遗传学：朱军第三版：第03章 遗传物质的分子基础ppt课件.ppt

第三章遗传物质的分子基础P31 遗传学在微观水平的深入 基因的化学基础是什么 遗传的染色体理论认为 基因位于核内染色体上染色体的主要化学成份 蛋白质和核酸何者为基因的化学基础 蛋白质是遗传物质 观点及其主要论据基因化学本质的条件 具有三种功能 P31 遗传功能 复制与世代传递 表型功能 具有适当的控制性状的表达机制 进化功能 能够产生变异满足生物进化的要求 遗传学在微观水平的深入 基因必须表现三种基本的功能 1 遗传功能即基因的复制 遗传物质必须贮存遗传信息 并能将其复制且一代一代精确地传递下去 2 表型功能即基因的表达 遗传物质必须控制生物体性状的发育和表达 3 进化功能即基因的变异 遗传物质必须发生变异 以适应外界环境的变化 没有变异就没有进化 三个学派 E Schrdinger 1945 薛丁格ErwinSchroedinger量子物理学家 Whatislife 薛丁格指出 基因是活细胞的关键组成部分 要懂得什么是生命就必须知道基因是如何发挥作用的 这本书向物理学家们预告一个生物学研究的新纪元就将开始 值得大家奋起钻研 很多物理学家都纷纷转向遗传学这个新领域进行研究 把物理学的思维方式也带入其中 促使遗传学的研究方法和思维方式发生了一场大的变革 从而获得了长足的发展 三个学派 二十世纪 由于物理学 化学和数学研究工作者的加入 在生物学与遗传学研究领域形成了三个学派 物理学 结构 结构学派化学 生化 生化学派数学 信息 信息学派 第三章遗传物质的分子基础 P31 64 P178 248 P258 267 第一节DNA作为主要遗传物质的证据P31第二节核酸的化学结构P34第三节染色体的分子结构P39第四节DNA的复制P43第五节RNA的转录及加工P49第六节遗传密码与蛋白质的翻译P56本章要点 第一节DNA作为主要遗传物质的证据 基因存在于染色体上 脱氧核糖核酸 DNA 核酸核糖核酸 RNA 组蛋白染色体蛋白质非组蛋白少量的拟脂与无机物质 27 6 66 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 一 DNA是遗传物质的间接证据P31 32二 DNA是遗传物质的直接证据P32 34 一 细菌转化试验 二 噬菌体侵染与繁殖试验P33 三 烟草花叶病毒拆合实验P33 34 三 非核酸类的遗传物质 第一节DNA作为主要遗传物质的证据 一 DNA是遗传物质的间接证据P31 1 DNA含量的恒定性 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代谢的稳定性 DNA在代谢上是比较稳定的 3 存在的普遍性 DNA是所有生物染色体所共有的 4 基因突变与紫外线诱变波长的关系 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2600埃 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 大部分DNA存在于染色体上 RNA和蛋白质在细胞质内也很多 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含量是恒定的 精子或卵子中的DNA含量正好是体细胞的一半 而细胞内的RNA和蛋白质量在不同细胞间变化很大 另外 多倍体系列的一些物种 其细胞中DNA的含量随染色体倍数的增加 也呈现倍数性的递增 DNA在代谢上比较稳定 细胞内蛋白质和RNA分子与DNA分子不同 它们在迅速形成的同时 又不断分解 而原子一旦被DNA分子所摄取 则在细胞保持健全生长的情况下 保持稳定 不会离开DNA 基因突变与DNA分子的变异密切相关 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 一 DNA是遗传物质的间接证据P31 一 细菌的转化肺炎双球菌有两种不同的类型 1 光滑型 S型 被一层多糖类的荚膜所保护 具有毒性 在培养基上形成光滑的菌落 2 粗糙型 R型 没有荚膜和毒性 在培养基上形成粗糙的菌落 P32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 二 DNA作为主要遗传物质的直接证据 1928 Griffith 首次将 R S 实现了细菌遗传性状的定向转化 被加热杀死的 S型肺炎双球菌必然含有某种促成这一转变的活性物质 P32图3 1 16年后 Avery等用生物化学方法证明这种引起转化的物质是DNA 他们将 S型细菌的DNA提取物与 R型细菌混合在一起 在离体培养条件下 成功的使少数 R型细菌定向转化为 S型细菌 如图 迄今 已经在几十种细菌和放线菌中成功地获得了遗传性状的定向转化 这些试验都证明起转化作用的物质是DNA 二 噬菌体的侵染与繁殖P33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 据研究T2噬菌体DNA进入到大肠杆菌内 可以利用大肠杆菌的材料来制造自己的DNA 蛋白质外壳和尾部 从而形成完整的新生的噬菌体 赫尔希等用同位素32P和35S分别标记T2噬菌体的DNA与蛋白质 因为P是DNA的组分 但不见于蛋白质 而S是蛋白质的组分 但不见于DNA 然后用标记的T2噬菌体 32P或35S 分别感染大肠杆菌 经10分钟后 用搅拌器甩掉附着于细胞外面的噬菌体外壳 P33图3 2 第一种情况下 基本上全部放射活性见于细菌内而不被甩掉并可传递给子代 第二种情况下 放射性活性大部分见于被甩掉的外壳中 细菌内只有较低的放射性活性 且不能传递给子代这样看来 主要是由于DNA进入细胞内才产生完整的噬菌体 所以说DNA是具有连续性的遗传物质 P331952年 Hershey等用放射性同位素标记32P标记T2噬菌体的DNA DNA中无S 35S标记T2噬菌体的Pro Pro中无P 二 噬菌体侵染大肠杆菌实验 二 噬菌体侵染大肠杆菌实验 三 烟草花叶病毒的感染和繁殖P33烟草花叶病毒 TMV 是由RNA与蛋白质组成的管状微粒 它的中心是单螺旋的RNA 外部是蛋白质的外壳 如图 1 拆分感染试验 将TMV的RNA与蛋白质分离 提纯 分别接种烟叶 发现RNA能使烟叶致病 而蛋白质不能 用RNA酶处理RNA后接种烟叶也不能致病 表明RNA可能就是TMV的遗传物质 三 烟草花叶病毒 TMV 感染实验 P33佛兰科尔 康拉特与辛格尔 Frankel Conrat H 和Singer B 把TMV的RNA与另一个病毒品系 HR Holmesribgrass 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的品系完全一样 亦即亲本的RNA决定了后代的病毒类型 图3 3 以上实例均直接证明DNA是生物主要的遗传物质 而在缺少DNA的生物中 RNA则为遗传物质 第二节核酸的化学结构P34 核酸 nucleicacid 是一种高分子的化合物 它的构成单元是核苷酸 nucleotide 两个核苷酸之间由3 和5 位的磷酸二脂键相连 核酸有两种 脱氧核糖核酸 DNA 和核糖核酸 RNA 两种核酸的主要区别如下 P35图3 4构成核苷酸分子的碱基结构 P34DNA通常是双链一般较长 RNA主要为单链 分子链较短 DNA分子是脱氧核苷酸的多聚体 含有4种脱氧核苷酸 脱氧腺嘌呤核苷酸 dATP 脱氧胸腺嘧啶核苷酸 dTTP 脱氧鸟嘌呤核苷酸 dGTP 脱氧胞嘧啶核苷酸 dCTP P36图3 5核酸分子的化学结构 一 早期对核酸化学性质的研究二 DNA的一级结构三 DNA的二级结构 四 RNA的分子结构 一 早期对核酸化学性质的研究 虽然上世纪中才认识到DNA的生物学功能 核酸研究却已有一百多年历史 F Mischer 1869 从外科绷带上脓细胞核中分离出一种不同于蛋白质的物质 含磷量高 并具有很强的酸性 他将这种物质称核质 素 nuclein A Kossel 1879 发现酵母等核质具有A G T C四种碱基 R Altamm 1889 将核素命名为核酸 nucleicacid Kossel 1901 又发现核酸中具有碳水化合物 糖 P A T Levene 1909 研究表明 酵母核酸含有五碳糖 核糖 Fisher 1914 人工合成核苷酸 P A T Levene 1929 又发现动物胸腺细胞核酸含有脱氧核糖 Levene将前者命名为核糖核酸 ribonucleicacid RNA 后者命名为脱氧核糖核酸 deoxy ribonucleicacid DNA 并指出动 植物中均存在这两种核酸 二 核酸的一级结构 关于碱基的种类 分子式 核苷酸的种类 结构等内容是生物化学中讨论的内容 请课后复习 在此谈三个关于核酸一级结构的内容 一 四核苷酸 假说 二 查伽夫定则及其意义 三 核苷酸序列及其测定 一 四核苷酸 假说 P A T Levene 1930 提出 四核苷酸 假说 认为 核苷酸是核酸的基本组成单位 核酸是 磷酸 核糖 碱基 磷酸 的核苷多聚体 四核苷酸假说奠定了核酸化学基础 但同时认为 核酸多聚体是由 四核苷酸结构 重复形成 每个四核苷酸结构包含四种碱基各一个 所以事实上认为在任何DNA中 四种碱基是等量的 DNA是四核苷酸结构的简单重复 这种观念影响了人们对核酸生物学功能的进一步认识 二 查伽夫定则及其意义 E Chargaff于1946 1950年根据纸层析 离子交换层析和紫外分光光度试验结果提出查伽夫定则 四种碱基的数量不是等量的 同一物种DNA碱基组成不变 而物种间则有很大不同 嘌呤碱基总量与嘧啶碱基的总量 克分子总量 相等 A G T C 且A T G C 二 查伽夫定则及其意义表3 1不同物种中DNA的碱基成分百分比 P37图3 7两条多核酸链间氢键相连 P37图3 7两条多核酸链间氢键相连 三 核苷酸序列及其测定 查伽夫定则表明 核酸并不是四核苷酸结构的简单重复 核酸的碱基序列信息可能具有重要意义 以后的研究表明 碱基序列正是核酸生物学功能的基础 是遗传信息的内在形式 DNA及RNA分子序列分析技术也是最重要的分子遗传学研究技术 Sanger双脱氧法 Maxam Gillbert化学法 基于化学法的DNA序列自动分析仪已成为常规实验设备 DNA的二级结构 DNA分子结构的研究1 鲍林研究小组2 威尔金斯 富兰克林研究小组3 沃 华 生 克里克研究小组 DNA分子结构的研究 在 四核苷酸结构 理论的误导下 人们普遍认为核酸的组成 结构简单 可能不具有重要功能 一度忽略了对核酸的研究 上世纪中期 众多研究表明 核酸是遗传信息的载体 显然DNA的结构研究是进一步研究其功能和作用方式的基础 也由此激发了科学家从事核酸结构研究的兴趣 当时进行DNA结构研究的科学家很多 最重要有 1 鲍林研究小组 主要工作 鲍林 Pauling 等1951年 提出蛋白质 螺旋模型后 开始研究DNA分子结构根据阿斯伯利Astbury等1938年获得的DNA分子晶体X射线衍射图像 显示DNA分子晶体呈螺旋结构 进行研究提出DNA分子三链螺旋结构模型 引入多链 螺旋和氢链等概念评价 虽然他们提出的模型并不正确 但是其研究方向和所采用的方法却为DNA分子结构模型研究确立了方向注 1954年鲍林因研究物质聚合力 氢链 而获得诺贝尔化学奖 2 威尔金斯 富兰克林研究小组 主要工作 Wilkins和Franklin改进了DNA分子晶体X射线衍射图谱技术 于1951年获得了更为清晰的图像 结果表明 碱基位于螺旋内侧而磷酸基团在外侧 同时测得了DNA螺旋的直径和螺距 aboutFranklin罗莎琳德 富兰克林 3 沃生 克里克研究小组 Waston Crick 1951 1953 研究手段非常简单 用纸板等做磷酸 核糖和碱基模型 拼凑DNA分子的三维结构 理论知识深厚 富于创造性 视野广阔 收集信息全面并善于分析利用 3 沃生 克里克研究小组 主要基于Chargaff Pauling和Wilkins等三个方研究成果 Watson和Crick于1953年提出了他们的第三个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 为此Watson Crick和Wilkins于1962年获得了诺贝尔生理学及医学奖 二 DNA分子双螺旋结构模型1 DNA分子双螺旋结构模型要点2 DNA双螺旋结构模型的意义3 DNA分子构型的多态性 1 DNA分子双螺旋结构模型要点P35 2 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 3 DNA分子构型的多态性P38 3 DNA分子构型的多态性P38 1953年 瓦特森 Watson J D 和克里克 Crick F 根据碱基互补配对的规律以及对DNA分子的X射线衍射研究的成果 提出了著名的DNA双螺旋结构模型 图3 7 这个模型最主要特点有 1 由两条互补的多核苷酸链以右手螺旋的形式 彼此以一定的空间距离 平行地环绕于同一轴上 很象一个扭曲起来的梯子 2 两条多核苷酸链走向为反向平行 antiparallel 即一条链磷酸二脂键为5 3 方向 而另一条为3 5 方向 二者刚好相反 3 每条长链的内侧是扁平的盘状碱基 碱基一方面与脱氧核糖相联系 另一方面通过氢键 hydrogenbond 与它互补的碱基相联系 相互层叠宛如一级一级的梯子横档 互补碱基对A与T之间形成两对氢键 而C与G之间形成三对氢键 图3 8 上下碱基对之间的距离为3 4nm 4 每个螺旋为3 4nm长 刚好含有10个碱基对 其直径约为2nm 5 在双螺旋分子的表面大沟 majorgroove 和小沟 minorgroove 交替出现 由此可知 DNA的分子结构是由A T和C G两种核苷酸对从头到尾连接起来的 每个DNA分子一般有上万个这两种核苷酸对 但是它们在分子链内排列的位置和方向只有以下四种形式 对一特定物种的DNA分子来说 其碱基顺序是一定的 并且通常保持不变 这样才能保持该物种遗传特性的稳定 只有在特殊的条件下 改变其碱基顺序或位置或以碱基类似物代替某一碱基时 才出现遗传的变异 突变 近来发现DNA的构型并不是固定不变的 除主要以瓦特森和克里克提出的右手双螺旋构型存在外 还有许多变型 瓦特森和克里克提出的双螺旋构型称为B DNA B DNA是DNA在生理状态下的构型 当DNA在高盐浓度下时 则以A DNA形式存在 A DNA是DNA的脱水构型 它也是右手螺旋 但每螺圈含有11个核苷酸对 A DNA比较短和密 现在还发现 某些DNA序列可以以左手螺旋的形式存在 称为Z DNA 二 DNA构型之变异P37 DNA的化学结构P37 三 RNA的分子结构P38 就其化学组成上看 由四种核苷酸组成的多聚体 它与DNA的不同 首先在于以U代替了T 其次是用核糖代替了脱氧核糖 此外 绝大部分RNA以单链形式存在 但可以折叠起来形成若干双链区域 在这些区域内 凡互补的碱基对间可以形成氢键 图3 10 但有一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA 第三节染色体的分子结构P39 一 原核生物染色体与真核生物相比 原核生物的染色体要简单得多 其染色体通常只有一个核酸分子 DNA或RNA 其遗传信息的含量也比真核生物少得多 病毒染色体只含一个DNA或者RNA分子 可以是单链也可以是双链 大多呈环状 少数呈线性分子 细菌染色体均为环状双链DNA分子 虽然病毒和细菌的染色体比真核生物小得多 但其伸展长度比其本身仍要大得多 近年来研究发现 原核生物的染色体并不是象过去人们认为的那样是 露裸 的DNA分子 其DNA分子同样与蛋白质和RNA等其它分子结合 噬菌体的染色体结构 P39图3 11大肠杆菌的染色体DNA分子伸展有1200 m长 细菌直径1 2 m P39图3 12大肠杆菌的染色体结构模型 P39图3 12大肠杆菌的染色体结构模型 二 真核生物染色体P40 一 染色质的基本结构染色质 chromatin 是染色体在细胞分裂的间期所表现的形态 呈纤细的丝状结构 故亦称为染色质线 chromatinfiber DNA组蛋白 H1 H2A H2B H3和H4染色质蛋白质非组蛋白少量核糖核酸 RNA 二 真核生物染色体P40 奥林斯 OlinsA L 1974 1978 柯恩柏格 KornbergR D 1974 1977 钱朋 ChambonP 1978 通过电镜观察和研究 提出染色质结构的串珠模型 染色质的基本结构单位是核小体 nucleosome 连接丝 linker 和一个分子的组蛋白H1 每个核小体的核心是由H2A H2B H3和H4四种组蛋白各以两个分子组成的 其形状近似于扁球状八聚体 图3 13 DNA双螺旋就盘绕在这八个组蛋白分子的表面 连接丝把两个核小体串联起来 它是两个核小体之间的DNA双链 组蛋白H1结合于连接丝与核小体的接合部位 影响连接丝与核小体结合的长度 P41根据染色反应 间期细胞核中的染色质可以分为两种 异染色质是染色质线中染色很深的区段 这称为异染色质区 heterochromatinregion 常染色质是染色很浅的区段 这称为常染色质区 euchro matinregion 据分析 两者在化学性质上没有什么差别 核酸的紧缩程度及含量上的不同 二者在结构上是连续的 在同一染色体上所表现的这种差别称为异固缩 heteroch romatin 现象 异染色质 常染色质 蝙蝠胃内膜细胞间期细胞中的染色质分布 染色体的这种结构与功能密切相关 常染色质可经转录表现为活跃的遗传功能 而异染色质一般不编码蛋白质 只对维持染色体结构的完整性起作用 放射自显影的实验证明 异染色质的复制时间总是迟于常染色质 异染色质又可分为组成型异染色质 constitutiveheteroch romatin 和兼性异染色质 facutativeheterochromatin 组成型异染色质主要是卫星DNA 构成染色体的特殊区域 如着丝点部位等 只与染色体结构有关 一般无表达功能 兼性异染色质可以存在于染色体的任何部位 它可以在某类细胞内表达 而在另一类细胞内完全不表达 每条染色单体包括一条染色线 chromonema 以及位于线上许多染色很深 颗粒状的染色粒 chromomere 现已证实每个染色体所含的染色质线是单线的 即一个染色体所包含的两条染色单体都分别是单线的 换言之 每条染色单体是一个DNA分子与蛋白质结合形成的染色质线 二 染色体的结构模型P41在细胞有丝分裂的中期 利用光学显微镜可以观察到 染色体的结构是由两条染色单体 chromatid 组成的 细胞分裂过程中染色质线至少存在三个层次的卷缩 图3 14 第一个层次是DNA分子超螺旋化形成核小体 产生直径约为10nm的间期染色质线 在此过程中组蛋白H2A H2B H3和H4参与作用 第二个层次是核小体的长链进一步螺旋化形成直径约为30nm的超微螺旋 称为螺线管 solenoid 此过程中组蛋白H1参与作用 最后是染色体螺旋管进一步卷缩 并附着于由非组蛋白形成的骨架 或者称中心 图3 15 上面成为一定形态的染色体 P42图3 15非组蛋白组成的染色体骨架 染色体形成过程中长度与宽度的变化 在细胞分裂过程中 染色质是如何螺旋化形成染色体的呢 Bak等人提出了染色质螺旋化的四级结构模型 核小体 螺线体 超螺线体 染色体 解释了这个问题 三 着丝粒和端体P42 染色体另外二个重要的结构就是着丝粒 centromoere 和端体 telomere 1 着丝粒是染色体的缩缢部位 是细胞分裂过程中纺锤丝 spindlefiber 结合的区域 着丝粒在细胞分裂过程中 对染色体向子细胞的正确分配起着关键的作用 缺少着丝粒的染色体片段 由于没有纺锤丝的牵引 在细胞分裂过程中经常容易丢失 三 着丝粒和端体P42 2 端体 telomere 也就是染色体的末端 存在着特珠的结构 主要有三方面的功能 防止染色体末端为DNA酶酶切 防止染色体末端与其它DNA分子的结合 使染色体末端在DNA复制过程中保持完整 第四节DNA的复制P43 一 DNA复制的一般特点 一 半保留复制 半保留复制 semiconservativereplication 复制时DNA双链解开并以每一单链为模板来形成另一对应的新链 图3 16 DNA自身的复制方式 半保留复制 复制的拓扑学P46 复制的酶学P44 DNA的酶促合成 DNA聚合酶 RNA引物酶 解旋酶 连接酶 拓扑异构酶 外切酶 内切酶 复制的忠实性 准确性 半保留复制 证明实验 双链环状DNA的复制 放射自显影技术 复制的调控 DNA复制的起点 单起始点与多起始点 复制子 复制叉P43 44 复制的方向 单向与双向 P44图3 17 链的延伸 半不连续 冈崎片段 5 3 P46 复制的终止 DNA复制过程的概括 半保留复制 复制叉的结构 DNA复制的过程 二 复制起点和复制方向 多数细菌及病毒 只有一个复制起点 控制整个染色体的复制 所以整个染色体也就是一个复制子 在真核生物中 每条染色体的DNA复制则是多起点的 多个复制起点共同控制一条染色体的复制 即每条染色体有多个复制子 图3 17 复制子 replicon 是指在同一个复制起点控制下合成的一段DNA序列 大肠杆菌和其它许多原核生物的环状DNA复制是双向的 即DNA的复制从复制起点开始 向二个方向同时进行 最后相遇 完成复制 真核生物的研究发现 其复制也是双向的 但近来发现 并不是所有的生物DNA的复制都是双向的 如 噬菌体T2 其DNA的复制就是沿一个方向进行的 5 3 复制方向 从起点开始是沿着一个方向进行的呢 还是双向的 二 原核生物DNA合成P44 一 有关DNA合成的酶 1957年科恩伯格 Kornberg A 及其同事 从大肠杆菌中分离DNA聚合酶 polymerase 聚合酶 在有DNA 4种脱氧核苷酸及Mg 的情况下 在离体条件下可以合成DNA 后来发现 DNA聚合酶 只有在引物DNA提供3 端自由羟基的情况下 才使DNA链从5 向3 方向延伸 实际上在此实验体系中的DNA起着模板和引物的双重作用 DNA聚合酶 由一条多肽链组成 含有928个氨基酸 分子量约为109 000道尔顿 编码此酶的基因为polA 后来 从polA基因突变株中又分离出二种DNA聚合酶 分别命名为DNA聚合酶 和DNA聚合酶 三种DNA聚合酶有一些共同的特性 从而决定DNA合成的特点 1 三种酶都只有5 3 聚合酶的功能 而没有3 5 聚合酶功能 说明DNA链的延伸只能从5 向3 端进行 2 它们都没有直接起始合成DNA的能力 只能在引物存在下进行链的延伸 因此 DNA的合成必须有引物引导才能进行 3 三种酶还都有核酸外切酶的功能 可对合成过程中发生的错识进行校正 从而保证DNA复制的高度准确性 二 DNA复制的过程P45 1 半保留复制 双向复制2 有引物的引导 为RNA3 延伸方向为5 3 4 一条链一直从5 向3 方向延伸 称前导链 连续合成 另一条先沿5 3 合成冈崎片段 再由连接酶连起来链 后随链 不连续合成 二 DNA复制的过程P45 P45图3 18DNA解旋 P46现在发现主要有二类DNA拓扑异构酶 DNA拓扑异构酶I 只对双链DNA中的一条链进行切割 产生切口 nick 每次切割只能去除一个超螺旋 此过程不需要外加能量 DNA拓扑异构酶II 可以对双链DNA的二条链同时进行切割 每次切割可以去除二个超螺旋 此过程需要ATP提供能量 3 一条DNA链连续合成 一条链不连续P46 从电子显微镜和放射自显影的结果可知 DNA两条新链的合成是从一个复制叉 replicatingfork 向着同一个方向延伸的 而组成DNA双螺旋的互补双链具有相反的方向 一条从5 3 而另地条3 5 为反向平行 二条DNA新链 只有一条DNA链的合成是连续的 而另一条则是不连续的 所以从整个DNA分子水平来看 DNA二条新链的合成方向是相反的 但是都是从5 向3 方向延伸 把一直从5 向3 方向延伸的链称作前导链 leadingstrand 它是连续合成的 在前导链上 DNA引物酶只在起始点合成一次引物RNA DNA聚合酶III就可开始进行DNA的合成 另一条先沿5 3 方向合成一些片段 然后再由连接酶将其连起来的链 称为后随链 laggingstrand 其合成是不连续的 图3 19 后随链上合成的DNA不连续单链小片段称为冈崎片段后随链DNA的合成 每个 冈崎片段 的合成都需要先合成一段引物RNA 然后DNA聚合酶 才能进行DNA的合成 随后 引物RNA被切除 并为新合成的DNA片段所替代 在大肠杆菌中 引物RNA被切除过程是在DNA聚合酶 的催化下完成的 因为DNA聚合酶I有5 3 端核酸外切酶的功能 它可以将RNA引物切除同时利用其5 3 聚合酶功能 以临近 冈崎片段 的3 端自由 OH进行DNA的合成 从而将RNA引物替换为DNA链 最后由DNA连接酶 DNAligase 将 冈崎片段 连接起来 形成一条完整的新链 图3 20 复制叉的结构 最后 简要说明一下RNA病毒中RNA的自我复制 大多数RNA病毒是单链的 这种RNA的复制一般是先以自己为模板合成一条互补的单链 通常称病毒原有的 起模板作用的链称为 链 而新复制的RNA链称为 链 这样就形成了双螺旋的复制类型 replicativeform 然后这个 链又从 链模板释放出来 它也以自己为模板复制出一条与自己互补的 链 于是形成了一条新生的病毒RNA 三 真核生物DNA合成P48 P48图3 21 增殖细胞核抗原 Proliferatingcellnuclearantigen PCNA 第五节RNA的转录及加工P49 遗传物质不管其化学性质如何 其必须具有遗传 表达和变异等三种基本功能 下面我们介绍其第二个重要的功能 基因表达 基因的表达 第一步DNA转录 transcription 为RNA 然后由RNA再翻译 translation 成蛋白质 转录 就是以DNA的一条链为模板 在RNA聚合酶的作用下 以碱基互补的方式 以U代替T 合成mRNA 在细胞核内将DNA的遗传信息转录到RNA上 翻译 就是mRNA携带着转录的遗传密码 附着在核糖体上 把tRNA运来的各种氨基酸 按照mRNA的密码顺序 相互连接起来成为多肽链 并进一步折叠起来成为立体蛋白质分子 RNA的复制 先介绍RNA的转录 一 三种RNA分子P49 信使RNA messengerRNA mRNA 转移RNA transferRNA tRNA 核糖体RNA ribosomalRNA rRNA 三种不同的RNA分子在基因的表达过程中起重要的作用 一 mRNA 前面已经介绍 生物的遗传信息主要贮存于DNA的碱基序列中 但DNA并不直接决定蛋白质的合成 而且在真核细胞中 DNA主要存在于细胞核的染色体上 而蛋白质的合成中心却位于细胞质的核糖体上 因此 它需要一种中介物质 才能把DNA上控制蛋白质合成的遗传信息传递给核糖体 mRNA的功能就是把DNA上的遗传信息精确无误地转录下来 然后 由mRNA的碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序 是基因表达过程中遗传信息传递的中介 它起着传递信息的作用 因而称为信使RNA mRNA 在真核生物中 转录形成的RNA中 含有大量非编码序列 大约只有25 RNA经加工成为mRNA 最后翻译为蛋白质 未经加工的前体mRNA pre mRNA 在分子大小上差别很大 所以通常称为不均一核RNA heterogeneousnuclearRNA hnRNA 一 mRNA 二 tRNA转运RNAP49 如果说mRNA是合成蛋白质的蓝图 则核糖体是合成蛋白质的工厂 由于合成蛋白质的原材料 20种氨基酸与mRNA的碱基之间缺乏特殊的亲和力 因此 必须用一种特殊的RNA 转移RNA tRNA 把氨基酸搬运到核糖体上 tRNA能根据mRNA的遗传密码依次准确地将它携带的氨基酸连结成多肽链 每种氨基酸可与1 4种tRNA相结合 现在已知的tRNA的种类在40种以上 二 tRNA转运RNAP49 tRNA是最小的RNA 其分子量约为27000 25000 30000 由70到90个核苷酸组成 1969年以来 研究了来自各种不同生物 如 酵母 大肠杆菌 小麦 鼠等的十几种tRNA的结构 证明它们的碱基序列都能折叠成三叶草叶型 图3 22 tRNA的结构的共性 图3 23 1 5 端之末具有G 大部分 或C 2 3 端之末都以ACC的顺序终结 3 有一个富有鸟嘌呤的环 4 有一个反密码子环 其的顶端有三个暴露的碱基 称为反密码子 这一个反密码子可以与mRNA链上同自己互补的密码子配对 5 有一个胸腺嘧啶环 rRNA核糖体RNAP50 三 rRNA 核糖体RNA 它是组成核糖体的主要成分 而核糖体则是合成蛋白质的中心 原核生物的核糖体所含的rRNA 有5S 16S及23S等三种 S为沉降系数 sedimentationcoefficient 当用超速离心测定一个粒子的沉淀速度时 此速度与粒子的大小成比例 真核生物的核糖体 含有4种rRNA和约80种蛋白质 四种rRNA为5S 5 8S 18S和28S rRNA是单链 它包含不等量的A与U G与C 但是有广泛的双链区域 在双链区 碱基因氢鍵相连 表现为发夹式螺旋 rRNA在蛋白质合成中的功能尚未完全明了 但16S的rRNA3 端有一段核苷酸序列与mRNA的前导序列是互补的 这可能有助于mRNA与核糖体的结合 三 rRNA 除了上述三种主要的RNA外 还有小核RNA smallnuclearRNA snRNA 是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体 spliceosome 的主要成份 另外 还有端体酶RNA telomeraseRNA 它与染色体末端的复制有关 以及反义RNA antisenseRNA 它参与基因表达的调控 上述各种RNA分子均为转录的产物 mRNA最后翻译为蛋白质 而rRNA tRNA及snRNA等并不翻译 其终产物即为RNA 二 RNA合成的一般特点P51 RNA的合成与DNA合成有以下三方面明显不同 1 所用的原料为核苷三磷酸 而在DNA合成时则为脱氧核苷三磷酸 2 只有一条DNA链被用作模板 而DNA合成时 两条链分别用作模板 3 RNA链的合成不需要引物 可以直接起始合成 而DNA合成一定要引物的引导 转录合成的RNA链 除了U替换为T以外 与用作模板的DNA链互补 而与另一条非模板链相同 如果转录的RNA是mRNA 其信息最后通过密码子决定蛋白质的合成 现在通常将用作模板 进行RNA转录的链称作模板链 templatestrand 而另一条则为非模板链 nontemplatestrand RNA链的合成与DNA链的合成同样 也是从5 向3 端进行的 此过程由RNA聚合酶 RNApolymerase 催化 RNA聚合酶首先在启动子部位 promoter 与DNA结合 形成转录泡 transcriptionbubble 并开始转录 在原核生物中只有一种RNA聚合酶完成所有RNA的转录 而在真核生物中 有三种不同的RNA聚合酶控制不同类型RNA的合成 RNA的合成也同样遵循碱基配对的规则 只是U代替了T 三 原核生物RNA的合成P51 通常把转录后形成一个RNA分子的一段DNA序列称为一个转录单位 transcriptunit 一个转录单位可能刚好是一个基因 也可能含有多个基因 RNA的转录可以分为三步 图3 24 1 RNA链的起始 2 RNA链的延长 3 RNA链的终止及新链的释放 在讨论有关RNA转录时通常要用到上游 upstream 和下游 downstream 二个概念 因为RNA的转录总是从5 向3 端进行 所以上游总是指RNA分子的5 端 而下游则指3 端 一 RNA聚合酶催化转录的RNA聚合酶是一种由多个蛋白亚基组成的复合酶 如大肠杆菌的RNA聚合酶有五个亚基组成 其分子量为480 000道尔顿 含有 和 等四种不同的多肽 其中 为二个分子 亚基与RNA聚合酶的四聚体核心 2 的形成有关 亚基含有核苷三磷酸的结合位点 亚基含有与DNA模板的结合位点 因子的作用就是识别转录的起始位置 并使RNA聚合酶结合在启动子部位 二 链的起始 RNA链转录的起始首先是RNA聚合酶在 因子的作用下结合于DNA的启动子部位 并在RNA聚合酶的作用下 使DNA双链解开 形成转录泡 为RNA合成提供单链模板 并按照碱基配对的原则 结合核苷酸 然后 在核苷酸之间形成磷酸二脂键 使其相连 形成RNA新链 因子在RNA链伸长到8 9个核酸后 就被释放 然后由核心酶催化RNA的延伸 启动子位于RNA转录起始点的上游 因子对启动子的识别是转录起始的第一步 三 链的延伸P53 RNA链的延伸是在 因子释放以后 在RNA聚合酶四聚体核心酶的催化下进行 因RNA聚合酶同时具有解开DNA双链 并使其重新闭合的功能 随着RNA的延伸 RNA聚合酶使DNA双链不断解开和重新闭合 RNA转录泡也不断前移 合成新的RNA链 图3 26 四 链的终止P53 当RNA链延伸遇到终止信号 terminationsignal 时 RNA转录复合体就发生解体 而使新合成的RNA链释放出来 现在发现在大肠杆菌中有二类终止信号 一类只有在存在蛋白质 的情况下 转录才会终止 称为依赖于 的终止 dependentterminator 第二类使转录终止不需要 的参与 所以称为不依赖于 的终止 independentterminator 实际上在原核生物中 RNA的转录 蛋白质的合成以及mRNA的降解通常可以是同时进行的 因为在原核生物中不存在核膜分隔的核 另外 RNA的转录和多肽链的合成都是从5 向3 方向进行 只要mRNA的5 端合成后 即可以进行蛋白质的翻译过程 在原核生物中mRNA的寿命一般只有几分种 因此 往往在3 端mRNA的转录还没有最后结束 5 端mRNA在完成多肽链的合成后 已经开始降解 四 链的终止P53 四 真核生物RNA的转录及加工P53 一 真核生物RNA转录的特点真核生物与原核生物RNA的转录过程主要有以下几点不同 图3 27 1 真核生物RNA的转录是在细胞核内进行而蛋白质的合成则是在细胞质内 所以 RNA转录后首先必须从核内运输到细胞质内 才能进行蛋白质的合成 四 真核生物RNA的转录及加工P53 四 真核生物RNA的转录及加工P53 2 真核生物mRNA分子一般只编码一个基因原核生物的一个mRNA分子通常含有多个基因 而少数较低等真核生物外 在真核生物中 一个mRNA分子一般只编码一个基因 3 真核生物RNA聚合酶较多在原核生物中只有一种RNA聚合酶催化所有RNA的合成 而在真核生物中则有RNA聚合酶I II III等三种不同酶 分别催化不同种类型RNA的合成 4 真核生物RNA聚合酶不能独立转录RNA在真核生物中 三种RNA聚合酶都必须在蛋白质转录因子的协助下才能进行RNA的转录 原核生物与真核生物RNA转录的区别1 真核生物RNA的转录是在细胞核内 翻译在细胞质中进行 原核生物则在核区同时进行转录翻译 2 真核生物一个mRNA只编码一个基因 原核生物一个mRNA编码多个基因 3 真核生物有RNA聚合酶 等三种不同的酶 原核生物则只有一种RNA聚合酶 4 真核生物中转录的起始更复杂 RNA的合成需要转录因子的协助进行转录 原核生物则较为简单 5 真核生物的mRNA转录后进行加工 然后运送到细胞质中进行翻译 原核生物无需进行加工 边转录边翻译 见后图 二 mRNA的加工P54 1 在mRNA前体的5 端加上7 甲基鸟嘌呤核苷的帽子 cap 2 在mRNA前体的3 端加上聚腺苷酸 poly A 的尾巴 3 如果基因中存在不编码的内含子序列 要进行剪接 将其切除 DNA RNA与蛋白质的合成DNA的碱基序列决定氨基酸序列的过程即蛋白质的合成过程 这个过程实际包括遗传密码的转录和翻译两个步骤 转录就是以DNA的一条链为模板 在RNA聚合酶的作用下 以碱基互补的方式 以U代替T 合成mRNA 在细胞核内将DNA的遗传信息转录到RNA上 动画B404翻译就是mRNA携带着转录的遗传密码 附着在核糖体上 把tRNA运来的各种氨基酸 按照mRNA的密码顺序 相互连接起来成为多肽链 并进一步折叠起来成为立体蛋白质分子 动画B405蛋白质在转译后的修饰 第六节遗传密码与蛋白质的翻译P56 一 遗传密码遗传密码 geneticcode 是生物蛋白质合成的密码 是遗传信息的单位 由A U C G组成 遗传密码又是如何翻译呢 首先是以DNA的一条链为模板合成与它互补的mRNA 根据碱基互补配对的规律 在这条mRNA链上 A变为U T变为A C变为G G变为C 因此 这条mRNA上的遗传密码与非模板DNA链是一样的 所不同的只是U代替了T 然后再由mRNA上的遗传密码翻译成多肽链中的氨基酸序列 一 密码子与氨基酸 DNA分子碱基只有4种 而蛋白质氨基酸有20种 碱基与氨基酸之间不可能一一对应关系 1 41 4种 缺16种氨基酸 2 42 16种 比现存的20种氨基酸还缺4种 3 43 64种 由三个碱基一起组成的密码子能够形成64种组合 20种氨基酸多出44种 简并 degeneracy 一个氨基酸由一个或一个以上的三联体密码所决定的现象 三联体或密码子 代表一个氨基酸的三个一组的核苷酸 二 遗传密码字典 每一个三联体密码所翻译的氨基酸是什么呢 从1961年开始 在大量试验的基础上 分别利用64个已知三联体密码 找到了相对应的氨基酸 1966 1967年 已全部完成了整套遗传密码的字典 如UGG为色氨基酸 三 遗传密码的基本特征 1 遗传密码为三联体 三个碱基决定一种氨基酸 61个为有意密码 起始密码为GUG AUG 甲硫氨酸 3个为无意密码 UAA UAG UGA为蛋白质合成终止信号 2 遗传密码间不能重复利用 在一个mRNA上每个碱基只属于一个密码子 均以3个一组的形成氨基酸密码 3 遗传密码间无逗号 AUGGUACUGUCA 甲硫氨酸缬氨酸亮氨酸丝氨酸 密码子与密码子之间无逗号 按三个三个的顺序一直阅读下去 不漏不重复 如果中间某个碱基增加或缺失后 阅读就会按新的顺序进行下去 最终形成的多肽链就与原先的完全不一样 称为移码突变 AUGUACUGU甲硫氨酸酪氨酸半胱氨酸 简并现象 色氨酸 UGG 和甲硫氨酸 AUG 例外 仅一个三联体密码 其余氨基酸都有一种以上的密码子 4 简并性 61个为有意密码 起始密码为GUG AUG 甲硫氨酸 3个为无意密码 UAA UAG UGA为蛋白质合成终止信号 简并现象的意义 生物遗传的稳定性 同义的密码子越多 生物遗传的稳定性也越大 如 UCU UCC或UCA或UCG 均为丝氨酸 5 遗传密码的有序性 决定同一个氨基酸或性质相近的不同氨基酸的多个密码子中 第1个和第2个碱基的重要性大于第3个碱基 往往只是最后一个碱基发生变化 例如 脯氨酸 pro CCU CCA CCC CCG 在整个生物界中 从病毒到人类 遗传密码通用 构成4个基本碱基符号 所有氨基酸 所有蛋白质 生物种类 生物体性状 1980年以来发现 具有自我复制能力的线粒体tRNA 转移核糖核酸 在阅读个别密码子时有不同的翻译方式 如 酵母 链孢霉与哺乳动物的线粒体 6 通用性 起始密码子与终止密码子 起始密码子 AUG 甲硫氨酸 甲酰甲硫氨酸 终止密码子 无义密码子 UAA 赭石 UAG 琥珀 UGA 乳白 通用性的另外情况 二 蛋白质的合成P58 蛋白质是由20种不同的氨基酸组成的多肽链 每种蛋白质都有其特定的氨基酸序列 遗传信息贮存于DNA里 由DNA所含的碱基序列决定氨基酸序列的过程即蛋白质的合成过程 也就是基因的表达过程 实际上包括遗传信息的转录和翻译两个步骤 蛋白质的合成 也就是遗传信息的翻译过程 翻译就是mRNA携带着转录的遗传密码附着在核糖体 ribosome 上 把由tRNA运来的各种氨基酸 按照mRNA的密码顺序 相互联结起来成为多肽链 并进一步折叠成为立体的蛋白质分子的过程 一 核糖体 核糖体是合成蛋白质的中心 是rRNA与核糖体蛋白结合起来的小颗粒 直径为14 30nm 核糖体包含大小不同的两个亚基 由镁离子Mg 结合起来的三维结构 一般呈不倒翁形 图3 29 一 核糖体 原核生物与真核生物核糖体的区别 二 在核糖体上合成蛋白质 蛋白质的合成 分链的起始 延伸和终止三个阶段介绍 1 多肽链的起始 首先甲酰化甲硫氨酰 tRNA与起始因子IF2结合形成第一个复合体 同时 核糖体小亚基与IF3和mRNA结合形成第二个复合体 二个复合体在起始因子IF1和一分子GDP的作用下 形成一个完整的30S起始复合体 fMet tRNA识别起始密码子AUG 进入核糖体的P位 释放出IF3 最后与50S大亚基结合 形成完整的70S核糖体 同时释放出IF1和IF2 完成肽链的起始 二 在核糖体上合成蛋白质 蛋白质的合成 分链的起始 延伸和终止三个阶段介绍 1 多肽链的起始 多肽链的延伸 多肽链的延伸 多肽链的终止 当多肽链的延伸遇到UAA UAG和UGA等终止密码子进入核糖体的A位时 多肽链的延伸就不再进行 图3 32蛋白质合成的终止 释放因子 多聚核糖体提高蛋白质的合成效率 多聚核糖体 指一条mRNA分子同时结合多个核糖体 形成一串核糖体的现象 这样 多个核糖体可以同时翻译一个mRNA分子 这就大大提高了蛋白质合成的效率 三 中心法则及其发展P63 中心法则 centraldogma 阐述生物世代 个体以及从遗传物质到性状的遗传信息流向 即遗传信息在遗传物质复制 性状表现过程中的信息流向 最初由Crick提出 并经过了多次修正 1 中心法则 从噬菌体到真核生物的整个生物界共同遵循的规律 遗传信息DNA mRNA 蛋白质的转录和翻译 以及遗传信息从DNA DNA的复制过程 2 中心法则的发展 图3 34 RNA的反转录RNA肿瘤病毒 反转录酶 以RNA为模板来合成DNA 如 HIV病毒RNA经反转录成DNA 然后整合到人类染色体中 对于遗传工程上基因的酶促合成 致癌机理研究有重要作用 增加中心法则中遗传信息的原有流向 丰富了中心法则内容 RNA的自我复制大部分RNA病毒还可以把RNA直接复制成RNA DNA指导的蛋白质合成60年代中期 McCarthy和Holland 试验体系中加入抗生素等 变性的单链DNA在离体条件下可以直接与核糖体结合 指导蛋白质的合成 中心法则的发展 蛋白质合成过程也就是遗传信息从DNA mRNA 蛋白质的转录和翻译的过程 以及遗传信息从DNA DNA的复制过程 这就是分子生物学的中心法则 本章小结 1 DNA是主要的遗传物质 间接证据 4个 直接证据 3个 2 核酸的化学结构 DNA的分子结构 双螺旋结构 自我复制 3 染色体的分子结构 原核生物染色体结构模