生物的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)是核酸（nucleic acid),它也是基因的基本結(jié)構(gòu)，它們的化學(xué)組成分子結(jié)構(gòu)符合遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性、連續(xù)性及多樣性的要求。
（一)核酸的化學(xué)組成
核酸結(jié)構(gòu)的基本單位是核苷酸（nucleic acid)，每個(gè)核苷酸由1個(gè)磷酸、1個(gè)五碳糖和1個(gè)堿基3部分組成。核酸有兩類：一類是脫氧核糖核酸（DNA)，DNA中的脫氧核糖核苷酸主要由4種堿基構(gòu)成，即腺嘌呤(adenine,A)、鳥(niǎo)嘌呤（guanine,G)、胞嘧啶（cytosine,C)和胸腺嘧啶（thymine,T)，此外，還有脫氧核糖（deoxyribose)和磷酸；另一類是核糖核酸（RNA)，RNA分子中的核糖核苷酸主要由堿基A、G、C和尿嘧啶（uracil,U)構(gòu)成，此外，還有核糖（ribose)和磷酸。
�。ǘ�)DNA的分子結(jié)構(gòu)
DNA分子是4種脫氧核苷酸經(jīng)3’→5’磷酸二酯健聚合而成，所以了稱為多核苷酸（polynucleotide)。DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指4種核苷酸的連接及其排列順序。1953年Watson和Cricd提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，其要點(diǎn)是：DNA分子是由2條平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸構(gòu)成的右手雙螺旋結(jié)構(gòu)（B型DNA)。多種芏酸的方向由核苷酸間的磷酸二酯健的走向決定，一條從5’→3’，另一條從3’→5’，兩條鏈呈反向平行排列（antiparallel),彼此由氫鍵相連，G 與C配對(duì)（G≡C)，A與T配對(duì)（A=T)。圖3-3表明DNA的分子骨架。
圖3-3 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)及堿基配對(duì)示意圖
（A)部分SNA多核苷酸鏈，示鄰近脫氧核苷酸由3’-5’磷酸二酯鍵連接；
（B)DNA互補(bǔ)的兩條鏈；（C)DNA雙螺旋模型
根據(jù)以上原則，只要確定了一條鏈中的堿基順序，就可以相應(yīng)在確定與它互補(bǔ)的另一條鏈上堿基的順序，估計(jì)1個(gè)DNA分子大約有4千至40億個(gè)核酸對(duì)，而各種堿基對(duì)排列順序沒(méi)有限制，即假定某一段DNA分子鏈有100個(gè)堿基對(duì)，則該段就有4100各不同的排列組合形式，即可有4100種不同性質(zhì)的基因。現(xiàn)知，基因就是DNA分子鏈上的一個(gè)特定的區(qū)段，其平均大小約為1 000個(gè)堿基對(duì)。這說(shuō)明對(duì)DNA分子貯存了大量正常和變異的遺傳信息，滿足了生物的遺傳和多樣性的要求，特別是通過(guò)DNA分子的準(zhǔn)確復(fù)制，又可使遺傳信息得到穩(wěn)定和連續(xù)的傳遞。
�。ㄈ�)DNA的復(fù)制
基因的復(fù)制的以DNA復(fù)制為基礎(chǔ)的。生物體的遺傳特征表現(xiàn)為特定的核苷酸順序，并以密碼子的形式編碼在DNA分子上。在細(xì)胞分裂過(guò)程中，通過(guò)DNA準(zhǔn)確地自體復(fù)制（self-replication)，把遺傳信息從親代傳給子代，這樣，DNA就能真正完成其作為遺傳信息載體的使命，從而保證遺傳物質(zhì)的連續(xù)性和相對(duì)的穩(wěn)定性。
由于DNA分子兩條鏈的堿基是互補(bǔ)的，一條鏈上的核苷酸排列順序可以由另一條鏈上的核苷酸排列順序決定。DNA復(fù)制過(guò)程中，首先堿基間氫斷裂，雙螺旋解旋并松開(kāi)，然后每條多核苷酸鏈各以自己為模板（template)吸收周圍游離核苷酸，按堿基互補(bǔ)原則，進(jìn)行氫鍵結(jié)合。在一些聚合酶作用下，合成新的互補(bǔ)的鏈，與原來(lái)模板單鏈并列盤(pán)旋在一起，形成了穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)（圖3-4)。
這樣新形成的2個(gè)DNA分子與原來(lái) DNA分子的堿基順序完全一樣。每個(gè)子代DNA分子的一條鏈來(lái)自親代DNA，另一條鏈則是新合成的,所以這種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制(swmi-conservative replication).
圖3－4 雙螺旋DNA半保留復(fù)制過(guò)程P1，P2：DNA親鏈；F1，F(xiàn)2：DNA子鏈；
示復(fù)制結(jié)果的兩個(gè)DNA分子完全相同，每個(gè)新DNA分子均由親鏈和子鏈組成
(四)基因的表達(dá)
所謂基因表達(dá)(gene expression)是指細(xì)胞在生命過(guò)程中,把儲(chǔ)存在DNA順序中遺傳信息經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯,轉(zhuǎn)變成具有生物活性的蛋白質(zhì)分子.生物體內(nèi)的各種功能蛋白質(zhì)和酶都是同相應(yīng)的結(jié)構(gòu)基因編碼的(圖3-5)。
1.轉(zhuǎn)錄過(guò)程 在RNA聚合酶的催化下,以DNA為模板合成mRNA的過(guò)程稱為轉(zhuǎn)錄(transcription).在雙鏈DNA中,作為轉(zhuǎn)錄模板的鏈稱為模板鏈(template strand),或反義鏈(antisensestrand);而不作為轉(zhuǎn)錄模板的鏈稱為編碼鏈(coding strand),或有義鏈(sense strand).在雙鏈DNA中與轉(zhuǎn)錄模板互補(bǔ)的一條DNA鏈即編碼鏈,它與轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的差異僅在于DNA中T變?yōu)镽NA中的U.在含許多基因的DNA雙鏈中,每個(gè)基因的模板鏈并不總是在同一條鏈上,亦即一條鏈可作為某些基因的模板鏈的,也可是另外一些基因的編碼鏈。
轉(zhuǎn)錄后要進(jìn)行加工,轉(zhuǎn)錄后的加工包括：
（1)剪接：一個(gè)基因的外顯子和內(nèi)含子都轉(zhuǎn)錄在一條原始轉(zhuǎn)錄物RNA分子中，稱為前mRNA(pre-mRNA)，又稱核內(nèi)異質(zhì)RNA（heterogenuous nuclear RNA,huRNA)。因此前mRNA分子既有外顯子順序又有內(nèi)含子順序，另外還包括編碼區(qū)前面及后面非翻譯順序。這些內(nèi)含子順序必須除支而把外顯子順序連接起來(lái)，才能產(chǎn)生成熟的有功能的mRNA分子，這個(gè)過(guò)程稱為RNA剪接（RNa splicing)。剪切發(fā)生在外顯子的3’末端的GT和內(nèi)含子3’ 末端與下一個(gè)外顯子交界的AG處。
（2)加帽：幾乎全部的真核 mRNa 端都具“帽子”結(jié)構(gòu)。雖然真核生物的mRNA的轉(zhuǎn)錄以嘌呤核苷酸三磷酸（pppAG或pppG)領(lǐng)頭，但在5’端的一個(gè)核苷酸總是7-甲基鳥(niǎo)核苷三磷酸（m7GpppAGpNp)。mNRA5’端的這種結(jié)構(gòu)稱為帽子（cap)。不同真核生物的mRNA具有不同的帽子。
mRNA的帽結(jié)構(gòu)功能：①能被核糖體小亞基識(shí)別，促使mRNA和核糖體的結(jié)合；②m7Gppp結(jié)構(gòu)能有效地封閉RNa 5’末端，以保護(hù)mRNA免疫5’核酸外切酶的降解，增強(qiáng)mRNA的穩(wěn)定
�。�3)加尾：大多數(shù)真核生物的mRNA 3’末端都有由100~200個(gè)A組成的Poly（A)尾巴。Poly(A)尾不是由DNA編碼的，而是轉(zhuǎn)錄后的前mRNA以ATP為前體，由RNA末端腺苷酸轉(zhuǎn)移酶，即Ploy(A)聚合酶催化聚合到3’末端。加尾并非加在轉(zhuǎn)錄終止的3’末端，而是在轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的3’末端，由一個(gè)特異性酶識(shí)別切點(diǎn)上游方向13~20堿基的加尾識(shí)別信號(hào)AAUAAA以及切點(diǎn)下游的保守順序GUGUGUG，把切點(diǎn)下游的一段切除，然后再由Poly(A)聚合酶催化，加上Poly(A)尾巴，如果這一識(shí)別信號(hào)發(fā)生突變，則切除作用和多聚腺苷酸化作用均顯著降低（圖3-5)。
圖3-5 真核生物結(jié)構(gòu)基因表達(dá)（DNA→RNA→蛋白質(zhì))流程圖
mRNAPoly(A)尾的功能是：①可能有助mRNA從核到細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)；②避免在細(xì)胞中受到核酶降解，增強(qiáng)mRNA的穩(wěn)定性。
2．翻譯過(guò)程真核細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄以及加工都是細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行，但翻譯過(guò)程則在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。
以mRNA作為模板，tRNA作為運(yùn)載工具，在有關(guān)酶、輔助因子和能量的作用下將活化的氨基酸在核糖體（亦稱核蛋白體)上裝配為蛋白質(zhì)多肽鏈的過(guò)程，稱為翻譯（translation),這一過(guò)程大致可分為3個(gè)階段�。▓D3-6)：
�。�1)肽鏈的起始：在許多起始因子的作用下，首先是核糖體的小亞基和mRNA上的起始密碼子結(jié)合，然后甲酰甲硫氨酰tRNA(tRNA fMet)結(jié)合上去，構(gòu)成起始復(fù)合物。通過(guò)tRNA的反密碼子UAC，識(shí)別mRNA上的起始密碼子AUG，并相互配對(duì)，隨后核糖體大亞基結(jié)合到小亞基上去，形成穩(wěn)定的復(fù)合體，從而完成了起始的作用。]
�。�2)肽鏈的延和長(zhǎng)：核糖體上有兩個(gè)結(jié)合點(diǎn)——P位和A位，可以同時(shí)結(jié)合兩個(gè)氨酰tRNA。當(dāng)核糖體沿著mRNA從5’→3’移動(dòng)時(shí)，便依次讀出密碼子。首先是tRNAfMet結(jié)合在P位，隨后第二個(gè)氨酰tRNA進(jìn)入A位。此時(shí)，在肽基轉(zhuǎn)移酶的催化下，P位和A位上的2個(gè)氨基酸之間形成肽鍵。第一個(gè)tRNA失去了所攜帶的氨基酸而從P位脫落，P位空載。A位上的氨酰tRNA在移
圖3-6 翻譯過(guò)程（蛋白質(zhì)合成)圖解
位酶和GTP的作用下，移到P位，A位則空載。核糖體沿mRNA 5’端向3’端移動(dòng)一個(gè)密碼子的距離。第三個(gè)氨酰tRNA進(jìn)入A位，與P位上氨基酸再形成肽鍵，并接受P位上的肽鏈，P位上tRNA釋放，A位上肽鏈又移到P位，如此反復(fù)進(jìn)行，肽鏈不斷延長(zhǎng)，直到mRNA的終止密碼出現(xiàn)時(shí)，沒(méi)有一個(gè)氨酰tRNA可與它結(jié)合，于是肽鏈延長(zhǎng)終止。
�。�3)肽鏈的終止：終止信號(hào)是mRNA上的終止密碼子（UAA、UAG或UGA)。當(dāng)核糖體沿著mRNA移動(dòng)時(shí)，多肽鏈不斷延長(zhǎng)，到A位上出現(xiàn)終止信號(hào)后，就不再有任何氨酰tRNA接上去，多肽鏈的合成就進(jìn)入終止階段。在釋放因子的作用下，肽酰tRNA的的酯鍵分開(kāi)，于是完整的多肽鏈和核糖體的大亞基便釋放出來(lái)，然后小亞基也脫離mRNA.
�。�4)翻譯后加工（postranslational processing)：從核糖體上釋放出來(lái)的多肽需要進(jìn)一步加工修飾才能形成具有生物活性的蛋白質(zhì)。翻譯后的肽鏈加工包括肽鏈切斷，某些氨基酸的羥基化、磷酸化、乙酰化、糖基化等。真核生物在新生手肽鏈翻譯后將甲硫氨酸裂解掉。有一類基因的翻譯產(chǎn)物前體含有多種氨基酸順序，可以切斷為不同的蛋白質(zhì)或肽，稱為多蛋白質(zhì)（polyprotein)。例如胰島素（insulin)是先合成86個(gè)氨基酸的初級(jí)翻譯產(chǎn)物，稱為胰島素原（proinsulin)，胰島素原包括A、B、C三段，經(jīng)過(guò)加工，切去其中無(wú)活性的C肽段，并在A肽和B肽之間形成二硫鍵，這樣才得到由51個(gè)氨基酸組成的有活性的胰島素。
3．外顯子與內(nèi)含子表達(dá)過(guò)程中的相對(duì)性 從內(nèi)含子與外顯子的定義來(lái)看，兩者是不能混淆的，但是真核生物的外顯子也并非都“顯”（編碼氨基酸)，除了tRNA基因和rRNA基因的外顯子完全“不顯”之外，幾乎全部的結(jié)構(gòu)基因的首尾兩外顯子都只有部分核苷酸順序編碼氨基酸，還有完全不編碼基酸的外顯子，如人類G6PD基因的第一外顯子核苷酸順序。
現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)一個(gè)基因的外顯子可以是另一基因的內(nèi)含子，所這亦然。以小鼠的淀粉酶基因?yàn)槔�，�?lái)源于肝的與來(lái)源于唾液腺的是同一基因。淀粉酶基因包括4個(gè)外顯子，肝生成的淀粉酶不保留外顯子1，而唾液腺中的淀粉酶則保留了外顯子1的50bp順序，但把外顯子2與前后兩段內(nèi)含子一起剪切掉，經(jīng)過(guò)這樣剪接，外顯子2就變成唾液淀粉酶基因中的內(nèi)含子。
4．同一基因在不同組織能生成不同的基因產(chǎn)物 來(lái)源于不同組織的類似蛋白，可以由同一基因編碼產(chǎn)生，這種現(xiàn)象首先是由于基因中的增強(qiáng)子等有組織特異性，它能與不同組織中的組織特異因子結(jié)合，故在不同組織中同一基因會(huì)產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)錄物與轉(zhuǎn)錄后加工作用。此外真核生物基因可有一個(gè)以一的poly(A)位點(diǎn)，因此能在不同的細(xì)胞中產(chǎn)生具有不同3’末端的前mRNA，從而會(huì)有不同的剪接方式。由于大多數(shù)真核生物基因的轉(zhuǎn)錄物是先加poly(A)尾巴，然后再行剪接，因此不同組織、細(xì)胞中會(huì)有不同的因子干預(yù)多聚腺苷酸化作用，最后影響剪接模式。降鈣素（calcitonin)基因在不同組織中的表達(dá)可作為實(shí)例（圖3-7)。
圖3-7 降鈣基因在不同的細(xì)胞中產(chǎn)生不同的激素
1：為非翻譯順序；2、3：為共同的編碼外顯子；
4：為降鈣素外顯子；5 a：為CGRP外顯子；5b：為CGRP3’ 非翻譯順序；
pA1、pA2：為AATAAA加尾信號(hào)；CGRP：與鈣素基因相關(guān)的多肽
降鈣素基因（CALCAa多肽，定位于11p15.4)中甲狀腺細(xì)胞中形成的前mRNA（短轉(zhuǎn)錄物)，包含有非翻譯順序（1)、編碼外顯子（2)和（3)以及降鈣素編碼外顯子（4)（包括部分非編碼區(qū))，在轉(zhuǎn)錄物pA1位點(diǎn)即AAUAAA信號(hào)附近進(jìn)行多聚腺苷酸化。而在下丘腦，其前mRNA（長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄物)中除了包含轉(zhuǎn)錄物的全部順序外，還包含有與降鈣素基因相關(guān)肽（calcitonin gene-related peptide, CGRP)的編碼外顯子（5a)和CGRP的3’末端非翻譯順序(5b)，并在轉(zhuǎn)錄物pA2處進(jìn)行poly(A)加工�？墒牵陂L(zhǎng)轉(zhuǎn)錄物的剪接過(guò)程中，外顯子（3)的拼接點(diǎn)直接與CGRP編碼外顯子(5a)拼接點(diǎn)相連，從而刪除降鈣素的編碼外顯子（4)，這樣形成兩種成熟的mRNA,分別翻譯產(chǎn)生降鈣素的前體和CGRP前體，然后通過(guò)酶促降產(chǎn)生降鈣素CGRP這兩種激素。
