第10章 基因如何工作及基因控制

第10章基因如何工作和基因控制图1表明青蛙生命周期的三个阶段，蝌蚪生活在水中，它们有鳃和尾巴可以让它们适用这样的环境。

小蝌蚪一开始以储存在孵化它的卵中的卵黄为食，然后变成植食性的，更大的蝌蚪是食肉的。

注意小蝌蚪的外鳃，你可以看到更大的蝌蚪没有外鳃，因为这些外鳃在蝌蚪体内。

成年的蝌蚪只要生活在陆地上，它既没有尾也没有鳃，它用它的皮肤和肺作为气体交换表面。

你可能熟悉在它们生命周期中有其它有不同身体形式的动物。

图2中的菜白蝶是英国的主要经济害虫。

他的幼虫阶段贪婪的吃叶子，可以毁坏白菜作物。

成年蝴蝶不吃植物叶子，相反它很少吃花朵中的蜜汁。

即使你对植物知之甚少，你可能看到常春藤长在墙上或长在森林中。

图3为部分常青藤植物。

在这张照片中，你可以看到三种不同的植物器官----进行光合作用的叶子，支持叶子和、在根和叶子之间运输物质的茎，从茎上长出的根将植物固定到墙上、吸收水分和无机营养物质。

尽管这里看不见，叶子采取不同的形式----在茎上面朝下的嫩叶与茎尖朝上的成熟的叶子形态不同。

在所有这些例子中，我们可以看到在同一物种中有不同的身体形式。

身体形式是生物表型的一个方面。

尽管在它们的什么周期中有不同的表型，它们在每个阶段的基因型是不一样的。

同样的一根常青藤植物的根、茎和不同形状叶子的基因型一样。

你以前是否拿着从一棵植物剪切的部分用来长新的植物？如果是这样的话，你已经创建了一个植物克隆----一群遗传学上完全一致的植物。

人类已经这样做了不是几千年的话也有几百年。

研究植物学家对这个过程做了一个更复杂的版本，他们从根尖分离单个的细胞，将它们放在组织培养基杀昂生长，产生大量基因相同的植物。

∙动物进行克隆不容易，如你将在这一章看到的，其中一个困难的原因是当动物细胞分化和成熟时它们失去了表达很多基因的能力。

然而，一些动物细胞已经通过从它们细胞核中移出细胞核，将该细胞核注射进入去除细胞核的卵细胞中从而将该动物细胞克隆。

这个技术被称为体细胞核移植（SCNT），我们通常将它称为动物克隆。

∙你可能对多利很熟悉，如图5中所示。

它由苏格兰的一组科学家研究获得，采用体细胞核移植，被认为是第一个成功克隆的哺乳动物。

多利死的时候只有6岁，尽管它生下了很多健康的小羊，但在它死的时候它表现出在很多老羊身上常见的症状。

这些症状包括关节炎、肺病和肥胖。

这些症状中的一些被认为由细胞分裂和它身体细胞的基因表达控制的问题导致。

在这一章，你将看到在基因中携带的遗传信息时如何使用的，你将学习在细胞水平上基因是如何被控制的----在同一个生物的不同细胞中它们是如何打开和关闭的。

这个知识将有助于解释一个生命周期中生命形式如何不同，在一个体内如何可能有不同的器官。

DNA和RNA一个生物的基因由DNA构成，你已经在你的AS课上学过DNA的结构。

然而，在你懂得基因如何工作以前，你需要学习另一种类型的核酸，称为核糖核酸（RNA）。

像DNA，一分子的RNA是一个多核苷酸链。

图6一个为DNA核苷酸，这个你已经熟悉了，一个为RNA核苷酸。

你能认出其中的差异吗？看一看糖上的2碳和5碳原子。

在DNA 核苷酸中，它缺少氧原子，而RNA核苷酸中却存在氧原子。

还有另一个差异在图6中没有显示。

一个RNA核苷酸从来没有凶险嘧啶碱基，然而它有尿嘧啶。

下页的图7有DNA的结构、两种不同类型的RNA----信使RNA（mRNA）和转运RNA（tRNA）。

你能认出图6和图7中DNA、mRNA和tRNA有多少结构和组成的差异？表1为你总结了这些差异。

Ribonucleotide: 核糖核苷酸deoxyribonucleotide:脱氧核苷酸ribose:核糖deoxuribose:脱氧核糖Pentose sugar:无糖Q1：多肽链和蛋白质之间的差异是什么？基因是如何被使用的概述在你的AS课中你学过一个基因携带产生一个多肽链的遗传密码，并且核糖体合成多肽链。

你现在将学习遗传密码是如何被用核糖体用来合成多肽链。

在查看更详细的过程之前，获得一个基因如何使用的概述很重要。

在一个基因中含有的遗传密码导致多肽链的产生的一系列事件发生在这两个阶段：转录和翻译。

表2总结了这两阶段的步骤。

图8是一个在真核细胞中同样事件的图片摘要。

Q2.用你细胞亚显微结果的知识预计图8中的事件与原核细胞有何不同。

转录----当遗传密码被复制到mRNA下页的图9为在转录过程中发生的更多细节，在一个基因被使用的点DNA分子解开，将DNA分子中将两条核苷酸链结合在一起的氢键断裂，这将两条DNA的核苷酸上的未配对的碱基暴露。

RNA核苷酸已经出现在细胞中。

基于以上这些RNA核苷酸与一条DNA链中暴露的DNA核苷酸通过碱基互补配对的过程形成氢键。

这与你在DNA复制过程中学过的碱基互补配对类似，除了RNA核苷酸有尿嘧啶替换胸腺嘧啶。

因此，DNA和转录自它的mRNA 的碱基对是：●腺嘌呤-尿嘧啶（A-U）●鸟嘌呤-胞嘧啶（G-C）●胞嘧啶-鸟嘌呤（C-G）●胸腺嘧啶-腺嘌呤（T-A）Q3. 在转录过程中，只有DNA链的一条链的碱基序列被用于mRNA 的形成，一条链未被使用，DNA有两条链的一个优势是什么。

这样，一条RNA核苷酸链就合成了，它有组成一个基因的DNA的互补碱基序列。

RNA 聚合酶结合这些RNA核苷酸的核糖磷酸骨架形成RNA分子。

这个RNA分子被称为信使RNA （简称mRNA）。

真核细胞中mRNA的转录后加工过程以上描述的转录过程在原核细胞中是精良的，它们所有的DNA编码多肽链。

然而在真核细胞中很多的额DNA不编码多肽链。

DNA的非编码部分可能是：●在基因之间：这些部分包括不断重复的DNA序列。

它们通常被称为串联重复序列。

●在基因里面：这些DNA的非编码部分被称为内含子，它们将称为外显子的编码序列分开。

如果你将外显子认为是DNA的表达部分、将内含子认为是DNA的介入部分将有助于你记住外显子和内含子之间的差异。

在转录期间，真核细胞不能只转录编码部分，而是将整个基因包括内含子和外显子转录成前体RNA。

在前体RNA离开细胞核之前，这些前体RNA被编辑。

图10为通过去除前体RNA的非编码部分展现这个过程如何进行，紧接着编码部分拼接到一起产生mRNA，mRNA只携带基因的编码区域。

翻译一个新的mRNA分子从DNA转移到细胞质中的核糖体上。

在真核细胞中，这涉及到通过核周围核膜上的核孔离开细胞核，一个或多个核糖体结合到mRNA分子上，每个核糖体沿着mRNA移动，“读取”mRNA的碱基序列，用它装配一个氨基酸序列，氨基酸之间可以形成肽键，形成一个多肽链。

一旦这条多肽链完成后核糖体释放多肽链并且从mRNA上面拆卸下来。

核糖体“读取”mRNA碱基序列每次3个碱基，比如“读取”碱基三联体。

每个碱基三联体是一个特定氨基酸的遗传密码。

因此，每个mRNA碱基的三联体被称为一个密码子。

尽管氨基酸在所有细胞的细胞质中都是自由的，除非它们连接到转运RNA上（简写成tRNA）不然不能被核糖体使用。

在tRNA的末端有其中一个臂有三个自由碱基可以与mRNA上的互补密码子配对（216页图7）。

在tRNA的另一个臂的末端每个tRNA分子有一个位点结合一个氨基酸。

tRNA上的碱基序列与密码子配对，这个碱基序列称为反密码子。

一分子携带特定反密码子的tRNA总数只连到一类氨基酸。

下页的图11为一个处于翻译早期阶段的mRNA分子。

它被一个核糖体结合，它的密码子既三个碱基在核糖体里面，图中也有一分子的tRNA。

注意tRNA有一个反密码子与密码子互补。

由tRNA分子携带的氨基酸由mRNA上的三联子碱基编码。

图12表明1分子mRNA在翻译的后阶段。

在这幅图画中，你可以看到沿着mRNA 分子移动，结合了更多的氨基酸分子，所以由核糖体形成了一个多肽链。

一旦核糖体“读取”了一分子mRNA的整个碱基序列，那么它将释放形成的多肽链，然后从mRNA上拆卸下来。

它可能重新结合到mRNA分子的起始点，然后产生另一分子的多肽链。

几个核糖体可以同时结合到同一分子的mRNA，并沿着该分子mRNA 移动。

Q4. a.在图12中什么类型的键将氨基酸结合在一起？b.氨基酸结合到一起涉及到什么反应？可变剪接细胞生物学家能够分析基因的碱基序列，以及从该基因转录得到的mRNA的碱基序列。

他们把在人类细胞转录得到的mRNA只有一小部分变成了被使用的成熟的mRNA。

1. 解释这个观察报告一组波兰科学家发现甚至在一个成熟的mRNA中都存在非编码碱基序列，一些非编码碱基序列三核苷酸重复。

这些科学家发现在特定基因中的重复与亨廷顿舞蹈症有关。

该疾病与神经系统的退化有关。

2. 解释术语“三核苷酸重复”。

3. 对为什么三核苷酸重复可能导致疾病提出一个原因。

4. 信息是否证实亨廷顿舞蹈症是由三核苷酸重复引起的？解释你的答案。

另一组科学家研究外显子在转录后加工过程中拼接到一起的方式。

他们发现外显子可以被剪接成可选的方式形成不同的成熟的mRNA分子。

比如，在早期发展阶段人类B细胞剪接成它们的一个mRNA分子，一个让特定的蛋白保留在细胞膜表面的外显子。

随后它们停止剪接这个外显子，反而将它们的mRNA剪接成一个可以让这个蛋白从细胞里面释放出去的外显子。

5. 用你的免疫学知识提几点关于上述方法B细胞可变剪接外显子将其变成成熟mRNA的优点。

进一步的研究表明在果蝇中可变剪接一个戏剧性的例子。

果蝇的一个基因称为Dscam，被涉及到一系列的过程，包括控制神经细胞的生长和识别和吞噬病原体。

这个基因含有116个外显子，只有17个永远保留在成熟的mRNA中。

这些外显子中的一些总是被包含在成熟的mRNA中，但是其它的外显子却没有。

理论上，这种可变剪接可以导致从Dscam基因产生38016个不同的蛋白。

实际上科学家在果蝇的血液只找到大概18000个不同的蛋白。

6. 建议为什么少于一半的蛋白由来自于果蝇血液中找到的基因Dscam的可变剪接产生。

7. 一个DNA结构的发现者称“一个基因----一个多肽”证明了生物中的中心法则，在那种程度上你认为这是准确的？遗传密码是通用的、简并的和不重叠的遗传密码是在一个DNA分子中的碱基序列。

在产生多肽期间，一个单独基因的遗传密码从DNA转录到一分子的mRNA上。

在mRNA中的这个碱基序列被翻译成一条多肽中的氨基酸序列，因此遗传密码以mRNA密码子的形式给出。

下页的表3总结了遗传密码。

对于所有的生物来说密码子都是一样的----它是通用的。

我们可以用这个表来显示遗传密码两个更重要的特征。

理解遗传密码如何简并和非重叠看一下表3中的密码子UAA、UAG和UGA，核糖体有“阅读指令”，当核糖体到达这些密码子它从mRNA上拆卸下来释放它的多肽链。

⏹每个氨基酸只由一个密码子编码吗？看一下密码子UCA，UCG，UCC和UCU，它们都编码同样的氨基酸-Ser（丝氨酸）。