第三章-遗传物质的分子基础

第三章遗传物质的分子基础分子遗传学的大量直接和间接的证据，说明DNA是主要的遗传物质，而在缺乏DNA的某些病毒中，RNA就是遗传物质第一节DNA作为主要遗传物质的证据一、间接证据DNA含量、代谢、结构、染色体共有等二、直接证据1、细菌的转化肺炎双球菌两种类型：光滑型(S型)：IS、IIS、IIIS粗糙型(R型)：IR、IIR、IIIR1928,Griffith：首次将IIR→IIIS，实现了细菌遗传性状的定向转化。被加热杀死的IIIS型肺炎双球菌必然含有某种促成这一转变的活性物质1944，Avery等用生物化学方法证明这种活性物质是DNA该提取物不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酸酶的影响，而只能为DNA酶所破坏2、噬菌体的侵染与繁殖Hershey等用同位素32P和35S分别标记T2噬菌体的DNA与蛋白质3、烟草花叶病毒的感染和繁殖RNA接种到烟叶→发病RNARNA酶处理RNA→不发病TMV蛋白质：接种后不形成新的TMV不发病说明在不含DNA的TMV中RNA就是遗传物质为了进一步论证上述的结论，Frankel-Conrat和Singer实验：第二节核酸的化学结构一、两种核酸*核酸的构成单元是核苷酸，是核苷酸的多聚体*每个核苷酸包括三部分：五碳糖、磷酸、碱基*两个核苷酸之间由3’和5’位的磷酸二脂键相连两种核酸的主要区别：DNA：脱氧核糖，A、C、G、T双链，分子链较长RNA：核糖，A、C、G、U单链，分子链较短图3-4构成核苷酸分子的碱基结构图3-5核酸分子的化学结构二、DNA的分子结构1953，Watson和Crick根据：碱基互补配对的规律对DNA分子的X射线衍射成果提出了著名的DNA双螺旋结构模型。这个模型已为以后拍摄的电镜直观形象所证实。DNA分子模型最主要特点：(1)两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，以一定的空间距离，环绕于同一轴相互盘旋而成(2)反向平行：5’－3’，3’－5’(3)两条单链间以碱基间氢键配对相连：AT，CG(4)每个螺旋34Å(3.4nm)，含10bp，直径约为20Å(5)分子表面大沟和小沟交替出现图3-6DNA分子的双螺旋结构模型图3-7两条多核酸链间氢键相连A-T和C-G两种核苷酸对分子链内排列的位置和方向只有四种形式:A---TC---GA---TG---CC---GA---TG---CA---T假设某一段DNA分子链有1000bp，则该段就可以有41000种不同的排列组合形式，反映出来的就是41000种不同性质的基因.DNA构型之变异：B－DNA：瓦特森和克里克提出的双螺旋构型,是DNA在生理状态下的构型A－DNA：在高盐下存在形式，右旋，每个螺圈含11bpZ－DNA:左旋，每个螺圈含12bp其他构型图3-9DNA分子的一种不同构型二、RNA的分子结构绝大部分RNA以单链形式存在，但可折叠起来形成若干双链区域。这些区域内，互补的碱基对间可形成氢键。一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。第三节染色体的分子结构一、原核生物染色体与真核生物相比，原核生物的染色体要简单得多，其染色体通常只有一个核酸分子(DNA或RNA)。图3－11大肠杆菌的染色体DNA分子伸展有1200µm长，细菌直径1－2µm图3－12原核生物的染色体结构模型二、真核生物染色体1、染色质的基本结构DNA:30%(重量)RNA:少量染色质组蛋白：1H1、2H2A、2H2B、2H3和2H4(重量相当于DNA）非组蛋白：少量染色质基本结构单位核小体：2H2A、2H2B、2H3、2H4----八聚体连接丝：串联两个核小体1H1：结合于连接丝与核小体的接合部位图3－13核小体结构模型一个核小体及其连接丝约含180－200bp约146bp盘绕在核小体表面1.75圈，其余bp为连接丝，其长度变化较大，从短的8bp到长的114bp异染色质，异染色质区染色很深的区段染色质常染色质，常染色质区染色很浅的区段（核酸的紧缩程度及含量不同，异染色质的复制时间总是迟于常染色质）异固缩现象2、染色体的结构模型染色单体—1DNA+pro—染色质线是单线染色体染色单体在细胞分裂过程中染色质线到底是怎样卷缩成为一定形态结构的染色体？图3－14染色体结构模型现在认为至少存在三个层次的卷缩:核小体→螺线管→染色体卷缩机理不清楚图3－15非组蛋白组成的染色体骨架第四节DNA的复制一、DNA复制的一般特点1、复制方式：半保留复制2、复制起点：大多数细菌及病毒只有一个复制起点，一个复制子；真核生物是多起点的，多个复制子3、复制方向：一般为双向复制图3－16DNA半保留复制图3－17真核生物染色体多起点DNA复制电镜照片二、原核生物DNA合成1、半保留复制，双向复制2、有引物的引导，为RNA3、延伸方向为5’－3’。4、一条链一直从5’向3’方向延伸，称前导链，连续合成；另一条先沿5’－3’合成冈崎片段，再由连接酶连起来链，后随链，不连续合成图3－18DNA解旋图3－19DNA合成之模型*在前导链上，DNA引物酶只在起始点合成一次引物RNA，DNA聚合酶III开始DNA的合成*在后随链上，每个冈崎片段的合成都需要先合成一段引物RNA，然后DNA聚合酶III才能进行DNA的合成。图3－20后随链DNA的合成RNA病毒中RNA的自我复制先以自己为模板（“＋”链）合成一条互补的单链（“－”链），然后这个“－”链从“＋”链模板释放出来，它也以自己为模板复制出一条与自己互补的“＋”链，形成了一条新生的病毒RNA。三、真核生物DNA合成真核生物DNA的复制与原核生物的主要不同点：1、DNA的合成只是在S期进行，原核生物则在整个细胞生长过程中都进行DNA合成2、原核生物DNA的复制是单起点的，真核生物染色体的复制则为多起点的3、所需的RNA引物及后随链上合成的“冈崎片段”的长度比原核生物要短4、有二种不同的DNA聚合酶分别控制前导链（δ）和后随链（α）的合成；在原核生物中由聚合酶III同时控制二条链的合成5、染色体端体的复制：原核生物的染色体大多数为环状图3－21真核生物DNA复制第五节RNA的转录及加工一、三种RNA分子1、mRNA2、tRNA：最小的RNA，由70到90个核苷酸组成，具有稀有碱基的特点图3－22tRNA的三维结构图3-6DNA分子的双螺旋结构模型3、rRNA：核糖体的主要成分。在大肠杆菌中：rRNA量占细胞总RNA量的75-85％tRNA占15％mRNA占3-5％二、RNA合成的一般特点1、所用原料为核苷三磷酸；在DNA合成时为脱氧核苷三磷酸2、只有一条DNA链被用作模板；DNA合成时，两条链分别用作模板3、RNA链的合成不需要引物；DNA合成一定要引物的引导4、RNA链的合成与DNA链的合成同样，也是从5’向3’端，由RNA聚合酶催化三、原核生物RNA的合成*转录后形成一个RNA分子的一段DNA序列称为一个转录单位*一个转录单位可能刚好是一个基因，也可能含有多个基因*RNA转录分三步：(1)RNA链的起始；(2)RNA链的延长；(3)RNA链的终止及新链的释放图3－24RNA的转录过程图3－25启动子的结构图3－26RNA链的延伸四、真核生物RNA的转录及加工1、真核生物RNA的转录是在细胞核内进行，而蛋白质的合成则是在细胞质内2、原核生物的一个mRNA分子通常含有多个基因；而少数较低等真核生物外，真核生物一个mRNA分子一般只编码一个基因3、原核生物只有一种RNA聚合酶催化所有RNA的合成；真核生物中则有RNA聚合酶I、II、III，分别催化不同种类型RNA的合成4、原核生物RNA聚合酶直接起始转录合成RNA；真核生物三种RNA聚合酶都必须在蛋白质转录因子的协助下才能进行RNA的转录真核生物与原核生物RNA的转录的不同点真核生物mRNA在转录后的加工：1、5’端加上帽子(7－甲基鸟嘌呤核苷)在蛋白质翻译时识别起始位置及防止被RNA酶降解2、3’端加上尾巴(聚腺苷酸,polyA)对增加mRNA的稳定性及从细胞核向细胞质的运输具有重要作用3、切除非编码序列(内含子)，将编码序列(外显子)连接起来，才能进行蛋白质的翻译图3－28真核生物mRNA的加工第六节遗传密码与蛋白质的翻译一、遗传密码（1）三联体密码（2）通用性（3）简并现象（4）遗传密码间不能重复利用：除少数情况外，一个mRNA上每个碱基只属于一个密码子（5）起始密码子：AUGGUG和终止密码子:UAAUAGUGA(6)遗传密码间无逗号,即在翻译过程中，遗传密码的译读是连续的图3－29核糖体的结构原核生物70S核糖体哺乳动物原核生物80S核糖体图3－30蛋白质合成的起始图3－31蛋白质合成链的延伸图3－32蛋白质合成的终止图3－33多聚核糖体图3－34中心法则及其发展