第五章遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)

第五章遺傳的分子基礎(chǔ)一、染色體組成二、作為遺傳物質(zhì)必須具備的條件

三、DNA是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)四、DNA是遺傳物質(zhì)的直接證

1.細(xì)菌轉(zhuǎn)化試驗

2.噬菌體侵染與繁殖試驗

3.煙草花葉病毒拆合實驗第一節(jié)DNA作為主要遺傳物質(zhì)的證據(jù)一、染色體組成

DNA（1）非組蛋白（1）染色體Pr（1.5~2.5）

RNA（0.05）組蛋白（0.5~1.5）二、作為遺傳物質(zhì)必須具備的條件1.普遍性2.具有世代延續(xù)性3.具有相對穩(wěn)定性和可塑性4.具有多樣性

能貯存大量的遺傳信息，并能正確表達(dá)；能自我復(fù)制，并能代代相傳；結(jié)構(gòu)必須相對穩(wěn)定；細(xì)胞分裂時能均勻分配?！馜NA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(guān)系。三、DNA作為遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)（一）肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗四、DNA是遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)1.細(xì)菌轉(zhuǎn)化試驗②Avery

的實驗

SⅢ型活菌抽提分離

Pr、DNA、莢膜SⅢ型細(xì)菌有活性的Pr

注射小鼠生

RⅡ型活菌莢膜注射小鼠生SⅢ型細(xì)菌有活性的DNA+DNase注射小鼠生

RⅡ型活菌

SⅢ型細(xì)菌有活性的DNA注射小鼠死此物質(zhì)不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酶（Rnase）的影響，而只能為DNA酶所破壞，首次證明了遺傳物質(zhì)是DNA。背景知識——噬菌體侵染與繁殖基本過程T2噬菌體浸染大腸桿菌后，遺傳物質(zhì)進入細(xì)菌細(xì)胞；利用大腸桿菌的遺傳復(fù)制系統(tǒng)復(fù)制噬菌體遺傳物質(zhì)；利用大腸桿菌的遺傳信息表達(dá)系統(tǒng)合成噬菌體組件；最后組裝形成完整的T2噬菌體。因此只要弄清侵染時進入細(xì)菌的是噬菌體的哪一部分，就可能證明哪種物質(zhì)是遺傳信息的載體。

另外：

P是DNA的組成部分，但不存在于蛋白質(zhì)中；

S存在于蛋白質(zhì)中，但DNA中沒有。2.噬菌體侵染與繁殖結(jié)果與結(jié)論試驗結(jié)果表明：主要是由于DNA進入細(xì)胞內(nèi)才產(chǎn)生完整的噬菌體；結(jié)論：DNA才是(噬菌體的)遺傳物質(zhì)。題外話：與Avery等人研究比較，本試驗的精度低得多。但是由于放射性標(biāo)記法(也稱為示蹤原子法)，當(dāng)時為人們普遍采用；同時由于核酸研究及其它相關(guān)的成果，本試驗結(jié)果很快得到人們的廣泛認(rèn)同。

（2）重組TMV的感染RNA決定：a.TMV的毒性b.子代TMV的RNA和蛋白質(zhì)第二節(jié)核酸的結(jié)構(gòu)與復(fù)制1、核酸的分子組成；2、DNA的分子結(jié)構(gòu)；3、RNA的分子結(jié)構(gòu)；4、兩種核酸的區(qū)別；5、DNA的復(fù)制。一、核酸的分子組成及其分布核酸(nucleicacid,NA)：以核苷酸為單元構(gòu)成的多聚體，是一種高分子化合物。五碳糖：脫氧核糖、核糖磷酸環(huán)狀的含氮堿基

鳥嘌呤、腺嘌呤胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶DNA分子結(jié)構(gòu)和表示方法二、DNA的分子結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)：

1953年，Watson和Crick

提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。主要依據(jù)為：堿基互補配對的規(guī)律以及DNA分子的X射線衍射結(jié)果。Watson和Crick模型的要點：

①

DNA分子由兩條多核苷酸鏈構(gòu)成。這兩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，很象一條扭曲起來的梯子。

②兩條多核苷酸鏈反向平行（antiparallel），即一條鏈磷酸二脂鍵為5’-3’方向，另一條鏈為3’－5’方向，二者剛好相反。亦即一條鏈對另一條鏈?zhǔn)穷嵉惯^來的，這稱為反向平行。

③

每條長鏈的內(nèi)側(cè)是扁平的盤狀堿基，堿基一方面與脫氧核糖相聯(lián)系，另一方面通過氫鍵（hydrogenbond）與它互補的堿基相聯(lián)系，相互層迭宛如一級一級的梯子橫檔?；パa堿基對A和T之間形成兩個氫鍵，而C和G之間形成三個氫鍵。上下堿基對之間的距離為0.34nm。④

每個螺旋為3.4nm長，剛好含有10個堿基對，其直徑約為2nm。⑤

在雙螺旋分子的表面大溝（majorgroove）和小溝（minorgroove）交替出現(xiàn)。

6.不同物種中的DNA的堿基含量不同：①．DNA分子上的堿基順序是一致的，一般保持不變才能保持該物種的遺傳特性的穩(wěn)定；②．在特殊條件下，堿基順序改變，出現(xiàn)遺傳變異。雙螺旋模型的結(jié)構(gòu)要點不同物種中DNA的堿基含量物種

鳥嘌呤（G）

腺嘌呤（A）

胞嘧啶（C）

胸腺嘧啶（T）

A+G/T+CG+C/A+T

人

19.930.919.829.41.030.66小麥

23.823.824.626.00.970.94洋蔥

18.431.818.231.31.010.58菜豆

20.629.720.129.61.010.69酵母

48.331.717.432.61.000.56大腸桿菌

26.024.725.723.61.021.07T2噬菌體

18.232.516.832.51.020.54設(shè)某一段DNA分子鏈有100對堿基,則有4100種不同排列組合，就可能有4100種不同性質(zhì)的基因。DNA結(jié)構(gòu)的變異構(gòu)型B-DNA：生理狀態(tài)下，每螺圈10.4個堿基對，右手螺旋；A-DNA：高鹽濃度下，每螺圈11個堿基對，右手螺旋；Z-DNA：序列富含GC，嘌呤和嘧啶交替出現(xiàn)，每螺圈12個堿基對，左手螺旋。堿基排列順序的多樣性DNA分子是由A-T和C-G兩種bp連接起來的，每個DNA分子一般有成千上萬個bp在每一個位置上只有4種可能：A、T、C、G

假設(shè)DNA分子長1000bp，就可能有41000種不同的排列形式，41000種不同的分子結(jié)構(gòu)反映出來的就可能是41000種不同性質(zhì)的基因。

生物體的堿基順序是穩(wěn)定的對特定的生物體來說，DNA分子中的堿基順序通常是保持不變，這樣才能保持該遺傳特性的穩(wěn)定只有在特殊的條件下，改變其堿基順序或用堿基類似物代替某一堿基時，才出現(xiàn)可遺傳的變異（突變）RNA的分子結(jié)構(gòu)從化學(xué)組成上看，RNA的分子也是由四種核苷酸組成的多聚體。它與DNA的不同在于：首先，在RNA中沒有胸腺嘧啶(T),只有尿嘧啶(U),也就是說U代替了T。其次，核糖代替了脫氧核糖。

此外，還有一個重要的不同點，就是絕大部分RNA以單鏈形式存在，而不是象DNA那樣始終是以雙鏈形式存在的。但是單鏈RNA可以自身折疊起來形成若干雙鏈區(qū)域。在這些區(qū)域內(nèi)，凡互補的堿基對間可以形成氫鍵。但有少數(shù)以RNA為遺傳物質(zhì)的動物病毒含有雙鏈RNA。RNA結(jié)構(gòu)●

D.S.DNAS.S.DNA

(加溫,極端pH,尿素,酰胺)

DNA分子變性(DNAdenaturation)

●

DNA變性：天然的有規(guī)則的雙鏈DNA分子，在被加熱或某些試劑的作用下，氫鍵和堿基間堆積力受到破壞，

逐步變?yōu)閱捂溇€型狀態(tài)的過程，又稱熔解?！钭冃赃^程的表現(xiàn)：S.S.DNA粘度降低DNA熱變性過程

電子顯微鏡下的DNA分子的部分變性

變性過程的表現(xiàn)☆S.S.DNA

沉降速度加快☆S.S.DNA分子的A260nmUV

值上升☆增色效應(yīng)

(Hyperchromicity)

：

指由DNA變性而引起的光吸收值的增加。●影響Tm值的因素

1、DNA分子的堿基組成☆GC%含量相同的情況下GC%愈高→Tm值愈大，GC%愈低→Tm值愈小

AT形成變性核心，變性加快，Tm值小

熔解溫度（Tm）：50％的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)被破壞的溫度，一般在85－95℃。

D.SDNAS.SDNADenaturation▲▼Renaturation

復(fù)性過程依賴于單鏈分子間的隨機碰撞

(DependsonthecollisionofcomplementaryS.S.DNA)

DNA分子的復(fù)性

(annealorrenaturation)DNA復(fù)性：變性的單鏈DNA在一定的條件下又恢復(fù)為原天然雙鏈DNA的過程，也叫退火。DNA的分子雜交（hybridization）DNA的分子雜交：不同來源的DNA變性后，混合一起，含有堿基互補配對的序列，在一定條件下退火形成雜合雙鏈結(jié)構(gòu)的過程。雜交方法：Southern

雜交、Northern

雜交作用：基因鑒定鑒別識別親緣關(guān)系遠(yuǎn)近第三節(jié)DNA復(fù)制

DNAreplication

Replication:指以原來的DNA分子為模板合成相同分子的過程，遺傳信息通過親代DNA分子的復(fù)制傳遞給子代。一、DNA復(fù)制的一般特點（一）半保留復(fù)制1DNA半保留復(fù)制方式其方法為：①．氫鍵逐步脫開，兩鏈逐漸分開；②．以每一單鏈為模板，堿基互補，聚合對應(yīng)核苷酸；③．聚合酶、連接酶等作用下，形成新的互補鏈；④．新鏈分別與原有核苷酸鏈形成了兩個新的雙螺旋DNA分子。

DNA的這種復(fù)制方式對保持生物遺傳的穩(wěn)定性是非常重要的。。（二）復(fù)制起點和復(fù)制方向復(fù)制起始點replicationorigin，ori

DNA分子的復(fù)制是在特定位置開始的，這個位點稱為復(fù)制起始點。原核生物DNA只有一個復(fù)制起始點。真核生物DNA有多個復(fù)制起始點。復(fù)制子replicon一個復(fù)制起始點控制下復(fù)制的一段DNA。復(fù)制子是根據(jù)它含有復(fù)制所需的控制元件來定義的，在復(fù)制啟動位點具起始點（origin)，在復(fù)制終止位點具終點（terminus)。起始點僅作用于所在復(fù)制子。

注：在每個細(xì)胞周期中，每個復(fù)制子發(fā)生一次復(fù)制，且只發(fā)生一次。原核生物DNA只有一個復(fù)制子。在唯一的起始點啟動就會引起整個基因組復(fù)制；真核生物每條染色體上有多個復(fù)制子（一般40-100kb/個）。原核生物復(fù)制子復(fù)制眼：在一個長的未復(fù)制區(qū)域內(nèi)DNA已經(jīng)復(fù)制的區(qū)域Replicationeye復(fù)制起點和復(fù)制方向（2）真核生物﹡每條染色體的DNA復(fù)制都是多起點，多個復(fù)制起點共同控制整個染色體的復(fù)制；﹡每條染色體有多個復(fù)制子；﹡且為雙向復(fù)制。真核生物DNA多復(fù)制起始點電鏡圖DNA復(fù)制

親代雙鏈DNA分子在DNA聚合酶的作用下,分別以各單鏈DNA分子為模板，聚合與自身堿基可以互補配對的游離的dNTP,合成出兩條與親代DNA分子完全相同的子代DNA分子的過程。復(fù)制子：又稱復(fù)制單位或復(fù)制元。是DNA的一個復(fù)制單元。它包括DNA每條鏈的一個復(fù)制起點序列和一些終止序列。復(fù)制子是根據(jù)它含有復(fù)制所需的控制元件來定義的，起始點僅作用于所在復(fù)制子。

Origin

istheDNAsequencewherearepliconinitiatesitsreplication.TerminusistheDNAsequencewherearepliconusuallystopsitsreplication。復(fù)制體（Replisome）：是在細(xì)菌復(fù)制叉上裝配的多蛋白結(jié)構(gòu)，從事DNA的合成，它含有DNA聚合酶和其他的一些酶。

二、原核生物DNA的復(fù)制原核生物DNA復(fù)制所需要的酶：引物酶（primerase）DNA聚合酶（DNApolymerase）DNA連接酶（DNAligase）解旋酶（helicase）拓?fù)洚悩?gòu)酶（topoisomerase）（一）有關(guān)DNA合成的酶特性聚合酶Ⅰ聚合酶Ⅱ聚合酶Ⅲ起始新鏈合成———５‘－３’核酸聚合酶+++３’－５‘核酸聚合酶———３’－５‘核酸外切酶+++５‘－３’核酸外切酶+——分子量1030090000167500每個細(xì)胞分子數(shù)400

15（一）有關(guān)DNA合成的酶（二）原核生物DNA復(fù)制的基本過程

DNA復(fù)制的起始

DNA合成鏈的延伸

DNA復(fù)制的終止1.1單鏈DNA的產(chǎn)生1.23`-OH引發(fā)末端的產(chǎn)生1.3復(fù)制復(fù)合體的形成1.DNA復(fù)制的起始1.1單鏈DNA的產(chǎn)生解旋酶(helicase):

使DNA的兩條鏈分開，它通常利用ATP水解來提供必需的能量；單鏈結(jié)合蛋白（single-strandbindingprotein):單鏈DNA結(jié)合，阻止其再形成雙鏈體狀態(tài)φX174噬菌體的DNA在三種功能蛋白先后作用下分開成為單鏈：在復(fù)制起始點，噬菌體A蛋白使病毒（+）鏈產(chǎn)生缺口。Rep蛋白提供解旋酶活性，它使兩鏈分離。SSB包繞單鏈形成穩(wěn)定的單鏈形式。ThreeproteinsunwindφX174DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶（DNATopisomerase

）拓?fù)洚悩?gòu)酶的種類分為Ⅰ型和Ⅱ型。原核拓?fù)錁?gòu)酶Ⅰ：作用是暫時切斷一條DNA鏈，形成酶-DNA共價中間物而使超螺旋DNA松弛，然后再將切斷的單鏈DNA連接起來。每次改變一個連環(huán)數(shù)。原核拓?fù)錁?gòu)酶Ⅰ作用機制：①酶與DNA結(jié)合使雙鏈解旋；②使一條鏈切開，但酶與切口的兩端結(jié)合阻止了螺旋的旋轉(zhuǎn)；③酶使另一條鏈經(jīng)過缺口，然后再將兩斷端連接起來；④酶從DNA上脫落，兩條鏈復(fù)原，得到的DNA比原來少一個負(fù)超螺旋。拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ

拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ也稱旋轉(zhuǎn)酶。廣泛存在于各種生物中。使正超螺旋轉(zhuǎn)化為負(fù)超螺旋，每次改變兩個連接數(shù)。ReplicationmachineryreplicationPositivesupercoilBreakDNATopoisomeraseIIpassDNAthroughthebreaknegativesupercoil1.23`-OH引發(fā)末端的產(chǎn)生起始需要解旋酶、單鏈結(jié)合蛋白和引發(fā)酶1.3復(fù)制復(fù)合體的形成2、DNA合成鏈的延伸2.1DNA的合成是半不連續(xù)的2.2連接酶將岡崎片段連接在一起2.3前導(dǎo)鏈和后隨鏈的協(xié)調(diào)合成2.4DNA復(fù)制忠實性的控制

2.1DNA的合成是半不連續(xù)的

（semidiscontinuousreplication)DNA復(fù)制在合成先導(dǎo)鏈（leadingstrand)時是連續(xù)的；而在合成后隨鏈(laggingstrand)時是先形成小片段（Okazakifragment

），隨后再將它們連接而成大片段。因后隨鏈?zhǔn)遣贿B續(xù)合成的而先導(dǎo)鏈?zhǔn)沁B續(xù)合成的，所以我們稱之為半不連續(xù)復(fù)制（semidiscontinuousreplication)。復(fù)制叉

replicationfork半不連續(xù)復(fù)制先導(dǎo)鏈隨后鏈岡崎片斷引物primer兩條新鏈具有不同的特征ThetwonewDNAstrandshavedifferentfeaturesOkazakifragment2.2連接酶（Ligase)將Okazakifragment連接在一起2.3前導(dǎo)鏈(Leadingstrand))和后隨鏈(laggingstrand)的協(xié)調(diào)合成2.4DNA聚合酶控制復(fù)制的忠實性DNA聚合酶造成的復(fù)制錯誤可分為兩類：移碼（frameshift):

指一個核苷酸的插入或缺失。替換（substitution):

指摻入錯誤核苷酸（不正確配對）Note:DNA聚合酶通常具有3`-5`核酸外切酶活性，可以切除錯配堿基；通過校正機制，復(fù)制忠實性還可提高100倍。(10-3→10-8-10-10)

細(xì)菌的DNA聚合酶仔細(xì)檢查延長鏈末端的堿基對，如果是錯誤的會予以切除。DNApolymeraseshaveexonucleaseactivity

修復(fù)會把含損傷堿基的一小段DNA替換掉3、DNA復(fù)制的終止

一般說來，鏈的終止不需要特定的信號，也不需要特殊的蛋白質(zhì)來參與，到達(dá)終止位點后，DNA聚合酶離開DNA雙鏈，終止發(fā)生。DNA合成包括：起始、延伸和終止三個階段起始(initiation)：涉及一種蛋白質(zhì)復(fù)合物，它識別復(fù)制起始點(origin)。在DNA合成之前，母鏈必須分開，并（短暫地）保持單鏈狀態(tài)，然后在復(fù)制叉處起始子鏈的合成；延伸(elongation)：由另一個蛋白質(zhì)復(fù)合體完成。只有當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)復(fù)合體和DNA在復(fù)制處的特殊結(jié)構(gòu)結(jié)合時，復(fù)制體(replisome)才存在，在復(fù)制體延DNA移動時，母鏈分開而子鏈合成；終止（termination)：在復(fù)制子末端，終止反應(yīng)是必需的。終止后，加倍的染色體必須分開。RNA的復(fù)制有些病毒不含DNA，以RNA為遺傳物質(zhì)RNA在RNA聚合酶作用下先合成“－”鏈“－”鏈從“＋”鏈模板上釋放出來“－”鏈作為模板再合成“＋”鏈

（三）真核生物DNA的復(fù)制

(DNAreplicationinEukaryote)

真核生物DNA的復(fù)制特點DNA合成只是發(fā)生在細(xì)胞周期的某個時期原核生物DNA的復(fù)制是單起點的，而真核生物染色體的復(fù)制則是多起點的.真核生物DNA合成所需的RNA引物及后隨鏈上合成岡崎片段的長度比原核生物要短

.有兩種不同的DNA聚合酶分別控制前導(dǎo)鏈和后隨鏈的合成

染色體端粒的復(fù)制細(xì)胞周期的特定時期復(fù)制原核生物在整個細(xì)胞生長過程中都可以進行DNA復(fù)制真核生物DNA在S期復(fù)制

復(fù)制概況

a、多個復(fù)制元（multiplereplicon

），雙向復(fù)制

b、復(fù)制元相對較小(13-900kb),

復(fù)制速度較慢,大約

500~5000bp/min

（3000bp/min）岡崎片段100～200

核苷酸c、復(fù)制終止通過復(fù)制叉的相遇而終止multiplereplicon

例；果蠅3500replicons平均40Kb

酵母500replicons

哺乳動物平均100Kb

真核生物的DNA聚合酶

α、β、δ、ε、γ五種

位置核內(nèi)核內(nèi)核內(nèi)核內(nèi)

線粒體

合成

與引發(fā)修復(fù)合成合成,修復(fù)復(fù)制功能酶結(jié)合

前導(dǎo)鏈

后隨鏈3’－5’校NONOYesYesYes正活性

α

β

δ

ε

γ

5、真核生物染色體DNA末端補齊模式

(1)端粒DNA(Telomer)

TTGGGG(T2G4)序列高度重復(fù)的末端

5’TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGG3’(富含G鏈)

3’AACCCC

AACCCCAACCCC5’(富含C鏈)

端粒DNA的復(fù)制真核生物DNA是線性的線性DNA末端不能復(fù)制每復(fù)制一次DNA序列就要縮短一節(jié)?。?）端粒酶（

Telomerase）1985.CarolGreider&Blackburn,1986.Gottchling四膜蟲端粒酶（telomerase）將T2G4

末端重復(fù)延伸游撲蟲

Telomerase

=RNACAAAACCCC

鏈+

末端結(jié)合蛋白（TBP）端粒酶－－－逆轉(zhuǎn)錄酶a、核蛋白（ribonucleoproteinRNP）b、含約長150NT的RNA，其中含1～5拷貝的CxAy重復(fù)序列，是合成端粒T2G4的模板c、延長的3’-T2G4端（一段cDNA）作為5’-端DNA合成的模板（3）補齊過程

通過TG鏈的回折形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)（G·G氫鍵）－－－尺蠖模型

→→實現(xiàn)端粒酶位置的調(diào)整實驗表明－－人體細(xì)胞通過監(jiān)測失去的端粒的重復(fù)數(shù)而計數(shù)細(xì)胞分裂次數(shù)，當(dāng)端粒長度下降到某一臨界值時，細(xì)胞終止分裂－－－衰老、死亡“多莉”的衰老

研究端粒丟失的速率，預(yù)測人類的壽命

＞XXXYwhy?研究推測端粒酶與腫瘤的關(guān)系第四節(jié)RNA的轉(zhuǎn)錄及加工第五節(jié)遺傳密碼與蛋白質(zhì)的翻譯第六節(jié)基因的本質(zhì)一、經(jīng)典的基因概念1.孟德爾的遺傳因子學(xué)說2.基因概念的確立

1909年丹麥學(xué)者W.L.Johannson提出了“基因”這一名詞。3.摩爾根及“三位一體學(xué)說”二、現(xiàn)代的基因概念“一個基因一個酶”假說（onegeneoneenzymehypothesis）順反子學(xué)說（theoryofcistron)◆Beadle,G.W.(1941)通過紅色面包霉突變研究發(fā)現(xiàn)：基因是通過酶的作用控制性狀表現(xiàn)，提出“一個基因一個酶”假說?；?/p>

性狀

酶

代謝反應(yīng)GeorgeW.Beadle(1903–1989)wasanAmerican

scientistinthefieldofgenetics,andNobelPrizein1958inPhysiologyorMedicine

NobellaureatewhowithEdwardL.Tatum.1.野生型2.X射線或紫外線照射分生孢子3.照射過的分生孢子與野生型交配4.含有成熟子囊的子囊殼5.子囊孢子6.子囊孢子生活在完全培養(yǎng)基中7.基本培養(yǎng)基8.基本培養(yǎng)基添加