遺傳物質的分子基礎

1、一、染色體的組成一、染色體的組成二二 、dna是遺傳物質的間接證據(jù)是遺傳物質的間接證據(jù)三、三、 dna（或（或rna）是遺傳物質的直接證）是遺傳物質的直接證據(jù)據(jù)(一一)、 細菌轉化試驗細菌轉化試驗(二二)、 噬菌體感染試驗噬菌體感染試驗(三三)、煙草花葉病毒的重建實驗、煙草花葉病毒的重建實驗 染染色色體體 dna 1（相對含量）（相對含量）組蛋白組蛋白 1非組蛋白蛋白質非組蛋白蛋白質 0.5-1.5rna 0.05v在很長一段時間內，人們以為蛋白質是在很長一段時間內，人們以為蛋白質是遺傳物質。遺傳物質。 人們之所以認為蛋白質是遺人們之所以認為蛋白質是遺傳物質而不認為傳物質而不認為dnadna是

2、遺傳物質，其主要是遺傳物質，其主要原因是：原因是： 人們認為生物界是多樣性的，人們認為生物界是多樣性的，生物種類成千上萬，各種生物又有成百生物種類成千上萬，各種生物又有成百上千的不同性狀，控制這些性狀的遺傳上千的不同性狀，控制這些性狀的遺傳物質也應該是多樣性的。只有蛋白質的物質也應該是多樣性的。只有蛋白質的多樣性才符合這一要求。多樣性才符合這一要求。 v1、dna通常只在核中的染色體上找到通常只在核中的染色體上找到v2、 dna含量的恒定性含量的恒定性v3、dna代謝的穩(wěn)定性代謝的穩(wěn)定性v4、 能改變能改變dna結構的化學物質都可引結構的化學物質都可引起基因突變起基因突變v每個物種中，不同組織

3、的細胞，無每個物種中，不同組織的細胞，無論其大小和功能如何，細胞核中的論其大小和功能如何，細胞核中的dnadna含量都是恒定的。而且精子和含量都是恒定的。而且精子和卵子的卵子的dnadna含量正好是體細胞的一含量正好是體細胞的一半。而細胞中半。而細胞中rnarna和蛋白質的含量和蛋白質的含量在不同細胞中的變化很大。在不同細胞中的變化很大。vdnadna在代謝上是穩(wěn)定的。若某個在代謝上是穩(wěn)定的。若某個元素被元素被dnadna分子所吸收，則在細分子所吸收，則在細胞健全生長的條件下，它不會胞健全生長的條件下，它不會離開離開dnadna。而細胞內的其他分子，。而細胞內的其他分子，如蛋白質，都是一面迅速

4、合成，如蛋白質，都是一面迅速合成，一面又不斷分解。一面又不斷分解。v這是第一個證實這是第一個證實dna是遺傳物質的試驗。是遺傳物質的試驗。它由兩個階段的試驗組成：它由兩個階段的試驗組成：1、griffith（1928）發(fā)現(xiàn)，高溫殺死的）發(fā)現(xiàn)，高溫殺死的s型型能使能使r型轉化為型轉化為s型。于是，他認為型。于是，他認為s型型中有一種物質中有一種物質轉化因子能夠進入轉化因子能夠進入r型型細菌，并引起穩(wěn)定的遺傳變異。細菌，并引起穩(wěn)定的遺傳變異。 轉化因子是什么？他還不清楚。轉化因子是什么？他還不清楚。2、avery和他的同事（和他的同事（1944）經(jīng)過）經(jīng)過10年的年的工作，證實工作，證實griff

5、ith的轉化因子就是的轉化因子就是dna。于是，首次提出了于是，首次提出了dna是遺傳物質。是遺傳物質。 這個實驗還證明了性狀本身是不遺傳這個實驗還證明了性狀本身是不遺傳的。的。v從活的從活的s型中提取型中提取dna、蛋白質、多糖。、蛋白質、多糖。v蛋白質蛋白質+r型型小鼠正常小鼠正常v多糖多糖+r型型小鼠正常小鼠正常vdna +r型型小鼠死亡小鼠死亡分離出分離出s型型vdna（dnase處理后）處理后） +r型型小鼠正常小鼠正常vdna純度越高，轉化效率越高。純度越高，轉化效率越高。噬菌體侵染與繁殖的基本過程：噬菌體侵染與繁殖的基本過程：t2噬菌體浸染大腸桿菌后，遺傳物質進入細菌細胞；噬菌體

6、浸染大腸桿菌后，遺傳物質進入細菌細胞；利用大腸桿菌的遺傳復制系統(tǒng)復制噬菌體遺傳物質；利用大腸桿菌的遺傳復制系統(tǒng)復制噬菌體遺傳物質；利用大腸桿菌的遺傳信息表達系統(tǒng)合成噬菌體組件；利用大腸桿菌的遺傳信息表達系統(tǒng)合成噬菌體組件；最后組裝形成完整的最后組裝形成完整的t2噬菌體。噬菌體。v因此只要弄清侵染時進入細菌的是噬菌體因此只要弄清侵染時進入細菌的是噬菌體的哪一部分，就可能證明哪種物質是遺傳的哪一部分，就可能證明哪種物質是遺傳信息的載體。信息的載體。v另外：另外：p是是dna的組成部分，但不存在于蛋白質中；的組成部分，但不存在于蛋白質中；s存在于蛋白質中，但存在于蛋白質中，但dna中沒有。中沒有。v

7、試驗結果表明：試驗結果表明：主要是由于主要是由于dna進入細胞內才產(chǎn)生完整的噬進入細胞內才產(chǎn)生完整的噬菌體；菌體；v結論：結論：dna才是才是(噬菌體的噬菌體的)遺傳物質。遺傳物質。v題外話：題外話：與與avery等人研究比較，本試驗的精度低得多。等人研究比較，本試驗的精度低得多。但是由于放射性標記法但是由于放射性標記法(也稱為示蹤原子法也稱為示蹤原子法)當當時為人們普遍采用時為人們普遍采用,同時由于核酸研究及其它同時由于核酸研究及其它相關的成果，本試驗結果很快得到人們的廣相關的成果，本試驗結果很快得到人們的廣泛認同。泛認同。v煙草花葉病毒煙草花葉病毒(tmv)是由是由rna與蛋白質構成的與蛋

8、白質構成的管狀微粒：管狀微粒：中心是單鏈螺旋中心是單鏈螺旋rna、外部是蛋白質外殼。、外部是蛋白質外殼。1. 拆分感染試驗：拆分感染試驗：將將tmv的的rna與蛋白質分離、提純；與蛋白質分離、提純；分別接種煙葉，發(fā)現(xiàn)分別接種煙葉，發(fā)現(xiàn)rna能使煙葉致病，而能使煙葉致病，而蛋白質不能；蛋白質不能；用用rna酶處理酶處理rna后接種煙葉不能致病，表后接種煙葉不能致病，表明明rna可能就是可能就是tmv的遺傳物質。的遺傳物質。vfrankel-conrat, singer (1956)進行了圖示試進行了圖示試驗：驗：v試驗表明：病斑類型取決于雜合病毒的試驗表明：病斑類型取決于雜合病毒的rna，而與蛋

9、白質來源無關。而與蛋白質來源無關。v結論：無結論：無dna的生物，遺傳物質是的生物，遺傳物質是rna。v綜上所述：到上世紀中期，多方面證據(jù)都直綜上所述：到上世紀中期，多方面證據(jù)都直接或間接地表明接或間接地表明dna是主要的遺傳物質，而是主要的遺傳物質，而在缺乏在缺乏dna的某些病毒中的某些病毒中rna就是遺傳物質。就是遺傳物質。一、兩種核酸及其分布一、兩種核酸及其分布 （一）（一）dna和和rna的組成的組成（二）（二）dna和和rna的分布的分布二、二、dna的化學結構的化學結構 三三、dna雙螺旋結構模型雙螺旋結構模型（一）（一）watson和和crick模型的要點模型的要點（二）（二）d

10、nadna構型構型四、四、dna的復制的復制五、五、rnarna的復制的復制 dna rna 磷酸磷酸 磷酸磷酸 脫氧核糖脫氧核糖 核糖核糖 堿基有：堿基有：a、t、g、c 堿基有：堿基有：a、u、g、c 在真核生物中，絕大部分在真核生物中，絕大部分dna存在于細胞核內的染色體上，少量存在于細胞核內的染色體上，少量dna存在于細胞質中的葉綠體、線存在于細胞質中的葉綠體、線粒體等細胞器中。粒體等細胞器中。 rna在細胞核和在細胞核和細胞質中都有，在核內，細胞質中都有，在核內，rna主要主要集中在核仁上，少量在染色體上。集中在核仁上，少量在染色體上。 1953年年4月月25日，日，watson，j

11、d 和和 crick，f.在英國在英國nature雜志上發(fā)表論文雜志上發(fā)表論文（watson crick dna structure)，根據(jù)，根據(jù)堿基互補配對的堿基互補配對的 規(guī)律以及對規(guī)律以及對dna 分子分子x射線衍射研究的成果，提出了著名的射線衍射研究的成果，提出了著名的dna雙螺旋結構模型（圖雙螺旋結構模型（圖3-7）。）。 這個模型已為以后拍攝這個模型已為以后拍攝 的電鏡直觀的電鏡直觀形象所證實。這個空間構型滿足了解答形象所證實。這個空間構型滿足了解答分子遺傳學許多基本問題的需要。例如：分子遺傳學許多基本問題的需要。例如：dna的復制、的復制、dna 對于遺傳信息的貯存對于遺傳信息的

12、貯存及其及其 改變和傳遞等，從而奠定了分子遺改變和傳遞等，從而奠定了分子遺傳學的基礎。傳學的基礎。 dna分子由兩條多核苷酸鏈構成。這兩分子由兩條多核苷酸鏈構成。這兩條多核苷酸鏈以右手螺旋的形式，彼此以條多核苷酸鏈以右手螺旋的形式，彼此以一定的空間距離，平行地環(huán)繞于同一軸上，一定的空間距離，平行地環(huán)繞于同一軸上，很象一條扭曲起來的梯子。很象一條扭曲起來的梯子。 兩條多核苷酸鏈反向平行兩條多核苷酸鏈反向平行, ,即一條鏈為即一條鏈為5 3方向，另一條鏈為方向，另一條鏈為 3 5 方向，方向，二者剛好相反。二者剛好相反。 每條長鏈的內側是扁平的盤狀堿基，堿基一每條長鏈的內側是扁平的盤狀堿基，堿基一

13、方面與脫氧核糖相聯(lián)系，另一方面通過氫鍵與方面與脫氧核糖相聯(lián)系，另一方面通過氫鍵與它互補的堿基相聯(lián)系，相互層迭宛如一級一級它互補的堿基相聯(lián)系，相互層迭宛如一級一級的梯子橫檔?；パa堿基對的梯子橫檔。互補堿基對a a和和t t之間形成兩個之間形成兩個氫鍵，而氫鍵，而c c和和g g之間形成三個氫鍵。上下堿基之間形成三個氫鍵。上下堿基對之間的距離為對之間的距離為0.34nm0.34nm。 每個螺旋為每個螺旋為3.4nm3.4nm長，剛好含有長，剛好含有1010個堿基對，個堿基對， 其直徑約為其直徑約為2nm2nm。 在雙螺旋分子的表面大溝（在雙螺旋分子的表面大溝（major groovemajor g

14、roove）和小溝（和小溝（minor grooveminor groove）交替出現(xiàn)。）交替出現(xiàn)。 vdna的構型并不是固定不變的，除主要的構型并不是固定不變的，除主要以以watson和和crick提出的右手雙螺旋構型提出的右手雙螺旋構型存在外，還有許多變型?，F(xiàn)在一般將存在外，還有許多變型。現(xiàn)在一般將watson和和crick提出的雙螺旋結構稱為提出的雙螺旋結構稱為b-dna。b-dna是是dna在生理狀態(tài)下的構在生理狀態(tài)下的構型。型。生活細胞中絕大多數(shù)生活細胞中絕大多數(shù)dna以以b-dna形式存在。形式存在。 v 但當外界環(huán)境條件發(fā)生變化時，但當外界環(huán)境條件發(fā)生變化時，dna的構型的構型也

15、會發(fā)生變化。實際上在生活細胞中，也會發(fā)生變化。實際上在生活細胞中，b-dna一螺圈也并不正好是一螺圈也并不正好是10個核苷酸對，而個核苷酸對，而平均為平均為10.4對對 。vdna在高鹽濃度下時，則以在高鹽濃度下時，則以a-dna形式存在。形式存在。a-dna是是dna的脫水構型，右手螺旋，但每的脫水構型，右手螺旋，但每螺圈含有螺圈含有11個核苷酸對。個核苷酸對。a-dna比較短和密，比較短和密，其平均直徑為其平均直徑為2.3nm。大溝深而窄，小溝寬而。大溝深而窄，小溝寬而淺。在活體內淺。在活體內dna并不以并不以a 構型存在，但細構型存在，但細胞內胞內dna-rna雙螺旋結構，卻與雙螺旋結構

16、，卻與a-dna非常非常相似。相似。 v現(xiàn)在還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在還發(fā)現(xiàn)，某些某些dna dna 序列可以以左手螺旋序列可以以左手螺旋的構型存在，稱為的構型存在，稱為z-dnaz-dna。當某些當某些dnadna序列富序列富含含g-cg-c，并且當嘌呤和嘧啶交替出現(xiàn)時，可形，并且當嘌呤和嘧啶交替出現(xiàn)時，可形成成z-dnaz-dna。z-dnaz-dna除左手螺旋外，其每個螺圈除左手螺旋外，其每個螺圈含有含有1212個堿基對，分子直徑為個堿基對，分子直徑為1.8nm1.8nm，并只有，并只有一個深溝?，F(xiàn)在還不知道一個深溝?，F(xiàn)在還不知道z-dnaz-dna在活體內是否在活體內是否存在。存在。dnadna除上

17、述構型外，在特定的條件下，除上述構型外，在特定的條件下，如脫水等，還可以如脫水等，還可以c c、d d、e e等多種形式的右手等多種形式的右手螺旋構型存在，但是通常他們在生物體內并螺旋構型存在，但是通常他們在生物體內并不存在。不存在。vdna的復制為半保留復制的復制為半保留復制 1、dna聚合酶聚合酶 2、dna復制的起始點復制的起始點 3、dna復制的方向性復制的方向性 4、dna復制的引物復制的引物 5、dna復制的半不連續(xù)性復制的半不連續(xù)性 rna的復制有兩種方式：的復制有兩種方式：1、先在逆轉錄酶的催化下，逆轉錄、先在逆轉錄酶的催化下，逆轉錄dna；再以再以dna為模板，合成子代為模板

18、，合成子代rna。2、先合成互補的、先合成互補的rna，再以互補的，再以互補的rna為為模板合成子代模板合成子代rna。一、性狀和蛋白質一、性狀和蛋白質二、二、dna的功能的功能三、三、rna分子的結構分子的結構四、信使四、信使rna五、遺傳密碼五、遺傳密碼六、轉運六、轉運rna七、蛋白質的合成七、蛋白質的合成八、中心法則及其發(fā)展八、中心法則及其發(fā)展1、自體催化：以、自體催化：以dna為模板，在為模板，在dna聚合聚合酶的催化下，合成子代酶的催化下，合成子代dna（復制）。（復制）。2、異體催化：以、異體催化：以dna為模板，在為模板，在rna聚合聚合酶的催化下，合成酶的催化下，合成mrna（轉錄）；再以（轉錄）；再以mrna為模板，合成蛋白質（翻譯）。為模板，