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1、第二章 遗传物质的分子基础,第二章 遗传物质的分子基础,第一节 DNA作为主要遗传物质的证据,一、DNA作为主要遗传物质的间接证据:,第二章 遗传物质的分子基础,1.含量: DNA含量恒定。体细胞中DNA含量是配子DNA的一倍;多倍体中,DNA含量倍增。细胞内的蛋白质含量是不恒定的。 2.代谢: 利用放射性与非放射性元素进行标记,发现:DNA分子代谢较稳定;其它分子一面形成、同时又一面分解。,第二章 遗传物质的分子基础,3.突变:,第二章 遗传物质的分子基础,4.分布: DNA是所有生物染色体所共有:从噬菌体、病毒、植物一直到人类。 而蛋白质则不同:噬菌体、病毒、细菌的蛋白质一般不存在于染色体
2、,只有真核生物的染色体才由核蛋白组成。,第二章 遗传物质的分子基础,二、DNA作为主要遗传物质的直接证据,1细菌的转化:,第二章 遗传物质的分子基础,(1)格里菲思(1928)定向转化实验,第二章 遗传物质的分子基础,结论:被杀死的S型肺炎双球菌必然含有某种耐高温的活性物质,使得R型转变为S,无毒变为有毒。, 阿委瑞(Avery O. T.,1944)试验: 用生物化学方法证明这种活性物质是DNA。,1. 噬菌体介绍,2. 噬菌体侵染与繁殖,2. 侵染实验:,第二章 遗传物质的分子基础,烟草花叶病毒的感染和繁殖:,第二章 遗传物质的分子基础,烟草花叶病毒简称TMV (Tobacco Mosai
3、c Virus)。 TMV的蛋白质外壳和单螺旋RNA接种: TMV蛋白质 烟草 不发病; TMV RNA 烟草 发病 新的TMV; TMV RNARNA酶 烟草 不发病。,三、无DNA生物中,RNA是遗传物质及其证据,佛兰科尔-康拉特与辛格尔的试验,结果:亲本的RNA决定了后代的RNA和蛋白质。证明RNA是TMV的遗传物质。,第二章 遗传物质的分子基础,第二节 DNA和RNA的化学结构,第二章 遗传物质的分子基础,一、两种核酸及分布,1核酸:以核苷酸为单元构成的多聚体,是一种高分子化合物。,第二章 遗传物质的分子基础,第二章 遗传物质的分子基础,五种碱基,第二章 遗传物质的分子基础,嘌呤类,嘧
4、啶类,第二章 遗传物质的分子基础,第二章 遗传物质的分子基础,2分布: 高等植物:DNA存在于染色体,叶绿体、线粒体中; RNA在核(核仁、染色体)、细胞质中。 细菌:DNA和RNA。 噬菌体:多数只有DNA。 植物病毒:多数只有RNA。 动物病毒:有些含RNA、有些含DNA。,二、DNA的化学结构:,第二章 遗传物质的分子基础,、DNA双螺旋结构: 1953年,沃森(Watson J. D.)和克里克(CrickF. H. C.)提出DNA双螺旋结构模型。主要依据为: 碱基互补配对的规律以及DNA分子的X射线衍射结果。 沃森和克里克与维尔肯斯(Wilkins)一起获得诺贝尔奖 (1962)
5、。,模型最主要的特点, 两条多核苷酸链以右手螺旋的形式,彼此以一定的空间距离,平行地环绕于同一轴上,很像一个扭曲的梯子; 两条多核苷酸链走向为反向平行; 每条长链的内侧是扁平的盘状碱基,碱基一方面与脱氧核糖相联系,另一方面通过氢键与它的互补碱基联系,A与T间形成两对氢键,G与C间形成三对氢键,上下碱基间的距离为0.34nm; 每个螺旋为3.4nm长,刚好含10个碱基对,其直径约为2nm; 在双螺旋分子的表面大沟与小沟交替出现。,第二章 遗传物质的分子基础,碱基的排列方式,A-T、G-C排列方法有以下四种: A-T 或 G-C 或 G-C A-T C-G 或 A-T A-T C-G 设某一段DN
6、A分子链有1000对碱基,则有41000种不同的排列组合,就可能有41000种不同性质的基因。,第二章 遗传物质的分子基础,三、RNA的化学结构:,第二章 遗传物质的分子基础,与DNA的区别: U代替T; 核糖代替脱氧核糖; 一般以单链存在。,作业:,1. 从某植物中分离出的DNA中,观察到核苷酸A的百分比是30.7%,预计T、G、C的比例各为多少? 2. 每一个人类二倍体细胞中约有3.3109个核苷酸对。如果细胞分裂中期时人染色体的平均长度约为6m,则平均的压缩比是多少?,第二章 遗传物质的分子基础,第三节 DNA的复制 DNA replication,一、DNA复制的一般特点,(一)半保留
7、复制 1.瓦特森(Watson)等提出的 DNA半保留复制方式。 其方法为: 一端沿氢键逐渐断开; 以单链为模板,碱基互补; 氢键结合,聚合酶等连接; 形成新的互补链; 形成了两个新DNA分子。 DNA的这种复制方式对保持 生物遗传的稳定是非常重要的。,第二章 遗传物质的分子基础,第二章 遗传物质的分子基础,、复制起点和复制方向: 1.原核生物 绝大多数细菌和病毒:只有一个复制起点,控制整个染色体的复制,且为双向复制。 噬菌体P2:其DNA的复制是沿一个方向进行的。 复制子:在同一个复制起点控制下的一段DNA序列,第二章 遗传物质的分子基础,2.真核生物 每条染色体的DNA复制都是多起点,多个
8、复制起点共同控制整个染色体的复制; 每条染色体有多个复制子; 且为双向复制;,DNA聚合酶 连接酶 (ligase) 解旋酶 (helicase) 拓扑异构酶,二、原核生物DNA的复制,(一)有关DNA合成的酶,二、原核生物DNA的合成,(二)DNA聚合酶 (DNA polymerase),第二章 遗传物质的分子基础,三种DNA合成酶在决定DNA合成方面的共同特性: 三种酶都只有53聚合酶的功能,而没有35聚合酶功能; 它们都没有直接起始DNA合成的能力,只有在引物存在下进行链的延伸; 三种酶都具有核酸外切酶功能,可对合成中发生的错误进行校正,保证DNA复制的高度准确性。,第二章 遗传物质的分
9、子基础,(二)DNA复制过程,1DNA双螺旋的解链 * DNA解旋酶在ATP供能 下,每分钟旋转3000次 解开双螺旋; * 单链DNA结合蛋白马上 结合在分开的单链上, 以避免产生单链内配对; * DNA拓扑异构酶来解 决由于复制叉的推进而 产生超螺旋。,第二章 遗传物质的分子基础,第二章 遗传物质的分子基础,2. DNA合成的开始 合成DNA片段之前,先由RNA聚合酶合成一小段RNA引物(约有20个碱基对), DNA聚合酶才开始起作用合成DNA片段。,3.一条DNA链连续合成,一条链不连续,DNA聚合酶,以5 3 方向发挥作用; 从3 5 合成方向的一条链,就会遇到麻烦。 Kornberg
10、 A. (1967)提出不连续复制假说: 在3 5方向链上,仍按从5 3的方向一段段地合成DNA单链小片段“冈崎片段”(10002000个bp) 由连接酶连接这些片段 形成一条连续的单链。,第二章 遗传物质的分子基础,第二章 遗传物质的分子基础,后随链的复制,第二章 遗传物质的分子基础,4RNA病毒中RNA的自我复制: (1)单链RNA病毒 先以自己(+链)为模板合成一条互补单链(链) 形成双螺旋的复制型。 (2)链从+链模板中放释出来。 (3)以链为模板复制一条互补的+链 形成一条新的病毒RNA,三、真核生物DNA合成的特点,第二章 遗传物质的分子基础,Polymerase chain re
11、action (PCR),PCR产物电泳检测,第五节 RNA的转录及加工,第二章 遗传物质的分子基础,第二章 遗传物质的分子基础,一、三种RNA分子: (一)信使RNA (mRNA),(二)tRNA,第三章 遗传物质的分子基础, 分子量为2500030000; 7090个核苷酸组成; 稀有碱基,如假尿嘧啶等; tRNA的结构: 5端之末具有G(大部分)或C; 3端之末都以ACC结尾; 一个富有鸟嘌呤的环; 一个反密码子环; 一个胸腺嘧啶环;,第二章 遗传物质的分子基础,第二章 遗传物质的分子基础,、rRNA 原核生物rRNA(3种): 5S: 120个核苷酸; 16S: 1540个核苷酸; 2
12、3S: 2900个核苷酸。 真核生物rRNA(4种): 5S: 120个核苷酸; 5.8S: 160个核苷酸; 18S: 1900个核苷酸; 28S: 4700个核苷酸。 右图为rRNA与核糖体的组装。,第二章 遗传物质的分子基础,其它RNA:,第二章 遗传物质的分子基础,小核RNA(snRNA) 它是真核生物转录后加工过程中RNA剪切体的主要成分,一直存在于细胞核中。 端体酶RNA 它与染色体末端复制有关。 反义RNA 它参与基因的调控。,二、RNA合成的一般特点,第二章 遗传物质的分子基础,与DNA合成一样,RNA合成也从5到3端进行;同样遵循碱基配对的规则,只是U代替了T;但在原核生物中
13、只有一种RNA聚合酶完成所有RNA的转录,真核生物中有3种不同的RNA控制不同类型RNA的合成。,第二章 遗传物质的分子基础,三、原核生物RNA的合成: RNA链的起始; RNA链的延伸; RNA链的终止及新链的释放;,第二章 遗传物质的分子基础,、RNA聚合酶: 亚基与四聚体核心酶形成有关; 亚基存在核苷三磷酸的结合位点; 含有与DNA模板结合的位点; 因子只与RNA转录的起始有关。,第二章 遗传物质的分子基础,、RNA链合成的起始:,第二章 遗传物质的分子基础,、RNA链的延伸:,第二章 遗传物质的分子基础,、RNA链的终止 依赖因子的终止; 不依赖因子的终止。,四、真核生物RNA的转录及
14、加工,第三章 遗传物质的分子基础,第三章 遗传物质的分子基础,、原核生物与真核生物RNA转录的区别 1. 真核生物RNA的转录是在细胞核内,翻译在细胞质中进行;原核生物则在核区同时进行转录和翻译; 2. 真核生物一个mRNA只编码一个基因;原核生物一个mRNA编码多个基因; 3. 真核生物有RNA聚合酶、等三种不同的酶;原核生物则只有一种RNA聚合酶; 4. 真核生物中转录的起始更复杂,RNA的合成需要转录因子的协助进行转录;原核生物则较为简单; 5. 真核生物的mRNA 转录后进行加工,然后运送到细胞质中进行翻译;原核生物无需进行加工,边转录边翻译。 参看下图。,第二章 遗传物质的分子基础,
15、、真核生物RNA转录后的加工 5端戴帽; 3端加尾; 内含子剪切。,第二章 遗传物质的分子基础,真核生物中:mRNA前体的成熟过程,切除内含子,衔接外显子。,第六节 遗传密码与蛋白质的翻译,第二章 遗传物质的分子基础,第二章 遗传物质的分子基础,一、遗传密码: 、密码子与氨基酸 DNA分子碱基只有4种,而蛋白质氨基酸有20种。 碱基与氨基酸之间不可能一一对应。 141=4种:缺16种氨基酸; 242=16种:比现存的20种氨基酸还缺4种; 343=64种:由三个碱基一起组成的密码子能够形成64种组合,20种氨基酸多出44种。 简并:一个氨基酸由二个或二个以上的三联体密码所决定的现象。 三联体或
16、密码子:代表一个氨基酸的三个一组的核苷酸。,第二章 遗传物质的分子基础,、遗传密码字典 每一个三联体密码所翻译的氨基酸是什么呢? 从1961年开始,在大量试验的基础上,分别利用64个已知三联体密码,找到了相对应的氨基酸。 19661967年,完成了全部遗传密码表,如UGG为色氨酸。,遗传密码的破译,Matthei证明polyU合成的肽链全是苯丙氨酸(phe),遗传密码字典,第二章 遗传物质的分子基础,第二章 遗传物质的分子基础,、遗传密码的基本特征: 1遗传密码为三联体: 三个碱基决定一种氨基酸; 61个为有意密码,起始密码为GUG、AUG(甲硫氨酸); 3个为无意密码,UAA、UAG、UGA
17、为蛋白质合成终止信号。 2. 遗传密码间不能重复: 在一个mRNA上每个碱基只属于一个密码子;均以3个一组形成氨基酸密码,第二章 遗传物质的分子基础,3.遗传密码间无逗号: AUG GUA CUG UCA 甲硫氨酸 缬氨酸 亮氨酸 丝氨酸 密码子与密码子之间无逗号,按三个三个的顺序一直阅读下去,不漏读不重复。 如果中间某个碱基增加或缺失后,阅读就会按新的顺序进行下去,最终形成的多肽链就与原先的完全不一 样(称为移码突变)。 AUG UAC UGU CA 甲硫氨酸 酪氨酸 半胱氨酸,第二章 遗传物质的分子基础,4简并性: . 简并现象: 色氨酸(UGG)和甲硫氨酸(AUG)例外,仅一个三联体密码
18、;其余氨基酸都有一种以上的密码子。 . 61个为有意密码,起始密码为GUG、AUG(甲硫氨酸)。 3个为无意密码,UAA、UAG、UGA为蛋白质合成终止信号。 . 简并现象的意义: 同义的密码子越多,生物遗传的稳定性也越大。 如:UCU UCC或UCA或UCG,均为丝氨酸。,第二章 遗传物质的分子基础,5遗传密码的有序性: 决定同一个氨基酸或性质相近的不同氨基酸的多个密码子中,第1个和第2个碱基的重要性大于第3个碱基,往往只是最后一个碱基发生变化。 例如:脯氨酸(pro):CCU、CCA、CCC、CCG。,第二章 遗传物质的分子基础,6通用性: 在整个生物界中,从病毒到人类,遗传密码通用。 4
19、个基本碱基符号 所有氨基酸 所有蛋白质 生物种类、生物体性状。 1980年以后发现: 具有自我复制能力的线粒体tRNA(转移核糖核酸)在阅读个别密码子时有不同的翻译方式。 如:酵母、链孢霉与哺乳动物的线粒体。,第二章 遗传物质的分子基础,二、蛋白质的合成: 、核糖体:,下表为原核生物与真核生物核糖体的区别。,第二章 遗传物质的分子基础,(二)核糖体中蛋白质的合成,多肽链的起始 原核生物 例:大肠杆菌,第二章 遗传物质的分子基础,真核生物蛋白质的起始明显不同于原核生物: a、蛋白质合成的起始氨基酸为甲硫氨酸而不是甲酰化甲硫氨酸; b、合成的起始位置一般在mRNA5端的第一个起始密码子AUG位置,
20、而不是在一个特殊的起始序列处。,第二章 遗传物质的分子基础,多肽链的延伸,第二章 遗传物质的分子基础,在核体上合成蛋白质,多肽链的终止,第二章 遗传物质的分子基础,多聚核榶体,第二章 遗传物质的分子基础,三、中心法则及其发展:,第二章 遗传物质的分子基础,1中心法则: 从噬菌体到真核生物的整个生物界共同遵循的规律。 遗传信息DNA mRNA 蛋白质的转录和翻译,以及遗传信息从DNA DNA的复制过程。,2中心法则的发展,第二章 遗传物质的分子基础,第二章 遗传物质的分子基础,. RNA的反转录 RNA肿瘤病毒:反转录酶,以RNA为模板来合成DNA。 如:HIV病毒RNA经反转录成DNA,然后整
21、合到人类染色体中。 对于遗传工程上基因的酶促合成、致癌机理研究有重要作用。增加中心法则中遗传信息的流向,丰富了中心法则内容。,第二章 遗传物质的分子基础,. RNA的自我复制: 大部分RNA病毒还可以把RNA直接复制成RNA。 . DNA指导的蛋白质合成: 60年代中期,麦克斯(McCarthy)和荷勒(Holland): 试验体系中加入抗生素等,变性的单链DNA在离体条件下可以直接与核糖体结合,指导蛋白质的合成。,本章小结,1.DNA是主要的遗传物质: 间接证据(4个) 直接证据(3个) 2.核酸的化学结构: DNA的分子结构,双螺旋结构,自我复制。 3.染色体的分子结构: 原核生物染色体结构模型; 真核生物染色体的折叠模型。,4.DNA的复制: DNA的半保留复制; 真核与原核生物的复制特点。 5.RNA的转录及加工: 三种RNA分子; 原核生物RNA合成的特点; 真核生物RNA的转录及加工。 6.遗传密码与蛋白质的翻译: 遗传密码:指三联体,它是遗传信息的记录; 遗传信息:核苷酸一定的排列顺序; 三联体:由三个碱基决定一个氨基酸的密码子; 简并:一个以上三联体密码决定一个氨基酸的现象; 中心法则及其发展。,
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