普通遺傳學_第五章_遺傳的分子基礎遺傳物質必須具備得條件遺傳功能，即基因的復制遺傳物質必須貯存遺傳信息，并能將其復制且一代一代精確地傳遞下去。

1變異功能遺傳物質必須發生變異，以適應外界環境的變化，沒有變異就沒有進化。3表達功能能控制生物體性狀的發育和表達。2對遺傳物質得早期推測20世紀20年代：人們認識到蛋白質是由多種氨基酸連接而成的大分子，氨基酸多種多樣的排列順序，可能蘊含著遺傳信息20世紀30年代：人們認識到DNA是由許多脫氧核苷酸聚合而成的生物大分子。組成DNA分子的脫氧核苷酸有四種，每一種有一個特定的堿基。但由于對DNA分子得結構沒有清晰得了解,人們認為蛋白質就是遺傳物質得觀點仍占主導地位。為什么我們現在認為DNA就是主要得遺傳物質呢？

DNA作為主要遺傳物質得間接證據大部分DNA存在于染色體上,而蛋白質在細胞質內也很多。每個物種不通組織得細胞不論起大小和功能如何,她們得DNA含量就是恒定得。配子中DNA得含量恰好就是體細胞得一半。而細胞內得蛋白質量在不同細胞間變化很大。DNA結構得變化與生物突變具有一致性。

用不同波長得紫外線誘發各種生物突變時,其最有效得波長均260nm。這與DNA所吸收得紫外線光譜就是一致得。這證明基因突變就是與DNA分子得變異密切相關。DNA在代謝上較穩定。原子一旦組成DNA,則在細胞保持健全生長得情況下,保持穩定,不會離開DNA、而蛋白質分子卻不同,她在迅速形成得同時又不斷分解。DNA能自我復制,具有世代得延續性。而蛋白質不能進行自我復制。

DNA作為主要遺傳物質得直接證據肺炎雙球菌轉化實驗1噬菌體侵染與繁殖實驗2肺炎雙球菌轉化試驗肺炎雙球菌體內轉化實驗1928年,英國格里菲思(Griffith)得肺炎雙球菌感染小鼠實驗S型R型菌落表面光滑粗糙形態有多糖類莢膜無多糖類莢膜毒性有毒性,可致死無毒性實驗提示:加熱殺死得S型有毒品系中一定有一種因子能使無毒得R品系轉化為有毒得S品系(transformation)。肺炎雙球菌體外轉化實驗1944年,美國學者艾弗里(Avery)等證明將R無毒品系轉化為有毒S品系得物質就是DNA。(S)

加熱殺死

多糖脂類RNA蛋白質DNADNA+DNA水解酶↓↓↓↓↓↓分別與R型細菌混合培養↓↓↓↓↓

SRRRRRRR結論:在S型細胞得各種組分中,只有DNA能引起R型細胞得轉化,DNA就是S型細胞多糖莢膜和病源特征得決定因子,只要給R型細胞提供S型細菌得DNA,就等于就是提供了S基因。

意義:第一次直接證明基因就是由DNA組成得,DNA就是遺傳物質。盡管Avery等人得肺炎雙球菌體外轉化實驗非常精確和嚴密,但當時仍有很多科學家不相信DNA就是遺傳物質。1952年Hershey和Chase得噬菌體侵染實驗證實DNA就是主要得遺傳物質,才使人們普遍認同主要得遺傳物質就是DNA,而不就是蛋白質。噬菌體侵染與繁殖實驗噬菌體就是感染細菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物得病毒得總稱,因部分能引起宿主菌得裂解,故稱為噬菌體。噬菌體個體微小,主要由蛋白質外殼和核酸組成

。噬菌體只能利用宿主得核糖體、蛋白質合成時所需得各種因子、各種氨基酸和能量產生系統來實現其自身得生長和增殖。一旦離開了宿主細胞,噬菌體既不能生長,也不能復制。

T2噬菌體侵染與繁殖基本過程:1、T2噬菌體吸附大腸桿菌后,將遺傳物質注入細菌細胞;2、利用大腸桿菌得遺傳復制系統復制噬菌體遺傳物質;3、利用大腸桿菌得遺傳信息表達系統合成噬菌體組件;4、最后組裝形成完整得T2噬菌體。因此只要弄清侵染時進入細菌得就是噬菌體得哪一部分,就可能證明哪種物質就是遺傳物質。大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點35S32P同位素示蹤:蛋白質得組成元素:C、H、O、N、SDNA得組成元素:C、H、O、N、P標記噬菌體:在分別含有放射性同位素32P和35S得培養基中培養細菌。分別用上述細菌培養T2噬菌體,制備含32P得噬菌體和含35S得噬菌體1952年,赫爾希(Hershey)和蔡斯(Chase)得噬菌體侵染與繁殖試驗實驗過程及結果總結第一組實驗第二組實驗親代噬菌體35S標記蛋白質32P標記DNA

寄主細胞內無35S標記蛋白質有32P標記DNA子代噬菌體外殼蛋白質無35SDNA有32P標記結論:噬菌體侵入細菌時,DNA進入到細菌得細胞中,而蛋白質外殼仍留在外面。因此子代噬菌體得各種性狀,就是通過親代噬菌體得DNA遺傳得。DNA才就是真正得遺傳物質。DNA就是唯一得遺傳物質嗎？？DNA——主要得遺傳物質目前,已有充分得科學研究資料證明,絕大多數生物都就是以DNA作為遺傳物質得。RNA(核糖核酸)有些病毒(如煙草花葉病毒),她不含有DNA,只含有RNA。在這種情況下,RNA就起著遺傳物質得作用。煙草花葉病毒拆分感染實驗

1956年格勒(Girer)和施拉姆(Schramm)

煙草花葉病毒(TMV)就是由RNA與蛋白質組成得管狀微粒,她得中心就是單螺旋得RNA,外部就是蛋白質得外殼。感染煙草后,葉片出現花葉癥狀,生長處于不良狀態,葉常呈畸形。

RNA接種到煙葉→發病RNARNA酶處理RNA→不發病TMV蛋白質:接種后不形成新得TMV不發病表明在不含DNA得TMV中,RNA就就是遺傳物質。煙草花葉病毒重組試驗以上實例直接證明DNA就是生物主要得遺傳物質,而在缺少DNA得生物中,RNA則為遺傳物質。佛蘭科爾－康拉特與辛格爾(Frankel-Conrat,H、和Singer,B、)把TMV得RNA與另一個病毒品系車前草病毒(HR,Holmesribgrass)得蛋白質,重新混合形成一種雜種病毒,用她感染煙草葉片時,所產生得新病毒顆粒與提供RNA得品系完全一樣,亦即親本得RNA決定了后代得病毒類型。絕大多數生物都就是以DNA作為遺傳物質得,因此DNA就是主要得遺傳物質。某些病毒不含有DNA,只含有RNA,在這種情況下,RNA就起著遺傳物質得作用。核酸就是一切生物得遺傳物質,核酸包括脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。中心法則及其發展遺傳信息DNA

mRNA

蛋白質DNA得復制RNA得反轉錄RNA得自我復制DNA指導得蛋白質合成第二節核酸得化學組成與分子結構核酸:以核苷酸為基本結構單位構成得多聚體,就是一種高分子化合物。磷酸五碳糖環狀得含氮堿基核苷酸脫氧核糖核糖腺嘌呤A鳥嘌呤G胞嘧啶C胸腺嘧啶T尿嘧啶UDNA:磷酸+脫氧核糖+堿基(A/T/C/G)RNA:磷酸+核糖+堿基(A/U/C/G)高等動植物:DNA存在于染色體,葉綠體、線粒體中

RNA在細胞核(核仁、染色體)、細胞質細菌:DNA和RNA。噬菌體:多數DNA,少數RNA。植物病毒:多數只有RNA。動物病毒:有些含RNA、有些含DNA。DNA右手雙螺旋結構模型1953年Watson/Crick主要依據:堿基互補配對得規律DNA分子得X射線衍射結果脫氧核糖和磷酸基通過3’,5’磷酸二酯鍵連接形成主鏈。主鏈以反向平行方式組成雙螺旋。兩條長鏈以互補堿基之間得氫鍵相連。堿基配對原則為:A=T、G=C3、雙螺旋直徑約20A,螺距為34A(10個堿基對)。細胞采取的主要構象B-DNA:生理狀態下,每螺圈10、4個堿基對,右手螺旋。A-DNA:高鹽濃度下,每螺圈11個堿基對,右手螺旋。Z-DNA:序列富含GC,嘌呤和嘧啶交替出現,每螺圈12個堿基對,左手螺旋。RNA得分子結構

mRNAtRNArRNASnRNAMiRNA

除tRNA外,不具有穩定得二級結構,無統一模式,由分子內部堿基互補配對形成。數百種。只有73-93個核苷酸組成,主要特點為含稀有核苷。3'端都為CCA,用以接受氨基酸,叫葉柄;5'端都為pG四臂四環反密碼環:7個核苷酸D環(二氫尿嘧啶)TψC環(ψ為假尿嘧啶核苷酸)可變環:3-18個核苷酸tRNA二級結構:三葉草結構tRNA三級結構:倒L型tRNArRNA原核生物:5S/16S/23S12015402900個核苷酸真核生物:5S/5、8S/18S/28S12016019004700個核苷酸占細胞內總RNA得80％左右,由120-5000個核苷酸組成,但種類很少第三節核酸得復制以親代DNA或RNA為模板,根據堿基配對得原則,在一系列酶得作用下,生成與親代相同得子代DNA或RNA得過程。1953年,Watson/Crick提出一、DNA得半保留復制以親代DNA雙鏈為模板,以堿基互補得方式合成子代DNA,這樣形成得子代DNA中,一條鏈來自親代DNA,另一條鏈就是新合成得,這種復制方式叫半保留復制。1958年,Meselsen/Stahl證實E、coli穩定同位素15N、14N培養基CsCl梯度離心

表明:DNA在代謝上就是穩定得,能保證親代得遺傳信息能穩定地傳遞給后代。復制起點:AT富集區1、DNA復制得原點、方向與方式方向:雙向(真核生物,多數細菌、病毒)單向(噬菌體P2)原核生物:一個復制原點真核生物:多個復制原點DNA復制方式

從頭起始即復制叉式復制在復制原點解開成兩條單鏈,分別作為模板,合成互補鏈,出現復制叉。共價延伸先導鏈共價結合在一條親本鏈上滾環式復制切斷其中一條單鏈,5’端與蛋白質結合,3’端DNA聚合酶催化加核苷酸。3’端不斷延長,5’端不斷甩出。甩出單鏈到一定長度后,開始復制其互補鏈。DNA聚合酶共同點:原料:脫氧核苷酸三磷酸(dNTP)模板:DNA需要RNA引物:含3’-OH合成方向:5’-3’2、與DNA復制相關得酶和蛋白質真核細胞:5種DNA聚合酶

α(定位于胞核,參與復制引發,不具5’－3’外切酶活性)β(定位于核內,參與修復,不具5’－3’外切酶活性)γ(定位于線粒體,參與線粒體復制,不具5’－3’,有3’－5’外切活性)δ(定位核,參與復制,具有3’－5’,不具5’－3’外切活性)ε(定位于核,參與損傷修復,具有3’－5’,不具5’－3’外切活性)原核細胞:(大腸桿菌為例)5種DNA聚合酶DNA聚合酶Ⅰ(1956年Kornberg)、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ(1999年),都與DNA鏈得延長有關。大腸桿菌得3種DNA聚合酶DNA聚合酶ⅠDNA聚合酶ⅡDNA聚合酶Ⅲ5’-3’聚合酶活性弱弱強3’-5’外切酶活性有有有5’-3’外切酶活性有(雙鏈有效)無有(單鏈有效)亞基單體酶多亞基酶多亞基酶主要功能修復DNA損傷/復制時RNA引物切除及其缺口填補修復紫外線引起得DNA損傷DNA鏈得延長DNA聚合酶催化反應其她酶和蛋白功能拓撲異構酶引入或松開超螺旋DNA解旋酶使雙鏈DNA解鏈單鏈結合蛋白穩定單鏈區引物合成酶合成RNA引物DNA連接酶連接DNA雙鏈中得單鏈切口3、DNA得復制過程(大腸桿菌為例)⑴

DNA復制得起始①拓撲異構酶解開DNA超螺旋。②DnaA蛋白識別復制得起始位點(復制原點)。③DNA解旋酶在ATP供能下,每分鐘旋轉3000次解開雙螺旋。④單鏈結合蛋白結合在分開得單鏈上,避免產生單鏈內配對。⑤DNA拓撲異構酶解決由于復制叉推進產生得超螺旋問題。⑥引物合成酶合成RNA引物。⑵DNA鏈得延長

在DNA聚合酶Ⅲ作用下,以四種脫氧核苷三磷酸(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)為底物,在RNA引物得3’端以磷酸二酯鍵連接上脫氧核糖核苷酸并釋放出焦磷酸。

DNA聚合酶Ⅲ5’-3’聚合酶活性

前導鏈:連續合成

滯后鏈:分段合成

岡崎片段:在3′

5′方向鏈上,仍按從5′

3′得方向一段段地合成得DNA單鏈小片段(1000~2000bp)。DNA聚合酶Ⅰ:切除RNA引物(5’-3’外切酶活性)填補缺口(5’-3’聚合酶活性)連接酶:連接岡崎片段形成一條連續得單鏈。⑶DNA復制得終止復制原點對面600kb終止區Ter序列(終止陷阱):引起復制終止得序列。終止子利用物質Tus可識別并結合形成Ter–Tus復合物,阻止解旋酶得解旋,從而阻斷復制4、真核生物DNA復制得特點原核生物真核生物DNA合成得時期整個細胞生長過程細胞周期S期復制起點單個多個(自主復制序列ARS)RNA引物長度10-60bp10bp岡崎片段長度1000-2000bp100-150bp前導鏈與滯后鏈得合成聚合酶Ⅲ聚合酶δ控制前導鏈聚合酶α控制后隨鏈復制速度100kb/min1-5kb/min端粒酶無有端粒(Telomere):真核細胞染色體末端得特殊結構,具有穩定染色體得功能,防止染色體DNA降解、末端融合。人端粒就是由6個堿基重復序列(TTAGGG)和結合蛋白組成。端粒酶(Telomerase):反轉錄酶,由蛋白質和RNA兩部分組成核糖蛋白復合體,其中RNA就是一段模板序列,指導合成端粒DNA得重復序列片段。RNA病毒中RNA得復制方式:RNA復制酶反轉錄酶(1)含正鏈RNA(+)得病毒(例如,噬菌體Q):(+)RNA充當mRNA,合成蛋白,以(+)RNA為模板,復制,合成(-)RNA,再以(-)RNA為模板合成(+)RNA組裝成病毒顆粒。(2)含負鏈RNA(-)得病毒(例如狂犬病):由(-)RNA合成(+)RNA,再由(+)RNA合成蛋白質、(-)RNA,組裝成病毒。(3)含雙鏈RNA得病毒(例如呼腸孤病毒):以(-)RNA為模板合成(+)RNA,以(+)RNA為模板合成(-)RNA和蛋白,組裝病毒顆粒。(4)逆轉錄病毒(例如白血病毒):由RNA反轉錄為DNA,以DNA為模板合成RNA,翻譯蛋白質。

PCR(PolymeraseChainReaction)

聚合酶鏈式反應

第四節DNA得轉錄轉錄(transcription)就是以DNA中得一條單鏈為模板,游離堿基為原料,在DNA依賴得RNA聚合酶催化下合成RNA鏈得過程。三種RNA分子:mRNA、tRNA、rRNADNA轉錄為RNADNA得自我復制原料NTP(核苷三磷酸)dNTP(脫氧核苷三磷酸)模板數目一條DNA雙鏈引物引導不需要需要酶RNA聚合酶DNA聚合酶區域特定區域全部DNA校對活性缺乏有一、DNA轉錄得一般特點二、原核生物DNA轉錄1、原核生物RNA聚合酶5種亞基α2ββ’ωσ兩個α(與核心酶形成有關)β(NTP結合位點)β′(DNA模板結合位點)ω(DNA結合)σ(起始因子,識別模板上得信息鏈和啟動子,一旦轉錄開始就被釋放。)2、原核生物DNA轉錄得步驟

起始----延伸----終止起始:RNA聚合酶正確識別DNA模板上得啟動子并形成由酶、DNA和核苷三磷酸(NTP)構成得三元起始復合物。啟動子(promoter):就是指DNA分子上被RNA聚合酶識別并結合形成起始轉錄復合物得區域,她還包括一些調節蛋白因子得結合位點。啟動區域:Pribonow盒-10區域(TATAAT序列)Sextama盒-35區域(TTGACA)核苷三磷酸:一般為GTP,少數為ATP第一個核苷三磷酸與第二個核苷三磷酸縮合生成3′-5′磷酸二酯鍵后,啟動階段結束,進入延伸階段。

延伸:σ亞基脫離酶分子,留下得核心酶與DNA得結合變松,因而較容易繼續往前移動。DNA雙鏈順次被打開,并接受新來得堿基配對,合成新得磷酸二酯鍵后,核心酶向前移去,已使用過得模板重新關閉起來,恢復原來得雙鏈結構。原核RNA合成得速度:25～50nt/s終止:包括停止延伸及釋放RNA聚合酶和合成得RNA。在原核生物基因末端通常有一段終止序列即終止子,RNA合成就在這里終止。不依賴于終止因子ρ得終止體外實驗中,只有核心酶和終止子就足以使轉錄終止。依賴于終止因子ρ得終止ρ因子存在時,核心酶終止轉錄兩者有共同得結構特征(序列差異)不依賴于終止因子ρ得終止子形成一個發夾結構,可阻止轉錄得終止。莖(7~20bp,富含G/C)+環發夾結構末端:6~8個連續得U串依賴于ρ因子得終止子發夾結構中得G／C對含量較少,發夾結構末端沒有固定特征,靠與ρ得共同作用而實現終止。三、真核生物DNA得轉錄及轉錄后RNA得加工

真核生物與原核生物DNA轉錄得區別真核生物原核生物轉錄翻譯位置轉錄:細胞核翻譯:細胞質核區一條mRNA編碼一個基因編碼多個基因RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ一種轉錄起始復雜簡單轉錄因子協助需要不需要轉錄后加工需要不需要(邊轉錄邊翻譯)真核生物RNA聚合酶Ⅱ啟動子結構TATA盒上游調控區:CAAT盒、GC盒(-90附近,GGGCGG)遠端調控區:增強子增強子:存在于基因組中得對基因表達有調控作用得DNA調控元件。位置不定,結合轉錄因子后,可增強基因表達。

真核生物得RNA聚