chap9 遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)課件

1、第九章 遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ) 1主要內(nèi)容第一節(jié) DNA作為主要遺傳物質(zhì)的證據(jù)第二節(jié) 核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)第三節(jié) 染色體的分子結(jié)構(gòu) （自學(xué)）第四節(jié) DNA的復(fù)制 第五節(jié) RNA的轉(zhuǎn)錄與加工第六節(jié) 遺傳密碼與蛋白質(zhì)的合成第七節(jié) 基因的概念及發(fā)展*2知識(shí)目標(biāo)掌握 基因的概念及其發(fā)展?fàn)顩r。掌握 DNA和RNA的分子結(jié)構(gòu)、DNA復(fù)制、遺傳密碼、DNA的轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯和蛋白質(zhì)的生物合成。3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(shuō)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)。4一、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

2、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 R51944 ，Avery等用生物化學(xué)方法證明這種活性物質(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。 72、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)8為了進(jìn)一步論證上述的結(jié)論 ，F(xiàn)rankel-Conrat和Singer實(shí)驗(yàn)：10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)核苷酸之間由3和5位的 磷酸二脂鍵

3、相連 11兩種核酸的主要區(qū)別： DNA：脫氧核糖，A、C、G、T 雙鏈，分子鏈較長(zhǎng)RNA：核糖，A、C、G、U 單鏈，分子鏈較短12圖 9-5 核酸分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)14二、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)。 15圖 9-6 DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型17圖 9-7 兩條多核酸鏈間氫鍵相連18 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10

4、00bp，則該段就可以有41000種不同的排列組合形式，反映出來(lái)的就是41000種不同性質(zhì)的基因.19 DNA構(gòu)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。20圖 9-9 DNA分子的不同構(gòu)型21二、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(lái)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。 22圖911 大腸桿菌的染色體DNA分子伸展有1200m長(zhǎng)，細(xì)菌直徑12m 24圖912 原

5、核生物的染色體結(jié)構(gòu)模型 25染色質(zhì)基本結(jié)構(gòu)單位 核小體： 2H2A、2H2B、2H3、2H4 -八聚體 連接絲 ：串聯(lián)兩個(gè)核小體 1H1：結(jié)合于連接絲與核小體 的接合部位 27圖913 核小體結(jié)構(gòu)模型一個(gè)核小體及其連接絲約含180200bp約146bp盤繞在核小體表面1.75圈，其余bp為連接絲，其長(zhǎng)度變化較大，從短的8bp到長(zhǎng)的114bp2829 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 302、染色體的結(jié)構(gòu)模型 染色單體1DNA+pro 染色質(zhì)線是單線 染色體 染色單體在

6、細(xì)胞分裂過(guò)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？31圖914 染色體結(jié)構(gòu)模型現(xiàn)在認(rèn)為至少存在三個(gè)層次的卷縮:核小體 螺線管 染色體 卷縮機(jī)理不清楚 32圖915 非組蛋白組成的染色體骨架 3334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：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 35圖916 DNA半保留復(fù)制 36圖917 真核生物染色體多起點(diǎn)DNA復(fù)制電鏡照片 37二、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)?

7、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(lái)鏈，后隨鏈，不連續(xù)合成 38圖918 DNA解旋 39圖919 DNA合成之模型 40* 在前導(dǎo)鏈上，DNA引物酶只在 起始點(diǎn)合成一次引物RNA， DNA聚合酶III開始DNA的合成* 在后隨鏈上，每個(gè)岡崎片段 的合成都需要先合成一段引 物RNA，然后DNA聚合酶III才 能進(jìn)行DNA的合成。 41圖920 后隨鏈DNA的合成 42RNA病毒中RNA的自我復(fù)制 先以自己為模板（“”鏈）合成一條互補(bǔ)的單鏈（“”鏈），然后這個(gè)“”鏈從“”鏈模板釋放出來(lái)，它也以自己為模板復(fù)制出一條與自己互補(bǔ)

8、的“”鏈，形成了一條新生的病毒RNA。 43三、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(zhǎng)過(guò)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443、所需的RNA引物及后隨鏈上合 成的“岡崎片段”的長(zhǎng)度比原 核生物要短 4、有二種不同的DNA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 45圖921 真核生物DNA復(fù)制 46第五節(jié) RNA的轉(zhuǎn)錄及加工 遺傳物質(zhì)不

9、管其化學(xué)性質(zhì)如何，其必須具有遺傳、表達(dá)和變異等三種基本功能。下面我們介紹其第二個(gè)重要的功能基因表達(dá)?；虻谋磉_(dá)：第一步DNA轉(zhuǎn)錄(transcription)為RNA，然后由RNA再翻譯(translation)成蛋白質(zhì)。轉(zhuǎn)錄：就是以DNA雙鏈之一的遺傳密碼為模板，把遺傳密碼以互補(bǔ)的方式轉(zhuǎn)錄到mRNA上。 47翻譯：就是mRNA攜帶著轉(zhuǎn)錄的遺傳密碼，附著在核糖體上，把tRNA運(yùn)來(lái)的各種氨基酸，按照mRNA的密碼順序，相互連接起來(lái)成為多肽鏈，并進(jìn)一步折疊起來(lái)成為立體蛋白質(zhì)分子。 48先介紹RNA的轉(zhuǎn)錄一、三種RNA分子信使RNA (messenger RNA，mRNA)轉(zhuǎn)移RNA (transf

10、er RNA，tRNA)核糖體RNA (ribosomal RNA，rRNA)三種不同的RNA分子在基因的表達(dá)過(guò)程中起重要的作用。49(一)mRNA mRNA的功能就是把DNA上的遺傳信息精確無(wú)誤地轉(zhuǎn)錄下來(lái)mRNA的堿基順序決定蛋白質(zhì)的氨基酸順序。它起著傳遞信息的作用。在真核生物中，轉(zhuǎn)錄形成的RNA中，含由大量非編碼序列，約25RNA經(jīng)加工成為mRNA，最后翻譯為蛋白質(zhì)。未經(jīng)加工的前體mRNA(pre-mRNA) 稱為不均一核RNA (hnRNA)。50(二)tRNA 由于合成蛋白質(zhì)的原材料20種氨基酸與mRNA的堿基之間缺乏特殊的親和力。 必須用轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)把氨基酸搬運(yùn)到核糖體上，

11、tRNA能根據(jù)mRNA的遺傳密碼依次準(zhǔn)確地將它攜帶的氨基酸連結(jié)成多肽鏈。 每種氨基酸可與14種tRNA相結(jié)合，現(xiàn)在已知的tRNA的種類在40種以上。51 分子量為2500030000； 7090個(gè)核苷酸組成； 稀有堿基，如假尿嘧啶等；52tRNA結(jié)構(gòu)：5端之末具有G（大部分）或C；3端之末都以ACC結(jié)尾；一個(gè)富有鳥嘌呤的環(huán)；一個(gè)反密碼子環(huán)；一個(gè)胸腺嘧啶環(huán)；53(三)rRNA原核生物rRNA（3種）:5S: 120個(gè)核苷酸；16S: 1540個(gè)核苷酸；23S: 2900個(gè)核苷酸。真核生物rRNA（4種）:5S:120個(gè)核苷酸；5.8S: 160個(gè)核苷酸；18S: 1900個(gè)核苷酸；28S: 47

12、00個(gè)核苷酸。rRNA是單鏈，它包含不等量的A與U、G與C，但是有廣泛的雙鏈區(qū)域。在雙鏈區(qū)，堿基因氫鍵相連，表現(xiàn)為發(fā)夾式螺旋。rRNA在蛋白質(zhì)合成中的功能尚未完全明了。54除了上述三種主要的RNA外，還有小核RNA (small nuclear RNA，snRNA)是真核生物轉(zhuǎn)錄后加工過(guò)程中RNA剪接體(spliceosome)的主要成份。另外，還有端體酶RNA (telomerase RNA)，它與染色體末端的復(fù)制有關(guān)；以及反義RNA(antisense RNA)，它參與基因表達(dá)的調(diào)控。上述各種RNA分子均為轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，mRNA最后翻譯為蛋白質(zhì)，而rRNA、tRNA及snRNA等并不翻譯，其

13、終產(chǎn)物即為RNA。55 二、RNA合成的一般特點(diǎn)區(qū)別 RNA 的合成 DNA 的合成所用的原料 核苷三磷酸 脫氧核苷三磷酸模板數(shù)目 一條DNA 鏈 二條DNA 鏈引物 不需要 引物的引導(dǎo)聚合酶 一種RNA聚合酶（原） 三種DNA聚合酶（原） 三種RNA聚合酶（真） 五種DNA聚合酶（真） 56轉(zhuǎn)錄合成的RNA鏈，除了U替換為T以外，與用作模板的DNA鏈互補(bǔ)，而與另一條非模板鏈相同。如果轉(zhuǎn)錄的RNA是mRNA，其信息最后通過(guò)密碼子決定蛋白質(zhì)的合成?，F(xiàn)在通常將用作模板，進(jìn)行RNA轉(zhuǎn)錄的鏈稱作模板鏈(template strand)；而另一條則為非模板鏈(nontemplate strand)。57

14、RNA鏈的合成與DNA鏈的合成同樣，也是從5向3端進(jìn)行的，此過(guò)程由RNA聚合酶(RNA polymerase)催化。RNA聚合酶首先在啟動(dòng)子部位(promoter)與DNA結(jié)合，形成轉(zhuǎn)錄泡(transcription bubble)，并開始轉(zhuǎn)錄。在原核生物中只有一種RNA聚合酶完成所有RNA的轉(zhuǎn)錄，而在真核生物中，有三種不同的RNA聚合酶控制不同類型RNA的合成。RNA的合成也同樣遵循堿基配對(duì)的規(guī)則，只是U代替了T。58三、原核生物RNA的合成通常把轉(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(transcript unit)。RNA的轉(zhuǎn)錄可以分為三步(圖324)：(1)RNA鏈的

15、起始；(2)RNA鏈的延長(zhǎng)；(3)RNA鏈的終止及新鏈的釋放。59(一) RNA聚合酶催化轉(zhuǎn)錄的RNA聚合酶是一種由多個(gè)蛋白亞基組成的復(fù)合酶。a亞基與四聚體核心酶形成有關(guān)；亞基存在核苷三磷酸的結(jié)合位點(diǎn)；含有與DNA模板結(jié)合的位點(diǎn)；因子識(shí)別RNA轉(zhuǎn)錄的起始位置，使RNA聚合酶結(jié)合在啟動(dòng)子部位。如大腸桿菌的RNA聚合酶全酶的組成：60(二) 鏈的起始首先是RNA聚合酶在因子的作用下結(jié)合于DNA的啟動(dòng)子部位;使DNA雙鏈解開，形成轉(zhuǎn)錄泡，為RNA合成提供單鏈模板，按照堿基配對(duì)的原則，結(jié)合核苷酸;然后，在核苷酸之間形成磷酸二脂鍵，使其相連，形成RNA新鏈。因子被釋放，然后由核心酶催化RNA的延伸。61

16、(三) 鏈的延伸在RNA聚合酶四聚體核心酶的催化下進(jìn)行。 RNA聚合酶同時(shí)具有解開DNA雙鏈，并使其重新閉合的功能。隨著RNA的延伸，RNA聚合酶使DNA雙鏈不斷解開和重新閉合。RNA轉(zhuǎn)錄泡也不斷前移，合成新的RNA鏈62(四) 鏈的終止實(shí)際上在原核生物中，RNA的轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)的合成以及mRNA的降解通?？梢允峭瑫r(shí)進(jìn)行的。 依賴因子的終止； 不依賴因子的終止。當(dāng)RNA鏈延伸遇到終止信號(hào)時(shí)，RNA轉(zhuǎn)錄復(fù)合體就發(fā)生解體，而使新合成的RNA鏈釋放出來(lái)?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)在大腸桿菌中有二類終止信號(hào)：63四、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工64（一）原核生物與真核生物RNA 轉(zhuǎn)錄的區(qū)別1. 真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄是在細(xì)胞

17、核內(nèi)，翻譯在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行；原核生物則在核區(qū)同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄翻譯；2. 真核生物一個(gè)mRNA只編碼一個(gè)基因；原核生物一個(gè)mRNA編碼多個(gè)基因；3. 真核生物有RNA聚合酶、等三種不同的酶；原核生物則只有一種RNA聚合酶；4. 真核生物中轉(zhuǎn)錄的起始更復(fù)雜，RNA的合成需要轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)助進(jìn)行轉(zhuǎn)錄；原核生物則較為簡(jiǎn)單；5. 真核生物的mRNA 轉(zhuǎn)錄后進(jìn)行加工，然后運(yùn)送到細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行翻譯；原核生物無(wú)需進(jìn)行加工，邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯。65(二) mRNA的加工1、在mRNA前體的5端加上7甲基鳥嘌呤核苷的帽子(cap)。2、在mRNA前體的3端加上聚腺苷酸(poly(A)的尾巴。3、如果基因中存在不編碼的內(nèi)含子序列，

18、要進(jìn)行剪接，將其切除。5端戴帽；3端加尾；內(nèi)含子剪切。6667第六節(jié) 遺傳密碼與蛋白質(zhì)的翻譯6768 一、三聯(lián)體密碼：6869DNA分子堿基只有4種，而蛋白質(zhì)氨基酸有20種；堿基與氨基酸之間不可能一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。141=4種；差16種氨基酸242=16種；比現(xiàn)存的20種氨基酸還差4種343=64種；由三個(gè)堿基一起組成的密碼子能夠形成64種 組合，20種氨基酸多出44種。簡(jiǎn)并：一個(gè)氨基酸由一個(gè)或一個(gè)以上的三聯(lián)體密碼所決定 的現(xiàn)象。三聯(lián)體或密碼子：代表一個(gè)氨基酸的3個(gè)一組的核苷酸。6970每一個(gè)三聯(lián)體密碼所翻譯的氨基酸是什么呢? 從1961年開始，在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分別利用64個(gè)已知三聯(lián)體密碼，找

19、到了相對(duì)應(yīng)的氨基酸。 1966-1967年，已全部完成了這套遺傳密碼的字典，如UGG色氨基酸。 二、三聯(lián)體密碼的翻譯：7071遺傳密碼字典71721簡(jiǎn)并性：簡(jiǎn)并現(xiàn)象； 色氨酸(UGG)和甲硫氨酸(AUG)例外，僅一個(gè)三 聯(lián)體密碼。61個(gè)為有意密碼，起始密碼為GUG、AUG(甲硫氨酸)。 3個(gè)為無(wú)意密碼，UAA、UAG、UGA為蛋白質(zhì)合成終止 信號(hào)。第1個(gè)和第2個(gè)堿基的重要性大于第3個(gè)堿基。 例如：脯氨酸（pro）：CCU、CCA、CCC、CCG。簡(jiǎn)并現(xiàn)象的意義：（生物遺傳的穩(wěn)定性） 同義的密碼子越多，生物遺傳的穩(wěn)定性也越大。 如：UCUUCC或UCA或UCG，均為絲氨酸。 三、遺傳密碼的基本特

20、征72732無(wú)逗號(hào)： AUG GUA CUG UCA 甲硫氨酸 纈 亮 絲密碼子與密碼子之間無(wú)逗號(hào)，按三個(gè)三個(gè)的順序一直閱讀下去，不漏不重復(fù)。如果中間某個(gè)堿基增加或缺失后，閱讀就會(huì)按新的順序進(jìn)行下去，最終形成的多肽鏈就與原先的完全不一樣(稱為移碼突變)。 AUG UAC UGU CA 甲硫氨酸 酪氨酸 半胱氨酸3不重疊： 在多核酸鏈上任何兩個(gè)相鄰的密碼子不共用一個(gè)堿基，均以3個(gè)一組的形成氨基酸密碼。73744通用性：在整個(gè)生物界中，從病毒到人類，遺傳密碼都 是通用的。 構(gòu)成4個(gè)基本堿基符號(hào) 所有氨基酸 所有蛋白質(zhì) 生物種類、生物體性狀1980年以來(lái)發(fā)現(xiàn)： 具有自我復(fù)制能力的線粒體tRNA(轉(zhuǎn)移

21、核糖核酸)在閱讀個(gè)別密碼子時(shí)有不同的翻譯方式(尚不清楚)。 如：酵母、鏈孢霉與哺乳動(dòng)物的線粒體。7475終止信號(hào)75UCAUGAUUAmRNA細(xì)胞質(zhì)AG T AC TA A T 細(xì)胞核核孔1.翻譯:在細(xì)胞質(zhì)中的各種氨基酸，以mRNA為模板合成具有一定氨基酸順序的蛋白質(zhì)的過(guò)程。遺傳信息的翻譯76翻譯過(guò)程核糖體20種氨基酸mRNAtRNA堿基互補(bǔ)配對(duì)原則多肽鏈場(chǎng) 所：原 料：模 板：轉(zhuǎn)運(yùn)工具：原 則：產(chǎn) 物：77翻譯起始78多肽鏈的延伸79多肽鏈的終止8081中心法則及其發(fā)展81中心法則及其發(fā)展(pp63-64)中心法則(central dogma)闡述生物世代、個(gè)體以及從遺傳物質(zhì)到性狀的遺傳信息

22、流向，即遺傳信息在遺傳物質(zhì)復(fù)制、性狀表現(xiàn)過(guò)程中的信息流向。最初由Crick提出，并經(jīng)過(guò)了多次修正。828283新發(fā)現(xiàn)： RNA腫瘤病毒及艾滋病病素：反轉(zhuǎn)錄酶，以RNA為模板來(lái)合成DNA。增加中心法則中遺傳信息的原有流向，豐富了中心法則內(nèi)容。 另外，大部分RNA病毒還可以把RNA直接復(fù)制成RNA。反轉(zhuǎn)錄： 對(duì)于遺傳工程上基因的酶促合成、以及致癌極理的研究都有重要的作用。 如：HIV病毒RNA經(jīng)反轉(zhuǎn)錄成DNA，然后整合到人類染色體中。83中心法則的發(fā)展反轉(zhuǎn)錄(逆轉(zhuǎn)錄)：反轉(zhuǎn)錄酶；cDNA。RNA的自我復(fù)制。DNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成。84DNARNA蛋白質(zhì)84第七節(jié) 現(xiàn)代分子遺傳學(xué)關(guān)于基因的概念(一)、 現(xiàn)代基因概念基因是DNA分子上帶有遺傳信息的特定核苷酸序列區(qū)段基因由重組子、突變子序列構(gòu)成重組子是DNA重組的最小可交換單位突變子是基因突變的最小單位重組子和突變子都是一個(gè)核苷酸對(duì)或堿基