遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)課件

姓名：金麗華辦公地點(diǎn)：新逸夫樓254E-mail:Tel:8219-1755第二章遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)基因遺傳的染色體理論認(rèn)為：

------基因存在于染色體上?；虻娜齻€(gè)基本功能遺傳功能------基因的復(fù)制表型功能------基因的表達(dá)進(jìn)化功能------基因的變異1869年，F(xiàn).Miescher（米歇爾）從膿細(xì)胞中提取到一種富含磷元素的酸性化合物---核素（muclein）。1885—1900年間，Kossel、Johnew、Levene證實(shí)核酸由不同的堿基組成。其最簡(jiǎn)單的單體結(jié)構(gòu)是堿基-核糖-磷酸構(gòu)成的核苷酸。

1929年又確定了核酸有兩種，一種是脫氧核糖核酸(DNA)，另一種是核糖核酸(RNA)。核酸和蛋白質(zhì)的

紫外光吸收波長(zhǎng)DNA是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)不同波長(zhǎng)的紫外光誘發(fā)生物體發(fā)生突變肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)(1928，Griffith格里菲斯)結(jié)論：

在加熱殺死的IIIS型肺炎雙球菌中有較耐高溫的轉(zhuǎn)化物質(zhì)能夠進(jìn)入IIR型IIR型轉(zhuǎn)變?yōu)镮IIS型

無(wú)毒轉(zhuǎn)變?yōu)橛卸尽?944年，Avery在離體條件下完成細(xì)菌轉(zhuǎn)化，并用生物化學(xué)的方法證明活性物質(zhì)是DNA.人們?nèi)圆幌嘈臘NA是遺傳物質(zhì)，這是由于：（1）認(rèn)為蛋白分子量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，二十種氨基酸的排列組合將是個(gè)天文數(shù)字，可作為一種遺傳信息。而DNA分子量小，只含4種不同的堿基，人們一度認(rèn)為不同物種的有機(jī)體的核酸只有微小的差異。（2）認(rèn)為轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中DNA并未能提得很純，還附有其它物質(zhì)。（3）即使轉(zhuǎn)化因子確實(shí)是DNA，但也可能DNA只是對(duì)莢膜形成起著直接的化學(xué)效應(yīng)，而不是充當(dāng)遺傳信息的載體。噬菌體的侵染過(guò)程由蛋白質(zhì)外殼和其內(nèi)的遺傳物質(zhì)構(gòu)成。尾絲固定于大腸桿菌，遺傳物質(zhì)注入

破壞寄主細(xì)胞原有的遺傳物質(zhì)

合成大量的噬菌體遺傳物質(zhì)和蛋白質(zhì)

組裝許多新的子噬菌體

溶菌酶裂解細(xì)菌

釋放出大量噬菌體。1952年Hershey和Chase

的噬菌體感染實(shí)驗(yàn)

二.Hershey-Chase的噬菌體實(shí)驗(yàn)三、RNA也是遺傳物質(zhì)A.Gierer和G.Schraman（1956）發(fā)現(xiàn)煙草花葉病毒（tobaccomosaicvirus），其遺傳物質(zhì)是RNA。美國(guó)HeinzFraenkel-Conrat和B.Singre（1957）用病毒重建實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一結(jié)論。TMV的蛋白質(zhì)外殼和單螺旋RNA接種：

TMV蛋白質(zhì)煙草不發(fā)?。?/p>

TMVRNA煙草發(fā)病新的TMV；

TMVRNA＋RNA酶煙草不發(fā)病。DNA是主要的遺傳物質(zhì)：

間接證據(jù)：

直接證據(jù)：1.肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)（1928）

2.在離體條件下完成細(xì)菌轉(zhuǎn)化（1944）

3.噬菌體感染實(shí)驗(yàn)（1952）小結(jié)1950[英]Chargaff當(dāng)量規(guī)律DNA的堿基組成特點(diǎn)——Chargaff定律

(1)堿基當(dāng)量定律:嘌呤堿總量=嘧啶堿總量,即A+G=T+C(2)不同生物的DNA堿基組成有明顯的差異，表明具有

物種的特異性，但沒(méi)有組織的特異性和不同發(fā)育階段的特異性,即各種生物的堿基組成是特異而穩(wěn)定的，從而否定了四核苷酸假說(shuō)。(1).腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩爾數(shù)相等，即A=T(2).鳥(niǎo)嘌呤和胞嘧啶的摩爾數(shù)也相等，即G=C(3).含氨基的堿基（腺嘌呤和胞嘧啶）總數(shù)等于含酮基的堿基（鳥(niǎo)嘌呤和胸腺嘧啶）總數(shù)，即A+C=T+G所有DNA中堿基組成必定是A=T，G=C，這一規(guī)律暗示A與T，C與G相互配對(duì)的可能性，為Watson和Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)提供了重要依據(jù)。β1’β1’N9N1腺苷(AR)脫氧胞苷(dCR)β1’,N9-糖苷鍵β1’,N1-糖苷鍵嘌呤環(huán)嘧啶環(huán)核苷與核苷酸的結(jié)構(gòu)和名稱a.磷酸二酯鍵b.多核苷酸鏈二、DNA的分子結(jié)構(gòu)1953年，Watson&Crick

建立雙螺旋模型，主要是受到4個(gè)方面的影響：（1）1938年W.T.Astbury&Bell用x衍射技術(shù)研究DNA。1947年拍攝了第一張DNA的衍射照片，并推斷DNA分子的結(jié)構(gòu)是：

1）柱狀；

2）多核苷酸是一疊扁平的核苷酸；

3）核酸殘基取向和分子長(zhǎng)軸垂直,間距為3.4nm。（2）1951年P(guān)auling和Corey運(yùn)用化學(xué)的定律來(lái)推理，而不做具體的實(shí)驗(yàn)，建立了蛋白質(zhì)的α-螺旋模型；（3）受到晶體學(xué)者J.Donoh&Chargaff的指點(diǎn)。（4）R.Franklin&Wilkins（維爾金）在1952年底拍得了DNA結(jié)晶X衍射照片。1953年，Watson和Crick提出DNA的反向平行雙螺旋模型

1962年Wilkins、Watson和Crick共獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1869年，F(xiàn)riedrichMiescher從繃帶上的白細(xì)胞核中分離出一種含磷的物質(zhì)，命名為核素（nuclein）。19世紀(jì)末期，DNA和RNA已經(jīng)從細(xì)胞中分離出來(lái)。20世紀(jì)30年代，P.Levene和W.Jacobs等搞清了DNA和RNA的基本化學(xué)組成。1928年，F(xiàn)rederickGriffith發(fā)現(xiàn)了肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，但轉(zhuǎn)化源的化學(xué)本質(zhì)仍是一個(gè)謎。1944年，轉(zhuǎn)化源就是DNA。但Avery等人的發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有產(chǎn)生多大的影響，因?yàn)楫?dāng)時(shí)蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)的觀點(diǎn)盛行。1950年以后，Chargaff、Markham等人，否定了“四核苷酸學(xué)說(shuō)”1952年，Hershy和Chase用32P和35S分別標(biāo)記噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)，Hershy－Chase的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明DNA是遺傳物質(zhì)。1953年，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出才真正確立了DNA是遺傳物質(zhì)的觀點(diǎn)。雙螺旋模型(doublehelixmodel)Space-fillingdiagramofaDNAdoublehelix.B型雙螺旋DNA的結(jié)構(gòu)特征

雙螺旋模型(doublehelixmodel)雙螺旋模型有以下特點(diǎn)：(1)DNA分子由兩條反向平行的多核苷酸鏈組成（兩條鏈反向平行，即兩條鏈的方向相反），形成右手雙螺旋。(2)糖一磷酸鍵是在雙螺旋的外側(cè)，堿基對(duì)在內(nèi)側(cè)，并與軸線垂直。(3)兩條多核苷酸鏈上的堿基間形成氫鍵，堿基配對(duì)時(shí)，必須一個(gè)是嘌呤，另一個(gè)是嘧啶。(4)上下堿基對(duì)間距為0.34nm,繞軸一周距離為3.4nm，是10bp,平均直徑為2nm.(5)DNA雙螺旋有大溝（majororwidegroove）和小溝（minorornarrowgroove）的存在。三、RNA分子結(jié)構(gòu)：

與DNA的區(qū)別：①U代替T；

②核糖代替脫氧核糖；③一般以單鏈存在。四、染色體的分子結(jié)構(gòu)一、原核生物的染色體：

1．特點(diǎn):

⑴．染色體簡(jiǎn)單：

DNA分子：如細(xì)菌、多數(shù)噬菌體和多數(shù)動(dòng)物病毒；

RNA分子：如植物病毒、某些噬菌體和動(dòng)物病毒。

⑵．遺傳信息含量少：

只有一條染色體，且DNA含量遠(yuǎn)低于真核生物。

*大腸桿菌（E.coli）只有一個(gè)環(huán)狀染色體，

其DNA分子含核苷酸對(duì)為3×106，長(zhǎng)度1.1mm。

*蠶豆配子中染色體(n=6)的核苷酸對(duì)為2×1010，長(zhǎng)度6000mm。2．結(jié)構(gòu):

(1).噬菌體的染色體結(jié)構(gòu)：A:10-10m(2).大腸桿菌的染色體結(jié)構(gòu)：染色體DNA結(jié)合物質(zhì)：幾種DNA結(jié)合蛋白、RNA。二、真核生物的染色體：

㈠、染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu):

1．組成:

(1)．DNA：占染色質(zhì)重量的30－40%；

(2)．蛋白質(zhì)：組蛋白含量比例與DNA相近，結(jié)構(gòu)上起決定作用；非組蛋白與基因的調(diào)控有關(guān)。

(3)．其它：RNA和一些脂類。2．結(jié)構(gòu):

通過(guò)電鏡觀察和研究，提出染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的串珠模型。

染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元：

核小體（nucliesome）:由H2A、H2B、H3和H44種組蛋白構(gòu)成。

連接絲:DNA雙鏈+H1組蛋白。

組蛋白H1

53個(gè)氨基酸

H2A

129個(gè)氨基酸H2B

125個(gè)氨基酸H3

133個(gè)氨基酸H4102個(gè)氨基酸1個(gè)核小體(繞有1.75圈DNA)+連接絲約200bpDNA。

組蛋白在進(jìn)化上很保守，親緣關(guān)系很遠(yuǎn)的生物差異很小。

如H4：牛、豌豆均是102個(gè)氨基酸，其中僅2個(gè)氨基酸不一樣。DiagramshowstherelativepositionsoftheDNAsuperhelixandhistones.2.核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu):

DNA的分子結(jié)構(gòu)，雙螺旋結(jié)構(gòu)，自我復(fù)制。

3.染色體的分子結(jié)構(gòu)：

原核生物染色體結(jié)構(gòu)模型；

真核生物染色體的折疊模型小結(jié)（一）、原核生物染色體原核生物染色體簡(jiǎn)單，通常一個(gè)核酸分子（DNA或RNA)，單鏈或雙鏈，環(huán)狀或線性。E.coli：2.4×109Da，42000Kb（1300微米），閉合環(huán)狀，約編碼2000個(gè)基因。類核（nucleoid）。支架

(scafford）由100個(gè)DNA環(huán)組成，每個(gè)環(huán)40Kb，

13微米。大腸桿菌染色體結(jié)構(gòu)（二）、真核生物染色體染色質(zhì)或染色質(zhì)線核小體------染色體基本結(jié)構(gòu)單位異染色質(zhì)組成型異染色質(zhì)兼性異染色質(zhì)常染色質(zhì)異固縮現(xiàn)象組蛋白類型堿性氨基酸氨基酸數(shù)分子量（Da）LysArgH129%1%21523,000H2A11%9%12913,960H2B16%6%12513,775H310%13%13515,340H411%14%10211,2801.組蛋白---小牛胸腺DNA的組蛋白的特點(diǎn)2．

核小體（nucliesome）1956年Wilkins和VittorioLuzzati對(duì)染色質(zhì)進(jìn)行了X衍射研究，發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)具有間隔為100埃的重復(fù)性結(jié)構(gòu)。Hewish和Burgoyun（1973年）用內(nèi)源核酸酶消化細(xì)胞核，再?gòu)暮酥蟹蛛x出DNA，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一系列DNA片段，它們相當(dāng)于長(zhǎng)約200bp的一種基本單位的多聚體。M.Noll（1974年）用外源核酸酶處理染色質(zhì)，然后進(jìn)行電泳，測(cè)得前三個(gè)片段長(zhǎng)度分別為205，405，605bp長(zhǎng)。3.染色體的高級(jí)結(jié)構(gòu)染色體結(jié)構(gòu)模型：放射環(huán)模型（radealloopmodel）螺旋環(huán)模

（MarsdenLaemmli,1979,Paulson.,1982）放射環(huán)和螺旋環(huán)共存模型（Rattner和Lin，1985）袢環(huán)模型（J.Painta和D.Coffey,1984）螺旋折疊（helicallyfolded）、(BoydeTour,Ey和

LaemmliU.K.1988)等模型側(cè)環(huán)模型染色體的結(jié)構(gòu)模型DNA超螺旋化---核小體（10nm)H2A,H2B,H3,H4核小體螺旋化---超微螺旋的螺旋管（30nm)H1螺旋管進(jìn)一步卷縮---染色體非組蛋白骨架4.著絲粒和端粒（1）著絲粒由三個(gè)功能區(qū)組成中部的元件(II)由80-90bp組成，A+T含量高，>90%；左側(cè)的元件(I)含有PuTCACPuTG順序（Pu是嘌呤），右側(cè)的元件(III)是由26bp組成的保守區(qū)，此區(qū)也是A-T豐富區(qū)。所有真核生物的著絲粒功能都相同，但其DNA卻具有種的特異性。DiagramoftheconservedstructureofthecentromeresinSaccharmycescerevisiae(top)andthesequenceoftheCENregionofchromosome3ofthisspecies(bottom).采用熒光技術(shù)進(jìn)行人類中期染色體著絲粒的原位雜交（2）端粒（telomere）及共同特點(diǎn)：*

每一個(gè)端粒都含有一系列的短的正向重復(fù)順序。

Cn(A/T)m，其中n>1，而m=1~4。*在端粒區(qū)域中有一種特殊的不連續(xù)排列，產(chǎn)生單鏈斷裂的形式，這種結(jié)構(gòu)并不能被連接酶將缺口封閉起來(lái)。*提純的天然端粒區(qū)可直接用E.ColiDNA多聚酶I

進(jìn)行缺口平移(nicktranslation)。*在端粒區(qū)的最末端可能帶有3`-OH的單鏈末端回折成了發(fā)夾回(hairpin)結(jié)構(gòu)。*端粒的雙鏈部分中含有T2G4的順序在3`末端，排列方向是朝向染色體的中心部位。

端粒的功能

*防止染色體末端被DNA酶酶切。*防止染色體末端與其他DNA分子結(jié)合。*使染色體末端在DNA復(fù)制中保持穩(wěn)定。*使線形DNA的復(fù)制順利。*影響染色體的行為。*可能控制細(xì)胞的壽命。*與核骨架的組成有關(guān)。TechnicalSidelight–Human