DNA 复制与修复、转录与翻译

本节导读

这一节对应大纲分子生物学的六、七、八三条，按中心法则的顺序讲：DNA 怎样复制、损伤怎样修复、RNA 怎样以 DNA 为模板合成并加工、蛋白质怎样以 mRNA 为模板合成。

这部分名词密集，选择题多问「哪种酶干哪件事」「哪种抗生素或毒素打断哪一步」「某种修复缺陷引起什么病」。学完这一节，你应该能对照着说出复制、转录、翻译各自的模板、原料、酶和方向，并记住几种常见抑制剂的作用环节。

中心法则与核酸合成的一般规律

遗传信息从 DNA 传到 DNA（复制）、从 DNA 传到 RNA（转录）、从 RNA 传到蛋白质（翻译），这是中心法则；后来又补充了 RNA 到 DNA 的反转录和 RNA 到 RNA 的 RNA 复制。核酸合成的共同规律是：以核酸为模板，按碱基互补配对，新链都沿 5' → 3' 方向延长。

DNA 复制

复制的一般特征

• 半保留复制：子代 DNA 的两条链，一条来自亲代，一条是新合成的。
• 双向复制：从复制起点向两个方向形成两个复制叉。
• 半不连续复制：DNA 聚合酶只能沿 5' → 3' 方向合成，顺着解链方向的前导链连续合成，另一条后随链先合成许多短片段（冈崎片段），再连接成完整的链。
• 高保真性：错误率极低。

大肠埃希菌的复制体系

酶或蛋白	作用
解旋酶	解开 DNA 双链
单链 DNA 结合蛋白	结合并稳定解开的单链
拓扑异构酶	松弛解链时产生的超螺旋张力；Ⅰ型切断一股，Ⅱ型切断两股
引物酶	合成一小段 RNA 引物，提供 3'-OH
DNA 聚合酶Ⅲ	主要的复制酶，负责新链延长
DNA 聚合酶Ⅰ	切除 RNA 引物并填补空隙，也参与修复
DNA 连接酶	连接相邻片段之间的缺口

DNA 聚合酶除 5' → 3' 聚合活性外，还有 3' → 5' 外切酶活性，能把错配的核苷酸及时切掉，这叫校读。

真核细胞与线粒体、噬菌体的复制

真核染色体 DNA 有多个复制起点，DNA 聚合酶 α 负责起始（有引物酶活性），聚合酶 δ 和 ε 负责延长，聚合酶 γ 复制线粒体 DNA，聚合酶 β 参与修复。线性染色体末端的 RNA 引物被切除后留下的空缺无法直接填补，由端粒酶解决：端粒酶由 RNA 和有反转录酶活性的蛋白质组成，以自身 RNA 为模板，延长染色体 DNA 的 3' 末端，维持端粒的长度。

线粒体 DNA 以 D 环方式复制，两条链的复制起点不同、先后开始；某些环状噬菌体 DNA 以滚环方式复制。

复制的忠实性

保证复制准确的因素有：严格的碱基互补配对；DNA 聚合酶的选择作用和 3' → 5' 外切酶校读；RNA 引物被切除并由 DNA 取代；复制后的错配修复。

DNA 损伤修复

修复方式	要点
碱基切除修复	DNA 糖基化酶识别并切除受损碱基，留下的空位由内切酶切开，再经聚合酶填补、连接酶连接
核苷酸切除修复	识别 DNA 双螺旋的较大扭曲（如紫外线引起的嘧啶二聚体），切除含损伤的一段寡核苷酸，再填补、连接
重组修复	利用同源 DNA 序列作模板，修复复制后留下的缺口或双链断裂
DNA 倾向差错合成	损伤来不及修复时，低保真的 DNA 聚合酶跨过损伤继续合成，容易引入错误
SOS 应答	大肠埃希菌 DNA 严重损伤时，诱导一系列修复基因表达；以易错修复为主，可引起突变

修复系统有缺陷的人容易发生肿瘤，例如核苷酸切除修复缺陷的患者对日光敏感，皮肤容易癌变。

反转录

反转录酶有三种活性：以 RNA 为模板合成 DNA、水解 RNA-DNA 杂交体中的 RNA（RNase H 活性）、以新合成的 DNA 为模板合成互补链。反转录酶没有 3' → 5' 外切酶活性，缺少校读功能。

反转录病毒的生活周期：病毒吸附并进入细胞 → 在反转录酶作用下，以病毒 RNA 为模板合成双链 DNA → 双链 DNA 整合进宿主染色体，成为前病毒 → 前病毒随宿主 DNA 转录，产生病毒 RNA 和病毒蛋白 → 装配成新病毒，出芽释放。人类免疫缺陷病毒就是反转录病毒。

RNA 的生物合成

转录与 RNA 聚合酶

转录以 DNA 的一条链为模板，以四种核糖核苷三磷酸为原料，合成 RNA。作模板的叫模板链，另一条叫编码链；不同基因的模板链不一定在同一条 DNA 链上，叫不对称转录。RNA 聚合酶不需要引物。

大肠埃希菌 RNA 聚合酶的核心酶由 α2ββ'ω 组成，加上 σ 因子成为全酶，σ 因子负责识别启动子。真核细胞有三种 RNA 聚合酶：Ⅰ转录 45S rRNA 前体；Ⅱ转录 mRNA 前体；Ⅲ转录 tRNA 和 5S rRNA 等小分子 RNA。

启动子、增强子、转录因子与终止

启动子是 RNA 聚合酶识别、结合并开始转录的 DNA 序列：原核启动子有 -35 区和 -10 区（Pribnow 盒）；真核启动子多含 TATA 盒。增强子能远距离增强转录，作用与它的位置和方向无关。真核 RNA 聚合酶不能单独识别启动子，要靠通用转录因子（如识别 TATA 盒的 TFⅡD）帮助，特异转录因子决定基因在什么细胞、什么时候表达。

原核转录终止有两类：依赖 ρ 因子的终止，以及不依赖 ρ 因子的终止——终止子转录出的 RNA 形成富含 GC 的发夹结构，后面跟着一串 U，使转录停止。

RNA 合成的抑制剂

抑制剂	作用
利福平	与原核 RNA 聚合酶的 β 亚基结合，抑制转录起始，用作抗结核药
放线菌素 D	嵌入 DNA 双链，阻碍 RNA 聚合酶移动，原核、真核都抑制
α-鹅膏蕈碱	强烈抑制真核 RNA 聚合酶Ⅱ

转录后加工

原核 rRNA 前体由核酸酶切成各种 rRNA；tRNA 前体经核糖核酸酶 P（一种核酶）等切割，3' 端加 CCA，并对碱基进行修饰。真核 mRNA 前体的加工有：5' 端加帽子、3' 端加多聚腺苷酸尾、剪接（由剪接体切除内含子、连接外显子）和 RNA 编辑；同一个前体通过选择性剪接可以产生不同的 mRNA。真核 45S rRNA 前体剪切成 18S、5.8S 和 28S rRNA。

RNA 的复制

某些 RNA 病毒以 RNA 为模板，由 RNA 指导的 RNA 聚合酶（RNA 复制酶）合成新的 RNA，复制自身的基因组。

蛋白质的生物合成

遗传密码与氨基酸活化

mRNA 上每三个相邻核苷酸组成一个密码子，共 64 个：61 个编码氨基酸，UAA、UAG、UGA 是终止密码子，AUG 既是起始密码子，也编码肽链内部的甲硫氨酸。密码子的特点是方向性、连续性、简并性、摆动性和通用性。

氨基酸先要活化：在氨酰-tRNA 合成酶催化下，氨基酸与特定的 tRNA 结合成氨酰-tRNA，消耗 1 分子 ATP（生成 AMP，相当于 2 个高能磷酸键）。这种酶对氨基酸和 tRNA 都有高度特异性，还有校对活性，是保证翻译准确的关键之一。

起始、延长、终止

起始：原核生物 30S 小亚基结合 mRNA（mRNA 上的 SD 序列与 16S rRNA 互补配对），起始 tRNA 携带甲酰甲硫氨酸结合到起始密码子 AUG 上，在起始因子帮助下与 50S 大亚基结合，形成起始复合物。真核生物小亚基先识别 mRNA 5' 端帽子，再向下游扫描找到 AUG。

延长（核糖体循环）分三步：

1. 进位：氨酰-tRNA 在延长因子帮助下进入核糖体 A 位，消耗 1 个 GTP。
2. 转肽（成肽）：肽酰转移酶把 P 位上的肽酰基转移到 A 位氨基酸的氨基上，形成肽键。
3. 移位：核糖体向 mRNA 的 3' 端移动一个密码子，肽酰-tRNA 移到 P 位，消耗 1 个 GTP。

终止：终止密码子进入 A 位，没有对应的 tRNA，释放因子识别它，使肽链从 tRNA 上水解释放，核糖体解离。

能量消耗与翻译的忠实性

氨基酸活化消耗 2 个高能磷酸键，进位、移位各消耗 1 个，所以每合成一个肽键至少消耗 4 个高能磷酸键。保证翻译忠实性的因素：氨酰-tRNA 合成酶的特异性和校对作用；密码子与反密码子的互补配对；核糖体对进位氨酰-tRNA 的核对。

蛋白质合成的抑制剂

抑制剂	作用环节
四环素	阻止氨酰-tRNA 与原核核糖体 A 位结合
链霉素等氨基糖苷类	与原核 30S 小亚基结合，引起读码错误
氯霉素	与原核 50S 大亚基结合，抑制肽酰转移酶
红霉素	与原核 50S 大亚基结合，抑制移位
嘌呤霉素	结构类似氨酰-tRNA，进入 A 位后使肽链提前脱落，原核、真核都抑制
白喉毒素	使真核延长因子 eEF-2 发生 ADP-核糖基化而失活，阻断移位
干扰素	诱导细胞内的起始因子 eIF-2 磷酸化失活，并激活降解病毒 mRNA 的核酸酶，抑制病毒蛋白合成

易错提醒

• ❌ RNA 聚合酶和 DNA 聚合酶一样需要引物。
  ✅ RNA 聚合酶能从头起始合成 RNA，不需要引物。

• ❌ DNA 复制时两条新链都是连续合成的。
  ✅ 前导链连续合成，后随链先合成冈崎片段再连接。

• ❌ AUG 只作起始信号，不编码肽链内部的氨基酸。
  ✅ AUG 既是起始密码子，也编码肽链内部的甲硫氨酸。

• ❌ 转录时 DNA 的两条链同时作模板。
  ✅ 一个基因只以其中一条链为模板，是不对称转录。

• ❌ 嘌呤霉素只抑制原核生物的蛋白质合成。
  ✅ 嘌呤霉素对原核和真核细胞都有抑制作用。

例题精讲

例题 1

下列密码子中，属于终止密码子的是：

• A. AUG
• B. UAG
• C. GUA
• D. UGG

答案：B

解析：终止密码子是 UAA、UAG、UGA 三个，它们不编码任何氨基酸。AUG 是起始密码子并编码甲硫氨酸；GUA 编码缬氨酸；UGG 编码色氨酸，注意它和终止密码子 UGA 只差最后一个碱基。

例题 2

蛋白质合成中催化肽键形成的肽酰转移酶，其活性来自：

• A. 延长因子
• B. 氨酰-tRNA 合成酶
• C. 核糖体大亚基中的 rRNA
• D. 释放因子

答案：C

解析：肽酰转移酶活性由核糖体大亚基中的 rRNA 提供，原核是 23S rRNA，属于核酶。延长因子负责进位和移位，氨酰-tRNA 合成酶负责氨基酸活化，释放因子负责识别终止密码子。

本节小结

• DNA 复制是半保留、双向、半不连续的；DNA 聚合酶Ⅲ延长新链，聚合酶Ⅰ切除引物，连接酶封闭缺口；3' → 5' 外切酶负责校读。
• 端粒酶以自身 RNA 为模板延长染色体 3' 端；线粒体 DNA 以 D 环方式复制。
• 修复方式有碱基切除、核苷酸切除、重组修复、倾向差错合成和 SOS 应答；反转录酶缺少校读功能。
• RNA 聚合酶不需要引物；σ 因子识别启动子；利福平抑制原核 RNA 聚合酶，α-鹅膏蕈碱抑制真核 RNA 聚合酶Ⅱ。
• 真核 mRNA 加工包括加帽、加尾、剪接和编辑；tRNA 3' 端加 CCA。
• 翻译延长分进位、转肽、移位三步，每个肽键至少消耗 4 个高能磷酸键；白喉毒素使 eEF-2 失活。