10遗传物质的结构和功能

1、遗传物质的结构和功能浙江省绍兴县柯桥中学 312030 叶建伟1考纲考点解读11考纲介绍 考纲主要包括：DNA是遗传物质的证据；DNA的结构和特性；DNA的变性与复性；DNA的复制；基因结构和基因的表达与调控；RNA的结构；蛋白质的生物合成；染色体的结构。12难点释疑 121DNA的结构和特性DNA的一级结构为脱氧核苷酸之间通过3,5磷酸二酯键连接成的脱氧核苷酸链。二级结构：反向平行的双螺旋结构。即一条链从53，另一条链从35，两条链都是右手螺旋，螺旋表面有一条大沟和一条小沟。每个碱基对之间的距离是0.34nm，相邻核苷酸彼此相差360，含有10对碱基，每一螺旋长为3.4nm，螺旋直径2nm。

2、三级结构：在二级结构的基础上的超螺旋结构。另外RNA也具有三级结构，但是大家熟悉的tRNA 的“三叶草型结构”是二级结构，而目前了解到的tRNA的三级结构的形状为倒写的字母“L”,是在“三叶草型结构”的二级结构的基础上发生扭曲形成的。122双螺旋结构的稳定性因素：大量氢键显然可以增加DNA的稳定性，但是氢键太弱；堆积碱基间的疏水作用(碱基堆积力)是稳定DNA结构的最重要的因素。还有盐键(离子键)可以减少双链间的静电斥力，因而对DNA双螺旋结构也有一定的稳定作用。所以双螺旋稳定性的最主要因素是碱基堆积力。123核酸的紫外吸收性质：核酸中的嘌啉和嘧啶环的共轭体系强烈吸收260290nm波段紫外光，

3、其最高的吸收峰接近260nm。实验室利用核酸对紫外线的吸收情况测定DNA和RNA的纯度。对待测样品可用紫外分光光度计读出260nm与280nm的OD值，从OD260OD280 的比值即可判断样品的纯度。纯的DNA是1.8，纯的RNA是2.0。124核酸的变性和复性：高温、酸、碱以及某些变性剂(如尿素)能破坏核酸中的氢键，使有规律的螺旋型双链结构变成单链的，称为核酸的变性。变性后，核酸的紫外吸收值急剧增加，生物活性丧失等变化。通常把热变性温度，即加热使溶液中DNA分子的50成为单链时，所需温度称为“熔点”符号：Tm 。G-C碱基对含量越多的DNA,其Tm值越高。DNA水溶液加热变性时，如果缓慢冷

4、却（退火），则两条链可能发生特异的重组合而恢复成双螺旋。称为“复性”。 125DNA的复制1）复制的过程：DNA的复制都有固定起点。DNA聚合酶都只能延长已存在的DNA链，而不能从头合成，所以DNA复制时，先由RNA聚合酶在DNA模板上合成一段RNA引物，再由DNA聚合酶从RNA引物3端开始合成新的DNA链。DNA链的合成方向为53。由于DNA双螺旋的两条链是反向平行的，因此在复制叉附近解开的DNA链一条是53,另一条是35，所以DNA复制时，一条新链可以连续地按53方向合成，称为“前导链”；另一条链的合成则是不连续的，即先按53方向合成若干片断(冈崎片断)，再通过DNA连接酶将两个冈崎片断连

5、接起来，形成另一条链(滞后链)。2）真核生物和原核生物的DNA复制有差异：真核生物每个DNA上有多处复制起始点，而原核生物只有一个起始点；真核生物的染色体在全部完成复制之前，各个起始点上DNA的复制不能再开始，而在快速生长的原核生物中，复制起始点上可以连续开始新的DNA复制，表现为虽然只有一个复制单元，但可以有多个复制叉。125基因的表达与调控1）基因表达的调控序列原核生物基因的调控序列主要有启动子和终止子。所有原核生物基因的启动子都存在两段共同的序列，即位于-10bp处TATA区及35bp处的TTGACA区。这两个区是RNA聚合酶与启动子的结合位点，并具有很高的亲和力。强启动子-10bp与-

6、35bp区之间的间隔为17±1bp，增大或减小能明显影响启动子强度。终止子位于编码区下游紧靠转录终点的位置，能阻碍RNA聚合酶的移动，使其从DNA膜板链上脱离下来。5增强子CAAT框TATA框转录起始点外显子1外显子2外显子3AATAAA转录终止点回文顺序3内含子1内含子2真核生物的基因结构示意图真核生物基因调控序列：位于转录起始点上游-25-30bp处的共同序列TATAAAAG，也称为TATA区。它是RNA聚合酶的重要接触点。在起始位点上游70-78bp处还有另一段共同序列CCAAT，这是与原核生物中35bp处的TTGACA相对应的序列，称为CAAT区（CAAT box）。它是RN

7、A聚合酶的另一个结合点。在转录起始上游约200bp处的两段72bp长的重复序列，它不是启动子的一部分，但能增强或促进转录的起始，这段序列称为增强子或强化子。3端终止密码的下游有一个核苷酸序列为AATAAA，这一序列对mRNA的加尾（mRNA尾部添加多聚A）有重要作用，这个序列的下游是一个反向重复序列。AATAAA序列和它下游的反向重复序列共同组成终止子，是转录终止的信号。2）真核生物转录产物的“加工”原核生物mRNA不需要加工，它在合成尚未完成时已开始在蛋白质生物合成系统中发挥作用。真核生物mRNA前体要进行加工处理，主要包括4个过程：在mRNA前体的5端加上一个7-甲基鸟苷作为帽子。mRNA

8、的加帽可以促进mRNA与核糖体的结合，而延长mRNA的寿命。在mRNA前体的3端加上一条具有150200个腺苷酸的序列，称为多聚（A）（polyA）。它与mRNA顺利进入细胞质有关。在mRNA帽子的5末端，一般有23个核苷酸被甲基化。将初级RNA转录物中的内含子转录部分切除，然后将由外显子转录部分区段连接起来。mRNA的加工在细胞核内进行，加工完成后形成成熟的mRNA后才离开细胞核进入细胞质。tRNA、rRNA的前体也需要加工，如有些tRNA加工时需要添加3端的CCA三核苷酸序列，它是tRNA与氨基酸的结合部位。3）翻译（蛋白质的生物合成）蛋白质的合成分5个阶段：氨基酸的激活；肽链合成的启动；

9、肽链的延长；肽链合成的终止和释放；肽链的折叠和加工处理。氨基酸的激活：在氨酰-tRNA合成酶的作用下氨基酸被激活且转移到tRNA分子上形成氨酰-tRNA。肽链合成的启动：核糖体的小亚基首先与mRNA结合，再与tRNA结合，最后再与核糖体大亚基结合形成具有起始功能的核糖体即起始复合物。肽链的延长：核糖体沿着mRNA按53方向移动逐渐使肽链延长，可分成4个步骤进位（新的氨酰-tRNA进入核糖体的A部位）；转肽（新的氨基酸与原来的肽链形成新的肽键）；脱落（转肽后，P部位上的tRNA脱落）；移位（核糖体移动的同时，原处于A部位带有肽链的tRNA随即转到P部位）这四个步骤一再重复，直至肽链延长到必需的长

10、度。肽链合成的终止和释放：当核糖体移到终止密码子时，P部位上的转肽酶的作用转变成水解作用，并将tRNA与多肽链之间的酯键水解释放出新生多肽链。一旦tRNA脱落，核糖体也从mRNA上脱落，解离为大、小两个核糖体亚基。肽链的折叠和加工处理：水解脱去N端的甲酰基，再切去一个或多个N端的氨基酸；将N端的信号肽（分泌性蛋白质具有）除去；mRNA中没有胱氨酸的密码子，二硫键是通过两个半胱氨酸的硫氢基氧化形成的；在专一性的蛋白酶水解去掉部分肽段；由多个肽链及其它辅助成分（如脂类、核酸、血红素等）构成蛋白质。蛋白质合成所需的能量：每一分子氨酰-tRNA的形成需要两个高能磷酸基团（1个ATP提供）。在延长过程中

11、有一分子GTP水解成GDP。在移动过程中又有一分子GTP水解，因此完整多肽链中酶形成一个肽键至少需要4个高能键。2典型例题精析甲 乙【例1】流式细胞器是一种复杂的仪器，用以确定悬浮态细胞中的DNA含量。当正常（非肿瘤）的哺乳动物细胞用这种方法测定时，DNA含量在整个细胞群体中的分布如右图甲所示(横坐标表示某细胞的DNA含量，纵坐标是具有某DNA含量的细胞数)。当用某种化合物处理该细胞培养几小时后，DNA含量的分布如乙所示。该化合物起什么作用？ 第8届IBO （ ）A抑制DNA复制的起始 B在任何阶段都抑制DNA复制 C抑制细胞质分裂D刺激不受控制的DNA复制 E刺激不受控制的细胞分裂【分析】某

12、化合物处理前（图甲），DNA含量低的细胞占绝大多数，而用某化合物处理后（图乙）,细胞群体中DNA含量高的占绝大多数，也就是说某化合物的作用结果是将DNA含量低的细胞转变成了DNA含量高的细胞，即细胞能完成DNA的复制，但不能完成一分为二的过程。这说明该化合物不是抑制DNA复制，而是抑制了细胞质的分裂。 故答案：C【例2】在真核细胞中，氨基酸参入肽链的第一步反应需要下列何种作用？ （ ）A.甲酰甲硫氨酰tRNA结合在核糖体上 B.核糖体30s亚基结合在50s亚基上C.mRNA结合在核糖体30s亚基上 D.氨基酰tRNA合成酶参与 E.起始因子【分析】氨基酸参入多肽链的第一步被称为活化步骤，是由氨

13、基酰tRNA合成酶催化的。这步反应包括在消耗ATP时，氨基酸与其专一tRNA之间的酯化作用。反应中生成的焦磷酸迅速为焦磷酸酶水解，从而保证了此反应的迅速完成。其他步骤还包括起始（涉及mRNA和第一个氨基酰tRNA结合在核糖体30s亚基上）、延伸（在该步骤中多肽链通过添加另一氨酰tRNA而延长）和终止（使多肽链从核糖体上释放，这是由mRNA上专门的终止密码控制的）。故答案：D3适应性例题训练多核糖体可能在细胞质中自由存在，或者附着于内质网上，哪一种因素决定mRNA分子在“自由”和“固着”的多核糖体上转译 （ ）A取决于这种mRNA密码决定的多肽中的氨基酸顺序B如果这种mRNA具有一种多聚腺苷酸尾端，它将被转译到固着的多核糖体上，如果它没有尾端，它将被转译到自由的多核糖体上C如果mRNA有5帽，它将被转译到固着的多核糖体上，如果它没有帽，它将被转译到自由的多核糖体上D如果那些mRNA短于1000核苷酸残基时，会被转译到自由多核糖体上；而长于1000核苷酸残基时，会被转译到固着多核糖体上。E事实上与细胞类型有关，在一些细胞中mRNA主要转译到自由多核糖体上；在另一些细胞中主要转译到固