chap9 遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)

第九章遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)

1主要內(nèi)容第一節(jié)DNA作為主要遺傳物質(zhì)的證據(jù)第二節(jié)核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)第三節(jié)染色體的分子結(jié)構(gòu)（自學(xué)）第四節(jié)DNA的復(fù)制

第五節(jié)RNA的轉(zhuǎn)錄與加工第六節(jié)遺傳密碼與蛋白質(zhì)的合成第七節(jié)基因的概念及發(fā)展*2知識(shí)目標(biāo)掌握基因的概念及其發(fā)展?fàn)顩r。掌握DNA和RNA的分子結(jié)構(gòu)、DNA復(fù)制、遺傳密碼、DNA的轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯和蛋白質(zhì)的生物合成。3第一節(jié)DNA作為主要遺傳物質(zhì)的證據(jù)分子遺傳學(xué)的大量直接和間接的證據(jù)，說明DNA是主要的遺傳物質(zhì)，而在缺乏DNA的某些病毒中，RNA就是遺傳物質(zhì)。4一、間接證據(jù)

DNA含量、代謝、結(jié)構(gòu)、染色體共有等二、直接證據(jù)1、細(xì)菌的轉(zhuǎn)化

肺炎雙球菌兩種類型：光滑型(S型)：IS、IIS、IIIS粗糙型(R型)：IR、IIR、IIIR51928,Griffith：首次將IIR→IIIS，實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌遺傳性狀的定向轉(zhuǎn)化。被加熱殺死的IIIS型肺炎雙球菌必然含有某種促成這一轉(zhuǎn)變的活性物質(zhì)。

61944，Avery等用生物化學(xué)方法證明這種活性物質(zhì)是DNA該提取物不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酸酶的影響，而只能為DNA酶所破壞。

72、噬菌體的侵染與繁殖

Hershey等用同位素32P和35S分別標(biāo)記T2噬菌體的DNA與蛋白質(zhì)83、煙草花葉病毒的感染和繁殖RNA接種到煙葉→發(fā)病RNARNA酶處理RNA→不發(fā)病TMV蛋白質(zhì)：接種后不形成新的TMV不發(fā)病說明在不含DNA的TMV中RNA就是遺傳物質(zhì)。9為了進(jìn)一步論證上述的結(jié)論，F(xiàn)rankel-Conrat和Singer實(shí)驗(yàn)：10第二節(jié)核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)

一、兩種核酸

*核酸的構(gòu)成單元是核苷酸，是核苷酸的多聚體*每個(gè)核苷酸包括三部分：

五碳糖、磷酸、堿基*兩個(gè)核苷酸之間由3’和5’位的磷酸二脂鍵相連

11兩種核酸的主要區(qū)別：

DNA：脫氧核糖，A、C、G、T雙鏈，分子鏈較長RNA：核糖，A、C、G、U單鏈，分子鏈較短12圖9-4構(gòu)成核苷酸分子的堿基結(jié)構(gòu)13圖9-5核酸分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)14二、DNA的分子結(jié)構(gòu)1953，Watson和Crick根據(jù)：堿基互補(bǔ)配對(duì)的規(guī)律對(duì)DNA分子的X射線衍射成果提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。這個(gè)模型已為以后拍攝的電鏡直觀形象所證實(shí)。

15DNA分子模型最主要特點(diǎn)：(1)兩條多核苷酸鏈以右手螺旋的形式，以一定的空間距離，環(huán)繞于同一軸相互盤旋而成。(2)反向平行：5’－3’，3’－5’。(3)兩條單鏈間以堿基間氫鍵配對(duì)相連：AT，CG。(4)每個(gè)螺旋34?(3.4nm)，含10bp，直徑約為20?。(5)分子表面大溝和小溝交替出現(xiàn)。16圖9-6DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型17圖9-7兩條多核酸鏈間氫鍵相連18A-T和C-G兩種核苷酸對(duì)分子鏈內(nèi)排列的位置和方向只有四種形式:A---TC---GA---TG---CC---GA---TG---CA---T

假設(shè)某一段DNA分子鏈有1000bp，則該段就可以有41000種不同的排列組合形式，反映出來的就是41000種不同性質(zhì)的基因.19

DNA構(gòu)型之變異：B－DNA：瓦特森和克里克提出的雙螺旋構(gòu)型,是DNA在生理狀態(tài)下的構(gòu)型。A－DNA：在高鹽下存在形式，右旋，每個(gè)螺圈含11bp。Z－DNA:左旋，每個(gè)螺圈含12bp其他構(gòu)型。20圖9-9DNA分子的不同構(gòu)型21二、RNA的分子結(jié)構(gòu)

絕大部分RNA以單鏈形式存在，但可折疊起來形成若干雙鏈區(qū)域。這些區(qū)域內(nèi)，互補(bǔ)的堿基對(duì)間可形成氫鍵。一些以RNA為遺傳物質(zhì)的動(dòng)物病毒含有雙鏈RNA。

22第三節(jié)染色體的分子結(jié)構(gòu)一、原核生物染色體

與真核生物相比，原核生物的染色體要簡單得多，其染色體通常只有一個(gè)核酸分子(DNA或RNA)。

23圖9－11大腸桿菌的染色體DNA分子伸展有1200μm長，細(xì)菌直徑1－2μm

24圖9－12原核生物的染色體結(jié)構(gòu)模型25二、真核生物染色體

1、染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)

DNA:30%(重量)RNA:少量染色質(zhì)組蛋白：1H1、2H2A、2H2B、

2H3和2H4(重量相當(dāng)于DNA）非組蛋白：少量26染色質(zhì)基本結(jié)構(gòu)單位

核小體：2H2A、2H2B、2H3、2H4

----八聚體連接絲：串聯(lián)兩個(gè)核小體

1H1：結(jié)合于連接絲與核小體的接合部位27圖9－13核小體結(jié)構(gòu)模型一個(gè)核小體及其連接絲約含180－200bp約146bp盤繞在核小體表面1.75圈，其余bp為連接絲，其長度變化較大，從短的8bp到長的114bp2829

異染色質(zhì)，異染色質(zhì)區(qū)

染色很深的區(qū)段染色質(zhì)常染色質(zhì)，常染色質(zhì)區(qū)

染色很淺的區(qū)段（核酸的緊縮程度及含量不同，異染色質(zhì)的復(fù)制時(shí)間總是遲于常染色質(zhì)）異固縮現(xiàn)象

302、染色體的結(jié)構(gòu)模型

染色單體—1DNA+pro—染色質(zhì)線是單線染色體染色單體在細(xì)胞分裂過程中染色質(zhì)線到底是怎樣卷縮成為一定形態(tài)結(jié)構(gòu)的染色體？31圖9－14染色體結(jié)構(gòu)模型現(xiàn)在認(rèn)為至少存在三個(gè)層次的卷縮:核小體→螺線管→染色體

卷縮機(jī)理不清楚

32圖9－15非組蛋白組成的染色體骨架3334第四節(jié)DNA的復(fù)制一、DNA復(fù)制的一般特點(diǎn)1、復(fù)制方式：半保留復(fù)制2、復(fù)制起點(diǎn)：大多數(shù)細(xì)菌及病毒只有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)，一個(gè)復(fù)制子；真核生物是多起點(diǎn)的，多個(gè)復(fù)制子。

3、復(fù)制方向：一般為雙向復(fù)制

35圖9－16DNA半保留復(fù)制36圖9－17真核生物染色體多起點(diǎn)DNA復(fù)制電鏡照片

37二、原核生物DNA合成1、半保留復(fù)制，雙向復(fù)制2、有引物的引導(dǎo)，為RNA3、延伸方向?yàn)?’－3’。4、一條鏈一直從5’向3’方向延伸，稱前導(dǎo)鏈，連續(xù)合成；另一條先沿5’－3’合成岡崎片段，再由連接酶連起來鏈，后隨鏈，不連續(xù)合成38圖9－18DNA解旋39圖9－19DNA合成之模型40*在前導(dǎo)鏈上，DNA引物酶只在起始點(diǎn)合成一次引物RNA，DNA聚合酶III開始DNA的合成*在后隨鏈上，每個(gè)岡崎片段的合成都需要先合成一段引物RNA，然后DNA聚合酶III才能進(jìn)行DNA的合成。

41圖9－20后隨鏈DNA的合成42RNA病毒中RNA的自我復(fù)制先以自己為模板（“＋”鏈）合成一條互補(bǔ)的單鏈（“－”鏈），然后這個(gè)“－”鏈從“＋”鏈模板釋放出來，它也以自己為模板復(fù)制出一條與自己互補(bǔ)的“＋”鏈，形成了一條新生的病毒RNA。

43三、真核生物DNA合成真核生物DNA的復(fù)制與原核生物的主要不同點(diǎn)：1、DNA的合成只是在S期進(jìn)行，原核生物則在整個(gè)細(xì)胞生長過程中都進(jìn)行DNA合成2、原核生物DNA的復(fù)制是單起點(diǎn)的，真核生物染色體的復(fù)制則為多起點(diǎn)的443、所需的RNA引物及后隨鏈上合成的“岡崎片段”的長度比原核生物要短4、有二種不同的DNA聚合酶分別控制前導(dǎo)鏈（δ）和后隨鏈（α）的合成；在原核生物中由聚合酶III同時(shí)控制二條鏈的合成5、染色體端體的復(fù)制：原核生物的染色體大多數(shù)為環(huán)狀

45圖9－21真核生物DNA復(fù)制46第五節(jié)RNA的轉(zhuǎn)錄及加工遺傳物質(zhì)不管其化學(xué)性質(zhì)如何，其必須具有遺傳、表達(dá)和變異等三種基本功能。下面我們介紹其第二個(gè)重要的功能—基因表達(dá)?；虻谋磉_(dá)：第一步DNA轉(zhuǎn)錄(transcription)為RNA，然后由RNA再翻譯(translation)成蛋白質(zhì)。轉(zhuǎn)錄：就是以DNA雙鏈之一的遺傳密碼為模板，把遺傳密碼以互補(bǔ)的方式轉(zhuǎn)錄到mRNA上。

47翻譯：就是mRNA攜帶著轉(zhuǎn)錄的遺傳密碼，附著在核糖體上，把tRNA運(yùn)來的各種氨基酸，按照mRNA的密碼順序，相互連接起來成為多肽鏈，并進(jìn)一步折疊起來成為立體蛋白質(zhì)分子。48先介紹RNA的轉(zhuǎn)錄一、三種RNA分子信使RNA(messengerRNA，mRNA)轉(zhuǎn)移RNA(transferRNA，tRNA)核糖體RNA(ribosomalRNA，rRNA)三種不同的RNA分子在基因的表達(dá)過程中起重要的作用。49(一)mRNAmRNA的功能就是把DNA上的遺傳信息精確無誤地轉(zhuǎn)錄下來

mRNA的堿基順序決定蛋白質(zhì)的氨基酸順序。它起著傳遞信息的作用。在真核生物中，轉(zhuǎn)錄形成的RNA中，含由大量非編碼序列，約25％RNA經(jīng)加工成為mRNA，最后翻譯為蛋白質(zhì)。未經(jīng)加工的前體mRNA(pre-mRNA)稱為不均一核RNA(hnRNA)。50(二)tRNA由于合成蛋白質(zhì)的原材料—20種氨基酸與mRNA的堿基之間缺乏特殊的親和力。必須用轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)把氨基酸搬運(yùn)到核糖體上，tRNA能根據(jù)mRNA的遺傳密碼依次準(zhǔn)確地將它攜帶的氨基酸連結(jié)成多肽鏈。每種氨基酸可與1－4種tRNA相結(jié)合，現(xiàn)在已知的tRNA的種類在40種以上。51①分子量為25000～30000；②70～90個(gè)核苷酸組成；③稀有堿基，如假尿嘧啶等；52tRNA結(jié)構(gòu)：5’端之末具有G（大部分）或C；3‘端之末都以ACC結(jié)尾；一個(gè)富有鳥嘌呤的環(huán)；一個(gè)反密碼子環(huán)；一個(gè)胸腺嘧啶環(huán)；53(三)rRNA原核生物rRNA（3種）:

5S:120個(gè)核苷酸；

16S:1540個(gè)核苷酸；

23S:2900個(gè)核苷酸。真核生物rRNA（4種）:5S:

120個(gè)核苷酸；5.8S:160個(gè)核苷酸；18S:1900個(gè)核苷酸；28S:4700個(gè)核苷酸。rRNA是單鏈，它包含不等量的A與U、G與C，但是有廣泛的雙鏈區(qū)域。在雙鏈區(qū)，堿基因氫鍵相連，表現(xiàn)為發(fā)夾式螺旋。rRNA在蛋白質(zhì)合成中的功能尚未完全明了。54除了上述三種主要的RNA外，還有小核RNA(smallnuclearRNA，snRNA)是真核生物轉(zhuǎn)錄后加工過程中RNA剪接體(spliceosome)的主要成份。另外，還有端體酶RNA(telomeraseRNA)，它與染色體末端的復(fù)制有關(guān)；以及反義RNA(antisenseRNA)，它參與基因表達(dá)的調(diào)控。上述各種RNA分子均為轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，mRNA最后翻譯為蛋白質(zhì)，而rRNA、tRNA及snRNA等并不翻譯，其終產(chǎn)物即為RNA。55二、RNA合成的一般特點(diǎn)區(qū)別RNA的合成DNA的合成所用的原料核苷三磷酸脫氧核苷三磷酸模板數(shù)目一條DNA鏈二條DNA鏈引物不需要引物的引導(dǎo)聚合酶一種RNA聚合酶（原）三種DNA聚合酶（原）

三種RNA聚合酶（真）五種DNA聚合酶（真）

56轉(zhuǎn)錄合成的RNA鏈，除了U替換為T以外，與用作模板的DNA鏈互補(bǔ)，而與另一條非模板鏈相同。如果轉(zhuǎn)錄的RNA是mRNA，其信息最后通過密碼子決定蛋白質(zhì)的合成?，F(xiàn)在通常將用作模板，進(jìn)行RNA轉(zhuǎn)錄的鏈稱作模板鏈(templatestrand)；而另一條則為非模板鏈(nontemplatestrand)。57RNA鏈的合成與DNA鏈的合成同樣，也是從5’向3’端進(jìn)行的，此過程由RNA聚合酶(RNApolymerase)催化。RNA聚合酶首先在啟動(dòng)子部位(promoter)與DNA結(jié)合，形成轉(zhuǎn)錄泡(transcriptionbubble)，并開始轉(zhuǎn)錄。在原核生物中只有一種RNA聚合酶完成所有RNA的轉(zhuǎn)錄，而在真核生物中，有三種不同的RNA聚合酶控制不同類型RNA的合成。RNA的合成也同樣遵循堿基配對(duì)的規(guī)則，只是U代替了T。58三、原核生物RNA的合成通常把轉(zhuǎn)錄后形成一個(gè)RNA分子的一段DNA序列稱為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位(transcriptunit)。RNA的轉(zhuǎn)錄可以分為三步(圖3－24)：(1)RNA鏈的起始；(2)RNA鏈的延長；(3)RNA鏈的終止及新鏈的釋放。59(一)RNA聚合酶催化轉(zhuǎn)錄的RNA聚合酶是一種由多個(gè)蛋白亞基組成的復(fù)合酶。a亞基與四聚體核心酶形成有關(guān)；β亞基存在核苷三磷酸的結(jié)合位點(diǎn)；β‘含有與DNA模板結(jié)合的位點(diǎn)；δ因子識(shí)別RNA轉(zhuǎn)錄的起始位置，使RNA聚合酶結(jié)合在啟動(dòng)子部位。如大腸桿菌的RNA聚合酶全酶的組成：60(二)鏈的起始首先是RNA聚合酶在δ因子的作用下結(jié)合于DNA的啟動(dòng)子部位;使DNA雙鏈解開，形成轉(zhuǎn)錄泡，為RNA合成提供單鏈模板，按照堿基配對(duì)的原則，結(jié)合核苷酸;然后，在核苷酸之間形成磷酸二脂鍵，使其相連，形成RNA新鏈。δ因子被釋放，然后由核心酶催化RNA的延伸。61(三)鏈的延伸在RNA聚合酶四聚體核心酶的催化下進(jìn)行。RNA聚合酶同時(shí)具有解開DNA雙鏈，并使其重新閉合的功能。隨著RNA的延伸，RNA聚合酶使DNA雙鏈不斷解開和重新閉合。RNA轉(zhuǎn)錄泡也不斷前移，合成新的RNA鏈62(四)鏈的終止實(shí)際上在原核生物中，RNA的轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)的合成以及mRNA的降解通?？梢允峭瑫r(shí)進(jìn)行的。①依賴ρ因子的終止；②不依賴ρ因子的終止。當(dāng)RNA鏈延伸遇到終止信號(hào)時(shí)，RNA轉(zhuǎn)錄復(fù)合體就發(fā)生解體，而使新合成的RNA鏈釋放出來?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)在大腸桿菌中有二類終止信號(hào)：63四、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工64（一）原核生物與真核生物RNA轉(zhuǎn)錄的區(qū)別

1.真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄是在細(xì)胞核內(nèi)，翻譯在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行；

原核生物則在核區(qū)同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄翻譯；

2.真核生物一個(gè)mRNA只編碼一個(gè)基因；