遺傳學(xué)第二章遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)

遺傳學(xué)第二章遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)第1頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.1DNA作為主要遺傳物質(zhì)的證據(jù)2.1.1染色體組成2.1.2遺傳物質(zhì)必須具備的條件2.1.3DNA是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)2.1.4DNA是遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)細(xì)菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)噬菌體侵染與繁殖試驗(yàn)煙草花葉病毒拆合實(shí)驗(yàn)

(RNA也可作為遺傳物質(zhì)）第2頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.1.1染色體組成:不同生物或同種生物不同組織的細(xì)胞中染色體各成份的含量是有差異的。染色體DNAProRNA非組蛋白組蛋白如：豌豆染色體DNA：組蛋白≈1：1DNA:非組蛋白≈1：0.2DNA:RNA≈1:0.25大鼠肝細(xì)胞染色體DNA∶組蛋白≈1∶1DNA∶RNA≈1∶0.1DNA∶非組蛋白≈1∶0.6第3頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二普遍性具有世代延續(xù)性具有相對(duì)穩(wěn)定性具有可塑性和多樣性2.1.2遺傳物質(zhì)必須具備的條件第4頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.1.3DNA是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)DNA普遍存在于生物體內(nèi)且含量恒定。配子中DNA的含量恰好是體細(xì)胞的一半。DNA能自我復(fù)制，具有世代的延續(xù)性。DNA在代謝上較穩(wěn)定。DNA結(jié)構(gòu)的變化與突變具有一致性。第5頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.1.4DNA是遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)①肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)（Griffith.F1928年）第6頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二②Avery的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)（1944年）說(shuō)明DNA不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酸酶（RNA酶）的影響，而只能為DNA酶所破壞，首次證明了遺傳物質(zhì)是DNA。第7頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二③噬菌體侵染與繁殖試驗(yàn)(Hershey和Chase1952年）再次證明了遺傳物質(zhì)是DNA。第8頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二該實(shí)驗(yàn)表明在不含DNA的某些病毒中，RNA是遺傳物質(zhì)。④煙草花葉病毒拆合實(shí)驗(yàn)(HeinzFraenkel-Conrat和B.Singre，1957)第9頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.2DNA和RNA的化學(xué)結(jié)構(gòu)2.2.1DNA的結(jié)構(gòu)1869年Miescher測(cè)定淋巴細(xì)胞中蛋白，發(fā)現(xiàn)和定名Nuclein核素；1875年提出核素的實(shí)驗(yàn)式。Altman建立了制備不含蛋白的核素的方法，并定名為Nucleicacid。Kessel研究了核酸的化學(xué)組成，分離出四種堿基。明確提出核酸具有含氮堿基(1910年獲諾貝爾獎(jiǎng))。1909年Levene.P.A發(fā)現(xiàn)酵母的核酸含有核糖，以后他又發(fā)現(xiàn)脫氧核糖，正確指出了核酸的糖基組成，核苷、核苷酸的分子結(jié)構(gòu)。第10頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二Levene的四核苷酸假說(shuō)第11頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1950年，Chargaff.E推翻了四核苷酸假說(shuō)第12頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二Chargaff’s定則當(dāng)量定律：A＋G=T+CDNA堿基組成具有物種特異性，而無(wú)組織特異性。第13頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)對(duì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)作出重大貢獻(xiàn)的四位科學(xué)家物理學(xué)家FrancisCrick

生物學(xué)家JamesWatson物理學(xué)家MauriceWilkins化學(xué)家RosalindFranklin1962年，諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授給了Crick

、Watson和Wilkins三位學(xué)者。第14頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二Frankeline早期所拍的DNA－結(jié)構(gòu)X光衍射照片1953年，Watson和Crick確立了正確的堿基分子A和T、C和G的配對(duì)模型，并從X光照片確認(rèn)，兩條骨架鏈?zhǔn)欠雌叫械?，從而?chuàng)建了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。這一模型，也得到WILkins和Franklin的認(rèn)可。當(dāng)年4月25日，《Nature》雜志發(fā)表了Crick和Watson的論文，同時(shí)也發(fā)表了Wilkins和Franklin與他們的合作者分別寫(xiě)的兩篇實(shí)驗(yàn)結(jié)果的論文。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)第15頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二Watson、Crick的DNA雙螺旋模型第16頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第17頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第18頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)第19頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)第20頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第21頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二A-DNAB-DNAZ-DNA第22頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.2.2RNA的化學(xué)結(jié)構(gòu)RNA：無(wú)分支的線型多聚核苷酸，以3’,5’-磷酸二酯鍵連接。組成：核糖、磷酸、核苷酸主要包括核苷酸的種類(lèi)：A、G、C、U第23頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二RNA的雙螺旋區(qū)的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于A-DNA的結(jié)構(gòu)。（互補(bǔ)堿基對(duì)通常是G-C、A-U、G-U，占?jí)A基數(shù)量的40%-70%）大多數(shù)天然的RNA分子是以一條單鏈形式存在的，但在生理?xiàng)l件下，RNA分子也可以通過(guò)自身回折、鏈內(nèi)互補(bǔ)堿基配對(duì)形成雙螺旋區(qū)和非配對(duì)順序形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)等空間排布。臂環(huán)分為發(fā)卡環(huán)、膨脹環(huán)、內(nèi)環(huán)、多分支環(huán)。第24頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第25頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二大腸桿菌16SrRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)

第26頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)原核生物的DNA復(fù)制真核生物DNA復(fù)制RNA的復(fù)制2.3DNA的復(fù)制第27頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.3.1DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)特點(diǎn)：半保留復(fù)制、半不連續(xù)復(fù)制

復(fù)制子復(fù)制叉方向：母鏈3’端開(kāi)始，子鏈合成從5’→3’

前/先導(dǎo)鏈：從母鏈3’端開(kāi)始連續(xù)合成；復(fù)制起點(diǎn)

后滯/隨鏈：從母鏈5’端開(kāi)始不連續(xù)合成岡崎片段，再由DNA連接酶連接起來(lái)。第28頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第29頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.3.2原核生物的DNA復(fù)制第30頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第31頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.3.3真核生物的DNA復(fù)制第32頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二真核生物DNA的復(fù)制與原核生物的主要差異：1、真核生物DNA的合成只是在S期進(jìn)行，原核生物則在整個(gè)細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程中都進(jìn)行DNA合成2、真核生物有2種不同的DNA聚合酶分別控制前導(dǎo)鏈（δ）和后滯鏈(α）的合成；在原核生物中主要由聚合酶III同時(shí)控制2條鏈的合成3、真核生物染色體的復(fù)制則為多起點(diǎn)的，原核生物DNA的復(fù)制是單起點(diǎn)的4、真核生物所需的RNA引物及合成的“岡崎片段”的長(zhǎng)度比原核生物要短5、核小體的復(fù)制：組蛋白八聚體則以全保留的方式傳遞給子代分子6、真核生物染色體端粒的復(fù)制：原核生物的染色體大多數(shù)為環(huán)狀第33頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.3.4RNA的自我復(fù)制第34頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.4.1RNA分子的種類(lèi)信使RNA：

messengerRNA簡(jiǎn)稱(chēng)

mRNA轉(zhuǎn)運(yùn)RNA：

transferRNA簡(jiǎn)稱(chēng)

tRNA核糖體RNA：ribosomeRNA簡(jiǎn)稱(chēng)

rRNA

RNA的種類(lèi)2.4RNA的轉(zhuǎn)錄與加工第35頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1.mRNA的結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)：只有一級(jí)結(jié)構(gòu)。

（單鏈線性結(jié)構(gòu)）功能：傳遞遺傳信息。（DNAmRNA；

mRNA蛋白質(zhì)）

轉(zhuǎn)錄翻譯第36頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第37頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.tRNA的結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)：有二級(jí)、三級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)：三葉草三級(jí)結(jié)構(gòu)：倒“L”型功能：轉(zhuǎn)運(yùn)各種氨基酸第38頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)tRNA三級(jí)結(jié)構(gòu)

D環(huán)

TΨC環(huán)

反密碼子環(huán)

可變環(huán)

氨基酸接收莖

mRNA

CUU

Phe

3’5’

第39頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二3.rRNA的結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)：有二級(jí)、三級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)：復(fù)雜的莖環(huán)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)：與蛋白質(zhì)形成三維結(jié)構(gòu)功能：與核糖體蛋白復(fù)合形成核糖體,進(jìn)而構(gòu)建蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所第40頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二rRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)rRNA三級(jí)結(jié)構(gòu)第41頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

核糖體(rRNA)

tRNA

mRNA各種RNA之間的聯(lián)系第42頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二特點(diǎn)：以一條鏈為模板（模板鏈）進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)錄，另一條鏈為編碼鏈方向：從母鏈3’端開(kāi)始，子鏈從5’→3’連續(xù)合成2.4.2RNA合成的一般特點(diǎn)第43頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二模板鏈編碼鏈第44頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二RNA合成與DNA合成的差異：1、RNA合成不需要引物；DNA合成一定要引物的引導(dǎo)2、RNA合成所用原料為核苷三磷酸；在DNA合成時(shí)為脫氧核苷三磷酸3、RNA合成只需一條DNA鏈被用作模板；DNA合成時(shí)，兩條鏈分別用作模板4、RNA鏈的合成與DNA鏈的合成同樣，也是從5’→3’端，但由RNA聚合酶催化5、RNA合成的速度比DNA慢得多，一般每秒只有40個(gè)核苷酸左右，而DNA復(fù)制時(shí)每秒可達(dá)上千個(gè)核苷酸第45頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

2.4.3原核生物的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的識(shí)別

σ因子（轉(zhuǎn)錄因子）與核心酶結(jié)合再識(shí)別啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄起始全酶（核心酶＋σ因子）識(shí)別DNA鏈上的啟動(dòng)子并與之結(jié)合→DNA雙螺旋部分解鏈→全酶移至轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)→轉(zhuǎn)錄開(kāi)始，σ因子釋放鏈的延伸

核心酶沿DNA鏈移動(dòng)→DNA鏈繼續(xù)解旋→按模版上的堿基順序加入互補(bǔ)核糖核酸（5’→3’）合成RNA轉(zhuǎn)錄終止核心酶到達(dá)終止子（或終止因子ρ趕上并與核心酶結(jié)合）→核心酶、RNA鏈和模版DNA分離→轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄后加工

RNA前體經(jīng)過(guò)剪切、拼接、核苷修飾后形成成熟RNA第46頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二大腸桿菌RNA聚合酶與DNA的相互作用

第47頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合模式圖第48頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二RNA鏈的延伸RNA合成形成的轉(zhuǎn)錄泡第49頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1、不依賴(lài)ρ因子的終止子（簡(jiǎn)單終止子）①位于RNA

3’端之前15-20核苷酸處的DNA序列具有雙重對(duì)稱(chēng)性。

雙重對(duì)稱(chēng)的意義在于其轉(zhuǎn)錄本能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)。體外實(shí)驗(yàn)顯示，如果摻入其他堿基以阻止發(fā)夾形成時(shí)，終止即不發(fā)生。通常只要有一個(gè)核苷酸的改變破壞了規(guī)則的雙螺旋的莖時(shí)，即可破壞終止子的功能。RNA鏈的終止第50頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

DNA

5'-CCCAGCCCGCTCTAATGAGCGGGCTTTTTTTGAACAAAA-3'

3'-GGGTCGGGCGAGATTACTCGCCCGAAAAAAACTTGTTTT-5'

RNA5'-CCCAGCCCGCUCUAAUGAGCGGGCUUUUUUU-OH3'

←───雙重對(duì)稱(chēng)──→第51頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二②DNA模板中有一串約6個(gè)A，轉(zhuǎn)錄為RNA3’端的U。對(duì)終止子突變的分析亦顯示DNA模板上多聚dA順序的重要性。如將此序列中的一個(gè)堿基換掉，或除去部分序列都可使終止子失活。終止原因：終止子的前半部過(guò)早地和RNA-DNA雜交雙鏈部分退火（雙鏈→單鏈），僅剩下多聚U序列和模板鏈雜交。而這樣一段由幾個(gè)U和幾個(gè)A形成的RNA-DNA雜交雙鏈很不穩(wěn)定（A=U,GC），于是新生RNA鏈將很快從DNA雙鏈中被排除出來(lái)。第52頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（a）RNA聚合酶恰好完成富含U的RNA鏈的合成；（b）RNA-RNA鏈內(nèi)互補(bǔ)形成發(fā)卡結(jié)構(gòu)破壞了一部分RNA-DNA雜交鏈，僅留下多聚U與多聚A的一段雜交鏈；（c）多聚U與多聚A雜交不穩(wěn)定，易解離，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物即RNA被釋放。

RNA合成時(shí)形成的發(fā)夾終止結(jié)構(gòu)第53頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2、依賴(lài)ρ因子的終止子

依賴(lài)ρ的終止子沒(méi)有不依賴(lài)ρ的終止子特有的多聚A序列，并且也不是都能形成穩(wěn)定的發(fā)夾。現(xiàn)在還不清楚ρ因子的作用機(jī)制：第54頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二原核生物——邊轉(zhuǎn)錄邊合成Pro，無(wú)轉(zhuǎn)錄后加工原核生物的轉(zhuǎn)錄和翻譯第55頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二與原核生物RNA的合成的差異：1.原核生物的轉(zhuǎn)錄在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)進(jìn)行，而真核生物的轉(zhuǎn)錄則在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行2.原核生物的1個(gè)mRNA分子通常含有多個(gè)基因；而除少數(shù)較低等真核生物外，真核生物1個(gè)mRNA分子一般只編碼1個(gè)基因3.原核生物只有1種RNA聚合酶催化所有RNA的合成；真核生物中則有3種RNA聚合酶分別催化不同種類(lèi)型RNA的合成；原核生物RNA聚合酶直接起始轉(zhuǎn)錄，真核生物3種RNA聚合酶都需要啟動(dòng)蛋白的協(xié)助才能進(jìn)行轉(zhuǎn)錄4.原核生物啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，真核生物的啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜2.4.4真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄與加工第56頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二真核生物RNA的加工：

1.hnRNA的加工剪接

2.mRNA的加帽和甲基化

3.mRNA的加尾

4.mRNA的轉(zhuǎn)運(yùn)第57頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二`m7Gppp鳥(niǎo)苷酸轉(zhuǎn)移酶RNA的加帽第58頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二AAUAAA：★準(zhǔn)確切割★加poly（A）RNA的加尾第59頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二RNA的剪接(GT-AG法則)GTAGGTAG剪除外顯子，拼接內(nèi)含子第60頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二RNA的加工第61頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二真核細(xì)胞遺傳信息流動(dòng)第62頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.5遺傳密碼與蛋白質(zhì)的翻譯遺傳密碼——DNA分子中核苷酸的排列順序與蛋白質(zhì)中氨基酸排列順序之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。遺傳密碼是由三個(gè)連續(xù)堿基組成的，因此也叫三聯(lián)體密碼。遺傳密碼的特點(diǎn)具有起始密碼子和終止密碼子簡(jiǎn)并性連續(xù)可讀性和不重疊性普遍通用性

AUG（Met）起始密碼

UUG（Leu）

GUG（Val）UAA

終止密碼

UAGUGAUAA、UAG、UGA也可能編碼硒半胱氨酸或吡咯賴(lài)氨酸。2.5.1遺傳密碼第63頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二遺傳密碼表第64頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二遺傳密碼通用性的例外情況第65頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二合成場(chǎng)所：核糖體合成酶：氨酰tRNA合成酶合成體系(合成起始、肽鏈延伸、翻譯終止）合成后的加工與修飾（肽鏈中AA殘基的化學(xué)修飾；N端部分AA的切除：如信號(hào)肽的切除；切除前體中功能不需要的肽段；二硫鍵的形成；肽鏈的折疊等）合成后的貯存、轉(zhuǎn)運(yùn)與功能行使2.5.2蛋白質(zhì)的合成第66頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二核糖體：蛋白質(zhì)翻譯的場(chǎng)所第67頁(yè)，共77頁(yè)，2023年，2月20日，星期二肽鏈合成的起始

（原核生物）①fMet與tRNA結(jié)合（氨酰tRNA合成酶）形成fMet-tRNA。

（真核生物首先活化的氨基酸為Met）②在起始因子IF1和IF3的作用下，mRNA與核糖體30S小亞基結(jié)合③在起始因子IF2和GTP的作用下，fMet-tRNA和mRNA再結(jié)合，fMet-tRNA與起始密碼互補(bǔ)配對(duì)。④上述復(fù)合物再與50