DNA復制和表達過程中的“水”

林建春

（浙江省洞頭區第一中學 浙江溫州 325700）

遺傳信息的傳遞和表達主要包括DNA 復制、RNA 轉錄及蛋白質翻譯，是高中生物學必修2《遺傳與進化》中的重要內容。然而，教材并沒有詳細描述DNA 復制和表達中的具體過程，例如DNA復制中的化學反應過程、氨基酸在核糖體上脫水縮合過程等。

在學習必修1《分子與細胞》時，學生已明確DNA、RNA 和蛋白質都是生物大分子，其基本結構單位分別是脫氧核糖核苷酸、核糖核苷酸和氨基酸。根據必修1 中的相關插圖（圖1），從單糖形成二糖或多糖、氨基酸形成蛋白質等反應式中，發現小分子單體物質合成生物大分子時均會有水形成。學生利用已學知識，在“DNA 復制和表達”中進行遷移，認為DNA 復制、RNA 轉錄和蛋白質翻譯過程都會有水形成。鑒于上述知識誤區，本文以文獻、資料為背景，對DNA 復制和表達過程中是否有水的形成進行澄清，為廣大生物學教育工作者提供參考。

1 DNA 復制過程中的“水”

DNA 復制包括復制起始、復制延伸、復制終止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，因此一些教學參考資料認為在DNA 復制過程中，脫氧核糖核苷酸直接參與反應，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。

事實上，DNA 復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中，引物鏈游離3′-OH 對進入的脫氧核糖核苷三磷酸α-P 發生親核攻擊，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，而是產生PPi。DNA 復制過程中的化學反應式如(1)所示。

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

1.2 DNA 連接酶催化過程中的“水”DNA 的復制方式為半保留復制，即前導鏈是連續合成的，滯后鏈是不連續合成的。在滯后鏈上首先合成數個岡崎片段，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 轉錄過程中的“水”——RNA 聚合酶催化的鏈延伸反應中的“水”

由于RNA 聚合酶能識別啟動子并進行轉錄，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 轉錄過程比DNA 復制更簡單［4］。RNA聚合酶催化的鏈延伸反應與圖2B相類似，但不同的是參與反應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，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，反應過程同樣也沒有水的形成。RNA 轉錄過程中的化學反應式如（2）所示。

3 蛋白質翻譯過程中的“水”

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

蛋白質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 進入核糖體的A 位點，與P 位點的甲硫氨酰-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。蛋白質翻譯過程中的具體化學反應式如（3）、（4）、（5）所示。因此，在氨基酸形成肽鏈的過程中，氨基酸確實“脫水”了，但并沒有水的直接產生。

氨基酸活化：

氨基酸與tRNA 連接：

肽鍵形成：

綜上分析，在DNA 復制、RNA 轉錄和蛋白質翻譯過程中均沒有水的形成。