第九章遗传的分子基础

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．DNA、RNA的化学结构； 3．DNA的复制、转录、翻译；　 ★4．基因的本质

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是遗传物质的间接证据 (一）能携带遗传信息、自我复制不同碱基序列代表不同遗传信息，染色体、叶绿体等含有DNA的结构都能自我复制（二）在世代间具连续性同位素标记DNA，证明细胞分裂中DNA复制一份并传递到子细胞。（三）含量相对恒定 DNA含量相对恒定。生殖细胞中DNA含量是体细胞的一半；鸡的细胞：心脏肾肝精子 DNA 2.45 2.2 2.66 1.26 pg/c

（四）结构稳定、其改变可引起突变 　利用放射性标记，发现DNA分子代谢较稳定；其它分子一边形成、同时又一边分解。　紫外线诱发突变时，最有效波长均为270nm；和DNA对紫外线吸收的高峰一致；说明: 突变与DNA分子的结构变化有关。

二、 DNA是遗传物质的直接证据 （一）细菌转化实验肺炎双球菌：光滑型（smooth，S型)：荚膜、菌落光滑，有毒粗糙型（rough， R型)：无荚膜，菌落粗糙，无毒 1、Griffith F.(1928)肺炎双球菌转化试验 ① 无毒R型→注入鼠体􀃎 小鼠成活􀃎 重现　R型 ② 有毒S型→注入鼠体􀃎 小鼠死亡􀃎 重现　S型 ③ 有毒S型(65℃杀死) →注入鼠体小鼠成活无细菌 ④ 有毒S型(65℃杀死) ＋无毒R型→注入鼠体小鼠死亡重现S型＋R型

Griffith肺炎双球菌的转化 1928年，

结论： 在加热杀死的S型肺炎双球菌中有较耐高温、带遗传信息的物质能进入R型中，可使 R型→ S型转化（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。

2、分离转化实验 Avery （1944年）

结论：带有遗传信息的物质是 DNA

（二）噬菌体侵染实验 Hershey和Chase 1952年

1、原理 P32标记T2的DNA， S35标记T2的蛋白质外壳； 2、步骤：（1）用放射性元素分别标记T2的蛋白质外壳和DNA 1) S35标记T2的蛋白质外壳 E.coli培养在含S35培养基中→加入T2 → T2蛋白质外壳被 S35标记 2）P32标记T2的DNA E.coli培养在含P32培养基中→加入T2 → T2的DNA被 P32标记

（2）标记后的二种T2分别侵染未标记的E.coli

结论：噬菌体侵染细菌时，DNA进入细菌细胞， 蛋白质外壳未进入（3）检查子代T2，与亲代T2完全相同证明：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 TMV在水和苯酚中振荡，蛋白质外壳和RNA分开，分别感染烟草 ⑴ 蛋白质→感染烟草　不发病；无TMV ⑵ RNA →感染烟草发病　　重现TMV； ⑶ RNA用 RNA酶处理后→感染烟草不发病。证明烟草花叶病毒的遗传物质是RNA

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 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；③ 核酸残基取向和分子长轴垂直,间距为3.4。（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

1951年，Pauling提出了蛋白质的α-螺旋结构。

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

1953年，Watson和Crick提出DNA的反向平行双螺旋模型

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) DNA存在于染色体，叶绿体、线粒体中；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。

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、D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20A0;螺距34A0（10个碱基对，实际是10.4个）；相邻两脱氧核苷酸夹角360 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。

碱基配对及氢键形成

B型双螺旋DNA的结构特征

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，碱基互补；③氢键结合，聚合酶等连接； 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

复制方向

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、RNA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，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 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，其大小用S值表示

第九章 遗传的分子基础