chap9-遗传物质的分子基础.ppt

单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,主要内容,第一节 DNA作为主要遗传物质的证据,第二节 核酸的化学结构,第三节 染色体的分子结构,（自学）,第四节 DNA的复制,第五节 RNA的转录与加工,第六节 遗传密码与蛋白质的合成,第七节 基因的概念及发展,*,1,知识目标,掌握 基因的概念及其发展状况。,掌握 DNA和RNA的分子结构、DNA复制、遗传密码、DNA的转录、转译和蛋白质的生物合成。,2,第一节 DNA作为主要遗传物质,的证据,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,。,3,1944，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。,6,2、噬菌体的侵染与繁殖,Hershey等用同位素,32,P,和,35,S,分别标记,T,2,噬菌体的DNA与蛋白质,7,3、烟草花叶病毒的感染和繁殖,RNA接种到烟叶,发病,RNA,RNA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。,8,为了进一步论证上述的结论，Frankel-Conrat和Singer实验：,9,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,10,两种核酸的主要区别：,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,11,图 9-4 构成核苷酸分子的碱基结构,12,图 9-5 核酸分子的化学结构,13,二、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。,14,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：53，35。,(3)两条单链间以碱基间氢键配对相连：,A T，C G。,(4)每个螺旋34(3.4nm)，含10bp，,直径约为20。,(5)分子表面大沟和小沟交替出现。,15,图 9-6 DNA分子的双螺旋结构模型,16,图 9-7 两条多核酸链间氢键相连,17,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-T,C-G,A-T G-C,C-G,A-T G-C A-T,假设某一段DNA分子链有,1000bp,，则该段就可以有4,1000,种不同的排列组合形式，反映出来的就是,4,1000,种不同性质的基因.,18,DNA构型之变异：,BDNA：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。,ADNA：在高盐下存在形式，右旋，,每个螺圈含11bp,。,ZDNA:左旋，每个螺圈含12bp,其他构型。,19,图 9-9 DNA分子的不同构型,20,二、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。,21,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)。,22,图911 大肠杆菌的染色体,DNA,分子伸展有,1200m,长，细菌直径,1,2m,23,图912 原核生物的染色体结构模型,24,二、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：,1,H,1,、,2,H,2,A,、,2,H,2,B,、,2,H,3,和,2,H,4,(重量相当于DNA）,非组蛋白：少量,25,染色质基本结构单位,核小体：,2,H,2,A,、,2,H,2,B,、,2,H,3,、,2,H,4,-,八聚体,连接丝：串联两个核小体,1,H,1,：结合于连接丝与核小体,的接合部位,26,图913 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,27,28,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,29,2、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？,30,图914 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,31,图915 非组蛋白组成的染色体骨架,32,33,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,34,图916 DNA半保留复制,35,图917 真核生物染色体多起点DNA复制电镜照片,36,二、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RNA,3、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53 合成冈,崎片段，再由连接酶连起,来链，,后随链,，不连续合成,37,图918 DNA解旋,38,图919 DNA合成之模型,39,*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。,40,图920 后随链DNA的合成,41,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。,42,三、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,43,3、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（）和后随链,（）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,44,图921 真核生物DNA复制,45,第五节 RNA的转录及加工,遗传物质不管其化学性质如何，其必须具有,遗传、表达和变异等三种基本功能。,下面我们介绍其第二个重要的功能基因表达。,基因的表达,：,第一步,DNA转录(transcription)为RNA,，然后由,RNA再翻译(translation)成蛋白质,。,转录,：,就是以DNA双链之一的遗传密码为模板，把遗传密码以互补的方式转录到mRNA上。,46,翻译,：,就是mRNA携带着转录的遗传密码，附着在核糖体上，把tRNA运来的各种氨基酸，按照mRNA的密码顺序，相互连接起来成为多肽链，并进一步折叠起来成为立体蛋白质分子。,47,先介绍RNA的转录,一、三种RNA分子,信使RNA,(messenger RNA，,mRNA,),转移RNA,(transfer RNA，,tRNA,),核糖体RNA,(ribosomal RNA，,rRNA,),三种不同的RNA分子在基因的表达过程中起重要的作用。,48,(一)mRNA,mRNA的功能就是把DNA上的遗传信息精确无误地转录下来,mRNA的碱基顺序,决定,蛋白质的氨基酸顺序,。,它,起着传递信息的作用。,在真核生物中，转录形成的,RNA,中，含由大量非编码序列，约,25,RNA,经加工成为,mRNA,，,最后翻译为蛋白质。,未经加工的前体,mRNA,(pre,-mRNA),称为,不均一核,RNA,(,hnRNA,),。,49,(二)tRNA,由于合成蛋白质的原材料20种氨基酸与mRNA的碱基之间,缺乏,特殊的亲和力。,必须用,转移RNA(tRNA),把氨基酸搬运到核糖体上，,tRNA能根据mRNA的遗传密码依次准确地将它携带的氨基酸连结成多肽链。,每种氨基酸可与14种tRNA相结合，现在已知的tRNA的种类在40种以上。,50,分子量为,2500030000,；,7090,个核苷酸组成；,稀有碱基，如假尿嘧啶等；,51,tRNA,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；,52,(三)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。,rRNA,是单链,，,它包含不等量的,A,与,U,、,G,与,C,，,但是有广泛的双链区域。在双链区，碱基因氢鍵相连，表现为,发夹式螺旋。,rRNA在蛋白质合成中的功能尚未完全明了。,53,除了上述三种主要的,RNA,外，还有,小核,RNA,(small nuclear RNA,，,snRNA,),是真核生物转录后加工过程中,RNA,剪接体,(,spliceosome,),的主要成份。,另外，还有,端体酶,RNA,(telomerase RNA),，,它与染色体末端的复制有关；以及反义,RNA(antisense,RNA),，,它参与基因表达的调控。,上述各种,RNA,分子均为转录的产物，,mRNA,最后翻译为蛋白质，而,rRNA,、,tRNA,及,snRNA,等并不翻译，其终产物即为,RNA,。,54,二、RNA合成的一般特点,区别,RNA,的合成,DNA,的合成,所用的原料 核苷三磷酸 脱氧核苷三磷酸,模板数目 一条,DNA,链 二条,DNA,链,引物 不需要 引物的引导,聚合酶,一种RNA,聚合酶,（原）,三种DNA聚合酶（原）,三种,RNA聚合酶,（真）五,种DNA聚合酶（真）,55,转录合成的,RNA,链，除了,U,替换为,T,以外，与用作模板的,DNA,链互补，而与另一条非模板链相同。,如果转录的,RNA,是,mRNA,，,其信息最后通过密码子决定蛋白质的合成。,现在通常将用作模板，进行,RNA,转录的链称作,模板链,(template strand),；,而另一条则为,非模板链,(,nontemplate,strand),。,56,RNA,链的合成与,DNA,链的合成同样，,也是从,5,向,3,端进行的，,此过程由,RNA,聚合酶,(RNA polymerase),催化。,RNA,聚合酶首先在启动子部位,(promoter),与,DNA,结合，形成转录泡,(transcription bubble),，,并开始转录。,在原核生物中只有一种,RNA,聚合酶完成所有,RNA,的转录，而在真核生物中，有三种不同的,RNA,聚合酶控制不同类型,RNA,的合成。,RNA,的合成也同样遵循碱基配对的规则，只是,U,代替了,T,。,57,三、原核生物RNA的合成,通常把转录后形成一个RNA分子的一段DNA序列称为,一个转录单位,(transcript unit)。,RNA,的转录可以分为三步,(,图,3,24),：,(1)RNA,链的起始；,(2)RNA,链的延长；,(3)RNA,链的终止及新链的释放。,58,(一)RNA聚合酶,催化转录的,RNA,聚合酶是一种由,多个蛋白亚基,组成的复合酶。,a亚基与,四聚体核心酶,形成有关；,亚基存在,核苷三磷酸,的结合位点；,含有与,DNA,模板,结合的位点；,因子,识别RNA转录,的起始位置，,使RNA聚合酶结合在,启动子,部位。,如大肠杆菌的RNA聚合酶全酶的组成：,59,(二)链的起始,首先是RNA聚合酶在,因子,的作用下结合于DNA的启动子部位;,使DNA,双链解开,，形成,转录泡,，,为RNA合成,提供单链模板,，,按照碱基配对的原则，结合核苷酸;,然后，在核苷酸之间形成磷酸二脂键，使其相连，,形成RNA新链。,因子被释放,，然后由核心酶催化RNA的延伸。,60,(三)链的延伸,在RNA聚合酶四聚体,核心酶,的催化下进行。,RNA聚合酶同时具有,解,开DNA双链，并使其重新,闭合,的功能。,随着,RNA,的延伸，,RNA,聚合酶使,DNA,双链不断,解开和重新闭合。,RNA,转录泡也不断前移，合成新的,RNA,链,61,(四)链的终止,实际上在原核生物中，,RNA,的转录、蛋白质的合成以及,mRNA,的降解通常可以是同时进行的。,依赖因子的终止；不依赖因子的终止。,当RNA链延伸遇到,终止信号,时，RNA转录复合体就发生解体，而使新合成的RNA链释放出来。,现在发现在大肠杆菌中有,二类终止信号,：,62,四、真核生物RNA的转录及加工,63,（一）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、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。,64,(二)mRNA的加工,1、在mRNA前体的5端加上7甲基鸟嘌呤核苷的帽子(cap)。,2、在mRNA前体的3端加上聚腺苷酸(poly(A)的尾巴。,3、如果基因中存在,不编码的内含子序列,，要进行剪接，将其切除。,5端戴帽；,3端加尾；,内含子剪切。,65,66,第六节 遗传密码与蛋白质的翻译,66,67,一、三联体密码：,67,68,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关系。,1,4,1,=4种,；差16种氨基酸,2,4,2,=16种,；比现存的20种氨基酸还差4种,3,4,3,=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：,一个氨基酸由一个或一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3个一组的核苷酸。,68,69,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,，已全部完成了这套遗传密码的字典，如UGG色氨基酸。,二、三联体密码的翻译：,69,70,遗传密码字典,70,71,1简并性：,简并现象；,色氨酸(UGG)和甲硫氨酸(AUG)例外，仅一个三,联体密码。,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。,第1个和第2个碱基的重要性大于第3个碱基。,例如：脯氨酸（pro）：CCU、CCA、CCC、CCG。,简并现象的意义：（生物遗传的稳定性）,同义的密码子越多，生物遗传的稳定性也越大,。,如：UCUUCC或UCA或UCG，均为丝氨酸。,三、遗传密码的基本特征,71,72,2无逗号：,AUG,GUA,CUG,UCA,甲硫氨酸 缬 亮 丝,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，不漏不重复。,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(称为移码突变)。,AUG,UAC,UGU,CA,甲硫氨酸,酪氨酸 半胱氨酸,3不重叠：,在多核酸链上任何两个相邻的密码子不共用一个碱基，均以3个一组的形成氨基酸密码。,72,73,4通用性：,在整个生物界中，从病毒到人类，,遗传密码都,是通用的,。,构成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,1980年以来发现：,具有自我复制能力的线粒体tRNA(转移核糖核酸)在阅读个别密码子时有不同的翻译方式(尚不清楚)。,如：酵母、链孢霉与哺乳动物的线粒体。,73,74,终止信号,74,U,C,A,U,G,A,U,U,A,mRNA,细胞质,A,G,T,A,C,T,A,A,T,细胞核,核孔,1.翻译:在细胞质中的各种氨基酸，以mRNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。,遗传信息的翻译,75,翻译过程,核糖体,20种氨基酸,mRNA,tRNA,碱基互补配对原则,多肽链,场 所：,原 料：,模 板：,转运工具：,原 则：,产 物：,76,翻译起始,77,多肽链的延伸,78,多肽链的终止,79,80,中心法则及其发展,80,中心法则及其发展(pp63-64),中心法则(central dogma)阐述生物世代、个体以及从遗传物质到性状的遗传信息流向，即遗传信息在遗传物质复制、性状表现过程中的,信息流向,。,最初由Crick提出，并经过了多次修正。,81,81,82,新发现：,RNA,肿瘤病毒及艾滋病病素：,反转录酶，以RNA为模板来合成DNA。,增加中心法则中遗传信息的原有流向，丰富了中心法则内容。,另外，大部分RNA病毒还可以把,RNA,直接复制成RNA。,反转录：,对于遗传工程上基因的酶促合成、以及致癌极理的研究都,有重要的作用。,如：,HIV,病毒,RNA,经反转录成DNA，然后整合到人类染色体中。,82,中心法则的发展,反转录(逆转录)：,反转录酶；,cDNA。,RNA的自我复制。,DNA指导蛋白质合成。,83,DN,A,RNA,蛋白质,83,第七节 现代分子遗传学关于基因的概念,(一)、现代基因概念,基因是DNA分子上带有遗传信息的特定核苷酸序列区段,基因由重组子、突变子序列构成,重组子是DNA重组的最小可交换单位,突变子是基因突变的最小单位,重组子和突变子都是一个核苷酸对或碱基对(bp),基因(决定某一性状表现),可以包含多个功能单位(顺反子),84,(二)、基因的功能类型,根据基因的原初功能可以将基因分为：,1.编码蛋白质的基因，即有翻译产物的基因,如结构蛋白、酶等,结构基因,和产生调节蛋白的,调节基因,2.没有翻译产物，不产生蛋白质的基因,转录产物RNA不翻译，如编码tRNA、rRNA,3.不转录的DNA区段,如启动基因、操纵基因。启动基因是转录时RNA多聚酶与DNA结合的部位。操纵基因是阻遏蛋白、激活蛋白与DNA结合的部位,85,(三)、基因的几种特殊形式,1.重复基因：,指在染色体组上存在,多份拷贝,的基因，往往是生命活动中最基本、最重要的基因,最典型的重复基因是rRNA、tRNA和组蛋白基因等,2.重叠基因：,同一段DNA序列，由于阅读框架(转录范围)不同，同时成为两个或两个以上基因的组成部分,因此基因在染色体上可能有重叠，甚至一个基因完全存在于另一个基因内部,86,3.断裂基因或隔裂基因,早期分子遗传认为基因是一个连续的、完整的结构,1977年Doel研究表明：卵清蛋白基因中间存在,不表达的碱基序列,，表明基因的DNA序列可能是不连续的,外显子：参加蛋白质编码的DNA片段,内含子：不参加蛋白质编码的DNA片段,真核生物基因可能是不同外显子的组合断裂基因,87,4.跳跃基因(jumping gene),早期分子遗传学还认为：,基因在染色体上的相对位置是固定的,转座子(transposon)、转座因子、转位因子(transposable element),某些DNA序列可以在染色体上转变位置,转座子转位的过程也是一个遗传重组过程,88,学习目标,重点 掌握基因的概念及其发展状况；,掌握 DNA和RNA的分子结构、DNA复制、遗传密码、DNA的转录、转译和蛋白质的生物合成。,89,本章结束，谢谢！,90,