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第三章：信息传递

3.1 DNA复制概述

半保留复制

半保留复制

是DNA复制的核心机制：

亲代DNA:    5'-ATGC-3'      3'-TACG-5'
                ↓ 解旋
子代DNA1:   5'-ATGC-3'  +  新合成: 3'-TACG-5'
子代DNA2:   新合成: 5'-ATGC-3'  +  3'-TACG-5'

实验证明：Meselson和Stahl（1958）的¹⁵N同位素标记实验

复制起点与复制叉

概念	说明
复制起点（Origin）	DNA复制开始的特定序列
复制叉（Replication fork）	Y形结构，双链解开的区域
复制子（Replicon）	从一个起点复制的DNA单位

原核生物：通常单一起点（如OriC） 真核生物：多个起点，形成复制泡

3.2 DNA复制机制

复制过程中的关键酶

酶	功能	特点
解旋酶（Helicase）	解开双链	ATP供能，双向移动
单链结合蛋白（SSB）	稳定单链	防止复性、降解
拓扑异构酶	缓解超螺旋	I型切断单链，II型切断双链
DNA聚合酶	合成新链	5’→3’方向，需引物
引物酶（Primase）	合成RNA引物	提供3’-OH末端
DNA连接酶	连接片段	连接Okazaki片段

前导链与后随链

前导链与后随链

：

• 前导链（Leading strand）：连续合成，方向与复制叉移动相同
• 后随链（Lagging strand）：不连续合成，形成冈崎片段

半不连续复制：一条连续，一条不连续

DNA聚合酶特性

原核生物（以大肠杆菌为例）：

聚合酶	功能	特点
Pol I	修复、切除RNA引物	5’→3’外切活性
Pol II	修复	SOS修复
Pol III	主要复制酶	高保真、高速度

真核生物：

• Pol α

  ：合成RNA-DNA引物

• Pol δ

  ：合成后随链

• Pol ε

  ：合成前导链

3.3 转录

转录概述

转录

：以DNA为模板合成RNA的过程

DNA:    3'-TACG-5'  →  RNA:  5'-AUGC-3'

关键差异：

• 转录不需要引物
• 转录是局部的（基因选择性表达）
• RNA合成后释放，不保持双链

RNA聚合酶

类型	功能	产物
RNA聚合酶I	真核生物核仁	rRNA（除5S）
RNA聚合酶II	真核生物核质	mRNA、snRNA、miRNA
RNA聚合酶III	真核生物核质	tRNA、5S rRNA

转录过程

1. 起始：

• 启动子

  （Promoter）：RNA聚合酶结合位点

• TATA盒

  ：真核生物核心元件

• 转录起始复合物组装

2. 延伸：

• RNA聚合酶沿DNA移动
• 5’→3’合成RNA
• DNA-RNA杂合双链（约8-9bp）

3. 终止：

• 原核：ρ因子依赖/非依赖
• 真核：poly(A)信号、终止子

3.4 翻译

遗传密码

遗传密码

：mRNA上编码氨基酸的三联体密码子

特征	说明
密码子数	64个（4³）
编码氨基酸	61个
终止密码子	3个：UAA、UAG、UGA
起始密码子	AUG（编码Met）

密码子特点：

• 简并性：多个密码子编码同一氨基酸
• 通用性：几乎所有生物共用
• 连续性：无标点，不重叠
• 方向性：5’→3’阅读

tRNA与氨基酸活化

tRNA

（转运RNA）的功能：

• 携带特定氨基酸
• 识别mRNA上的密码子（反密码子）
• 氨基酸臂

  ：结合氨基酸

• 反密码子环

  ：识别密码子

氨酰-tRNA合成酶

：催化氨基酸与tRNA连接，高度特异性

核糖体

核糖体

是蛋白质合成的场所：

亚基	原核	真核
大亚基	50S（23S+5S+蛋白质）	60S（28S+5.8S+5S+蛋白质）
小亚基	30S（16S+蛋白质）	40S（18S+蛋白质）
完整	70S	80S

功能位点：

• A位（氨酰位）：接受新氨酰-tRNA
• P位（肽酰位）：携带正在延伸的肽链
• E位（出口位）：释放空载tRNA

翻译过程

1. 起始：

• 小亚基识别mRNA（SD序列或5'帽）
• 起始tRNA进入P位
• 大亚基结合

2. 延伸：

• 氨酰-tRNA进入A位
• 肽键形成

  （肽酰转移酶催化）

• 核糖体移位

3. 终止：

• 释放因子识别终止密码子
• 多肽链释放
• 核糖体解离

3.5 逆转录与RNA复制

逆转录

逆转录

：RNA → DNA

• 逆转录酶

  （Reverse transcriptase）

• 需要tRNA作为引物
• 产物：cDNA（互补DNA）

生物学意义：

• 逆转录病毒

  （如HIV）

• 真核生物端粒酶
• 假基因

  形成

本章小结

• DNA半保留复制确保遗传信息精确传递
• 复制是半不连续的，需要多种酶协同
• 转录以DNA为模板合成RNA，不需引物
• 翻译以mRNA为模板，tRNA转运氨基酸，核糖体催化
• 逆转录是中心法则的补充

思考题

1. 为什么DNA复制需要RNA引物，而转录不需要？
2. 真核生物为什么需要3种RNA聚合酶？
3. 遗传密码的简并性有什么生物学意义？