《基础生命科学》DNA――生命的秘密

9DNA——生命的秘密9.1基因是什么9.2DNA的半保留复制9.3RNA的组成和作用9.4转录9.5遗传密码的破译9.6蛋白质的合成9.7人类基因组计划在20世纪的前40年，困扰科学家的两个最基本的问题依然没有解决：（1）基因是由什么物质组成的？（2）基因是如何工作的？在Mendel和Morgan时代，使用的实验材料主要是豌豆和果蝇等，它们都是一些非常复杂的多细胞生物后来，在对细菌和病毒这些极其简单的生命形式的研究中，科学家才发现了遗传物质的蛛丝马迹。9.1基因是什么从简单到复杂是科学的研究方法。9.1基因是什么1928年，英国GriffithS型肺炎球菌：有荚膜，菌落表面光滑R型肺炎球菌：没有荚膜，菌落表面粗糙9.1基因是什么著名的肺炎球菌实验结果说明？结果说明：加热杀死的S型肺炎球菌中一定有某种特殊的生物分子或遗传物质，可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌这种生物分子或遗传物质是什么呢？著名的肺炎球菌实验纽约洛克非勒研究所Avery从加热杀死的S型肺炎球菌将蛋白质、核酸、多糖、脂类分离出来，分别加入到无害的R型肺炎球菌中，结果发现，惟独只有核酸可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌。1944年结论：DNA是生命的遗传物质1952年，Hershey和Chase病毒（噬菌体）放射性同位素35S标记病毒的蛋白质外壳，32P标记病毒的DNA内核，感染细菌。新复制的病毒，检测到了32P标记的DNA，没有检测到35S标记的蛋白质，DNA在病毒和生物体复制或繁殖中的关键作用。8年的时间更有说服力的噬菌体实验1958，Meselson和Stahl大肠杆菌15NH4CI为唯一氮源的培养液中生长若干代被15N标记的大肠杆菌转入14NH4CI为唯一氮源的培养液中完成第一代和第二代繁殖时，分离DNA，密度梯度超速离心被15N标记的亲代双链DNA（记作15N/15N）密度大，在下部；14N/14N密度小，在上部；15N/14N在15N/15N和14N/14N之间9.2DNA的半保留复制DNA合成的同位素示踪实验实验发现：被15N标记的亲代DNA离心后只有一条带，位于离心管下部；繁殖后第一代大肠杆菌的DNA离心后也只有一条带，分布于离心管中部；繁殖后的第二代大肠杆菌DNA离心后出现两条带，一条分布于离心管中部，另一条分布于离心管上部，证明新合成的DNA分子的两条多核苷酸链中有一条来自亲代DNA，一条则是新合成的。DNA的复制是以亲代的一条DNA为模板，按照碱基互补的原则，合成另一条具有互补碱基的新链，因此，细胞中DNA的复制被称为半保留复制DNA合成的同位素示踪实验DNA的复制发生在细胞周期的S期，在解旋酶的作用下，首先双螺旋的DNA可以同时在许多DNA复制的起始位点局部解螺旋并拆开为两条单链，如此在一条双链上可形成许多“复制泡”，解链的叉口处称为复制叉。DNA的半保留复制DNA的复制总是由5‘向3’方向进行DNA的半保留复制保证了所有的体细胞都携带相同的遗传信息，并可以将遗传信息稳定地传递给下一代。DNA的半保留复制9.3RNA的组成和作用RNA与DNA的主要差别：（1）RNA大多是单链分子；（2）含核糖而不是脱氧核糖；（3）4种核苷酸中，不含胸腺嘧啶（T），而是由尿嘧啶（U）代替了胸腺嘧啶（T）。细胞中主要有3种RNA，即信使RNA（messagerRNA,mRNA），核糖体RNA（ribosomeRNA,rRNA）和转运RNA（tranferRNA,tRNA）。mRNA是遗传信息的携带者。在细胞核中转录DNA上的遗传信息，再进入细胞质，蛋白质合成的模板。tRNA局部为双链，在3′、5′端相反一端的环上具有由3个核苷酸组成的反密码子。tRNA的反密码子在蛋白质合成时与mRNA上互补的密码子相结合。tRNA起识别密码子和携带相应氨基酸的作用rRNA和蛋白质共同组成的复合体就是核糖体，核糖体是蛋白质合成的场所。核糖体的大小亚基在行使翻译功能即肽链合成时聚合成整体，为蛋白质的合成提供场所。核糖体上具有附着mRNA模板链的位置，还有两个tRNA附着的位置，分别称为A位和P位。由DNA控制的蛋白质合成涉及两个基本过程：第一步，DNA的遗传信息转录到mRNA中，发生在细胞核中；第二步，将mRNA的信息翻译成蛋白质的氨基酸序列，在细胞质中进行。原核生物中遗传信息的转录和翻译则简单一些发生在细胞核中，以DNA分子为模板，按照碱基互补的原则，合成一条单链的RNA即mRNA，DNA分子携带的遗传信息被转移到RNA分子中。其过程与DNA的复制基本相同。9.4转录转录过程内含子：不能编码蛋白质的核苷酸片段外显子：编码蛋白质的核苷酸片段转录后新合成的mRNA是未成熟的mRNA，需要在特定部位剪接，最后形成较短的有功能的RNA。原核生物中，DNA链上不存在内含子真核生物细胞成熟mRNA的形成过程遗传信息是如何储藏在4种核苷酸中的？如何破译遗传密码？9.5遗传密码的破译数学家、物理学家——逻辑运算或推导分子生物学家——？1955年纽约大学Grunberg-Manago将核苷酸连接起来的酶形成RNA聚合体A连接成多聚A（polyA，A-A-A-A-A-A-A）polyCpolyGpolyUpolyAU9.5遗传密码的破译问题：什么样的核苷酸组合可以被翻译成多肽片段？1960年Matthei31岁德国人美国国家健康研究所老板33岁的Nirenberg试管中合成多肽将ATP和游离的氨基酸加入到从细胞中提取的核糖体、核酸和酶的混合物中问题：哪一种RNA可促进多肽的合成？对RNA高度敏感及时检测多肽合成的试管实验系统在试管中加入了ATP、游离的氨基酸、酶和核糖体及核糖体RNA——没有蛋白质的合成9.5遗传密码的破译问题：需要其他带有遗传信息的RNA？列出200多种RNA，烟草花叶病毒RNA神秘的蛋白质MarianneGrunberg-Manago方法人工合成RNA加入不同的酶、核糖体、ATP、氨基酸加入polyU、polyA、polyAUpolyU产生了许多蛋白质问题：polyU主要利用了哪些氨基酸呢？不同的氨基酸分别加入到polyU试管系统中5天通宵达旦星期六早晨，熬红了眼的Matthei得到了答案：polyU合成的肽链全部是苯丙氨酸（Phe）世界上破译第一个遗传密码的人9.5遗传密码的破译问题：几个U决定一个苯丙氨酸的合成？Nirenberg莫斯科第五届国际生物化学大会不善于推销自己小组会上Meselson认为非同小可FrancisCrick全体大会上重新做学术报告9.5遗传密码的破译问题：几个U决定一个苯丙氨酸的合成？Nirenberg全力组织其他遗传密码的破译Matthei回德国Nirenberg发现并定义了3个核苷酸为一个密码子决定一个氨基酸的翻译Khorana按需要连接任意核苷酸ACACACACACACACthr-his-thr-his链ACA——苏氨酸的密码子CAC——组氨酸的密码子1966年，Nirenberg和Khorana全部遗传密码字典64个密码子61个负责20种氨基酸翻译，3个无义密码子Nirenberg和Khorana1968年诺贝尔奖9.5遗传密码的破译细胞中蛋白质的合成是一个严格按照mRNA上密码子的信息指导氨基酸单体合成为多肽链的过程，这一过程称为mRNA的翻译。mRNA的翻译需要有mRNA、tRNA、核糖体、多种氨基酸和多种酶等的共同参与。翻译过程(即多肽链的合成)包括起始、多肽链延长和翻译终止3个基本阶段。9.6蛋白质的合成蛋白质的合成过程翻译过程中，由于每一个氨基酸是严格按照mRNA模板的密码序列被逐个合成到肽链上，因此，mRNA上的遗传信息被准确地翻译成特定的氨基酸序列。细胞质中，翻译是一个快速过程，一段mRNA可以相继与多个核糖体相结合，同时连续进行多条同一种新肽链的合成。遗传信息流由DNARNA蛋白质流动。RNA的自我复制，反转录1988年，美国国家卫生院和能源部迄今为止在生命科学领域最宏大的研究计划—人类基因组计划主要内容是完成人体23对染色体的全部基因的遗传作图和物理作图，完成23对染色体上30亿个碱基的序列测定以美国为主、包括英国、法国、日本和中国多国科学家参加的国际合作计划9.7人类基因组计划人类基因组计划主要应用了4方面相互配合与补充的研究方法和技术：1.用RFLP等标记出包含大约1Mb的超大片段进行定位作图2.用RFLP把超大片段分割成10多个包含100kb的大片段，做出它们的物理图3.用酵母人工染色体(YACs）或其他载体构建包含其中小片段的一系列重叠的克隆，约0.5～1.0Mb4.对小片段逐个进行测序，进而实现对整个染色体的测序和作图1992年，酵母3号染色体DNA的全部315357个碱基序列的测定，这是人类完成的第一条真核生物染色体DNA的全序列。1995年，科学家们获得了人类第3、第16和第22号染色体的高密度物理图。1996年，科学家们完成酵母其他15条染色体的碱基序列测定。1997年，大肠杆菌基因组序列测定宣告完成。1999年12月1日，科学家们宣布，人类第22号染色体，含3.34×107个碱基序列的测定已经全部完成，这是人类完成的第一条人类自身染色体的全序列测定。2000年6月26日，人类基因组工作框架图完成，标志着功能基因组时代的到来。科学家们对人类基因组的性质和作用的认识在不断地深化。未来：健康领域、基础科学研究领域……Griffith和Avery通过著名的肺炎球菌实验提出了DNA是遗传物质，Hershey和Chase通过噬菌体实验证实了这一结论。DNA的复制以亲代的一条DNA为模板，在DNA聚合酶的作用下，按照碱基互补的原则，由5‘向3’方向合成另一条具有互补碱基的新链，复制的DNA子链与亲代双链完全相同（半保留复制）。细胞中主要有3种RNA。mRNA是遗传信息的携带者，在细胞质作为蛋白质合成的模板。tRNA起着识别密码子和携带相应氨基酸的作用。rRNA与蛋白质共同组成的复合体就是核糖体（是蛋白质合成的场所）。转录发生在细胞核中，以DNA为模板，按照碱基互补的原则，合成一条单链的RNA即mRNA，DNA携带的遗传信息被转移到RNA中。mRNA中的遗传信息以3个碱基形成的遗传密码的形式决定肽链上一个特定的氨基酸。按照mRNA上密码子的信息指导氨基酸单体合成为多肽链的过程称为mRNA的翻译。人类基因组计划的实施和完成对人类未来将产生难以预料的影响。本章摘要