遺傳物質(zhì)的分子基礎

1、,第三章 遺傳物質(zhì)的分子基礎,第一節(jié) DNA作為主要遺傳物質(zhì) 的證據(jù) 分子遺傳學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,,

2、1928, Griffith：首次將II R → III S，實現(xiàn)了細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,,2、噬菌體的侵染與繁殖 Hershey等用同位素32P和35S分別標記T2噬菌體的DNA與蛋白質(zhì),,3、煙草花葉病毒的感染和繁殖

3、 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),,,,,,為了進一步論證上述的結(jié)論 ，F(xiàn)rankel-Conrat和Singer實驗：,,第

4、二節(jié) 核酸的化學結(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* 每個核苷酸包括三部分： 五碳糖、磷酸、堿基* 兩個核苷酸之間由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 3-4 構(gòu)成核苷酸分子的堿基結(jié)構(gòu),,,,,,圖 3-5 核

5、酸分子的化學結(jié)構(gòu),,,,,,二、DNA的分子結(jié)構(gòu) 1953，Watson和Crick根據(jù)： 堿基互補配對的規(guī)律 對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。這個模型已為以后拍攝的電鏡直觀形象所證實。,,,,DNA分子模型最主要特點：(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(2)反向平行：5’－3’，3’－5’ (3)兩條單鏈間以堿基間氫鍵配

6、對相連： A T，C G(4)每個螺旋34Å (3.4nm)，含10bp， 直徑約為20Å(5)分子表面大溝和小溝交替出現(xiàn),,,,,,,圖 3-6 DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,,,,,,圖 3-7 兩條多核酸鏈間氫鍵相連,,,,,,,A-T和C-G兩種核苷酸對分子鏈內(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

7、---C A---T 假設某一段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)型之變異：B－DNA：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 A－DNA：在高鹽下存在形式，右旋， 每個螺圈含11bp Z－DNA:左旋，每個螺圈含12bp 其他構(gòu)型,,圖 3-9

8、DNA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)，互補的堿基對間可形成氫鍵。一些以RNA為遺傳物質(zhì)的動物病毒含有雙鏈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核酸分子(DNA或RNA) 。,,圖3－11 大腸桿菌的染色體DNA分子伸展有1200µm長，細菌

9、直徑1－2µm,,,,,,,圖3－12 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) DNA: 30%(重量) RNA: 少量染色質(zhì) 組蛋白：1H1、2H2A、2H2B、 2H3和2H4 (重量相當于DNA） 非組蛋白：少量,,,,,,,

10、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)兩個核小體 1H1：結(jié)合于連接絲與核小體 的接合部位,,,,,,圖3－13 核小體結(jié)構(gòu)模型一個核小體及其連接絲約含180－200bp約146bp盤繞在核小體表面1.75圈，其余bp為

11、連接絲，其長度變化較大，從短的8bp到長的114bp,,,,,,,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)的復制時間總是遲于常染色質(zhì) ） 異固縮現(xiàn)象,,,,2、染色體的結(jié)構(gòu)模型 染色單體—1

12、DNA+pro — 染色質(zhì)線是單線 染色體 染色單體在細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？,,,,圖3－14 染色體結(jié)構(gòu)模型現(xiàn)在認為至少存在三個層次的卷縮:核小體 →螺線管 →染色體 卷縮機理不清楚,,,,,,,圖3－15 非組蛋白組成的染色體骨架,,,,,,

13、,第四節(jié) DNA的復制 一、DNA復制的一般特點 1、復制方式：半保留復制2、復制起點：大多數(shù)細菌及病 毒只有一個復制起點 ，一個 復制子 ；真核生物是多起點 的，多個復制子 3、復制方向：一般為雙向復制,,圖3－16 DNA半保留復制,,,,,,,圖3－17 真核生物染色體多起點DNA復制電鏡照片,,,,,,,二、原核生物DNA合成 1、半保留復制，雙向復制 2、有引物的引導

14、，為RNA 3、延伸方向為5’－3’。4、一條鏈一直從5’向3’方向延 伸，稱前導鏈，連續(xù)合成 ；另一條先沿5’－3’ 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3－18 DNA解旋,,,,,,,圖3－19 DNA合成之模型,,,,,,,* 在前導鏈上，DNA引物酶只在 起始點合成一次引物RNA， DNA聚合酶III開始DNA的合成* 在后隨鏈上，每個岡崎

15、片段 的合成都需要先合成一段引 物RNA，然后DNA聚合酶III才 能進行DNA的合成。,,圖3－20 后隨鏈DNA的合成,,,,,,,RNA病毒中RNA的自我復制 先以自己為模板（“＋”鏈）合成一條互補的單鏈（“－”鏈），然后這個“－”鏈從“＋”鏈模板釋放出來，它也以自己為模板復制出一條與自己互補的“＋”鏈，形成了一條新生的病毒RNA。,,三、真核生物DNA合成 真核生物DNA的復制與原核生 物的

16、主要不同點：1、DNA的合成只是在S期進行，原 核生物則在整個細胞生長過程 中都進行DNA合成 2、原核生物DNA的復制是單起點 的，真核生物染色體的復制則 為多起點的,,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DNA聚合酶分別 控制前導鏈（δ）和后隨鏈 （α）的合成 ；在原核生物 中由聚合酶III同時控制二條 鏈的合成

17、5、染色體端體的復制：原核生 物的染色體大多數(shù)為環(huán)狀,,圖3－21 真核生物DNA復制,,,,,,,第五節(jié) RNA的轉(zhuǎn)錄及加工 一、三種RNA分子 1、mRNA 2、tRNA：最小的RNA，由70到 90個核苷酸組成，具有稀有 堿基的特點,,圖3－22 tRNA的三維結(jié)構(gòu),,,,,,,圖 3-6 DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,,,,,,,3、rRNA：核糖體的主要成 分。在大腸桿菌中： rRNA

18、量占細胞總RNA量的 75-85％ tRNA占15％ mRNA占3-5％,,二、RNA合成的一般特點 1、所用原料為核苷三磷酸；在DNA合成 時為脫氧核苷三磷酸 2、只有一條DNA鏈被用作模板；DNA合成 時，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

19、、原核生物RNA的合成 * 轉(zhuǎn)錄后形成一個RNA分子的一段DNA序列稱為一個轉(zhuǎn)錄單位 * 一個轉(zhuǎn)錄單位可能剛好是一個基因，也可能含有多個基因 * RNA轉(zhuǎn)錄分三步：(1)RNA鏈的起始；(2)RNA鏈的延長；(3)RNA鏈的終 止及新鏈的釋放,,圖3－24 RNA的轉(zhuǎn)錄過程,,,,,,,圖3－25 啟動子的結(jié)構(gòu),,,,,,,圖3－26 RNA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

20、的轉(zhuǎn)錄的不同點1、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄是在細胞核內(nèi)進行， 而蛋白質(zhì)的合成則是在細胞質(zhì)內(nèi)2、原核生物的一個mRNA分子通常含有多個基 因；而少數(shù)較低等真核生物外，真核生物 一個mRNA分子一般只編碼一個基因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 4、原核生物RNA聚合酶直接起始轉(zhuǎn)錄合成RNA ；真核生

21、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)翻譯時識別起始位置及防止 被RNA酶降解 2、3’端加上尾巴(聚腺苷酸,polyA) 對增加mRNA的穩(wěn)定性及從細胞核向細 胞質(zhì)的運輸具有重要作用 3、切除非編碼序列(內(nèi)含子)，將編碼序 列(外顯子)連接起來，才能進行蛋白 質(zhì)的翻

22、譯,,圖3－28 真核生物mRNA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利用： 除少數(shù)情況外，一個mRNA上每 個堿基只屬于一個密碼子 （5）起始密碼子：AUG GUG 和終止密碼子: UAA UAG UGA (6) 遺傳密碼間無逗號,即在翻譯過程 中，遺傳密碼的譯讀是連續(xù)的,,