遗传物质的分子基础PPT演示课件.ppt

1、什么是遗传物质？从1900年孟德尔论文的重新发现到1910年摩根果蝇的性别遗传实验，生物学家一直在寻找答案。1928年格里菲斯等人的肺炎链球菌转化实验，1944年艾弗里等人的单因子转化实验，1952年好时公司和蔡斯公司的噬菌体感染实验，以及1957年弗伦克尔康拉特等人的烟草花叶病毒重建实验，都证明了DNA是遗传物质，而RNA是没有DNA的病毒中的遗传物质，即核酸是遗传物质和遗传信息的载体。第二个问题是，遗传物质的分子基础是什么？沃森和克里克在1953年的脱氧核糖核酸双螺旋结构模型给出了一个令人满意的答案。第三个问题是如何传递遗传信息。基因是如何表达的？这是由于“中心法则”的提出、遗传密码的破译

2、和“半保留半不连续的DNA模型”的证明。第三章是遗传物质的分子基础，第一节是DNA作为主要遗传物质的证据，以及基因存在于染色体上。脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)、组蛋白染色体蛋白、非组蛋白、少量类脂和无机物、27%、6%、66%，分子遗传学有大量直接和间接证据，表明DNA是主要遗传物质。1.DNA作为主要遗传物质的间接证据，其中大部分存在于染色体上。核糖核酸和蛋白质在细胞质中也很丰富。每个物种不同组织中细胞的脱氧核糖核酸含量是恒定的，不管它们的大小和功能如何。精子或卵子中的脱氧核糖核酸含量正好是体细胞的一半。然而，细胞中的核糖核酸和蛋白质的质量在不同的细胞之间差异很大。此外，随着染

3、色体倍数的增加，一些多倍体物种细胞中的脱氧核糖核酸含量也呈指数增长。脱氧核糖核酸是代谢稳定的。与脱氧核糖核酸分子不同，细胞内蛋白质和核糖核酸分子同时快速形成和分解。一旦原子被脱氧核糖核酸分子吸收，它们就保持稳定，在细胞保持健康生长的同时不会离开脱氧核糖核酸。基因突变与脱氧核糖核酸分子的变异密切相关。当不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，最有效波长为260纳米，这与DNA吸收的紫外光谱一致。(1)细菌转化肺炎球菌有两种不同的类型：1 .光滑型(S型)受多糖胶囊保护，多糖胶囊有毒，在培养基上形成光滑菌落。2.粗糙型(R型)无荚膜和毒性，在培养基上形成粗糙菌落。作为主要遗传物质的直接证据，脱氧核糖核

4、酸还可以根据血清免疫反应的不同分为多种抗原类型，分为R型和S型，通常与S、S、S等相区别。1928年，格里菲斯将少量无毒的R型肺炎球菌注射到家鼠体内，然后将大量无毒的S型肺炎球菌注射到同一只鼠体内，加热后杀死。结果，家鼠死于疾病，并且从死鼠中分离出S型肺炎球菌。(如图)，肺炎球菌的转化实验，1944年5月16日以后，Avery等人用生化方法证明了引起转化的物质是DNA。他们将S型细菌的DNA提取物与R型细菌混合，并在体外培养中成功地将一些R型细菌转化为S型细菌。到目前为止，已在数十种细菌和放线菌中成功获得遗传性状的定向转化。这些实验已经证明，在转化中起作用的物质是脱氧核糖核酸。(2)噬菌体的感

5、染和繁殖是一种微小的低等生命类型。它必须在电子显微镜下才能看到。据研究，当T2噬菌体DNA进入大肠杆菌时，它可以从大肠杆菌材料中制造出自己的DNA、蛋白质外壳和尾部，从而形成一个完整的新生噬菌体。1952年，好时公司和其他公司分别用同位素32P和35S标记了T2噬菌体的DNA和蛋白质。因为磷是脱氧核糖核酸的一个组成部分，但不是蛋白质；硫是蛋白质的一个组成部分，但不是在脱氧核糖核酸中。然后，用标记的T2噬菌体(32P或35S)分别感染大肠杆菌，10分钟后，用搅拌器振摇附着在细胞外的噬菌体外壳。(图32)，8，在第一种情况下，几乎所有的放射性都是在细菌中发现的，而没有被倾倒，并且可以传播给后代。在

6、第二种情况下，放射性主要存在于废弃的贝壳中，细菌中的放射性很低，不能传递给后代。这样，产生完整的噬菌体主要是因为脱氧核糖核酸进入细胞。因此，脱氧核糖核酸是一种连续的遗传物质。烟草花叶病毒的侵染与繁殖烟草花叶病毒是由核糖核酸和蛋白质组成的管状颗粒，其中心是单螺旋核糖核酸，外部是蛋白质的外壳。(如图)，10，和1957年，弗兰克尔-康拉特和辛格(h .和辛格，b .)将烟草花叶病毒的核糖核酸与另一种病毒株的蛋白质重组，合成了一种混合的烟草花叶病毒。当用它感染烟叶时，产生的新病毒颗粒与提供核糖核酸的菌株完全相同。以上所有例子直接证明了脱氧核糖核酸是生物体的主要遗传物质，而核糖核酸是缺乏脱氧核糖核酸的

7、生物体的遗传物质。核酸的化学结构核酸是高分子化合物，其组成单位是核苷酸。两个核苷酸在3和5位通过磷酸二酯酶键连接。核酸有两种：脱氧核糖核酸和核糖核酸。这两种核酸的主要区别如下：12、脱氧核糖核酸通常是双链的，通常更长。核糖核酸主要是单链的，分子链较短。(1) DNA双螺旋结构DNA分子是脱氧核苷酸的聚合物，它含有四种脱氧核苷酸：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)和脱氧胞嘧啶核苷酸(dCTP)。脱氧核糖核酸的一级结构：脱氧核糖核酸的一级结构是指脱氧核糖核酸分子中的核苷酸序列。在DNA的一级结构中，由于各种脱氧核苷酸的脱氧核糖和磷酸是相同的，

8、碱基序列也代表核苷酸序列。生物遗传信息通过不同的核苷酸序列储存在脱氧核糖核酸分子中。碱基序列是要表达的信息内容。碱基序列的微小变化可能导致遗传信息的巨大变化。因此，序列测定对于阐明脱氧核糖核酸的结构和功能具有更加重要的意义。1953年，沃森和克里克根据碱基互补配对定律和脱氧核糖核酸分子的x光衍射研究结果，提出了著名的脱氧核糖核酸双螺旋结构模型(图37)。该模型的主要特征如下：(1)两条互补的多核苷酸链呈右旋螺旋形式，在同一轴上以一定的空间距离相互平行，很像一个扭曲的阶梯。14、(2)两条多核苷酸链的方向是反平行的。也就是说，一个链的磷酸二酯键在53的方向，而另一个链在35的方向，正好相反。(3

9、)每个长链的内侧是一个扁平的盘状碱基，一方面通过氢键与脱氧核糖相连，另一方面与互补碱基相连，并像梯级一样堆叠。两对氢键形成于互补的碱基对a和t之间，而三对氢键形成于c和g之间(图38)。上下碱基对之间的距离为3.4纳米。(4)每个螺旋长3.4纳米，正好包含10个碱基对，其直径约为2纳米。(5)双螺旋分子表面交替出现主凹槽和次凹槽。可以看出，DNA的分子结构自始至终是由A-T和C-G核苷酸对连接起来的，每一个DNA分子一般有数万个这两个核苷酸对，但它们在分子链中的位置和方向只有以下四种形式：对于一个特定物种的DNA分子，其碱基序列是确定的，通常保持不变，以保持该物种的遗传特性稳定。遗传变异(突变

10、)只有在特定条件下碱基序列或位置改变或碱基类似物取代碱基时才会发生。脱氧核糖核酸的二级结构是指由脱氧核糖核酸分子间相互作用形成的双链或双螺旋分子，即脱氧核糖核酸的双螺旋结构。沃森和克里克证明了脱氧核糖核酸分子具有螺旋结构信息，查格夫发现了脱氧核糖核酸中碱基含量的规律。该模型在分子水平上合理解释了DNA复制和转录的过程以及遗传信息的表达，解决了DNA自我复制的问题，巩固了DNA作为遗传物质和遗传信息载体的地位。最近，人们发现脱氧核糖核酸的构型不是固定的，除了沃森和克里克提出的右旋双螺旋构型外，还有许多变体。沃森和克里克提出的双螺旋结构叫做BDNA。BDNA是生理状态下的脱氧核糖核酸构型。当脱氧核

11、糖核酸处于高盐浓度时，它以ADNA的形式存在。ADNA是脱氧核糖核酸的脱水结构，也是右手螺旋，但每个螺旋包含11个核苷酸对。ADNA又矮又密。人们还发现，一些脱氧核糖核酸序列可以以左手螺旋的形式存在，这就是所谓的零脱氧核糖核酸。(2)脱氧核糖核酸构型的变异，(2)这些不同构型的脱氧核糖核酸的结构参数都有一定的差异，这就是所谓的脱氧核糖核酸结构多态性。脱氧核糖核酸的高级结构脱氧核糖核酸的高级结构是指脱氧核糖核酸的超螺旋结构和染色体脱氧核糖核酸的复杂折叠状态。超螺旋是由脱氧核糖核酸双螺旋的螺旋轴缠绕而成的螺旋，是脱氧核糖核酸三级结构的一种形式。脱氧核糖核酸的三级结构是指双螺旋链的扭曲。例如，在B-

12、脱氧核糖核酸双螺旋中，它每10个核苷酸旋转一次，然后双螺旋在最低能量状态下最稳定。就化学组成而言，核糖核酸的分子结构是由四种核苷酸组成的聚合物。它与脱氧核糖核酸的不同之处在于U取代T，核糖取代脱氧核糖。此外，大多数核糖核酸以单链形式存在，但可以折叠形成几个双链区域。在这些区域，氢键可以在互补的碱基对之间形成(图310)。然而，一些以核糖核酸为遗传物质的动物病毒含有双链核糖核酸。20，第3节DNA复制，1。脱氧核糖核酸复制的一般特征，(1)半保守复制，半保守复制在复制过程中，脱氧核糖核酸双链被解开，每个单链被用作模板，形成另一个相应的新链。(图3-16)。DNA自身的复制模式半保守复制，21，(

13、2)复制起点和复制方向，大多数细菌和病毒只有一个复制起点，它控制着整个染色体的复制。所以整个染色体是一个复制子。复制子(replicon)。在相同复制起点的控制下合成的脱氧核糖核酸序列。在真核生物中，每条染色体的DNA复制是多起源的，多个复制起点共同控制着一条染色体的复制，也就是说，每条染色体都有多个复制子(图317)。对真核生物的研究发现，它们的复制也是双向的。然而，最近发现，并非所有的生物DNA复制都是双向的，例如，噬菌体T2，其DNA复制是单向的。5/3/，大肠杆菌和许多其他原核生物的环状DNA复制是双向的。也就是说，脱氧核糖核酸复制从复制的起点开始，同时向两个方向进行，最后相遇并完成复

14、制。收到方向？它从一开始就是单向的吗？还是双向的？23，2。原核生物中的脱氧核糖核酸合成，(1)与脱氧核糖核酸合成有关的酶。1957年，科恩伯格和他的同事从大肠杆菌中分离出了DNA聚合酶。在脱氧核糖核酸、四个脱氧核苷酸和镁的存在下，聚合酶可以在体外合成脱氧核糖核酸。后来发现，只有当引物脱氧核糖核酸提供3末端游离羟基时，脱氧核糖核酸聚合酶才能从5个方向延伸到3个方向。事实上，在这个实验系统中，脱氧核糖核酸扮演着模板和引物的双重角色。24，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。后来，从POL基因突变株中分离出两种DNA聚合酶，分别命名为DNA聚合酶和DN

15、A聚合酶。这三种聚合酶有一些共同的特征，决定了DNA合成的特点：1 .这三种酶只具有53聚合酶的功能，而不具有35聚合酶的功能，表明DNA链的延伸只能从5到3个末端进行。2.它们没有直接合成脱氧核糖核酸的能力，只能在有引物的情况下延伸链。因此，脱氧核糖核酸的合成必须由引物来指导。3、3、3酶还具有核酸外切酶的功能，可以纠正合成过程中的误识，从而保证DNA复制的高准确性。在脱氧核糖核酸复制过程中，脱氧核糖核酸的合成是半保守复制(两条互补的新链分别以两条链为模板合成)，复制是双向的，脱氧核糖核酸的合成必须由引物引导，在复制过程中链的延伸总是从5到3个方向。脱氧核糖核酸合成的过程：1 .脱氧核糖核酸

16、双螺旋被打破，三磷酸腺苷提供能量。在脱氧核糖核酸双链被解旋酶破坏后，单链脱氧核糖核酸结合蛋白立即与分离的单链结合，从而保持其延伸状态。在大肠杆菌中，脱氧核糖核酸的合成速度约为每分钟30，000个碱基，也就是说，双螺旋必须每分钟旋转3000次才能完全拧松。27、如果没有SSB，分离的双链互补碱基对可以再次配对。或者，相同链的互补碱基对配对形成发夹结构，这将阻止DNA聚合酶的作用。随着融化过程的进行，在脱氧核糖核酸复制叉的前面会形成一个张力，这将导致超螺旋的产生。脱氧核糖核酸拓扑异构酶在脱氧核糖核酸双链上切一个洞，使一条链旋转一次，然后共价连接它们，从而消除其张力。28，现在发现主要有两种类型的脱

17、氧核糖核酸拓扑异构酶：脱氧核糖核酸拓扑异构酶，它只切割一条双链脱氧核糖核酸链来产生缺口，每次切割只能去除一个超螺旋，在这个过程中不需要额外的能量。脱氧核糖核酸拓扑异构酶，它可以同时切割两条双链脱氧核糖核酸。每次切割可以去除两个超级电容，这需要三磷酸腺苷提供能量。29，2，DNA合成的开始，因为所有三种DNA聚合酶都需要DNA模板和3末端的游离羟基，它们可以合成和延伸DNA。长期以来，人们发现核糖核酸聚合酶不用特殊的引物就可以用脱氧核糖核酸模板直接合成核糖核酸。在合成脱氧核糖核酸之前，以脱氧核糖核酸为模板，在一种特殊的核糖核酸聚合酶的催化下，根据碱基配对原理，合成了一种560个核苷酸的核糖核酸引物，在3个末端提供游离羟基。然后，在脱氧核糖核酸聚合酶的作用下进行脱氧核糖核酸合成。一条脱氧核糖核酸链是连续合成的，一条是不连续的。从电子显微镜和放射