第八章-遗传的分子基础.pdf

第八章遗传的分子基础 第一节核酸是遗传物质第一节核酸是遗传物质 1含量：含量：DNA含量恒定。体细胞含量恒定。体细胞DNA含量是配子含量是配子DNA的一倍；的一倍；多倍体多倍体DNA含量倍增。含量倍增。一、遗传物质是一、遗传物质是DNA的间接证据：的间接证据：2代谢：代谢：利用放射性与非放射性元素进行标记，发现：利用放射性与非放射性元素进行标记，发现：DNA分分子代谢较稳定；其它分子一边形成、同时又一边分解。子代谢较稳定；其它分子一边形成、同时又一边分解。3突变：突变：能改变能改变DNA结构的化学物质都能引起基因的突变。结构的化学物质都能引起基因的突变。4分布：分布：DNA是所有生物染色体所共有：是所有生物染色体所共有：噬菌体、病毒、植物、人类等。噬菌体、病毒、植物、人类等。而蛋白质则不同：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噬菌体、病毒、细菌的蛋白质一般不存在于染色体上，而色体上，而真核生物染色体中有核蛋白真核生物染色体中有核蛋白组成。二、遗传物质是二、遗传物质是DNA的直接证据发现的直接证据发现 1细菌的转化：细菌的转化：肺炎双球菌肺炎双球菌 特征特征 抗原型（稳定）抗原型（稳定）粗糙型粗糙型(R)无荚膜、粗糙菌落、无荚膜、粗糙菌落、无毒无毒 IR、IIR 光滑型光滑型(S)有荚膜、光滑菌落、有荚膜、光滑菌落、有毒有毒 IS、IIS、IIIS 格里费斯格里费斯(Griffith F.，1928)：肺炎双球菌肺炎双球菌定向转化试验。定向转化试验。阿委瑞阿委瑞(Avery O.T.，1944)试验：试验：用生物化学方法证明这种活性物质是用生物化学方法证明这种活性物质是DNA。S S 杀死细菌杀死细菌 分离提取分离提取 多糖多糖 脂类脂类 RNA RNA 蛋白质蛋白质 DNA DNA+DNase DNA DNA+DNase R R R R R R 不杀死不杀死 不杀死不杀死 不杀死不杀死 不杀死不杀死 可杀死可杀死 不杀死不杀死 小鼠小鼠 小鼠小鼠 小鼠小鼠 小鼠小鼠 小鼠小鼠 小鼠小鼠 R R R R R+S+S R 图图 9-2 O.Avery9-2 O.Avery 等的体外转化实验等的体外转化实验结论：结论：遗传物遗传物质质DNA是转化是转化因子。因子。2噬菌体的感染实验：噬菌体的感染实验：赫尔歇赫尔歇(1952年，年，Hershey A.)等用同位等用同位素素32P和和35S验证验证DNA是遗传物质。是遗传物质。原理：原理：P存在于存在于DNA，而，而 不存于蛋白质；不存于蛋白质；S 存在存在 于蛋白质，不存于于蛋白质，不存于DNA。32P标记标记T2噬菌体；噬菌体；35S标记标记T2噬菌体。噬菌体。3.RNA也是遗传物质 1956年A.Gierer和G.Schraman发现 烟草花叶病毒（tobacco mosaic virus,TMV），其遗传物质是RNA。TMV的的蛋白质外壳蛋白质外壳和和单螺旋单螺旋RNA接种：接种：TMV蛋白质蛋白质 烟草烟草 不发病；不发病；TMV RNA 烟草烟草 发病发病 新的新的TMV；TMV RNA+RNA酶酶 烟草烟草 不发病。不发病。1957年美国的年美国的Heinz Fraenkel-Conrat和和B.Singre用重建实验证实了这一结论用重建实验证实了这一结论 结论：结论：提供提供RNA的亲本决定了其后代的的亲本决定了其后代的RNA和蛋白质。和蛋白质。在不含在不含DNA的的TMV中，中，RNA就是遗传物质就是遗传物质。第二节第二节 DNA结构结构 一、核酸的种类：一、核酸的种类：1核酸：核酸：以以核苷酸核苷酸为单元构成的多聚体，是一种高分子化合物。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、核糖五碳糖：脱氧核糖、核糖 核苷酸核苷酸 磷酸磷酸 鸟嘌呤、腺嘌呤鸟嘌呤、腺嘌呤 环状的含氮碱基环状的含氮碱基 胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶 DNA 核苷酸 RNA 核苷酸 五碳糖：脱氧核糖五碳糖：脱氧核糖 碱基：碱基：A、T、C、G 五碳糖：核糖五碳糖：核糖 碱基：碱基：A、U、C、G DNA四种脱氧核苷酸 5 3 3 5 二、二、DNA的分子结构：的分子结构：（一）（一）DNA的分子的一级结构：的分子的一级结构：DNA的分子的一级结构是指核苷酸在的分子的一级结构是指核苷酸在DNA分子中的排列顺序。分子中的排列顺序。二、二、DNA的分子结构：的分子结构：（二）、（二）、DNA双螺旋结构：双螺旋结构：1953年，沃森（年，沃森（Watson J.D.）和克里克（和克里克（CrickF.H.C.）提出）提出DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型（double helical structure）。主要依据为：。主要依据为：碱基互补配对的规律碱基互补配对的规律（Chargaffs rules）以及）以及DNA分子的分子的X射线衍射射线衍射（Wilkins and Franklin）。）。Chargaffs rules:A=T,G=C,A+G=T+C 1952年，年，Wilkins和和Franklin用高度定向的用高度定向的DNA纤维作出高质量的纤维作出高质量的X-光衍射照片光衍射照片 1953年，年，Watson和和Crick提出提出DNA的反的反向平行向平行双螺旋双螺旋模型模型 1962年，年，Wilkins、Watson和和Crick共获共获诺贝尔化诺贝尔化学奖。学奖。电子显微镜下的人类电子显微镜下的人类DNA 特点：特点：1.两条互补多核酸链、在同一轴上互相盘旋；两条互补多核酸链、在同一轴上互相盘旋；2.双链具有反向平行的特点；双链具有反向平行的特点；3.碱基配对原则为：碱基配对原则为：A=T、G=C，双螺旋直径约，双螺旋直径约20A，螺距为，螺距为34A(10个碱基对个碱基对)。、DNA构型：构型：B-DNA：生理状态下，每螺圈生理状态下，每螺圈10.4个碱基对，右手螺旋；个碱基对，右手螺旋；A-DNA：高盐浓度下，每螺圈：高盐浓度下，每螺圈11个碱基对，右手螺旋；个碱基对，右手螺旋；Z-DNA：序列富含：序列富含GC，嘌呤和嘧啶交替出现，嘌呤和嘧啶交替出现，每螺圈每螺圈12个碱基对，左手螺旋。个碱基对，左手螺旋。B-DNA A-DNA Z-DNA Z-DNA B-DNA 生物体中绝大多数生物体中绝大多数DNA超螺旋的形式存在。超螺旋的形式存在。超螺旋具有方向性：正超螺旋和负超螺旋。超螺旋具有方向性：正超螺旋和负超螺旋。三、三、RNA分子结构：分子结构：与与DNA的区别的区别 U代替代替T；核糖代替脱氧核糖；核糖代替脱氧核糖；一般以单链存在一般以单链存在。DNA RNA 第三节第三节 DNA的复制的复制 一、一、DNA复制的一般特点：复制的一般特点：、半保留半不连续复制（、半保留半不连续复制（DNA semiconservative and DNA semiconservative and semidiscontinuous replicationsemidiscontinuous replication）：）：1.1.瓦特森瓦特森(Watson J.D.)等提出的等提出的DNA半保留半不连续复制半保留半不连续复制方式。方式。半保留半不连续复制指的是亲代半保留半不连续复制指的是亲代DNADNA分子的两条分子的两条链，在半保留复制过程中，一条链按链，在半保留复制过程中，一条链按55-33端端方向连续合成，另一条链按方向连续合成，另一条链按55-33端方向不连端方向不连续合成，续合成，合成一系列不连续的冈崎片段合成一系列不连续的冈崎片段（Okazaki fragmentOkazaki fragment）。）。DNA的这种复制方式对保持生物遗传的稳定的这种复制方式对保持生物遗传的稳定性是非常重要的。性是非常重要的。半保留复制半保留复制 semiconservative replication 全保留复制全保留复制 conservative replication 分散复制分散复制 dispersive replication 半保留复制半保留复制 semiconservative Replication 全保留复制全保留复制 conservative replication 分散复制分散复制 dispersive replication Meselson-Stahl 实验实验 第第I代代 第第II代代 第第III代代 二、复制起点和复制方向：二、复制起点和复制方向：原核生物原核生物 绝大多数细菌和病毒：只有一个复制起点，为绝大多数细菌和病毒：只有一个复制起点，为双向复制（双向复制（T2T2噬菌体为单向复制）。噬菌体为单向复制）。复制起点复制起点 复制叉复制叉 多复制子多复制子 真核生物线形真核生物线形DNA的复制的复制 真核生物真核生物 每条染色体的每条染色体的DNA复制都是复制都是多起点多起点，多个复，多个复制起点共同控制整个染色体的复制；制起点共同控制整个染色体的复制；为为双向复制双向复制；三、DNA的复制连续性的可能机制 连续复制连续复制 Continuous 半不连续复制半不连续复制 Semidiscontinuous 不连续复制不连续复制 discontinuous 四、DNA 复制是半不连续复制 Okazaki实验证实实验证实DNA 复制是半不连续复制复制是半不连续复制 1)前导链前导链(leading strand)2)滞后链滞后链(trailing strand or lagging strand)3)冈崎片段冈崎片段(okazaki fragment)1)2)3)3.DNA复制的过程复制的过程 1)链的分离链的分离 2)复制的起始复制的起始 3)链的延伸链的延伸 4)复制的终止复制的终止 1).链的分离(strand separation)（1）解旋酶）解旋酶(helicase)：解开螺旋，打开双链；：解开螺旋，打开双链；（2）单链结合蛋白）单链结合蛋白(single-strand-binding protein,SSB)：防止双链重新结合；：防止双链重新结合；（3）拓扑异构酶）拓扑异构酶(topoisomerase)：又叫：又叫DNA促旋酶促旋酶(gyrase)，形成负超螺旋结构，形成负超螺旋结构 Helicase II Rep SSB 2).复制的起始复制的起始(initiation)DNA聚合酶的特点：聚合酶的特点：（1）合成方向只能是）合成方向只能是53，（2）不能独立开始合成，只能延伸引物）不能独立开始合成，只能延伸引物（3）必须由）必须由RNA引物引导，引物由引发体合成引物引导，引物由引发体合成 复制的起始复制的起始(initiation)（1）引物酶）引物酶(primerase)（2）引发体）引发体(primosome)（3）引发体与复制起点发夹结构）引发体与复制起点发夹结构(hairpin)结合结合 primer i n”n N primerase dADP dATP+Pi SSB dnaB-dnaC complex 3).链的延伸(elongation)链的延伸链的延伸(elongation):DNA聚合酶聚合酶全酶全酶 DNA聚合酶聚合酶(DNA polymerase)连接酶连接酶(ligase)4).复制的终止(termination)复制的终止复制的终止(termination)噬菌体线形噬菌体线形DNA复制后立即终止复制后立即终止 E.coli 环形环形DNA复制后两个子复制后两个子DNA相互缠绕相互缠绕 需由拓扑异构酶（如需由拓扑异构酶（如DNA促旋酶）分开。促旋酶）分开。拓扑异构酶拓扑异构酶 第四节第四节 RNA的种类、结构和功能的种类、结构和功能 mRNA:信使信使RNA(messenger RNA)rRNA:核糖体核糖体RNA(ribosomal RNA)tRNA:转运转运RNA(transfer RNA)一、一、mRNA 结构和功能结构和功能 二、二、tRNA 结构和功能结构和功能 三叶草形平面结构三叶草形平面结构 1)反密码子环反密码子环(anticodon loop)2)氨基酸臂氨基酸臂(acceptor stem,amino acid arm)3)双氢尿苷环双氢尿苷环(dihydro U loop,D loop)4)TC环环(TC loop)5)额外环额外环(extra loop)1 2 3 4 5 原核生物原核生物rRNArRNA（3 3种）种）:5S:1205S:120个核苷酸；个核苷酸；16S:154016S:1540个核苷酸；个核苷酸；23S:290023S:2900个核苷酸。个核苷酸。真核生物真核生物rRNArRNA（4 4种）种）:5S:5S:120120个核苷酸；个核苷酸；5.8S:1605.8S:160个核苷酸；个核苷酸；18S:190018S:1900个核苷酸；个核苷酸；28S:470028S:4700个核苷酸。个核苷酸。3.rRNA 结构和功能结构和功能 大肠杆菌大肠杆菌5S rRNA的二级结构模型的二级结构模型 4.遗传密码性质遗传密码性质 1).1).三联体密码子（三联体密码子（triplet triplet codoncodon)三个碱基决定一种氨基酸；三个碱基决定一种氨基酸；5).简并性简并性(degeneracy)氨基酸都有一种以上的三联体密码子氨基酸都有一种以上的三联体密码子(色氨酸色氨酸(UGG)和甲硫氨酸和甲硫氨酸(AUG)除外除外)。4).通用性通用性(univeral):既可用于原核生物，也适合多既可用于原核生物，也适合多数真核生物。数真核生物。2).2).遗传密码无逗号：阅读遗传密码无逗号：阅读mRNAmRNA时是连续的。时是连续的。3)3)遗传密码不重叠：指一个蛋白质中为氨基酸遗传密码不重叠：指一个蛋白质中为氨基酸编码的密码子上的编码的密码子上的3 3个核苷酸只参与编码个核苷酸只参与编码1 1个氨基酸，个氨基酸，核苷酸本身不重叠使用。核苷酸本身不重叠使用。6).6).有起始密码子和终止密码子有起始密码子和终止密码子 U C A G U UUU UUC UUA UUG UCU UCC UCA UCG UAU UAC UAA UAG UGU UGC UGA UGG U C A G C CUU CUC CUA CUG CCU CCC CCA CCG CAU CAC CAA CAG CGU CGC CGA CGG U C A G A AUU AUC AUA AUG ACU ACC ACA ACG AAU AAC AAA AAG AGU AGC AGA AGG U C A G G GUU GUC GUA GUG GCU GCC GCA GCG GAU GAC GAA GAG GGU GGC GGA GGG U C A G Phe Leu Leu Ile Met Val Ala Thr Pro Ser Arg Gly Tyr stop His Gln Asn Lys Asp Glu Ser Arg Cys Trp stop 二二.蛋白质的合成蛋白质的合成、核糖体：、核糖体：、核糖体中合成蛋白质：、核糖体中合成蛋白质：多肽链的起始：多肽链的起始：多肽链的延伸多肽链的延伸 多肽链的终止：多肽链的终止：三、中心法则及其发展三、中心法则及其发展 1中心法则：从噬菌体到真核生物的整个生物界共中心法则：从噬菌体到真核生物的整个生物界共同遵循的规律。同遵循的规律。遗传信息遗传信息DNA mRNA 蛋白质的翻译，以蛋白质的翻译，以及遗传信息从及遗传信息从DNA DNA的复制过程。的复制过程。2中心法则的发展：中心法则的发展：.RNA的反转录的反转录 RNA肿瘤病毒：反转录酶，以肿瘤病毒：反转录酶，以RNA为模板来合成为模板来合成DNA。如：如：HIV病毒病毒RNA经反转录成经反转录成DNA，然后整合到人类染，然后整合到人类染色体中。色体中。.RNA的自我复制：的自我复制：大部分大部分RNA病毒还可以把病毒还可以把RNA直接复制成直接复制成RNA。.DNA指导的蛋白质合成：指导的蛋白质合成：60年代中期，麦克斯（年代中期，麦克斯（McCarthy）和荷勒）和荷勒（Holland）：）：变性的单链变性的单链DNA在离体条件下可以直接与核糖在离体条件下可以直接与核糖体结合，指导蛋白质的合成。体结合，指导蛋白质的合成。四四.基因的概念及其演化基因的概念及其演化 基因概念的演化贯穿于遗传学的发展史基因概念的演化贯穿于遗传学的发展史 孟德尔颗粒遗传因子：孟德尔颗粒遗传因子：1866年，孟德尔提出遗传因年，孟德尔提出遗传因子，指出遗传因子是控制性状的基本单位。子，指出遗传因子是控制性状的基本单位。基因概念的提出：基因概念的提出：1909年约翰逊提出基因概念。年约翰逊提出基因概念。摩尔根染色体遗传学说：摩尔根染色体遗传学说：1910年，摩尔根等人建立年，摩尔根等人建立染色体和基因为主体的经典的遗传学说。染色体和基因为主体的经典的遗传学说。包括：包括：1）基因是决定性状的功能单位，同时也是结）基因是决定性状的功能单位，同时也是结构单位和突变单位。构单位和突变单位。2）染色体是基因的载体。“）染色体是基因的载体。“三三位一体”学说位一体”学说。遗传物质是遗传物质是DNADNA的证明：的证明：19441944年年Avery Avery 证明遗传物质是证明遗传物质是DNADNA；DNADNA的双螺旋结构和半保留复制：的双螺旋结构和半保留复制：19531953年，年，Watson crickWatson crick提出提出DNADNA的双螺旋结构；的双螺旋结构；19581958年年MeseleonMeseleon 半保留复制半保留复制 基因精细结构的分析：基因精细结构的分析：黄曲霉的顺反子实验：基因还可以再分，基因可黄曲霉的顺反子实验：基因还可以再分，基因可以包括不同位点，这些不同位点可以发生突变，不同以包括不同位点，这些不同位点可以发生突变，不同位点间可以发生重组。位点间可以发生重组。萌发萌发 有丝分裂有丝分裂 生活史：生活史：菌丝（）菌丝（）菌丝（）菌丝（）分生孢子（）分生孢子（）分生孢子（）分生孢子（）菌丝菌丝 菌丝菌丝 融合（异核体）融合（异核体）二倍体核（）二倍体核（）菌丝（菌丝（）分生孢子（分生孢子（）菌丝菌丝 顺反子：曲霉菌（顺反子：曲霉菌（spergillus nidulans）（）突变型：腺嘌呤缺陷型（）突变型：腺嘌呤缺陷型 ad16 ad8 实验结果：实验结果：两个缺陷型的杂合体仍然是缺陷型。两个缺陷型的杂合体仍然是缺陷型。说明什么？说明什么？后代中大约出现后代中大约出现0.14%的野生型。的野生型。又说明什么？又说明什么？体细胞交换：体细胞交换：ad16+ad8+ad16+ad16 ad8 +ad8 a b c d ad16+ad16 ad8 +ad8 ad16+ad8 +ad16 ad8 (1)突变型：突变型：ac组合组合（2）野生型：）野生型：bd组合组合（3）突变型：）突变型：ad组合组合（4）野生型：）野生型：bc组合组合 ad16 ad8 +ad16 +ad8 顺式：顺式：反式：反式：有缺陷有缺陷 正常正常 有缺陷有缺陷 有缺陷有缺陷 野生型野生型 突变型突变型 顺反子：顺反子：编码单条多肽链的一个遗编码单条多肽链的一个遗传功能单位，即转录单位。传功能单位，即转录单位。顺反位置效应：顺反位置效应：由于顺反位置差异由于顺反位置差异而造成表现型差异的效应，叫而造成表现型差异的效应，叫。操纵子学说操纵子学说:法国法国Jacob和和Monod提出了操纵子学说。根提出了操纵子学说。根据基因功能把基因分为结构基因、调节基因和据基因功能把基因分为结构基因、调节基因和操纵基因操纵基因 BenzerBenzer 19571957年对年对T4T4噬菌体突变型进行分析，噬菌体突变型进行分析，发现基因是一个作用单位，在基因内部存在着很发现基因是一个作用单位，在基因内部存在着很多可突变和重组的位点。多可突变和重组的位点。中心法则的提出及完善：中心法则的提出及完善：沃森和克里克等人提出的“中心法则”沃森和克里克等人提出的“中心法则”,1970年年Temin以在以在Rous肉瘤病毒内发现逆转录酶肉瘤病毒内发现逆转录酶,这一这一成就进一步发展和完善了“中心法则”。成就进一步发展和完善了“中心法则”。现代基因定义：现代基因定义：基因是DNA分子上的一段核苷酸序列，是功能单位。A B C D E J G H F 2.基因的重叠：X174噬菌体DNA碱基 有重叠现象。具体表现在以下几点：1.重复序列：真核生物中分为单一序列、中度重复序列和高度重复序列。原核生物中只有单一序列的DNA，而没有重复序列的DNA。三联体密码的破译：三联体密码的破译：19671967年年,核酸密码和蛋白质合成联系起来核酸密码和蛋白质合成联系起来。3.基因的不连续性：内含子和外显子，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。A B C D A B C D A B C D B C D A A B C D 4.基因的移动性：基因的移动性：某些某些DNA序列可以在染色体上转变位置，这序列可以在染色体上转变位置，这种现象称为转座，有转座现象的基因称为跳跃种现象称为转座，有转座现象的基因称为跳跃基因，又叫转座因子（基因，又叫转座因子（Transposable elements）。）。