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第二章 遗传的物质基础 真核生物的染色体是核酸和蛋白质的复合物 其中核酸主要是DNA 在染色体上平均约占27 其次是RNA占6 蛋白质约占66 此外 还会有少量的拟脂与无机物质 分子遗传学拥有大量直接和间接证据 说明DNA是主要的遗传物质 第一节遗传物质 核酸 一 细菌的转化 一 DNA作为主要遗传物质的直接证据 肺炎球菌 pneumococcus 有两种不同类型 光滑型 S型 粗糙型 R型 1928年细菌学家Griffith细菌毒性实验 在R型和S型内还可以按血清免疫反应不同 分成许多抗原型 常用R R 和S S S 等加以区别 1928年Criffith将少量无毒的R 型肺炎双球菌注入家鼠体内 再将大量有毒但已加热杀死的S 型肺炎双球菌注入同一只鼠体内 结果家鼠发病死亡 从死鼠体内分离出S 型的肺炎双球菌 二 噬菌体的侵染与繁殖 噬菌体是极小的低级生命类型 必须在电子显微镜下才可以看到 Hershey和Chase的实验 二 感染性的RNA 烟草花叶病毒 TMV 是由RNA与蛋白质组成的筒状微粒 它的中心是单螺旋的RNA 外部是蛋白质的外壳 如图 FrankelGonrat等把一个TMV的甲型RNA与乙型的蛋白质 重新合成混合的烟草花叶病毒 用它感染烟草叶片时 所产生的新病毒颗粒与提供RNA的甲型的病毒完全一样 即亲本RNA决定了后代的RNA和蛋白质 如图 说明在不含有DNA的TMV中RNA是遗传物质 三 DNA作为主要遗传物质的旁证 1 每个物种不同组织的细胞不论其大小和功能如何 它们的DNA含量是恒定 2 DNA在代谢上是比较稳定的 3 DNA是所有生物染色体所共有的 4 用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时 其最有效的波长为260nm 这与DNA所吸收的紫外线光谱是一致的 证明基因突变与DNA分子的变异密切相关 DNA具备作为遗传物质的条件 2 分子结构具有相对的稳定性 3 具有强大贮存遗传信息的能力 以适应物种复杂多样性的要求 4 能够产生可遗传的变异 1 能精确地复制 使前后代保持一定的连续性 第二节核酸的结构 一 两种核酸的化学组成 脱氧核糖 碱基 磷酸 A G C T 基本单位 脱氧核苷酸 腺嘌呤脱氧核苷酸 鸟嘌呤脱氧核苷酸 胞嘧啶脱氧核苷酸 胸腺嘧啶脱氧核苷酸 脱氧核苷酸的种类 连接 核酸可在核酸酶的作用下水解成核苷酸 因此核苷酸是核酸的基本构成单位 核苷酸又由碱基 戊糖和磷酸组成 碱基 base 指核酸中核苷酸的排列顺序 又称为核苷酸序列或碱基序列 核苷酸之间通过3 5 磷酸二酯键相连形成的线性大分子 称为核苷酸链 是前一核苷酸的3 OH和后一核苷酸的5 磷酸形成的 二 DNA 一 核酸的一级结构 书写方法 从5 到3 方向 1 DNA双螺旋结构研究背景 二 DNA的二级结构 双螺旋结构 Chargaff规则 A T G C 不同种属的DNA碱基组成不同 同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同 Franklin获得了DNAX线衍射照片 提示DNA是双链的螺旋形分子 2 沃生 克里克研究小组 为此 Watson Crick和Wilkins于1962年同时获得了诺贝尔生理学及医学奖 主要基于Chargaff Pauling和Wilkins等三个方研究成果 Watson和Crick于1953年提出了他们的右手DNA双螺旋结构模型 现在人们公认这是分子遗传学建立的标志 3 DNA分子双螺旋结构模型要点 1 DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴构成的双螺旋结构 一条链的走向是5 3 另一条链的走向是3 5 两条链均为右手双螺旋 doublehelix 5 5 3 3 2 磷酸 脱氧核糖骨架位于螺旋外侧 碱基垂直于螺旋轴而伸入内侧 表面有大沟和小沟 这些沟状结构与蛋白质 DNA之间的相互识别有关 3 螺旋直径2nm 碱基平面与螺旋轴垂直 相邻碱基的距离为0 34nm 其旋转夹角为36 每圈螺旋含10个碱基对 bp 螺距为3 4nm 4 两条链通过碱基间的氢键相连 AT配对含两个氢键 CG配对含三个氢键 这种A T C G配对的规律 称为碱基互补规则 5 维持双螺旋稳定的因素 横向为氢键 纵向为碱基间的堆积力 4 DNA双螺旋结构模型的意义 DNA双螺旋模型结构同时表明 DNA复制的明显方式 半保留复制 Watson和Crick在1953年就指出 DNA可以按碱基互补配对原则进行半保留复制 而在此之前对复制方式人们对一无所知 基因和多肽成线性对应的一个可能的理由 DNA核苷酸顺序规定该基因编码蛋白质的氨基酸顺序 DNA中的遗传信息就是碱基序列 并存在某种遗传密码 geneticcode 将核苷酸序列译成蛋白质氨基酸顺序 在其后的几十年中 科学家们沿着这两条途径前进 探明了DNA复制 遗传信息表达与中心法则等内容 5 DNA结构的多样性 B型DNA双螺旋是核酸二级结构的重要形式 当改变了溶液的离子强度和相对湿度时 DNA螺旋结构可以改变 除B型外 还有Z型及A型 在体内 不同构象的DNA可能与基因表达的调控有关 三种类型DNA双螺旋的比较 在拓扑异构酶作用下 两者可以互相转变 自然状态的共价闭合环状DNA cccDNA 如质粒DNA 一般都呈负超螺旋状态 三 RNA 一 信使RNA mRNA 把核内DNA的碱基顺序 遗传信息 按照碱基互补的原则 抄录并转送至胞质 在蛋白质合成中用以翻译成蛋白质中氨基酸的排列顺序 作为蛋白质合成的模板 mRNA分子上每3个核苷酸为一组 称为三联体密码 tripletcode 大亚基rRNA 核蛋白体蛋白 核蛋白体 ribosome 小亚基 二 核糖体RNA rRNA 核糖体及其亚基的特性 二 转移RNA tRNA 1 tRNA是一类小分子量的RNA 沉降系数为4S 2 在蛋白质合成中作为氨基酸的载体 tRNA分子的二级结构呈三叶草型 分为4个功能部位 反密码子臂 氨基酸臂 二氢尿嘧啶臂 D臂 和T C臂 tRNA的高级结构呈 L 型 第三节基因的结构特征 一 基因的概念及发展 一 生化遗传学对基因概念的发展 生化遗传及早期分子遗传研究在两个重要方面发展了基因的概念 基因是DNA分子上带有遗传信息的特定核苷酸序列区段 并且在染色体上位置固定 序列连续 遗传信息就存在于核苷酸 碱基 序列中 一个基因一个酶 基因表达为蛋白质 基因的核苷酸序列决定蛋白质氨基酸序列 二 分子遗传学关于基因的概念 分子遗传学的大量试验证明 DNA是主要的遗传物质 基因在DNA分子上 一个基因相当于DNA分子上的一定区段 它携带有特殊的遗传信息 这类遗传信息或者被转录为RNA mRNA tRNA rRNA 或者被翻译成多肽链 指mRNA 或者对其他基因的活动起调控作用 调节基因 启动基因 操纵基因 1 精密的微生物遗传分析表明 在一个基因的区域内 可以划分出有关重组 突变 功能的三个单位 即突变子 重组子和顺反子 1 突变子 它是性状突变时 产生突变的最小单位 一个突变子可以小到只是一个核苷酸对 2 重组子 在发生性状的重组时 可交换的最小单位 一个交换子只包含一对核苷酸 3 顺反子 一个作用子所包括的一段DNA与一个多肽链所合成相对应平均大小为500 1500个核苷酸 2 随着基因结构和功能的深入研究 进一步发现了重叠基因 断裂基因和跳跃基因 1978年 英国Sanger分析 X174噬菌体DNA全序列 发现了两个或两个以上的基因共有一段DNA序列 重叠基因 1977年Doel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DNA序列可能是不连续的 真核生物的基因一般是不同外显子的组合 断裂基因 外显子 参加蛋白质编码的DNA片段 内含子 不参加蛋白质编码的DNA片段 早期分子遗传学还认为 基因在染色体上的相对位置是固定的 某些DNA序列可以在染色体上转变位置 故称跳跃基因 jumpinggene 亦称转座因子 transposonelement 转座子转位的过程也是一个遗传重组过程 二 基因的一般结构特征 一 外显子和内含子 在每个外显子和内含子的接头区 有一段高度保守的序列 即每个内含子的5 端起始的都是GT 3 端末尾的都是AG 故称GT AG法则 开放阅读框 ORF 基因中从起始密码子开始到终止密码子的这一段核苷酸区域 其间不存在任何终止密码 可编码完整的多肽链 编码区 非编码区 非编码区 编码区下游 调控遗传信息的表达 调控序列 外显子 能编码蛋白质 内含子 不能编码蛋白质 二 信号肽序列 在分泌蛋白基因的编码序列中 在起始密码子之后 有一段编码富含疏水氨基酸多肽的序列 称为信号肽序列 signalpeptidesequence 三 侧翼序列和调控序列 每个结构基因在第一个和最后一个外显子的外侧 都有一段不被转录和翻译的非编码区 称为侧翼序列 flankingsequence 调控序列 regulatorsequence 侧翼序列中对基因的有效表达起着调控作用的特殊序列 包括启动子 增强子 沉默子 终止子 核糖体结合位点 加帽和加尾信号等 1 启动子 promoter 准确而有效地启始基因转录所需的一段特异的核苷酸序列 位置 100 100bp之间 特征 RNA聚合酶识别和结合的部位 原核生物 TATA框或Pribnow盒 位于 10bp处 共有序列为TATAAT 亚基识别部位 位于 35bp处 共有序列为TTGACA 真核生物 TATA框或Hogness框 位于 19 27bp处 由7个碱基组成 即TATAA T AT A CAAT框 位于 70 80bp处 由9个碱基组成 即GGCC T AATCA GC框 位于 40 110bp处 以含有GGGCGG为特征 2 增强子 enhancer 一段可使启动子发动转录的能力大大增强的序列 它显著地提高基因的转录效率 位置 不定 特征 重复序列 一般长度约50bp 核心序列 G TTGA T A T A T G 3 终止子 terminator 一段位于基因3 端非翻译区中与终止转录过程有关的序列 组成 由一段富含GC碱基的颠倒重复序列及寡聚T组成 作用 形成发夹结构 阻碍RNA聚合酶的移动 4 加尾信号 真核生物mRNA的3 端有一段多聚A尾巴 polyAtail 由多聚核苷酸聚合酶作用加到mRNA上 不是由基因编码 受加尾信号序列控制 位于 端非翻译区 动物基因的加尾序列 AATAAA 5 核糖体结合位点 在原核生物基因翻译起始位点周围有一组特殊的序列 控制着基因的翻译过程 SD序列 是其中主要的一种 位置 位于起始密码子之前10个碱基内 5 端非翻译区 序列特征 富含嘌呤的六聚体AGGAGG的一部分或全部 三 真核生物基因组的特点 一个物种单倍体染色体所携带的一整套基因称为物种的基因组 genome 一 基因组与C值 每一种生物中的单倍体基因组的DNA总量 称为C值 Cvalue C值的大小与物种的结构组成和功能的复杂性没有严格的对应关系 这种现象称为C值矛盾 C valueparadox 二 真核基因组中DNA序列的分类 1 卫星DNA SatelliteDNA 基因组DNA被切断成数百个碱基对的片段 进行氯化铯密度梯度超速离心时 高度重复序列片段的GC含量与主体DNA不同 常在主要DNA带的附近形成一个次要的区带 因而这些高度重复序列被称为卫星DNA satelliteDNA 2 反向重复DNA invertedrepeats 由两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA链反向排列而成 变性后再复性时 同一条链内的互补的拷贝可以形成链内碱基配对 形成发夹式或 字形结构 倒位重复没有间隔者称回文 palindrome 3 发夹形和十字形 三 基因家族和假基因 真核生物基因组中有许多来源相同 结构相似 功能相关的基因 称为一个基因家族 genefamily 若一个基因家族的基因成员紧密连锁 成簇状集中排列在同一条染色体的某一区域 形成一个基因簇 genecluster 如血红蛋白基因家族 在基因家族中 某些成员不能产生有功能的基因产物 但在结构和DNA序列上与相应的活性基因具有相似性 称为假基因 pseudogene 第四节染色质与染色体 1848年 W Hofmeister发现了染色体 chromosome 1879年 W Flemming提出染色质 chromatin 这一术语 1888年 W Waldeyer正式提出染色体的命名 染色质由DNA 组蛋白 非组蛋白及少量RNA组成 组蛋白有5种 一是核心组蛋白 包括H2A H2B H3 H4组蛋白 二是H1组蛋白 其分子量较大 一 染色质的化学组成 一 组蛋白 又称序列特异性DNA结合蛋白 有如下特性 二 非组蛋白 1 多样性与组织特异性 2 与DNA结合的特异性 3 功能多样性 二 染色质的类型 常染色质 euchromatin 在间期细胞核内 对碱性染料着色浅 染色质纤维折叠压缩程度低 处于较为伸展状态的染色质 异染色质 heterochromatin 在间期细胞核内 对碱性染料着色深 染色质纤维折叠压缩程度高 处于聚缩状态的染色质 三 染色质包装的结构模型 核小体 nucleosome 是染色质的基本结构单位 染色质是由许多核小体重复串联而成 一 染色质的基本结构单位 核小体 染色质电镜图 二 染色质的高级结构 压缩5倍 DNA 核小体 螺线管 超螺线管 染色体 1 8400 压缩7倍 压缩6倍 压缩40倍 四 染色体的形态 结构和数目 着丝粒 centromere 碱性染料染色着色浅 且表现缢缩 所以也叫主缢痕 次缢痕 secondaryconstriction 除主缢痕外 染色体上其他的浅染缢缩部位 随体 satellite 位于染色体末端的球形节段 通过次缢痕区与染色体主体部分相连接 一 染色体的形态和结构 核仁组织区 NOR 位于染色体的次缢痕部位 是rRNA基因所在部位 与核仁形成有关 端粒 telomere 是染色体端部的特殊结构 通常由富含G的短的串联重复序列和端粒蛋白构成 三种功能元件 DNA复制起点 着丝点 端粒 三个关键序列 自主复制DNA序列 ARS 着丝粒DNA序列 CEN 和端粒DNA序列 TRL 二 构成染色体DNA的关键序列 1 A和B染色体A染色体 在大多数真核生物中 正常个体的每一细胞中都携带有确定不变的一套染色体 B染色体 在某些细胞中 往往还出现额外的染色体 三 特异染色体结构 2 巨大染色体 在一些生物的细胞中 特别是在发育的某些阶段 可以观察到一些特殊的 体积很大的染色体 包括多线染色体和灯刷染色体 各种动物细胞内染色体数目都是相对稳定的 体细胞的染色体数目一般比性细胞中多1倍 四 染色体数目 五 核型分析与染色体显带 核型 karyotype 是指染色体组成在有丝分裂中期的表型 包括染色体的数目 大小 形态特征等 一 核型分析 1 染色体显带技术 1 产生的染色体带遍及整条染色体长度上 包括Q带 G带 R带及显示DNA复制形式的技术 R带 中期染色体不经盐酸水解或不经胰酶处理的情况下 经吉姆萨染色后所呈现的区带所呈现的是G带染色后的带间不着色区 故又称反带 二 染色体显带 2 只能使少数特定染色体区段或结构显带 包括显示着丝粒的C带 显示端粒的T带及显示核仁组织区 NOR 的N带技术 C带 基于吉姆萨方法 可显示异染色质区域 故可用来显示着丝粒的位置 人类染色体的C带 染色体号 臂的符号 短臂p 长臂q区号在该区内的带号如7p22表示 2 染色体带型的表示方法 第五节细胞分裂 细胞周期 指从一次细胞分裂结束开始到下一次细胞分裂结束为止的全过程 典型的细胞周期可分为间期和细胞分裂期 间期包括DNA合成前期 G1期 DNA合成期 S期 和DNA合成后期 G2期 细胞周期时间的长短主要取决于G1期 其次为G2期 一 细胞周期 cellcycle 二 有丝分裂 染色质高度螺旋化 逐渐缩短变粗形成染色体 核仁消失 核膜裂解 纺锤丝开始出现 1 前期 2 中期 核膜破裂消失为标志 染色体进一步凝集浓缩 变短变粗 逐渐向赤道方向移动 染色体