《基因的分子生物学》PPT课件.ppt

基因的分子生物学,项荣,中南大学 生物科学与技术学院,,Gene概念的发展,1857 Mendel genetic factor 1909 Johannsen gene theory of pangenesis 1910 Morgan gene染色体 摩尔根是第一位以遗传学成就而荣获诺贝尔生理学医学奖的科学家，是染色体遗传学的创始人,孟德尔因子不可能由染色体携带 美国博物学家 果蝇的白眼基因居然是由性染色体携带的 科学,果蝇体型小，体长不到半厘米；饲养管理容易，既可喂以腐烂的水果，又可配培养基饲料；一个牛奶瓶里可以养上成百只。果蝇繁殖系数高，孵化快，只要1天时间其卵即可孵化成幼虫，2-3天后变成蛹，再过5天就羽化为成虫。从卵到成虫只要10天左右，一年就可以繁殖30代。果蝇的染色体数目少，仅3对常染色体和1对性染色体，便于分析。,不同领域的科学家从不同方向朝基因的分子水平进军，在分子遗传学的酝酿时期形成了三大学派：信息学派、生化学派和结构学派。,DNA双螺旋结构的发现,1951年 Watson 23岁 Crick， 31岁 DNA应该是双螺旋 A与T、 C与G巧妙连接 符合X衍射数据 DNA的复制 1953年2月28日，Waterson 和Crick用金属线又制出了新的DNA模型，他们为自然科学树立了一座闪闪发光的里程碑。,一、 核酸分子及其结构,（一）核苷酸,每一个核苷酸含有一个戊糖（核糖或脱氧核糖）分子、一个磷酸分子和一个含氮的有机碱（碱基）。,核苷酸的有机碱分为两类；一类是嘌呤，是双环分子；一类是嘧啶，是单环分子。,嘌呤包括腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)2种 嘧啶有胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)3种。,DNA的碱基是A、T、 G、C RNA的碱基是A、U、 G、C,脱氧核糖或核糖上第一位碳原子与嘌呤或嘧啶结合，就成为 脱氧核苷或核苷,第三位或第五位碳原子再与磷酸结合，就成为脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸。,磷酸 核酸 核苷酸 戊糖 核苷 嘌呤碱 或嘧啶碱,DNA分子是由两条脱氧核糖核酸长链互以碱基配对相连而成的螺旋状双链分子； DNA主要存在于细胞核内的染色质中，是遗传信息的携带者。,（二）DNA双螺旋结构,3.4nm,含10个碱基对,DNA双螺旋结构模型,碱基互补配对 通过氢键结合 A=T G C 碱基对（bp） 5CAGTTCA3 | | | | | | | 3GTCAAGT5,DNA的双链形成,1.DNA分子是由两条相互平行方向相反的多核苷酸链围绕着同一中心轴形成的双螺旋结构。,Watson和 Crick的DNA 双螺旋结构模型,2.两条长链的碱基在双螺旋内侧按碱基配对原则（A=T，G三C）以氢键相连。 3.相邻碱基对旋转36，间距0.34nm，一个螺旋包含10个碱基旋转360，螺距为3.4nm。,（三）RNA分子,RNA分子是单链的，RNA在细胞核内产生，然后进入细胞质，在蛋白质的合成中起重要作用。,1.RNA的种类,细胞中主要有3种RNA: 信使RNA（messager RNA, mRNA） 核糖体RNA（ribosome RNA, rRNA） 转运RNA（tranfer RNA, tRNA）,2.RNA的作用,mRNA是遗传信息的携带者。在细胞核中转录DNA上的遗传信息，再进入细胞质，是蛋白质合成的模板。,tRNA,tRNA局部为双链，在3、5端相反一端的环上具有由3个核苷酸组成的反密码子。tRNA的反密码子在蛋白质合成时与mRNA上互补的密码子相结合。tRNA起识别密码子和携带相应氨基酸的作用。,rRNA和蛋白质共同组成的复合体就是核糖体，核糖体是蛋白质合成的场所。 核糖体的大小亚基在行使翻译功能即肽链合成时聚合成整体，为蛋白质的合成提供场所。 核糖体上具有附着mRNA模板链的位置，还有两个tRNA附着的位置，分别称为A位和P位。,阅读遗传密码，携带氨基酸进行蛋白质合成,携带遗传密码、指导蛋白质合成,（四）RNA与DNA的主要差别：,DNA RNA,DNA RNA,二、DNA复制,（一）复制的过程,复制所需组分： 1.底物 dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP) 2.聚合酶 DNA聚合酶 3.模板 单链的DNA母链 4.引物 寡核苷酸引物（RNA) 5.其他酶和蛋白质因子 拓扑异构酶，解链酶，引发酶，单链结合蛋白，连接酶，端粒酶，增殖细胞核抗原（PCNA),复制的过程,复制的过程,复制子(replicon)： DNA复制开始于染色体上固定的起始点(origin, ori)。基因组能独立进行复制的单位称为复制子(replicon)。每个复制子都含有控制复制起始的起点。,复制泡(replication bubble) : 复制开始时，起始点处的DNA双螺旋先解开，在电镜下可看到呈眼泡状 。 复制叉(replication fork) : 松解开的两股链和末松解开的双螺旋 形状像一把叉子 。,（二）复制的特点,半 保 留 复 制,半保留复制 (semi-conservative replication) : DNA复制时，两条链分开，然后按照碱基配对方式合成新的子链，每个子代分子的双链DNA中一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的。,半 不 连 续 复 制,半不连续复制 前导链(leading strand) ： 新合成的DNA的一条链是按5 3方向（与复制叉移动的方向一致）连续合成的。 滞后链(lagging strand ): 新合成的DNA中的另一条链的合成则是不连续的，先合成许多短片段 ，再通过DNA连接酶（DNA ligase）的作用将这些短片段连成一条完整的链 。 冈崎片段(Okazaki fragment) : 滞后链合成过程中，先合成的较短的DNA片段 。,三、 基因的表达,基因表达(gene expression)： 指基因的遗传信息通过转录(transcription)和翻译(translation)的过程成为具有生物功能的多肽和蛋白质。,(一)基因的转录 转录(transcription) ： 以DNA分子为模板，在RNA聚合酶作用下合成RNA的过程。,1.转录的过程,DNA指导的RNA聚合酶 聚合酶 转录产物 在细胞内分布 18s,5.8S,28S rRNA 核仁 mRNA前体，hnRNA 核质 tRNA,5srRNA 核质,转 录 过 程,DNA分子的局部双链在酶的作用下暂时解旋，以其中一条DNA链作为RNA合成的模板链，按碱基互补配对原则，以四种核苷酸（A，G，C，U）为原料，在RNA聚合酶催化下合成出一条单链RNA，合成方向为5 3。,转录过程,编码链 ： 与模板链互补的另一条DNA单链称非模板链，与新转录合成的RNA具有同样的53方向和碱基顺序 ，又称为编码链 。 反编码链 : 即模板链。,不对称转录 双链DNA在细胞内进入转录时，总是只有其中的一条链作为转录的模板链，究竞以哪条链为模板则完全由启动子在哪条链来决定 。,2.转录产物的加工,mRNA的加工,mRNA的加工 1)剪接(splicing) 核内不均-RNA(hetro geneous nuclear RNA,hn RNA) 包含了mRNA基因的内含子、外显子，前导区、尾部区相对应全部序列 。在剪接酶的作用下，内含子相对应的序列被剪掉，剪接点即是基因中内含子与外显子接头处的剪接信号(GT-AG),相应于RNA中(GU-AG)。内含子被剪掉后，外显子对应序列连接起来，这个过程称剪接。,2)戴帽,在前mRNA的5端加7甲基鸟嘌呤核苷三磷酸(m7Gppp)，通过特殊的5 5磷酸二酯键与RNA转录物5端第一个核苷酸相连 。,戴帽的意义: （1）帽子结构是核糖体小亚基的识别信号，促进mRNA与核糖体结合； （2）帽子结构还能有效地封闭mRNA5端，防止核酸外切酶的降解作用，保证了mRNA的稳定性。,3)加尾,加尾的作用： （1）保持mRNA的3末端的稳定，不受酶的破坏。 （2）可促使mRNA由细胞核转运到细胞质中。,(二)蛋白质的生物合成,U C A G,遗 传 密 码 表,第一碱基(5,),U C A G,第 二 碱 基,第三碱基（3，）,UCAG,UCAG,UCAG,UCAG,苯丙氨酸 丝氨酸 酪 氨 酸 半胱氨酸 苯丙氨酸 丝氨酸 酪 氨 酸 半胱氨酸 亮 氨 酸 丝氨酸 终止密码 终止密码 亮 氨 酸 丝氨酸 终止密码 色 氨 酸,亮 氨 酸 脯氨酸 组 氨 酸 精 氨 酸 亮 氨 酸 脯氨酸 组 氨 酸 精 氨 酸 亮 氨 酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精 氨 酸 亮 氨 酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精 氨 酸,异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝 氨 酸 异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝 氨 酸 异亮氨酸 苏氨酸 赖 氨 酸 精 氨 酸 甲硫氨酸 * +合成起步信号,苏氨酸 赖 氨 酸 精 氨 酸,缬 氨 酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘 氨 酸 缬 氨 酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘 氨 酸 缬 氨 酸 丙氨酸 谷 氨 酸 甘 氨 酸 缬 氨 酸 丙氨酸 谷 氨 酸 甘 氨 酸,遗传密码的特征,特 征,方向性：5，3， 5，-UUG- 3，亮氨酸 5，-GUU- 3，缬氨酸,简并性和兼职,简并性：同义密码,兼职,通用性,不重叠 无标点,5，-GTT TAT GGT ACG CTG- 3，,D基因的阅读方式 缬 酪 甘 苏 亮,5，-GTT TAT GGT ACG CTG- 3，,E基因的阅读方式 苯丙 甲硫 缬 精,蛋白质的合成的过程,步骤一：肽链合成的起始,核糖体小亚基与mRNA、起始tRNA结合 大小亚基的结合,步骤二：肽链的延长,氨酰基-tRNA进入A位 肽键的形成 空载的tRNA从P位释放 移位(由A位转移至P位）,步骤三：肽链延长的终止,核糖体滑动到终止密码子 释放因子结合到A位 肽链释放，核糖体大小亚基分离,第三节 基因突变,突变（mutation）是指遗传物质发生 的可遗传的变异。,染色体畸变（chromosome aberration）： 染色体数目和结构的改变。,基因突变（gene mutation）：狭义的突 变，所指基因的核苷酸顺序或 数目发生改变。,一、碱基替换,一个碱基被另一碱基取代而造成的突变称为碱基替换,转换（transition）,颠换（transversion）,嘌呤嘌呤，嘧啶嘧啶,嘌呤嘧啶，嘧啶嘌呤,基因突变的效应,1、同义突变（same-sense or synonymous mutation）: 碱基的改变并未引起编码的氨基酸改变。例如，CCA脯氨酸，当AG后，CCG脯氨酸。,2、错义突变（missense mutation） : 碱基的改变引起编码的氨基酸改变。 例如，GAA谷氨酸，GA， AAA赖氨酸。,3、无义突变（non-sense mutation）: 碱基的改变使该三联体不再构成任何氨基酸的密码子，而形成终止信号。 例如：UAC酪氨酸，C A，UAA 终止信号。,4、终止密码突变（termination codon mutation）： 当DNA分子中一个终止密码发生突变，成为编码氨基酸的密码子时，多肽链的合成将继续进行下去，肽链延长直到遇到下一个终止密码子时方停止，因而形成了延长的异常肽链。也称延长突变（elongtion mutation）,二、移码突变,移码突变（frame-s