05-第五章 遗传的分子基础.doc

第六章 遗传的分子基础I. 遗传物质是什么？染色体的化学成分： 蛋白质：组蛋白(相对含量1) 染色体 非组蛋白(0.5-1.5) 核 酸：DNA(1) RNA(0.05)1.遗传物质的发现过程1). Friedrich Miescher(1869)从医院绷带脓液中分离出“核素”，并指出其中含有蛋白和核酸。2). 19世纪末，分离出“核酸”。3). 1930s,Levene、Jacobs等证明核酸由糖、磷酸和含量大致相等的四种碱基构成，导致“四核苷酸假说” (tetranucleotide hypothesis)，认为DNA不可能是遗传物质。4). Erwin Chargaff(1950)通过研究不同生物DNA的化学成分,发现了DNA中各碱基的含量因物种而有微小差异，从而否定了“四核苷酸假说”,同时提出了Chargaff 规则：(1).T+C=A+G;(2).A=T;G=C;(3).A+TG+C。2.细菌的遗传物质是DNAGriffith(1928)发现肺炎双球菌转化，Avery (1944)证实转化因子是DNA而不是蛋白质，证实了遗传物质是DNA，并由 Hotchkiss进一步证实。3.噬菌体的遗传物质是DNAA.D.Hershey,Martha Chase(1952),用噬菌体T2感染大肠杆菌的放射性同位素标记示踪实验最终证实了遗传物质是DNA。4.有些病毒的遗传物质是RNA有些病毒只含有RNA和蛋白质，不含有DNA, 称为RNA病毒，又叫做逆转录病毒。如烟草花叶病毒(tobacco mosaic virus, TMV)，其遗传物质是RNA。5. DNA和RNA的分布1). 高等动植物体内，绝大部分DNA在细胞核内的染色体上，细胞质中只有少量的DNA,存在于叶绿体和线粒体等细胞器内。RNA则在细胞核和细胞质中都有。核内RNA主要集合在核仁上，少量在染色体上。2). 细菌也含有DNA和RNA,多数噬菌体只有DNA,植物病毒多数只有RNA,动物病毒则有些含有DNA,有的含有RNA。6.染色体的形态1.中间着丝粒或亚中间着丝粒 (metacentric or submetacentric)2.近端着丝粒(acrocentric)3.端着丝粒(telocentric)7.染色质的结构绳珠模型和30nm纤维8.染色质环的结构II. DNA结构1.DNA结构的发现2.DNA和RNA的结构3.DNA结构模型4.DNA的构型5.DNA变性和复性1. DNA结构的发现2. DNA和RNA的结构DNA的化学成分 DNA RNA化学 碱基(base) A T G C A U C G成分 糖 (sugar) 脱氧核糖 核糖 (deoxyribose) (ribose) 磷酸(phosphoric acid)结构 脱氧核糖核苷酸 核糖核苷酸 单元 deoxyribonucleotide ribonucleotide3. DNA结构模型4. DNA的构型B-DNA A-DNA Z-DNA 螺旋类型：右手螺旋 右手螺旋 左手螺旋每圈螺旋含碱基数目：10.4 11 12碱基平面与分子中轴：垂直 几乎垂直 不垂直 存在状态： 正常 高盐、脱水 真核基因组 生理 DNA-RNA 与基因表达 条件 异源双链 调控有关 (heteroduplex)5. DNA变性和复性1) 变性(denaturation)：加热、碱性2) 复性(renaturation) = 退火(annealing) 缓慢降温3) 解链温度(melting temperature, Tm )4) 退火温度(annealing temperature)If primer 30 mer: Tm=(G+C)4 C +(A+T) 2C; annealing temperature is 3-8C lower than Tm value;III. DNA的复制1. 遗传物质的本质和功能1). 遗传物质的本质(1).能忠实自我复制： 保持遗传信息基本不变地传递(2).带有遗传信息： 能合成蛋白质并决定生物性状(3). 允许变化： 导致生物变异和进化2). DNA的功能(1). 自体催化（autocatalysis)：自我复制(2). 异体催化（heterocatalysis)：控制蛋白质合成2. DNA的复制的机制半保留复制semiconservative replication全保留复制conservative replication分散复制dispersive replication3. DNA复制的过程1. 遗传物质的本质和功能2. DNA的复制的可能机制 1). DNA复制是半保留复制 2). DNA 复制是双向复制 3). 复制起点、复制叉和复制子 4). DNA的复制连续性的可能机制 5). DNA 复制是半不连续复制 Okazaki实验证实DNA 复制是半不连续复制 1) 前导链(leading strand)2) 滞后链(trailing strand or lagging strand)3) 冈崎片段(okazaki fragment)3. DNA复制的过程1). 链的分离(strand separation)（1）解旋酶(helicase)：解开螺旋，打开双链；（2）单链结合蛋白(single-strand-binding protein,SSB)：防止双链重新结合；（3）拓扑异构酶(topoisomerase)：又叫DNA促旋酶(gyrase)，形成负超螺旋结构2). 复制的起始(initiation)DNA聚合酶的特点：（1）合成方向只能是53，（2）不能独立开始合成，只能延伸引物（3）必须由RNA引物引导，引物由引发体合成复制的起始(initiation)（1）引物酶(primerase)（2）引发体(primosome)（3）引发体与复制起点发夹结构(hairpin)结合 3). 链的延伸(elongation)链的延伸(elongation): DNA聚合酶全酶 (DNA polymerase holoenzyme) 复制体(replisome) 同时合成滞后链和前导链 DNA聚合酶 (DNA polymerase ) 连接酶(ligase)连接缺口(nick)4). 复制的终止(termination)复制的终止(termination) 噬菌体线形DNA复制后立即终止 E.coli 环形DNA复制后两个子DNA相互缠绕 需由拓扑异构酶（如DNA促旋酶）分开。IV. RNA的种类、结构和功能 mRNA: 信使RNA (messenger RNA) rRNA: 核糖体RNA (ribosomal RNA) tRNA: 转运RNA (transfer RNA) snRNA: 核小RNA (small nuclear RNA) siRNA: 小干涉RNA (small interference RNA)1. tRNA的结构和功能三叶草形平面结构 L形空间结构1) 反密码子环(anticodon loop)2) 氨基酸臂(acceptor stem, amino acid arm)3) 双氢尿苷环(dihydro U loop, D loop)4) TC环(TC loop)5) 额外环(extra loop)2. mRNA 结构和功能3. 遗传密码 三联体密码子（triplet codon) 无重叠，无停顿 简并性 (degeneracy) 通用性 (univeral) 无义即终止密码子 (nonsense /stop codon) 4. 核糖体和rRNA的结构和功能V. 蛋白质的结构和功能1. 蛋白质的一级结构一级结构(primary structure) 1. 氨基酸(amino acid)NH2-CH-COOH|R 2.肽键 (peptide bond) 3.多肽链 (polypeptide)NH2-CH-C NH-CH-COOH | | | R O R 2. 蛋白质的二级结构(secondary structure) -螺旋 (-helix )-折叠 (-pleated sheet )-转角 (-turn ): 发夹结构 ( hairpin )3. 蛋白质的超二级结构4. 蛋白质的结构域5. 蛋白质的三级结构6. 蛋白质的四级结构7. 蛋白质的功能（表型）1) 细胞成分:如膜蛋白、组蛋白2) 酶：如胃蛋白酶、DNA聚合酶3) 运输载体：如血红蛋白4) 激素：如胰岛素5) 受体：如激素受体6) 抗体：如免疫球蛋白VI. 基因表达 中心法则及其发展 基因表达的过程 (1)转录(transcription) (2)翻译(translation)1. 中心法则2. 基因表达的过程遗传信息的流向：DNARNA 蛋白质转录翻译1) 转录(transcription)起始(initiation)延伸(elongation)终止(termination)1) 翻译(translation)起始(initiation)延伸(elongation)终止(termination)1）. 转录(transcription)2）. 翻译(translation)翻译就是蛋白质的生物合成过程1. 起始(initiation)：起始复合物包括因子、核糖体30s亚基，mRNA、Met-tRNA和肽基转移酶(peptidyl transferase)2. 延伸(elongation)：延伸因子如TF1、TF2等将氨基酰-tRNA加入肽链，并使核糖体在mRNA上移动。3. 终止(termination)：当核糖体遇到终止密码子，没有合适的氨基酰-tRNA，释放因子(release factor)如因子，使肽链与P位置的tRNA分开，mRNA释放，核糖体亚基解离。3 一个基因一个酶Beadle和Tatum用X射线处理红色面包霉，使它的基因改变，再观察它的生物化学变化的改变。结果发现，生物体内的生物化学反应都是由基因一步一步控制的，不同的基因控制着不同的生物化学反应.这些反应是由不同的酶催化的，而酶的形成和表现活性是由不同基因控制的，提出了著名的“一个基因一个酶”学说。(一) 红色面包霉的生化突变型 1. Beadle红色面包霉的生化突变型 野生型：基本培养基 突变型(a)：基本培养基+精氨酸 突变型(c)：基本培养基+瓜氨酸 (精氨酸) 突变型(o)：基本培养基+鸟氨酸 (精+瓜) 2. 推理 红色面包霉在合成它生活所需物质时，要经过一系列的生化过程，而每一个系列化过程又由一定的基因所控制。 根据以上实验，可以推论精氨酸的合成步骤与基因的关系为：前体 o 鸟氨酸 c 瓜氨酸 a 精氨酸 由此可以看出，精AA的合成至少需要A、C、O三个基因，其中一个基因发生突变，精氨酸都不能合成。这个实验证明了基因与生化代谢途径的关系。Beadle 1941年根据这个实验研究，阐明基因是通过酶的作用来控制性状的，提出“一个基因一个酶”的假说，把基因与性状两者联系起来。VII. 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 孟德尔颗粒遗传因子：是代表某个性状的符号，互不沾染、互不融合， 独立分离，自由组合。 摩尔根染色体遗传学说：基因是染色体上直线排列的实体。 “一个基因一个酶”：一个基因一条多肽 基因具体为化学物质(DNA或RNA)：基因是DNA上的一段核苷酸序列，DNA双螺旋结构，中心法则、遗传密码、各种RNA和核糖体的结构和功能及蛋白质的生物合成过程的阐明，标志着分子遗传学和现代基因概念的诞生和发展VIII. 遗传重组的分子机理减数分裂中染色体的交换和重组不交换1.同源重组的分子机制1) 拷贝-选择模型(copy-choice model)2) 断裂-愈合模型(breakage-jo