第二章1 基因工程基礎(chǔ)(4學(xué)時(shí))

第二章基因工程現(xiàn)代生物技術(shù)概論1Outline第一節(jié)基因工程基礎(chǔ)基因工程理論依據(jù)基因工程定義步驟內(nèi)容

DNA遺傳物質(zhì)及基因2不同基因具有相同的物質(zhì)基礎(chǔ)基因是可切割的基因是可以轉(zhuǎn)移的多肽與基因之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系遺傳密碼是通用的基因可以通過(guò)復(fù)制把遺傳信息傳給下一代一基因工程理論基礎(chǔ)3基因工程最突出的優(yōu)點(diǎn)是打破了常規(guī)育種難以突破的物種之間的界限，可以使原核生物與真核生物之間、動(dòng)物與植物之間、甚至人與其他生物之間的遺傳信息進(jìn)行相互重組和轉(zhuǎn)移。Themostprominentadvantageofgeneticengineering：4二Geneengineeringoverview1concept:的指按人們需要，有類(lèi)似工程設(shè)計(jì)方法將不同來(lái)源基因，在體外購(gòu)建成雜種DNA分子，然后把重組的DNA分子引入受體細(xì)胞，在受體細(xì)胞中進(jìn)行復(fù)制與表達(dá)，按人們的需要繁殖擴(kuò)增基因或在產(chǎn)生不同的產(chǎn)物或定向的創(chuàng)造生物的新性狀，并能穩(wěn)定的遺傳給下代。（與書(shū)略不同）從狹義上講，供體，受體、載體基因工程的基本過(guò)程：切、接、轉(zhuǎn)、增、檢52.1Isolationandobtainoftheinterestgene目的基因的分離與獲得；2.2vectorselectandestablish載體的選擇與構(gòu)建；2.3Recombinantofvectorandtheinterestgene載體和目的基因的重組；2.4TherecombinantDNAtransformationandamplification.重組DNA的轉(zhuǎn)化和擴(kuò)增；2.5ScreeningofrecombinantDNA重組DNA的篩選和鑒定。2Techniqueofgeneengineering6①?gòu)募?xì)胞中分離出DNA①②③④⑤⑥②限制酶截取DNA片斷③分離大腸桿菌中的質(zhì)粒④DNA重組⑤用重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化大腸桿菌⑥培養(yǎng)大腸桿菌克隆大量基因

重組DNA技術(shù)的一般步驟7生物材料RNADNAmRNAcDNA文庫(kù)基因組文庫(kù)人工合成目的基因克隆載體重組DNA受體細(xì)胞克隆子轉(zhuǎn)基因生物

基因工程基本技術(shù)路線8三.DNA與遺傳物質(zhì)

1．組成DNA分子的基本單位是什么?

每個(gè)基本單位由哪幾部分組成？2．組成DNA的堿基有幾種？分別是什么？3．脫氧核苷酸有幾種？分別是哪些？DNA的結(jié)構(gòu)9脫氧核糖磷酸AGCT腺嘌呤鳥(niǎo)嘌呤胞嘧啶胸腺嘧啶DNA的基本單位－脫氧核苷酸堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖磷酸(phosphate)含氮堿基10DNA的化學(xué)本質(zhì)DNA就是脫氧核糖核酸(長(zhǎng)鏈)核酸：核苷酸通過(guò)3ˊ5ˊ-磷酸二酯鍵聯(lián)在一起;核苷酸：核苷的磷酸酯;核苷：堿基(AGTC四種)與戊糖(DNA在2ˊ

位脫氧,RNA不脫氧)通過(guò)糖苷鍵形成。核苷酸ONNNH2OCH2OHOHPOOOHOH11☉堿基Nitrogenousbases嘧啶Pyrimidines嘌呤Purines胸腺嘧啶胞嘧啶腺嘌呤鳥(niǎo)嘌呤堿基配對(duì)原則：A——TG——CDNA中的堿基類(lèi)型12☉核苷酸(nucleotideacid)核苷的磷酸酯脫氧核糖核苷酸核糖核苷酸其中α和β、β和γ之間是高能磷酸鍵Deoxynucleotides91’αβγ135′端3′端多個(gè)核苷酸3′,5′磷酸二酯鍵核酸AOCH2OHPOOO-O5'COCH2POOO-O3'5'TOCH2POOO--O3'5'多個(gè)核苷酸14151617堿基配對(duì)及氫鍵形成1819DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)成方式位置雙螺旋外側(cè)雙螺旋內(nèi)側(cè)堿基對(duì)主鏈1）脫氧核糖與磷酸交替排列；2）兩條主鏈呈反向平行；3）盤(pán)繞成規(guī)則的雙螺旋。1）主鏈上對(duì)應(yīng)堿基以氫鍵連結(jié)成對(duì)；2）堿基互補(bǔ)配對(duì)（A—T，G—C）。20RNA的分子結(jié)構(gòu)至于RNA的分子結(jié)構(gòu)，就其化學(xué)組成上看，也是由四種核苷酸組成的多聚體。它與DNA的不同，首先在于以U代替了T，其次是用核糖代替了脫氧核糖，此外，還有一個(gè)重要的不同點(diǎn)，就是絕大部分RNA以單鏈形式存在，但可以折疊起來(lái)形成若干雙鏈區(qū)域。在這些區(qū)域內(nèi)，凡互補(bǔ)的堿基對(duì)間可以形成氫鍵(圖)。但有一些以RNA為遺傳物質(zhì)的動(dòng)物病毒含有雙鏈RNA。21RNA的分子結(jié)構(gòu)22總結(jié)DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特性？相對(duì)的穩(wěn)定性、多樣性和特異性。①DNA分子結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定性，主要是由于外側(cè)脫氧核糖與磷酸交替排列的順序是穩(wěn)定不變的。②DNA分子結(jié)構(gòu)的多樣性，主要是由于內(nèi)側(cè)堿基對(duì)的排列順序是千變?nèi)f化的。③DNA分子的特異性，是由于每個(gè)特定的DNA分子都具有其特定的堿基對(duì)排列順序。

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WatsonandCrickproposedthatthetwopolynucleotidechainsinthedoublehelixassociatebyhydrogenbonding

betweenthenitrogenousbases.GcanhydrogenbondspecificallyonlywithC,whileAcanbondspecificallyonlywithT.Thesereactionsaredescribedasbasepairing,andthepairedbases(GwithC,orAwithT)aresaidtobecomplementary.24例、下圖是DNA分子結(jié)構(gòu)模式圖，用文字填出1—10的名稱(chēng)。PPPPACTG1234567891012345678910胞嘧啶（C）腺嘌呤（A）鳥(niǎo)嘌呤（G）胸腺嘧啶（T）脫氧核糖磷酸胸腺嘧啶脫氧核苷酸堿基對(duì)氫鍵一條脫氧核苷酸鏈的片段25DNA是遺傳物質(zhì)

(1)貯藏遺傳信息的功能

(2)傳遞遺傳信息的功能

(3)表達(dá)遺傳信息的功能

由此，克里克提出中心法則,確定遺傳信息由DNA通過(guò)RNA流向蛋白質(zhì)的普遍規(guī)律。26

生命通過(guò)繁殖而延續(xù),DNA是生物遺傳的基本物質(zhì)。漂亮的模特遺傳學(xué)家“中心法則”27DNADNARNA蛋白質(zhì)中心法則中心法則：遺傳信息儲(chǔ)存在DNA中，DNA通過(guò)轉(zhuǎn)錄生成mRNA，mRNA再通過(guò)翻譯生成蛋白質(zhì)，從而完成遺傳信息的表達(dá)過(guò)程。2829纈氨酸

苯丙氨酸

天冬酰胺

谷氨酰胺

組氨酸

亮氨酸30原核生物31真核生物32核酸核糖核酸（RNA）脫氧核糖核酸（DNA）核糖體RNA（rRNA）轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）信使RNA（mRNA）分類(lèi)分布細(xì)胞核、線粒體、葉綠體、質(zhì)粒等功能遺傳信息的載體細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核核糖體的成分轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸傳遞DNA的遺傳信息，指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成331909年丹麥遺傳學(xué)家約翰遜（W.Johansen）在《精密遺傳學(xué)原理》一書(shū)中提出“基因”概念。“基因型”(genotype)、“遺傳學(xué)”(genetics)等名詞由此派生而來(lái)的。基因(gene)具有特定功能的DNA片段，這些片段有的編碼蛋白質(zhì)，有的編碼rRNA、tRNA，有的則是與復(fù)制、轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的DNA序列。四.DNA與基因34基因是指一切生物體內(nèi)儲(chǔ)存遺傳信息且有自我復(fù)制能力的遺傳功能單位，其物質(zhì)基礎(chǔ)是一個(gè)具有特定核苷酸（堿基+核糖）順序的核酸片段。從基因的功能上看，可分為三種：1、結(jié)構(gòu)基因。

控制某種蛋白質(zhì)酶的合成.2、操縱基因，

它的功能象“開(kāi)關(guān)”，控制結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。3、調(diào)節(jié)基因，

具有調(diào)節(jié)功能，可以合成阻礙蛋白，附著在操縱基因，關(guān)閉結(jié)構(gòu)基因的活動(dòng)，進(jìn)而阻礙酶的合成。不同功能的基因是通過(guò)組成調(diào)控系統(tǒng)而發(fā)揮作用的。基因35

啟動(dòng)基因P操縱子

操縱基因O基因調(diào)控系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)基因

S

調(diào)節(jié)基因R36

生物生長(zhǎng)的主要活動(dòng)是蛋白質(zhì)的合成，蛋白質(zhì)是以RNA為模板在核糖體上合成的，與RNA和DNA的合成有關(guān)，RNA分為四種，分別是mRNA、tRNA、rRNA和反義RNA。蛋白質(zhì)的合成過(guò)程分為以下幾步：1.復(fù)制。

決定該種蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的相應(yīng)一段DNA鏈進(jìn)行自我復(fù)制。2.轉(zhuǎn)錄。

以上述DNA分子的一條鏈為模板，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則，轉(zhuǎn)錄出mRNA，同時(shí)還以相同方式得到tRNA、rRNA。這一過(guò)程在細(xì)胞核內(nèi)完成。蛋白質(zhì)的合成3738

3.翻譯。

合成好的各種RNA通過(guò)核孔進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中發(fā)揮各自作用。rRNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成核糖體作為合成蛋白質(zhì)的場(chǎng)所；tRNA相當(dāng)于搬運(yùn)工，通常為帶有三個(gè)環(huán)的“三葉草”結(jié)構(gòu)，其上下兩端分別具有特定識(shí)別作用，上端識(shí)別特定的氨基酸，并可以與之暫時(shí)結(jié)合，將其運(yùn)送到核糖體中，下端由三個(gè)核苷酸序列形成反密碼子，識(shí)別mRNA上與之互補(bǔ)的密碼子，并暫時(shí)結(jié)合。3940一種tRNA只能轉(zhuǎn)運(yùn)一種特定的氨基酸,當(dāng)?shù)谝环NtRNA把一個(gè)氨基酸分子準(zhǔn)確運(yùn)到核糖體內(nèi)后，其他tRNA也以同樣方式運(yùn)送第二個(gè)氨基酸分子進(jìn)入核糖體中，此時(shí)，第一種tRNA就把它攜帶的氨基酸傳給后來(lái)者，它則游離出來(lái)，又去轉(zhuǎn)運(yùn)下一個(gè)相同的氦基酸。414.蛋白質(zhì)合成。

不斷重復(fù)3.的過(guò)程，經(jīng)過(guò)多種tRNA這樣多次轉(zhuǎn)運(yùn)，使各種需要的氨基酸一個(gè)一個(gè)全都按mRNA攜帶的指令，排列到相應(yīng)的位置上，彼此相連形成具有特定氨基酸順序的肽鏈，一旦遇到mRNA中的終止密碼，該肽鏈就脫離下來(lái)，并高度折疊形成特定蛋白質(zhì)。

4243非編碼區(qū)：某的區(qū)段不能轉(zhuǎn)錄為相應(yīng)的RNA，也就是說(shuō)不能編碼蛋白質(zhì)，這樣的區(qū)段叫做非編碼區(qū)。非編碼區(qū)非編碼區(qū)編碼區(qū)：原核細(xì)胞的基因中的某些區(qū)段能夠轉(zhuǎn)錄為相應(yīng)的RNA，進(jìn)而指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，即能夠編碼蛋白質(zhì)，這樣的區(qū)段叫做編碼區(qū)。編碼區(qū)與RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)原核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)44與RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)基因1基因2基因間區(qū)基因間區(qū)基因間區(qū)DNA編碼區(qū)非編碼區(qū)非編碼區(qū)基因mRNA氨基酸序列蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯45基因1基因2基因間區(qū)基因間區(qū)基因間區(qū)DNA氨基酸序列蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯外顯子內(nèi)含子與RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)編碼區(qū)非編碼區(qū)非編碼區(qū)cdefa基因bmRNA加工真核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)46非編碼區(qū)非編碼區(qū)編碼區(qū)與RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)外顯子內(nèi)含子人體的骨骼肌細(xì)胞與腸腺細(xì)胞比較，遺傳物質(zhì)是否相同？

造成兩形態(tài)、結(jié)構(gòu)不同的根本原因是什么？真核細(xì)胞基因結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)：編碼區(qū)是間隔、不連續(xù)的不同種的蛋白質(zhì)基因所含的內(nèi)含子與外顯子數(shù)量、長(zhǎng)度均有

差別往往基因中含有的堿基對(duì)越多，外顯子所占的比例越小。47SD序列（Shine-Dalgarnosequence）：

mRNA能在原核生物核糖體上產(chǎn)生有效結(jié)合和轉(zhuǎn)譯的特殊序列。SD序列在細(xì)菌mRNA起始密碼子AUG上游10個(gè)堿基左右處，有一段富含嘌呤的堿基序列，能與細(xì)菌16SrRNA3’端識(shí)別，幫助從起始AUG處開(kāi)始翻譯。P19SD序列48真核細(xì)胞基因結(jié)構(gòu)和原核細(xì)胞的有何相同點(diǎn)和不同點(diǎn)？1）相同點(diǎn)：都是由能夠編碼蛋白質(zhì)的編碼區(qū)和具有調(diào)控作用的非編碼區(qū)組成。2）不同點(diǎn)：原核細(xì)胞基因的編碼區(qū)是連續(xù)的，真核細(xì)胞基因的編碼區(qū)是間隔的，不連續(xù)的。