三 基因的表达
通过前面的学习，我们已经知道，子代与亲代在性状上相似，是由于子代获得了亲代复制的一份DNA的缘故。那么，DNA分子是怎样控制遗传性状的？现代遗传学的研究认为，每个DNA分子上有很多基因，这些基因分别控制着不同的性状，也就是说，基因是决定生物性状的基本单位。
基因——有遗传效应的DNA片段人们对基因的认识是不断发展的。19世纪60年代，遗传学家们就提出了生物的性状是由遗传因子控制的观点，但是，当时所说的遗传因子仅仅是一种逻辑推理的产物。20世纪初期，遗传学家们通过果蝇的遗传实验，认识到基因存在于染色体上，并且在染色体上呈直线排列，从而得出了染色体是基因载体的结论(
如图)。但是，对于基因的化学组成，当时并不清楚。
20世纪50年代以后，随着分子遗传学的发展，尤其是在沃森和克里克提出DNA双螺旋结构模型以后，人们才真正认识了基因的本质，即基因是具有遗传效应的DNA片段。研究结果还表明，每一条染色体只含有一个DNA分子，每个DNA分子上有很多个基因，每个基因中又可以含有成百上千个脱氧核苷酸。由于不同基因的脱氧核苷酸的排列顺序(碱基顺序)不同，因此，不同的基因就含有不同的遗传信息。
基因的复制是通过DNA分子的复制来完成的。基因不仅可以通过复制把遗传信息传递给下一代，还可以使遗传信息以一定的方式反映到蛋白质的分子结构上来，从而使后代表现出与亲代相似的性状，遗传学上把这一过程叫做基因的表达。
基因控制蛋白质的合成基因的表达是通过DNA控制蛋白质的合成来实现的。我们知道，DNA主要存在于细胞核中，而蛋白质的合成是在细胞质里进行的。那么，DNA所携带的遗传信息是怎样传递到细胞质中去的呢？这就需要通过另一种物质——RNA作为媒介。在细胞核中先把DNA的遗传信息传递给RNA，然后，RNA进入细胞质，在蛋白质合成中起模板作用。因此，基因控制蛋白质合成的过程包括两个阶段——“转录”和“翻译”。
转录 转录是在细胞核内进行的。它是指以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则，合成RNA的过程。
RNA只有一条链，它的碱基组成与DNA的不同(如图)。
从图中可以看出，RNA没有碱基T(胸腺嘧啶)，而有碱基U(尿嘧啶)。因此，在以DNA为模板合成RNA时，需要以U代替T与A配对(如图)。 这样，DNA分子就把遗传信息传递到RNA上，这种RNA叫做信使RNA。
翻 译 翻译是在细胞质中进行的。它是指以信使RNA为模板，合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。
我们已经知道蛋白质是由20种氨基酸组成的，而信使RNA上的碱基只有四种(A、G、C、U)，那么，这四种碱基是怎样决定蛋白质上的20种氨基酸的呢？如果一个碱基决定一个氨基酸，那么，四种碱基只能决定四种氨基酸。如果两个碱基决定一个氨基酸，最多也只能决定16(42＝16)种氨基酸。因此，科学家们推测，每三个碱基决定一个氨基酸，这样碱基的组合可以达到64(43＝64)种，这对于决定20种氨基酸来说已经绰绰有余了。按照这种设想，科学家们在20世纪60年代初，开始了对遗传密码的研究工作，几年后，终于弄清了是哪三个碱基决定哪种氨基酸的。例如，UUU可以决定苯丙氨酸，CGU可以决定精氨酸。遗传学上把信使RNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基，叫做一个“密码子”。1967年科学家们破译了全部遗传密码子，并且编制出了左面这张密码子表(表6-1)。
信使RNA在细胞核中合成以后，从核孔进入到细胞质中，与核糖体结合起来(如图)。核糖体是细胞内利用氨基酸合成蛋白质的场所。那么，氨基酸是怎样被运送到核糖体中的信使RNA上去的呢？这需要有运载工具，这种工具也是一种RNA，叫做转运RNA。转运RNA的种类很多，但是，每一种转运RNA只能识别并转运一种氨基酸。这是因为在转运RNA的一端是携带氨基酸的部位，另一端有三个碱基，每一个转运RNA的这三个碱基，都只能专一地与信使RNA上的特定的三个碱基配对。当转运RNA运载着一个氨基酸进入到核糖体以后，就以信使RNA为模板，按照碱基互补配对原则，把转运来的氨基酸放在相应的位置上。转运完毕以后，转运RNA离开核糖体，又去转运下一个氨基酸。
当核糖体 接受两个氨基酸以后，第二个氨基酸就会被移至第一个氨基酸上，并通过肽键与第一个氨基酸连接起来，与此同时，核糖体在信使RNA上也移动三个碱基的位置，为接受新运载来的氨基酸做好准备。上述过程如此往复地进行，肽链也就不断地延伸，直到信使RNA上出现终止密码子为止。
假如密码子CCU发生了差错，第一个碱基的C换成了G，将会对氨基酸序列产生什么影响？如果发生差错的是第三个碱基又会怎样？参考答案
肽链合成以后，从信使RNA上脱离，再经过一定的盘曲折叠，最终合成一个具有一定氨基酸顺序的、有一定功能的蛋白质分子。
由上述过程可以看出：DNA分子的脱氧核苷酸的排列顺序决定了信使RNA中核糖核苷酸的排列顺序，信使RNA中核糖核苷酸的排列顺序又决定了氨基酸的排列顺序，氨基酸的排列顺序最终决定了蛋白质的结构和功能的特异性，从而使生物体表现出各种遗传性状。
中心法则及其发展 在遗传学上，把遗传信息的流动方向叫做信息流。信息流的方向可以用科学家克里克提出的“中心法则”来表示。从中心法则可以看出，遗传信息的一般流动方向(图中红线所示)是：遗传信息可以从DNA流向DNA，即完成DNA的自我复制过程，也可以从DNA流向RNA，进而流向蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译过程。后来的科学研究又发现，在某些病毒中，RNA也可以自我复制，并且还发现在一些病毒蛋白质的合成过程中，RNA可以在逆转录酶的作用下合成DNA。因此，在某些病毒中，遗传信息可以沿上页图中的蓝线方向流动。上述逆转录过程以及RNA自我复制过程的发现，补充和发展了中心法则，使之更加完整。
基因对性状的控制
生物的一切遗传性状都是受基因控制的，但是基因对性状的控制往往要经过一系列的代谢过程，而代谢过程中的每一步化学反应都需要酶来催化，因此，一些基因就是通过控制酶的合成来控制代谢过程，从而控制生物性状的。例如，正常人的皮肤、毛发等处的细胞中有一种酶，叫做酪氨酸酶，它能够将酪氨酸转变为黑色素。如果一个人由于基因不正常而缺少酪氨酸酶，那么这个人就不能合成黑色素，而表现出白化症状(如图)。在生物体中，基因控制性状的另一种情况，是通过控制蛋白质分子的结构来直接影响性状。例如，人类的血红蛋白分子是由几百个氨基酸构成的，如果一个人的控制血红蛋白分子结构的基因不正常，那么这个人就会合成结构异常的血红蛋白而引起疾病。关于这种疾病的发病机理，将在本章第四节中进一步讲述。
一、填充题
1．基因是具有______片段，是决定______的基本单位。
2．如果DNA分子一条链的碱基排列顺序是…－A－C－G－G－A－T－C－T－T…，那么，与它互补的另一条DNA链的碱基排列顺序是______；如果以已知的DNA链为模板，转录出的信使RNA碱基顺序应该是______。在这段信使RNA中包含了______个密码子，需要______个转运RNA才能把所需要的氨基酸转运到核糖体上，这些氨基酸的种类依次是______。
二、判断题
1．在转录过程中，碱基互补配对原则是：A与T配对，G与C配对。 ( )
2．遗传信息是指蛋白质中氨基酸的排列顺序。 ( )
3．DNA的复制和转录主要发生在细胞核内，翻译发生在细胞质内。 ( )
三、选择题
1．下列有关基因的叙述，不正确的是：[ ]
A．可以准确地复制； B．能够贮存遗传信息；
C．可以直接调节生物体的新陈代谢； D．可以通过控制蛋白质的合成控制生物性状。
2．决定氨基酸的密码子是指： [ ]
A．DNA上的三个碱基； B．转运RNA上的三个碱基；
C．信使RNA上的三个碱基； D．基因上的三个碱基。
四、简答题
染色体、DNA和基因都与遗传有关，你能概括地说出这三者之间的关系吗？