医学]第三章 遗传的分子基础.ppt

第三章 人类遗传的分子基础 、 一 构成人体细胞的化学 成分 (一) 构成人体的无机化合 物 (二) 构成人体的有机化合 物 二 核酸分子结构及其特 点 (一) DNA分子结构及其特 点 (二) RNA分子结构及其特 点 三 遗传密码 四 蛋白质合成 (一) 蛋白质合成模型： (二) 中心法则及其发展 1、构成生物体的无机化合物有哪些?各有什 么作用? 2、构成生物体的有机化合物有哪些?各有什 么作用? 3、构成DNA的四种核糖核苷酸各是什么?各 用什么符号表示? 4、染色质如何组装成染色?经过哪四级结构 ? 5、何谓中心法则 ? 6、中心法则有哪些发展? 思考题 人体是怎样构成的? 人体是由细胞构成的? 细胞是生物的最基本结构和功能单位 细胞是由原生质构成的，原生质是细胞内的生 命物质 构成原生质的化学物质是什么呢？ 100多年前，恩格斯提出“生命是蛋白体的存 在方式” 说明了生命的本质。 糖类 脂类 有机化合物 蛋白 质 核酸 一、构成人体细胞的化学成分 水 无机化合物 无机盐 原生质化学组成 自然界存在93种化学元素（非人造的）, 已在人体中测到其中的41种。其中氧（63.6% ）、碳（18.0%）、氢（10.0%）、氮（3.0%） 4种元素占体重94.6%，其他还有钙、磷、硫、 钾、钠、氯、镁、氟、铁、锌、硅等，上述这 些元素占体重97.93%，其余26种元素只占体重 2.07%以下，有些元素含量极少，但作用重要 ，如钴等。 自然界的一切物质(包括生物)都是化学元 素组成的，化学元素必须组成化合物才有生物 学意义。 无机化合物 生物体细胞原生质化合物 有机化合物 1、水 水是生物体中含量最多的化学成分，细胞中的含 水量为60-90%，可以说没有水就没有生命。 人体的总含水量随年龄、性别而变化。人体各部分 含水量也各不相同。 水在生物体中以结合水和自由水两种形式存在。 随着生物体新陈代谢活动的进行而互相转化。当自 由水的比例上升时，生物体的新陈代谢就旺盛，生长 迅速。当自由水向结合水转化较多时，新陈代谢就缓 慢。 (一)构成人体的无机化合物 水既是细胞结构的重要组成成分 水是细胞内良好的溶剂，细胞内许多生物 化学反应必须有水参加，并时刻与外界进行水 的交换 水对于生命活动有重大的调控作用。 2、无机盐 细胞中含量很少。但有重要作用。是细胞内某些复 杂的化合物的重要组成部分。如，镁是叶绿素分子所必 需的成分，钙、磷是动物和人体的骨、牙齿中的重要成 分。 多数无机盐以离子形式存在于细胞中。Na+、K、Ca2+ 、Mg2+、Fe2+、Fe3+等，含量较多的阴离子有C1、SO42 、PO43、HCO3一 等。存在于体液中 人体内的无机盐必须保持一定的比例，对维 持人体的电解质平衡十分重要。 构成生物体的重要成分，也是细胞的重 要能源物质之一。根据糖类水解后形成的物质 ，糖类可以分为单糖、二糖和多糖等几大类。 (二)构成人体的有机化合物 单糖：葡萄糖、果糖、核糖、脱氧核糖、 半乳糖 糖类 二糖：蔗糖、麦芽糖、乳糖等 多糖：淀粉、纤维素、糖元 (肝糖元、肌糖元) 1、糖类 u葡萄糖是人体内最普遍的单糖，是细胞重 要能源，存在于人体的血液、组织液和细胞 中。 u多糖：由许多单糖分子连接成的，在人体 内起着储存能量和构造身体的作用。人体细 胞能将葡萄糖分子脱水缩合成糖元储存在细 胞内肝细胞（肝糖元）和肌纤维（肌糖元） 中。在人体需要时迅速水解为葡萄糖作为细 胞的能源。 是生物体内储存能量的物质，如动物脂肪 和植物油。脂类主要包括脂肪、类脂和固醇。 脂肪：储存在植物和动物的脂肪细胞中,分 解 甘油 + 脂肪酸。 脂类 类脂：磷脂(卵磷脂和脑磷脂)，绝大多数存 在 于细胞的膜相结构中 固醇：豆固醇(植物)、胆固醇(人体必需)、 雌 性、雄性激素、维生素D等 固醇类激素有调节新陈代谢和生殖过程的 功能。 2、脂类 蛋白质占细胞干重50以上。是生物体的重 要物质 人体中的蛋白质约有7万多种，构成人体重 量45。 蛋白质的基本组成单位是氨基酸。 组成蛋白质的氨基酸大约有20种。 有8种氨基酸是人体不能自己制造，必须从 食物中补充得到的，叫做必需氨基酸。 3、蛋白质 8种必需氨基酸是： 赖氨酸 色氨酸 苯丙氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 苏氨酸 甲硫氨酸 缬氨酸， 它们对于人体的生命活动是不可缺 少的 存在植物、动物、微生物和人类的细胞中 u是生物体具有遗传特性的物质基础 u对生物的发育、繁殖、遗传和变异都有密切的关 系 u核酸对蛋白质的合成有直接关系 u核酸是生命活动的重要的物质基础。 4、核酸 核酸水解 核酸分类 人类核基因组结构非常庞大复杂，基因组DNA总 长度约3109bP(30亿碱基对)，包含约约为3.4 -3.5万个基因，分散分布在23条染色体上。 二、核酸分子结构及其特点 (一) DNA分子结构及其特点 1、DNA 一级结构 DNA一级结构是以四种脱氧核糖核苷 酸（A.T.C.G）通过3，5一磷酸二酯键彼 此连接起来的直线或环形脱氧核糖核苷酸 链。 The structure of DNA DNA 一级结构表示方法之一 DNA一级结构书写方法从5 到3方向 2、 DNA二级结构 右手螺旋结构 （B-DNA） 两条DNA以反向平行方式组成双螺旋结构 1953年华生和克里克发现的 DNA双螺旋模型 DNA双螺旋要点 1双螺旋的每一条链是一条核苷酸长链。每个核苷 酸之间由磷酸二酯键相连接。两条链之间由氢键相连 。配对原则：AT，GC 2两条链的走向方向相反，它们是反向平行的，一 条是53，另一条是35。 3由于GC对有三个氢键，AT对只有两个氢键， 因此富含GC对的DNA比富含AT对的DNA更加稳定。 DNA结构的含义 1该结构预示了DNA复制的一种明显方式 2预示了DNA分子中的核苷酸对的顺序可能决定着蛋白 质中氨基酸的顺序，即可能存有某种类型的遗传密码。 3、DNA双螺旋的其他形式 目前已知有三种不同形式DNA： 1B-form：即Watson-Crick模型，在正常的细胞 生活状态时存在，右手螺旋、碱基的平面对DNA的中 轴是垂直的，DNA分子每转一圈是10.4bp。 2A-form：在高盐或脱水状态时存在，右手螺旋 ，碱基对倾斜并偏离双螺旋中轴，转一圈11bp。 3Z-form：在合成制备的DNA晶体中发现的新构 型，“Z”字骨架，左手螺旋，每转一圈12bp。 Other forms of DNA 1979年A.H.-J.Wang等人发现DNA的左手螺旋结构 三种类型DNA双螺旋的比 较 类 型 螺旋 方向 螺距 (nm) 每圈 bp数 螺旋 直径 骨架走 行 存在条件 A 型 右手 螺旋 2.311变宽平滑体外脱水 B 型 右手 螺旋 3.4102nm平滑 随机DNA生理条 件下 Z 型 左手 螺旋 4.512变窄锯齿型 CG间隔排列区 段 开环型结构 共价闭合环型超螺旋结构 在DNA双螺旋结构的基础 上，DNA还可以形成三级结构， 即双链开环型结构和共价闭合 环型超螺旋结构。 大多数原核生物都是共价闭合环的DNA结构 ，简称CCC分子（cavalently closed circle） 如病毒DNA、噬菌体DNA、细菌结 构DNA，叶绿体DNA，线粒体DNA。 真核生物染色体为线性分子，但DNA均与蛋 白质结合。两个结合点之间形成一个Loop（ 环形）结构，类似与闭合环结构。同样具有 超螺旋结构形式。 u超螺旋有方向性：左旋为正超螺旋，右旋为负 超螺旋形式 u正超螺旋：两股以右旋方向缠绕的螺旋，在外 力往紧缠的方向捻转时，会产生一个左旋的超螺 旋，以解除外力捻转造成的胁变。这样形成的螺 旋为正超螺旋。 u负超螺旋：两股以右旋方向缠绕的螺旋在外力 向松缠的方向捻转时，产生一个右旋的超螺旋以 解除外力捻转造成的胁迫。这样形成的超螺旋为 负超螺旋。 u从病毒到高等生物，DNA在生物体内均表现 负超螺旋形式。负超螺旋是DNA在复制过程中 ，在拓扑异构酶的催化下产生的。负超螺旋是 DNA复制、基因转录、重组表达、基因调控等 生命活动所必需。 u在真核细胞中DNA的负超螺旋主要是染色质 的结构造成。染色质是DNA与组蛋白的八聚体 形式形成的核小体结构。DNA缠绕在组蛋白的 八聚体外面。这种缠绕有利于DNA向松缠方向 的转变。 4、染色体超螺旋线体模 DNA和组蛋白结合，按一定规律组装成 有一定形态结构的染色体。 人类染色体 染色体结构模型 一级结构：一级结构：核小体核小体 二级结构：二级结构：螺线管螺线管 三级结构：三级结构：蛋白质骨架蛋白质骨架 （超螺线管（超螺线管 ) ) 四级结构：四级结构：染色体染色体 一级结构：核小体一级结构：核小体 ( (nucleosomenucleosome) ) 核小体：DNA与组蛋白构成 1.H2A,H2B,H3,H4各两分子构成八聚体（核心组蛋白） ，DNA双链缠绕形成核心颗粒 2.连接DNA与组蛋白H1结合，将各核心颗粒连接成串 株样结构。 一级结构：核小体：核心颗粒H2a、 H2b、H3、H4各两个分子组成的八聚体。 二级结构：螺线管或螺二级结构：螺线管或螺 线体线体 许多核小体形成的串珠样结构又 进一步盘曲成中空的直径为30nm 的染色质纤维，称为螺线管。 三级结构：超螺线管三级结构：超螺线管 螺线管进一步螺旋盘绕形成直径次400nm的圆筒 状结构称为超螺线管(体) 四级结构：染色体四级结构：染色体 超螺线管进一步螺旋折叠形成直径为 700nm的染色单体，即染色质包装的四级结 构。从DNA到染色体经过四级螺旋包装共压 缩8400倍 从DNA到染色 体 DNA长度压缩 8000-10000倍 DNA 染色体 染色体的分子结构 5、 DNA的复制 DNA的复制是遗传信息传递的基础，也是细胞分裂 的基础。DNA的复制过程非常复杂。 过程大至如下： 先由DNA指导的RNA聚合酶，识别复制的起始点， 然后在解旋蛋白（untwisting protein）的作用下 ，解开DNA的超螺旋结构。 尔后，以DNA为模板，在RNA聚合酶的作用下，先 合成小段RNA ，作为引物。 1、半保留复制 Watson J. D.等提出的DNA半保 留复制方式。 一端沿氢键逐渐断开； 以单链为模板，碱基互补 氢键结合，聚合酶等连接 形成新的互补链 形成了两个新DNA分子。 DNA的这种复制方式对保 持生物遗传的稳定性是非常重 要的。 多复制子复制 真核生物中， 每条染色体中的 DNA复制是多起点 的 多个复制起点 共同控制一条染色 体的复制。 复制速度快。 DNA合成的酶： DNA聚合酶 DNA聚合酶 DNA聚合酶 DNA聚合酶是活体细胞控 制DNA合成的酶 三种酶具53核酸聚合酶 功能，说明DNA链只能 沿5向3端延伸 按碱基配对的原则进行配对 复制，DNA聚合酶 将这 些脱氧核糖核苷三磷酸连 接在一起。子链的合成方 向按5到3 进行。 DNA双螺旋的解链(螺旋酶) ，DNA单链结合蛋白（SSB 蛋白）使DNA保持单链状态。 RNA引物（ 引物 酶），DNA合成、廷伸，DNA连 接酶将新合成片段连接。前导链，后随链，冈崎片段 。新DNA分子一条是新合成的，另一条是亲链。 DNA拓扑异构酶消除DNA复制叉形成的超螺旋张力。 DNA合成时，两条母链并不完全分开，只是在复制叉的位 置打开 DNA复制的特点 uDNA的一条模板链(35)方向上合成按照按 53方向新的DNA片段 u另一条模板链(53)方向上以“倒退”的方式 合成不连续的DNA片段 uDNA聚合酶有三种(、）起重要作用的是 DNA聚合酶 uDNA复制还需要四种脱氧核苷三磷酸为原料，在 Mg2+参与下完成 u复制后形成的两个DNA分子中，各有一条链是原有 的，另一条链是新合成的，故称半保留复制。子代 DNA分子中的碱基排列顺序与亲代DNA分子完全一样。 复制子 （human DNA） 多复制子 DNA的功能 以基因的形式携带遗传信息；并作为基因复制和转 录的模板。它是生命遗传的物质基础（基因的物质基 础），也是个体生命活动的信息基础。 基因：（从结构上定义）是指DNA分子中的特定区 段， 其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。 （从功能上定义）是为生物活性物质编码的DNA 功能片段。 (二) RNA分子结构及其特点 RNA化学组成也是由四种核苷酸组成的多聚体。与DNA 的不同的是以U代替了T，其次是用核糖代替了脱氧核 糖，绝大部分RNA以单链形式存在，折叠后形成若干双 链区域，凡互补的碱基对间可以形成氢键。 以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。 1、DNA 与RNA的区别 核酸碱基核糖 DNAA、G、C、T脱氧核糖 RNAA、G、C、U核糖 2、主要RNA的种类和功能 、Messenger RNA (mRNA) 将DNA上的遗传信息精确无误转录，并传递给核糖 体的一种中介物质称为信使RNA。 mRNA的碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序。 、Transfer RNA (tRNA) 一类起着转运各种氨基酸的作用小分子量的RNA ，每种氨基酸可与1-4种tRNA相结合，每一条tRNA大 约只有80个左右的核苷酸，每个细胞中大约有40 60种不同的tRNA 。 、Ribosomal RNA（rRNA） 组成核糖体的主要成分，核糖体是合成 蛋白质的中心 、small nuclear RNA（ snRNA） 是真核生物转录后加工过程中，RNA剪接 体的主要成分。与40种左右的核内蛋白质共 同组成RNA剪接体，在RNA转录后加工中起重 要作用。 3、 tRNA一级结构特点及功能 分子量较小，核苷酸数在70-90之间 含稀有碱基较多（10%-20% ） 3端均为CCAOH 其功能是在蛋白质合成中作为氨基酸的 载体 tRNA二级结构特点：三叶草形 4、rRNA（核糖体RNA）种类 包括大亚基和小亚基，由核糖体RNA和蛋白质两部 分组成 原核细胞有3种不同的rRNA 5SrRNA（120bp） 原核生物 23SrRNA（2900bp） 16SrRNA（1540bp） 真核细胞则有4种rRNA。 28SrRNA（4800bp） 5.8 SrRNA（160bp） 真核生物 5.0 SrRNA（120bp） 8SrRNA（1900bp） 5、rRNA的结构与功能 大 亚基 rRNA + 核蛋白体蛋白核蛋白体 小 亚基 rRNA的功能：参与构成核蛋白体，核 蛋白体是蛋白质合成的场所。 The structure of rRNA 6、mRNA(信使RNA)特点 u将DNA上的遗传信息精确无误转录，并传递给核糖 体的一种中介物质称为信使RNA。 u由mRNA的碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序。 u原核生物的一个mRNA分子含有多个基因 u真核生物的一个mRNA分子一般只编码一个基因。 u原核生物RNA聚合酶只有一种 u真核生物RNA聚合酶有三种不同酶，催化RNA的合 成。 细胞核内合成的mRNA 初级产物为不均一 核RNA(hnRNA)，在细胞核内存在时间极短, 经过剪接成为成熟的mRNA后转移到细胞质。 成熟的mRNA由编码区和非编码区构成。 信使 RNA uDNA是生物的遗传信息，是由四种脱氧核糖核苷酸 组成的多聚体，这四种核苷酸用A、T、C、G来代表四 种密码符号， u四种核苷酸与组成蛋白质的20种氨基酸之间有什么 联系呢？ u4种碱基与氨基酸有密切的联系，每三个碱基决定 一种氨基酸，或者说一种特定的氨基酸由一个或者一 个以上三联体密码所决定。 三 、遗传密码 遗传密码的特性： 1) 遗传密码为三联体 即三个碱基决定一个氨基 酸。 2) 遗传密码间不能重复利用 3) 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。 4) 遗传密码间存在简并现象 除甲硫氨基酸和色 氨酸外。 5) 遗传密码决定同一个氨基酸的多个密码子，是 最后一个碱基发生变化。 6) 遗传密码包含起始密码子和终止密码子。 7) 遗传密码从病毒到人类是通用的。 四 、蛋白质合成 蛋白质生物合成的概念 DNA基因中的遗传信息，通过转录成为携 带遗传信息的mRNA mRNA作为合成各种多肽链的模板，指导合 成特定氨基酸排列顺序的