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第三章 遗传的分子基础

第三章 遗传的分子基础. 第一节 遗传物质的结构与功能 第二节 基因 第三节 基因突变. 第一节 遗传物质的结构与功能. 一、 DNA 的化学组成和分子结构 二、 RNA 的结构、种类 三、遗传物质的功能. 第一节 遗传物质的结构与功能. 一、 DNA 的化学组成和分子结构 1. DNA 的化学组成 基本单位 — 脱氧核苷酸 . 1 个脱氧核苷酸 = 1 磷酸 + 1 脱氧核糖 + 1 碱基。 碱基两类 ：嘌呤 + 嘧啶。 嘌呤包括腺嘌呤 (A) 和鸟嘌呤 (G) 。 嘧啶包括胞嘧啶 (C) 和胸腺嘧啶 (T) 。. 核苷.

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第三章 遗传的分子基础

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  1. 第三章 遗传的分子基础 第一节 遗传物质的结构与功能 第二节 基因 第三节 基因突变

  2. 第一节 遗传物质的结构与功能 一、DNA的化学组成和分子结构 二、RNA的结构、种类 三、遗传物质的功能

  3. 第一节 遗传物质的结构与功能 一、DNA的化学组成和分子结构 1. DNA的化学组成 基本单位—脱氧核苷酸. 1个脱氧核苷酸= 1磷酸 + 1脱氧核糖 + 1碱基。 碱基两类：嘌呤 + 嘧啶。 嘌呤包括腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)。 嘧啶包括胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。

  4. 核苷 核苷酸

  5. dAMP 脱氧腺苷酸 dGMP 脱氧鸟苷酸 dTMP 脱氧胸苷酸 dAMP dGMP dTMP dCMP 四种脱氧核苷酸 dCMP 脱氧胞苷酸 脱氧核糖核苷酸(构成DNA) 1’-腺嘌呤-脱氧核糖核苷-5’-磷酸

  6. 一、DNA的化学组成和分子结构 2.DNA分子的双螺旋结构 1953年，Watson和Crick提出了DNA分子二级结构的双螺旋结构模型，阐述了DNA分子的空间结构： 1.两条反向平行多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕。 2.嘌呤与嘧啶碱基在内侧，碱基平面与纵轴垂直，磷酸与核糖在外侧，糖环平面与纵轴平行，右手螺旋。 3.双螺旋平均直径为2nm，碱基堆积距离为0.34nm，两核苷酸间夹角为36º，每一圈10个核苷酸，螺距为3.4nm。 4.两条链通过碱基配对，由疏水作用和氢键维系在一起，A与T，G与C结合，由一条链通过碱基互补决定另一条链。

  7. 胸腺嘧啶 腺嘌呤 胞嘧啶 鸟嘌呤 • 主干链反向平行 • 侧链碱基互补配对 DNA的分子结构

  8. DNA的分子结构 • 主干链反向平行 • 侧链碱基互补配对 • 立体结构双螺旋

  9. 二、RNA的结构、种类 1. RNA的分子组成与结构 由DNA转录而成，单链结构。 RNA分子的基本单位—核苷酸 。 核苷酸=1分子磷酸+1分子核糖+1碱基。 碱基=腺嘌呤（A）+鸟嘌呤（G）+胞嘧啶（C）+尿嘧啶（U）。 RNA分子有4种核苷酸 腺嘌呤核苷酸(AMP)、鸟嘌呤核苷酸(GMP)、 胞嘧啶核苷酸(CMP)和尿嘧啶核苷酸(UMP)，通过3’、5’磷酸二酯键连接起来而成一条单链，有的RNA单链自身回折、碱基互补配对(A-U、C-G)形成局部的双链结构(假双链)，中间不能配对的部分形成环状突起。

  10. 三叶草模型(二级结构) 折叠(倒L型)模型(三级结构) 氨基酸臂 反密码环 反密码子 tRNA的结构

  11. 其他RNA的高级结构

  12. 2.RNA的分子种类 RNA分为3种：信使RNA(mRNA)、转运RNA(tRNA)和核糖体RNA(rRNA) 。 1.信使RNA(mRNA)： DNA分子中储存的遗传信息，经过转录传递到信使RNA，以密码子的形式储存进去，作为蛋白质合成的模板。 2.转运RNA(tRNA)：tRNA分子呈“三叶草”形，在反密码子环中间，有3个碱基与mRNA上的密码子互补，这3个碱基即反密码子。tRNA的功能是转运相应的活化氨基酸到核糖体中。 3.核糖体RNA(rRNA)：rRNA是核糖体的重要组成成分，核糖体则是蛋白质合成的场所。在核糖体的大亚基上有两个重要部位，肽酰tRNA结合部位-P位；氨基酰tRNA结合部位-A位，这两个部位是携带氨基酸的tRNA的附着部位。

  13. 转录 翻译 复制 RNA DNA 蛋白质 逆转录 三、遗传物质的功能 1.储存、传递遗传信息 DNA或RNA分子中的碱基排列顺序不同，储存不同的遗传信息。半保留复制—亲代与子代间一致。 2.控制与蛋白质的合成——中心法则

  14. 第二节 基因 一、基因的概念 二、基因的类别 三、基因的组织形式 四、基因的结构 五、基因的表达 六、人类基因组

  15. 一、基因的概念 基因是指含有特定遗传信息的核苷酸序列，它具有可分性，在其内部存在许多突变子和重组子，并且基因存在重叠、间隔、移动等现象。是遗传物质的最小功能单位。 储存遗传信息，可通过控制细胞内RNA和蛋白质(酶)的合成决定生物的遗传性状。

  16. 二、基因的类别 根据分布不同分类2类： 细胞核基因（核内基因）：核内染色体上基因。 细胞质基因（核外基因）：细胞质内基因，线粒体基因、叶绿体基因、质粒等。 根据功能不同分2类： 结构基因：决定某种多肽链氨基酸种类和排列顺序的基因。 调节基因（调控基因）：可调节控制结构基因表达的基因，调控基因突变可以影响一个或多个结构基因的功能，导致一个或多个蛋白质(酶)合成量的改变。 只转录不翻译的基因：rRNA基因、 tRNA基因。

  17. 三、基因的组织形式 根据某一段核苷酸顺序在DNA分子中出现的频率分3中形式： 1.单拷贝顺序：在单倍体基因组中只出现1次或少数几次， 主要编码蛋白质结构基因，单拷贝顺序一般与重复序列相间排列。约占人类基因组的60-70%。 2.中等拷贝顺序：在DNA分子中可重复出现几十次到几千次，一般不编码蛋白质，有些是编码蛋白质或rRNA的结构基因，如rRNA基因，tRNA基因，组蛋白基因，免疫球蛋白基因等。 3.高重复顺序：在DNA分子中可重复出现几百万次，一般位 于异染色质，不编码蛋白质或RNA。

  18. 外显子 增强子 TATA框 编码区 非编码区上游 内含子 CAAT框 启动子 接头（GT-AG法则） GC框 P2 P3 P1 四、基因的结构 真核细胞结构基因的分子结构 = 编码区+非编码区（侧翼） 外显子个数=内含子个数+1 非编码区下游：含终止子

  19. 五、基因的表达 基因表达：一个基因所携带的遗传信息转变成一条多肽链的过程。包括转录、RNA加工和翻译等过程。 1.转录：DNA→RNA（细胞核中） 编码链(有义链、非模板链)：与转录产物碱基排列顺序同 （5′-3′链）。 非编码链(反义链、模板链):转录产物碱基排列顺序互补 （ 3′- 5′链）。 前体RNA：无生物活性的RNA（转录的初产物）。 核内异质RNA（hnRNA）:刚转录出来的mRNA前体，含有外显子、内含子及部分、侧翼顺序的巨大分子。

  20. 五、基因的表达 2. RNA加工 RNA前体必须经过一个加工、修饰过程，才能形成有功能的RNA。 mRNA加工过程： 戴帽：对mRNA前体（hnRNA）加工，主要在5′端加帽， 即添加7-甲基鸟苷- 5′ -三磷酸（m7G-ppp-）。 剪接：切除内含子，使hnRNA→mRNA。由于剪切的形式 不同可产生功能不同的mRNA。 加尾：在3′端加多聚A尾巴，150—200bp的polyA。

  21. 五、基因的表达 3. 翻译 以mRNA为模板合成蛋白质的过程。 (1) 氨基酸的活化与转运：每种氨基酸与对应的tRNA结合形成某氨基酰-tRNA。转运到核糖体上。 (2)肽链合成的起始：起始因子的作用下，核糖体的小亚基、mRNA、甲硫氨酰-tRNA以、大亚基结合形成完整的核糖体。 (3)肽链延长：肽链延长阶段是由进位、转肽和移位三步循环进行，使肽链得以延长。 (4)肽链合成的终止与释放：当核糖体A位被终止密码子占据时，多肽链的合成即终止。在释放因子的作用下，多肽链与tRNA分离。mRNA与核糖体分离。最后一个tRNA也离开核糖体。核糖体的大、小亚基彼此分离，翻译结束。

  22. 蛋白质生物合成示意图

  23. 六、人类基因组 1.细胞核基因组 二倍体生物的生殖细胞中所包含的全套染色体。 人细胞核基因组=22条常染色体+X+Y，约含3×109bp，3-4万个基因。 人与猩猩DNA只差1.5%,地球上每一个人与所有其他人共享99.99%的相同的基因。

  24. 六、人类基因组 2.人类基因组计划（human genome project,HGP） 也称生命科学的“阿波罗登月计划”或“曼哈顿原子弹计划”。 是指全世界科学家联合起来，测定人类基因组的全部DNA序列，从而获得人类最基本的生物信息，阐明人类全部基因的位置、功能、结构、表达调控方式以及与疾病有关的变异。其成果由全世界分享，以推动生命科学的发展，达到医病防疾，提高生命质量，造福人类的目的。

  25. 六、人类基因组 • 3、启动与实施 • 1985年美国生物学家杜伯克首先倡导的， 1990年10月1日由美国率先正式启动，计划15年内投资30亿美元，完成整个计划。中国继美、英、日、法、德之后参与的国际性的计划。 • 我国，1994年正式启动，主要研究基因组多样性和疾病基因的识别。1999年被批准加入国际人类基因组测序协作组，并承担第3号染色体短臂上的约30Mb长度的测序工作，占人类整个基因组的1%。

  26. 六、人类基因组 4. HGP研究的内容 构建连锁图、物理图、转录图、序列图这4张图，核心内容完成细胞核基因组中30亿碱基对的测序。 目前，4张图已经完成，开始“后基因组计划”。 后基因组计划：通过开展对基因组的表达调控、基因组多样性和进化规律以及对蛋白质表达好功能的研究，阐明细胞的全部基因表达谱和全部基因产物谱。

  27. 六、人类基因组 5. HGP的意义 （1）推动医学科学基础研究 利于进一步阐明人类基因在时空上的特异表达及其调控机理，推动发育生物学、神经生物学发展，揭示细胞分化、胚胎发育、人类思人类记忆等复杂的、高级的生命活动分子基础。为不同种族、不同民族起源、演进提供分子生物学证据。 （2）有利于人类疾病的治疗和防治 对于研究遗传病以及与遗传有关的疾病（癌症、心血管疾病、自身免疫疾病、各种老年性疾病）等发病机理和生物钟、寿命的奥秘提供分子机理，将使人类在疾病诊断、基因治疗、遗传保健、优生优育等方面建立全新的人类医学。

  28. 2005年统计，人类单个基因疾病、性状或基因座有15843多种,每个人平均携带5-6种有害基因。 只要了解基因与疾病的关系可通过基因工程技术利用外源核酸补充,修复、营养受损基因,从而从分子水平对疾病状况进行彻底治疗。

  29. 第三节 基因突变 一、基因突变的概念和特点 二、基因突变的诱发因素 三、基因突变的类型 四、基因突变的后果及对人类的影响

  30. 染色体的变化 环境因素 温度、光 基因的改变 营养等 基因（遗传）重组 遗传因素 染色体畸变 变异 基因突变 自由组合连锁互换 突变一词是荷兰的德佛里斯第一次提出的。广义的突变包括染色体畸变和基因突变。狭义的突变仅指基因突变。

  31. 随机性 稀有性 多向性 特征 可逆性 重复性 有害性 一、基因突变的概念和特点 一、基因突变的概念 基因在分子结构上发生的碱基对的组成或排列顺序的改变，也称点突变。 二、基因突变的特点

  32. 1.基因突变的随机性 突变可以发生在生物个体发育的任何时期、任何部位。 性细胞(突变)突变配子后代个体； 体细胞(突变)突变体细胞组织器官。 核基因或者线粒体基因都可能发生突变。 ◆性细胞的突变频率比体细胞高： ★性母细胞与性细胞在减数分裂末期对环境因素更为敏感。 ◆(等位)基因突变常常是独立发生的：AA Aa，aa Aa ★在体细胞中如果隐性基因发生显性突变，当代就会表现出来，同原来性状并存，形成镶嵌现象或称嵌合体(chimaera)。 ◆嵌合体嵌合范围的大小取决于突变发生时期的早晚。

  33. 牛舌草白色突变

  34. 突变率 = 2.基因突变的稀有性 突变率：指生物体（微生物指每一个细胞）在每一世代中，每一基因组 或每一细胞发生突变的概率。 ◆有性生殖的生物:用突变型配子数占总的配子数目的比例表示。 ◆无性繁殖的生物:一次分裂过程中一定数目的细胞发生突变的次数。 ◆在人类方面，突变率的估计方法之一，是根据家系中有显性性状的患儿的出现比例计算。 患儿是杂合体（显性病），1个个体（合子）中只有1个突变配子。

  35. 基因突变的方向不定，可多方向发生。 一个基因可以突变为一个以上的等位基因。如A→a1，A→a2， …… A→an。 把群体中存在于同一基因座位上，决定同一类相对性状，经由突变而来，具有3种或3种以上不同形式的等位基因互称为复等位基因。如人类的ABO血型系统。 A a a1 A a2 a3 3.基因突变的多向性 ★在二倍体中，同一位点只能有一对基因，最多存在两种等位基因形式；因此复等位基因的各种形式存在于生物群体的不同个体中。

  36. 果蝇颜色的复等位基因

  37. 正常的野生型显性基因A可以突变为隐性基因a，反之亦可。如果把A→a称为正突变，a→A为回复突变（反突变）。正常的野生型显性基因A可以突变为隐性基因a，反之亦可。如果把A→a称为正突变，a→A为回复突变（反突变）。 正突变和回复突变的频率一般是不同的，常常是正突变频率比回复突变的频率高。因此在自然界中所出现的突变多数为隐性突变。 通常用u表示正突变频率、v表示反突变频率，则： u v A a u > v 例如：E.colihis+ his- 2×10-6 4×10-8 4.基因突变的可逆性

  38. 相同的基因突变，可以在同种生物不同个体、不同世代中重复出现。已经发生突变的基因，还可能再次独立地发生突变。相同的基因突变，可以在同种生物不同个体、不同世代中重复出现。已经发生突变的基因，还可能再次独立地发生突变。 5.基因突变的重复性

  39. 美国的男模 非洲白化病人 白化病人-龚泽艺-中国达人秀选手 5.基因突变的重复性

  40. (1)突变的有害性 大多数突变是有害的、极端的类型是致死突变。 例如植物、动物的白化突变、癌变。 多数为隐性致死，也有少数显性致死。 生殖细胞或受精卵中基因的突变是绝大多数人类遗传病发生 的根本原因；体细胞突变常常是肿瘤发生的病理遗传学基础。 6.基因突变的有害和有利性 某一基因发生突变  长期自然选择进化形成的平衡关系就会被打破或削弱 进而打乱代谢关系 引起程度不同的有害后果 一般表现为生育反常或导致死亡。

  41. 白 化 突 变 玉米

  42. 少数的基因突变不仅对生物体无害，而且对生存有利。少数的基因突变不仅对生物体无害，而且对生存有利。 如：作物的抗病性、抗伏性、早熟性；微生物的抗药性；人类的抗病性。非洲裔的黑人基因当中带有一种特有的抗疟疾基因。 小麦耐盐突变 大麦的抗性突变 （2）突变的有利性 小麦耐盐突变

  43. 有利有害的相对性 • 微生物的抗药性、植物的落粒性 • 非洲裔的黑人基因当中带有一种特有的抗疟疾基因。但是现在研究人员认为，这种基因妨碍了人体对抗早期艾滋病感染的能力。 达菲的蛋白质，这种蛋白质能够阻止艾滋病病毒进入红血球。但是九成的非洲裔黑人红血球表面无该蛋白质，使非洲裔黑人容易感染艾滋病。但是带有抗疟疾基因的艾滋病患者在发病之后，平均生命要比没有抗疟疾基因的患者长大约两年。

  44. 某些突变不影响生物的正常代谢过程，即不好不某些突变不影响生物的正常代谢过程，即不好不 坏，这类突变称为中性突变。 如：水稻、小麦芒的有无，小麦颖壳的颜色、人的单眼皮 和双眼皮、六指等等。 小麦芒的有无 （3）中性突变 小麦耐盐突变

  45. （3）中性突变

  46. 物理因素 化学因素 生物因素 诱变剂 二、基因突变的诱发因素 • 在自然条件下，未经人工处理而发生的突变为自发突变（spontaneous mutation） • 经特殊的人工处理而发生的突变是诱发突变（induced mutaion） • 能诱发基因突变的各种内外环境因素统称为诱变剂（mutagen）。

  47. （一）物理因素 1.电离和电磁辐射 　能量低的辐射如可见光只产生热量；能量较高的辐射如紫外线除产生热能外，还能使原子“激发”；能量很高的辐射如X射线、γ射线、α射线、β射线、中子等除产生热能和使原子激发外，还能使原子“电离”(ionization)，诱使基因发生突变。 • 电离： 射线直接击中DNA链，DNA分子吸收能量后引起DNA链和染色体的断裂，断裂片断发生重排，引起染色体结构畸变。

  48. 1.电离和电磁辐射 （1）诱发突变频率与辐射剂量成正比 • 基因突变率与辐射剂量成正比 提高总剂量可提高突变率  但过高剂量会引起不育、畸形、叶绿体突变率增加、甚至植株死亡等问题。 例如：X射线照射 2000 r →果蝇精子 → 6% X隐性致死 4000 r →果蝇精子 →12% X隐性致死 （2）具有积累效应 基因突变率一般不受辐射强度的影响  照射总剂量不变时，不管单位时间所照射的剂量多少、其基因突变率保持不变。

  49. 2.紫外线 UV特别作用于嘧啶：  形成链内或链间的嘧啶二聚体（TT、CC或CT之间的二聚体），影响复制和转录； C 脱氨成 U； 将H2O加到嘧啶的C4、C5位置上成为光产物，形成水合胞嘧啶等，削弱G - C之间的氢键，使DNA链发生局部分离或变性。 胸腺嘧啶二聚体 胸腺嘧啶 胸腺嘧啶

  50. C 脱氨成 U

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