第 1 节 DNA 是主要的遗传物质

绝大多数生物的遗传物质是 DNA，RNA 病毒的遗传物质是 RNA。

绝大多数生物的遗传信息蕴含在 DNA 结构中

• DNA 由多个脱氧核糖核苷酸连接而成。
  • 每个脱氧核糖核苷酸含有磷酸基团、脱氧核糖、和碱基。
    • 碱基有 $4$ 种：
      • dATP 腺嘌呤
      • dGTP 鸟嘌呤
      • dCTP 胞嘧啶
      • dTTP 胸腺嘧啶
      • （💡嘌呤有两个环，嘧啶有一个环）
    • 脱氧核糖有 $5$ 个碳，依次编号为 $1’$ 到 $5’$（见图）。
      • 脱氧核糖核苷酸中，磷酸基团出现在 $5’$ 那里。
      • 把脱氧核糖核苷酸连起来的时候，其它人的磷酸基团会连到我的 $3’$（形成磷酸二酯键）。
      • 因此当一堆脱氧核糖核苷酸连起来的时候，一端会有一个 $5’$ 空着，一端会有一个 $3’$ 空着。分别称为 $5’$ 端和 $3’$ 端。
        • 按照惯例，书写 DNA 碱基顺序时，从左往右是 $5’$ 到 $3’$ 的顺序。
• DNA 双链：两条 DNA 单链借助碱基之间的氢键结合。
  • 碱基通过氢键结合，形成碱基对。
    • A=T（$2$ 个氢键），C≡G（$3$ 个氢键）
  • 两条链的方向是相反的（反向平行）。
  • 图只是为了方便展示，实际上 DNA 是双螺旋结构。
• DNA 分子的性质
  • 稳定性
  • 多样性
  • 特异性

第 2 节 遗传信息通过复制和表达进行传递

DNA 半保留复制使完整的遗传信息传给子细胞

DNA 复制的方式是半保留复制。

• DNA 解旋酶从复制起点处打开 DNA 双链之间的氢键，使得部分双链解开，形成两条单链作为复制母链。
• 为了防止单链合回去，单链 DNA 结合蛋白会结合在单链上。
• DNA 聚合酶和一些蛋白质在 DNA 上以母链为模板，以 dNTP，即脱氧核苷三磷酸为原料，从 $5’$ 到 $3’$ 方向合成。
  • 【说文解字】d 脱氧，N 核苷，T 三，P 磷酸。
  • dNTP 包含 dATP、dTTP、dGTP、dCTP。
• 因为每条子代 DNA 都只有一半来自母链，所以称为半保留复制。

• DNA 边解旋边复制。
• 能量来源：ATP 和 dNTP。dNTP 的高能磷酸键还是很给力的。
• DNA 准确复制的原因？
  • DNA 稳定的双螺旋结构，为复制提供了精确的模板。
  • 碱基互补配对原则，保证了复制能够准确地进行。
  • 正常情况下 DNA 复制具备高度保真性，错误率只有 $10^{-8}$ 甚至更低，对物种的遗传稳定性具有重要意义。
• DNA 半保留复制的意义？
  • 保证了遗传信息传递的准确性和连续性。

计算题

DNA 连续复制 $n$ 次后，对

• DNA
• 脱氧核苷酸链
• 母链
• 子链

进行计数。

• $2^n$ 个 DNA。
• $2^{n+1}$ 条脱氧核苷酸链。
• $2$ 条母链。
• $2^{n+1} - 2$ 条子链。

某 DNA 分子含有 $500$ 个碱基对，一条链上 $A:G:T:C = 1:2:3:4$。

连续复制数次后，消耗周围环境中含 G 的脱氧核苷酸 $4500$ 个，则该 DNA 分子复制了几次？

一条链上有 $100$ 个 G 和 $200$ 个 C。另一条上相对应的应该有 $100$ 个 C 和 $200$ 个 G。总共 $300$ 个 C。

因此复制一个 DNA 就要消耗 $300$ 个 G。消耗了 $4500$ 个说明多了 $\frac {4500} {300} = 15$ 个 DNA，总共 $16$ 个 DNA。

因此复制了 $\log_2 16 = \boxed{4}$ 次。

转录使特定遗传信息从 DNA 传递到 RNA

转录：以 DNA 上特定片段的一条链为模板合成 RNA。这个片段叫基因。

形成 mRNA、tRNA、rRNA。

• RNA 聚合酶找到启动子，把 DNA 局部解旋，催化形成 RNA 链的第一个磷酸二酯键。
• RNA 聚合酶向着 DNA 模板链的 $5’$ 端移动，延长 RNA 链。
  • 以 4 种 NTP 为原料：ATP、UTP、GTP、CTP。
  • A=U、T=A、C≡G、G≡C。
  • 和 DNA 方向反一下，RNA 延长方向是 $5’$ 到 $3’$。
• 到达终止子时结束转录。

• 主要场所：（真核细胞的）细胞核，（原核细胞的）拟核
• DNA 边解旋边转录。

翻译使特定遗传信息从 RNA 传递到蛋白质

翻译：RNA 指导蛋白质肽链合成的过程。主要在细胞质中的核糖体进行。

这个过程需要 mRNA、tRNA、rRNA 的参与。

• mRNA (messenger RNA) 信使 RNA
  • mRNA 是合成蛋白质的模板。
    • mRNA 的核糖核苷酸序列对应蛋白质的氨基酸序列。
  • mRNA 中每三个相邻的核苷酸对应一个氨基酸，称为密码子。
    • 自然界的屎山代码有时会把两种以上的密码子对应成同一种氨基酸，这种情况叫简并性。
    • 大多数生物的遗传密码表是相同的。
• tRNA (transfer RNA) 转运 RNA
  • 有反密码子，可以识别 mRNA 的密码子。
  • 另一端接上氨基酸，形成氨酰 tRNA，参与多肽合成。（看视频）
• rRNA (ribosomal RNA) 核糖体 RNA
  • 与多种蛋白质结合形成核糖体，为翻译过程提供场所。
    • 核糖体含大小两个亚基。
  • 识别 mRNA
  • 催化肽键形成

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• 小亚基和 mRNA 结合，按照 $5’ \to 3’$ 的方向滑动。找到起始密码子的时候，把第一个氨酰 tRNA 结合上来。
• 核糖体大亚基结合上来形成完整的核糖体，第二个氨酰 tRNA 结合上来。
• 滑动，一边扔掉前一个 tRNA 一边接受新的 tRNA，将新的氨基酸加入肽链。
• 到终止密码子时结束。

遗传信息的传递具有方向性

• 中心法则：大多数生物遗传信息的传递方向是 DNA → RNA → 蛋白质。
• 但是有一些 RNA 病毒不一样。注意它们的遗传物质 RNA 分子上的功能片段也称为基因。
• 逆转录：以 RNA 作为模板合成一条 DNA 单链。
  • 逆转录病毒先用 RNA 逆转录一条单链 DNA，然后复制变成双链 DNA，再转录成 mRNA（翻译成蛋白质）和病毒 RNA，组装成熟成新病毒。
• 麻疹等病毒复制方式也不同。
  • 病毒 RNA 复制出互补 RNA，互补 RNA 翻译成蛋白质或复制出病毒 RNA，组装成熟成新病毒。
• 新型冠状病毒复制方式也不同。
  • 病毒 RNA 翻译成蛋白质或复制出互补 RNA，互补 RNA 复制出病毒 RNA，组装成熟成新病毒。

修正后的中心法则：

• RNA 病毒，逆转录过程和 RNA 自我复制不会同时发生。
• 真核生物中存在的端粒酶也可以进行逆转录。