与遗传表达

（一）RNA结构与功能

RNA是由DNA携带的遗传信息表达为生物遗传表型特性的主要中间环节。RNA的基本结构与DNA相类似，但其所含的是核糖核酸而不是脱氧核糖核酸，碱基为A、C、G、U，没有胸腺嘧啶（T），而含有尿嘧啶。RNA由单链构成，较DNA短。

根据RNA在生物性状遗传表达过程中的功能，可分为核糖体RNA（即rRNA）、信使RNA（即mRNA）和转移RNA（即tRNA）3种。

1.rRNA（ribosomalRNA）

这是组成核糖体的主要成分，可占细胞RNA总量的80％以上或核糖体的65％左右。核糖体是细胞合成蛋白质的场所。原核微生物和真核微生物细胞内的核糖体大小不一样，其组成也有差异。原核微生物中的核糖体为70S，由分别为50S和30S的2个亚单位组成。30S亚单位（0.9×106Da）由21种蛋白和由1542个核苷酸长的16SrRNA组成；50S亚单位（1.6× 106Da）由32种蛋白与由2904个核苷酸构成的23SrRNA和由120个核苷酸构成的5SrRNA组成。真核微生物细胞中的核糖体为80S。细胞器中的核糖体大小与原核微生物中一样，是70S的。80S的核糖体由分别为60S和40S的2个亚单位构成。60S亚单位（3.2×106Da）由分别为28S（1.6×106Da，4700个核苷酸）、5.8S（0.05×106Da，160个核苷酸）、5S（0.03× 106Da，120核苷酸）的rRNA和40±5种核糖体蛋白质组成。40S亚单位（1.6×106Da）由18S （0.9×106Da，1900个核苷酸）和30±5种核糖体蛋白质组成。

2.mRNA（messengerRNA）

mRNA的碱基是A、U、C、G，其功能是将DNA上遗传信息携带到合成蛋白质的场所核糖体上，即其链上碱基的排列顺序决定了其所携带的遗传信息。mRNA链上每3个核苷酸组成一个三联体密码子（codon），编码一种氨基酸。所有编码构成蛋白质的20种氨基酸的全部密码子称为遗传密码（genetic code）。按43排列组合全套遗传密码，可有64个密码子，因此，20个氨基酸中除少数氨基酸如色氨酸、甲硫氨酸外，一个氨基酸可有多个密码子，如丝氨酸可有UCU、UCA、UCC和UCG4个密码子编码。64个密码子中有3个密码子（UAA、UGA和UAG）是终止密码子（stop codon），作为终止合成的信号。mRNA在原核微生物细胞中的寿命仅几分钟，但在真核生物细胞中可有几小时乃至几天。

3.tRNA（transferRNA）

图6-6 成熟tRNA的结构

Ps—假尿嘧啶，Tu—硫尿嘧啶，Py—嘧啶， Pu—嘌呤，CCA末端为氨基酸结合部位

tRNA在蛋白质合成过程中起将氨基酸运输转移到核糖体上的作用。tRNA链通过互补碱基之间的氢键折叠成三叶草形特异结构，那些非互补的碱基片段形成3个小环状（见图6-6），其中相对于叶柄的小环为一个反密码子环（antico-donloop），上有一个反密码子（anticodon），用于识别mRNA上的氨基酸密码子。另外在t R-NA的3′-OH端都有核苷酸CCA序列，是氨基酸结合部位。

（二）“DNA→RNA→蛋白质”的遗传信息流

DNA双螺旋结构模型的奠基人之一F.Crick于1958年首次提出了“DNA→RNA→蛋白质（或多肽链）”这一遗传信息单向传递的中心法则。在这个中心法则中，从DNA基因到蛋白质有两个过程，前一过程为DNA→RNA，称为转录（transcription），后一过程为RNA→蛋白质，称为翻译（translation）。生物中的遗传信息流见图6-7。

图6-7 “DNA→RNA→蛋白质”的遗传信息流

1.转录过程

转录（transcription）是将DNA链携带的遗传信息（基因）按碱基配对原则转录于mRNA上，使mRNA链上携带有DNA链携带的遗传基因信息。转录的一般过程为：由RNA多聚酶和σ因子结合的全酶与启动子（promoter）相结合，σ因子识别DNA链上的特定碱基（T或C）序列作为转录起始位点，然后启动RNA的合成。σ因子在转录开始后即脱离RNA多聚酶，与另一个RNA多聚酶结合成全酶进入下一轮，使模板的转录继续进行。转录形成的核苷酸链按5′→ 3′连接延长，当转录到DNA链上终止子碱基序列时即终止转录，形成了以DNA为模板的一条或多条mRNA链。转录时DNA链上可以是一个基因也可以是多个基因构成的开放阅读框（open reading frame，ORF）被转录。转录产生的RNA分子经特定的核酸酶加工成为结构复杂的rRNA和tRNA分子，而mRNA则直接进入翻译过程，见图6-8。

图6-8 DNA上的遗传信息转录为mRNA分子示意图

在真核微生物中转录后的初生转录物必须经较为复杂的加工过程即切除内含子转录单位（introntranscript）将外显子转录单位（exon transcript）相互连接才能成为成熟的mRNA。

2.翻译过程

翻译过程（translation）即是按照mRNA上的遗传密码将氨基酸合成多肽链、蛋白质的过程，可分为翻译起始、肽链延长和翻译终止3个阶段。第一步是tRNA的3′-OH末端与氨基酸共轭结合，由氨酰-tRNA合成酶催化形成氨酰-tRNA。处于mRNA5′磷酸末端的一个氨基酸密码子（一般为AUG，也称起始密码子）既可“指示”翻译开始，又是甲酰甲硫氨酸（formyl methionine，f Met）的密码子。30S亚单位核糖体结合于mRNA的起始密码子AUG上，与f Met-tRNA形成复合物，这个复合物随后结合到核糖体肽P位点上，第一个氨基酸甲酰甲硫氨基酸到位后，第二个氨基酸通过肽酰转移酶（peptidyl transferase）的作用，与甲酰甲硫氨基酸形成共轭键，同时f Met与tRNA之间的键断裂而释放tRNA，tRNA可再携带第二个氨基酸进入下一轮循环。如此反复，使肽链不断延长。当核糖体碰到mRNA上不编码任何氨基酸的终止密码子如UAA、UAG和UGA时，终止密码子可占据50S亚单位核糖体上的A位点，一旦A位点被终止密码子占据，即可被释放因子所识别，并活化肽酰转移酶，将肽链从末端tRNA上释放下来。核糖体的两个亚单位再次分开，进入新一轮翻译。在同一mRNA链上可同时有一个或多个翻译过程进行，也即同时有一条或多条肽链在同时合成。形成的肽链必须在协助因子（chaperone）蛋白的作用下形成大分子蛋白。