第三章-遗传物质的分子基础

第三章遗传物质的分子基础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。遗传学诞生后，在二十世纪的上半叶，人们建立了基因遗传的染色体理论，认为基因存在于染色体上。但对基因的化学本质没有作出回答。第1页，共73页。DNA作为主要遗传物质的间接证据：第一节DNA作为主要遗传物质的证据基因存在于染色体上(真核生物)：脱氧核糖核酸(DNA)核酸核糖核酸(RNA)组蛋白染色体

蛋白质非组蛋白其他：如拟脂与无机物质少量27%6%66%第2页，共73页。1．含量：DNA含量是恒定。体细胞中的DNA含量是配子DNA的一倍；多倍体中DNA含量倍增。但细胞内的蛋白质是不恒定的。2．代谢：利用放射性与非放射性元素进行标记，发现：DNA分子代谢较稳定；其它分子一面形成、同时又一面分解。3．突变：

紫外线诱发突变时，最有效的波长均为2600埃；与DNA所吸收的紫外线光谱是一致的；证明基因突变与DNA分子的变异密切联系。第3页，共73页。4．分布：①．DNA是所有生物染色体所共有：噬菌体、病毒、植物、人类。②．而蛋白质则不同：噬菌体、病毒、细菌的蛋白质一般不存在于染色体上，而真核生物的染色体中有核蛋白组成。第4页，共73页。ThechromosomeofE.coli第5页，共73页。ThechromosomeofbacteriophageT2第6页，共73页。

(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。二、DNA作为主要遗传物质的直接证据在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RⅠ，RⅡ和SⅠ、SⅡ、SⅢ等加以区别。第7页，共73页。肺炎双球菌转化实验（1）格里费斯（1928）：肺炎双球球菌定向转化试验p32。①无毒ⅡR型-->小鼠成活-->重现ⅡR型②有毒ⅢS型-->小鼠死亡-->重现ⅢS型③有毒ⅢS型(65℃杀死)-->小鼠成活④无毒ⅡR型+有毒ⅢS型(65℃杀死)-->小鼠-->死亡-->重现SⅢ型结论：在加热杀死的ⅢS型肺炎双球菌中有较耐高温的转化物质能够进入ⅡR型-->ⅡR型转变为ⅢS型-->无毒转变为有毒。第8页，共73页。16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SⅢ型细菌的DNA提取物与RⅡ型细菌混合在一起，在离体培养条件下，成功的使少数RⅡ型细菌定向转化为SⅢ型细菌。(如图）第9页，共73页。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。

第10页，共73页。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。(图3－2)第11页，共73页。放射活性大部分见于细菌内而不被甩掉并可传递给子代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。第12页，共73页。

(三)烟草花叶病毒的感染和繁殖烟草花叶病毒（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）第13页，共73页。如果将TMV的RNA与蛋白质分开，把提纯的RNA接种到烟叶上，可以形成新的TMV而使烟草发病；单纯利用它的蛋白质接种，就不能形成新的TMV，烟草继续保持健壮。如果事先用RNA酶处理提纯的RNA，再接种到烟草上，也不能产生新的TMV。这说明在不含DNA的TMV中，RNA就是遗传物质。为了进一步论证上述的结论，佛兰科尔－康拉特与辛格尔做了以下试验。第14页，共73页。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。第15页，共73页。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16页，共73页。第二节核酸的化学结构核酸(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：RNADNA酸磷酸磷酸糖D-核酸D-2-脱氧核酸含氮碱嘌呤腺嘌呤A鸟嘌呤G腺嘌呤A鸟嘌呤G嘧啶胞嘧啶C尿嘧啶U胞嘧啶C胸腺嘧啶T第17页，共73页。DNA通常是双链一般较长。RNA主要为单链，分子链较短。二、DNA的分子结构(一)DNA的双螺旋结构

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)。第18页，共73页。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。第19页，共73页。(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。第20页，共73页。(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)。第21页，共73页。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。(二)DNA构型之变异

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。第22页，共73页。第23页，共73页。(二)mRNA的加工一条染色体---2条染色单体(即1条染色单体由染色体另外二个重要的结构就是着丝粒(centromoere)和端体(telomere)。(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。原核生物则只有一种RNA聚合酶；蛋白质后来发现，DNA聚合酶Ⅰ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。2、防止染色体末端与其它DNA分子的结合；(一)细菌的转化②核糖代替脱氧核糖；(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。利用放射性与非放射性元素进行标记，发现：DNA分子代谢较稳定；种类常染色质异染色质三、RNA的分子结构RNA分子结构与DNA的区别：①U代替T；②核糖代替脱氧核糖；③一般以单链存在。第24页，共73页。2．结构:（1）、噬菌体的染色体结构：T2

噬菌体的环状DNA长达500000ÅT2噬菌体头部直径为1000Å（2）大肠杆菌的染色体结构：染色体DNA结合物质：几种DNA结合蛋白、RNA。

第25页，共73页。二、真核生物染色体染色质(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占染色质重量的30~40%组蛋白：H1、H2A、H2B、H3和H4染色质(结构上起决定作用)蛋白质非组蛋白(与基因的调控有关)其他RNA和一些脂类

(一)染色质的基本结构

第26页，共73页。•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。2．结构:连接丝:DNA双链+

H1组蛋白核小体:由H2A、H2B、H3和H44种组蛋白构成；染色质的基本结构单元：1个核小体(上有1.75圈DNA)+连接丝-->约200个碱基对的DNA。组蛋白在进化上很保守，亲缘关系很远的生物差异很小。如H4：牛、豌豆中均是102个氨基酸，其中只2个氨基酸不一样。第27页，共73页。3．染色质的种类:(1)．根据染色反应:异染色质：染色质线中染色很深的区段；常染色质：染色质线中染色很浅的区段。二者化学性质相同，但核酸紧缩程度和含量不同，电镜下二者是连续的。异染色质常染色质第28页，共73页。(2)．染色深浅不同的原因:a.在间期中，异染色质区段的染色线仍紧密卷曲，故染色深，呈惰性状态；b.常染色质区段的染色线解旋松散，故色浅，呈活跃状态。在同染色体上所表现的这种差别称为异固缩现象。第29页，共73页。3、使染色体末端在DNA复制过程中保持完整。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。然后DNA聚合酶才开始起作用合成DNA片段。四级螺旋化后DNA双链长度)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双螺旋结构模型存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。可压缩8000~10000倍。*DNA拓扑异构酶来解决由于复制叉的推进而产生超螺旋。粗糙型(R型)没有荚膜和毒性，在培养基上形成粗糙的菌落。三、原核生物RNA的合成(2)RNA链的延长；①无毒ⅡR型-->小鼠成活-->重现ⅡR型染色质----------染色体③稀有碱基，如假尿嘧啶等；复制早迟(3)．异染色质的类型:组成型异染色质主要为卫星DNA，构成染色体的特殊区域，如着丝点等。只与染色体结构有关，一般无表达功能。兼性异染色质存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。如：哺乳动物的X染色体就是兼性异染色质。第30页，共73页。常染色质和异染色质的区别：种类常染色质异染色质染色浅深间期分散卷曲位置臂间近着丝点和端部复制早迟状态活跃惰性第31页，共73页。1．结构:有丝分裂中期观察，核中染色质卷缩成一定形状：一条染色体---2条染色单体(即1条染色单体由1条染色线组成)(二)染色体的结构模型(螺旋化)染色质----------染色体第32页，共73页。单线论:一个染色体包含两个染色单体，分别是单线的。原核生物:其染色体就是一条DNA分子；真核生物:每条染色体含有2条染色质线。2．染色体中的染色质线数目:多线论:部分生物上有许多亚染色质线。百合：2、4、6、8、16条。紫鸭跖草：有64或128条。第33页，共73页。3．四级螺旋结构:贝克(BakA.L.,1977)DNA双螺旋化为前一级长度的↓

H1、H2A、H2B、H3和H41/7一级核小体↓螺旋化+H11/6二级螺线体↓超螺旋化和卷缩1/40三级超螺旋体

↓折叠螺旋化1/5四级染色体计1/8400四级螺旋化后DNA双链长度可压缩8000~10000倍。第34页，共73页。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。

第35页，共73页。PaintaJ.&CoffeyD.(1984)提出的“染色体骨架—放射环结构模型”：第36页，共73页。4．染色体上的异染色区:卷曲染色质线-----------染色体压缩故也有异染色质区出现(染色深)。例：蚕豆中期染色体

HSG－C带示异染色质分布：主要分布于着丝点附近和末端。第37页，共73页。

(三)着丝粒和端体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。

功能：在细胞有丝分裂和无丝分裂过程中，在纺缍丝的牵引下，准确地将染色体拉向子细胞。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：1、防止染色体末端为DNA酶酶切；2、防止染色体末端与其它DNA分子的结合；3、使染色体末端在DNA复制过程中保持完整。第38页，共73页。第四节DNA的复制一、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------半保留复制第39页，共73页。(二)复制起点和复制方向１．原核生物＊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,且为双向复制。所以整个染色体也就是一个复制子。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。２．真核生物＊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)，且为双向复制。

第40页，共73页。二、原核生物DNA合成(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Ⅰ(polymeraseⅠ)。聚合酶Ⅰ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Ⅰ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。第41页，共73页。

DNA聚合酶Ⅰ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ⅡI和DNA聚合酶Ⅲ。第42页，共73页。三种DNA聚合酶有一些共性，从而决定DNA合成的特点：1、只有5’－3’聚合酶的功能，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。第43页，共73页。(二)DNA复制的过程*DNA解旋酶在ATP供能下，每分钟旋转3000次解开双螺旋；*单链DNA结合蛋白（SSB)马上结合在分开的单链上，以避免产生单链内配对；*DNA拓扑异构酶来解决由于复制叉的推进而产生超螺旋。1．DNA双螺旋的解链第44页，共73页。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。第45页，共73页。2、DNA合成的开始由于三种DNA聚合酶均需要DNA模板和3’端的自由－OH，才能进行DNA的合成，使DNA延伸。合成DNA片段之前，先由RNA聚合酶合成一小段RNA引物(约有20个碱基对)。然后DNA聚合酶才开始起作用合成DNA片段。第46页，共73页。3、一条DNA链连续合成，一条链不连续∵DNA聚合酶，以5′→

3′方向发挥作用；∴从3′→

5′合成方向的一条链，就会遇到麻烦。KornbergA.(1967)提出不连续复制假说：

在3′→5′方向链上，仍按从5′→

3′的方向一段段地合成DNA单链小片段“冈崎片段”(1000~2000个bp)→

由连接酶连接这些片段→

形成一条连续的单链。第47页，共73页。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。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)。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。第48页，共73页。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III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Ⅰ的催化下完成的。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：第49页，共73页。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)。第50页，共73页。4．RNA病毒中RNA基因的自我复制：(1)．单链RNA病毒

先以自己（+链）为模板合成一条互补的单链（―链)这样就形成了双螺旋的复制型。(2)．―链从+链模板中放释出来。(3)．以―链为模板复制一条互补的+链,形成了一条新的病毒RNA。第51页，共73页。区别原核生物真核生物1.DNA合成的时期整个细胞生长过程细胞周期的S期2.复制起点数单个多个3.RNA引物长度10～60核苷酸10核苷酸4.风崎片段长度1000～2000核苷酸100～150核苷酸5.前导链与后随链聚合酶III同时控制聚合酶δ控制前导链的合成聚合酶α控制后随链真核生物与原核生物DNA合成的区别三、真核生物DNA合成的特点第52页，共73页。真核生物DNA合成第53页，共73页。第五节RNA的转录及加工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双链之一的遗传密码为模板，把遗传密码以互补的方式转录到mRNA上。

第54页，共73页。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。第55页，共73页。先介绍RNA的转录一、三种RNA分子信使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。第56页，共73页。(一)mRNAmRNA的功能就是把DNA上的遗传信息精确无误地转录下来

mRNA的碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序。它起着传递信息的作用。在真核生物中，转录形成的RNA中，含由大量非编码序列，约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)称为不均一核RNA(hnRNA)。第57页，共73页。(二)tRNA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。必须用转移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。第58页，共73页。①分子量为25000～30000；②70～90个核苷酸组成；③稀有碱基，如假尿嘧啶等；第59页，共73页。tRNA结构：5’端之末具有G（大部分）或C；3‘端之末都以ACC结尾；一个富有鸟嘌呤的环；一个反密码子环；一个胸腺嘧啶环；第60页，共73页。(三)rRNA原核生物rRNA（3种）:

5S:120个核苷酸；

16S:1540个核苷酸；

23S:2900个核苷酸。真核生物rRNA（4种）:5S:

120个核苷酸；5.8S:160个核苷酸；18S:1900个核苷酸；28S:4700个核苷酸。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。第61页，共73页。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。第62页，共73页。二、RNA合成的一般特点区别RNA的合成DNA的合成所用的原料核苷三磷酸脱氧核苷三磷酸模板数目一条DNA链二条DNA链引物不需要引物的引导聚合酶一种RNA聚合酶（原）三种DNA聚合酶（原）

三种RNA聚合酶（真）五种DNA聚合酶（真）

第63页，共73页。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)。第64页，共73页。RNA链的合成与DNA链的合成同样，也是从5’向3’端进行的，