遗传物质的分子基础.ppt

生气是拿别人做错的事来惩罚自己。Chapter 3 Foundation of genetic substance西南大学生命科学学院西南大学生命科学学院西南大学生命科学学院西南大学生命科学学院第一节第一节DNA作为主要遗传物质的证据作为主要遗传物质的证据第二节第二节核酸的化学结构与核酸的化学结构与DNA复制复制第三节遗传密码与蛋白质合成第三节遗传密码与蛋白质合成第四节第四节基因的概念与发展基因的概念与发展第五节第五节RNA转录与加工转录与加工基因存在于染色体上基因存在于染色体上真核生物的染色体是核酸和蛋白质的复合物真核生物的染色体是核酸和蛋白质的复合物第一节第一节DNA作为主要遗传物质的证据作为主要遗传物质的证据1.核酸核酸:DNA（约占（约占27%）RNA（约占（约占6%）2.蛋白质蛋白质（占（占66%）：组蛋白和非组蛋白组蛋白和非组蛋白分子遗传学已经证明分子遗传学已经证明：DNADNA是主要的遗传物质，而在某些不含是主要的遗传物质，而在某些不含DNADNA的病毒中，的病毒中，RNARNA就是遗传物质就是遗传物质。1.DNA含量恒定性含量恒定性2.DNA代谢稳定性代谢稳定性3.DNA是所有生物染色体所共有的是所有生物染色体所共有的4.UV诱发生物突变最有效波长是诱发生物突变最有效波长是260nm，与，与DNA所吸收的所吸收的UV光谱是一致的光谱是一致的(一一)DNA作为主要遗传物质的间接证据作为主要遗传物质的间接证据材料：材料：R型肺炎双球菌，粗糙型无毒型肺炎双球菌，粗糙型无毒S型肺炎双球菌，光滑型有毒型肺炎双球菌，光滑型有毒方法：方法：a.先将少量无毒先将少量无毒R注入到家鼠中注入到家鼠中b.再将大量有毒再将大量有毒S(65加热杀死加热杀死)注入到同一家鼠中注入到同一家鼠中结果结果:家鼠死掉家鼠死掉,从死鼠中分离出的肺炎双球菌全是从死鼠中分离出的肺炎双球菌全是S型。型。(二二)DNA作为主要遗传物质的直接证据作为主要遗传物质的直接证据推测推测:加热杀死的加热杀死的S型肺炎球菌中一定有某种特殊的生物分子或遗传物型肺炎球菌中一定有某种特殊的生物分子或遗传物质，可以使无害的质，可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌型肺炎球菌1.细菌的转化：细菌的转化：Griffith的试验（的试验（1928）Avery（1944）证明以上活性物质是）证明以上活性物质是DNA证据：此物质不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酸酶（证据：此物质不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酸酶（Rnase）的影响，而只能）的影响，而只能被被DNA酶所破坏。酶所破坏。用用32P标记标记T2噬菌体的噬菌体的DNA35S标记标记T2噬菌体的蛋白质噬菌体的蛋白质分别感染大肠杆菌分别感染大肠杆菌10min后用搅拌器甩掉附着后用搅拌器甩掉附着于细胞外面的噬菌体外壳于细胞外面的噬菌体外壳2.噬噬菌菌体体侵侵染染与与繁繁殖殖A.全部放射性活动全部放射性活动(32P)见于细菌内见于细菌内放射性传递给放射性传递给子代子代B.放射性放射性(35S)大部分见于被甩掉的外壳中大部分见于被甩掉的外壳中放射性不传递给放射性不传递给子代子代结结论：论：DNA是是遗遗传传物物质质观察到：观察到：3.烟草花叶病毒烟草花叶病毒(TMV)的感染和繁殖：的感染和繁殖：(一一)两种核酸及其分布两种核酸及其分布核酸的构成单元核酸的构成单元:核苷酸核苷酸核苷酸构成：戊糖、磷酸和含氮碱基核苷酸构成：戊糖、磷酸和含氮碱基核酸有两种：核酸有两种：DNA和和RNA第二节第二节核酸的化学结构与自我复制核酸的化学结构与自我复制戊糖戊糖碱基碱基DNA脱氧核糖脱氧核糖腺嘌呤腺嘌呤(A)、鸟嘌呤、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T)RNA核糖核糖腺嘌呤腺嘌呤(A)、鸟嘌呤、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶胞嘧啶(C)、尿嘧啶尿嘧啶(U)DNA：细胞核的染色体上；：细胞核的染色体上；RNA：细胞质中及细胞核的核仁上：细胞质中及细胞核的核仁上(二二)DNA与与RNA的分子结构的分子结构:DNA分子是脱氧分子是脱氧核甘酸的多聚体核甘酸的多聚体脱氧腺嘌呤核甘酸脱氧腺嘌呤核甘酸脱氧胸腺嘧啶核甘酸脱氧胸腺嘧啶核甘酸脱氧鸟嘌呤核甘酸脱氧鸟嘌呤核甘酸脱氧胞嘧啶核甘酸脱氧胞嘧啶核甘酸DNA的两条多核苷酸链绕共同的螺旋轴的两条多核苷酸链绕共同的螺旋轴盘旋盘旋一条链为一条链为35走向，另一条链为走向，另一条链为53走向，呈反向平行走向，呈反向平行磷酸与戊糖在链上交替排列磷酸与戊糖在链上交替排列碱基分布在链内侧碱基分布在链内侧链间通过互补碱基形成氢键链间通过互补碱基形成氢键(A与与T以以2个个氢键相连，氢键相连，G与与C以以3个氢键相连个氢键相连)模型要点：模型要点：氢键断裂氢键断裂解解旋旋合成其互补链合成其互补链互补链与对应的模板链互补链与对应的模板链构成子代构成子代DNA分子分子(三三)DNA与与RNA在活体内的自我复制在活体内的自我复制1.半保留复制半保留复制:复制原点：是复制原点：是DNA分子上开始复制的特定位点分子上开始复制的特定位点复制叉：复制正在发生的位点复制叉：复制正在发生的位点DNA复制可单向进行，也可双向进行复制可单向进行，也可双向进行!双链环状双链环状DNADNA分子多以分子多以“”方式进行复方式进行复制制DNA复制是在复制是在DNA聚合酶（聚合酶（、）及）及蛋白质等的严格控制下完成的蛋白质等的严格控制下完成的DNA聚合酶只能沿聚合酶只能沿53方向方向DNA链延长链延长DNADNA复制需要：复制需要：游离核苷酸酶系统引物RNA聚合酶DNA聚合酶DNA连接酶解旋酶单链结合蛋白(SSB)真核生物DNA的复制归纳起来，归纳起来，DNA复制具有以下特点：复制具有以下特点：复制是半保留的。复制是半保留的。复制是在特定部位（复制原点）开始的，原核生物一般只有复制是在特定部位（复制原点）开始的，原核生物一般只有一个复制原点，真核生物有多个复制原点。一个复制原点，真核生物有多个复制原点。复制可单向进行，也可双向进行。复制可单向进行，也可双向进行。复制是半不连续的，两条链都是以复制是半不连续的，两条链都是以5 3方向合成，前导链方向合成，前导链是连续合成的，后随链是不连续合成的。是连续合成的，后随链是不连续合成的。复制开始时需要一段引物复制开始时需要一段引物RNA，在复制进行到一定程度后被，在复制进行到一定程度后被切除，并以一段切除，并以一段DNA代替。代替。复制具有严格的保证复制准确性的机制。复制具有严格的保证复制准确性的机制。RNA病毒中的病毒中的RNA也能自我复制也能自我复制 A.以单链以单链RNA+链链为模板进行复制为模板进行复制B.形成复制类型形成复制类型C.以以-链为模板形链为模板形成新的成新的+链链535335-链复制酶复制酶复制酶复制酶-链355复制酶复制酶 单链噬箘体单链噬箘体RNARNA复制示意图复制示意图ABC+链+链+链+链DNA分子中含有分子中含有A、T、C、G4种碱基，分别代表种碱基，分别代表四种密码符号，如果一个四种密码符号，如果一个DNA分子含有分子含有1000对碱基，对碱基，这四种密码的排列组合就可以有这四种密码的排列组合就可以有41000种形式，可以种形式，可以表达出无限信息。表达出无限信息。DNA分子上的遗传密码通过转录传递给分子上的遗传密码通过转录传递给mRNA，再，再由由mRNA的密码翻译成蛋白质。的密码翻译成蛋白质。*第三节遗传密码与蛋白质合成第三节遗传密码与蛋白质合成碱基与氨基酸两者之间的密码关系是：每三个碱基决定碱基与氨基酸两者之间的密码关系是：每三个碱基决定一种氨基酸，这三个碱基的密码子可能的组合将是一种氨基酸，这三个碱基的密码子可能的组合将是4364种，种，比二十种氨基酸多出四十四种。过剩的密码子，是由于每个特比二十种氨基酸多出四十四种。过剩的密码子，是由于每个特定氨基酸是由一个或二个以上的三联体密码所决定的。定氨基酸是由一个或二个以上的三联体密码所决定的。一个氨基酸由二个以上的三联体密码所决定的现象，称一个氨基酸由二个以上的三联体密码所决定的现象，称为简并。为简并。一、三联体密码一、三联体密码三联体密码的翻译三联体密码的翻译起始密码子和终止密码子：起始密码子和终止密码子：在在64个密码子中，有个密码子中，有3个密码子不编码任何氨基酸，成为肽个密码子不编码任何氨基酸，成为肽链合成的终止信号，即终止密码子或无义密码子：链合成的终止信号，即终止密码子或无义密码子：UAA、UAG、UGA。其余的其余的61个密码子均编码不同的氨基酸，其中个密码子均编码不同的氨基酸，其中AUG既是既是Met的密码子，又是肽链合成的起始信号，为起始密码子。的密码子，又是肽链合成的起始信号，为起始密码子。蛋白质是担当生物体大部分功能的物质。蛋白质是担当生物体大部分功能的物质。主导肌肉、皮肤、消化器官、消主导肌肉、皮肤、消化器官、消化液、血管、血液、头发、酶、抗体、神经器官、脑等生命现象的所有器化液、血管、血液、头发、酶、抗体、神经器官、脑等生命现象的所有器官和物质，都是由蛋白质组成的。蛋白质是由多个氨基酸的结合组成的。官和物质，都是由蛋白质组成的。蛋白质是由多个氨基酸的结合组成的。二、二、DNA与蛋白质的合成与蛋白质的合成蛋白质的合成：蛋白质的合成：即即DNA的碱基序列决定氨基酸序列的过程。包括：遗传密的碱基序列决定氨基酸序列的过程。包括：遗传密码的码的转录转录transcription）和翻译（）和翻译（translation）。转录转录：即合成即合成RNA的过程。在细胞核内，的过程。在细胞核内，以以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配的一条链为模板，按照碱基互补配对的原则合成对的原则合成RNA的过程。的过程。RNA的合成的合成(转录转录)：翻译：翻译：以以mRNA为模板，合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程为模板，合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。（一）、（一）、mRNAtRNA和和rRNA一条一条mRNA链可编码多个多肽链，称为多顺反子的链可编码多个多肽链，称为多顺反子的mRNA。原核生物原核生物mRNA:真核生物真核生物mRNA：一条一条mRNA链只能编码一个多肽链，称为单顺反子的链只能编码一个多肽链，称为单顺反子的mRNA。1.mRNA功能功能:(1)转录遗传信息转录遗传信息(2)将携带的遗传信息翻译成蛋白质将携带的遗传信息翻译成蛋白质.编码区编码区:mRNA上能够编码一条多肽链合成的区段上能够编码一条多肽链合成的区段.编码区的起始密码子必定是编码区的起始密码子必定是AUG，终止密码子必定是，终止密码子必定是UAA或或UAG或或UGA。2、tRNA氨基酸与氨基酸与mRNA的碱基间缺乏特殊的碱基间缺乏特殊的亲和力的亲和力,tRNA将氨基酸搬运到核糖体将氨基酸搬运到核糖体上上,它能根据它能根据mRNA的遗传密码依次准的遗传密码依次准确地将它携带的氨基酸联结成多肽链确地将它携带的氨基酸联结成多肽链.3、rRNA:是组成核糖体的主要成分是组成核糖体的主要成分,核糖体是合成蛋白质的中心核糖体是合成蛋白质的中心,rRNA与核糖体蛋白与核糖体蛋白质结合在一起质结合在一起,形成核糖体形成核糖体.rRNA是单链是单链,有广泛的双链区域形成发夹式结构有广泛的双链区域形成发夹式结构.核糖体是合成蛋白质的场所核糖体是合成蛋白质的场所1.核糖体的存在部位核糖体的存在部位:原核生物的核糖体存在于细胞质中；原核生物的核糖体存在于细胞质中；真核生物的核糖体一部分在细胞质中呈游离状态，另一部真核生物的核糖体一部分在细胞质中呈游离状态，另一部分与内质网结合，形成粗面内质网。分与内质网结合，形成粗面内质网。线粒体和叶绿体中也有核糖体线粒体和叶绿体中也有核糖体三、核糖体三、核糖体2.核糖体的组成核糖体的组成核糖体亚基核糖体亚基rRNA蛋白质蛋白质原核生物原核生物30S16S21种50S23S34种5S真核生物真核生物40S18S30-32种60S28S5.8S36-50种5SmRNA结合部位：结合部位：大小亚基之间存在一条细沟，用于接纳大小亚基之间存在一条细沟，用于接纳mRNA；小亚基的；小亚基的16SrRNA可可以与以与mRNA相互作用，从而参与相互作用，从而参与mRNA与核糖体的结合。与核糖体的结合。转运转运RNARNA丝氨酸丝氨酸丙氨酸丙氨酸CUC谷氨酸谷氨酸亮氨酸AAC亮氨酸肽键肽键GAGUCUUUGGCUmRNAA AGAAATGTTCTTTCACG蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸核糖体核糖体转录转录GAAAAAGGUGAAAAAGGUGAAAAAGGUGAAAAAGGUGAAAAAGGUAAGAAATGTTCTTTCACGGAAAAAGGUAUC蛋白质蛋白质mRNA氨基酸氨基酸核糖体核糖体翻译翻译UUCUUCUUCUUCUUCUUCAAGAAATGTTCTTTCACGAUCUUC蛋白质蛋白质mRNA氨基酸氨基酸GAAAAAGGU核糖体核糖体翻译翻译UUUUUUUUUUUUDNA（基因）逆转录翻译转录蛋白质（性状）RNADNA蛋白质蛋白质性状的关系性状的关系DNA的多样性蛋白质的多样性生物界的多样性决定导致根本原因直接原因/物质基础表现形式中心法则及其发展中心法则及其发展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，然后整合到人类染色，然后整合到人类染色体中。体中。对于遗传工程上基因的酶促合成、致癌机理研究有重要对于遗传工程上基因的酶促合成、致癌机理研究有重要作用。作用。增加中心法则中遗传信息的流向，丰富了中心法则内容。增加中心法则中遗传信息的流向，丰富了中心法则内容。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）：）：试验体系中加入抗生素等，变性的单链试验体系中加入抗生素等，变性的单链DNA在离体条件在离体条件下可以直接与核糖体结合，指导蛋白质的合成。下可以直接与核糖体结合，指导蛋白质的合成。第四节第四节基因的概念基因的概念一、基因的概念及其发展染色体一、基因的概念及其发展染色体DNA基因基因（一）经典遗传学关于基因的概念（一）经典遗传学关于基因的概念孟德尔孟德尔提出遗传因子提出遗传因子萨顿和鲍维里萨顿和鲍维里提出遗传因子存在于染色体上提出遗传因子存在于染色体上约翰生约翰生用用“基因基因”一词代替遗传因子一词代替遗传因子摩尔根等摩尔根等证明遗传因子就在染色体上，呈直线排列证明遗传因子就在染色体上，呈直线排列经典遗传学认为基因具有下列共性：经典遗传学认为基因具有下列共性：1.基因具有染色体的主要特性基因具有染色体的主要特性2.基因在染色体上占有一定位置，是交换的最小单位基因在染色体上占有一定位置，是交换的最小单位3.基因是以一个整体进行突变，是一个突变单位基因是以一个整体进行突变，是一个突变单位4.基因是一个功能单位基因是一个功能单位 经典遗传学对基因的概念经典遗传学对基因的概念是控制生物性状的遗传物质的功能和结构单位是控制生物性状的遗传物质的功能和结构单位,是有遗传效应的是有遗传效应的DNA片段。片段。（二）分子遗传学关于基因的概念（二）分子遗传学关于基因的概念1基因是基因是DNA的片断的片断2基因并不是最小的结构单位基因并不是最小的结构单位.基因内部具有一定的结构，可以区分为基因内部具有一定的结构，可以区分为突变子、重组子和顺反子突变子、重组子和顺反子三个三个不同单位。不同单位。DNA分子上的一个碱基变化可以引起基因突变，因此可以看成是一个分子上的一个碱基变化可以引起基因突变，因此可以看成是一个突变子突变子；一对核苷酸之间可以发生重组，可以看成是一个一对核苷酸之间可以发生重组，可以看成是一个重组子重组子；一个顺反子是具有特定功能的一段核苷酸序列，作为功能单位的基因应该是一个顺反子是具有特定功能的一段核苷酸序列，作为功能单位的基因应该是顺顺反子反子。分子分子遗传学学对基因的概念基因的概念:基因是有基因是有遗传效效应的的DNA片段，片段，经过转录和翻和翻译能合成一条完整的多能合成一条完整的多肽链。(三三)、基因的几种特殊形式基因的几种特殊形式1.重复基因：重复基因：指在染色体组上存在多份拷贝的基因。重复基因往往是生命活动中指在染色体组上存在多份拷贝的基因。重复基因往往是生命活动中最基本、最重要的功能相关的基因。最基本、最重要的功能相关的基因。最典型的重复基因是最典型的重复基因是rRNA、tRNA和组蛋白基因等。和组蛋白基因等。2.重叠基因：重叠基因：同一段同一段DNA序列，由于阅读框架序列，由于阅读框架(转录范围转录范围)不同，同时成为两个或两不同，同时成为两个或两个以上基因的组成部分。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。基因内部。3、断裂基因或隔裂基因：、断裂基因或隔裂基因：生物遗传和早期分子遗传认为基因是一个连续的、完整的结构。生物遗传和早期分子遗传认为基因是一个连续的、完整的结构。1977年年Doel研究表明：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。序列可能是不连续的。外显子：参加蛋白质编码的外显子：参加蛋白质编码的DNA片段；片段；内含子：不参加蛋白质编码的内含子：不参加蛋白质编码的DNA片段。片段。真核生物基因可能是不同外显子的组合真核生物基因可能是不同外显子的组合断裂基因。断裂基因。