第九章 遗传物质的分子基础

浙江大学遗传学第九章1第九章遗传物质的分子基础浙江大学遗传学第九章2＊1．DNA作为遗传物质的3个直接证据；2．核酸的化学结构（DNA、RNA）；＊3．原核生物和真核生物染色体的分子结构；4．DNA的半保留复制和特点；5．三种RNA分子的合成、转录及加工；6．遗传密码与蛋白质翻译。本章重点浙江大学遗传学第九章3第一节DNA作为主要遗传物质的证据浙江大学遗传学第九章4一、DNA作为主要遗传物质的间接证据：基因存在于染色体上（真核生物）：蛋白质约占66％脱氧核糖核酸（DNA）约占27％核酸核糖核酸（RNA）约占6％其它：如拟脂和无机物质少量染色体浙江大学遗传学第九章51．含量：DNA含量恒定。体细胞DNA含量是配子DNA的一倍；多倍体DNA含量倍增，但细胞内蛋白质含量不恒定。2．代谢：利用放射性与非放射性元素进行标记，发现：DNA分子代谢较稳定；其它分子一边形成、同时又一边分解。3．突变：紫外线诱发突变时，最有效波长均为2600埃；与DNA所吸收的紫外线光谱一致；证明基因突变与DNA分子的变异密切联系。浙江大学遗传学第九章64．分布：①．DNA是所有生物染色体所共有：噬菌体、病毒、植物、人类等。②．而蛋白质则不同：噬菌体、病毒、细菌的蛋白质一般不存在于染色体上，而真核生物染色体中有核蛋白组成。E.coli浙江大学遗传学第九章7二、DNA作为主要遗传物质的直接证据浙江大学遗传学第九章81．细菌的转化：──────────────────────────肺炎双球菌特征抗原型（稳定）──────────────────────────粗糙型（R）无荚膜、粗糙菌落、无毒IR、IIR光滑型（S）有荚膜、光滑菌落、有毒IS、IIS、IIIS──────────────────────────浙江大学遗传学第九章9⑴．格里费斯（GriffithF.，1928）：肺炎双球菌定向转化试验。①无毒IIR型小鼠成活重现IIR型②有毒IIIS型小鼠死亡重现IIIS型③有毒IIIS型（65℃杀死）小鼠成活无细菌④无毒IIR型有毒IIIS型（65℃杀死）小鼠死亡重现IIIS型结论：在加热杀死的IIIS型肺炎双球菌中有较耐高温的转化物质能够进入IIR型IIR型转变为IIIS型无毒转变为有毒。浙江大学遗传学第九章10⑵．阿委瑞（AveryO.T.，1944）试验：用生物化学方法证明这种活性物质是DNA。正实验：三个负实验：三个结论：遗传物质DNA是转化因子。浙江大学遗传学第九章112．噬菌体的侵染与繁殖：赫尔歇（HersheyA.）等用32P和35S验证DNA是遗传物质。原理：P存在于DNA，而不存于蛋白质；S存在于蛋白质，不存于DNA。①．32P标记T2噬菌体；②．35S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。浙江大学遗传学第九章123．烟草花叶病毒的感染和繁殖：烟草花叶病毒简称TMV（TobaccoMosaicVirus）。TMV的蛋白质外壳和单螺旋RNA接种：TMV蛋白质烟草不发病；TMVRNA烟草发病新的TMV；TMVRNARNA酶烟草不发病。浙江大学遗传学第九章13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。浙江大学遗传学第九章14第二节核酸的化学结构浙江大学遗传学第九章151．核酸：以核苷酸为单元构成的多聚体，是一种高分子化合物。五碳糖：脱氧核糖、核糖核苷酸磷酸鸟嘌呤、腺嘌呤环状的含氮碱基胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶一、两种核酸及其分布：浙江大学遗传学第九章16腺嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶浙江大学遗传学第九章17DNA核苷酸RNA核苷酸五碳糖：脱氧核糖碱基：A、T、C、G五碳糖：核糖碱基：A、U、C、G浙江大学遗传学第九章18DNA四种脱氧核苷酸DNA分子浙江大学遗传学第九章19高等植物：DNA存在于染色体，叶绿体、线粒体中；RNA在核（核仁、染色体）、细胞质中。细菌：DNA和RNA。噬菌体：多数只有DNA。植物病毒：多数只有RNA。动物病毒：有些含RNA、有些含DNA。2．分布：浙江大学遗传学第九章201.DNA双螺旋结构：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。沃森和克里克与维尔肯斯（Wilkins）一起获得诺贝尔奖（1962）。二、DNA的分子结构：浙江大学遗传学第九章21特点：⑴.两条互补多核酸链、在同一轴上互相盘旋；⑵.双链具有反向平行的特点；⑶.碱基配对原则为：A=T、G=C，双螺旋直径约20Å，螺距为34Å（10个碱基对）。浙江大学遗传学第九章22⑷.A-T、G-C排列方法有以下四种：A-T或G-C或G-CA-TC-G或A-TA-TC-G设某一段DNA分子链有1000对碱基,则有41000种不同排列组合，就可能有41000种不同性质的基因。浙江大学遗传学第九章23⑸.物种：①．同物种中的DNA的碱基含量不同：②．DNA分子上的碱基顺序是一致的，一般保持不变才能保持该物种的遗传特性的稳定；③．在特殊条件下，碱基顺序改变，出现遗传变异。物种GACTA+G/T+CG+C/A+T人19.930.919.829.41.030.66小麦23.825.624.626.00.970.94洋葱18.431.818.231.31.010.58菜豆20.629.720.129.61.010.69酵母18.331.717.432.61.000.56大肠杆菌26.024.725.723.61.021.07T2噬菌体18.232.516.832.51.020.54浙江大学遗传学第九章242.DNA构型：B-DNA：生理状态下，每螺圈10.4个碱基对，右手螺旋；A-DNA：高盐浓度下，每螺圈11个碱基对，右手螺旋；Z-DNA：序列富含GC，嘌呤和嘧啶交替出现，每螺圈12个碱基对，左手螺旋。浙江大学遗传学第九章25三、RNA分子结构：与DNA的区别①U代替T；②核糖代替脱氧核糖；③一般以单链存在。浙江大学遗传学第九章26第三节染色体的分子结构浙江大学遗传学第九章27一、原核生物的染色体：1．特点:⑴．染色体简单：DNA分子：如细菌、多数噬菌体和多数动物病毒；RNA分子：如植物病毒、某些噬菌体和动物病毒。大肠杆菌（DNA）浙江大学遗传学第九章28⑵．遗传信息含量少：只有一条染色体，且DNA含量远低于真核生物。大肠杆菌（E.coli）只有一个环状染色体，其DNA分子含核苷酸对为3×106，长度1.1mm。蚕豆配子中染色体（n=6）的核苷酸对为2×1010，长度6000mm。浙江大学遗传学第九章292．结构:（1）.噬菌体的染色体结构：T2噬菌体的环状DNA长达500000ÅT2噬菌体T2噬菌体头部直径为1000Å浙江大学遗传学第九章30（2）.大肠杆菌的染色体结构：染色体DNA结合物质：几种DNA结合蛋白、RNA。DNAE.coliRNA结合蛋白浙江大学遗传学第九章31大肠杆菌的多级折叠模式浙江大学遗传学第九章32二、真核生物的染色体：㈠、染色质的基本结构：1．组成：(1)．DNA：占染色质重量的30~40%；(2)．蛋白质：组蛋白含量比例与DNA相近，结构上起决定作用；非组蛋白与基因的调控有关。(3)．其它：RNA和一些脂类。大麦间期染色质浙江大学遗传学第九章332．结构:•奥林斯（OlinsA.L.，1974，1978）•柯恩柏格（KornbergR.D.，1974,1977）•钱朋（ChambonP.，1978）通过电镜观察和研究，提出染色质结构的串珠模型。浙江大学遗传学第九章34染色质的基本结构单元：核小体:由H2A、H2B、H3和H44种组蛋白构成。连接丝:DNA双链+H1组蛋白。H153个氨基酸H2A129个氨基酸组蛋白H2B125个氨基酸H3133个氨基酸H4102个氨基酸1个核小体（绕有1.75圈DNA）+连接丝约200bpDNA。组蛋白在进化上很保守，亲缘关系很远的生物差异很小。如H4：牛、豌豆均是102个氨基酸，其中仅2个氨基酸不一样。浙江大学遗传学第九章35组蛋白之间的结合力H2AH2BH3H4浙江大学遗传学第九章36核小体的结构模型：H2AH2BH3H3H4H4H2AH2BKornberg模型浙江大学遗传学第九章37Weinters动态结构模型H2AH2BH3H4H3H4H2AH2B紧缩型Chai模型浙江大学遗传学第九章38H2AH2BH3H3H4H4H2AH2BRNA转录伸展型H2AH2BH3H3H4H4H2AH2B松驰型浙江大学遗传学第九章39有丝分裂中期观察，核中染色质卷缩成一定形状：1条染色体2条染色单体（即1条染色单体由1条染色线组成）。螺旋化染色质染色体㈢、染色体的结构模型:浙江大学遗传学第九章401．四级螺旋结构（BakA.L.，1977）:浙江大学遗传学第九章41DNA双螺旋化为前一级长度的↓H2A、H2B、H3、H41/7一级核小体↓螺旋化+H11/6二级螺线体↓超螺旋化和卷缩1/40三级超螺旋体↓折叠螺旋化1/5四级染色体计1/8400四级螺旋化后DNA双链长度可压缩8000~10000倍。浙江大学遗传学第九章422.染色体骨架－放射环结构模型（PaintaJ.和CoffeyD.，1984）：浙江大学遗传学第九章43中期染色体去除组蛋白后的电镜图片：中间为两个非组蛋白形成的两个支架。浙江大学遗传学第九章44㈡、染色质的种类:（1）.根据染色反应:异染色质：染色质线中染色很深的区段；常染色质：染色质线中染色很浅的区段。二者化学性质相同，但核酸紧缩程度和含量不同，电镜下二者是连续的。（2）.染色深浅不同的原因:间期异染色质区段的染色线仍紧密卷曲，故染色深，呈惰性状态；常染色质区段的染色线解旋松散，故色浅，呈活跃状态。这一现象称为异固缩（在同染色体上所表现的收缩差别）。浙江大学遗传学第九章45（3）.异染色质的类型：组成型异染色质：主要为卫星DNA，构成染色体特殊区域，如着丝点等。兼性异染色质：存在于染色体的任何部位，在某类细胞中表现为异染色质状态，而在另一类细胞中表现为常染色质状态，如哺乳动物的X染色体。浙江大学遗传学第九章46人类巴氏小体（箭头）：女性细胞中的一个X染色体异染色质化关闭其携带基因的表达。浙江大学遗传学第九章47常染色质和异染色质的区别种类常染色质异染色质染色浅深间期分散卷曲位置臂间近着丝点和端部复制早迟状态活跃惰性浙江大学遗传学第九章48单线论：即一个染色体包含两个染色单体，分别是单线的。原核生物:染色体就是一条DNA分子；真核生物:每条染色体含有2条染色质线。多线论：部分生物上有许多亚染色质线。百合：2、4、6、8、16条。紫鸭跖草：有64或128条。㈣、染色体的结构:１．染色体的染色质线数目:浙江大学遗传学第九章49卷曲染色质线染色体压缩故也有异染色质区出现（染色深）。其中：茅膏菜的异染色质区位于染色体末端；蚕豆、番茄、月见草异染色质区位于着丝点附近；玉米异染色质区位于着丝点二边或一边。如玉米第7对染色体长臂和着丝点处有一段明显而膨大的异染色区。2．染色体上的异染色质区：浙江大学遗传学第九章50蚕豆中期染色体HSG－C带示异染色质分布：主要分布于着丝点附近和末端。浙江大学遗传学第九章51叙利亚仓鼠中期染色体：异染色质分布整个短臂整个Y染色体X染色体长臂着丝点浙江大学遗传学第九章52浙江大学遗传学第九章53浙江大学遗传学第九章54Haskins（1969）的着丝粒模型中期染色体的两条染色单体（CHRTD）借以底面相联结的两个半球状或片状的基质（M）集结在一起，染色单体臂间有染色质纤丝（50nm）穿过基质，使染色单体两臂保持连续，纺锤丝束（SF-1,2,3,4）也与基质相连，每个基质与两个纺锤丝束接触，整个着丝粒共有四个纺锤丝束。在纺锤丝束与基质连接的部位，有