遺傳物質(zhì)穩(wěn)定性

1、生物化學(xué)作業(yè)院 系：西北大學(xué)化工學(xué)院年 級(jí)：2009級(jí)專 業(yè)：化學(xué)工程與工藝姓 名：羅向男學(xué) 號(hào)：2009115017遺傳因子在生物體中保持穩(wěn)定性DNA 是幾乎所有生物的遺傳物質(zhì), 一個(gè)DNA 分子的堿基對(duì)只有4 種, 但數(shù)目成千上萬(wàn), 甚至數(shù)百萬(wàn), 故堿基對(duì)在分子中的排列方式是個(gè)天文數(shù)字. 生物體無(wú)數(shù)的遺傳信息就蘊(yùn)藏在這無(wú)數(shù)的DNA 分子的堿基排列順序中. 這多樣的DNA, 形成了多樣的蛋白質(zhì), 也就形成了多樣的生物界. 顯然, 遺傳物質(zhì)的相對(duì)穩(wěn)定性對(duì)生物的個(gè)體生存及物種的穩(wěn)定延續(xù)起著十分重要的作用. 為此本文試從個(gè)體、群體和細(xì)胞分子水平來(lái)理解遺傳物質(zhì)的相對(duì)穩(wěn)定性. 1. 穩(wěn)定性1.1 .

2、染色體是遺傳物質(zhì)的載體, 每一種生物的染色體數(shù)目是恒定的. 多數(shù)高等動(dòng)植物都是二倍體, 即每一體細(xì)胞中有兩組同樣的染色體( 有時(shí)性染色體可以不成對(duì)) . 體細(xì)胞不斷增殖是通過(guò)有絲分裂來(lái)完成的, 分裂形成的兩個(gè)新細(xì)胞的染色體在數(shù)目和形態(tài)上與原來(lái)體細(xì)胞完全一樣; 減數(shù)分裂是生殖細(xì)胞形成的分裂方式, 通過(guò)減數(shù)分裂, 生殖細(xì)胞中染色體數(shù)目減少了一半, 精卵結(jié)合后的受精卵又恢復(fù)了二倍體染色體數(shù), 保證了親代、親代與子代之間染色體數(shù)目的相對(duì)恒定. 1.2 . DNA 分子具有與眾不同的物征性的、穩(wěn)定的、三維空間結(jié)構(gòu). DNA 的兩條多核苷酸鏈相互纏繞形成雙螺旋結(jié)構(gòu), 糖基和磷酸根形成DNA 的骨架, 位于

3、螺旋外側(cè); 扁平的堿基分子碟子一樣重疊在一起, 面對(duì)著螺旋體的中心. 雙螺旋的反向平行、堿基堆積力及相應(yīng)堿基對(duì)之間的氫鍵作用, 尤其穩(wěn)定了DNA 分子的雙螺旋結(jié)構(gòu). 1.3 . DNA 分子結(jié)構(gòu)中儲(chǔ)存著遺傳信息, 它的復(fù)制是以半保留方式完成的. 自我復(fù)制是指以親代DNA 分子為模板合成子代DNA 分子的過(guò)程. 1958 年, Mesel. son 和Stahl 研究了經(jīng)15N 標(biāo)記了三個(gè)世代的大腸桿菌DNA, 首次證明了DNA 的半保留復(fù)制. 研究結(jié)果說(shuō)明, 新合成的兩個(gè)DNA 分子完全一樣, 其中都含有一條親鏈和一條新合 成的子鏈, 即半保留復(fù)制. 體細(xì)胞和性母細(xì)胞在分裂過(guò)程中都要進(jìn)行這種復(fù)

4、制, 使親代細(xì)胞的遺傳信息準(zhǔn)確、均等的傳遞給子代細(xì)胞, DNA 的這種半保留復(fù)制保證了DNA 在代謝上的穩(wěn)定性. 經(jīng)過(guò)許多代的復(fù)制, DNA 多核苷酸鏈仍可保持完整, 存在與后代而不被分解掉. 這種穩(wěn)定性與DNA 的遺傳功能是相符的. 1.4 . 遺傳的中心法則和堿基互補(bǔ)配對(duì)原則. 由DNA 合成DNA 及RNA 的過(guò)程, 使得DNA 分子中儲(chǔ)存的遺傳信息( 堿基序列) 變?yōu)镽NA 分子的堿基順序, 堿基互補(bǔ)配對(duì)具有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系, A= T ( 或U ) , G= C, 確保遺傳信息的準(zhǔn)確傳遞. 進(jìn)而又以RNA 為模板合成具有特異氨基酸順序的與親代相同的蛋白質(zhì). 這種遺傳信息從DNA 傳遞給

5、RNA, 再?gòu)腞NA 傳遞給蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程, 以及遺傳信息從DNA 傳遞給DNA 的復(fù)制過(guò)程, 即遺傳的 中心法則!. 隨著科學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展, 中心法則! 以有新發(fā)展, 遺傳信息還可由RNA 傳向RNA, 由RNA 傳向DNA , 這在遺傳信息的傳遞上開辟了一條新的途徑, 中心法則! 及其發(fā)展保證了遺傳信息的準(zhǔn)確傳遞和表達(dá). 1.5 . 遺傳密碼與氨基酸的對(duì)應(yīng)關(guān)系及突變與修復(fù)，傳密碼表可以看出, 共有61 種密碼子和20 種氨基酸相對(duì)應(yīng), 其中大多數(shù)氨基酸具有一種以上的密碼子, 這種現(xiàn)象稱為簡(jiǎn)并, 這各氨基酸密碼的簡(jiǎn)并性可以減少突變的影響, 避免了對(duì)蛋白質(zhì)功能可能產(chǎn)生的有害作用; 起始密

6、碼子的存在又決定了蛋白質(zhì)編碼順序的可讀性, 即決定了正確讀取的可靠性. 突變, 即DNA 順序的改變, 只有在編碼區(qū)內(nèi)的突變, 才有可能影響到蛋白質(zhì), 在非編碼區(qū)或基因間區(qū)域的突變通常沒(méi)有作用, 且在有機(jī)體內(nèi)存在有多種DNA 修復(fù)機(jī)制, 如切除修復(fù)、直接修復(fù)和錯(cuò)配修復(fù), 減少了突變的最終發(fā)生幾率. 1.6 . DNA 重復(fù)順序的出現(xiàn)，著生物進(jìn)化水平的不斷提高, 還出現(xiàn)了許多相同的DNA 重復(fù)順序. 低等真核生物的大部分DNA 是非重復(fù)的, 重復(fù)組分不超過(guò)20% , 且基本是中等程度重復(fù)組分. 在動(dòng)物細(xì)胞中, 接近一半的基因組DNA 被中等或高度重復(fù)的組分占據(jù)。在植物和兩棲動(dòng)物中非重復(fù)的DNA

7、只占基因組的很小一部分, 中等或高度重復(fù)的組分高達(dá)80% . 這種重復(fù)順序保證了更高度的貯藏和運(yùn)輸遺傳信息的可靠性, 產(chǎn)生更大的遺傳潛力和更大的生物信息庫(kù), 保證已經(jīng)獲得的遺傳性變異不致輕易丟失. 1.7 . 選擇的作用，響群體基因頻率的一個(gè)很重要的因素是選擇. 就基因突變而言, 大部分基因突變是有害的, 如人類的遺傳病基本上都是基因突變所形成的, 據(jù)估計(jì), 我們每個(gè)人都是5 6 個(gè)有害基因的攜帶者. 當(dāng)然, 突變率的增加, 可能增高群體的遺傳負(fù)荷, 但顯性致死基因突變發(fā)生后, 由于選擇的作用, 此致死基因會(huì)在當(dāng)代消失而不增加遺傳負(fù)荷. 因此選擇又可以降低群體的遺傳負(fù)荷, 增加遺傳的穩(wěn)定性.

8、2. 可變性遺傳物質(zhì)是相對(duì)穩(wěn)定的, 在一定的內(nèi)外因素影響下是可變的, 遺傳物質(zhì)的改變包括染色體畸變和基因突變. .2.1 . 等位基因的存在，因突變普遍存于自然界中, 從病毒、細(xì)菌到人類, 都在不斷發(fā)生基因突變, 這可涉及到個(gè)體的每一種性狀, 各種等位基因就其來(lái)源說(shuō), 都可看作是原型基因的突變型. 由于突變的發(fā)生, 增加了等位基因. 群體中罕見的等位基因大多數(shù)存在與雜合基因中, 而不是在純合子中. 以人類的白化性狀為例, 白化個(gè)體( aa) 的頻率為0.000 1, 在雜合子中的等位基因a 比在白化個(gè)體中的多100 倍. 此外, 一個(gè)等位基因的頻率越低, 該等位基因存在于雜合子中的比例越大.

9、黑尿病隱性基因頻率僅為0.001, 黑尿病患者的頻率為面百分之一, 雜合子頻率為千分之二. 雜合子中黑尿病基因的數(shù)目比純合子中大1 000 倍. 可見, 等位基因的變化可以引起群體基因頻率的改變. 2.2 . 各種基因在一定的群體中都有一定的自發(fā)突變率，突變是一種稀有事件, 但各種基因在一定的群體中都有一定的自發(fā)突變率. 在高等生物中, 各種基因的自發(fā)突變率為10- 5 10- 8/ 生殖細(xì)胞/ 代, 即每十萬(wàn)個(gè)或億個(gè)生殖細(xì)胞中才有一個(gè)基因發(fā)生突變. 人類基因的自發(fā)突變率則約為10- 4 10- 6/ 生殖細(xì)胞/ 代, 即每萬(wàn)個(gè)到百個(gè)生殖細(xì)胞中就有一個(gè)基因發(fā)生突變. 2.3 . 突變的發(fā)生，突

10、變的發(fā)生與環(huán)境中化學(xué)試劑和物理因素有關(guān). 例如, 電離輻射30 100 倫的照射即為加倍劑量, 可使人群的自發(fā)突變率增高一倍. 不少化學(xué)誘變劑存在于化學(xué)農(nóng)藥和工業(yè)污染中, 這些均可增加突變發(fā)生率, 毫無(wú)疑問(wèn)環(huán)境污染會(huì)增高突變率. 2.4 . 同源染色全的重組及DNA 的轉(zhuǎn)座，重組意味著一個(gè)DNA 分子上產(chǎn)生遺傳信息的新的組合. 在減數(shù)分裂中由于同源染色體非姐妹染色單體之間發(fā)行局部交換, 形成不同染色體組成的配子, 使后代個(gè)體表現(xiàn)出一定的變異. 轉(zhuǎn)座是由可移位因子介導(dǎo)的遺傳物質(zhì)重排現(xiàn)象, 轉(zhuǎn)座有別于重組, 它依賴于DNA 復(fù)制, 轉(zhuǎn)座發(fā)生的頻率雖然很低, 但可以引發(fā)許多遺傳變異, 如基因重排及質(zhì)

11、粒. . . 染色體DNA 整合, 染色體缺失、倒位等. 2.5 . 染色體畸變與環(huán)境，在某些物理、化學(xué)因素的作用下, 可發(fā)生染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)的畸變. 數(shù)目的改變有整倍體和非整倍體變異, 在人類中染色體非整倍體變異相對(duì)普遍, 一些常見的遺傳病如先天愚型、18 三體綜合征、貓叫綜合征即為此類, 整倍體變異則常見于植物中. 有關(guān)植物染色體數(shù)目與環(huán)境關(guān)系的調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料表明: 在一定的生態(tài)環(huán)境中, 植物的染色體數(shù)目是恒定的, 但是染色體的結(jié)構(gòu)和數(shù)目常為生態(tài)環(huán)境所修飾, 使得同種植物出現(xiàn)了不同的細(xì)胞型, 甚至產(chǎn)生倍性的變異. 這種變異常與多倍體有關(guān), 這與環(huán)境因素生長(zhǎng)習(xí)性和繁殖方式等相關(guān), 可能的原因是

12、同源多倍體具有適應(yīng)能力, 并在獨(dú)特的環(huán)境中占有地盤. 3. 遺傳物質(zhì)穩(wěn)定性與可變性相對(duì)存在的意義3.1 . 遺傳物質(zhì)穩(wěn)定性在生物物種繁殖中的意義，從遺傳的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)與遺傳的分子基礎(chǔ)都已證明: 遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性, 奠定了生物遺傳的基礎(chǔ), 保證了物種的延續(xù), 維持了個(gè)體的正常發(fā)育, 保持了物種的特性, 由此體現(xiàn)出生物界的相對(duì)穩(wěn)定. 3.2 . 遺傳物質(zhì)可變性在生物進(jìn)化中的意義，進(jìn)化的基礎(chǔ)是遺傳的改變. 遺傳物質(zhì)的可變性為生物的變異提供了物質(zhì)基礎(chǔ), 從而推動(dòng)物種不斷向前發(fā)展. 現(xiàn)已知道, 哺乳動(dòng)物基因組的大小相仿, 都在30 億對(duì)核苷酸左右, 而且許多個(gè)基因的序列都是相似的. 如人和黑猩猩相比, 據(jù)估計(jì)核苷酸序列的差別只有1.5% 左右, 正是這1.5%的差別決定了人為之而非黑猩猩. 研究表明, 分子水平上形成的遺傳物質(zhì)的改變. . . 突變, 是生物進(jìn)化的基本要素之一, 它為物生進(jìn)化提供了最根本、最原始的材料. 3.3 . 遺傳物質(zhì)穩(wěn)定性與可變性的辯證統(tǒng)一，遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性與可變性是從分析生物的內(nèi)部矛盾運(yùn)動(dòng)所做出的概括. 物種的進(jìn)化、發(fā)展是遺傳物質(zhì)穩(wěn)定性與可變性相互作用的結(jié)果, 是體現(xiàn)質(zhì)量的統(tǒng)一. 遺傳物質(zhì)穩(wěn)定性是個(gè)相對(duì)保守的過(guò)程, 當(dāng)受某種因