遗传学第二章-分子遗传学的兴起

第二章分子生物学的兴起1.DNA作为遗传物质的直接证据；2.DNA的双螺旋结构特点和意义；3.遗传密码与特征；4.中心法则及其发展；5.朊粒与蛋白质遗传。生物学物理学地理学天文学第一节物理学的介入目的有两个：•一是想了解传统的物理定律是否已足以阐明遗传学问题；•二是从分析遗传过程能否发现一些新的物理定律。•无论高级或低级均由生物分子按一定层次形成一定高度的有序的系统•不断地与外界发生物质的交换，是一个远离平衡态的开放的耗散结构（dissipativestructure）•能精确地自我复制并发生遗传与变异生命有机体代表性科学家（1）尼尔斯·波尔（NielsBohr）●尼尔斯·波尔（NielsBohr,1885-1962）因原子结构和原子辐射的研究，获得了1922年的诺贝尔物理学奖。●尼尔斯·波尔运用光谱分析来探索原子内部结构的第一次合理而又富有成效的尝试是在1913年进行的。为了解释原子吸收和发射，他力图把卢瑟福的有核原子模型和普朗克的量子论结合起来，提出了著名的“波尔理论”——原子的定态假设和频率法则，成功地解释了氢原子的光谱规律。●1931年，发表了“光和生命”，《自然》“要是我们能像分析原子现象那样，深入分析生命有机体地机制，我们很难在有机体和无机物的性质上找到差别。”代表性科学家（2）欧文·薛定锷（ErwinSchrodinger）▣他在1943年，于爱尔兰都柏林大學接连发表了有关生命与科學的演讲。讲稿在不久以后以“生命是什么？”（WhatisLife？）为名的小冊子印行发表世间。其中对于决定生物基本性质的遗传因子的结晶結构，以及遗传消息之编码定（GeneticCoding），有周祥而深睿之解说和預测。▣他以預言家之口吻說：生物家眼前的基因（Gene）极类似于物理家手中的结晶，並且也指出量子效应在生物现象中所可能占有的重要地位。果然在十多年后，沃森（Watson）和克里克（Crick），受益于《生命是什么》”之熏陶，就核酸结晶之X光漫射资料，提出了轰动一时的基因双螺旋结构。克里克回忆说：“《生命是什么》使读者高兴地得悉，用分子学说来解释生命现象不仅至关重要，而且迫在眉睫”。由此說明了许多遗传学上一直难解的问题。代表性科学家（3）马克斯·德布吕克（MaxDelbruck）▣德布呂克（Delbruck）,也运用博拉格（Bragg）首创的X光漫射方法,历经几十载的苦干，终于确定了另一生物大分子──蛋白质（血紅素）的分子结晶結构。至此生物細胞中的基本組成，终于在物理、化学的原理上得到了阐明的解释。▣这些基于物理方法的生物研究之伟大成就，促使了許多物理科学家对生物学作较公正的评价，而对各种生命現象也重新兴起研究的兴趣。随着核酸与蛋白质之后，被生物学家、化学家揭开面目的除主掌营养能源的线粒体（Mitochondria），更有高结层的组织，有如神经、肌肉纤维、细胞膜等等。现代物理学研究方法物理世界生命世界鸿沟打破→分子生物学研究锦上添花X-射线晶体学全息分析技术核磁共振技术扫描隧道电子显微镜分子激发显微镜生命的物质基础自然科学的统一染色体其它：如拟脂和无机物质少量核糖核酸(RNA)约占6％脱氧核糖核酸(DNA)约占27％蛋白质存在于染色体上约占66％核酸或DNA？蛋白质？第二节遗传物质是DNA（1）肺炎双球菌的转化实验：─────────────炎双球菌特征抗原型（稳定）─────────────光滑型(S)有荚膜、光滑、有毒粗糙型(R)无荚膜、粗糙、无毒─────────────格里费斯(GriffithF.1928)1、DNA作为主要遗传物质的直接证据结论：无毒有毒;R型S型􀃎在加热杀死的S型肺炎双球菌中有较耐高温的转化物质能够进入R型小鼠成活②无毒R型􀃎重现R型重现S型小鼠死亡①有毒S型无病毒小鼠成活③有毒S型(65℃杀死)④无毒R型╋有毒S型(65℃杀死)小鼠死亡重现S型①无毒R型╋有毒S型(杀死)②无毒R型╋有毒S型(杀死)╋蛋白酶③无毒R型╋有毒S型(杀死)╋DNA酶重现S型重现R型重现S型结论：DNA是转化因子或遗传物质。原理：P只存在于DNA,而不存于蛋白质S只存在于蛋白质，不存于DNA①32P标记T2噬菌体；②35S标记T2噬菌体。结论•进入菌内的是DNA；•DNA进入细胞内才能产生完整的噬菌体。（2）噬菌体的感染实验：赫尔歇(HersheyA.)•TMVRNA╋RNA酶烟草不发病•TMV蛋白质烟草不发病；（3）烟草花叶病毒的感染和繁殖：烟草花叶病毒TMV•TMVRNA烟草发病新的TMV•烟草花叶病毒TobaccoMosaicVirus(简称TMV)。利用TMV的蛋白质外壳和单螺旋RNA接种：佛兰科尔-康拉特-辛格尔(Framkel-Conrat-Singer)试验：结论：•提供RNA的亲本决定了其后代的RNA和蛋白质。•在不含DNA的TMV中，RNA就是遗传物质。2、查加夫法则（Chargaff’srule）•DNA中的4种碱基的含量并不是等量的；•腺嘌呤(A)的量总是和胸腺嘧啶(T)的量相等；鸟嘌呤(G)则和胞嘧啶（C）几乎相等.既：A=T；C=G▣查加夫早在1950年就发布了这个重要的发现，但奇怪的是，研究DNA分子结构的3个实验室都将它忽略了。甚至在1951年春天查加夫亲访剑桥，与沃森和克里克见面后，沃森和克里克对这一发现也未重视。▣后来，沃森和克里克终于意识到查加夫发现的重要性，并请剑桥的青年数学家约翰·格里菲斯计算出A吸引T、G吸引C，A+T的宽度与G+C的宽度相等之后，很快就拼凑出了DNA分子的模型。▣1953年，沃森（WatsonJ.D.）和克里克（CrickF.H.C.）提出DNA双螺旋结构模型▣主要依据为碱基互补配对的规律以及DNA分子的X射线衍射结果▣沃森、克里克与维尔肯斯(Wilkins)一起获得诺贝尔奖(1962)3、DNA双螺旋结构特点：▣沃森和克里克在1953年4月25日的《自然》杂志上，以1000多字的短文和一幅插图公布了他们的发现。▣在论文中，沃森和克里克以谦逊的笔调，暗示了这个结构模型在遗传上的重要性：“我们并非没有注意到，我们所推测的特殊配对，立即暗示了遗传物质的复制机理。”DNA分子模型发表DNA双螺旋结构特点：1.两条互补多核酸链、在同一轴上互相盘旋；2.双链具有反向平行的特点；3.碱基配对原则为：A=T、G=C，双螺旋直径约20A，螺距为34A(10个碱基对)。。。4、DNA双螺旋结构的生物学意义▣沃森和克里克在随后发表的论文中，详细说明了DNA双螺旋模型对遗传学研究的重大意义：•第一，它能够说明遗传物质的自我复制。在复制时，DNA的双链拆开，成为两个模板，再根据碱基配对的原则，复制成两个与原来的DNA序列一模一样的新分子。在这两个新DNA分子中，各有一条旧链和一条新合成的链。这个“半保留复制”的设想后来被麦赛尔逊和斯塔勒用同位素追踪实验证实。•第二，它能够说明遗传物质是如何携带遗传信息的。DNA上的碱基序列就是遗传信息，4种碱基的排列组合可以携带无限多样的遗传信息。•第三，它能够说明基因是如何突变的。基因突变是由于碱基序列发生了变化，这样的变化可以通过复制而得到保留。•后随链的不连续复制：(考恩伯格1967)：在35′方向链上，仍按从5′3′的方向，一段段地合成DNA单链小片段（称冈崎片段，1000~2000bp)，由连接酶连接这些片段，形成一条连续的单链。•先导链复制：合成DNA片段之前，先由RNA聚合酶合成一小段RNA引物(约有20个碱基对)，DNA聚合酶才开始起作用合成DNA片段。DNA聚合酶，以5′3′向发挥作用半保留复制（semiconservative）沃森(WatsonJ.D.)第三节DNA与蛋白质▣一级结构：蛋白质分子都有自己特有的氨基酸的组成和排列顺序，即一级结构。▣二级结构：是指多肽链借助于氢键沿一维方向排列成具有周期性的结构的构象，是多肽链局部的空间结构（构象），主要有α－螺旋、β－折叠、β－转角等几种形式，它们是构成蛋白质高级结构的基本要素。▣三级结构：单条多肽链在二级结构基础上形成的空间结构。▣四级结构：由两个或多个肽链组成的蛋白质的天然空间结构。如果某个蛋白质只由一条肽链构成，那么它就没有四级结构。1、蛋白质的结构•结构域是在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区，一条多肽链在这个域范围内来回折叠，但相邻的域常被一个或两个多肽片段连结。▣结构域：单肽链内相对独立的结构、功能或折叠方式单位。1.可以与未折叠的蛋白结合使其在获得正确折叠之前维持未折叠的可溶状态，2.可以通过与错误折叠的蛋白结合使其重新回到未折叠状态并进一步正确折叠。3.分子伴侣本身并不含有有关正确折叠的任何特定信息,它们只是通过疏水键阻止非天然状态的蛋白分子间或分子内的不正确相互作用,从而增加正确折叠的产率。▣分子伴侣：是一类能特异地结合和释放底物蛋白的蛋白分子，它们帮助底物蛋白实现正确折叠、寡聚体组装、向特定细胞器转运或变换活化/去活化构象等。1.41=4种：缺16种氨基酸；2.42=16种：比20种氨基酸还缺4种；3.43=64种：由三个碱基一起组成的密码子能够形成64种组合，20种氨基酸多出44种。2、遗传密码及其特征•密码子•从1961年开始，在大量试验的基础上，分别利用64个已知三联体密码，找到了相对应的氨基酸。•1966~1967年，完成了全部遗传密码表。A．三联体密码：•三个碱基决定一种氨基酸；均以3个一组形成氨基酸密码。•遗传密码间不能重复:在一个mRNA上每个碱基只属于一个密码子；•61个为有意密码。•遗传密码的基本特征：AUGUACUGUCACAUGUUACUGUCAB.密码子之间无逗号①密码子与密码子之间无逗号，按三个三个的顺序一直阅读下去，不漏读不重复。②如果中间某个碱基增加或缺失后，阅读就会按新的顺序进行下去，最终形成的多肽链就与原先的完全不一样(称移码突变)。甲硫氨酸酪氨酸半胱氨酸组氨酸甲硫氨酸亮氨酸亮氨酸丝氨酸①.简并现象：几种密码子编码同一种氨基酸，就称为简并现象。•43=64种：由三个碱基一起组成的密码子能够形成64种组合，20种氨基酸多出44种。•色氨酸(UGG)和甲硫氨酸(AUG)例外，仅一个三联体密码；其余氨基酸都有一种以上的密码子。•编码同一种氨基酸的两种以上的密码子称为简并密码子。C．简并性：②.简并现象的意义：同义的密码子越多，生物遗传的稳定性也越大。如：UCU、UCC或UCA或UCG，均为丝氨酸。D、终止密码子•终止密码：为蛋白质合成终止信号(3个)•UAA、•UAG、•UGA，起始密码为：GUGAUG(甲硫氨酸)E、起始密码F.偏爱密码子：•不同生物往往偏向于使用其中的一种，这种被经常使用的密码子称为偏爱密码子。G．摆动假设：•决定同一个氨基酸或性质相近的不同氨基酸的多个密码子中，第1个和第2个碱基的重要性大于第3个碱基，往往只是最后一个碱基发生变化。例如：脯氨酸（pro）：CCU、CCC、CCA、CCG精氨酸（Arg）：CGU、CGC、CGA、CGG①在整个生物界中，从病毒到人类，遗传密码通用。4个基本碱基符号􀃎所有氨基酸􀃎所有蛋白质生物种类、生物体性状。②极少数例外；•物种所特有的现象。支原体的UGA不在是终止密码，而是编码色氨酸；嗜热四膜虫的UAA不在是终止密码，而编码谷氨酰胺。•线粒体DNA密码子不同于染色体DNA的密码子。UGA不在是终止信号，而是编码色氨酸；AGA、AGG在动物线粒体中不是编码精氨酸，而称为终止密码。H．通用性：3、中心法则•中心法则：遗传信息在细胞内的生物大分子间转移的基本法则。遗传信息的转移可以分为两类：第一类用实线箭头表示，包括DNA的复制、RNA的转录和蛋白质的翻译，即①DNA→DNA（复制）②DNA→RNA（转录）③RNA→蛋白质（翻译）•这三种遗传信息的转移方向普遍地存在于所有生物细胞中。（1）RNA的反转录•1970年Temin等在致癌RNA病毒中发现了一种特殊的DNA聚合酶，该酶以RNA为核板，根据碱基配对原则，按照RNA的核苷酸顺序(其中U与