《生物学》课程教学资源（教材讲义）第三部分 生物能学 第15章 基因及其作用

第15章基因及其作用要点概述15.1中心法则描述了基因编码信息的流向细胞通过RNA来制造蛋白。基因信息的表达分为两步，首先是转录成RNA，然后RNA再被翻译成蛋白。15.2基因编码的信息由三核苷酸密码子表示遗传密码。蛋白质中的氨基酸序列是由DNA的核苷酸序列来编码的，每三个核苷酸编码一个氨基酸。15.3基因先转录后翻译转录：RNA聚合酶使DNA双螺旋解旋，并合成一条链的RNA拷贝。翻译：mRNA的翻译是通过激活酶来选择与相应氨基酸匹配的tRNA。蛋白质在核糖体上合成，核糖体为tRNA和mRNA的相互作用提供了框架。15.4真核细胞的基因转录本是剪接的内含子的发现。真核细胞的基因含有很多并不翻译的部分。细菌与真核细胞基因表达的区别。细菌与真核细胞的基因表达大致是相似的，虽然在某些方面存在着差异。你身体的每一个细胞内都含有遗传物质，它们决定了你将会具有胳膊而不是鱼鳍，长出头发而不是羽毛，两个眼睛而不是一个。你眼晴的颜色，指甲的纹理，以及其他你从父母那里继承来的特征都记录在你的身体细胞内。正如我们所知，这些信息包含在长链DNA分子内（图15.1）。这些遗传的根本物质为细胞提供了运用其DNA中的信息产生出特殊蛋白质从而影响细胞形态功能的能力。从这个角度上讲，蛋白质是遗传的工具。本章我们将要分别以原核细胞和真核细胞为

第 15 章 基因及其作用 要点概述 15.1 中心法则描述了基因编码信息的流向 细胞通过 RNA 来制造蛋白。基因信息的表达分为两步 。 ，首先是转录成 RNA， 然后 RNA 再被翻译成蛋白。 15.2 基因编码的信息由三核苷酸密码子表示 遗传密码。蛋白质中的氨基酸序列是由 。 DNA 的核苷酸序列来编码的，每三 个核苷酸编码一个氨基酸。 15.3 基因先转录后翻译 转录：RNA 聚合酶使 DNA 双螺旋解旋，并合成一条链的 RNA 拷贝。 翻译：mRNA 的翻译是通过激活酶来选择与相应氨基酸匹配的 tRNA。蛋白 质在核糖体上合成，核糖体为 tRNA 和 mRNA 的相互作用提供了框架。 15.4 真核细胞的基因转录本是剪接的 内含子的发现。真核细胞的基因含有很多并不翻译的部分 。 。 细菌与真核细胞基因表达的区别。细菌与真核细胞的基因表达大致是相似 。 的，虽然在某些方面存在着差异。 你身体的每一个细胞内都含有遗传物质，它们决定了你将会具有胳膊而不是 鱼鳍，长出头发而不是羽毛，两个眼睛而不是一个。你眼睛的颜色，指甲的纹理， 以及其他你从父母那里继承来的特征都记录在你的身体细胞内。正如我们所知， 这些信息包含在长链 DNA 分子内（图 15.1）。这些遗传的根本物质为细胞提供 了运用其 DNA 中的信息产生出特殊蛋白质从而影响细胞形态功能的能力。从这 个角度上讲，蛋白质是遗传的工具。本章我们将要分别以原核细胞和真核细胞为

LargeribosomalLarge subunitsubunitPsiteEsiteAsiteSmallsubunitmRNAbindingsiteSmall ribosomalsubunit图15.2：每个核糖体由两个亚基组成。较小的亚基结合在较大亚基表面上的一个凹陷处。在本章后面讨论图15.1：大肠杆菌的染色体。到的A，P和E位点在蛋白质合成中起到了关键的作这一团复杂缠乱的DNA代表用。着大肠杆菌一整套合成生命物Large subunit大亚基；small subunit小亚基；Large质的指令。ribosomalsubunit核糖体大亚基：smallribosomalsubunit核糖体小亚基；mRNAbinding sitemRNA结合位点：EsiteE位点：AsiteA位点：PsiteP位点；例，讨论蛋白质是如何根据DNA中的遗传信息合成的。15.1中心法则描述了基因编码信息的流向细胞通过 RNA 来制造蛋白为了了解真核细胞是如何运用其DNA来指导蛋白质合图15.3：核糖体是非常复杂的机构。细菌核糖体的大成的，你必须先知道蛋白质是亚基的完整原子结构最近在2.4A分辨率上得到解在细胞内什么地方合成的。我析。这个亚基的RNA表示为灰色，蛋白质是金黄色。亚基的RNA缠绕成不规则的形状，并互相吻合就好们可以把细胞放置在含有放像三维的智力拼图。蛋白质合成中形成肽键的化学反射性标记氨基酸的培养基中应是在核糖体RNA在最内部进行的。核糖体于是也就成了核酶。蛋白质在活性部位上缺少，但在表面上一段时间来解答这个问题。细的各个部位都很丰富。蛋白质通过与相邻的RNA链胞会利用标记的氨基酸并将相互作用来稳定其结构

例，讨论蛋白质是如何根据 DNA 中的遗传信息合成的。 15.1 中心法则描述了基 因编码信息的流向 细胞通过 RNA 来制造蛋 白 为了了解真核细胞是如何 运用其 DNA 来指导蛋白质合 成的，你必须先知道蛋白质是 在细胞内什么地方合成的。我 们可以把细胞放置在含有放 射性标记氨基酸的培养基中 一段时间来解答这个问题。细 胞会利用标记的氨基酸并将 图 15.1：大肠杆菌的染色体 ：大肠杆菌的染色体。 这一团复杂缠乱的 DNA 代表 着大肠杆菌一整套合成生命物 质的指令。 图 15.2：每个核糖体由两个亚基组成 ：每个核糖体由两个亚基组成。较小的亚基结 合在较大亚基表面上的一个凹陷处。在本章后面讨论 到的 A，P 和 E 位点在蛋白质合成中起到了关键的作 用。 Large subunit 大亚基；small subunit 小亚基；Large ribosomal subunit 核糖体大亚基；small ribosomal subunit 核糖体小亚基；mRNA binding site mRNA 结合位点；E site E 位点；A site A 位点；P site P 位点； 图 15.3：核糖体是非常复杂的机构 ：核糖体是非常复杂的机构。细菌核糖体的大 亚基的完整原子结构最近在 2.4Å 分辨率上得到解 析。这个亚基的 RNA 表示为灰色，蛋白质是金黄色。 亚基的 RNA 缠绕成不规则的形状，并互相吻合就好 像三维的智力拼图。蛋白质合成中形成肽键的化学反 应是在核糖体 RNA 在最内部进行的。核糖体于是也 就成了核酶。蛋白质在活性部位上缺少，但在表面上 的各个部位都很丰富。蛋白质通过与相邻的 RNA 链 相互作用来稳定其结构

其整合到蛋白质中，如果我们OH找到放射性蛋白质最先出现Aminoacidattacheshere-在细胞的什么部位，我们会发现那不是含有DNA的细胞核，而是在细胞质内RNA和蛋白质的聚合体叫做核糖体Anticodon(ribosomes)（图15.2）。这些多-Anticodon肽工厂非常的复杂，由若干图15.4：tRNA的结构（a）在二维示意图上，tRNARNA分子和超过50种不同的的三个环不是折叠的。其中的两个环在多肽链合成蛋白质组成（图15.3）。蛋白的时候与核糖体结合，而第三个环上含有一个反密码子序列，它与信使RNA上的三碱基序列互补。氨质合成涉及核糖体表面上的基酸与游离的单链上的-OH端相结合。（b）在三维三个不同的位点，分别叫做P，结构上，tRNA的环是折叠的。Anticodon反密码子：aminoacidattacheshere氨基A和E位点，在本章后面将要酸附着此处讨论。RNA的种类在核糖体内发现的RNA叫做核糖体RNA（rRNA）(ribosomalRNA)。在多肽的合成过程中，rRNA提供了多肽的装配场所。除了rRNA，细胞内还有两种重要的RNA。转运RNA（tRNA）（TransferRNA）分子不仅将合成多肽所需的氨基酸运输至核糖体，同样也确定了每个氨基酸在伸长的多肽链上的正确位置（图15.4)。人类细胞含有大约45种不同的tRNA分子。信使RNA（mRNA)(MessengerRNA)分子是从DNA转录来的长链RNA分子，它转移到核糖体上以精确地指导哪种氨基酸组装进多肽中。这些RNA分子，再加上核糖体蛋白质和某些酶，组成了一个能够阅读DNA中由核苷酸序列编码的信息并制造该信息所决定的多肽链的体系。正如我们将要看到的，生物学家也学会了阅读这些信息。这样，他们就了解了许多关于基因到底是什么、如何指导蛋白质的合成和将在什么时候进行合成。中心法则(TheCentralDogma)所有的生物体，从最简单的细菌到我们自己，都是通过同样的基本机制来解

其整合到蛋白质中，如果我们 找到放射性蛋白质最先出现 在细胞的什么部位，我们会发 现那不是含有 DNA 的细胞 核，而是在细胞质内 RNA 和 蛋白质的聚合体叫做核糖体 (ribosomes)（图 15.2）。这些多 肽工厂非常的复杂，由若干 RNA 分子和超过 50 种不同的 蛋白质组成（图 15.3）。蛋白 质合成涉及核糖体表面上的 三个不同的位点，分别叫做 P， A 和 E 位点，在本章后面将要 讨论。 RNA 的种类 在核糖体内发现的 RNA 叫做核糖体 RNA（rRNA）(ribosomal RNA)。在多肽 的合成过程中，rRNA 提供了多肽的装配场所。除了 rRNA，细胞内还有两种重 要的 RNA。转运 RNA（tRNA）（Transfer RNA）分子不仅将合成多肽所需的氨 基酸运输至核糖体，同样也确定了每个氨基酸在伸长的多肽链上的正确位置（图 15.4）。人类细胞含有大约 45 种不同的 tRNA 分子。信使 RNA（mRNA）(Messenger RNA)分子是从 DNA 转录来的长链 RNA 分子，它转移到核糖体上以精确地指导 哪种氨基酸组装进多肽中。 这些 RNA 分子，再加上核糖体蛋白质和某些酶，组成了一个能够阅读 DNA 中由核苷酸序列编码的信息并制造该信息所决定的多肽链的体系。正如我们将要 看到的，生物学家也学会了阅读这些信息。这样，他们就了解了许多关于基因到 底是什么、如何指导蛋白质的合成和将在什么时候进行合成。 中心法则(The Central Dogma) 所有的生物体，从最简单的细菌到我们自己，都是通过同样的基本机制来解 图 15.4：tRNA 的结构 （a）在二维示意图上，tRNA 的三个环不是折叠的。其中的两个环在多肽链合成 的时候与核糖体结合，而第三个环上含有一个反密 码子序列，它与信使 RNA 上的三碱基序列互补。氨 基酸与游离的单链上的-OH 端相结合。（b）在三维 结构上，tRNA 的环是折叠的。 Anticodon 反密码子；amino acid attaches here 氨基 酸附着此处

读和表达基因的，所以正如我NN们所知，生命的基础就是通常Transcription所提到的“中心法则”：信息从喜MRNA基因（DNA）传递至基因的一Translation个RNA拷贝，然后这个RNA福拷贝再指导氨基酸链的序列装配（图15.5）。简要地说，就是：图15.5：基因表达的中心法则。DNA转录成mRNA，而mRNA翻译成蛋白质。DNA-RNA→蛋白质Transcription转录；translation翻译；protein蛋白质转录：概述中心法则的第一步是信息从DNA到RNA的转移，这发生在基因的mRNA拷贝产生的时候。像其他的RNA一样，mRNA同样以DNA模板合成。因为DNA的序列被转录为RNA的序列，这个步骤就被称为转录(transcription)。当RNA聚合酶(RNApolymerase)与基因起始端的一个叫做启动子(promoter)的特殊结合位点相结合的时候，转录就开始了。从这里开始，RNA聚合酶沿着基因链移动。它每遇到一个DNA核苷酸，就相应在不断伸长的mRNA链上加上一个互补的RNA核苷酸。于是，DNA中的鸟嘌呤（G），胞嘧啶（C)，胸腺嘧啶（T）和腺嘌呤（A）分别与mRNA中的C,GA和尿啶（U）相对应。当RNA聚合酶遇到基因另一端的转录“终止”信号时，它便从DNA上脱离下来，并释放出新合成的RNA链。这条链是与它所复制基因互补的转录本。翻译：概述中心法则的第二步是把RNA信息翻译成蛋白质，也就是mRNA转录本中所含的信息用来指导核糖体上多肽链合成时的氨基酸序列。这个过程叫做翻译(translation)，因为mRNA转录本中的核苷酸序列被翻译成了多肽链中的氨基酸序列。当核糖体中的rRNA分子辨认并结合在mRNA上的一个“开始”序列的时候，翻译就开始了。核糖体随后沿着mRNA分子移动，一次三个核苷酸。每三个一组的核苷酸都是一个决定什么氨基酸将要被加在伸长的多肽链上的密码子。核糖体按此方法继续移动直到它遇到一个翻译“终止”信号：然后它从mRNA

读和表达基因的，所以正如我 们所知，生命的基础就是通常 所提到的“中心法则”：信息从 基因（DNA）传递至基因的一 个 RNA 拷贝，然后这个 RNA 拷贝再指导氨基酸链的序列装 配（图 15.5）。简要地说，就是： DNA→RNA→蛋白质 转录：概述 中心法则的第一步是信息从 DNA 到 RNA 的转移，这发生在基因的 mRNA 拷贝产生的时候。像其他的 RNA 一样，mRNA 同样以 DNA 模板合成。因为 DNA 的序列被转录为 RNA 的序列，这个步骤就被称为转录(transcription)。当 RNA 聚合酶(RNA polymerase)与基因起始端的一个叫做启动子(promoter)的特殊结 合位点相结合的时候，转录就开始了。从这里开始，RNA 聚合酶沿着基因链移 动。它每遇到一个 DNA 核苷酸，就相应在不断伸长的 mRNA 链上加上一个互补 的 RNA 核苷酸。于是，DNA 中的鸟嘌呤（G），胞嘧啶（C），胸腺嘧啶（T）和 腺嘌呤（A）分别与 mRNA 中的 C,G,A 和尿嘧啶（U）相对应。 当 RNA 聚合酶遇到基因另一端的转录“终止”信号时，它便从 DNA 上脱离 下来，并释放出新合成的 RNA 链。这条链是与它所复制基因互补的转录本。 翻译：概述 中心法则的第二步是把 RNA 信息翻译成蛋白质，也就是 mRNA 转录本中所 含的信息用来指导核糖体上多肽链合成时的氨基酸序列。这个过程叫做翻译 (translation)，因为 mRNA 转录本中的核苷酸序列被翻译成了多肽链中的氨基酸 序列。当核糖体中的 rRNA 分子辨认并结合在 mRNA 上的一个“开始”序列的 时候，翻译就开始了。核糖体随后沿着 mRNA 分子移动，一次三个核苷酸。每 三个一组的核苷酸都是一个决定什么氨基酸将要被加在伸长的多肽链上的密码 子。核糖体按此方法继续移动直到它遇到一个翻译“终止”信号；然后它从 mRNA 图 15.5：基因表达的中心法则 ：基因表达的中心法则。DNA 转录成 mRNA， 而 mRNA 翻译成蛋白质。 Transcription 转录；translation 翻译；protein 蛋白质

上脱离下来，并释放新生的多肽链。中心法则的两个步骤合并在一起，就是一个有活性的基因表达过程的简要概述。生物学家就把这个过程称为基因表达(geneexpression)。遗传信息的表达分两步：转录，在此过程中RNA聚合酶合成一条与DNA核苷酸序列互补的mRNA分子；翻译，在此过程中核糖体合成多肽，其氨基酸顺序由mRNA中的核苷酸序列所决定。15.2基因编码的信息由三个一组的核苷酸密码子表示遗传密码基因表达的根本问题是：“DNA分子的核苷酸顺序是如何编码多肽链中氨基酸顺序的信息的？”答案于1961年由弗朗西斯·克里克领导的实验所揭晓。由于这个实验是如此精巧，其结果对于理解遗传密码又是如此关键，因此我们将细致地介绍实验的细节。证明密码子仅由三个学母组成克里克和他的同事推测遗传密码是由一系列的叫做密码子(codons)的信息单位组成，每一个密码子对应编码的蛋白质当中的一个氮基酸。他们更进一步假设一个密码子当中的信息可能是由三个核苷酸的序列来确定一个氨基酸。他们认为是三，是因为两个核苷酸组成的密码子不够用来编码蛋白质中常见的20中氨基酸。对于DNA的四种核苷酸（G，C，T和A）来说，只能形成42，或者说16种不同的核酸对。但是，同样是这四中核苷酸可以排成4也就是64种不同的三元组合，对于20种氨基酸来说足够了。理论上来说，基因的密码子可以紧挨着排列，形成连续转录的核苷酸序列。或者，在密码子之间序列也可以由不发生编译的核苷酸打断，就像句子中用空格来间隔单词。确定细胞到底使用那种方式至关重要，因为这两种不同的DNA编译方法意味着不同的翻译过程。为了从这两种不同的机制中做出正确的选择，克里克和他的同事们使用化学物质去掉一种病毒DNA分子中的一个、两个或三个核苷酸，然后看看删除位点

上脱离下来，并释放新生的多肽链。 中心法则的两个步骤合并在一起，就是一个有活性的基因表达过程的简要概 述。生物学家就把这个过程称为基因表达(gene expression)。 遗传信息的表达分两步：转录，在此过程中 RNA 聚合酶合成一条与 DNA 核苷酸序列互补 的 mRNA 分子；翻译，在此过程中核糖体合成多肽 ，在此过程中核糖体合成多肽，其氨基酸顺序由 ，其氨基酸顺序由 mRNA 中的核苷酸 序列所决定。 15.2 基因编码的信息由三个一组的核苷酸密码子表示 遗传密码 基因表达的根本问题是：“DNA 分子的核苷酸顺序是如何编码多肽链中氨基 酸顺序的信息的？”答案于 1961 年由弗朗西斯·克里克领导的实验所揭晓。由 于这个实验是如此精巧，其结果对于理解遗传密码又是如此关键，因此我们将细 致地介绍实验的细节。 证明密码子仅由三个字母组成 克里克和他的同事推测遗传密码是由一系列的叫做密码子(codons)的信息单 位组成，每一个密码子对应编码的蛋白质当中的一个氨基酸。他们更进一步假设 一个密码子当中的信息可能是由三个核苷酸的序列来确定一个氨基酸。他们认为 是三，是因为两个核苷酸组成的密码子不够用来编码蛋白质中常见的 20 中氨基 酸。对于 DNA 的四种核苷酸（G，C，T 和 A）来说，只能形成 4 2，或者说 16 种不同的核苷酸对。但是，同样是这四中核苷酸可以排成 4 3 也就是 64 种不同的 三元组合，对于 20 种氨基酸来说足够了。 理论上来说，基因的密码子可以紧挨着排列，形成连续转录的核苷酸序列。 或者，在密码子之间序列也可以由不发生编译的核苷酸打断，就像句子中用空格 来间隔单词。确定细胞到底使用那种方式至关重要，因为这两种不同的 DNA 编 译方法意味着不同的翻译过程。 为了从这两种不同的机制中做出正确的选择，克里克和他的同事们使用化学 物质去掉一种病毒 DNA 分子中的一个、两个或三个核苷酸，然后看看删除位点

Delete1baseWHYDIDTHEREDBATEATTHEFATRAT?HypothesisA:DeleteTunpunctuated WHYDIDHEREDBATEATTHEFATRAT?(Nonsense)WHYODIDOTHEOREDOBATOEATOTHEOFATORAT?HypothesisB:DeleteTpunctuatedORoRBETFWHYDIDHEOEDOATOATOHEOATOAT?(Nonsense)Delete3basesHypOthesisA:WHYDIDTHEREDBATEATTHEFATRAT?unpunctuatedDeleteT,R,and AWHYDIDHEEDBTEATTHEFATRAT?(Sense)(Nonsense)WHYODIDOTHEOREDOBATOEATOTHEOFATORAT?HypothesisB:DeleteT,R,andApunctuatedaoT日口口ETWHYDIDHEODOBOEAOTHOFAORA?(Nonsense)图15.6运用DNA的移码变换测定遗传密码是否被打断。假设这里的遗传信息是“为什么红蝙蝠吃掉了肥老鼠（Whydidtheredbateatthefatrat?）?”根据假说B，信息被打断，三个字母组成的单词被不读取的核苷酸隔开（用字母O表示）。Hypothesis假设；delete删除；bases碱基；and和；nonsense无意义；sense有意义的：punctuated隔开的；unpunctuated未隔开的注：图中的其余字母按原样保留下游的基因能否被正确无误地转录。当他们做一个或两个相邻的删除，遗传信息的阅读框(readingframe)发生了改变，下游的基因转录后为无意义链。但是，当他们删除三个相邻核苷酸时，便恢复了正确的阅读模式，下游基因也被正确地转录了。通过往DNA上分别加上一个、两个或三个核苷酸，他们也得到了相同的结果。如图15.6所示，如果密码子被不转录的核苷酸打断就得不到这些结果。所以，克里克和他的同事们得出结论，认为遗传密码的读取递增是由三个核苷酸组成的（换句话说，就是三联体密码（tripletcode））而读取过程是以三个核苗酸为单位连续不间断地进行。破译遗传密码在克里克进行实验的同一年里，其他的研究人员成功地测定了特定的三个核苷酸所确定的氨基酸。马歇尔·尼尔博格（MarshallNirenberg）在1961年发现向无细胞体系中加入合成的mRNA分子多聚U（一种由一串尿嘧啶核苷酸组成

下游的基因能否被正确无误地转录。当他们做一个或两个相邻的删除，遗传信息 的阅读框(reading frame)发生了改变，下游的基因转录后为无意义链。但是，当 他们删除三个相邻核苷酸时，便恢复了正确的阅读模式，下游基因也被正确地转 录了。通过往 DNA 上分别加上一个、两个或三个核苷酸，他们也得到了相同的 结果。如图 15.6 所示，如果密码子被不转录的核苷酸打断就得不到这些结果。 所以，克里克和他的同事们得出结论，认为遗传密码的读取递增是由三个核苷酸 组成的（换句话说，就是三联体密码（triplet code））而读取过程是以三个核苷 ） 酸为单位连续不间断地进行。 破译遗传密码 在克里克进行实验的同一年里，其他的研究人员成功地测定了特定的三个核 苷酸所确定的氨基酸。马歇尔·尼尔博格（Marshall Nirenberg）在 1961 年发现 向无细胞体系中加入合成的 mRNA 分子多聚 U（一种由一串尿嘧啶核苷酸组成 图 15.6 运用 DNA 的移码变换测定遗传密码是否被打断。假设这里的遗传信息是“为什 么红蝙蝠吃掉了肥老鼠（Why did the red bat eat the fat rat?）?”根据假说 B，信息被打断， 三个字母组成的单词被不读取的核苷酸隔开（用字母 O 表示）。 Hypothesis 假设；delete 删除；bases 碱基；and 和；nonsense 无意义；sense 有意义 的；punctuated 隔开的；unpunctuated 未隔开的 注：图中的其余字母按原样保留！

的RNA分子。）会产生多肽聚苯丙氨酸（一连串苯丙氨酸）。所以，决定苯丙氨酸的三核苷酸序列是UUU。1964年，尼尔博格和飞利普·莱得（PhilipLeder）表15.1遗传密码FirstThirdSecondLetterLetterLetterCGUAUAUTUGUcysteineUCUUUUUUUAC TyrosinephenylalanineuccSerineUGCCUUCUAAStopUGAStopAUUAUCAUUGLeucineUCGUAGStopUGGTryptophanGCGUUCUUCCUHetdnecCCGCArginineCuC LeucineCCCProlineCCAACUACAAGlutamineCGACUGCCGCGGGCAGUAUUACUAAUAGUAAuc lsoleucineACThreonineACAsparagineAGCSerinecAUAMethionine;AAAAAGAACALysineArginineAUGStartACGAAGAGGGUGUUGCUGAUGGUGAspartatecGUC ValineGCCAlanineGACGGCGlycineAGUAGCAGGAGAAGlutamateGUGGGGGGCGGAG每个密码子由图示顺序的三个核苷酸组成。比如，ACU表示苏氨酸。第一个字母，A，位于第一字母列中；第二个字母，C，位于第二字母列中；然后是第三个字母，U，位于第三字母列中。每个mRNA密码子都由一个tRNA上的相对应的反密码子来辨认。有些tRNA分子能够辨认一个以上的mRNA，但它们代表的都是同一个氨基酸。实际上，大多数氢基酸都可以由一个以上的密码子确定。举个例子，苏氨酸由四个密码子确定，这四个密码子只在第三个核苷酸上有区别（ACU.ACC.ACA.ACG）。FirstLetter第一个字母；Secondletter第二个字母；thirdletter第三个字母；发明出一种很有说服力的三联体结合分析法（tripletbindingassay），可以检验特定的三联体会与哪个放射性的氨基酸（与tRNA复合）相结合。64种中的47种可能的三联体中给出了明确的结果。HarGobindKhorana通过建立具有确定序列的人工mRNA分子并测定其指导的多肽链的方法破译了剩下的17种三联体。这样，所有可能的64种三联体序列就都被测出，所有的遗传密码就被破译了（表15.1)。这些密码几乎是通用的在几乎所有的生物体中遗传密码都是相同的。比如，密码子AGA在细菌

的 RNA 分子。）会产生多肽聚苯丙氨酸（一连串苯丙氨酸）。所以，决定苯丙氨 酸的三核苷酸序列是 UUU。1964 年，尼尔博格和飞利普·莱得（Philip Leder） 表 15.1 遗传密码 发明出一种很有说服力的三联体结合分析法（triplet binding assay），可以检验 特定的三联体会与哪个放射性的氨基酸（与 tRNA 复合）相结合。64 种中的 47 种可能的三联体中给出了明确的结果。Har Gobind Khorana 通过建立具有确定序 列的人工 mRNA 分子并测定其指导的多肽链的方法破译了剩下的 17 种三联体。 这样，所有可能的 64 种三联体序列就都被测出，所有的遗传密码就被破译了（表 15.1）。 这些密码几乎是通用的 在几乎所有的生物体中遗传密码都是相同的。比如，密码子 AGA 在细菌、 每个密码子由图示顺序的三个核苷酸组成。比如，ACU 表示苏氨酸。第一个字母，A， 位于第一字母列中；第二个字母，C，位于第二字母列中；然后是第三个字母，U，位于 第三字母列中。每个 mRNA 密码子都由一个 tRNA 上的相对应的反密码子来辨认。有些 tRNA 分子能够辨认一个以上的 mRNA，但它们代表的都是同一个氨基酸。实际上，大 多数氨基酸都可以由一个以上的密码子确定。举个例子，苏氨酸由四个密码子确定，这 四个密码子只在第三个核苷酸上有区别（ACU,ACC,ACA,ACG）。 First Letter 第一个字母；second letter 第二个字母；third letter 第三个字母；

人类和几乎所有被研究过遗传密码的生物体中都编码精氨酸。遗传密码的通用性是所有生物都具有共同进化渊源的强有力的证据之一。因为密码是通用的，由一种生物转录来的基因才可以被另外一种生物所翻译；mRNA足以指令一种功能上具有活性的蛋白质。与之相似，基因可以在一种生物与另一种之间转移并可以在其新的宿主成功地转录和翻译。基因表达的通用性对许多基因工程的进展来说很重要。很多商业产品如用来治疗糖尿病的胰岛素，现在就是通过把人类基因植入细菌这些能够生产大量胰岛素的微小工厂来大量生产的。但并非完全通用1979年，研究者开始测定人类、牛和鼠的线粒体基因组的互补核苷酸序列。当研究人员发现这些哺乳动物线粒体所使用的遗传密码并非像生物学家所熟悉的“通用密码”那样完全相同时大为吃惊。在线粒体基因组中，本来表示“停”的密码子UGA现在被读做色氨酸；AUA被读做甲硫氨酸而不是异亮氨酸；AGA和AGG被读做“停”而不是原来的精氨酸。还有，在叶绿体和纤毛虫（某中原生生物）中也发现了与通用密码的一些微小差别。因此，遗传密码似乎还并不是完全通用的。很久以前，大概是它们开始以内共生的方式存在之后吧，线粒体和叶绿体就开始以不同的方式阅读密码，特别是那个和“停”信号有关的密码部分。在编码蛋白质的基因中，DNA的核苷酸序列以三个相邻的核苷酸为一组进行阅读，组间没有间断。每个组，或者叫密码子，编码一个氨基酸。15.3基因先转录后翻译转录基因表达的第一步是产生编码基因的DNA序列的RNA拷贝，这个过程叫做转录。要了解转录过程背后的机制，首先要关注执行转录的一种值图15.7：RNA聚合酶。在这张电子显微镜照片中，得注意的酶：RNA聚合酶（图暗色圆圈就是与噬菌体DNA上的几个启动子位点相结合的RNA聚合酶分子

人类和几乎所有被研究过遗传密码的生物体中都编码精氨酸。遗传密码的通用性 是所有生物都具有共同进化渊源的强有力的证据之一。因为密码是通用的，由一 种生物转录来的基因才可以被另外一种生物所翻译；mRNA 足以指令一种功能 上具有活性的蛋白质。与之相似，基因可以在一种生物与另一种之间转移并可以 在其新的宿主成功地转录和翻译。基因表达的通用性对许多基因工程的进展来说 很重要。很多商业产品如用来治疗糖尿病的胰岛素，现在就是通过把人类基因植 入细菌这些能够生产大量胰岛素的微小工厂来大量生产的。 但并非完全通用 但并非完全通用 1979 年，研究者开始测定人类、牛和鼠的线粒体基因组的互补核苷酸序列。 当研究人员发现这些哺乳动物线粒体所使用的遗传密码并非像生物学家所熟悉 的“通用密码”那样完全相同时大为吃惊。在线粒体基因组中，本来表示“停” 的密码子 UGA 现在被读做色氨酸；AUA 被读做甲硫氨酸而不是异亮氨酸；AGA 和 AGG 被读做“停”而不是原来的精氨酸。还有，在叶绿体和纤毛虫（某中原 生生物）中也发现了与通用密码的一些微小差别。 因此，遗传密码似乎还并不是完全通用的。很久以前，大概是它们开始以内 共生的方式存在之后吧，线粒体和叶绿体就开始以不同的方式阅读密码，特别是 那个和“停”信号有关的密码部分。 在编码蛋白质的基因中，DNA 的核苷酸序列以三个相邻的核苷酸为一组进行阅读，组间没 有间断。每个组，或者叫密码子 ，或者叫密码子，编码一个氨基酸。 15.3 基因先转录后翻译 转录 基因表达的第一步是产生 编码基因的DNA序列的RNA 拷贝，这个过程叫做转录。要 了解转录过程背后的机制，首 先要关注执行转录的一种值 得注意的酶：RNA 聚合酶（图 图 15.7：RNA 聚合酶。在这张电子显微镜照片中， 暗色圆圈就是与噬菌体 DNA 上的几个启动子位点相 结合的 RNA 聚合酶分子

15.7)。RNA聚合酶人们对细菌中的RNA聚合酶了解的最多。细菌RNA聚合酶又大又复杂，由五个亚基组成：两个与调节蛋白相结合的α亚基，一个结合DNA模板的β亚基，一个与RNA核苷酸单体相结合的β亚基，以及一个在开始合成的时候识别启动子的α亚基。DNA双链中只有一条能够被转录，这一条叫做模板链(templetstrand)。RNA转录本的序列与模板链的序列互补。DNA中未被转录的那条链叫做编码链(codingstrand)。它与RNA转录本有着相同的序列，除了T和U之间的代换。编码链也被称为有义链（+)，模板链则被称为反意义链（-)。不管是细菌还是真核细胞，聚合酶都是在RNA链不断增长的3端加上核糖核苷酸。不需要引物，合成的过程自然就是从5'到3'方向。细菌只含有一种RNA聚合酶，而真核细胞有三种不同的RNA聚合酶：RNA聚合酶I合成核仁中的rRNA；RNA聚合酶II合成mRNA；还有RNA聚合酶III合成tRNA。启动子当RNA聚合酶与DNA模板链上的一种叫做启动子的结合位点相结合时转录就开始了。启动子是一个短序列，其本身并不被与其结合的聚合酶转录。在不同启动子序列间已被证实有显著相似的部分（保守序列）。比如，许多细菌所共有的启动子，一个是叫做-35序列(-35sequence)的TTGACA，处于转录起始点处上游35个核苷酸处，另一个是-10序列(-10sequence)TATAAT，在转录起始点上游10个核苷酸处。在真核细胞DNA中，序列TATAAA被称为TATA盒(TATAbox)，处于-25，与原核细胞的-10序列非常相似，只不过距离起始点更远。启动子在效率上相差很大。强启动子导致转录频繁开始，在有些细菌内甚至达到每2秒就有一次。弱启动子也许只是每10分钟转录一次。大多数的强启动子具有不变的-35和-10序列，而弱启动子在这些位点常常发生替换。转录起始RNA聚合酶与启动子的结合就是基因转录的第一步。在细菌内，RNA聚合酶的一个叫做α（sigma）的亚基识别-10序列启动子并使RNA聚合酶与之相结

15.7）。 RNA 聚合酶 人们对细菌中的 RNA 聚合酶了解的最多。细菌 RNA 聚合酶又大又复杂，由 五个亚基组成：两个与调节蛋白相结合的α亚基，一个结合 DNA 模板的β’亚基， 一个与 RNA 核苷酸单体相结合的β亚基，以及一个在开始合成的时候识别启动 子的σ亚基。DNA 双链中只有一条能够被转录，这一条叫做模板链(templet strand)。RNA 转录本的序列与模板链的序列互补。DNA 中未被转录的那条链叫 做编码链(coding strand)。它与 RNA 转录本有着相同的序列，除了 T 和 U 之间 的代换。编码链也被称为有义链（+），模板链则被称为反意义链（-）。 不管是细菌还是真核细胞，聚合酶都是在 RNA 链不断增长的 3’端加上核糖 核苷酸。不需要引物，合成的过程自然就是从 5’到 3’方向。细菌只含有一种 RNA 聚合酶，而真核细胞有三种不同的 RNA 聚合酶：RNA 聚合酶 I 合成核仁中的 rRNA；RNA 聚合酶 II 合成 mRNA；还有 RNA 聚合酶 III 合成 tRNA。 启动子 当 RNA 聚合酶与 DNA 模板链上的一种叫做启动子的结合位点相结合时转录 就开始了。启动子是一个短序列，其本身并不被与其结合的聚合酶转录。在不同 启动子序列间已被证实有显著相似的部分（保守序列）。比如，许多细菌所共有 的启动子，一个是叫做-35 序列(-35 sequence)的 TTGACA，处于转录起始点处上 游 35 个核苷酸处，另一个是-10 序列(-10 sequence)TATAAT，在转录起始点上游 10 个核苷酸处。在真核细胞 DNA 中，序列 TATAAA 被称为 TATA 盒(TATA box)， 处于-25，与原核细胞的-10 序列非常相似，只不过距离起始点更远。 启动子在效率上相差很大。强启动子导致转录频繁开始，在有些细菌内甚至 达到每 2 秒就有一次。弱启动子也许只是每 10 分钟转录一次。大多数的强启动 子具有不变的-35 和-10 序列，而弱启动子在这些位点常常发生替换。 转录起始 RNA 聚合酶与启动子的结合就是基因转录的第一步。在细菌内，RNA 聚合 酶的一个叫做σ（sigma）的亚基识别-10 序列启动子并使 RNA 聚合酶与之相结

合。重要的是，这个亚基可以不用解旋DNA双螺旋就能找到-10序列。在真核细胞中，-25序列在转录起动中起到了相似的作用，它是一种关键蛋白质因子的结合位点。其他的真核细胞因Coding strandTemplate子随后一个接strandELE一个地结合，组5'NC装成一个又大Unwinding9二3'又复杂的转录Rewinding体复合RNApolymerasemRNA5RNA-DNAhybridhelix(transcriptioncomplex)。真核图15.8：转录泡模型。DNA双螺旋在进入RNA聚合酶复合体时解细胞的转录复旋，出来时复旋。DNA的一条链起到模板的功能，而核苷酸材料则根据这个模板被装配成RNA。合体将会在后Templatestrand模板链；codingstrand编码链；rewinding重螺旋；面的章节仔细unwinding去螺旋；RNApolymeraseRNA聚合酶；RNA-DNAhybridhelixRNA-DNA杂交双螺旋地介绍。延伸RNA链的转录通常是以ATP或者GTP开始的。它们负责形成链的5'端，然后随着核糖核苷酸的不断增加，链会沿5'一一3＇方向延伸。与DNA合成不同，这里不需要引物。含有RNA聚合酶、DNA和生长着的RNA转录本的区域叫做转录泡(transcriptionbubble)，因为它含有一个局部松散的DNA“泡”（图15.8）。在这个泡内，新合成的RNA链的前12个碱基临时性地与DNA模板链形成螺旋。这个螺旋不是十分完整的一圈，它稳定了RNA的3'端以使它能和引入的核糖核苷酸相反应。这个RNA-DNA杂合螺旋每当加上一个核苷酸的时候就旋转一次，以保证RNA的3端总在催化位点之内。转录泡沿着DNA以稳定的速率地向下移动，每秒钟大概50个核苷酸，而生长的RNA链则不断地从泡中伸出。随着转录泡的移动，已经转录完毕的DNA在离开转录泡后重新绕在一起。与DNA聚合酶不同的是，RNA聚合酶没有校对能力。因此转录会比复制产

合。重要的是，这个亚基可以不用解旋 DNA 双螺旋就能找到-10 序列。在真核 细胞中，-25 序列在转录起动中起到了相似的作用，它是一种关键蛋白质因子的 结合位点。其他 的真核细胞因 子随后一个接 一个地结合，组 装成一个又大 又复杂的转录 复 合 体 (transcription complex)。真核 细胞的转录复 合体将会在后 面的章节仔细 地介绍。 延伸 RNA 链的转录通常是以 ATP 或者 GTP 开始的。它们负责形成链的 5’端，然 后随着核糖核苷酸的不断增加，链会沿 5′——3′方向延伸。与 DNA 合成不同， 这里不需要引物。含有 RNA 聚合酶、DNA 和生长着的 RNA 转录本的区域叫做 转录泡(transcription bubble)，因为它含有一个局部松散的 ， DNA“泡”（图 15.8）。 在这个泡内，新合成的 RNA 链的前 12 个碱基临时性地与 DNA 模板链形成螺旋。 这个螺旋不是十分完整的一圈，它稳定了 RNA 的 3’端以使它能和引入的核糖核 苷酸相反应。这个 RNA-DNA 杂合螺旋每当加上一个核苷酸的时候就旋转一次， 以保证 RNA 的 3’端总在催化位点之内。 转录泡沿着 DNA 以稳定的速率地向下移动，每秒钟大概 50 个核苷酸，而生 长的 RNA 链则不断地从泡中伸出。随着转录泡的移动，已经转录完毕的 DNA 在离开转录泡后重新绕在一起。 与 DNA 聚合酶不同的是，RNA 聚合酶没有校对能力。因此转录会比复制产 图 15.8：转录泡模型。DNA 双螺旋在进入 RNA 聚合酶复合体时解 旋，出来时复旋。DNA 的一条链起到模板的功能，而核苷酸材料则 根据这个模板被装配成 RNA。 Template strand 模板链；coding strand 编码链； rewinding 重螺旋； unwinding 去螺旋； RNA polymerase RNA 聚合酶； RNA-DNA hybrid helix RNA-DNA 杂交双螺旋