3遗传物质的分子基础2012.ppt
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1、1,第三章 遗传物质的分子基础,2,* 1DNA作为遗传物质的3个直接证据 2核酸的化学结构 * 3染色体的分子结构 4. DNA的复制 5. RNA的转录用加工 6. 遗传密码与蛋白质的翻译,本章重点,3,第一节 DNA作为主要遗传物质 的证据,4,蛋白质 约占66 脱氧核糖核酸(DNA) 约占27 核酸 核糖核酸(RNA) 约占6 其它:如拟脂和无机物质 少量,一、DNA作为主要遗传物质的间接证据: 基因存在于染色体上(真核生物):,染色体,5,1含量: DNA含量是恒定。体细胞中的DNA含量是配子DNA 的一倍;多倍体中,DNA含量倍增。 但细胞内的蛋白质是不恒定的。 2代谢: 利用放射
2、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。 3突变: 紫外线诱发突变时,最有效的波长均为2600埃; 与DNA所吸收的紫外线光谱是一致的; 证明基因突变与DNA分子的变异密切联系。,6,4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,只有真核生物的染色体才由核蛋白组成。,E.coli,7,二、DNA作为主要遗传物质 的直接证据,8,1细菌的转化: 肺炎双球菌 特征 抗原型(稳定) 粗糙型(R) 无荚膜、粗糙菌落、无毒 R、R 光滑型(S) 有荚膜、光
3、滑菌落、有毒 S、S、S ,9,格里费斯 (1928) 肺炎双球菌定向转化试验: 有毒S型(65杀死)小鼠成活 无细菌 无毒R型小鼠成活重现R型 有毒S型小鼠死亡重现S型 R型+有毒S型(65)小鼠 死亡重现S型,结论: 在加热杀死的S型肺炎双球菌中有较耐高温的转化物质能够进入R型 R型转变为S型 无毒转变为有毒。,10,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。 正实验:三个 负实验:三个 结论: 遗传物质DNA是转化因子。,11,2噬菌体的侵染与繁殖 赫尔歇(Hershey)等用同位素32P和35S验证DNA是遗传物质,原理: P存在于DNA
4、,而不存于蛋白质;S存在于蛋白质,而不存于DNA。 32P标记T2噬菌体 35S标记T2噬菌体 结论: 进入菌内的是DNA; DNA进入细胞内才能产生完整的噬菌体。,12,烟草花叶病毒简称TMV (Tobacoo Mosaic 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 RNA + RNA酶 烟草 不发病,3烟草花叶病毒的感染和繁殖,13,佛兰科尔-康拉特-辛格尔(Framkel-Conrat-Singer)试验,结论: 提供RNA的亲本决定了其后代的RNA和蛋白质。 在不含DNA的TMV中,RNA就是遗传
5、物质。,14,第二节 核酸的化学结构,15,一、两种核酸及其分布,16,1核酸: 以核苷酸为单元构成的多聚体,是一种高分子化合物。 五碳糖:脱氧核糖、核糖 核苷酸 磷酸 鸟嘌呤、腺嘌呤 环状的含氮碱基 胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶,17,18,DNA 核苷酸,RNA 核苷酸,五碳糖:脱氧核糖 碱基:A、T、C、G,五碳糖:核糖 碱基:A、U、C、G,19,DNA四种脱氧核苷酸,DNA分子,20,高等植物:DNA存在于染色体上,叶绿体、线粒体; 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。
6、,2分布:,21,二、DNA的分子结构:,(一)、 “四核苷酸”假说,P.A.T.Levene(1930)提出“四核苷酸”假说,认为: 核苷酸是核酸的基本组成单位; 核酸是“磷酸核糖(碱基)磷酸”的核苷多聚体。 四核苷酸假说奠定了核酸化学基础。但同时认为: 核酸多聚体是由“四核苷酸结构”重复形成; 每个四核苷酸结构包含四种碱基各一个; 所以事实上认为在任何DNA中,四种碱基是等量的,DNA是四核苷酸结构的简单重复。 这种观念影响了人们对核酸生物学功能的进一步认识。,22,*(一)、DNA分子结构的研究,在“四核苷酸结构”理论的误导下,人们普遍认为核酸的组成、结构简单,可能不具有重要功能,一度忽
7、略了对核酸的研究。 上世纪中期,众多研究表明:核酸是遗传信息的载体,显然DNA的结构研究是进一步研究其功能和作用方式的基础。 也由此激发了科学家从事核酸结构研究的兴趣,当时进行DNA结构研究的科学家很多,最重要有:,23,1. 鲍林研究小组,主要工作: 鲍林(Pauling)等1951年(提出蛋白质-螺旋模型后)开始研究DNA分子结构。 根据阿斯伯利Astbury等1938年获得的DNA分子晶体X射线衍射图像(显示DNA分子晶体呈螺旋结构)进行研究。 提出DNA分子三链螺旋结构模型:引入多链、螺旋和氢键等概念。 评价: 虽然他们提出的模型并不正确,但是其研究方向和所采用的方法却为DNA分子结构
8、模型研究确立了方向。 注:1954年鲍林因研究物质聚合力而获得诺贝尔化学奖。,24,三链螺旋,2. 威尔金斯、富兰克林研究小组,主要工作成就: Wilkins和Franklin改进了DNA分子晶体X射线衍射图谱技术; 于1951年获得了更为清晰的图像; 结果表明: 碱基位于螺旋内侧而磷酸基团在外侧, 同时测得了DNA螺旋的直径和螺距。,25,Maurice Wilkins (1916 - 2004),3. 沃生、克里克研究小组,Waston(生物学)、 Crick(物理学)(1951-1953): 研究手段非常简单:用纸板等做磷酸、核糖和碱基模型,拼凑DNA分子的三维结构。 理论知识深厚、富于
9、创造性;视野广阔、收集信息全面并善于分析利用。,26,3. 沃生、克里克研究小组,主要基于Franklin、Pauling和Wilkins等三个方研究成果,Waston和Crick于1953年提出了他们的第三个DNA双螺旋结构模型。Nature(1953.4.25)核酸分子结构 现在人们公认这是分子遗传学建立的标志。,27,28,(一)DNA双螺旋结构模式 1953年,Watson J. D.和Crick F.H.C.提出; 主要依据为:碱基互补配对的规律 DNA分子的X射线衍射结果,Watson J. D与 Crick F.H.C. 和Wilkins H.F. 一起获诺贝尔奖 (1962)
10、。,3.4 。 A,29,。,。,Watson J. D.和Crick F.H.C. DNA双螺旋结构模型特点:,(1)两条链以右手螺旋形式,平行地环绕于同一轴上,象一个扭曲的梯子。 (2)两条链走向为反向平行(antiparallel)。即一条链磷酸二脂键为53方向,而另一条为35方向,二者刚好相反。亦即一条链对另一条链是颠倒过来的,这称为反向平行。 (3)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(hydrogen bond)与它互补的碱基相联系,相互层叠宛如一级一级的梯子横档。互补碱基对A与T之间形成两对氢键,而C与G之间形成三对氢键。上下碱基对之间的距
11、离为3.4。 (4)每个螺旋为34(3.4nm)长,刚好含有10个碱基对,其直径约为20。 (5)在双螺旋分子的表面大沟(major groove)和小沟(minor groove)交替出现。,30,DNA的双螺旋结构模型的意义,1953年,瓦特森(Watson, J. D.)和克里克(Crick, F.) 提出著名DNA双螺旋结构模型,为电镜直观观察所证实。 这个空间构型满足了分子遗传学需要解答的许多问题,例如:DNA的复制、DNA对于遗传信息的贮存及其改变和传递等,从而奠定了分子遗传学的基础。,31,(二)DNA构型之变异 近来发现DNA的构型并不是固定不变的,除主要以右手双螺旋构型(BD
12、NA)。存在外,还有许多变型。 BDNA是DNA在生理状态下的构型。生活细胞中极大多数DNA以BDNA形式存在。但当外界环境条件发生变化时,DNA的构型也会发生变化。实际上在生活细胞内,BDNA一螺圈也并不是正好10个核苷酸对,而平均一般为10.4对。 高盐浓度下时,以ADNA形式存在。ADNA是DNA的脱水构型,它也是右手螺旋,但每螺圈含有11个核苷酸对。ADNA比较短和密,其平均直径为23。大沟深而窄,小沟宽而浅。在活体内DNA并不以A构型存在,但细胞内DNARNA或RNARNA双螺旋结构,却与ADNA非常相似。 某些DNA序列可以以左手螺旋的形式存在,称为ZDNA。当某些DNA序列富含G
13、C,并且在嘌呤和嘧啶交替出现时,可形成ZDNA。ZDNA除左手螺旋外,其每个螺圈含有12个碱基对。分子直径为18,并只有一个深沟。现在还不知道,ZDNA在体内是否存在。,32,33,34,DNA平面结构图,(三)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DNA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。,35,(四)物种: .不同物种中的DNA的碱基含量不同; .DNA分子上的碱基顺序是一致的,一般保持不变才能保持该物种的遗传特性的稳定。 在特殊条件下,碱基顺序改变,出
14、现遗传变异。,三、RNA的分子结构,从化学组成上看,也是由四种核苷酸组成的多聚体。 与DNA的不同: U代替了T,核糖代替了脱氧核糖。 一个重要不同: 绝大部分RNA以单链形式存在,但可以折叠起来形成若干双链区域。在这些区域内,凡互补的碱基对间可以形成氢键。但有一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。,36,37,第三节 染色体的分子结构,一、原核生物染色体 二、真核生物染色体,38,39,1结构: (1)简单的DNA分子:如细菌、多数噬菌体和 多数动物病毒; (2)简单的RNA分子:如植物病毒、某些噬菌 体和某些动物病毒。 均未与组蛋白结合在一起。,一、原核生物染色体,40,2形态
15、大肠杆菌,41,3数量: 通常原核生物细胞里只有一个染色体,且DNA含量远低于真核生物。 例如: 大肠杆菌E.coli只有一个环状染色体, 其DNA分子含核苷酸对为3106,长度1.1mm。 蚕豆配子中染色体(n=6)的核苷酸对为 21010, 长度6000mm。 豌豆配子中染色体(n=7)的核苷酸对为 31010, 长度10500mm。,42,二、真核生物染色体 (一)染色质的基本结构:,1、基本结构 染色质(chromatin)是染色体在细胞分裂的间期所表现的形态,呈纤细的丝状结构,故亦称为染色质线(chromatin fiber)。在真核生物中,它是脱氧核糖核酸(DNA)和蛋白质及少量核
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