|
高中生物學中遺傳信息的流動淺談 遺傳信息的流動過程，稱為信息流，可以用中心法則來表示。 1. 真核生物中遺傳信息的流動 真核生物中，遺傳物質DNA主要分布于細胞核內的染色體上，另外在細胞質中也有少量分布。遺傳信息的流動包括DNA的復制、基因的轉錄和翻譯三部分。 1.1真核生物細胞核內遺傳信息的流動 真核生物中，DNA的復制主要在細胞核內完成。首先在解旋酶的作用下，雙鏈DNA分子堿基對之間的氫鍵斷裂，DNA分子局部解開螺旋，暴露出母鏈脫氧核苷酸上游離的堿基；然后，周圍環境中四種游離的脫氧核苷酸上的堿基與兩條單鏈上的游離的脫氧核苷酸上的堿基之間進行互補配對，通過氫鍵形成堿基對；接著，在DNA聚合酶的作用下，通過形成磷酸二酯鍵將游離的脫氧核苷酸聚合為新的多核苷酸鏈；最后一條新鏈和對應的母鏈螺旋形成新的子代DNA分子。通過DNA復制，經過細胞增殖和受精作用，將親本的遺傳物質準確地傳遞給子代，實現了遺傳信息在親代與子代細胞和個體之間的流動。 真核生物的基因轉錄，也主要在細胞核內進行。首先在解旋酶的作用下，DNA分子局部解開螺旋，然后以基因的無義鏈為模板，在RNA聚合酶的作用下，消耗周圍環境中四種游離的核糖核苷酸，合成一單鏈RNA，經過加工，形成mRNA、rRNA和tRNA。這樣遺傳信息就由DNA流動到RNA上。轉錄產生的mRNA，經核孔由細胞核進入細胞質，與核糖體結合，利用tRNA攜帶的氨基酸作原料，直接指導核糖體合成多肽，經過加工修飾，形成蛋白質。 1.2真核生物細胞質內遺傳信息的流動 1.2.1 細胞質內葉綠體和線粒體的遺傳信息流動 葉綠體和線粒體內的DNA分子，均為雙鏈環狀DNA分子；兩種細胞器內均含有核糖體。復制、轉錄和翻譯所需要的DNA聚合酶和RNA聚合酶等酶來自細胞核內基因的表達，在細胞質內的核糖體上合成后，進入兩種細胞器內發揮作用。復制、轉錄和翻譯就在這兩種細胞器內進行，由于沒有類似于核膜這種結構的限制，因此可以在轉錄的同時進行翻譯。 1.2.2細胞質內質粒上遺傳信息流動 細胞質基質中的質粒，也是一個雙鏈環狀DNA分子，其復制和轉錄是在細胞質基質中進行，翻譯是在細胞質中的核糖體上進行。因此，真核生物細胞核和細胞質內遺傳信息的流動過程，均可用下圖1來表示： 2. 原核生物中遺傳信息的流動過程 原核生物中，遺傳信息的流動也包括DNA的復制、基因的轉錄和翻譯三部分。不管是擬核里的DNA分子,還是質粒中的DNA復制過程,遺傳信息流動的過程和真核生物基本相同，只是場所均在細胞質內，轉錄產生的mRNA不需加工便可以直接用于翻譯的模板，另外由于沒有核膜的限制，可以在轉錄的同時進行翻譯，具有邊轉錄邊翻譯的特點。 原核生物遺傳信息的流動過程，也可以用上圖1來表示。 3. DNA病毒的遺傳信息流動過程 DNA病毒按照遺傳物質DNA的類型劃分為雙股DNA病毒、單股DNA病毒等不同類型。 3.1 雙股DNA病毒的遺傳信息流動 人和動物DNA病毒絕大多數為雙股DNA病毒，如皰疹病毒、T4噬菌體、天花病毒等，其DNA復制和基因的轉錄發生在宿主細胞的細胞核內，翻譯則在細胞質中的核糖體上進行。復制按半保留方式進行，以病毒雙股DNA分子中的－DNA為模板，依靠宿主細胞內的RNA聚合酶，合成mRNA，在宿主細胞的核糖體上合成早期蛋白質（DNA聚合酶）；再以病毒的雙股DNA分子為模板，復制出大量的子代病毒雙股DNA分子；以病毒雙股DNA分子中的－DNA為模板，依靠宿主細胞內的RNA聚合酶，合成mRNA，在宿主細胞的核糖體上合成病毒的各種蛋白質。其遺傳信息的流動過程也可用上圖1來表示。 3.2 單股DNA病毒的遺傳信息流動 單股DNA病毒種類較少，如豬圓環病毒、雞貧血病毒等，其DNA復制和基因的轉錄發生在宿主細胞的細胞核內，翻譯則在細胞質中的核糖體上進行。復制按半保留方式進行，以病毒單股DNA分子為模板，合成－DNA，和病毒單股DNA螺旋形成±DNA；再以－DNA為模板，復制出大量的子代病毒單股DNA；以±DNA中的－DNA為模板，依靠宿主細胞內的RNA聚合酶，合成mRNA，在宿主細胞的核糖體上合成病毒的各種蛋白質。以其遺傳信息的流動過程可用下圖2來表示： 4. RNA病毒中遺傳信息的流動過程 RNA病毒主要按照遺傳物質RNA的類型劃分為雙股RNA病毒、正鏈RNA病毒、負鏈RNA病毒和逆轉錄病毒等不同類型。 4.1 雙股RNA病毒的遺傳信息流動 常見的雙股RNA病毒,如呼腸弧病毒科的藍舌病毒、輪狀病毒等，其遺傳物質的復制和轉錄、翻譯均發生在宿主細胞內。侵入宿主細胞后，以病毒RNA為模板合成子代RNA，以病毒－RNA為模板合成mRNA并翻譯形成病毒蛋白質，進而組裝成子代病毒。雙股RNA病毒遺傳信息的流動過程可以用下圖3來表示。 4.2 正鏈RNA病毒的遺傳信息流動 脊髓灰質炎病毒就是最為常見的正鏈RNA病毒，在侵入宿主細胞后，病毒的＋RNA直接附著于宿主細胞核糖體上，翻譯出大分子蛋白，并迅速被蛋白水解酶降解為結構蛋白和非結構蛋白，如RNA聚合酶。在這種酶的作用下，以親代+RNA為模板形成一雙鏈結構±RNA，稱“復制型（Replicative form）”。再從互補的－RNA復制出多股子代+RNA，這種由一條完整的負鏈和正在生長中的多股正鏈組成的結構，秒“復制中間體(Replicative intermediate) ”。新的子代RNA分子在復制環中有三種功能：（1）為進一步合成復制型起模板作用；（2）繼續起mRNA作用；（3）構成感染性病毒RNA。正鏈RNA病毒的遺傳信息流動過程可以用下圖4來表示。 4.3 負鏈RNA病毒的遺傳信息流動 流感病毒、副流感病毒、狂犬病毒和腮腺炎病毒等有囊膜病毒屬于這一范疇。病毒體中含有RNA聚合酶，從侵入的－RNA轉錄出mRNA，翻譯出病毒結構蛋白和酶，同時該mRNA又可做為模板，在RNA聚合酶作用下合成子代負鏈RNA。負鏈RNA病毒的遺傳信息流動過程可以用下圖5來表示。 4.4 逆轉錄病毒的遺傳信息流動 逆轉錄病毒含有單股正鏈RNA、逆轉錄酶和tRNA。首先，病毒+RNA進入細胞質后，以+RNA為模板，在逆轉錄酶等的作用下，合成－DNA，形成+RNA-－DNA復合體，+RNA被降解，進而以－DNA為模板形成±DNA，轉入細胞核內，整合到宿主DNA中，成為前病毒。然后，以前病毒DNA轉錄出病毒mRNA，翻譯出病毒蛋白質。同樣從前病毒DNA轉錄出病毒RNA，在細胞質內裝配，最后釋放出宿主細胞。逆轉錄病毒的遺傳信息流動過程可用下圖6來表示。 5. 朊病毒的遺傳信息流動 由于朊病毒是一種只含有蛋白質而不含核酸的生物并且只能在宿主細胞內生存,因此，朊病毒的增殖不同于病毒普遍的增殖方式；朊病毒本身并不含有核酸，它是由宿主染色體基因編碼的。人的朊病毒蛋白基因定位于20 號染色體短臂上，小鼠的朊病毒蛋白基因位于第2號染色體短臂上。朊病毒的作用，僅在于激活在宿主細胞中為朊病毒的編碼的基因，使得朊病毒得以復制繁殖。 因此，朊病毒遺傳信息的流動過程可用下圖7來表示。 |
|
|
