第三章遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)

1、第三章 遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ) 第一節(jié) DNA作為主要遺傳物質(zhì) 的證據(jù) 分子遺傳學(xué)的大量直接和間 接的證據(jù)，說明DNA是主要 的遺傳物質(zhì)，而在缺乏DNA 的某些病毒中，RNA就是遺 傳物質(zhì) 一、間接證據(jù) DNA含量、代謝、結(jié)構(gòu)、染色 體共有等 二、直接證據(jù) 1、細(xì)菌的轉(zhuǎn)化 肺炎雙球菌兩種類型： 光滑型(S型)： I S、II S、III S 粗糙型(R型)：I R、II R、III R 1928, Griffith：首次將II R III S，實(shí)現(xiàn)了細(xì) 菌遺傳性狀的定向轉(zhuǎn)化 。被加熱殺死的III S型肺 炎雙球菌必然含有某種促成這一轉(zhuǎn)變的活性物質(zhì) 1944 ，Avery等用生物化學(xué) 方法證明這種活

2、性物質(zhì)是DNA 該提取物不受蛋白酶、多糖 酶和核糖核酸酶的影響，而 只能為DNA酶所破壞 2、噬菌體的侵染與繁殖 Hershey等用同位素32P和35S分別標(biāo)記 T2噬菌體的DNA與蛋白質(zhì) 3、煙草花葉病毒的感染和繁殖 RNA接種到煙葉 發(fā)病 RNA RNA酶處理RNA 不發(fā)病 TMV 蛋白質(zhì)：接種后不形成新的TMV 不發(fā)病 說明在不含DNA的TMV中RNA 就是遺傳物質(zhì) 為了進(jìn)一步論證上述的結(jié)論 ， Frankel-Conrat和Singer實(shí)驗(yàn)： 第二節(jié) 核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu) 一、兩種核酸 * 核酸的構(gòu)成單元是核苷酸， 是核苷酸的多聚體 * 每個(gè)核苷酸包括三部分： 五碳糖、磷酸、堿基 * 兩個(gè)核

3、苷酸之間由3和5位的 磷酸二脂鍵相連 兩種核酸的主要區(qū)別： DNA：脫氧核糖，A、C、G、T 雙鏈，分子鏈較長 RNA：核糖，A、C、G、U 單鏈，分子鏈較短 圖圖 3-4 3-4 構(gòu)成核苷酸分子的堿基結(jié)構(gòu)構(gòu)成核苷酸分子的堿基結(jié)構(gòu) 圖圖 3-5 3-5 核酸分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)核酸分子的化學(xué)結(jié)構(gòu) 二、DNA的分子結(jié)構(gòu) 1953，Watson和Crick根據(jù)： 堿基互補(bǔ)配對(duì)的規(guī)律 對(duì)DNA分子的X射線衍射成果 提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模 型。這個(gè)模型已為以后拍攝的 電鏡直觀形象所證實(shí)。 DNA分子模型最主要特點(diǎn)： (1)兩條多核苷酸鏈以右手螺旋的形式， 以一定的空間距離，環(huán)繞于同一軸相 互盤旋而成

4、 (2)反向平行：53，35 (3)兩條單鏈間以堿基間氫鍵配對(duì)相連： A T，C G (4)每個(gè)螺旋34 (3.4nm)，含10bp， 直徑約為20 (5)分子表面大溝和小溝交替出現(xiàn) 圖圖 3-6 DNA3-6 DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型 圖圖 3-7 3-7 兩條多核酸鏈間氫鍵相連兩條多核酸鏈間氫鍵相連 A-T和C-G兩種核苷酸對(duì)分子鏈內(nèi) 排列的位置和方向只有四種形式: A-T C-G A-T G-C C-G A-T G-C A-T 假設(shè)某一段DNA分子鏈有1000bp，則該段 就可以有41000種不同的排列組合形式， 反映出來的就是41000種不同性質(zhì)的基因. DNA構(gòu)

5、型之變異： BDNA：瓦特森和克里克提出的 雙螺旋構(gòu)型,是DNA在生理狀 態(tài)下的構(gòu)型 ADNA：在高鹽下存在形式，右旋， 每個(gè)螺圈含11bp ZDNA:左旋，每個(gè)螺圈含12bp 其他構(gòu)型 圖圖 3-9 DNA3-9 DNA分子的一種不同構(gòu)型分子的一種不同構(gòu)型 二、RNA的分子結(jié)構(gòu) 絕大部分RNA以單鏈形式存在，但可折疊 起來形成若干雙鏈區(qū)域。這些區(qū)域內(nèi)，互 補(bǔ)的堿基對(duì)間可形成氫鍵。一些以RNA為 遺傳物質(zhì)的動(dòng)物病毒含有雙鏈RNA。 第三節(jié) 染色體的分子結(jié)構(gòu) 一、原核生物染色體 與真核生物相比，原核生物 的染色體要簡單得多，其染 色體通常只有一個(gè)核酸分子 (DNA或RNA) 。 圖圖3 311

6、11 大腸桿菌的染色體大腸桿菌的染色體 DNADNA分子伸展有分子伸展有12001200m m長，細(xì)菌直徑長，細(xì)菌直徑1 12 2m m 圖圖3 312 12 原核生物的染色體結(jié)構(gòu)模型原核生物的染色體結(jié)構(gòu)模型 二、真核生物染色體 1、染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu) DNA: 30%(重量重量) RNA: 少量少量 染色質(zhì)染色質(zhì) 組蛋白：組蛋白：1H1、2H2A、2H2B、 2H3和和2H4 (重量相當(dāng)于重量相當(dāng)于DNA） 非組蛋白：少量非組蛋白：少量 染色質(zhì)基本結(jié)構(gòu)單位染色質(zhì)基本結(jié)構(gòu)單位 核小體：核小體： 2H2A、2H2B、2H3、2H4 -八聚體 八聚體 連接絲連接絲 ：串聯(lián)兩個(gè)核小體

7、：串聯(lián)兩個(gè)核小體 1H1：結(jié)合于連接絲與核小體：結(jié)合于連接絲與核小體 的接合部位的接合部位 圖圖3 313 13 核小體結(jié)構(gòu)模型核小體結(jié)構(gòu)模型 一個(gè)核小體及其連接絲約含一個(gè)核小體及其連接絲約含180180200bp200bp約約146bp146bp盤盤 繞在核小體表面繞在核小體表面1.751.75圈，其余圈，其余bpbp為連接絲，其長為連接絲，其長 度變化較大，從短的度變化較大，從短的8bp8bp到長的到長的114bp114bp 異染色質(zhì)，異染色質(zhì)區(qū) 染色很深的區(qū)段 染色質(zhì) 常染色質(zhì)，常染色質(zhì)區(qū) 染色很淺的區(qū)段 （核酸的緊縮程度及含量不同 ，異染 色質(zhì)的復(fù)制時(shí)間總是遲于常染色質(zhì) ） 異固縮現(xiàn)象

8、 2、染色體的結(jié)構(gòu)模型、染色體的結(jié)構(gòu)模型 染色單體染色單體1DNA+pro 染色質(zhì)線是單線染色質(zhì)線是單線 染色體染色體 染色單體染色單體 在細(xì)胞分裂過程中染色質(zhì)線到底是怎在細(xì)胞分裂過程中染色質(zhì)線到底是怎 樣卷縮成為一定形態(tài)結(jié)構(gòu)的染色體？樣卷縮成為一定形態(tài)結(jié)構(gòu)的染色體？ 圖圖3 314 14 染色體染色體 結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型 現(xiàn)在認(rèn)為至少存現(xiàn)在認(rèn)為至少存 在三個(gè)層次的卷在三個(gè)層次的卷 縮縮: :核小體核小體 螺線管螺線管 染色體染色體 卷縮機(jī)理不清楚卷縮機(jī)理不清楚 圖圖3 315 15 非組蛋白組成的染色體骨架非組蛋白組成的染色體骨架 第四節(jié) DNA的復(fù)制 一、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn) 1、復(fù)制方式：

9、半保留復(fù)制 2、復(fù)制起點(diǎn)：大多數(shù)細(xì)菌及病 毒只有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn) ，一個(gè) 復(fù)制子 ；真核生物是多起點(diǎn) 的，多個(gè)復(fù)制子 3、復(fù)制方向：一般為雙向復(fù)制 圖圖3 316 DNA16 DNA半保留復(fù)制半保留復(fù)制 圖圖3 317 17 真核生物染色體多起點(diǎn)真核生物染色體多起點(diǎn)DNADNA復(fù)制電鏡照片復(fù)制電鏡照片 二、原核生物DNA合成 1、半保留復(fù)制，雙向復(fù)制 2、有引物的引導(dǎo)，為RNA 3、延伸方向?yàn)?3。 4、一條鏈一直從5向3方向延 伸，稱前導(dǎo)鏈，連續(xù)合成 ；另一條先沿53 合成岡 崎片段，再由連接酶連起 來鏈，后隨鏈，不連續(xù)合成 圖圖3 318 DNA18 DNA解旋解旋 圖圖3 319 DNA19

10、 DNA合成之模型合成之模型 * * 在前導(dǎo)鏈上，在前導(dǎo)鏈上，DNADNA引物酶只在引物酶只在 起始點(diǎn)合成一次引物起始點(diǎn)合成一次引物RNARNA， DNADNA聚合酶聚合酶IIIIII開始開始DNADNA的合成的合成 * * 在后隨鏈上，每個(gè)岡崎片段在后隨鏈上，每個(gè)岡崎片段 的合成都需要先合成一段引的合成都需要先合成一段引 物物RNARNA，然后，然后DNADNA聚合酶聚合酶IIIIII才才 能進(jìn)行能進(jìn)行DNADNA的合成。的合成。 圖圖3 320 20 后隨鏈后隨鏈DNADNA的合成的合成 RNARNA病毒中病毒中RNARNA的自我復(fù)制的自我復(fù)制 先以自己為模板（先以自己為模板（“” 鏈鏈）

11、合成一條互補(bǔ)的單鏈（）合成一條互補(bǔ)的單鏈（“ ”鏈鏈），然后這個(gè)），然后這個(gè)“”鏈鏈 從從“”鏈模板釋放出來，它鏈模板釋放出來，它 也以自己為模板復(fù)制出一條與也以自己為模板復(fù)制出一條與 自己互補(bǔ)的自己互補(bǔ)的“”鏈，形成了鏈，形成了 一條新生的病毒一條新生的病毒RNARNA。 三、真核生物DNA合成 真核生物DNA的復(fù)制與原核生 物的主要不同點(diǎn)： 1、DNA的合成只是在S期進(jìn)行，原 核生物則在整個(gè)細(xì)胞生長過程 中都進(jìn)行DNA合成 2、原核生物DNA的復(fù)制是單起點(diǎn) 的，真核生物染色體的復(fù)制則 為多起點(diǎn)的 3、所需的RNA引物及后隨鏈上合 成的“岡崎片段”的長度比原 核生物要短 4、有二種不同的DN

12、A聚合酶分別 控制前導(dǎo)鏈（）和后隨鏈 （）的合成 ；在原核生物 中由聚合酶III同時(shí)控制二條 鏈的合成 5、染色體端體的復(fù)制：原核生 物的染色體大多數(shù)為環(huán)狀 圖圖3 321 21 真核生物真核生物DNADNA復(fù)制復(fù)制 第五節(jié) RNA的轉(zhuǎn)錄及加工 一、三種RNA分子 1、mRNA mRNA 2 2、tRNAtRNA：最小的：最小的RNARNA，由，由7070到到 9090個(gè)核苷酸組成，具有稀有個(gè)核苷酸組成，具有稀有 堿基的特點(diǎn)堿基的特點(diǎn) 圖圖3 322 tRNA22 tRNA的三維結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu) 圖圖 3-6 DNA3-6 DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型 3、rRNA：核糖體的主

13、要成 分。在大腸桿菌中： rRNA量占細(xì)胞總RNA量的 75-85 tRNA占15 mRNA占3-5 二、RNA合成的一般特點(diǎn) 1、所用原料為核苷三磷酸；在DNA合成 時(shí)為脫氧核苷三磷酸 2、只有一條DNA鏈被用作模板；DNA合成 時(shí)，兩條鏈分別用作模板 3、RNA鏈的合成不需要引物；DNA合成一 定要引物的引導(dǎo) 4、RNA鏈的合成與DNA鏈的合成同樣，也 是從5向3端，由RNA聚合酶催化 三、原核生物RNA的合成 * 轉(zhuǎn)錄后形成一個(gè)RNA分子的一段DNA 序列稱為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位 * 一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位可能剛好是一個(gè)基因 ，也可能含有多個(gè)基因 * RNA轉(zhuǎn)錄分三步：(1)RNA鏈的起始 ；(2)RNA

14、鏈的延長；(3)RNA鏈的終 止及新鏈的釋放 圖圖3 324 RNA24 RNA的轉(zhuǎn)錄過程的轉(zhuǎn)錄過程 圖圖3 325 25 啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu) 圖圖3 326 RNA26 RNA鏈的延伸鏈的延伸 四、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工 真核生物與原核生物RNA的轉(zhuǎn)錄的不同點(diǎn) 1、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄是在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行， 而蛋白質(zhì)的合成則是在細(xì)胞質(zhì)內(nèi) 2、原核生物的一個(gè)mRNA分子通常含有多個(gè)基 因；而少數(shù)較低等真核生物外，真核生物 一個(gè)mRNA分子一般只編碼一個(gè)基因 3、原核生物只有一種RNA聚合酶催化所有RNA 的合成；真核生物中則有RNA聚合酶I、II 、III，分別催化不同種類型RNA的合成

15、 4、原核生物RNA聚合酶直接起始轉(zhuǎn)錄合成RNA ；真核生物三種RNA聚合酶都必須在蛋白 質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)助下才能進(jìn)行RNA的轉(zhuǎn)錄 真核生物mRNA在轉(zhuǎn)錄后的加工： 1、5端加上帽子(7甲基鳥嘌呤核苷) 在蛋白質(zhì)翻譯時(shí)識(shí)別起始位置及防止 被RNA酶降解 2、3端加上尾巴(聚腺苷酸,polyA) 對(duì)增加mRNA的穩(wěn)定性及從細(xì)胞核向細(xì) 胞質(zhì)的運(yùn)輸具有重要作用 3、切除非編碼序列(內(nèi)含子)，將編碼序 列(外顯子)連接起來，才能進(jìn)行蛋白 質(zhì)的翻譯 圖圖3 328 28 真核生物真核生物mRNAmRNA的加工的加工 第六節(jié) 遺傳密碼與蛋白質(zhì)的翻譯 一、遺傳密碼 （1）三聯(lián)體密碼 （2）通用性 （3）簡并現(xiàn)象 （4）遺傳密碼間不能重復(fù)利用： 除少數(shù)情況外，一個(gè)mRNA上每 個(gè)堿基只屬于一個(gè)密碼子 （5）起始密碼子：AUG