高中生物競賽輔導(dǎo)課件-遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)

生物親代與子代之間，在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理功能上常常相似，這就是遺傳現(xiàn)象。生物的遺傳特性，使生物界的物種能夠保持相對穩(wěn)定。

根據(jù)現(xiàn)代細(xì)胞學(xué)和遺傳學(xué)的研究得知，控制生物性狀的主要遺傳物質(zhì)是脫氧核糖核酸（DNA）。

生物的各項生命活動都有它的物質(zhì)基礎(chǔ)。生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是什么呢？金絲猴的后代仍然是金絲猴牛的后代仍然是牛遺傳物質(zhì)——

DNA與RNA第一組問題？DNA是遺傳物質(zhì)RNA也可以作為遺傳物質(zhì)核酸之外有其他遺傳物質(zhì)嗎？核素的發(fā)現(xiàn)肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗大腸桿菌噬菌體搗碎實驗化學(xué)實驗遺傳物質(zhì)必須具備的基本條件DNA是遺傳物質(zhì)DNA是遺傳物質(zhì)核素的發(fā)現(xiàn)

1868年，瑞士F.Miescher從繃帶上的白細(xì)胞核中分離出一種含磷的酸性物質(zhì)，命名為核素。核素的主要成分是染色質(zhì)，是DNA和蛋白質(zhì)的混合物。這是首次對基因的化學(xué)本質(zhì)進(jìn)行探索。核酸這一名詞于20年后才被正式啟用。19世紀(jì)末期，DNA和RNA已經(jīng)從細(xì)胞中分離出來，為進(jìn)一步的化學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)30年代搞清了DNA和RNA的基本化學(xué)組成。還注意到了DNA和RNA所含核糖的差異。肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗肺炎雙球菌有兩種類型光滑型（S型）粗糙型（R型）Griffth的肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗隨堂雙基4：在肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗中，將R型活細(xì)菌與加熱后殺死的S型細(xì)菌混合后注射到小鼠體內(nèi)，小鼠死亡，則此過程中小鼠體內(nèi)S型、R型細(xì)菌含量變化情況最可能是下圖哪個選項()大腸桿菌噬菌體搗碎實驗

大腸桿菌噬菌體搗碎實驗1952年Herchey和Chase。用32P和35S分別標(biāo)記噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)，發(fā)現(xiàn)只有DNA進(jìn)入宿主細(xì)菌內(nèi)，而蛋白質(zhì)則沒有。首先用含放射性同位素（如32P）的培養(yǎng)基培養(yǎng)

，然后再用上述細(xì)菌培養(yǎng)

，就可得到含放射性元素（如DNA分子中含32P）的T2噬菌體。思考1:制備含放射性同位素T2噬菌體的方法：細(xì)菌噬菌體首先用含放射性同位素（如35S）的培養(yǎng)基培養(yǎng)

，然后再用上述細(xì)菌培養(yǎng)

，就可得到含放射性元素（如蛋白質(zhì)外殼中含35S）的T2噬菌體。

細(xì)菌噬菌體如何制備32P標(biāo)記的噬菌體？如何制備35S標(biāo)記的噬菌體?32P標(biāo)記的噬菌體DNA位置：35S標(biāo)記的噬菌體蛋白質(zhì)位置：磷酸基R基噬菌體侵染細(xì)菌的過程：吸附

侵入

合成

組裝

釋放最后，這些噬菌體由于細(xì)菌的解體而被釋放出來，再去侵染其他的細(xì)菌?；瘜W(xué)實驗不同生物的堿基組成不同，具有嚴(yán)格的種的特異性。單體在不同生物中都是相同的。ATGC等量四種堿基的分子濃度可變。DNA是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)

（1）一種生物不同組織的細(xì)胞，不論年齡大小，功能如何，它的DNA含量是恒定的，而生殖細(xì)胞精子的DNA含量則剛好是體細(xì)胞的一半。多倍體生物細(xì)胞的DNA含量是按其染色體倍數(shù)性的增加而遞增的，但細(xì)胞核里的蛋白質(zhì)并沒有相似的分布規(guī)律。（2）DNA在代謝上較穩(wěn)定。（3）DNA是所有生物的染色體所共有的，而某些生物的染色體上則沒有蛋白質(zhì)。（4）DNA通常只存在于細(xì)胞核染色體上，但某些能自體復(fù)制的細(xì)胞器，如線粒體、葉綠體有其自己的DNA。（5）在各類生物中能引起DNA結(jié)構(gòu)改變的化學(xué)物質(zhì)都可引起基因突變。（1）儲存并表達(dá)遺傳信息:（2）能夠復(fù)制，把遺傳信息傳遞給子代：

(3)物理和化學(xué)穩(wěn)定性：（4）有遺傳變化的能力：遺傳物質(zhì)必須具備以下基本條件：某科學(xué)家做“噬菌體侵染細(xì)菌的實驗”時，對噬菌體的DNA用32P標(biāo)記，讓其中一個已標(biāo)記的噬菌體去侵染未標(biāo)記的細(xì)菌，最后釋放出100個噬菌體，則下列說法正確的是()A．噬菌體侵染細(xì)菌的實驗可以證明DNA是主要的遺傳物質(zhì)B．最后釋放出的100個噬菌體中，有98個噬菌體的DNA含32PC．標(biāo)記噬菌體的方法是用含32P的培養(yǎng)基培養(yǎng)噬菌體D．標(biāo)記噬菌體的方法是用含32P的培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)菌，再用此細(xì)菌培養(yǎng)噬菌體RNA也可以作為遺傳物質(zhì)RNA病毒:一些病毒也采用另一種核酸－RNA作為遺傳物質(zhì)，如逆轉(zhuǎn)錄病毒。煙草花葉病毒（tobaccomosaicvirus,TMV）

設(shè)計實驗：TMV（煙草花葉病毒）蛋白質(zhì)RNA設(shè)計思路：技術(shù)方法：將蛋白質(zhì)與RNA分離，單獨(dú)觀察自身分離、化學(xué)提取分離、酶解法分離分離DNA與蛋白質(zhì)的技術(shù)手段有三類：（1）自身分離。（同位素標(biāo)記觀察）（2）化學(xué)提取法分離RNA與蛋白質(zhì)，（3）用RNA酶和蛋白酶分別處理噬菌體分離分離重組重組感染新的病毒產(chǎn)生哪種病毒？類病毒（viroid）類病毒：不具蛋白質(zhì)衣殼，僅有RNA組成的新病毒。

1922年美國馬鈴薯紡錘形塊莖病毒。特點：單股閉合環(huán)狀的RNA分子，分子量約105da。能耐受紫外線和作用于蛋白質(zhì)的各種理化因素，在90℃下仍能存活。類病毒復(fù)制如何進(jìn)行？由宿主細(xì)胞的酶來完成，其RNA作為復(fù)制模板。類病毒現(xiàn)在僅在高等植物中發(fā)現(xiàn)，一般通過接觸，擦傷，節(jié)肢動物和菟絲子傳播。非核酸的其他遺傳物質(zhì)朊病毒：又稱蛋白質(zhì)侵染因子。朊病毒是一類能侵染動物并在宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制的小分子的無免疫性疏水蛋白質(zhì)。羊瘙癢病1982年，美國發(fā)現(xiàn)羊瘙癢病是蛋白質(zhì)侵染引起的疾病，并稱為“Prion”即朊病毒。馬鹿和鹿的慢性消瘦病、貓的海綿狀腦病。1996年春天“瘋牛病”：牛海綿狀腦炎人慢性退化性紊亂疾病：老年癡呆、帕金森氏病、糖尿病等。朊病毒引起的風(fēng)波致病

正常朊蛋白構(gòu)型發(fā)生異常改變后導(dǎo)致瘋牛病，無需DNA或RNA的參與，致病因子朊蛋白就可以傳染復(fù)制。所謂朊病毒的繁殖就是正常的PrPC蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)镻rPSC的過程，而且朊病毒感染后也具有指數(shù)增長的特性。1）合成朊病毒所需的信息可能存在于寄主細(xì)胞中朊病毒的作用，僅在于激活在寄主細(xì)胞中為朊病毒的編碼的基因，使得朊病毒得以復(fù)制繁殖。2）朊病毒的蛋白質(zhì)能為自己編碼遺傳信息發(fā)生逆轉(zhuǎn)譯產(chǎn)生為朊病毒編碼的RNA或DNA，必須存在逆轉(zhuǎn)譯酶，甚至還要有逆轉(zhuǎn)錄酶。蛋白質(zhì)指導(dǎo)下的蛋白質(zhì)合成，即蛋白質(zhì)本身可作為遺傳信息。朊病毒的復(fù)制機(jī)理：大多數(shù)生物以DNA為遺傳物質(zhì)（細(xì)胞生物，DNA病毒）少數(shù)生物以RNA為遺傳物質(zhì)（RNA病毒）所以核酸是一切生物的遺傳物質(zhì)，DNA是主要的遺傳物質(zhì)。蛋白質(zhì)不是（是，不是）遺傳物質(zhì)?？偨Y(jié)核酸（DNA、RNA）的

化學(xué)組成第二組問題？嘧啶嘌呤1含氮堿基、核苷、核苷酸☉堿基HUracil(U)DNA:D-2-脫氧核糖A,G,C,TRNA:D-2-核糖A,G,C,U2核酸的化學(xué)組成

核酸的元素組成C、H、O、N、P（9-10%）

核酸

核苷酸

磷酸核苷

戊糖堿基3DNA的一級結(jié)構(gòu)：即是指四種核苷酸(dAMP、dCMP、dGMP、dTMP)按照一定的排列順序，通過磷酸二酯鍵連接形成的多核苷酸也稱為堿基順序。DNA一級結(jié)構(gòu)的兩種縮寫方式：

線條式：…pTpGpCpApT……pT-G-C-A-T…

文字式：1DNA雙螺旋模型的提出2維持DNA雙螺旋的力3雙螺旋結(jié)構(gòu)的基本形式4變性和復(fù)性第三組問題？研究背景：1950年，大量不同來源DNA樣品的分析發(fā)現(xiàn)了DNA組成的當(dāng)量規(guī)律，即A＝T，G＝C，A＋G＝C＋T。不同生物種屬的DNA堿基組成不同，同一個體不同器官、不同組織的DNA具有相同的堿基組成。1DNA雙螺旋模型的提出理論化學(xué)家L.Pauling運(yùn)用化學(xué)的簡單定律來推理，研究了蛋白質(zhì)

-螺旋結(jié)構(gòu)，此方法啟發(fā)了Watson和Crick。M.Wilkins、R.Franklin等在DNA的X－射線晶體結(jié)構(gòu)方面作出了重大的貢獻(xiàn)。R.Franklin的X-射線衍射圖1953年沃森和克里克提出DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出：Fig.

2-5WatsonandCrick’spaperinNature1953.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點：①脫氧核糖和磷酸通過3’,5’磷酸二酯鍵交互連接，成為螺旋鏈的骨架。兩條鏈方向以反向平行的方式組成右手雙螺旋。②堿基互補(bǔ)配對：只有A和T配對，G和C配對才能滿足正常螺旋（直徑20?）的要求和chargaff的當(dāng)量規(guī)律。堿基互補(bǔ)配對原則應(yīng)用設(shè)DNA一條鏈為1鏈，互補(bǔ)鏈為2鏈。根據(jù)堿基互補(bǔ)配對原則可知：A1=T2，A2=T1，G1=C2，

G2=C1。則在DNA雙鏈中：A=T，G=CA

1T2T1A2G

1C2C1G

2DNA雙鏈例題1、某雙鏈DNA分子中，G占23%，求A占多少？解析：因為DNA分子中，A+G=T+C。所以，A=50%–23%=27%③螺旋參數(shù)螺旋直徑２nm。螺旋每旋轉(zhuǎn)一周10對堿基，每個堿基的旋轉(zhuǎn)角度為36°。螺距3.4nm；堿基平面之間的距離為0.34nm。④

大溝小溝對于遺傳上有重要功能的蛋白質(zhì)識別DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)上的特定信息是非常重要的。大溝(2.2nm)小溝(1.2nm)2維持DNA雙螺旋的力氫鍵GC之間有三條氫鍵，AT之間有兩條氫鍵，這是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的重要特征之一，DNA的許多物理性質(zhì)如變性、復(fù)性以及Tm值等都與此有關(guān)。堿基堆集力

DNA同一條鏈相鄰堿基之間的非特異性作用力，包括疏水作用力和范德華力。

疏水作用力：不溶于水或難溶于水的兩個分子在水中具有相互聯(lián)合，成串聯(lián)地結(jié)合在一起的趨勢。嘌呤和嘧啶有一定程度的疏水性，雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成一個強(qiáng)大的疏水區(qū)，使DNA相鄰的堿基有相互堆集在一起的趨勢，這是形成堿基堆集力的重要因素之一。范德華力：存在于分子間的一種吸引力；

DNA雙鏈中嘌呤環(huán)和嘧啶范環(huán)德華的半徑是1.7?左右

，其累積的范德華力是相當(dāng)可觀的，這樣范德華力加強(qiáng)了疏水作用，這是形成堿基堆集力的另一個重要因素。

氫鍵與堿基堆集力的協(xié)同作用已經(jīng)堆基的堿基更容易發(fā)生氫鍵的鍵合，相應(yīng)地已經(jīng)被氫鍵定向的堿基更容易堆集。兩種作用力相互協(xié)同，形成一種非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。如果一種作用力被消除，另一種作用力也大為減弱。

磷酸基團(tuán)間的靜電斥力

帶負(fù)電荷的磷酸基的靜電斥力，所以DNA需要保存在含

Na+

生理鹽條件。

堿基分子內(nèi)能

物體的內(nèi)能是物體內(nèi)全部分子的分子動能與分子勢能之和。溫度升高，堿基分子內(nèi)能增加時，堿基的定向排列遭受破壞，消弱了堿基的氫鍵結(jié)合力和堿基的堆集力，會使DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)受到破壞。不穩(wěn)定因素3雙螺旋結(jié)構(gòu)的基本形式

三種不同形式的DNA構(gòu)象A，B，Z型雙螺旋的特性雙螺旋類型直徑(nm)螺距(nm)每輪堿基數(shù)堿基間距(nm)堿基傾角(°)螺旋扭角(°)存在的條件溝型相對濕度鹽種類大溝小溝A2.32.8110.26133375%Na+、K+、Cs+窄，深寬，深B2.03.410.40.3403692%Na+低鹽寬，中等深窄，中等深Z1.84.6120.389-3043%Na+、Mg2+高鹽平淺窄，深A(yù)BZ大溝寬小溝窄小溝窄大溝窄深小溝寬深大溝不存在小溝窄而深A(yù)構(gòu)象:在相對濕度75％以下獲得的DNA纖維具有不同與B-DNA的結(jié)構(gòu)特點。DNA-RNA雜交分子和RNA-RNA雙鏈結(jié)構(gòu)均采取A構(gòu)象。Z-DNA的形成是DNA單鏈上出現(xiàn)嘌呤和嘧啶交替排列所造成的，比如CGCGCGCG或CACACACACA。Z-DNA