自顯影技術(shù)，觀察到DNA復(fù)制過(guò)程中，出現(xiàn)一些不連續(xù)片段。后人證實(shí)了這些不連續(xù)片段只存在于DNA復(fù)制叉上其中的一股。后來(lái)就把這種復(fù)制中不連續(xù)片段稱(chēng)為岡崎片段，至復(fù)制過(guò)程即將全部終結(jié)時(shí)，這些片段互相匯合。
（三）復(fù)制的終止
原核生物復(fù)制，往往從一定的起始點(diǎn)向兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行，稱(chēng)為雙向復(fù)制。某些原核生物還有一定的復(fù)制終止點(diǎn)。
復(fù)制叉中，前導(dǎo)鏈幾乎可以不間斷地延長(zhǎng)，滯后鏈?zhǔn)峭ㄟ^(guò)岡崎片段來(lái)延長(zhǎng)的。第一個(gè)岡崎片段延長(zhǎng)至第二個(gè)岡崎片段引物前方時(shí)，DNA聚合酶的5′→3′外切酶活性可把前方的RNA引物水解,同時(shí)DNA聚合酶的聚合酶活性使岡崎片段繼續(xù)延長(zhǎng)。因?yàn)閺?fù)制總是從5′→3′進(jìn)行的，所以第二個(gè)岡崎片段的引物間隙應(yīng)由第一個(gè)崗崎片段延長(zhǎng)進(jìn)行填補(bǔ)。延長(zhǎng)一直達(dá)到引物遺留的空隙被填滿(mǎn)為止，亦即達(dá)到第二個(gè)片段的5′-磷酸基末端。此時(shí)，第一個(gè)片段的3′-OH和第二個(gè)片段的5′-磷酸基仍是游離的，也就是說(shuō)，兩鏈之間還有個(gè)小缺口，未連接起來(lái)?！?/p>
DNA連接酶在這個(gè)復(fù)制的最后階段起作用，把片段之間所剩的小缺口通過(guò)生成磷酸二酯鍵而接合起來(lái)，成為真正連續(xù)的子鏈?！?/p>
注意：DNA聚合酶只有5′→3′聚合活性，沒(méi)有3′→5′聚合活性！但是DNA聚合酶都具有外切酶活性。因此，在原核生物的環(huán)狀DNA復(fù)制時(shí)所有的引物都能被水解并由DNA鏈填補(bǔ)，但是，在真核生物的線(xiàn)性DNA分子中，前導(dǎo)鏈的RNA引物和滯后鏈的最后一個(gè)RNA引物水解后無(wú)法再形成DNA鏈，與引物配對(duì)的模板鏈形成單鏈，單鏈DNA不穩(wěn)定，隨后被DNA聚合酶的外切酶活性催化水解，導(dǎo)致線(xiàn)性DNA分子每復(fù)制一次，DNA分子就截短一節(jié)。這個(gè)特性導(dǎo)致大多數(shù)真核細(xì)胞不能無(wú)限分裂下去。真核胚胎細(xì)胞體外培養(yǎng)分裂代數(shù)大約為50代。
在無(wú)限增殖的細(xì)胞如生殖細(xì)胞、干細(xì)胞、癌細(xì)胞中存在恢復(fù)DNA原有長(zhǎng)度的端粒酶，端粒酶是一種逆轉(zhuǎn)錄酶。酶分子中存在一段RNA序列，端粒酶以這段RNA為模板合成DNA子鏈，從而恢復(fù)DNA的長(zhǎng)度。這導(dǎo)致DNA分子的兩端出現(xiàn)高度重復(fù)的堿基序列，這種重復(fù)結(jié)構(gòu)存在于染色體的兩端，稱(chēng)做端粒?！?/p>
具有端粒酶的細(xì)胞是可以無(wú)限增殖的?！?/p>
此外，真核生物DNA復(fù)制的同時(shí)，幾乎是與染色體蛋白，包括組蛋白及非組蛋白類(lèi)的合成同步進(jìn)行的。DNA復(fù)制完成后，隨即裝配成核內(nèi)的核蛋白，并組成染色體?！?/p>
（四）DNA復(fù)制的特點(diǎn)：半保留復(fù)制；準(zhǔn)確性、保真性；對(duì)稱(chēng)性；方向性5′→3′?！?br>（五）意義：是細(xì)胞分裂、生物生長(zhǎng)、繁殖的物質(zhì)基礎(chǔ)
三、逆轉(zhuǎn)錄(reverse transcription)與逆轉(zhuǎn)錄酶(reverse transcriptase)
1970年H.Temin和D.Baltimore分別從RNA病毒中發(fā)現(xiàn)了一種酶，能催化以單鏈RNA為模板合成雙鏈DNA的反應(yīng)。反應(yīng)過(guò)程先以單鏈RNA的基因組為模板，催化合成一條單鏈互補(bǔ)DNA(cDNA)。產(chǎn)物與模板生成RNA-DNA雜化雙鏈，雜化雙鏈中的RNA被RNA酶水解后，再以新合成的單鏈DNA為模板，催化合成第二條單鏈DNA。催化此反應(yīng)的酶稱(chēng)為逆轉(zhuǎn)錄酶，也稱(chēng)反轉(zhuǎn)錄酶。酶的作用需Zn2+的輔助。合成方向也是從5′→3′方向延伸新鏈。全過(guò)程所用的引物，現(xiàn)在認(rèn)為是病毒本身的一種tRNA?！?/p>
逆轉(zhuǎn)錄酶具有3種酶活力：①它可利用RNA為模板合成互補(bǔ)DNA鏈，形成RNA-DNA雜化分子（RNA指導(dǎo)的DNA聚合酶活性）；②它以新合成的DNA為模板合成另一條互補(bǔ)DNA鏈，形成DNA雙鏈分子（DNA指導(dǎo)的DNA聚合酶活性）；③具有核糖核酸酶活性，專(zhuān)門(mén)水解RNA-DNA雜化分子中的RNA鏈?！?/p>
逆轉(zhuǎn)錄過(guò)程是依賴(lài)RNA的DNA合成作用；以RNA為模板，由dNTP(dATP、dGTP、dCTP、dTTP)聚合成DNA分子。此過(guò)程中，核酸合成與轉(zhuǎn)錄（DNA→RNA）過(guò)程遺傳信息的流動(dòng)方向相反（RNA→DNA），故稱(chēng)為逆轉(zhuǎn)錄?！?/p>
逆轉(zhuǎn)錄酶和逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象是分子生物學(xué)研究中的重大發(fā)現(xiàn)。中心法則認(rèn)為：DNA的功能兼有遺傳信息的傳遞和表達(dá)，因此，DNA處于生命活動(dòng)的中心位置。逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象說(shuō)明：至少在某些生物，RNA同樣兼有遺傳信息傳遞和表達(dá)功能。20世紀(jì)80年代末，又發(fā)現(xiàn)某些RNA，即核酶（ribozyme）具有催化功能。過(guò)去所知，有生物催化作用的酶，其化學(xué)本質(zhì)都是蛋白質(zhì)。核酶的發(fā)現(xiàn)，使科學(xué)界對(duì)RNA在生命活動(dòng)中的重要性添加了更深刻的認(rèn)識(shí)。有人認(rèn)為，RNA在進(jìn)化過(guò)程中，是比DNA更早出現(xiàn)的生物大分子。
生物體以DNA為模板合成RNA的過(guò)程稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄，意思是把DNA的堿基序列轉(zhuǎn)抄成RNA的堿基序列。DNA分子上的遺傳信息是決定蛋白質(zhì)氨基酸序列的原始模板。RNA把遺傳信息從染色體內(nèi)貯存的狀態(tài)轉(zhuǎn)送至胞液，作為蛋白質(zhì)合成的直接模板。轉(zhuǎn)錄還包括tRNA和rRNA的生物合成，這兩種RNA不用作翻譯模板，但參與蛋白質(zhì)的生物合成?！?/p>
轉(zhuǎn)錄和復(fù)制都是酶促的核苷酸聚合過(guò)程，有許多相似之處：都以DNA為模板；都需依賴(lài)聚合酶；聚合過(guò)程都是核苷酸之間生成磷酸二酯鍵；都從5′→3′方向延伸成新鏈多聚核苷酸；都遵從堿基配對(duì)規(guī)律。但相似之中又有區(qū)別。
（一）模板
轉(zhuǎn)錄時(shí)，DNA雙鏈中一股單鏈作為起轉(zhuǎn)錄作用的模板鏈（用大寫(xiě)字母表示），可稱(chēng)為有意義鏈或W鏈，按堿基配對(duì)規(guī)律指引核苷酸的聚合。與其互補(bǔ)的相應(yīng)鏈稱(chēng)為編碼鏈（用小寫(xiě)字母表示），也可稱(chēng)為反意義鏈或C鏈。
轉(zhuǎn)錄是有選擇性的，在細(xì)胞不同的發(fā)育時(shí)序，按生存條件和需要才轉(zhuǎn)錄。在基因組的龐大的DNA鏈上，也并非任何區(qū)段都可以轉(zhuǎn)錄。能轉(zhuǎn)錄出RNA的DNA區(qū)段，稱(chēng)為結(jié)構(gòu)基因。轉(zhuǎn)錄的這種選擇性，稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)錄（asymmetric transcription）。它有兩方面的含義：一是在DNA雙鏈分子上，一股鏈可轉(zhuǎn)錄，另一股鏈不轉(zhuǎn)錄；其二是模板鏈并非永遠(yuǎn)在同一單鏈上。在DNA雙鏈某一區(qū)段，以其中一單鏈為模板鏈；在另一區(qū)段，又反過(guò)來(lái)以其對(duì)應(yīng)單鏈作模板鏈。處在不同單鏈的模板鏈轉(zhuǎn)錄方向相反。轉(zhuǎn)錄和復(fù)制一樣，產(chǎn)物鏈，即轉(zhuǎn)錄出的RNA鏈，方向總是從5′→3′延長(zhǎng)的。
（二）原料
NTP(ATP、GTP、CTP、UTP)。
（三）酶
轉(zhuǎn)錄酶（transcriptase）即RNA聚合酶（DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶，DDRP），在原核生物及真核生物均廣泛存在，但有所區(qū)別。
原核細(xì)胞中只有一種DDRP，由五個(gè)亞基（α2ββ′σ）共同組成全酶。σ亞基的功能是辨認(rèn)起始點(diǎn)，脫離了σ亞基的α2ββ′稱(chēng)為核心酶，核心酶的作用是延長(zhǎng)RNA鏈。真核細(xì)胞已發(fā)現(xiàn)有三種DDRP，分別稱(chēng)為DDRPⅠ、II、III，它們專(zhuān)一地轉(zhuǎn)錄不同的基因，因此，由它們催化的轉(zhuǎn)錄過(guò)程產(chǎn)物也各不相同。DDRPⅡ被認(rèn)為是真核生物中最重要的DDRP。
（四）過(guò)程
轉(zhuǎn)錄過(guò)程以DDRP辨認(rèn)、結(jié)合DNA模板開(kāi)始。隨著酶向前移動(dòng)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA逐漸延長(zhǎng)。直至轉(zhuǎn)錄酶到達(dá)終止信號(hào)處，DDRP與DNA模板分離，產(chǎn)物RNA鏈脫落，轉(zhuǎn)錄即告終止。真核生物的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物還需要有轉(zhuǎn)錄后再加工的過(guò)程。
1．起始
目前已知，轉(zhuǎn)錄時(shí)DNA解成單鏈的幅度只有10多個(gè)至20個(gè)的堿基對(duì)，形成轉(zhuǎn)錄空泡。原核生物辨認(rèn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)現(xiàn)已知只有σ因子，起始點(diǎn)的堿基序列（被認(rèn)出的DNA區(qū)段）也比較單一。真核生物的情形就復(fù)雜得多。在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游的-30核苷酸處，有共同的5′-TATA盒，稱(chēng)為Hogness盒或TATA盒（TATA Box）。此外，還有好幾組核苷酸序列，統(tǒng)稱(chēng)為順式調(diào)控元件。辨認(rèn)DNA的蛋白質(zhì)不止一種，統(tǒng)稱(chēng)為反式調(diào)控因子。因子與因子之間又需互相結(jié)合、辨認(rèn)，以準(zhǔn)確地調(diào)控基因的表達(dá)。
已證明轉(zhuǎn)錄起始不需引物，兩個(gè)相鄰核苷酸只要與模板相配對(duì)，直接在起始點(diǎn)上就被DDRP催化形成磷酸二酯鍵。為首的一個(gè)總是GTP和ATP，又以GTP更為常見(jiàn)。GTP與隨后而來(lái)的NTP生成磷酸二酯鍵，仍保留三磷酸鳥(niǎo)苷狀態(tài)。5′-端的三磷酸鳥(niǎo)苷結(jié)構(gòu)，不但在延長(zhǎng)中保留，至轉(zhuǎn)錄完成，RNA脫落，也還有這一結(jié)構(gòu)。
第一個(gè)磷酸二酯鍵形成后，σ亞單位即從轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物上脫落。核心酶則連同合成的RNA鏈，繼續(xù)結(jié)合于DNA分子上并沿DNA鏈向前移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)證明：σ亞單位不脫落，DDRP則停留在起始位置，即轉(zhuǎn)錄不能繼續(xù)進(jìn)行。
2．延長(zhǎng)
隨著σ亞基的脫落，核心酶的構(gòu)象會(huì)發(fā)生改變。起始區(qū)的DNA有特殊的堿基序列，因此，酶與模板的結(jié)合有高度的特異性，而且較為緊密。過(guò)了起始區(qū)，不同基因的堿基序列大不相同，所以，DDRP與模板的結(jié)合就是非特異性的。而且結(jié)合得較為松弛，有利于DDRP迅速向前移動(dòng)。DDRP構(gòu)象的改變，就是適應(yīng)于這種不同區(qū)段的結(jié)構(gòu)與需要的?！?/p>
在起始復(fù)合物上，3′-端仍保留糖的游離OH基。作為底物的三磷酸核苷上的α-磷酸就可與這一3′-OH起反應(yīng)，生成磷酸二酯鍵。同時(shí)脫落的β、γ磷酸基則生成無(wú)機(jī)焦磷酸。聚合進(jìn)去的核苷酸又有3′-OH游離，這樣就可按模板鏈的指引，一個(gè)接一個(gè)地延長(zhǎng)下去。產(chǎn)物RNA是沒(méi)有T的；遇到模板為A的的位置時(shí)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物相應(yīng)加入的是U。A-T配對(duì)是兩個(gè)氫鍵，A-U配對(duì)也同樣是兩個(gè)氫鍵。轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程中，DDRP是沿著DNA鏈向前移動(dòng)，新合成的RNA鏈與模板鏈互補(bǔ)?！?/p>
3． 終止
轉(zhuǎn)錄終止的現(xiàn)象是DDRP在模板的某一位置停頓，RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫離出來(lái)。1969年，J.Roberts在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)一種蛋白質(zhì)有控制轉(zhuǎn)錄終止的作用，定名為ρ因子（Rho factor）。ρ因子是幫助DDRP辨認(rèn)終止點(diǎn)并停止轉(zhuǎn)錄的?！?/p>
（五） 方向：5′→3′方向?！?/p>
（六） 轉(zhuǎn)錄后的加工
在原核細(xì)胞，由于不存在核膜，因此RNA是邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯，即轉(zhuǎn)錄還沒(méi)完成，蛋白質(zhì)的翻譯過(guò)程已經(jīng)開(kāi)始。而真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的RNA必須經(jīng)過(guò)加工修飾，然后經(jīng)核膜孔被送入細(xì)胞質(zhì)才能開(kāi)始蛋白質(zhì)的翻譯，所以，真核細(xì)胞在轉(zhuǎn)錄和翻譯之間有一個(gè)加工修飾過(guò)程?！?/p>
mRNA分子的前體是核不均一RNA(hnRNA)，hnRNA的加工修飾主要有四項(xiàng)工作：①加尾，在3′端添加多聚腺苷酸尾巴(poly A)。多聚A的存在保護(hù)遺傳密碼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的長(zhǎng)短決定了mRNA的壽命。②戴帽，即在5端添加m7GpppG（6-甲基鳥(niǎo)苷三磷酸），這種結(jié)構(gòu)使水解酶無(wú)法從5′端進(jìn)行水解；③剪接，真核生物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的RNA不是最后翻譯時(shí)用的模板，其中一些片段會(huì)被核酶進(jìn)行剪切，然后將剩余段落進(jìn)行拼接形成最終的翻譯模板；對(duì)應(yīng)于DNA，被剪切的部分稱(chēng)內(nèi)含子，拼接的段落稱(chēng)外顯子。④化學(xué)修飾，部分堿基進(jìn)行甲基化、還原、移位、脫氨基等修飾過(guò)程）。轉(zhuǎn)錄的RNA經(jīng)剪接或修飾轉(zhuǎn)變成為成熟的具有功能的mRNA。tRNA、rRNA同樣存在加工修飾現(xiàn)象。
翻譯（translation）就是把核酸中四種堿基組成的遺傳信息，以遺傳密碼翻譯方式轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)中20種氨基酸的排列順序。DNA分子貯存遺傳信息，通過(guò)轉(zhuǎn)錄生成mRNA，由mRNA作直接的模板來(lái)指導(dǎo)翻譯。翻譯在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，mRNA則在核內(nèi)（原核生物則在核區(qū)）合成。mRNA經(jīng)過(guò)加工修飾后穿過(guò)核膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)與核糖體結(jié)合，在rRNA和tRNA，還有一些蛋白質(zhì)和酶的共同參與下，以各種氨基酸為原料，完成蛋白質(zhì)的生物合成過(guò)程。
（一） 模板：mRNA?！?/p>
（二） 原料：氨基酰tRNA?！?/p>
（三） 酶
1． 氨基酰tRNA合成酶 有20種以上，催化特定的氨基酸與其相應(yīng)的tRNA結(jié)合，消耗ATP。
2． 轉(zhuǎn)肽酶 催化氨基酸間形成肽鍵，存在于核糖體的大亞基上，過(guò)去認(rèn)為是核糖體的蛋白質(zhì)部分，現(xiàn)在已經(jīng)證實(shí)轉(zhuǎn)肽活性是核糖體輔基RNA的作用，即該RNA具有催化活性。轉(zhuǎn)肽過(guò)程是不需要任何蛋白質(zhì)因子參與的核糖體催化過(guò)程。
3． 移位因子（移位酶） 核糖體向mRNA的3′端移動(dòng)1個(gè)密碼子的距離。
4． 其他因子 起始因子（IF1、2、3）；延長(zhǎng)因子（EF1、2）；終止因子或釋放因子（RF）。
5． 其他物質(zhì) 還有Mg2+、K+等無(wú)機(jī)離子；ATP、GTP等供能物質(zhì)?！?/p>
（四） 方向：mRNA鏈從5′→3′；蛋白質(zhì)多肽鏈從N→C端?！?/p>
（五）三種RNA的作用
1． mRNA
轉(zhuǎn)錄遺傳信息，是翻譯的直接模板，指導(dǎo)蛋白質(zhì)的生物合成。mRNA從5′→3′方向，以AUG開(kāi)始，每三個(gè)相鄰的核苷酸組成一個(gè)三聯(lián)體，組成一個(gè)遺傳密碼。密碼子共64種，有以下特點(diǎn)：
①簡(jiǎn)并性 在遺傳密碼中，除色氨酸和蛋氨酸外，其余氨基酸均有2個(gè)、3個(gè)或4個(gè)多至6個(gè)密碼。有2、3、4個(gè)密碼的氨基酸，其三聯(lián)體上1、2位堿基相同，第3位堿基則不同。若前兩位堿基發(fā)生錯(cuò)配突變，可以譯出不同的氨基酸；而第3位堿基的突變，不會(huì)影響氨基酸的翻譯。
②連續(xù)性 密碼之間沒(méi)有核苷酸間斷，連續(xù)三個(gè)一組往下翻譯。mRNA鏈上的堿基插入或缺失，可造成框移突變，使下游翻譯出的氨基酸完全改變。突變出現(xiàn)堿基插入，也同樣可引起框移。
③通用性 從最簡(jiǎn)單的病毒、原核生物、直至人類(lèi)，都使用相同的一套遺傳密碼。
④擺動(dòng)性 翻譯過(guò)程中，氨基酸的正確加入，需靠mRNA上的密碼與tRNA上的反密碼相互辨認(rèn)。密碼與反密碼配對(duì)辨認(rèn)時(shí)，有時(shí)不完全遵照堿基互補(bǔ)的規(guī)律。尤其是密碼的第3位堿基對(duì)反密碼的第1位堿基，更常出現(xiàn)這種擺動(dòng)現(xiàn)象，即堿基不嚴(yán)格互補(bǔ)也能互相辨認(rèn)。tRNA堿基組成的特點(diǎn)是有很多稀有堿基，其中次黃嘌呤常出現(xiàn)于反密碼的第1位，可以與密碼的第3位A、C或U配對(duì)，這就是常見(jiàn)的擺動(dòng)現(xiàn)象。
2． tRNA
tRNA分子的反密碼可識(shí)別mRNA密碼子，通過(guò)氫鍵相互配對(duì)。tRNA的3′-末端CCA-OH是氨基酸的結(jié)合位點(diǎn)。一種氨基酸可以和2～6種tRNA特異地結(jié)合，已發(fā)現(xiàn)的tRNA有40～50種。tRNA能攜帶活化的氨基酸，總是由mRNA上的遺傳密碼子決定的。這樣由密碼-反密碼-氨基酸之間的“對(duì)號(hào)入座”，保證了從核酸到蛋白質(zhì)的信息傳遞的準(zhǔn)確性?！?/p>
3． rRNA
早在50年代初期，已發(fā)現(xiàn)核糖體可能與蛋白質(zhì)合成有關(guān)。核糖體由大、小亞基構(gòu)成。亞基中各含有了不相同的蛋白質(zhì)和rRNA。在翻譯過(guò)程中，就靠這些蛋白質(zhì)與參與翻譯的各種RNA進(jìn)行高度特異、準(zhǔn)確的相互作用，使氨基酸能按mRNA上遺傳密碼的排列次序合成相應(yīng)的肽鏈。是提供蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所?！?/p>
（六）過(guò)程
1． 氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運(yùn)
氨基酸加ATP，在氨基酰tRNA合成酶的作用下，氨基酸與3′末端游離的OH以酯鍵相結(jié)合成為活化型的氨基酸?！?/p>
氨基酸 + ATP-酶 → 氨基酰-AMP-酶 + PPi
氨基酰-AMP-酶 + tRNA → 氨基酰-tRNA + AMP + 酶
2． 翻譯過(guò)程
也可分為起始、延長(zhǎng)和終止三個(gè)階段?！?/p>
（1）起始：翻譯的起始是將帶有蛋氨酸的tRNA與mRNA結(jié)合到核糖體上形成起始復(fù)合物的過(guò)程。這是mRNA能忠實(shí)地翻譯的關(guān)鍵步驟，也是調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成的部位。此過(guò)程在原核生物與真核生物中完全相同。由大、小亞基、mRNA與甲酰蛋氨酰tRNA共同構(gòu)成70S起始復(fù)合物。
（2）延長(zhǎng)：翻譯過(guò)程的肽鏈延長(zhǎng)，也稱(chēng)為核糖體循環(huán)（ribosmal cycle）。每次核糖體循環(huán)，可分為三個(gè)步驟：注冊(cè)、成肽、轉(zhuǎn)位。每循環(huán)一次，肽鏈延長(zhǎng)一個(gè)氨基酸，如此不斷重復(fù)，肽鏈不斷延長(zhǎng)，直至肽鏈合成終止?！?/p>
①注冊(cè)(進(jìn)位) 指氨基酰-tRNA根據(jù)遺傳密碼的指引，進(jìn)入核糖體的A（受位）位。起始復(fù)合體形成后，核糖體的P位（給位）已為fMet-tRNAfmet占據(jù)，但A位是留空的，而且對(duì)應(yīng)著mRNA的第二位密碼，即緊接AUG的三聯(lián)體。接受新的氨基酰-tRNA進(jìn)入A位（受位）稱(chēng)為進(jìn)位?！?/p>
②成肽(轉(zhuǎn)肽) 此過(guò)程由轉(zhuǎn)肽酶催化，此酶實(shí)際上是核糖體大亞基上的輔基RNA（核酶），成肽的過(guò)程是P位上的fMet-tRNAfmet的?；cA位上的AA-tRNA的氨基進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)在A位上進(jìn)行，即P位上的蛋氨酸移至A位成肽。在整個(gè)延長(zhǎng)過(guò)程中起始蛋氨酸的α-氨基可保留至翻譯終止成為新生的肽鏈上的N-末端。但自然界的蛋白質(zhì)大多數(shù)不是以蛋氨酸作為N-末端的，翻譯后這一N-蛋氨酸，或者N-端的肽段會(huì)被切除。成肽完成后，生成的二肽-tRNA在A位上，這是第一個(gè)核糖體循環(huán)的情況，第二個(gè)循環(huán)，A位上為三肽，第三個(gè)循環(huán)，A位上為四肽，余類(lèi)推。由于成肽中蛋氨酸（以下的循環(huán)則為二肽、三肽……）已移至A位成肽，P位留下一個(gè)無(wú)負(fù)載的tRNA。在成肽結(jié)束前，tRNA從核糖體上脫落，使P位留空。
③轉(zhuǎn)位(移位) 在A位的二肽連同mRNA從A位進(jìn)入P位。這實(shí)際是整個(gè)核糖體的相對(duì)位置的移動(dòng)。催化轉(zhuǎn)位作用的是轉(zhuǎn)位酶。，其活性存在于EFG(延長(zhǎng)因子G)中。由于肽-tRNA-mRNA與核糖體位置的相對(duì)變更，此時(shí)，肽-tRNA-mRNA占據(jù)了P位，A位是留空的。情況和第一循環(huán)開(kāi)始時(shí)一樣，不同的只是P位為肽-tRNA-mRNA，而第一次循環(huán)開(kāi)始P位是fMet-tRNA-mRNA?？傊?，A位留空，并對(duì)應(yīng)著mRNA鏈上第三個(gè)三聯(lián)體密碼，于是，第三個(gè)氨基酸就按密碼的指引進(jìn)入A位注冊(cè)，開(kāi)始下一循環(huán)。同樣，經(jīng)過(guò)注冊(cè)、成肽、轉(zhuǎn)位，P位出現(xiàn)三肽-tRNA-mRNA，A位留空讓第四號(hào)氨基酰-tRNA進(jìn)入注冊(cè)。
可見(jiàn)，核糖體閱讀mRNA密碼是從5′→3′方向進(jìn)行，肽鏈合成是從N-端向C-端方向進(jìn)行的。每進(jìn)行一次核糖體循環(huán)，肽鏈便延長(zhǎng)一個(gè)氨基酸。
（3）終止：肽鏈合成的終止包括終止信號(hào)（UAA、UAG、UGA）的辨認(rèn)，肽鏈從肽- tRNA上水解釋放，mRNA從核糖體中分離，大小亞基拆開(kāi)。終止過(guò)程也需蛋白質(zhì)因子，通常稱(chēng)為釋放因子（RF）。任何一種終止信號(hào)出現(xiàn)，延長(zhǎng)即終止。具體過(guò)程如下：
① 當(dāng)翻譯到A位出現(xiàn)mRNA的終止密碼時(shí)，因無(wú)AA-tRNA與之對(duì)應(yīng)，由RF-1或RF-2識(shí)別終止密碼，進(jìn)入A位。RF-3加強(qiáng)此種作用?！?/p>
② 釋放因子的結(jié)合，可誘導(dǎo)核糖體上的轉(zhuǎn)肽酶將合成的肽鏈轉(zhuǎn)移到水分子，故實(shí)際上表現(xiàn)出酯酶活性，將P位上肽鏈從tRNA分離出來(lái)?！?/p>
③ 通過(guò)GTP水解為GDP及Pi，使殘留在核糖體上的tRNA，乃至各種釋放因子釋出，最終使核糖體也從mRNA脫落下來(lái)。
（七） 多聚核糖體
在蛋白質(zhì)生物合成過(guò)程中，一條mRNA鏈上，常有多個(gè)核糖體呈串珠狀排列，可見(jiàn)核糖體以多聚核糖體的形式存在。每個(gè)核糖體之間約有5～15nm距離，估算在mRNA鏈上的每80個(gè)核苷酸即附有一個(gè)核糖體。多聚核糖體的形成是由于第一個(gè)核糖體在mRNA鏈上隨著翻譯的進(jìn)行而向下游移動(dòng)，空出的起始部位就會(huì)與第二個(gè)核糖體結(jié)合，以后第三、第四個(gè)核糖體也可在mRNA的起始位點(diǎn)進(jìn)入。通過(guò)多個(gè)核糖體在一條mRNA鏈上同時(shí)翻譯，可以大大加速蛋白質(zhì)的合成速度，mRNA得到充分的利用。
（八） 翻譯后加工
從核糖體上最終釋出的多肽鏈，即使能自行卷曲而具有一定的構(gòu)象，但還不是具有生物活性的成熟蛋白質(zhì)，必須進(jìn)一步加工，進(jìn)行切割或修飾，乃至聚合，才能表現(xiàn)出生理活性。這些蛋白質(zhì)的修飾過(guò)程，稱(chēng)為翻譯后加工。翻譯后加工可分為高級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾、一級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾和靶向輸送三方面：
1． 高級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾
①亞基聚合 具四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)由兩條以上的肽鏈通過(guò)非共價(jià)鍵聚合，形成寡聚體。常見(jiàn)的例子如血紅蛋白分子α2β2的聚合。各亞基雖自有獨(dú)立功能，但又必須互相依存，才得以發(fā)揮作用?！?/p>
②輔基連接 結(jié)合蛋白質(zhì)中輔基（輔酶）與肽鏈的結(jié)合是復(fù)雜的生化過(guò)程。例如糖蛋白的糖基化，是目前基因工程中一個(gè)未解決的關(guān)鍵問(wèn)題。不少生物活性物質(zhì)，當(dāng)用基因工程方法表達(dá)出其肽鏈后，還不具備活性。因此，如何使該蛋白質(zhì)實(shí)現(xiàn)糖基化是正在大力研究中的問(wèn)題之一?！?/p>
2． 一級(jí)結(jié)構(gòu)的修飾
①氨基肽酶切除肽鏈N-端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸 翻譯過(guò)程以fMet-tRNAfmet作為第一個(gè)注冊(cè)的起始物，在蛋白質(zhì)合成過(guò)程中，N-端氨基酸總是fMet（甲酰蛋氨酸），其α-氨基是甲酰化的。但天然蛋白質(zhì)大多數(shù)不以蛋氨酸為N-端第一位氨基酸。細(xì)胞內(nèi)的脫甲?；富虬被拿缚梢猿-甲酰基，N-末端蛋氨酸或N-末端的一段肽。這個(gè)過(guò)程不一定等肽鏈合成終止才發(fā)生，有時(shí)邊合成可邊進(jìn)行加工。
②個(gè)別氨基酸殘基的修飾 在結(jié)締組織的蛋白質(zhì)內(nèi)常出現(xiàn)羥脯氨酸、羥賴(lài)氨酸，這兩種氨基酸并無(wú)遺傳密碼、反密碼子及tRNA引導(dǎo)入肽鏈，而是在脯氨酸、賴(lài)氨酸殘基經(jīng)過(guò)羥化而出現(xiàn)的。不少酶的活性中心上有磷酸化的絲氨酸、蘇氨酸，甚至酪氨酸；這些含-OH基團(tuán)的氨基酸是翻譯后才磷酸化的。多肽鏈內(nèi)或肽鏈之間往往可由兩個(gè)半胱氨酸的-SH形成的二硫鍵，這是常見(jiàn)的維系蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵，其形成也是在肽鏈合成后兩個(gè)半胱氨酸的-SH基脫氫氧化而連接的?！?/p>
③部分肽段水解切除修飾 真核生物中往往會(huì)遇到一條已合成的多肽鏈經(jīng)翻譯后加工產(chǎn)生多種不同活性的蛋白質(zhì)或肽的情況。最典型的例子如鴉片促黑皮質(zhì)素原，由265個(gè)氨基酸殘基組成，經(jīng)水解修剪，可生成ACTH（三十九肽）、β-MSH(十八肽)等活性物質(zhì)?！?/p>
3． 蛋白質(zhì)合成后的靶向輸送
蛋白質(zhì)合成后，定向地到達(dá)其執(zhí)行功能的目標(biāo)地點(diǎn)，稱(chēng)為靶向輸送。穿過(guò)合成所在細(xì)胞到其他組織細(xì)胞去的蛋白質(zhì)，可統(tǒng)稱(chēng)為分泌性蛋白質(zhì)。
蛋白質(zhì)生物合成與遺傳、分化、免疫、腫瘤發(fā)生以及藥物作用均有密切關(guān)系，是醫(yī)學(xué)上的重大課題。
一、分子病
分子病是由于DNA分子上堿基的變化（基因突變），引起mRNA和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變異，導(dǎo)致體內(nèi)某些結(jié)構(gòu)和功能的異常，由此造成的疾病。例如鐮刀形紅細(xì)胞貧血，病人血紅蛋白β-鏈的N-端第6位氨基酸殘基由親水的谷氨酸變成疏水的纈氨酸，這是由于結(jié)構(gòu)基因發(fā)生單一堿基變異，在轉(zhuǎn)錄時(shí)使mRNA相應(yīng)密碼子單個(gè)堿基發(fā)生改變，以致在翻譯時(shí)在血紅蛋白β-鏈N-端第6位氨基酸殘基的谷氨酸被纈氨酸替代。患者血紅蛋白容易析出聚集，而使紅細(xì)胞變型成鐮刀型并較易破裂而引起溶血。
二、干擾素抗病毒感染
干擾素是一組小分子的糖蛋白，宿主細(xì)胞受病毒感染后，病毒在細(xì)胞繁殖過(guò)程中復(fù)制產(chǎn)生的雙鏈RNA能誘導(dǎo)宿主細(xì)胞產(chǎn)生干擾素，產(chǎn)生的干擾素能作用于其他鄰近細(xì)胞，使這些細(xì)胞具有抗病毒的能力，從而抑制病毒的繁殖。
三、抗生素對(duì)蛋白質(zhì)合成的影響
多種抗生素可作用于復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯各個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)抑制細(xì)菌或腫瘤細(xì)胞蛋白質(zhì)的合成，起到抑菌或抗癌作用?！?/p>
抑制DNA模板功能的抗生素有爭(zhēng)光霉素、自力霉素、放線(xiàn)菌素、絲裂霉素C等。例如絲裂霉素C能選擇性地與模板DNA上鳥(niǎo)嘌呤的第6位氧原子結(jié)合，妨礙DNA雙鏈拆開(kāi)，從而抑制DNA復(fù)制，臨床上用以治療白血病、肉瘤等惡性腫瘤?！?/p>
抑制RNA合成的抗生素有利福霉素，其作用機(jī)制是利福霉素與原核細(xì)胞RNA聚合酶的β-亞基結(jié)合，使核心酶不能和起始因子σ結(jié)合，從而抑制轉(zhuǎn)錄，利福霉素對(duì)真核細(xì)胞的RNA聚合酶無(wú)明顯作用，臨床用以抗結(jié)核治療。
抑制蛋白質(zhì)翻譯過(guò)程的抗生素有鏈霉素和卡那霉素，能與30S亞基結(jié)合，使氨基酰-tRNA上的反密碼子與mRNA上的密碼子結(jié)合松弛，還能引起讀碼錯(cuò)誤，導(dǎo)致合成異常蛋白質(zhì)。四環(huán)素與小亞基結(jié)合，能阻止氨基酰-tRNA注冊(cè)，另外氯霉素能與原核細(xì)胞大亞基結(jié)合，抑制轉(zhuǎn)肽酶的活性，阻止肽鍵的形成。
聯(lián)系客服
