1發(fā)現(xiàn)基因的化學性質

1/11發(fā)現(xiàn)基因的化學性質河南科技大學教案首頁課程名稱專業(yè)英語（2）計劃學時4授課章節(jié)LessonOneDiscoveringtheChemicalNatureoftheGene第一課發(fā)現(xiàn)基因的化學性質教學目的和要求：1掌握課文中基本詞匯2掌握基因的化學性質教學基本內容：1Glossary2GenesCodeforParticularProteins3TheSearchfortheChemistryandMolecularStructureofNucleicAcids4TheResearchRacefortheMolecularStructureofDNA5HowDNAReplicates教學重點和難點：基因的化學性質DNA的結構和復制授課方式、方法和手段：以老師翻譯為主，老師講解相關專業(yè)知識輔助學生理解，采用板書的方式，在教學過程中加強互動，讓學生翻譯部分內容，采取啟發(fā)式、講授式教學方法。作業(yè)與思考題：課后作業(yè)：熟記專業(yè)英語詞匯。思考題：如何理解DNA、RNA和蛋白質在進化中的地位？LessonOneDiscoveringtheChemicalNatureoftheGene發(fā)現(xiàn)基因的化學性質一、背景知識核酸（nucleicacid）是生物特有的重要的大分子化合物，廣泛存在于各類生物細胞中，種瓜得瓜，種豆得豆的遺傳現(xiàn)象即源于核酸上所攜帶的遺傳信息。核酸的組成單位核苷酸（nucleotides）還是生物體各種生物化學成分代謝轉換過程中的能量貨幣（如ATP），而具有傳遞激素及其他細胞外刺激的化學信號能力的環(huán)化核苷酸（如cAMP），被譽為生物體的第二信使，并且核苷酸還是一系列酶的輔助因子和代謝中間體。因此，核酸及其組成單位在生物的個體發(fā)育、生長、繁殖、遺傳和變異等生命過程中起著重要的作用。1953年，Watson和Crick建立了DNA分子雙螺旋結構模型，被認為是20世紀在自然科學中的重大突破之一。它揭開了分子生物學研究的序幕，尤其是DNA重組技術及DNA測序技術的出現(xiàn)，使生命科學成為自然科學中最為引人注目的領域。核酸的研究成果啟動了分子生物學的突破性的進程，從此生命現(xiàn)象和生命過程的研究開始全面進入分子水平。核酸研究已有一百多年歷史。早在1868年，瑞土的一位年輕科學家Miescher（1844~1895年）從外科繃帶上膿細胞的細胞核中分離出了一種有機物質，它的含磷量之高超過任何當時已經發(fā)現(xiàn)的有機化合物，并且有很強的酸性。由于這種物質是從細胞核分離出來的，當時就稱它為核素（nuclein）。Miescher所分離到的核素就是我們今天所指的脫氧核糖核蛋白。直到1889年，才有人成功地分離得到不含蛋白質的這種新物質，因為是從細胞核中分離出來的酸性物質，所以叫核酸。后來研究發(fā)現(xiàn)細胞質、線粒體、葉綠體、無核結構的細菌和沒有細胞結構的病毒都含有核酸，但核酸這一名稱仍然保留而沿用至今。核酸的生物學作用是在發(fā)現(xiàn)核酸以后50多年才被證明的。1944年，由Avery等人的著名的肺炎球菌轉化試驗問世后，核酸是主要遺傳物質的地位才被確立。Avery等的實驗是為了尋找導致細菌轉化的原因，他從光滑型肺炎雙球菌（S型，有莢膜，菌落光滑）分別提取DNA、蛋白質及多糖物質，并分別與粗糙型的肺炎雙球菌（R型，無莢膜，菌落粗糙）一起培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)只有DNA能使一部分粗糙型細菌轉變成為光滑型，并能繼續(xù)繁殖，且轉化率與DNA純度呈正相關，若將DNA預先用DNA酶降解，轉化就不發(fā)生。這種從一個供體菌得到的DNA通過一定途徑給另一種細菌，從而使后者（受體菌）的遺傳特性發(fā)生改變的作用稱轉化作用（transformation）。轉化作用的實質是外源DNA與受體細胞基因組間的重組，使受體細胞獲得新的遺傳信息。實驗結果表明，是S型菌的DNA將其遺傳特性傳給了R型菌，DNA就是遺傳物質，是遺傳信息的載體，而不是蛋白質。此后，人們對遺傳物質的注意力逐漸從蛋白質移到核酸上。1952年，郝爾歇（A.D.Hershey）等人用同位素標記法研究T2噬菌體的感染作用，既用同位素32P標記噬菌體的DNA，35S標記蛋白質，然后感染大腸桿菌。結果只有32P-DNA進入細菌細胞內，35S-蛋白質仍留在細胞外，從而進一步肯定了DNA的遺傳作用。這些重要的早期實驗和許多其他證據(jù)已經準確無誤地說明DNA是活細胞中唯一攜帶全部遺傳信息的載體，而不是蛋白質。1950年以后，Chargaff，Markham等提出了A-T、G-C之間互補的概念。這一極其重要的發(fā)現(xiàn)，為以后Watson-Crick建立DNA雙螺旋結構模型提供了重要依據(jù)。1953年DNA雙螺旋結構模型的提出，被認為是本世紀在自然科學中的重大突破之一。分子生物學所取得的突飛猛進的發(fā)展與DNA雙螺旋結構模型的建立是分不開的。20世紀70年代DNA重組技術的出現(xiàn)，被認為是分子生物學的第二次革命。人們終于可以按照擬定的藍圖設計出新的生物體。它改變了分子生物學的面貌，并導致一個新的生物技術產業(yè)群的興起。二、詞匯purine嘌呤adenine腺嘌呤guanine鳥嘌呤pyrimidine嘧啶thymine胸腺嘧啶cytosine胞嘧啶uracil尿嘧啶doublehelix雙螺旋replicationfork復制叉Okazakifragment岡崎片斷semiconservativereplication半保留復制三、課文翻譯1.GenesCodeforParticularProteins1.基因編碼特定的蛋白質ThefirstscientisttoinvestigatethequestionofhowgenesaffectphenotypewasSirArchibaldGarrod,whosestudiesofalkaptonuriaimpliedarelationshipbetweengenesandenzymes.ThirtyyearslaterBeadleandEphrussishowedarelationshipbetweenparticulargenesandbiosyntheticreactionsresponsibleforeyecolorinfruitflies.Next,inaseriesofclassicexperimentsontheeffectsofmutationsinthebreadmoldNeurosporacrassa,BeadleandTatumexploredtheone-gene-one-enzymehypothesis-theideathateachgenecodesforaparticularenzyme.Theirworkpavedthewayforotherresearcherstoelucidatetheprecisewaysinwhichenzymesaffectcomplexmetabolicpathways.阿奇博爾德加羅德爵士是最早研究基因怎樣影響表型的科學家，他對黑尿病的研究表明基因和酶之間具有關聯(lián)。30年后比德爾和伊弗魯西在果蠅中揭示了特定的基因和決定眼睛顏色的生物合成反應之間存在關系。接著，通過面包霉粗糙脈孢霉Neurosporacrassa研究突變作用的一系列經典實驗，比德爾和塔特姆研究一基因一酶假說，這個假說認為每個基因編碼一個特定的酶。他們的工作為其他研究人員闡明酶影響復雜代謝途徑的精確方式奠定了基礎。In1949,inresearchontheroleofhemoglobininsicklecellanemia,LinusPaulinghelpedrefinetheone-gene-one-enzymehypothesisintotheone-gene-one-polypeptidehypothesis.1949年，萊納斯波林在研究鐮刀形紅細胞貧血癥中血紅蛋白的作用過程中，幫助把一基因一酶假說精煉成一基因一多肽假說。研究背景：一個生物體的特征是由它的各部分表型組成的，而各部分的表型又由其組成細胞的表型所決定，細胞的表型由它內部的化學物質所決定，這些化學物質又是受著催化代謝反應的酶所控制，酶的功能依賴于它的三維結構，三維結構又取決于酶的氨基酸種類和線性排列，氨基酸種類和線性排列是由基因所決定的。因此歸根到底基因決定表型，即基因是一個控制生物體性狀的功能單位。雖然直到二十世紀四十年代才確定蛋白質在決定生物表型中的作用，但在1902年，英國醫(yī)生Garrod在對一人類的常見先天代謝病--黑尿病(alcaptonuria)的研究中就已經形成這種初步的想法。這種病人表面上健康，不過他們的尿液在空氣中放置一段時間后會變黑，而正常人的尿液不會變黑。尿液中變黑的東西是尿黑酸，尿黑酸是無色的，但在空氣中氧化后就變成黑色。正常人的血液中有一種尿黑酸氧化酶(homogentisicacidoxidase)，能把尿黑酸轉變成乙酰醋酸，最后分解成CO2和水。黑尿病病人不能形成尿黑酸氧化酶，因此尿黑酸不能進一步轉變，就直接在尿液中排泄出來.尿黑酸的代謝途徑是這樣的：一部分酪氨酸除參與構成我們身體中的蛋白質外，另一部分酪氨酸上的氨基為一個氧原子所代替，氧化成為對羥基苯丙酮酸，于是通過尿黑酸，乙酰醋酸而逐步降解為CO2和水，其中每一步都需要特定的酶，這些酶在正常人體中都能產生。Garrod通過家系分析推斷，黑尿病是由于一個隱性突變引起的，這個隱性突變阻斷了尿黑酸(homogentisicacid)的正常代謝途徑?，F(xiàn)在我們已經知道黑尿病是由于尿黑酸氧化酶基因的隱性突變造成的，它阻斷了尿黑酸轉變成乙酰醋酸的過程。如果把黑尿病基因寫作a，那么黑尿病人的基因型是aa，正常人的基因型是AA或Aa。雖然Garrod在那個時代并不確切知道是哪個步驟被阻斷了，但他正確地推測出了是由于一個酶的失常造成的。他第一個提出基因和酶之間關系，認為基因是通過控制酶和其他蛋白質合成來控制細胞代謝的，一個基因的缺陷引起一種酶的變化，從而產生一種遺傳性狀。不幸的是Garrod的工作和孟德爾的發(fā)現(xiàn)一樣被埋沒了許多年，直到1940年Beadle和Tatum提出一基因一酶(onegene-oneenzyme)的概念才得到認識。Beadle和Tatum利用粗糙脈孢霉(Neurosporacrassa)突變體充分證明了單個基因與單個酶之間的直接對應關系，他們的這一工作于1958年獲得諾貝爾獎。野生型脈孢霉可以在僅含有無機鹽、糖和維生素的基本培養(yǎng)基上生長，因此他們推理認為對于其細胞生長所必需的化合物的合成一定是由遺傳控制的，于是他們開始證實這一推理。首先他們用X-射線或紫外線照射脈孢霉的分生孢子，期望獲得某些影響特殊代謝的突變型，然后他們將輻射過的孢子與另一相對交配型的野生型孢子雜交，這時獲得的子代中有些是不能在基本培養(yǎng)基上生長但可以在加有多種有機物的完全培養(yǎng)基上生長，然而有些孢子僅在加有了某一成分（如精氨酸）的培養(yǎng)基上就能生長，并且這種營養(yǎng)依賴是可以遺傳的，這就暗示了控制精氨酸合成過程中某個步驟的基因有了缺陷，他們獲得了許多這種單一缺陷的營養(yǎng)突變型。接下來的工作是進行生化途徑分析，逐一證明哪個突變型是由哪一個酶的缺陷造成的。這樣他們得出結論認為一個基因的缺陷導致一個基本酶的缺陷，從而產生一個生長依賴突變型，即一個基因一個酶。在有的情況下，不同的突變可引起相同的營養(yǎng)缺陷，如精氨酸(Arginine)的合成需經歷許多步驟，要求一系列的酶，這些酶又都是由不同的基因所編碼的，因而這些基因中任何一個發(fā)生變化都會導致精氨酸依賴突變型的產生。首先人們從一系列精氨酸合成代謝突變品系中發(fā)現(xiàn)了四個突變位點argE、argF、argG和argH，每個位點的缺陷型對鳥氨酸、瓜氨酸、精氨琥珀酸和精氨酸的反應是不同的，如對于argE品系只要添加了其中的任何一種氨基酸在基本培養(yǎng)基上就可使其生長，而對于argH品系僅在添加了精氨酸的培養(yǎng)基上才能生長等。這個實驗說明，argE品系是由于合成鳥氨酸的代謝途徑發(fā)生缺陷，即控制合成乙酰鳥氨酸酶的基因發(fā)生了突變，而其它步驟的酶都是正常的，同理從其它缺陷品系也表明了相應的酶的缺陷，從這里我們也可以說是一基因一酶?，F(xiàn)已知道，這四個突變品系的四個突變位點分別位于四個不同的染色體上.一基因一酶學說首先闡明了基因是通過對酶的控制來決定生物的性狀的，自從Beadle和Tatum的工作后，從許多不同的生物中都發(fā)現(xiàn)很多酶的缺陷是由于單個基因的突變引起的。現(xiàn)在我們已經知道一基因一酶說并不是很準確的，因為基因所編碼的蛋白的功能是多樣的，不只是酶這種形式，再說許多酶是二聚體或四聚體的，而其中的每一個亞單位都是由一個基因決定的，例如血紅蛋白是脊椎動物血液中的一種蛋白質，它很容易與分子氧結合，它將氧從肺部經血液循環(huán)帶至身體的各個部分，血紅蛋白分子由4個亞基組成，其中2個多肽，兩個多肽，因此需要2個基因來產生一個有功能的血紅蛋白分子，這樣將一基因一酶的概念變成了一基因一多肽的概念就更為準確。2.TheSearchfortheChemistryandMolecularStructureofNucleicAcids2.核酸的化學和分子結構的研究Nucleicacid,originallyisolatedbyJohannMiescherin1871,wasidentifiedasaprimeconstituentofchromosomesthroughtheuseofthered-stainingmethoddevelopedbyFeulgenintheearly1900s.FrederickGriffith’sexperimentswiththeRandSstainsofpneumococcishowedthatanasyetunknownmaterialfromonesetofbacterialcouldalterthephysicaltraitsofasecondset.Inthe1940stheteamofAvery,MacLeod,andMcCartyshowedthatthisunknownmaterialwasDNA.AtaboutthesametimeP.A.LevenediscoveredthatDNAcontainedfournitrogenousbases,eachofwhichwasattachedtoasugarmoleculeandaphosphategroup-acombinationLevenetermedanucleotide.核酸，最初由約翰米歇爾在1871年分離出來，通過使用Feulgen在20世紀初發(fā)明的紅-染方法，被鑒定為染色體的主要成分。弗雷德里克格里菲斯利用R型和S型菌株的肺炎雙球菌的實驗顯示來自一種細菌的未知物質能改變另一種細菌物理特性。在20世紀40年代，埃弗里、麥克勞德和麥卡蒂組成的團隊揭示這種未知的物質是DNA。幾乎同時，萊文發(fā)現(xiàn)DNA包含4個含氮堿基，每個附在一個糖分子和磷酸基團上，萊文稱這個復合物為核苷酸。DisagreementoverwhetherDNAcouldcarrycomplexgeneticinformationwasendedintheearly1950sbyMarthaChaseandAlfredHershey,whoseworkwithE.colishowedclearlythatDNA,andnotprotein,isthebearerofgeneticinformation.20世紀50年代以MarthaChase和AlfredHershey利用大腸桿菌清楚表明DNA（不是蛋白質）是遺傳學信息的載體。他們的工作結束了DNA能否攜帶復雜遺傳學信息的分歧。EachDNAnucleotidecontainsafive-carbonsugar,deoxyribose,attachedtooneoffourbases:adenine,guanine,cytosine,orthymine.Adenineandguaninemoleculesaredouble-ringstructurescalledpurines,whilecytosineandthyminearesingle-ringstructurescalledpyrimidines.Themoleculemadeupofabaseplusasugaristermedanucleoside.IneachmoleculeofDNAaphosphategrouplinksthefive-carbonsugarofonenucleosidetothefive-carbonsugarofthenextnucleosideinthechain.Thisphosphatebondingcreatesasugar-phosphatebackbone.每個DNA核苷酸包含一個5碳糖脫氧核糖，并和四種堿基中的一種相連：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶或者胸腺嘧啶。腺嘌呤和鳥嘌呤分子是稱為嘌呤的雙環(huán)結構，而胞嘧啶和胸腺嘧啶是稱為嘧啶的單環(huán)結構。由一個堿基和糖組成的分子被稱為核苷。在每個DNA分子中，一個磷酸基團將一個核苷中5碳糖與鏈中下一個核苷中5碳糖連接起來。這種磷酸鍵產生了糖磷酸骨架。Chargaff’srulesdescribethefactthat（1）theamountofadenineisequaltotheamountofthymineinDNA，withamountofcytosineequaltothatofguanine，and（2）theratiosofAtoTandofCtoGvarywithdifferentspecies．Chargaff規(guī)則描述以下事實：(1)DNA中腺嘌呤的數(shù)目等于胸腺嘧啶的數(shù)量，鳥嘌呤等于的的胞嘧啶的數(shù)量，(2)A-T和C-G的比率隨不同物種而變化。3.TheResearchRacefortheMolecularStructureofDNA3.DNA分子結構的飛速研究Inthelate1940sandearly1950s，researcherslookingforthestructureofDNAdrewuponChargaff’sinsight，Levene’sideasonDNAcomponents，andtwootherlinesofevidence．OnewasthesuggestionofLinusPaulingthatDNAmighthaveahelicalstructureheldinplacebyhydrogenbonds，andtheotherwasX-raydiffractionphotosofDNA，showingahelicalstructurewithdistancebetweenthecoils，takenbyFranklinandWilkins．20世紀40年代后期和20世紀50年代早期，尋找DNA的結構的研究人員借鑒Chargaff的見解，萊文的關于DNA組成觀點和其他兩條證據(jù)。一是萊納斯波林的建議：DNA可能是被氫鍵固定的一個螺旋狀的結構，另一個是富蘭克林和威爾金斯拍的DNA的X射線衍射照片，顯示為一個螺旋狀的結構，具有一定的螺距。BasedonthisinformationWatsonandCrickproposedthedoublehelixmodelofDNA-atwistedladder-likemoleculewithtwooutersugarphosphatechainsandrungsformedbynucleotidepairs．Pairednucleotides，whichalwaysoccurasA-TorG-C，arelinkedbyhydrogenbonds，WatsonandCrickalsoproposedthatgeneticinformatationisencodedbythesequenceofbasepairsalongtheDNAmolecule．基于以上信息，Watson和Crick提出DNA雙螺旋模型：盤旋梯子樣的分子，外面是兩條磷酸糖鏈，中間是核苷對（堿基對）形成的橫檔。配對的核苷，總是以A-T或G-C出現(xiàn)，他們之間以氫鍵相連，Watson和Crick也提出沿DNA分子排列的堿基對順序編碼遺傳信息。4.HowDNAReplicates4.DNA怎樣復制IntheirmodelofDNAstructureandfunction，WatsonandCrickhypothesizedthatDNAreplicatesitselfby＂unzipping＂alongthehydrogenbondsjoiningAtoTandCtoG，Thisprocesswouldproducetwooppositehalvesthatcouldthenserveastemplatesfortheconstructionofnew，complementarystrands.Thismodelofsemiconservativereplication-conservativebecauseeachnewmoleculehasonehalfoftheformerparentmolecule-waslaterconfirmedbytheworkofMeselsonandStahl．在他們的DNA結構和功能模型里，Watson和Crick猜測DNA通過依次拉開A-T和G-C之間的氫鍵進行自身復制。這個過程將產生互補的單鏈，這些單鏈可以作為合成新的互補鏈的模板。這種半保留復制-說它保留是因為每個新分子有一半是親本分子，隨后被梅塞爾森和斯塔爾的工作確認。InE.coliDNAreplicationbeginswiththeformationofabubblelikestructureonthecircularchromosomethatisproducedbyreplicationforks.StudiesofbacterialDNAreplicationhaveshownthatagrowingDNAchainlengthensonlyinthe5’to3’direction（fromthe5’carbonofonesugartothe3’carbonofthenext）.Theleadingstrandissynthesizedcontinuously，whilethelaggingstrandissynthesizedinshortstretchesknownasOkazakifragments.TheenzymeDNApolymeraselinksfreenucleotidesastheylineuponthetemplateformedbytheoriginalstrandoftheparentmolecule．E.coliDNA復制起始于復制叉在環(huán)狀染色體上產生的泡狀結構。細菌的DNA復制研究已經顯示正在合成的DNA鏈只能從在5’向3’方向延長(從一個糖分的5’碳向下一個糖分子的3’碳)。前導鏈被連續(xù)合成，而滯后鏈以被稱為岡崎片斷的短鏈方式合成。當游離的核苷排列在由原先親本分子鏈形成的模板上時，DNA聚合酶將它們連接起來。IneukaryotesDNAreplication