DNA復(fù)制和表達(dá)過程中的“水”

林建春

（浙江省洞頭區(qū)第一中學(xué) 浙江溫州 325700）

遺傳信息的傳遞和表達(dá)主要包括DNA 復(fù)制、RNA 轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)翻譯，是高中生物學(xué)必修2《遺傳與進(jìn)化》中的重要內(nèi)容。然而，教材并沒有詳細(xì)描述DNA 復(fù)制和表達(dá)中的具體過程，例如DNA復(fù)制中的化學(xué)反應(yīng)過程、氨基酸在核糖體上脫水縮合過程等。

在學(xué)習(xí)必修1《分子與細(xì)胞》時，學(xué)生已明確DNA、RNA 和蛋白質(zhì)都是生物大分子，其基本結(jié)構(gòu)單位分別是脫氧核糖核苷酸、核糖核苷酸和氨基酸。根據(jù)必修1 中的相關(guān)插圖（圖1），從單糖形成二糖或多糖、氨基酸形成蛋白質(zhì)等反應(yīng)式中，發(fā)現(xiàn)小分子單體物質(zhì)合成生物大分子時均會有水形成。學(xué)生利用已學(xué)知識，在“DNA 復(fù)制和表達(dá)”中進(jìn)行遷移，認(rèn)為DNA 復(fù)制、RNA 轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯過程都會有水形成。鑒于上述知識誤區(qū)，本文以文獻(xiàn)、資料為背景，對DNA 復(fù)制和表達(dá)過程中是否有水的形成進(jìn)行澄清，為廣大生物學(xué)教育工作者提供參考。

1 DNA 復(fù)制過程中的“水”

DNA 復(fù)制包括復(fù)制起始、復(fù)制延伸、復(fù)制終止3 個階段。其中，DNA 延伸階段是新鏈合成的重要階段，主要由DNA 聚合酶、DNA 連接酶及RNA聚合酶參與［2］。

1.1 DNA 聚合酶催化的鏈延伸反應(yīng)中的“水”由于脫氧核糖核苷酸是DNA 的基本組成單位，因此一些教學(xué)參考資料認(rèn)為在DNA 復(fù)制過程中，脫氧核糖核苷酸直接參與反應(yīng)，磷酸二酯鍵是由連接在前一個五碳糖3′-OH 中的H 與另一個五碳糖5′端的磷酸基團(tuán)中的-OH 脫水縮合而成（圖2A）。因此，DNA 延伸過程中每增加1 個脫氧核糖核苷酸，就會形成1 分子水。

事實(shí)上，DNA 復(fù)制的主要原料是脫氧核糖核苷三磷酸（dNTPs）。如圖2B 所示，在DNA 聚合酶催化的鏈延伸反應(yīng)中，引物鏈游離3′-OH 對進(jìn)入的脫氧核糖核苷三磷酸α-P 發(fā)生親核攻擊，從而形成3′，5′-磷酸二酯鍵并脫下1 個焦磷酸（PPi）。dNTPs 形成磷酸二酯鍵的過程中，沒有水形成，而是產(chǎn)生PPi。DNA 復(fù)制過程中的化學(xué)反應(yīng)式如(1)所示。

此外，值得注意的是，DNA 聚合酶不會發(fā)動新鏈的合成，只能催化已有鏈的延伸反應(yīng)。圖2B中的引物鏈?zhǔn)怯蒖NA 聚合酶利用DNA 模板以堿基互補(bǔ)配對的方式合成的一段RNA，此過程也沒有水的形成（具體可參考反應(yīng)式2）。

1.2 DNA 連接酶催化過程中的“水”DNA 的復(fù)制方式為半保留復(fù)制，即前導(dǎo)鏈?zhǔn)沁B續(xù)合成的，滯后鏈?zhǔn)遣贿B續(xù)合成的。在滯后鏈上首先合成數(shù)個岡崎片段，每一個岡崎片段的5′端都存在RNA 引物，RNA 引物的切除及缺口的填補(bǔ)都是依靠DNA聚合酶完成的，最后由DNA 連接酶將岡崎片段連接成長鏈。

在DNA 連接酶的催化作用下（圖3），前一個五碳糖分子中的3′-OH 與后一個五碳糖分子5′端磷酸基團(tuán)中的-OH 形成磷酸二酯鍵［2］，此過程也沒有水的形成。

因此，主要由DNA 聚合酶、DNA 連接酶及RNA聚合酶參與的DNA 新鏈合成階段并沒有水的形成。

2 RNA 轉(zhuǎn)錄過程中的“水”——RNA 聚合酶催化的鏈延伸反應(yīng)中的“水”

由于RNA 聚合酶能識別啟動子并進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，不需要引物鏈的參與，可直接在DNA 模板上合成單鏈RNA，因此RNA 轉(zhuǎn)錄過程比DNA 復(fù)制更簡單［4］。RNA聚合酶催化的鏈延伸反應(yīng)與圖2B相類似，但不同的是參與反應(yīng)的是核糖核苷三磷酸（NTPs），合成的是RNA 片段。第1 個核糖核苷三磷酸帶有3 個磷酸基團(tuán)，其后每加入1 個核糖核苷三磷酸便會脫去1 個PPi，形成磷酸二酯鍵，反應(yīng)過程同樣也沒有水的形成。RNA 轉(zhuǎn)錄過程中的化學(xué)反應(yīng)式如（2）所示。

3 蛋白質(zhì)翻譯過程中的“水”

如圖1C 所示，氨基酸與氨基酸進(jìn)行脫水縮合形成多肽的過程中會產(chǎn)生水。受上述反應(yīng)式的影響，誤以為在核糖體上進(jìn)行蛋白質(zhì)翻譯時也會有水產(chǎn)生。實(shí)際上，氨基酸與氨基酸之間并不是直接發(fā)生縮合脫水反應(yīng)，蛋白質(zhì)翻譯過程也遠(yuǎn)不止圖1C 中的反應(yīng)式那么簡單。

蛋白質(zhì)翻譯過程可分為氨基酸活化、氨基酸與tRNA 連接及肽鍵形成3 個過程［5］。如圖3所示，氨基酸活化形成氨基酰-AMP 的過程中，需要1 分子ATP 參與，同時形成1 個PPi。在活化階段，氨基酸的脫去1 個H 形成。接著，氨基酰-AMP 與tRNA 進(jìn)行連接，此過程中會釋放出1 個AMP，形成氨基酰-tRNA，同時氨基酸的再脫去1 個O 形成。最后，氨基酰-tRNA 進(jìn)入核糖體的A 位點(diǎn)，與P 位點(diǎn)的甲硫氨酰-tRNA（第1 個氨基酸）或氨酰-tRNA 形成肽鍵，此時再脫去氨基酸—NH2中的1 個H。蛋白質(zhì)翻譯過程中的具體化學(xué)反應(yīng)式如（3）、（4）、（5）所示。因此，在氨基酸形成肽鏈的過程中，氨基酸確實(shí)“脫水”了，但并沒有水的直接產(chǎn)生。

氨基酸活化：

氨基酸與tRNA 連接：

肽鍵形成：

綜上分析，在DNA 復(fù)制、RNA 轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯過程中均沒有水的形成。