遗传学第二章遗传物质的分子基础

遗传学第二章遗传物质的分子基础2.1DNA作为主要遗传物质的证据2.1.1染色体组成2.1.2遗传物质必须具备的条件2.1.3DNA是遗传物质的间接证据2.1.4DNA是遗传物质的直接证据细菌转化试验噬菌体侵染与繁殖试验烟草花叶病毒拆合实验

(RNA也可作为遗传物质）第2页,共77页，2024年2月25日，星期天2.1.1染色体组成:不同生物或同种生物不同组织的细胞中染色体各成份的含量是有差异的。染色体DNAProRNA非组蛋白组蛋白如：豌豆染色体DNA：组蛋白≈1：1DNA:非组蛋白≈1：0.2DNA:RNA≈1:0.25大鼠肝细胞染色体DNA∶组蛋白≈1∶1DNA∶RNA≈1∶0.1DNA∶非组蛋白≈1∶0.6第3页,共77页，2024年2月25日，星期天普遍性具有世代延续性具有相对稳定性具有可塑性和多样性2.1.2遗传物质必须具备的条件第4页,共77页，2024年2月25日，星期天2.1.3DNA是遗传物质的间接证据DNA普遍存在于生物体内且含量恒定。配子中DNA的含量恰好是体细胞的一半。DNA能自我复制，具有世代的延续性。DNA在代谢上较稳定。DNA结构的变化与突变具有一致性。第5页,共77页，2024年2月25日，星期天2.1.4DNA是遗传物质的直接证据①肺炎双球菌的转化实验（Griffith.F1928年）第6页,共77页，2024年2月25日，星期天②Avery的转化实验（1944年）说明DNA不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酸酶（RNA酶）的影响，而只能为DNA酶所破坏，首次证明了遗传物质是DNA。第7页,共77页，2024年2月25日，星期天③噬菌体侵染与繁殖试验(Hershey和Chase1952年）再次证明了遗传物质是DNA。第8页,共77页，2024年2月25日，星期天该实验表明在不含DNA的某些病毒中，RNA是遗传物质。④烟草花叶病毒拆合实验(HeinzFraenkel-Conrat和B.Singre，1957)第9页,共77页，2024年2月25日，星期天2.2DNA和RNA的化学结构2.2.1DNA的结构1869年Miescher测定淋巴细胞中蛋白，发现和定名Nuclein核素；1875年提出核素的实验式。Altman建立了制备不含蛋白的核素的方法，并定名为Nucleicacid。Kessel研究了核酸的化学组成，分离出四种碱基。明确提出核酸具有含氮碱基(1910年获诺贝尔奖)。1909年Levene.P.A发现酵母的核酸含有核糖，以后他又发现脱氧核糖，正确指出了核酸的糖基组成，核苷、核苷酸的分子结构。第10页,共77页，2024年2月25日，星期天Levene的四核苷酸假说第11页,共77页，2024年2月25日，星期天1950年，Chargaff.E推翻了四核苷酸假说第12页,共77页，2024年2月25日，星期天Chargaff’s定则当量定律：A＋G=T+CDNA碱基组成具有物种特异性，而无组织特异性。第13页,共77页，2024年2月25日，星期天DNA双螺旋结构的发现对DNA双螺旋结构的发现作出重大贡献的四位科学家物理学家FrancisCrick

生物学家JamesWatson物理学家MauriceWilkins化学家RosalindFranklin1962年，诺贝尔生理和医学奖授给了Crick

、Watson和Wilkins三位学者。第14页,共77页，2024年2月25日，星期天Frankeline早期所拍的DNA－结构X光衍射照片1953年，Watson和Crick确立了正确的碱基分子A和T、C和G的配对模型，并从X光照片确认，两条骨架链是反平行的，从而创建了DNA双螺旋结构模型。这一模型，也得到WILkins和Franklin的认可。当年4月25日，《Nature》杂志发表了Crick和Watson的论文，同时也发表了Wilkins和Franklin与他们的合作者分别写的两篇实验结果的论文。DNA双螺旋结构的发现第15页,共77页，2024年2月25日，星期天Watson、Crick的DNA双螺旋模型第16页,共77页，2024年2月25日，星期天第17页,共77页，2024年2月25日，星期天第18页,共77页，2024年2月25日，星期天DNA双螺旋结构第19页,共77页，2024年2月25日，星期天DNA分子双螺旋结构模型要点第20页,共77页，2024年2月25日，星期天第21页,共77页，2024年2月25日，星期天A-DNAB-DNAZ-DNA第22页,共77页，2024年2月25日，星期天2.2.2RNA的化学结构RNA：无分支的线型多聚核苷酸，以3’,5’-磷酸二酯键连接。组成：核糖、磷酸、核苷酸主要包括核苷酸的种类：A、G、C、U第23页,共77页，2024年2月25日，星期天RNA的双螺旋区的结构类似于A-DNA的结构。（互补碱基对通常是G-C、A-U、G-U，占碱基数量的40%-70%）大多数天然的RNA分子是以一条单链形式存在的，但在生理条件下，RNA分子也可以通过自身回折、链内互补碱基配对形成双螺旋区和非配对顺序形成的环状结构等空间排布。臂环分为发卡环、膨胀环、内环、多分支环。第24页,共77页，2024年2月25日，星期天第25页,共77页，2024年2月25日，星期天大肠杆菌16SrRNA的二级结构tRNA的二级结构

第26页,共77页，2024年2月25日，星期天DNA复制的一般特点原核生物的DNA复制真核生物DNA复制RNA的复制2.3DNA的复制第27页,共77页，2024年2月25日，星期天2.3.1DNA复制的一般特点特点：半保留复制、半不连续复制

复制子复制叉方向：母链3’端开始，子链合成从5’→3’

前/先导链：从母链3’端开始连续合成；复制起点

后滞/随链：从母链5’端开始不连续合成冈崎片段，再由DNA连接酶连接起来。第28页,共77页，2024年2月25日，星期天第29页,共77页，2024年2月25日，星期天2.3.2原核生物的DNA复制第30页,共77页，2024年2月25日，星期天第31页,共77页，2024年2月25日，星期天2.3.3真核生物的DNA复制第32页,共77页，2024年2月25日，星期天真核生物DNA的复制与原核生物的主要差异：1、真核生物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、真核生物有2种不同的DNA聚合酶分别控制前导链（δ）和后滞链(α）的合成；在原核生物中主要由聚合酶III同时控制2条链的合成3、真核生物染色体的复制则为多起点的，原核生物DNA的复制是单起点的4、真核生物所需的RNA引物及合成的“冈崎片段”的长度比原核生物要短5、核小体的复制：组蛋白八聚体则以全保留的方式传递给子代分子6、真核生物染色体端粒的复制：原核生物的染色体大多数为环状第33页,共77页，2024年2月25日，星期天2.3.4RNA的自我复制第34页,共77页，2024年2月25日，星期天2.4.1RNA分子的种类信使RNA：

messengerRNA简称

mRNA转运RNA：

transferRNA简称

tRNA核糖体RNA：ribosomeRNA简称

rRNA

RNA的种类2.4RNA的转录与加工第35页,共77页，2024年2月25日，星期天1.mRNA的结构与功能结构：只有一级结构。

（单链线性结构）功能：传递遗传信息。（DNAmRNA；

mRNA蛋白质）

转录翻译第36页,共77页，2024年2月25日，星期天第37页,共77页，2024年2月25日，星期天2.tRNA的结构与功能结构：有二级、三级结构二级结构：三叶草三级结构：倒“L”型功能：转运各种氨基酸第38页,共77页，2024年2月25日，星期天tRNA的二级结构tRNA三级结构

D环

TΨC环

反密码子环

可变环

氨基酸接收茎

mRNA

CUU

Phe

3’5’

第39页,共77页，2024年2月25日，星期天3.rRNA的结构与功能结构：有二级、三级结构二级结构：复杂的茎环结构三级结构：与蛋白质形成三维结构功能：与核糖体蛋白复合形成核糖体,进而构建蛋白质合成的场所第40页,共77页，2024年2月25日，星期天rRNA的二级结构rRNA三级结构第41页,共77页，2024年2月25日，星期天

核糖体(rRNA)

tRNA

mRNA各种RNA之间的联系第42页,共77页，2024年2月25日，星期天特点：以一条链为模板（模板链）进行不对称转录，另一条链为编码链方向：从母链3’端开始，子链从5’→3’连续合成2.4.2RNA合成的一般特点第43页,共77页，2024年2月25日，星期天模板链编码链第44页,共77页，2024年2月25日，星期天RNA合成与DNA合成的差异：1、RNA合成不需要引物；DNA合成一定要引物的引导2、RNA合成所用原料为核苷三磷酸；在DNA合成时为脱氧核苷三磷酸3、RNA合成只需一条DNA链被用作模板；DNA合成时，两条链分别用作模板4、RNA链的合成与DNA链的合成同样，也是从5’→3’端，但由RNA聚合酶催化5、RNA合成的速度比DNA慢得多，一般每秒只有40个核苷酸左右，而DNA复制时每秒可达上千个核苷酸第45页,共77页，2024年2月25日，星期天

2.4.3原核生物的转录起始位点的识别

σ因子（转录因子）与核心酶结合再识别启动基因转录起始全酶（核心酶＋σ因子）识别DNA链上的启动子并与之结合→DNA双螺旋部分解链→全酶移至转录起点→转录开始，σ因子释放链的延伸

核心酶沿DNA链移动→DNA链继续解旋→按模版上的碱基顺序加入互补核糖核酸（5’→3’）合成RNA转录终止核心酶到达终止子（或终止因子ρ赶上并与核心酶结合）→核心酶、RNA链和模版DNA分离→转录终止转录后加工

RNA前体经过剪切、拼接、核苷修饰后形成成熟RNA第46页,共77页，2024年2月25日，星期天大肠杆菌RNA聚合酶与DNA的相互作用

第47页,共77页，2024年2月25日，星期天RNA聚合酶与启动子的结合模式图第48页,共77页，2024年2月25日，星期天RNA链的延伸RNA合成形成的转录泡第49页,共77页，2024年2月25日，星期天1、不依赖ρ因子的终止子（简单终止子）①位于RNA

3’端之前15-20核苷酸处的DNA序列具有双重对称性。

双重对称的意义在于其转录本能形成发夹结构。体外实验显示，如果掺入其他碱基以阻止发夹形成时，终止即不发生。通常只要有一个核苷酸的改变破坏了规则的双螺旋的茎时，即可破坏终止子的功能。RNA链的终止第50页,共77页，2024年2月25日，星期天

DNA

5'-CCCAGCCCGCTCTAATGAGCGGGCTTTTTTTGAACAAAA-3'

3'-GGGTCGGGCGAGATTACTCGCCCGAAAAAAACTTGTTTT-5'

RNA5'-CCCAGCCCGCUCUAAUGAGCGGGCUUUUUUU-OH3'

←───双重对称──→第51页,共77页，2024年2月25日，星期天②DNA模板中有一串约6个A，转录为RNA3’端的U。对终止子突变的分析亦显示DNA模板上多聚dA顺序的重要性。如将此序列中的一个碱基换掉，或除去部分序列都可使终止子失活。终止原因：终止子的前半部过早地和RNA-DNA杂交双链部分退火（双链→单链），仅剩下多聚U序列和模板链杂交。而这样一段由几个U和几个A形成的RNA-DNA杂交双链很不稳定（A=U,GC），于是新生RNA链将很快从DNA双链中被排除出来。第52页,共77页，2024年2月25日，星期天（a）RNA聚合酶恰好完成富含U的RNA链的合成；（b）RNA-RNA链内互补形成发卡结构破坏了一部分RNA-DNA杂交链，仅留下多聚U与多聚A的一段杂交链；（c）多聚U与多聚A杂交不稳定，易解离，转录产物即RNA被释放。

RNA合成时形成的发夹终止结构第53页,共77页，2024年2月25日，星期天2、依赖ρ因子的终止子

依赖ρ的终止子没有不依赖ρ的终止子特有的多聚A序列，并且也不是都能形成稳定的发夹。现在还不清楚ρ因子的作用机制：第54页,共77页，2024年2月25日，星期天原核生物——边转录边合成Pro，无转录后加工原核生物的转录和翻译第55页,共77页，2024年2月25日，星期天与原核生物RNA的合成的差异：1.原核生物的转录在细胞质内进行，而真核生物的转录则在细胞核内进行2.原核生物的1个mRNA分子通常含有多个基因；而除少数较低等真核生物外，真核生物1个mRNA分子一般只编码1个基因3.原核生物只有1种RNA聚合酶催化所有RNA的合成；真核生物中则有3种RNA聚合酶分别催化不同种类型RNA的合成；原核生物RNA聚合酶直接起始转录，真核生物3种RNA聚合酶都需要启动蛋白的协助才能进行转录4.原核生物启动子结构简单，真核生物的启动子结构复杂2.4.4真核生物RNA的转录与加工第56页,共77页，2024年2月25日，星期天真核生物RNA的加工：

1.hnRNA的加工剪接

2.mRNA的加帽和甲基化

3.mRNA的加尾

4.mRNA的转运第57页,共77页，2024年2月25日，星期天`m7Gppp鸟苷酸转移酶RNA的加帽第58页,共77页，2024年2月25日，星期天AAUAAA：★准确切割★加poly（A）RNA的加尾第59页,共77页，2024年2月25日，星期天RNA的剪接(GT-AG法则)GTAGGTAG剪除外显子，拼接内含子第60页,共77页，2024年2月25日，星期天RNA的加工第61页,共77页，2024年2月25日，星期天真核细胞遗传信息流动第62页,共77页，2024年2月25日，星期天2.5遗传密码与蛋白质的翻译遗传密码——DNA分子中核苷酸的排列顺序与蛋白质中氨基酸排列顺序之间的对应关系。遗传密码是由三个连续碱基组成的，因此也叫三联体密码。遗传密码的特点具有起始密码子和终止密码子简并性连续可读性和不重叠性普遍通用性

AUG（Met）起始密码

UUG（Leu）

GUG（Val）UAA

终止密码

UAGUGAUAA、UAG、UGA也可能编码硒半胱氨酸或吡咯赖氨酸。2.5.1遗传密码第63页,共77页，2024年2月25日，星期天遗传密码表第64页,共77页，2024年2月25日，星期天遗传密码通用性的例外情况第65页,共77页，2024年2月25日，星期天合成场所：核糖体合成酶：氨酰tRNA合成酶合成体系(合成起始、肽链延伸、翻译终止）合成后的加工与修饰（肽链中AA残基的化学修饰；N端部分AA的切除：如信号肽的切除；切除前体中功能不需要的肽段；二硫键的形成；肽链的折叠等）合成后的贮存、转运与功能行使2.5.2蛋白质的合成第66页,共77页，2024年2月25日，星期天核糖体：蛋白质翻译的场所第67页,共77页，2024年2月25日，星期天肽链合成的起始

（原核生物）①fMet与tRNA结合（氨酰tRNA合成酶）形成fMet-tRNA。

（真核生物首先活化的氨基酸为Met）②在起始因子IF1和IF3的作用下，mRNA与核糖体30S小亚基结合③在起始因子IF2和GTP的作用下，fMet-tRNA和mRNA再结合，fMet-tRNA与起始密码互补配对。④上述复合物再与50S大亚基结合，GTP水解并解离，起始因子释放，形成