遗传物质稳定性

1、生物化学作业院 系：西北大学化工学院年 级：2009级专 业：化学工程与工艺姓 名：罗向男学 号：2009115017遗传因子在生物体中保持稳定性DNA 是几乎所有生物的遗传物质, 一个DNA 分子的碱基对只有4 种, 但数目成千上万, 甚至数百万, 故碱基对在分子中的排列方式是个天文数字. 生物体无数的遗传信息就蕴藏在这无数的DNA 分子的碱基排列顺序中. 这多样的DNA, 形成了多样的蛋白质, 也就形成了多样的生物界. 显然, 遗传物质的相对稳定性对生物的个体生存及物种的稳定延续起着十分重要的作用. 为此本文试从个体、群体和细胞分子水平来理解遗传物质的相对稳定性. 1. 稳定性1.1 .

2、染色体是遗传物质的载体, 每一种生物的染色体数目是恒定的. 多数高等动植物都是二倍体, 即每一体细胞中有两组同样的染色体( 有时性染色体可以不成对) . 体细胞不断增殖是通过有丝分裂来完成的, 分裂形成的两个新细胞的染色体在数目和形态上与原来体细胞完全一样; 减数分裂是生殖细胞形成的分裂方式, 通过减数分裂, 生殖细胞中染色体数目减少了一半, 精卵结合后的受精卵又恢复了二倍体染色体数, 保证了亲代、亲代与子代之间染色体数目的相对恒定. 1.2 . DNA 分子具有与众不同的物征性的、稳定的、三维空间结构. DNA 的两条多核苷酸链相互缠绕形成双螺旋结构, 糖基和磷酸根形成DNA 的骨架, 位于

3、螺旋外侧; 扁平的碱基分子碟子一样重叠在一起, 面对着螺旋体的中心. 双螺旋的反向平行、碱基堆积力及相应碱基对之间的氢键作用, 尤其稳定了DNA 分子的双螺旋结构. 1.3 . DNA 分子结构中储存着遗传信息, 它的复制是以半保留方式完成的. 自我复制是指以亲代DNA 分子为模板合成子代DNA 分子的过程. 1958 年, Mesel. son 和Stahl 研究了经15N 标记了三个世代的大肠杆菌DNA, 首次证明了DNA 的半保留复制. 研究结果说明, 新合成的两个DNA 分子完全一样, 其中都含有一条亲链和一条新合 成的子链, 即半保留复制. 体细胞和性母细胞在分裂过程中都要进行这种复

4、制, 使亲代细胞的遗传信息准确、均等的传递给子代细胞, DNA 的这种半保留复制保证了DNA 在代谢上的稳定性. 经过许多代的复制, DNA 多核苷酸链仍可保持完整, 存在与后代而不被分解掉. 这种稳定性与DNA 的遗传功能是相符的. 1.4 . 遗传的中心法则和碱基互补配对原则. 由DNA 合成DNA 及RNA 的过程, 使得DNA 分子中储存的遗传信息( 碱基序列) 变为RNA 分子的碱基顺序, 碱基互补配对具有严格的对应关系, A= T ( 或U ) , G= C, 确保遗传信息的准确传递. 进而又以RNA 为模板合成具有特异氨基酸顺序的与亲代相同的蛋白质. 这种遗传信息从DNA 传递给

5、RNA, 再从RNA 传递给蛋白质的转录和翻译过程, 以及遗传信息从DNA 传递给DNA 的复制过程, 即遗传的 中心法则!. 随着科学实验的进展, 中心法则! 以有新发展, 遗传信息还可由RNA 传向RNA, 由RNA 传向DNA , 这在遗传信息的传递上开辟了一条新的途径, 中心法则! 及其发展保证了遗传信息的准确传递和表达. 1.5 . 遗传密码与氨基酸的对应关系及突变与修复，传密码表可以看出, 共有61 种密码子和20 种氨基酸相对应, 其中大多数氨基酸具有一种以上的密码子, 这种现象称为简并, 这各氨基酸密码的简并性可以减少突变的影响, 避免了对蛋白质功能可能产生的有害作用; 起始密

6、码子的存在又决定了蛋白质编码顺序的可读性, 即决定了正确读取的可靠性. 突变, 即DNA 顺序的改变, 只有在编码区内的突变, 才有可能影响到蛋白质, 在非编码区或基因间区域的突变通常没有作用, 且在有机体内存在有多种DNA 修复机制, 如切除修复、直接修复和错配修复, 减少了突变的最终发生几率. 1.6 . DNA 重复顺序的出现，着生物进化水平的不断提高, 还出现了许多相同的DNA 重复顺序. 低等真核生物的大部分DNA 是非重复的, 重复组分不超过20% , 且基本是中等程度重复组分. 在动物细胞中, 接近一半的基因组DNA 被中等或高度重复的组分占据。在植物和两栖动物中非重复的DNA

7、只占基因组的很小一部分, 中等或高度重复的组分高达80% . 这种重复顺序保证了更高度的贮藏和运输遗传信息的可靠性, 产生更大的遗传潜力和更大的生物信息库, 保证已经获得的遗传性变异不致轻易丢失. 1.7 . 选择的作用，响群体基因频率的一个很重要的因素是选择. 就基因突变而言, 大部分基因突变是有害的, 如人类的遗传病基本上都是基因突变所形成的, 据估计, 我们每个人都是5 6 个有害基因的携带者. 当然, 突变率的增加, 可能增高群体的遗传负荷, 但显性致死基因突变发生后, 由于选择的作用, 此致死基因会在当代消失而不增加遗传负荷. 因此选择又可以降低群体的遗传负荷, 增加遗传的稳定性.

8、2. 可变性遗传物质是相对稳定的, 在一定的内外因素影响下是可变的, 遗传物质的改变包括染色体畸变和基因突变. .2.1 . 等位基因的存在，因突变普遍存于自然界中, 从病毒、细菌到人类, 都在不断发生基因突变, 这可涉及到个体的每一种性状, 各种等位基因就其来源说, 都可看作是原型基因的突变型. 由于突变的发生, 增加了等位基因. 群体中罕见的等位基因大多数存在与杂合基因中, 而不是在纯合子中. 以人类的白化性状为例, 白化个体( aa) 的频率为0.000 1, 在杂合子中的等位基因a 比在白化个体中的多100 倍. 此外, 一个等位基因的频率越低, 该等位基因存在于杂合子中的比例越大.

9、黑尿病隐性基因频率仅为0.001, 黑尿病患者的频率为面百分之一, 杂合子频率为千分之二. 杂合子中黑尿病基因的数目比纯合子中大1 000 倍. 可见, 等位基因的变化可以引起群体基因频率的改变. 2.2 . 各种基因在一定的群体中都有一定的自发突变率，突变是一种稀有事件, 但各种基因在一定的群体中都有一定的自发突变率. 在高等生物中, 各种基因的自发突变率为10- 5 10- 8/ 生殖细胞/ 代, 即每十万个或亿个生殖细胞中才有一个基因发生突变. 人类基因的自发突变率则约为10- 4 10- 6/ 生殖细胞/ 代, 即每万个到百个生殖细胞中就有一个基因发生突变. 2.3 . 突变的发生，突

10、变的发生与环境中化学试剂和物理因素有关. 例如, 电离辐射30 100 伦的照射即为加倍剂量, 可使人群的自发突变率增高一倍. 不少化学诱变剂存在于化学农药和工业污染中, 这些均可增加突变发生率, 毫无疑问环境污染会增高突变率. 2.4 . 同源染色全的重组及DNA 的转座，重组意味着一个DNA 分子上产生遗传信息的新的组合. 在减数分裂中由于同源染色体非姐妹染色单体之间发行局部交换, 形成不同染色体组成的配子, 使后代个体表现出一定的变异. 转座是由可移位因子介导的遗传物质重排现象, 转座有别于重组, 它依赖于DNA 复制, 转座发生的频率虽然很低, 但可以引发许多遗传变异, 如基因重排及质

11、粒. . . 染色体DNA 整合, 染色体缺失、倒位等. 2.5 . 染色体畸变与环境，在某些物理、化学因素的作用下, 可发生染色体数目和结构的畸变. 数目的改变有整倍体和非整倍体变异, 在人类中染色体非整倍体变异相对普遍, 一些常见的遗传病如先天愚型、18 三体综合征、猫叫综合征即为此类, 整倍体变异则常见于植物中. 有关植物染色体数目与环境关系的调查统计资料表明: 在一定的生态环境中, 植物的染色体数目是恒定的, 但是染色体的结构和数目常为生态环境所修饰, 使得同种植物出现了不同的细胞型, 甚至产生倍性的变异. 这种变异常与多倍体有关, 这与环境因素生长习性和繁殖方式等相关, 可能的原因是

12、同源多倍体具有适应能力, 并在独特的环境中占有地盘. 3. 遗传物质稳定性与可变性相对存在的意义3.1 . 遗传物质稳定性在生物物种繁殖中的意义，从遗传的细胞学基础与遗传的分子基础都已证明: 遗传物质的稳定性, 奠定了生物遗传的基础, 保证了物种的延续, 维持了个体的正常发育, 保持了物种的特性, 由此体现出生物界的相对稳定. 3.2 . 遗传物质可变性在生物进化中的意义，进化的基础是遗传的改变. 遗传物质的可变性为生物的变异提供了物质基础, 从而推动物种不断向前发展. 现已知道, 哺乳动物基因组的大小相仿, 都在30 亿对核苷酸左右, 而且许多个基因的序列都是相似的. 如人和黑猩猩相比, 据估计核苷酸序列的差别只有1.5% 左右, 正是这1.5%的差别决定了人为之而非黑猩猩. 研究表明, 分子水平上形成的遗传物质的改变. . . 突变, 是生物进化的基本要素之一, 它为物生进化提供了最根本、最原始的材料. 3.3 . 遗传物质稳定性与可变性的辩证统一，遗传物质的稳定性与可变性是从分析生物的内部矛盾运动所做出的概括. 物种的进化、发展是遗传物质稳定性与可变性相互作用的结果, 是体现质量的统一. 遗传物质稳定性是个相对保守的过程, 当受某种因