第二章遺傳物質的分子基礎yuepenpeng

1、第三章 遺傳物質的分子基礎 第一節(jié) DNA作為主要遺傳物質 的證據(jù) 分子遺傳學的大量直接和間接的證據(jù)，說明DNA是主要的遺傳物質，而在缺乏DNA的某些病毒中，RNA就是遺傳物質 DNADNA是遺傳物質的間接證據(jù)是遺傳物質的間接證據(jù) 每個物種不同組織的細胞不論其大小和功能如何。每個物種不同組織的細胞不論其大小和功能如何。它們的它們的DNADNA含量是恒定的，而且配子中的含量是恒定的，而且配子中的DNADNA含量含量正好是體細胞的一半。正好是體細胞的一半。 DNA DNA在代謝上是比較穩(wěn)定的。在代謝上是比較穩(wěn)定的。 DNA DNA是所有生物的染色體所共有。是所有生物的染色體所共有。4. 4. 用不

2、同波長的紫外線誘發(fā)各種生物突變時，其最用不同波長的紫外線誘發(fā)各種生物突變時，其最有效的波長均為有效的波長均為26002600埃。這與埃。這與DNADNA所吸收的紫外線所吸收的紫外線光譜是一致的。光譜是一致的。 DNA含量的恒定性； DNA代謝的穩(wěn)定性；存在的普遍性；基因突變與紫外線誘變波長的關系。一、一、 DNADNA是遺傳物質的間接證據(jù)是遺傳物質的間接證據(jù)一、間接證據(jù) DNA含量、代謝、結構、染色體共有等二、直接證據(jù)1、細菌的轉化 肺炎雙球菌兩種類型： 光滑型(S型)： I S、II S、III S 粗糙型(R型)：I R、II R、III R1、 細菌轉化試驗肺炎雙球菌 光滑型（光滑型（S

3、 S型）：型）：SISI、SIISII、SIII SIII 有毒性有毒性 粗糙型（粗糙型（R R型）：型）：RIRI、RIIRII、RIII RIII 無毒性無毒性由于菌株間含有不同的多糖和蛋白質，感染動物以后誘導生成的抗體不同，區(qū)分為SI、SII、SIII 等；R型由S型突變而來，相應為RI、RII、RIII 等。 1928年F. Griffith實驗：二二 DNADNA是遺傳物質的直接證據(jù)是遺傳物質的直接證據(jù)Frederick Griffith, 1879 - 1881, in England.SIII型型RII型型SIII型型SIIIRII1944年，年，Avery重復了上述試驗。重復了

4、上述試驗。1 1、 細菌轉化試驗細菌轉化試驗1944年，年，Avery試驗試驗:把把SIII型的型的DNA，Pr，夾膜提取物夾膜提取物分別加分別加入入RII型培養(yǎng)基，結果只有型培養(yǎng)基，結果只有DNA使少量使少量RII型轉化為型轉化為SIII型，并能穩(wěn)定的遺傳下去。說型，并能穩(wěn)定的遺傳下去。說明引起轉化的物質是明引起轉化的物質是DNA。上述工作是遺傳學和生物化學發(fā)展的一個上述工作是遺傳學和生物化學發(fā)展的一個里程碑。里程碑。1952年Hershey等用放射性同位素標記 32P標記標記T2噬菌體的噬菌體的 DNA（DNA中無中無S） 35S標記標記T2噬菌體的噬菌體的 Pr（Pr中無中無P）2、噬菌

5、體侵染大腸桿菌實驗、噬菌體侵染大腸桿菌實驗3 3、煙草花葉病毒（、煙草花葉病毒（TMVTMV）感染實驗）感染實驗3 3、 煙草花葉病毒（煙草花葉病毒（TMVTMV）感染實驗）感染實驗 H. Frankel-Conrat, B. Singer (1956) 試驗試驗第二節(jié) 核酸的化學結構 一、兩種核酸 * 核酸的構成單元是核苷酸， 是核苷酸的多聚體* 每個核苷酸包括三部分： 五碳糖、磷酸、堿基* 兩個核苷酸之間由3和5位的 磷酸二脂鍵相連 兩種核酸的主要區(qū)別： DNA：脫氧核糖，A、C、G、T 雙鏈，分子鏈較長RNA：核糖，A、C、G、U 單鏈，分子鏈較短圖圖 3-4 3-4 構成核苷酸分子的堿

6、基結構構成核苷酸分子的堿基結構圖圖 3-5 3-5 核酸分子的化學結構核酸分子的化學結構二、DNA的分子結構 1953，Watson和Crick根據(jù)： 堿基互補配對的規(guī)律 對DNA分子的X射線衍射成果提出了著名的DNA雙螺旋結構模型。這個模型已為以后拍攝的電鏡直觀形象所證實。 DNA分子模型最主要特點：(1)兩條多核苷酸鏈以右手螺旋的形式， 以一定的空間距離，環(huán)繞于同一軸相 互盤旋而成(2)反向平行：53，35 (3)兩條單鏈間以堿基間氫鍵配對相連： A T，C G(4)每個螺旋34 (3.4nm)，含10bp， 直徑約為20(5)分子表面大溝和小溝交替出現(xiàn)圖圖 3-6 DNA3-6 DNA分

7、子的雙螺旋結構模型分子的雙螺旋結構模型DNADNA結構模型結構模型DNADNA結構示意圖結構示意圖圖圖 3-7 3-7 兩條多核酸鏈間氫鍵相連兩條多核酸鏈間氫鍵相連 A-T和C-G兩種核苷酸對分子鏈內 排列的位置和方向只有四種形式: A-T C-G A-T G-C C-G A-T G-C A-T 假設某一段DNA分子鏈有1000bp，則該段就可以有41000種不同的排列組合形式，反映出來的就是41000種不同性質的基因. DNA構型之變異：BDNA：瓦特森和克里克提出的 雙螺旋構型,是DNA在生理狀 態(tài)下的構型 ADNA：在高鹽下存在形式，右旋， 每個螺圈含11bp ZDNA:左旋，每個螺圈含

8、12bp 其他構型圖圖 3-9 DNA3-9 DNA分子的一種不同構型分子的一種不同構型二、RNA的分子結構 絕大部分RNA以單鏈形式存在，但可折疊起來形成若干雙鏈區(qū)域。這些區(qū)域內，互補的堿基對間可形成氫鍵。一些以RNA為遺傳物質的動物病毒含有雙鏈RNA。 第三節(jié) 染色體的分子結構 一、原核生物染色體 與真核生物相比，原核生物的染色體要簡單得多，其染色體通常只有一個核酸分子(DNA或RNA) 。 圖圖3 311 11 大腸桿菌的染色體大腸桿菌的染色體DNADNA分子伸展有分子伸展有12001200m m長，細菌直徑長，細菌直徑1 12 2m m 圖圖3 312 12 原核生物的染色體結構模型原

9、核生物的染色體結構模型 二、真核生物染色體 1、染色質的基本結構、染色質的基本結構 DNA: 30%(重量重量) RNA: 少量少量染色質染色質 組蛋白：組蛋白：1H1、2H2A、2H2B、 2H3和和2H4 (重量相當于重量相當于DNA） 非組蛋白：少量非組蛋白：少量染色質基本結構單位染色質基本結構單位 核小體：核小體： 2H2A、2H2B、2H3、2H4 -八聚體八聚體 連接絲連接絲 ：串聯(lián)兩個核小體：串聯(lián)兩個核小體 1H1：結合于連接絲與核小體：結合于連接絲與核小體 的接合部位的接合部位 圖圖3 313 13 核小體結構模型核小體結構模型一個核小體及其連接絲約含一個核小體及其連接絲約含1

10、80180200bp200bp約約146bp146bp盤盤繞在核小體表面繞在核小體表面1.751.75圈，其余圈，其余bpbp為連接絲，其長為連接絲，其長度變化較大，從短的度變化較大，從短的8bp8bp到長的到長的114bp114bp 異染色質，異染色質區(qū) 染色很深的區(qū)段染色質 常染色質，常染色質區(qū) 染色很淺的區(qū)段（核酸的緊縮程度及含量不同 ，異染色質的復制時間總是遲于常染色質 ） 異固縮現(xiàn)象 2、染色體的結構模型、染色體的結構模型 染色單體染色單體1DNA+pro 染色質線是單線染色質線是單線 染色體染色體 染色單體染色單體在細胞分裂過程中染色質線到底是怎在細胞分裂過程中染色質線到底是怎樣卷

11、縮成為一定形態(tài)結構的染色體？樣卷縮成為一定形態(tài)結構的染色體？圖圖3 314 14 染色體染色體結構模型結構模型現(xiàn)在認為至少存現(xiàn)在認為至少存在三個層次的卷在三個層次的卷縮縮: :核小體核小體 螺線管螺線管 染色體染色體 卷縮機理不清楚卷縮機理不清楚 圖圖3 315 15 非組蛋白組成的染色體骨架非組蛋白組成的染色體骨架 第四節(jié) DNA的復制 一、DNA復制的一般特點 1、復制方式：半保留復制2、復制起點：大多數(shù)細菌及病 毒只有一個復制起點 ，一個 復制子 ；真核生物是多起點 的，多個復制子 3、復制方向：一般為雙向復制 圖圖3 316 DNA16 DNA半保留復制半保留復制 圖圖3 317 17

12、 真核生物染色體多起點真核生物染色體多起點DNADNA復制電鏡照片復制電鏡照片 二、原核生物DNA合成 1、半保留復制，雙向復制 2、有引物的引導，為RNA 3、延伸方向為53。4、一條鏈一直從5向3方向延 伸，稱前導鏈，連續(xù)合成 ；另一條先沿53 合成岡 崎片段，再由連接酶連起 來鏈，后隨鏈，不連續(xù)合成 圖圖3 318 DNA18 DNA解旋解旋 圖圖3 319 DNA19 DNA合成之模型合成之模型 * * 在前導鏈上，在前導鏈上，DNADNA引物酶只在引物酶只在 起始點合成一次引物起始點合成一次引物RNARNA， DNADNA聚合酶聚合酶IIIIII開始開始DNADNA的合成的合成* *

13、 在后隨鏈上，每個岡崎片段在后隨鏈上，每個岡崎片段 的合成都需要先合成一段引的合成都需要先合成一段引 物物RNARNA，然后，然后DNADNA聚合酶聚合酶IIIIII才才 能進行能進行DNADNA的合成。的合成。 圖圖3 320 20 后隨鏈后隨鏈DNADNA的合成的合成 三、真核生物DNA合成 真核生物DNA的復制與原核生 物的主要不同點：1、DNA的合成只是在S期進行，原 核生物則在整個細胞生長過程 中都進行DNA合成 2、原核生物DNA的復制是單起點 的，真核生物染色體的復制則 為多起點的3、所需的RNA引物及后隨鏈上合 成的“岡崎片段”的長度比原 核生物要短 4、有二種不同的DNA聚合

14、酶分別 控制前導鏈（）和后隨鏈 （）的合成 ；在原核生物 中由聚合酶III同時控制二條 鏈的合成5、染色體端體的復制：原核生 物的染色體大多數(shù)為環(huán)狀 圖圖3 321 21 真核生物真核生物DNADNA復制復制 四、四、RNARNA病毒中病毒中RNARNA的自我復制的自我復制 先以自己為模板（先以自己為模板（“”鏈鏈）合成一條互補的單鏈（）合成一條互補的單鏈（“”鏈鏈），然后這個），然后這個“”鏈鏈從從“”鏈模板釋放出來，它鏈模板釋放出來，它也以自己為模板復制出一條與也以自己為模板復制出一條與自己互補的自己互補的“”鏈，形成了鏈，形成了一條新生的病毒一條新生的病毒RNARNA。 第五節(jié) RNA的

15、轉錄及加工 一、三種RNA分子 1、mRNA mRNA 2 2、tRNAtRNA：最小的：最小的RNARNA，由，由7070到到 9090個核苷酸組成，具有稀有個核苷酸組成，具有稀有 堿基的特點堿基的特點 圖圖3 322 tRNA22 tRNA的三維結構的三維結構 圖圖 3-6 tRNA3-6 tRNA的三葉草構型的三葉草構型3、rRNA：核糖體的主要成 分。在大腸桿菌中： rRNA量占細胞總RNA量的 75-85 tRNA占15 mRNA占3-5 二、RNA合成的一般特點 1、所用原料為核苷三磷酸；在DNA合成 時為脫氧核苷三磷酸 2、只有一條DNA鏈被用作模板；DNA合成 時，兩條鏈分別用

16、作模板 3、RNA鏈的合成不需要引物；DNA合成一 定要引物的引導4、RNA鏈的合成與DNA鏈的合成同樣，也 是從5向3端，由RNA聚合酶催化 三、原核生物RNA的合成 * 轉錄后形成一個RNA分子的一段DNA序列稱為一個轉錄單位 * 一個轉錄單位可能剛好是一個基因，也可能含有多個基因 * RNA轉錄分三步：(1)RNA鏈的起始；(2)RNA鏈的延長；(3)RNA鏈的終 止及新鏈的釋放 圖圖3 324 RNA24 RNA的轉錄過程的轉錄過程 圖圖3 325 25 啟動子的結構啟動子的結構 圖圖3 326 RNA26 RNA鏈的延伸鏈的延伸 四、真核生物RNA的轉錄及加工 真核生物與原核生物RN

17、A的轉錄的不同點1、真核生物RNA的轉錄是在細胞核內進行， 而蛋白質的合成則是在細胞質內2、原核生物的一個mRNA分子通常含有多個基 因；而少數(shù)較低等真核生物外，真核生物 一個mRNA分子一般只編碼一個基因3、原核生物只有一種RNA聚合酶催化所有RNA 的合成；真核生物中則有RNA聚合酶I、II 、III，分別催化不同種類型RNA的合成 4、原核生物RNA聚合酶直接起始轉錄合成RNA ；真核生物三種RNA聚合酶都必須在蛋白 質轉錄因子的協(xié)助下才能進行RNA的轉錄 真核生物mRNA在轉錄后的加工： 1、5端加上帽子(7甲基鳥嘌呤核苷) 在蛋白質翻譯時識別起始位置及防止 被RNA酶降解 2、3端加

18、上尾巴(聚腺苷酸,polyA) 對增加mRNA的穩(wěn)定性及從細胞核向細 胞質的運輸具有重要作用 3、切除非編碼序列(內含子)，將編碼序 列(外顯子)連接起來，才能進行蛋白 質的翻譯 圖圖3 328 28 真核生物真核生物mRNAmRNA的加工的加工 第六節(jié) 遺傳密碼與蛋白質的翻譯 一、遺傳密碼 （1）三聯(lián)體密碼 （2）通用性（3）簡并現(xiàn)象（4）遺傳密碼第三個堿基的靈活性， （5）起始密碼子：AUG GUG 和終止密碼子: UAA UAG UGA (6) 遺傳密碼間無逗號,即在翻譯過程 中，遺傳密碼的譯讀是連續(xù)的 蛋白質的合成蛋白質的合成v蛋白質的生物合成稱為翻譯蛋白質的生物合成稱為翻譯 translationtranslationvmRNAmRNA攜帶從攜帶從DNADNA上轉錄的遺傳密碼附著在核糖上轉錄的遺傳密碼附著在核糖體上，由體上，由tRNAtRNA來運送氨基酸，按照來運送氨基酸，按照mRNAmRNA上的密上的密碼順序，連接成多肽鏈，并進一步加工成有生碼順序，連接成多肽鏈，并進一步加工成有生物活性的蛋白質分子。物活性的蛋白質分子。v合成蛋白質的原料是合成蛋白質的原料是2020種氨基酸種氨基酸v核糖體是合成蛋白質的場所核糖體是合成蛋白質的場所v氨基酸的順序由氨基酸的順序由mRNAmRNA上的密碼子決定上的密碼子決定圖圖3 329 29 核糖體的