遗传学第三章-遗传物质的分子基础课件.ppt

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1、 遗 传 学 email:第三章 遗传物质的分子基础 基因必须具备三种基本功能：(1)遗传功能(复制)：遗传物质必须贮存遗传信息，并能准确复制且代代相传。(2)表型功能(表达)：遗传物质必须控制生物体性状的发育和表达。(3)进化功能(变异)：遗传物质必须发生变异,以适应外界环境的变化，没有变异就没有生物的多样性和进化。第一节 DNA作为主要遗传物质的证据 生物的染色体是核酸和蛋白质的复合物，其中 DNA约占27%，RNA约占6%，蛋白质约占66%分子遗传学直接或间接证明，DNA是主要的遗传物质，而在缺乏DNA的某些病毒中,RNA就是遗传物质。二、DNA作为主要遗传物质的直接证据(一)细菌的转化

2、 肺炎双球菌有两种不同类型：一种是光滑型(S型)，具有毒性，在培养基上形成光滑菌落；另一种是粗糙型(R型)，没有毒性，形成粗糙菌落。早在1928年，Griffith首次将一种类型的肺炎双球菌IIR转化为IIIS，实现了细菌遗传性状的定向转化。16年后，Avery等用生物化学方法证明其活性物质是DNA。(二)噬菌体的侵染与繁殖 T2噬菌体在大肠杆菌内，不仅能够复制自己的DNA，而且可以合成自己的蛋白质外壳和尾部，形成完整的子噬菌体。Hershey等用同位素32P和35S分别标记T2噬菌体的DNA与蛋白质，然后用标记的T2噬菌体(32P或35S)分别感染大肠杆菌，结果证明是由于DNA进入细胞内才产

3、生完整的噬菌体。(三)烟草花叶病毒的感染和繁殖 烟草花叶病毒(TMV)由单链RNA与蛋白质组成管状微粒。将TMV的RNA与蛋白质分开，把RNA接种到烟叶上，可形成新的TMV而使烟草发病；只用蛋白质接种，就不能形成新的TMV，烟草不发病；先用RNA酶处理提纯的RNA，再接种，也不能产生新的TMV。说明在不含DNA的TMV中，RNA就是遗传物质。Frankel-Conrat和 Singer把TMV的RNA与另一个病毒品系HR的蛋白质，合成重组烟草花叶病毒，感染烟草叶片后，产生的新病毒颗粒与提供RNA的品系完全一样，即亲本的RNA决定了后代的病毒类型。可见，DNA是生物的主要遗传物质，而在缺少DNA

4、的生物中，RNA则为遗传物质。第二节 核酸的化学结构一、两种核酸及其分布 核酸是核苷酸的多聚体。每个核苷酸由一个五碳糖、一个磷酸和一个含氮碱基组成；碱基包括双环结构的嘌呤和单环结构的嘧啶。两个核苷酸之间由3，5磷酸二酯键相连。二、DNA的分子结构(一)DNA的双螺旋结构 1953年,Watson和Crick提出了著名的DNA双螺旋结构模型。(1)两条多核苷酸链以右手螺旋形式，彼此以一定的空间距离，平行地 环绕于同一轴上，象一个扭曲起来的梯子;(2)两条多核苷酸链走向为反向平行;(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连，另一方面通过氢键与它互补的碱基相联系，相互层叠宛如的梯

5、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;(4)每个螺旋为34(3.4nm)长，含有10个碱基对，其直径约为20;(5)双螺旋分子的表面有大沟和小沟交替出现。可见，DNA是由A-T和C-G两种核苷酸对连接起来的。假设某一段DNA有1000对核苷酸，就可以有41000种不同排列组合的分子结构，即41000种不同性质的基因。然而，对特定生物的DNA分子来说，其碱基顺序一定，且通常保持不变，这样才能保持该物种的遗传稳定；只有在特殊条件下，改变其碱基顺序或位置或被碱基类似物替代时，才出现遗传的变异(突变)。DNA分子的其他构型第三节 染色体的分子结构一、原核生物染色体 通常只

6、有一个核酸分子(DNA或RNA)，基因组很小。双链或单链；大多呈环状，少数呈线状。近来发现，大肠杆菌DNA除与几种结合蛋白结合外，还结合有RNA,其染色体由50100个独立的负超螺旋环组成环状结构。二、真核生物染色体(一)染色质的基本结构 染色质是DNA、蛋白质及少量RNA组成的复合物。DNA约占30,蛋白质包括组蛋白和非组蛋白两类。组蛋白有H1、H2a、H2b、H3和H4五种，含量稳定，对染色质结构起决定作用；非组蛋白在不同细胞间变化很大，可能与基因的调控有关。染色质的基本结构单位是核小体(nucleosome)、连接丝和一个分子的组蛋白H1。由H2A、H2B、H3和H4四种组蛋白各以两个分

7、子组成八聚体,DNA双螺旋盘绕在其表面,就组成核小体。连接丝是两个核小体之间的DNA双链，把两核小体串联起来。组蛋白H1结合于连接丝与核小体的接合部位。一个核小体及其连接丝约含180200bp的DNA，其中约146个碱基对盘绕在核小体表面 1.75圈，其余碱基对则为连接丝。(二)染色体的结构模型 细胞分裂过程中染色质细丝卷缩成为一定形态结构的染色体，至少经过三个层次的卷缩：DNA分子超螺旋化形成核小体，产生直径约10nm的间期染色质线。组蛋白H2A、H2B、H3和H4参与作用。核小体的长链进一步螺旋化形成直径约为30nm的超微螺旋，称为螺线管。组蛋白H1参与作用。染色体螺线管进一步卷缩,并附着

8、于由非组蛋白形成的骨架上面，成为一定形态的染色体。第四节 DNA的复制 一、DNA复制的特点(一)半保留复制 复制子：同一个复制起点控制下合成的一段DNA序列。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，整个染色体也就是一个复制子。真核生物中，每条染色体的DNA复制则是多起点的，多个复制起点共同控制一条染色体的复制，即每条染色体有多个复制子。复制起点具有特殊的DNA序列特征。(二)复制起点（原点）和复制方向 复制方向：多数原核生物环状DNA是双向复制(都是5，3，），最后相遇，完成复制。绝大多数真核生物DNA呈线状，其复制也是双向的。但近来发现，P2噬菌体DNA的复制是单方向的

9、。二、原核生物DNA的合成(一)有关DNA合成的酶 DNA聚合酶（I，II，III），解旋酶，单链DNA结合蛋白，拓扑异构酶（I，II），RNA聚合酶，DNA引物酶，连接酶等(二)DNA复制的过程 DNA的合成是半保留复制，复制是双向的，合成必须有引物的引导，并且复制时链的延伸总是从5向3方向进行。1、DNA双螺旋的解链 DNA复制前必须先解开双螺旋。大肠杆菌中，DNA的合成速度约为每分钟30,000bp，DNA链每分钟必须旋转约3000次才能使双链解开。DNA的解旋过程由DNA解旋酶催化完成，由ATP提供解旋所需的能量。DNA双链解开后，单链DNA结合蛋白马上结合在分开的单链上，保持其伸展状

10、态。解旋过程中，在DNA复制叉前面形成一种张力，导致超螺旋的产生。这种张力的消除主要由DNA拓扑异构酶完成：将DNA双链切开一个口子，使一条链旋转一圈，然后再将其共价相连，从而消除其张力。2、DNA合成的开始三种DNA聚合酶不能直接起始DNA的合成，而需要一段RNA作为引物。以DNA为模板，在一种特殊的RNA聚合酶DNA引物酶的催化下，先合成一段长度为1060个核苷酸的RNA引物，提供3端自由OH。然后，在DNA聚合酶的作用下进行DNA的合成。3、链的延伸：一条连续，一条不连续 两条新链的延伸过程中，一条是连续的，另 一条是不连续的。把一直从5 3方向延伸的链称作前导链，它是连续合成的。而另一

11、条先沿53方向合成一些片段，然后再由连接酶连起来的链，称为后随链，其合成是不连续的。这种后随链上合成的DNA不连续单链小片段称为冈崎片段。前导链上，DNA引物酶只在起始点合成一次引物RNA；而后随链上，每个“冈崎片段”的合成都需要先合成一段引物RNA，然后DNA聚合酶III才能进行DNA的合成。随后，引物RNA被切除，并被新合成的DNA片段所替代。大肠杆菌中，DNA聚合酶I催化完成此过程。最后DNA连接酶将“冈崎片段”连起来，形成一条完整的新链。三、真核生物DNA合成的特点 只发生在细胞周期的S期，而原核生物则在整个细胞生长过程都可进行DNA合成。原核生物DNA的复制是单起点的，而真核生物染色

12、体的复制则为多起点。RNA引物及后随链上合成的“冈崎片段”的长度比原核生物要短。原核引物约1060 base，“冈崎片段”为1000 2000 base；真核引物只有10个核苷酸，“冈崎片段”约为原核的1/10。两种不同的DNA聚合酶分别控制前导链和后随链的合成。原核中有DNA聚合酶I、II和III，并由聚合酶III同时控制两条链的合成。而真核中共有、五种DNA聚合酶，和是DNA合成的主要酶，聚合酶控制不连续的后随链合成,而聚合酶控制前导链合成。染色体端体的复制：真核生物线状染色体新链5末端DNA无法自动合成。现在有证据表明，在DNA的末端存在特殊的结构，并在含有RNA的端体酶的催化下完成末端

13、的合成。第五节 RNA的转录及加工 遗传物质必须具有遗传、表达和变异三种基本功能。DNA的结构及其复制，即遗传功能；而它的第二个重要功能就是基因表达。基因表达，首先是DNA转录为RNA，然后由RNA再翻译成蛋白质。一、三种RNA分子 mRNA：把DNA上的遗传信息转录下来，然后由其碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序。tRNA：把氨基酸搬运到核糖体上。每种氨基酸可与14种tRNA相结合，tRNA种类在40种以上。rRNA：与核糖体蛋白质结合，形成核糖体。大肠杆菌中，rRNA占总RNA量的7585。tRNA占15，mRNA仅占35。三种RNA分子均为转录产物，mRNA最后翻译为蛋白质，而rRNA、tR

14、NA并不翻译，其终产物即为RNA。二、RNA合成的特点 RNA合成与DNA合成相比,有三个不同之处：(1)所用原料为NTPs而不是dNTPs(2)只有一条DNA链被用作模板。用作模板、进行RNA转录的链称作模板链，另一条则为非模板链。(3)RNA链的合成不需要引物，可以直接起始合成。RNA链的合成也是从5向3端进行，此过程由RNA聚合酶催化。RNA聚合酶首先在启动子部位与DNA结合，形成转录泡，并开始转录。原核生物中只有一种RNA聚合酶完成所有RNA的转录；而在真核生物中，有三种不同的RNA聚合酶控制不同类型RNA的合成。RNA的合成也同样遵循碱基配对原则，只是U代替T。三、原核生物RNA的合

15、成 转录后形成一个RNA分子的一段DNA序列称为转录单位。一个转录单位可能是一个基因，也可能含有多个基因。原核生物中一个转录单位通常含有多个基因，而真核生物大多只含有一个基因。RNA的转录分为三步：(1)RNA链的起始；(2)RNA链的延长；(3)RNA链的终止及新链的释放RNA聚合酶 一种由多个蛋白亚基组成的复合酶。如大肠杆菌的RNA聚合酶由五个亚基组成，含有、和四种不同的多肽，其全酶组成是2。而因子只与转录起始有关，与链延伸无关。转录开始后因子就被释放，而链的延伸则由四聚体核心酶催化。(一)链的起始 RNA聚合酶在因子作用下，结合于DNA的启动子部位，使DNA双链解开，形成转录泡，为RNA

16、合成提供单链模板，合成RNA新链。因子在RNA链延伸到89个核苷酸后就被释放。(二)链的延伸 因子释放后，在四聚体核心酶的催化下进行。随着RNA链的延伸，RNA聚合酶使DNA双链不断解开和重新闭合，RNA转录泡也不断前移，合成新的RNA链。(三)链的终止 当RNA链延伸遇到终止信号时，RNA转录复合体发生解体，使新合成的RNA链释放出来。四、真核生物RNA的转录及加工 与原核的转录基本相同，但要复杂得多：转录在核内进行，而蛋白质合成在细胞质内。一个mRNA分子一般只编码一个基因。RNA聚合酶I、II、III，分别催化不同类型RNA的合成。三种RNA聚合酶都不能独立进行转录，必须有转录因子的协助

17、。多数mRNA转录后需进行加工后，才能运送到细胞质进行蛋白质的合成：1、在mRNA前体的5端加上7甲基鸟嘌呤核苷的“帽子”;2、在mRNA前体的3端加上 polyA的“尾巴”;3、对内含子序列进行剪接。真核mRNA 5 端帽子结构第六节 遗传密码与蛋白质的翻译 一、遗传密码(genetic code)碱基与氨基酸之间的密码关系是三个碱基决定一种氨基酸。遗传密码共43=64种，而氨基酸只有20种，因此一种氨基酸可以由一个或一个以上的三联体密码所决定。一种氨基酸由一个以上的三联体密码所决定的现象,称为简并,这几个三联密码称为同义密码子。除某些生物的线粒体外，整个生物界，从病毒到人类，遗传密码都是通

18、用的：即所有的核酸语都是由四个基本碱基符号所编成；所有的蛋白质语都是由20种氨基酸所编成。遗传密码的基本特性 三联体：三个碱基决定一个氨基酸 不能重复利用：一个mRNA上每个碱基只属于一个密码子 无逗号：翻译过程中，遗传密码的译读是连续的。简并现象：除trp,met外，其他氨基酸都有一种以上密码子。有序性：决定同一或性质相近氨基酸的多个密码子，往往只是最后一个碱基不同。起始密码子和终止密码子：翻译起始和终止有专门密码子负责。通用性：除线粒体等极少数情况，遗传密码从病毒到人类通用。Pi9 cDNA sequence atggcggagacggtgctgagcatggcgaggtcgctggtgg

19、gcagtgccatcagcaaggccgcctctgccgctgccaatgagacgagcctcctgctcggcgtcgagaaggacatctggtatatcaaagatgagctaaaaacaatgcaggcattccttagagctgctgaagttatgaaaaagaaagatgaactattaaaggtttgggcagagcaaatacgtgacctgtcgtatgacattgaagattcccttgatgaatttaaagtccatattgaaagccaaaccctatttcgtcagttggtgAaacttagagagcgccaccggatcgctatccgtatccaca

20、acctcaaatcaagagttgaagaagtgagtagcaggaacacacgctacaatttagtcgagcctatttcctccggcacagaggatgacatggattcctatgcagaagacattcgcaatcaatcagctcgaaatgtggatgaagctgagcttgttgggttttctgactccaagaaaaggctgcttgaaatgatcgataccaatgctaatgatggtccggccaaggtaatctgtgttgttgggatgggtggtttaggcaagacagctctttcgaggaagatctttgaaagcgaagaagacatta

21、ggaagaacttcccttgcattgcttggattacagtgtcacaatcatttcacaggattgagctacttaaagatatgatacgccaacttcttggccccagttctctggatcaactcttgcaagaattgcaagggaaggtggtggtgcaagtacatcatctttctgagtacctgatagaagagctcaaggagaagaggtactttgttattctagatgatctatggattttacatgattggaattggataaatgaaattgcatttcctaagaacaataagaagggcagtcgaatagtaataacca

22、ctcggaatgttgatctagcggagaagtgtgccacagcctcactggtgtaccaccttgatttcttgcagatgaacgatgccAtaacattgctactgagaaaaacaaataaaaatcatgaagacatggaatcaaataaaaatAtgcaaaagatggttgaacgaattgtaaataaatgtggtcgtctaccattagcaatacttAcaataggagctgtgcttgcaactaaacatgtgtcagaatgggagaaattctatgaacaacttccttcagaactagaaataaacccaagcctggaagctt

23、tgaggagaatggtgaccctaggttacaaccacctaccatcccatctgaaaccatgctttttgtatctaagtatctttcctgaggattttgaaatcaaaaggaatcgtctagtaggtagatggatagcagaagggtttgttagaccaaaggttgggatgacgactaaggatgtcggagaaagttactttaatgagctaatcaaccgaagtatgattcaacgatcaagagtgggcatagcaggaaaaattaagacttgtcgaatccatgatatcatccgtgatatcacagtttcaatctcga

24、gacaggaaaattttgtattattaccaatgggagatggctctgatttagttcaggaaaacactcgccacatagcattccatgggagtatgtcctgcaaaacaggattggattggagcattattcgatcattagctatttttggtgacagacccaagagtctagcacatgcagtttgtctagatcaattgaggatgttacgggtcttggatcttgaagatgtgacattcttaatcactcaaaaagatttcgaccgtattgcattgttgtgccacttgaaatacttgagtattggatattcgt

25、catccatatattcacttcccagatccattggtaaactacagggcctacaaactttgaacatgctgagaacatacattgcagcactaccaagtgagatcagtaaactccaatgtctgcatactcttcgttgtagtagaaagtttgtttatgacaactttagtctaaaccacccaatgaagtgcataactaacacaatatgcctgcctaaagtattcacacctttagttagtcgcgatgatcgtgcaaaacaaattgctgaattgcacatggccaccaaaagttgctggtctgaatcattcg

26、gtgtgaaggtacccaaaggaataggtaagttgcgagacttgcaggttctagagtatgtagatatcaggcggaccagtagtagagcaatcaaagagctggggcacttaagcaagttgaggaaattaggtgtgataacaaaaggctcgacaaaggaaaaatgtaagatactttatgcagccattgagaagctctcttccctccaatctctctatgtgaatgctgcgttattatcagatattgaaacacttgagtgcctagattctatttcatctcctcctcccctactgaggacactcgggt

27、tgaatggaagtcttgaagagatgcctaactggattgagcagctcactcacctgaagaagatctacttattgaggagcaaactaaaggaaggtaaaaccatgctgatacttggggcattgcccaacctcatggtcctttatctttattggaatgcttaccttggggagaagctagtattcaaaacgggagcattcccaaatcttagaacacttcgtatttacgaattggatcagctaagagagatgagatttgaggatggcagctcacccctgttggaaaagatagaaatctcttgctgca

28、ggttggaatcagggattattggtatcattcaccttccaaggctcaaggagatttcacttgaatacaaaagtaaagtggctaggcttggtcagctggagggagaagtgaacacacacccaaatcgccccgtgctgcgaatggacagtgaccgaagggatcacgacctgggggctgaagccgaaggatcttctatagaagtgcaaacagcagatcctgttcctgatgccgaaggatcagtcactgtagcagtggaagcaacggatccccttcccgagcaggagggagagagctcgcagtcgc

29、aggtgatcacgttgacgacgaacgatagcgaagagataggcacagctcaagctggctga Pi9 Protein sequence MAETVLSMARSLVGSAISKAASAAANETSLLLGVEKDIWYIKDELKTMQA 50FLRAAEVMKKKDELLKVWAEQIRDLSYDIEDSLDEFKVHIESQTLFRQLV 100KLRERHRIAIRIHNLKSRVEEVSSRNTRYNLVEPISSGTEDDMDSYAEDI 150RNQSARNVDEAELVGFSDSKKRLLEMIDTNANDGPAKVICVVGMGGLGKT 200ALSR

30、KIFESEEDIRKNFPCIAWITVSQSFHRIELLKDMIRQLLGPSSLDQ 250LLQELQGKVVVQVHHLSEYLIEELKEKRYFVILDDLWILHDWNWINEIAF 300PKNNKKGSRIVITTRNVDLAEKCATASLVYHLDFLQMNDAITLLLRKTNK 350NHEDMESNKNMQKMVERIVNKCGRLPLAILTIGA VLATKHVSEWEKFYEQ 400LPSELEINPSLEALRRMVTLGYNHLPSHLKPCFLYLSIFPEDFEIKRNRL 450VGRWIAEGFVRPKVGMTTKDVGESYFNELINRS

31、MIQRSRVGIAGKIKTCR 500IHDIIRDITVSISRQENFVLLPMGDGSDLVQENTRHIAFHGSMSCKTGLD 550WSIIRSLAIFGDRPKSLAHA VCLDQLRMLRVLDLEDVTFLITQKDFDRIA 600LLCHLKYLSIGYSSSIYSLPRSIGKLQGLQTLNMLRTYIAALPSEISKLQ 650CLHTLRCSRKFVYDNFSLNHPMKCITNTICLPKV 700LHMATKSCWSESFGVKVPKGIGKLRDLQVLEYVDIRRTSSRAIKELGHLS 750KLRKLGVITKGSTKEKCKILYAAI

32、EKLSSLQSLYVNAALLSDIETLECLD 800SISSPPPLLRTLGLNGSLEEMPNWIEQLTHLKKIYLLRSKLKEGKTMLIL 850GALPNLMVLYLYWNAYLGEKLVFKTGAFPNLRTLRIYELDQLREMRFEDG 900SSPLLEKIEISCCRLESGIIGIIHLPRLKEISLEYKSKV ARLGQLEGEVN 950THPNRPVLRMDSDRRDHDLGAEAEGSSIEVQTADPVPDAEGSVTV A VEAT 1000DPLPEQEGESSQSQVITLTTNDSEEIGTAQAG*Total length=1032

33、二、蛋白质的合成 非常复杂的过程，需要大量的蛋白质及RNA参与。糖核体至少由50种以上多肽和35种RNA分子组成；至少有20种氨基酸活化酶，决定氨基酸的活化；有4060种tRNA负责氨基酸的输送；大量可溶性蛋白参与多肽链的起始、延伸和终止。(一)核糖体 rRNA与核糖体蛋白结合而成的小颗粒，包含大小不同的两个亚基，一般呈不倒翁形。原核生物核糖体为70S,由50S和30S两个亚基结合而成。大亚基包括5S、23S两种rRNA和31种多肽；小亚基包括16S rRNA和21种多肽。高等生物核糖体为80S,由60S大亚基和40S小亚基组成。大亚基包含5S、5.8S和28S三种rRNA以及约50种多肽；小

34、亚基包含18S rRNA和33种多肽。(二)在核糖体上合成蛋白质 翻译开始前，各种氨基酸必须在ATP的参与下先行活化，然后在氨基酰tRNA合成酶催化下，与相应的tRNA结合而形成氨基酰tRNA。氨基酸与相应的tRNA结合，称为第二遗传密码。蛋白质合成也可分为链的起始、延伸和终止三个阶段。肽链的起始肽链的延伸肽链的终止 合成的多肽链，经过卷曲或折叠，成为具有立体结构和生物活性的蛋白质，它们或者成为结构蛋白；或者成为功能蛋白，如血红蛋白等；或者成为控制细胞各种化学反应的酶。肽链的归宿 多聚核糖体三、中心法则及其发展 蛋白质合成过程，也就是遗传信息从DNAmRNA蛋白质的转录和翻译过程，以及遗传信息从DNADNA的复制过程，这就是分子生物学的中心法则(central dogma)。中心法则阐述了基因的两个基本属性，即复制与表达。RNA可以反转录为DNA，还可以自我复制；离体条件下DNA可以直接指导蛋白质合成。从而增加了原中心法则的信息流向，丰富了中心法则内容。作业与思考题 DNA作为主要遗传物质有哪些直接和间接证据？DNA双螺旋模型有什么特点？真核生物染色体的组成和结构有何特点？了解原核和真核生物DNA复制、转录和翻译的过程及特点。