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第九章 遗传的分子基础. 本章重点 1 . DNA(RNA) 是遗传物质的 3 个直接证据; 2 . 核酸的化学结构与复制 ; 3 . DNA 与蛋白质合成 ; ★ 4 .基因的概念 ★ 5 、基因调控. 第一节 DNA(RNA) 是遗传物质的证据 遗传物质:亲代与子代之间传递遗传信息的物质。 特点: (1 )能携带遗传信息,自我复制; (2) 在世代间保持连续性; (3) 在细胞中含量相对恒定,且配子中含量是 体细胞一半; (4) 结构稳定,其改变能引起变异. 一、 DNA 作为主要遗传物质的间接证据.
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第九章遗传的分子基础 本章重点 1.DNA(RNA)是遗传物质的3个直接证据; 2.核酸的化学结构与复制; 3.DNA与蛋白质合成; ★4.基因的概念 ★5、基因调控
第一节 DNA(RNA)是遗传物质的证据 遗传物质:亲代与子代之间传递遗传信息的物质。 特点: (1)能携带遗传信息,自我复制; (2) 在世代间保持连续性; (3) 在细胞中含量相对恒定,且配子中含量是 体细胞一半; (4) 结构稳定,其改变能引起变异
一、DNA作为主要遗传物质的间接证据 1.能携带遗传信息、自我复制; 2.含量稳定;体细胞DNA含量是配子DNA的一倍;如鸡不同细胞 多倍体细胞DNA含量倍增,但细胞内蛋白质含量不恒定。 3.结构稳定,可发生突变; 紫外线诱发突变时,最有效波长均为260nm; 与DNA所吸收的紫外线光谱一致; 4、在世代间保持稳定性。 3
──────────────────────── 二、DNA是遗传物质的直接证据 (一) 细菌转化试验 肺炎双球菌 特征 抗原型(稳定) 光滑型(S)有荚膜、光滑菌落、有毒S I、 S II、S III 粗糙型(R)无荚膜、粗糙菌落、无毒RI、RII ──────────────────────── 4
1.格里费斯转化试验 :(Griffith F.,1928)肺炎双球菌 结论:在加热杀死的S 型肺炎双球菌中有较耐高温的转化物质能够进入R II型R II型转变为S II型无毒转变为有毒。
2. Avery O.T. (1944) 分离转化试验: 用生化分离的方法证明了遗传物质 本质是DNA。 6
转化(transformation):细菌一品系由于接受了另一种品系 的遗传物质而表现出后者的遗传性状的现象。 结论:带有遗传信息的转化因子是DNA 不同看法,从3方面提出,DNA4种碱基与信息量、转化纯度、只对荚膜
(二) Hershey A. 和Chase M.(1952)噬菌体侵染实验: 1.实验原理: (1)P32标记T2噬菌体 的DNA; (2)S35标记T2噬菌体 的蛋白质外壳。 10
2.实验步骤 (1)用放射性元素分别标记T2噬菌体的蛋白质外壳和DNA a. S35标记T2噬菌体的蛋白质外壳 T2噬菌体蛋白 外壳被S35标记; E.coli培养在含S35培养基中→加入T2噬菌体 → b. P32标记T2噬菌体的DNA E.coli培养在含P32培养基中→加入T2噬菌体→ T2噬菌体的DNA 被P32 标记。
(2)标记后的二种T2分别侵染未标记的E.coli 表明:噬菌体侵染细菌时,DNA进入细菌细胞,蛋白质外壳未进入细菌。 (3)检查子代T2,与亲代T2完全相同 结论:DNA带遗传信息,能自我复制并指导蛋白质合成,DNA是遗传物质。
三、RNA也是遗传物质的证据 1.烟草花叶病毒分离侵染实验 蛋白质 RNA 烟草不发病; 水+苯酚 TMV 烟草 发病 分离得到TMV; 震荡 烟草 不发病。 • TMV RNA RNA酶 13
2、烟草花叶病毒重建实验 结论:在没有DNA的生物中,RNA是遗传物质
第二节 核酸的化学结构与复制 一、DNA分子双螺旋模型的诞生 Watson & Crick建立双螺旋模型主要是受到4个方面的影响: (1)1938年W.T.Astbury & Bell用x衍射技术研究DNA。1947年拍摄了第一张DNA的衍射照片,并推断DNA分子的结构是: ① 柱状;② 多核苷酸是一叠扁平的核苷酸组成;③ 核酸残基取向和分子长轴垂直,间距为3.4A。 (2)1951年Pauling和Corey运用化学的定律来推理,建立了蛋白质的α-螺旋模型; (3)Chargaff,1946年“DNA中碱基量的关系”(碱基配对原理依据)。 (4)R.Franklin & Wilkins在1952年底拍得DNA结晶X衍射照片。 1953年,Watson和Crick提出DNA的反向平行双螺旋模型
1952年, Wilkins和Franklin用高度定向的DNA纤维作出高质量的X-光衍射照片
1962 Wilkins、 Watson和Crick 共获诺贝尔奖。
二、 DNA分子双螺旋结构模型 (一)DNA分子组成 脱氧核苷酸的多聚体,一级结构是指排列顺序 基本单位—脱氧核苷酸, 三分子面垂直 一个脱氧核糖D (RNA是核糖) 一个磷酸P 一个碱基 腺嘌呤A、鸟嘌呤G 胞嘧啶C、胸腺嘧啶T( RNA是U) 连接方式:相邻脱氧核苷酸通过3’-OH与5’-P形成磷酸二脂键。
核糖 碱基
1、 DNA分子具有极性,3’-OH,5’-P 2、DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链组成,形成右手双螺旋。 3、S与P相间排列构成主链,碱基位于内侧;碱基对与轴线垂直,糖、磷酸、碱基三分子面近于垂直。直径20A上下碱基间距3.4A,螺距34A(10个碱基对,实际是10.4个);相邻两脱氧核苷酸夹角36度 4、碱基配对是嘌呤对嘧啶,且A与T;C与G。 5、DNA双螺旋有大沟(major or wide groove)和小沟(minor or narrow groove)的存在。
右旋、常态 10.4个碱基对 左螺旋 12个碱基对 右旋,11个碱基对 高盐或脱水 三、双链DNA构型的多态性
四、DNA的变性和复性 DNA变性:将双链DNA在中性盐溶液中加热,DNA分子的共价键不受影响,而碱基配对的氢键则被打开,形成两条单链 例如:0.18mol/L食盐和0.018mol/L枸橼酸钠溶液中,1000C加热10分钟,完全变为单链。 解链温度Tm: 加热使DNA分子50%变成单链时所需温度 DNA复性(或退火):变性的DNA在适合的条件下回复成为双链DNA。 慢慢冷却则DNA复性完全,如迅速冷却则DNA保持单链。
五、DNA复制 (一)遗传信息 DNA分子上核苷酸(碱基)排列顺序,是控制遗传性状的信号。 (二)DNA复制的特点 1、半保留复制 以DNA分子的两条链为模板,各合成一条互补链,使子代DNA分子含有一条母链和一条新合成链,故半保留复制。 ①从复制起点开始氢键逐渐断开即解螺旋; ②以单链为模板, DNA聚合酶作用下,碱基互补; ③氢键结合,酶连接; ④形成新的互补链; ⑤形成了两个新DNA分子。
2、复制起点和复制方向 原核生物:只有一个复制起点,且为双向复制。 噬菌体P2:单向复制 真核生物:每条染色体的DNA复制都是多起点,多个复制起点共同控制整个染色体的复制;且为双向复制 3、复制方式:θ方式和δ方式
4、边解螺旋边复制 5、后随链的不连续复制 “冈崎片段”(1000~2000bp);DNA分子的半连续复制。 6、复制用RNA作引物
第三节 DNA与蛋白质合成DNA(基因)→蛋白质→生理生化→性状一、性状与蛋白质人体有10万余种,其结构→功能→性状(一)酶白化病-缺乏酪氨酸氧化酶,黑尿症-缺乏尿黑酸氧化酶(二)运载蛋白血红蛋白β链第六位AA谷氨酸→缬AA,红细胞镰刀型贫血症。细胞中缺少一种促进小分子通过细胞膜的运载蛋白,使胱氨酸等通过膜受阻,出现胱氨酸尿症。(三)结构蛋白 肌肉中肌纤维蛋白含量成分→运动员素质潜能;皮肤中胶原蛋白→皮肤弹性
(四)激素 胰岛素不足引起糖尿病; 男性脑下垂体产生——促性腺激素,维持精子形成 (五)抗原、抗体 抗原:如红细胞表面特殊蛋白,决定不同血型 抗体:无γ球蛋白血症 (六)受体 细胞膜或细胞内大分子蛋白质,能选择性与一定活性物质结合,产生特定生理效应。 X染色体隐性遗传(Tfm→tfm缺乏雄性激素受体),导致睾丸女性化46,XY;
二、遗传信息的转录和加工 (一)转录 在RNA聚合酶催化下,以DNA分子中的信息链为模板,合成各种RNA的过程。 1、RNA聚合酶 体外RNA聚合酶可使DNA分子中两条链同时转录,而在活体内只能是其中的一条链,这条叫信息链。 RNA聚合酶是一种复杂的蛋白质,由6个多肽构成,其中5个构成核心酶,第六个σ(Σ)因子识别转录起始区。
2、转录过程 (1)识别、起始 σ因子识别转录起始区(启动子,常高AT区且核苷酸顺序不对称),RNA聚合酶与DNA结合,转录开始后σ因子从酶中分离出。 (2)转录RNA链延长 以DNA分子中的信息链为模板(3‘→5’),根据碱基配对原则,U代替T合成一条单链的RNA,方向为5’→3‘即转录方向。 (3)合成终止 在DNA分子上有转录终止区,ρ因子识别,转录停止,酶和RNA从DNA分子上脱离。DNA分子重新螺旋。 转录在细胞核中,合成的RNA从核中出来进入细胞质中指导蛋白质合成。
(二)三种RNA分子 信使RNA (mRNA);转运RNA (tRNA);核糖体RNA (rRNA) 1、mRNA 遗传信息的携带者,是以DNA信息链为模板转录的单链RNA,作为蛋白质合成的模板 2、tRNA 将AA运送到核糖体上,以DNA信息链为模板转录的单链RNA,已知60余种。 (1)特点 ①单链分子较小的RNA,约70-90个核苷酸组成,由DNA分子某一区段转录(tRNA)。 ②除AUCG外,还有稀有碱基D(双氢尿嘧啶);I(次黄嘌呤)ψ(假尿嘧啶)。 ③具专一性。每种tRNA转运一种AA。 ④结构相似。不同的tRNA单链折叠成“三叶草”式结构
(2)“三叶草”式结构(二级结构)——三环一臂(2)“三叶草”式结构(二级结构)——三环一臂 ①AA臂 所有tRNA3‘均为CCA,是转录后加上的,最末端腺苷酸的3‘-OH与AA的羧基结合脱去H2O,形成氨酰基-tRNA,AA附着到tRNA上。
②反密码环 与AA臂相对,环中央有一个能与mRNA密码子相配对的反密码子,读码3’→5’。反密码环密码子第三位碱基对应的常为稀有碱基,其具有“摆动性”,第一、二位配对即可配对,保证一种反密码子能识别代表一种AA的所有兼并密码。如苯丙氨酸密码有UUU;UUC;UUA都能被AAI识别而带入苯丙氨酸。 ③双氢尿嘧啶环 AA附着到AA臂上需要特定专一氨酰基tRNA合成酶,该环能识别这种酶。 ④ 胸腺嘧啶环 识别核糖体并与之结合。还有些小环作用不清。由于在各个双链区形成4-5个三个氢键对,故结构稳定。
3、rRNA 由DNA分子某区段转录(rRNA基因,多个拷贝)的单链RNA 但通常以发夹式折叠,在互补的碱基间形成氢键,有广泛的双链区。与蛋白质一起形成核糖体的大小亚基。 (三)RNA复制
(四)转录后加工 1、mRNA转录后加工 原核生物一般无加工。真核生物转录后需要经过切割、拼接、修饰和改造。 (1)在5’端加上一个7-甲基鸟苷作为帽子,所有真核生物都有,可促进与核糖体结合,延长mRNA寿命。 (2)在帽子的5’末端,一般有2-3个核苷酸被甲基化,可能能提高mRNA在蛋白质合成中效率。 (3)在3’端加上一条“尾”即具有150-200个腺苷酸的序列-多聚(A)(poly A),对mRNA稳定起作用,而且可能对mRNA进入细胞质有帮助。 (4)前体mRNA的有相当一部分被切除,保留的连接起来将来在蛋白质合成中编码蛋白质,称为编码序列或外显子。
2、rRNA和tRNA加工 rRNA:断裂和甲基化 tRNA:(1)在3’和5’端都切去一定核苷酸序列 (2)核苷酸修饰 常C5甲基化 (3)在3’端加上3个核苷酸CCA (五)转录与复制 复制 转录 重要酶 DNA聚合酶 RNA聚合酶 模板 DNA分子两条链全部序列 DNA分子信息链某些区段 结果 两条相同DNA分子 若干个单链RNA
三、蛋白质合成(翻译) 按mRNA碱基排列顺序,通过tRNA将各种AA按顺序连接成肽链,构成蛋白质的一级结构的过程。 (一)遗传密码 1953-1961年尼恩贝格等人 ,人工体外合成肽链证实 。 mRNA上三个相连的核苷酸(碱基)决定一种AA,这种三联体-遗传密码(密码子)。 1966年,64种密码子全部破译(61种有意义,3种无意义),并编制了遗传密码表 。
1、起始密码 读码方向5’→3’,AUG(极少GUG) 起始信号 甲酰甲硫氨酸 5’有S-D序列(4-9个核苷酸)与小亚基中16SrRNA 3’一段序列互补,促进mRNA与小亚基结合。 2、终止密码 UAA、UAG、UGA 3、无逗号性 4、不重叠性 5、兼并性,苯丙氨酸UUU,UUC,UUA;与tRNA反密码子稀有碱基摆动性对应 6、统一性 ,生物界通用,不适线粒体
(二) 核糖体 其大小用S值表示 1、组成 rRNA 60%,单链折叠 由rRNA基因转录 蛋白质 40%, 多种蛋白质附着在rRNA纤丝上形成一定结构。 2、结构:一个核糖体含大小两个亚基
小亚基:识别mRNA上起始密码AUG(16S有一序列与mRNA 上S-D序列互补),与mRNA结合占6个碱基空间。 大亚基:有2个tRNA结合部位 A位(氨酰基部位):专门接受带AA的tRNA(AA-tRNA) P位(肽酰基部位) :专门接受带肽链的tRNA(肽链-tRNA) A、P位各占据3个碱基空间,相距很近。 肽链合成酶