第二章1 基因工程基礎(chǔ)(4學(xué)時)

第二章基因工程現(xiàn)代生物技術(shù)概論1Outline第一節(jié)基因工程基礎(chǔ)基因工程理論依據(jù)基因工程定義步驟內(nèi)容

DNA遺傳物質(zhì)及基因2不同基因具有相同的物質(zhì)基礎(chǔ)基因是可切割的基因是可以轉(zhuǎn)移的多肽與基因之間存在對應(yīng)關(guān)系遺傳密碼是通用的基因可以通過復(fù)制把遺傳信息傳給下一代一基因工程理論基礎(chǔ)3基因工程最突出的優(yōu)點是打破了常規(guī)育種難以突破的物種之間的界限，可以使原核生物與真核生物之間、動物與植物之間、甚至人與其他生物之間的遺傳信息進行相互重組和轉(zhuǎn)移。Themostprominentadvantageofgeneticengineering：4二Geneengineeringoverview1concept:的指按人們需要，有類似工程設(shè)計方法將不同來源基因，在體外購建成雜種DNA分子，然后把重組的DNA分子引入受體細(xì)胞，在受體細(xì)胞中進行復(fù)制與表達(dá)，按人們的需要繁殖擴增基因或在產(chǎn)生不同的產(chǎn)物或定向的創(chuàng)造生物的新性狀，并能穩(wěn)定的遺傳給下代。（與書略不同）從狹義上講，供體，受體、載體基因工程的基本過程：切、接、轉(zhuǎn)、增、檢52.1Isolationandobtainoftheinterestgene目的基因的分離與獲得；2.2vectorselectandestablish載體的選擇與構(gòu)建；2.3Recombinantofvectorandtheinterestgene載體和目的基因的重組；2.4TherecombinantDNAtransformationandamplification.重組DNA的轉(zhuǎn)化和擴增；2.5ScreeningofrecombinantDNA重組DNA的篩選和鑒定。2Techniqueofgeneengineering6①從細(xì)胞中分離出DNA①②③④⑤⑥②限制酶截取DNA片斷③分離大腸桿菌中的質(zhì)粒④DNA重組⑤用重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化大腸桿菌⑥培養(yǎng)大腸桿菌克隆大量基因

重組DNA技術(shù)的一般步驟7生物材料RNADNAmRNAcDNA文庫基因組文庫人工合成目的基因克隆載體重組DNA受體細(xì)胞克隆子轉(zhuǎn)基因生物

基因工程基本技術(shù)路線8三.DNA與遺傳物質(zhì)

1．組成DNA分子的基本單位是什么?

每個基本單位由哪幾部分組成？2．組成DNA的堿基有幾種？分別是什么？3．脫氧核苷酸有幾種？分別是哪些？DNA的結(jié)構(gòu)9脫氧核糖磷酸AGCT腺嘌呤鳥嘌呤胞嘧啶胸腺嘧啶DNA的基本單位－脫氧核苷酸堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖磷酸(phosphate)含氮堿基10DNA的化學(xué)本質(zhì)DNA就是脫氧核糖核酸(長鏈)核酸：核苷酸通過3ˊ5ˊ-磷酸二酯鍵聯(lián)在一起;核苷酸：核苷的磷酸酯;核苷：堿基(AGTC四種)與戊糖(DNA在2ˊ

位脫氧,RNA不脫氧)通過糖苷鍵形成。核苷酸ONNNH2OCH2OHOHPOOOHOH11☉堿基Nitrogenousbases嘧啶Pyrimidines嘌呤Purines胸腺嘧啶胞嘧啶腺嘌呤鳥嘌呤堿基配對原則：A——TG——CDNA中的堿基類型12☉核苷酸(nucleotideacid)核苷的磷酸酯脫氧核糖核苷酸核糖核苷酸其中α和β、β和γ之間是高能磷酸鍵Deoxynucleotides91’αβγ135′端3′端多個核苷酸3′,5′磷酸二酯鍵核酸AOCH2OHPOOO-O5'COCH2POOO-O3'5'TOCH2POOO--O3'5'多個核苷酸14151617堿基配對及氫鍵形成1819DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)成方式位置雙螺旋外側(cè)雙螺旋內(nèi)側(cè)堿基對主鏈1）脫氧核糖與磷酸交替排列；2）兩條主鏈呈反向平行；3）盤繞成規(guī)則的雙螺旋。1）主鏈上對應(yīng)堿基以氫鍵連結(jié)成對；2）堿基互補配對（A—T，G—C）。20RNA的分子結(jié)構(gòu)至于RNA的分子結(jié)構(gòu)，就其化學(xué)組成上看，也是由四種核苷酸組成的多聚體。它與DNA的不同，首先在于以U代替了T，其次是用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，但可以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(圖)。但有一些以RNA為遺傳物質(zhì)的動物病毒含有雙鏈RNA。21RNA的分子結(jié)構(gòu)22總結(jié)DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特性？相對的穩(wěn)定性、多樣性和特異性。①DNA分子結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性，主要是由于外側(cè)脫氧核糖與磷酸交替排列的順序是穩(wěn)定不變的。②DNA分子結(jié)構(gòu)的多樣性，主要是由于內(nèi)側(cè)堿基對的排列順序是千變?nèi)f化的。③DNA分子的特異性，是由于每個特定的DNA分子都具有其特定的堿基對排列順序。

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WatsonandCrickproposedthatthetwopolynucleotidechainsinthedoublehelixassociatebyhydrogenbonding

betweenthenitrogenousbases.GcanhydrogenbondspecificallyonlywithC,whileAcanbondspecificallyonlywithT.Thesereactionsaredescribedasbasepairing,andthepairedbases(GwithC,orAwithT)aresaidtobecomplementary.24例、下圖是DNA分子結(jié)構(gòu)模式圖，用文字填出1—10的名稱。PPPPACTG1234567891012345678910胞嘧啶（C）腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）胸腺嘧啶（T）脫氧核糖磷酸胸腺嘧啶脫氧核苷酸堿基對氫鍵一條脫氧核苷酸鏈的片段25DNA是遺傳物質(zhì)

(1)貯藏遺傳信息的功能

(2)傳遞遺傳信息的功能

(3)表達(dá)遺傳信息的功能

由此，克里克提出中心法則,確定遺傳信息由DNA通過RNA流向蛋白質(zhì)的普遍規(guī)律。26

生命通過繁殖而延續(xù),DNA是生物遺傳的基本物質(zhì)。漂亮的模特遺傳學(xué)家“中心法則”27DNADNARNA蛋白質(zhì)中心法則中心法則：遺傳信息儲存在DNA中，DNA通過轉(zhuǎn)錄生成mRNA，mRNA再通過翻譯生成蛋白質(zhì)，從而完成遺傳信息的表達(dá)過程。2829纈氨酸

苯丙氨酸

天冬酰胺

谷氨酰胺

組氨酸

亮氨酸30原核生物31真核生物32核酸核糖核酸（RNA）脫氧核糖核酸（DNA）核糖體RNA（rRNA）轉(zhuǎn)運RNA（tRNA）信使RNA（mRNA）分類分布細(xì)胞核、線粒體、葉綠體、質(zhì)粒等功能遺傳信息的載體細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核核糖體的成分轉(zhuǎn)運氨基酸傳遞DNA的遺傳信息，指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成331909年丹麥遺傳學(xué)家約翰遜（W.Johansen）在《精密遺傳學(xué)原理》一書中提出“基因”概念。“基因型”(genotype)、“遺傳學(xué)”(genetics)等名詞由此派生而來的?；?gene)具有特定功能的DNA片段，這些片段有的編碼蛋白質(zhì)，有的編碼rRNA、tRNA，有的則是與復(fù)制、轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的DNA序列。四.DNA與基因34基因是指一切生物體內(nèi)儲存遺傳信息且有自我復(fù)制能力的遺傳功能單位，其物質(zhì)基礎(chǔ)是一個具有特定核苷酸（堿基+核糖）順序的核酸片段。從基因的功能上看，可分為三種：1、結(jié)構(gòu)基因。

控制某種蛋白質(zhì)酶的合成.2、操縱基因，

它的功能象“開關(guān)”，控制結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。3、調(diào)節(jié)基因，

具有調(diào)節(jié)功能，可以合成阻礙蛋白，附著在操縱基因，關(guān)閉結(jié)構(gòu)基因的活動，進而阻礙酶的合成。不同功能的基因是通過組成調(diào)控系統(tǒng)而發(fā)揮作用的?；?5

啟動基因P操縱子

操縱基因O基因調(diào)控系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)基因

S

調(diào)節(jié)基因R36

生物生長的主要活動是蛋白質(zhì)的合成，蛋白質(zhì)是以RNA為模板在核糖體上合成的，與RNA和DNA的合成有關(guān)，RNA分為四種，分別是mRNA、tRNA、rRNA和反義RNA。蛋白質(zhì)的合成過程分為以下幾步：1.復(fù)制。

決定該種蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的相應(yīng)一段DNA鏈進行自我復(fù)制。2.轉(zhuǎn)錄。

以上述DNA分子的一條鏈為模板，按照堿基互補配對的原則，轉(zhuǎn)錄出mRNA，同時還以相同方式得到tRNA、rRNA。這一過程在細(xì)胞核內(nèi)完成。蛋白質(zhì)的合成3738

3.翻譯。

合成好的各種RNA通過核孔進入細(xì)胞質(zhì)中發(fā)揮各自作用。rRNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成核糖體作為合成蛋白質(zhì)的場所；tRNA相當(dāng)于搬運工，通常為帶有三個環(huán)的“三葉草”結(jié)構(gòu)，其上下兩端分別具有特定識別作用，上端識別特定的氨基酸，并可以與之暫時結(jié)合，將其運送到核糖體中，下端由三個核苷酸序列形成反密碼子，識別mRNA上與之互補的密碼子，并暫時結(jié)合。3940一種tRNA只能轉(zhuǎn)運一種特定的氨基酸,當(dāng)?shù)谝环NtRNA把一個氨基酸分子準(zhǔn)確運到核糖體內(nèi)后，其他tRNA也以同樣方式運送第二個氨基酸分子進入核糖體中，此時，第一種tRNA就把它攜帶的氨基酸傳給后來者，它則游離出來，又去轉(zhuǎn)運下一個相同的氦基酸。414.蛋白質(zhì)合成。

不斷重復(fù)3.的過程，經(jīng)過多種tRNA這樣多次轉(zhuǎn)運，使各種需要的氨基酸一個一個全都按mRNA攜帶的指令，排列到相應(yīng)的位置上，彼此相連形成具有特定氨基酸順序的肽鏈，一旦遇到mRNA中的終止密碼，該肽鏈就脫離下來，并高度折疊形成特定蛋白質(zhì)。

4243非編碼區(qū)：某的區(qū)段不能轉(zhuǎn)錄為相應(yīng)的RNA，也就是說不能編碼蛋白質(zhì)，這樣的區(qū)段叫做非編碼區(qū)。非編碼區(qū)非編碼區(qū)編碼區(qū)：原核細(xì)胞的基因中的某些區(qū)段能夠轉(zhuǎn)錄為相應(yīng)的RNA，進而指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，即能夠編碼蛋白質(zhì)，這樣的區(qū)段叫做編碼區(qū)。編碼區(qū)與RNA聚合酶結(jié)合位點原核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)44與RNA聚合酶結(jié)合位點基因1基因2基因間區(qū)基因間區(qū)基因間區(qū)DNA編碼區(qū)非編碼區(qū)非編碼區(qū)基因mRNA氨基酸序列蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯45基因1基因2基因間區(qū)基因間區(qū)基因間區(qū)DNA氨基酸序列蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯外顯子內(nèi)含子與RNA聚合酶結(jié)合位點編碼區(qū)非編碼區(qū)非編碼區(qū)cdefa基因bmRNA加工真核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)46非編碼區(qū)非編碼區(qū)編碼區(qū)與RNA聚合酶結(jié)合位點外顯子內(nèi)含子人體的骨骼肌細(xì)胞與腸腺細(xì)胞比較，遺傳物質(zhì)是否相同？

造成兩形態(tài)、結(jié)構(gòu)不同的根本原因是什么？真核細(xì)胞基因結(jié)構(gòu)的主要特點：編碼區(qū)是間隔、不連續(xù)的不同種的蛋白質(zhì)基因所含的內(nèi)含子與外顯子數(shù)量、長度均有

差別往往基因中含有的堿基對越多，外顯子所占的比例越小。47SD序列（Shine-Dalgarnosequence）：

mRNA能在原核生物核糖體上產(chǎn)生有效結(jié)合和轉(zhuǎn)譯的特殊序列。SD序列在細(xì)菌mRNA起始密碼子AUG上游10個堿基左右處，有一段富含嘌呤的堿基序列，能與細(xì)菌16SrRNA3’端識別，幫助從起始AUG處開始翻譯。P19SD序列48真核細(xì)胞基因結(jié)構(gòu)和原核細(xì)胞的有何相同點和不同點？1）相同點：都是由能夠編碼蛋白質(zhì)的編碼區(qū)和具有調(diào)控作用的非編碼區(qū)組成。2）不同點：原核細(xì)胞基因的編碼區(qū)是連續(xù)的，真核細(xì)胞基因的編碼區(qū)是間隔的，不連續(xù)的。