遗传学第三章--遗传物质的分子基础

第三章遗传物质的分子基础问题：•假如我们仅仅知道起遗传作用的是染色体，又有分离各种成分的手段，下一步研究遗传可做什么工作？•假如现在知道遗传的物质是在细胞内，接下去希望了解什么？第二章遗传物质的分子基础第一节DNA作为主要遗传物质的证据基因的功能•①、遗传功能：（基因的复制）遗传物质贮存遗传信息，并复制遗传信息，一代一代精确地传递。•②、表型功能：（基因的表达）遗传物质控制生物体性状的发育和表达。•③、进化功能（基因的变异）遗传物质发生变异，以适应外界环境的变化，没有变异就没有进化遗传物质必须符合的条件:1.必须能准确地复制(基因能自我繁殖)2.能稳定从上一代传到下代(生物性状代代相传)3.具备多样性,能贮藏大量信息(生物性状具多样性)4.具有可变性(生物是可变的)一、DNA作为主要遗传物质的间接证据：第二章遗传物质的分子基础1.含量：DNA含量恒定。体细胞中DNA含量是配子DNA的一倍；多倍体中，DNA含量倍增。细胞内的蛋白质含量是不恒定的。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；其它分子一面形成、同时又一面分解。第二章遗传物质的分子基础3.突变：第二章遗传物质的分子基础4.分布：①DNA是所有生物染色体所共有：从噬菌体、病毒、植物一直到人类。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，只有真核生物的染色体才由核蛋白组成。第二章遗传物质的分子基础二、DNA作为主要遗传物质的直接证据1．细菌的转化：第二章遗传物质的分子基础肺炎双球菌特征抗原型（稳定）粗糙型(R)粗糙菌落、无荚膜、无毒IR、IIR光滑型(S)光滑菌落、有荚膜、有毒IS、IIS、IIIS（1）格里菲思（1928）定向转化实验第二章遗传物质的分子基础结论：被杀死的ⅢS型肺炎双球菌必然含有某种耐高温的活性物质，使得ⅡR型转变为ⅢS，无毒变为有毒。⑵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。1.噬菌体介绍2.噬菌体侵染与繁殖2.侵染实验：第三章遗传物质的分子基础烟草花叶病毒的感染和繁殖：第二章遗传物质的分子基础烟草花叶病毒简称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。三、无DNA生物中，RNA是遗传物质及其证据佛兰科尔-康拉特与辛格尔的试验•结果：亲本的RNA决定了后代的RNA和蛋白质。证明RNA是TMV的遗传物质。第二章遗传物质的分子基础第二节DNA和RNA的化学结构第二章遗传物质的分子基础一、两种核酸及分布1．核酸：以核苷酸为单元构成的多聚体，是一种高分子化合物。核苷酸五碳糖：脱氧核糖、核糖磷酸鸟嘌呤、腺嘌呤环状的含氮碱基胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶第二章遗传物质的分子基础第二章遗传物质的分子基础五种碱基第三章遗传物质的分子基础嘌呤类嘧啶类第二章遗传物质的分子基础第二章遗传物质的分子基础2．分布：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。二、DNA的化学结构：第二章遗传物质的分子基础㈠、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)。模型最主要的特点①两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，彼此以一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，很像一个扭曲的梯子；②两条多核苷酸链走向为反向平行；③每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过氢键与它的互补碱基联系，A与T间形成两对氢键，G与C间形成三对氢键，上下碱基间的距离为0.34nm；④每个螺旋为3.4nm长，刚好含10个碱基对，其直径约为2nm；⑤在双螺旋分子的表面大沟与小沟交替出现。第三章遗传物质的分子基础碱基的排列方式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种不同的排列组合，就可能有41000种不同性质的基因。第三章遗传物质的分子基础三、RNA的化学结构：第三章遗传物质的分子基础与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。作业：1.从某植物中分离出的DNA中，观察到核苷酸A的百分比是30.7%，预计T、G、C的比例各为多少？2.每一个人类二倍体细胞中约有3.3×109个核苷酸对。如果细胞分裂中期时人染色体的平均长度约为6μm，则平均的压缩比是多少？第二章遗传物质的分子基础第三节DNA的复制DNAreplication一、DNA复制的一般特点（一）半保留复制•1.瓦特森(Watson)等提出的•DNA半保留复制方式。•其方法为：•①．一端沿氢键逐渐断开；•②．以单链为模板，碱基互补；•③．氢键结合，聚合酶等连接；•④．形成新的互补链；•⑤．形成了两个新DNA分子。•DNA的这种复制方式对保持•生物遗传的稳定是非常重要的。第二章遗传物质的分子基础第二章遗传物质的分子基础㈡、复制起点和复制方向：1.原核生物﹡绝大多数细菌和病毒：只有一个复制起点，控制整个染色体的复制，且为双向复制。﹡噬菌体P2：其DNA的复制是沿一个方向进行的。﹡复制子：在同一个复制起点控制下的一段DNA序列第二章遗传物质的分子基础2.真核生物﹡每条染色体的DNA复制都是多起点，多个复制起点共同控制整个染色体的复制；﹡每条染色体有多个复制子；﹡且为双向复制；•DNA聚合酶•连接酶（ligase）•解旋酶（helicase）•拓扑异构酶二、原核生物DNA的复制（一）有关DNA合成的酶二、原核生物DNA的合成（二）DNA聚合酶（DNApolymerase）第二章遗传物质的分子基础•三种DNA合成酶在决定DNA合成方面的共同特性：•①三种酶都只有5’－3’聚合酶的功能，而没有3’－5’聚合酶功能；•②它们都没有直接起始DNA合成的能力，只有在引物存在下进行链的延伸；•③三种酶都具有核酸外切酶功能，可对合成中发生的错误进行校正，保证DNA复制的高度准确性。第三章遗传物质的分子基础（二）DNA复制过程•1．DNA双螺旋的解链•*DNA解旋酶在ATP供能•下，每分钟旋转3000次•解开双螺旋；•*单链DNA结合蛋白马上•结合在分开的单链上，•以避免产生单链内配对；•*DNA拓扑异构酶来解•决由于复制叉的推进而•产生超螺旋。第三章遗传物质的分子基础第三章遗传物质的分子基础2.DNA合成的开始合成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。3.一条DNA链连续合成，一条链不连续•∵DNA聚合酶，以5′3′方向发挥作用；•∴从3′5′合成方向的一条链，就会遇到麻烦。•KornbergA.(1967)提出不连续复制假说：•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“冈崎片段”(1000~2000个bp)由连接酶连接这些片段形成一条连续的单链。第三章遗传物质的分子基础第三章遗传物质的分子基础后随链的复制第三章遗传物质的分子基础4．RNA病毒中RNA的自我复制：(1)．单链RNA病毒先以自己（+链）为模板合成一条互补单链（―链）形成双螺旋的复制型。(2)．―链从+链模板中放释出来。(3)．以―链为模板复制一条互补的+链形成一条新的病毒RNA三、真核生物DNA合成的特点第三章遗传物质的分子基础Polymerasechainreaction（PCR）PCR产物电泳检测第五节RNA的转录及加工第三章遗传物质的分子基础第三章遗传物质的分子基础一、三种RNA分子:（一）信使RNA(mRNA)（二）tRNA第三章遗传物质的分子基础•①分子量为25000~30000；•②70~90个核苷酸组成；•③稀有碱基，如假尿嘧啶等；•tRNA的结构：•5’端之末具有G（大部分）或C；•3‘端之末都以ACC结尾；•一个富有鸟嘌呤的环；•一个反密码子环；•一个胸腺嘧啶环；第三章遗传物质的分子基础第三章遗传物质的分子基础㈢、rRNA原核生物rRNA（3种）:5S:120个核苷酸；16S:1540个核苷酸；23S:2900个核苷酸。真核生物rRNA（4种）:5S:120个核苷酸；5.8S:160个核苷酸；18S:1900个核苷酸；28S:4700个核苷酸。右图为rRNA与核糖体的组装。第三章遗传物质的分子基础其它RNA：第三章遗传物质的分子基础小核RNA（snRNA）它是真核生物转录后加工过程中RNA剪切体的主要成分，一直存在于细胞核中。端体酶RNA它与染色体末端复制有关。反义RNA它参与基因的调控。二、RNA合成的一般特点第三章遗传物质的分子基础与DNA合成一样，RNA合成也从5‘到3’端进行；同样遵循碱基配对的规则，只是U代替了T；但在原核生物中只有一种RNA聚合酶完成所有RNA的转录，真核生物中有3种不同的RNA控制不同类型RNA的合成。第三章遗传物质的分子基础三、原核生物RNA的合成：①RNA链的起始；②RNA链的延伸；③RNA链的终止及新链的释放；第三章遗传物质的分子基础㈠、RNA聚合酶：α亚基与四聚体核心酶形成有关；β亚基存在核苷三磷酸的结合位点；β’含有与DNA模板结合的位点；σ因子只与RNA转录的起始有关。第三章遗传物质的分子基础㈡、RNA链合成的起始：第三章遗传物质的分子基础㈢、RNA链的延伸：第三章遗传物质的分子基础㈣、RNA链的终止①依赖ρ因子的终止；②不依赖ρ因子的终止。四、真核生物RNA的转录及加工第三章遗传物质的分子基础第三章遗传物质的分子基础㈠、原核生物与真核生物RNA转录的区别1.真核生物RNA的转录是在细胞核内，翻译在细胞质中进行；原核生物则在核区同时进行转录和翻译；2.真核生物一个mRNA只编码一个基因；原核生物一个mRNA编码多个基因；3.真核生物有RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等三种不同的酶；原核生物则只有一种RNA聚合酶；4.真核生物中转录的起始更复杂，RNA的合成需要转录因子的协助进行转录；原核生物则较为简单；5.真核生物的mRNA转录后进行加工，然后运送到细胞质中进行翻译；原核生物无需进行加工，边转录边翻译。参看下图。第三章遗传物质的分子基础㈡、真核生物RNA转录后的加工5`端戴帽；3`端加尾；内含子剪切。第三章遗传物质的分子基础真核生物中：mRNA前体的成熟过程，切除内含子，衔接外显子。第六节遗传密码与蛋白质的翻译第三章遗传物质的分子基础第三章遗传物质的分子基础•一、遗传密码：•㈠、密码子与氨基酸DNA分子碱基只有4种，而蛋白质氨基酸有20种。∴碱基与氨基酸之间不可能一一对应。1．41=4种：缺16种氨基酸；2．42=16种：比现存的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。•简并：一个氨基酸由二个或二个以上的三联体密码所决定的现象。三联体或密码子：代表一个氨基酸的三个一组的核苷酸。第三章遗传物质的分子基础㈡、遗传密码字典每一个三联体密码所翻译的氨基酸是什么呢?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，如UGG为色氨酸。遗传密码的破译Matthei证明polyU合成的肽链全是苯丙氨酸（phe）遗传密码字典第三章遗传物质的分子基础第三章遗传物质的分子基础㈢、遗传密码的基本特征：1．遗传密码为三联体：三个碱基决定一种氨基酸；61个为有意密码，起始密码为GUG、AUG(甲硫氨酸)；3个为无意密码，UAA、UAG、UGA为蛋白质合成终止信号。2.遗传密码间不能重复:在一个mRNA上每个碱基只属于一个密