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关于DNA的复制、转录和翻译的几个认识误区

2020-10-02  囡波湾生物

摘要:对师生在DNA的复制和基因的表达中存在的几个认识误区展开深入的分析和讨论,并就有关知识进行补充说明,以帮助师生更好地理解和掌握相关概念。

关键词:DNA的复制;转录;翻译;tRNA

“DNA的复制”和“基因指导蛋白质的合成”是人教版高中生物必修2中非常重要的两节内容,是学生理解生物遗传和变异现象的理论基础,也是学生构建微观分子世界和宏观生命活动联系的基石,因此这部分内容一直是高考考查的热点。由于这两节内容微观抽象,且教材中对DNA的复制、转录和翻译过程的描述过于简单,使得很多师生对这一部分内容的理解不够透彻,对某些知识点的解读存在偏差。笔者通过查阅资料,对师生常见的几个认识误区进行了深人分析,以期与同仁共同探讨。

误区1:DNA聚合酶催化两个游离的脱氧核苷酸之间的连接

就像发面需要酹头,无论在生物体内还是体外,DNA分子的复制均不能从头开始,必须从一段已经存在的核苷酸链上往下延伸,这一段核苷酸序列就叫作引物。体内DNA分子的复制一般需要一小段RNA分子作为引物,体外PCR技术扩增目的基因时,引物则是一段巳知序列的DNA片段(一般长度为20~30个核苷酸)。DNA聚合酶并不能催化两个游离的脱氧核苷酸之间的连接,而是从引物的3'端开始,将游离的脱氧核苷酸单位依次加到引物3'-OH上,因此子链的合成方向是从5'端到3'端。DNA复制完成后,RNA引物会被DNA聚合酶I或核糖核酸酶H切掉,并用DNA连接酶催化缺口的连接。体外DNA的复制,由于引物是DNA片段,所以不需要切除引物。

误区2:DNA复制时两条子链合成方向均沿着解旋方向

人教版高中生物必修2第3章第3节“DNA的复制”中,教材图3-13展示了DNA分子复制的过程。但这个图会给人一个误导,认为DNA复制时两条子链合成方向均沿着解旋方向。

DNA的两条链是反向平行的,并且迄今为止发现的DNA聚合酶都只能催化新链沿着5'→3'方向合成。故在DNA复制时,一条链的合成方向与解旋方向一致,沿5'→3'方向连续合成,称为前导链;另一条则是按与解旋方向相反的方向,沿5'→3'方向合成短片段(冈崎片段),再通过DNA连接酶将这些片段连接起来,称为后随链。所以在DNA复制时,一条链是连续合成的,另一条链是由间断合成的短片段连接而形成的,这样的复制过程称之为半不连续复制(图1)。由于PCR技术是利用高温把两条链完全打开后复制,所以每条子链都可以连续合成。体内DNA复制时,前导链的合成只需要一个RNA引物,而后随链每一个冈崎片段的合成均需要一个RNA引物。并且DNA复制时,是从一个固定的起点开始复制,原核生物为单起点复制,真核生物染色体DNA的不同位置上有多个复制起点,多起点复制可以大大提高DNA复制的效率。

误区3:基因转录时两条链均可作为模板链

DNA复制时,两条链均可作为模板链合成子链。但转录时,一个基因中互补的DNA双链只有一条链作为模板链合成RNA,另外一条链称为非模板链或有义链(与合成的RNA序列相同,只是RNA中U替代了T)。这是因为RNA聚合酶会特异性地识别和结合位于转录起始位点上游一段特殊的DNA序列(启动子),然后沿5'→3'方向催化RNA从头合成,这一过程不需要引物。当一个DNA分子上含有多个基因时,每条DNA链上都会有一些基因的模板链和另外一些基因的非模板链。

误区4:转录过程中DNA双链的解开需要解旋酶

体内DNA复制时需要解旋酶催化双链的解开,但与DNA分子的复制不同的是,转录过程并不需要单独的解旋酶,那是不是就意味着解旋的重任全都落到了RNA聚合酶身上了呢?

事实上,原核生物的RNA聚合酶本身就具有解旋酶的活性,能够催化DNA双链的解开。原核生物的RNA聚合酶是由α,β,β'和ω4种亚基组成核心酶,再结合一个σ亚基后成为聚合酶全酶。其中α亚基具有解开前方的DNA双螺旋以及恢复后面的DNA双螺旋的作用,σ亚基能够帮助全酶特异性地识别启动子。真核生物的3种RNA聚合酶都无解旋酶活性,需要一些具有解旋酶活性的转录因子(如TFⅡF和TFⅡH)的帮助才能解开双链。值得注意的是,原核生物细胞内的3种RNA由同一种RNA聚合酶催化合成。而真核生物细胞内的3种RNA聚合酶分工明确,各自负责不同的RNA的合成(表1)。

误区5:细胞内的tRNA有61种

tRNA就像翻译官--样,能将mRNA中的“碱基语言”破译为组成蛋白质的“氨基酸语言”。tRNA分子--般由75~95个核苷酸组成,都具有“三叶草”型二级结构(图2)和“倒L”型三级结构(图3)。tRNA3'端共有的CCA-OH结构可与其携带的氨基酸形成共价键,这一过程需要氨酰-tRNA合成酶的催化,该酶对tRNA和氨基酸都有高度的专一性,每种tRNA在特异的氨酰-tRNA合成酶的作用下结合一种氨基酸。tRNA反密码子环中特定部位的3个碱基(反密码子)会与mRNA.上的碱基进行互补配对,从而将氨基酸运到相应的位置用于合成蛋白质。

mRNA上的密码子有64种,其中有3个终止密码子没有对应的氨基酸,因此很多师生会误认为tRNA有61种,事实真的是这样吗?

目前已测出一级结构的tRNA有400多种,细胞内一般有50种以上不同的tRNA。并不是所谓的61种,这是怎么回事呢?克里克于1966年提出了摇摆假说,认为这是由于密码子和反密码子配对时,前两对碱基严格遵循碱基互补配对原则,第三对碱基有所不同。反密码子第一位碱基(5'端)与密码子的第三位碱基(3'端)配对时具有摆动性,可在一定范围内变动(表2)。特别是tRNA反密码子中除A,U,C,G这4种碱基以外,往往在第一位出现I(次黄嘌呤),它的特点是与U,A,C都可以形成碱基配对。

后来这一假说被许多实验所证实。

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