生物专业英语第五章基因的化学本质课件

UnitFiveDiscoveringtheChemicalNatureoftheGene基因化学本质的发现Warming–upWordsandphrasesTextAnalysisContentsWarming–up1.StructuresandpropertiesofDNA2.DiscoveryofDNA3.DNAReplication:AnOverviewSemi-conservativemechanismSemi-discontinousreplicationOkazakifragment1.ChromosomeandDNA

DNAisaDoubleHelixDNAsequence1、多聚核苷酸链主链是核糖和磷酸侧链为碱基腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)由3’,5’磷酸二酯键连接2、链的方向：同一个磷酸基的3’酯键到5’酯键的方向

(5’→3’)

默认书写顺序5’→3’5‘-3’123452.DNA分子双螺旋结构的发现历程

核酸的早期研究1868年，瑞士科学家米歇尔（Miescher）由脓细胞分离得到细胞核，并从中提取出一种富含磷和氮的物质，并由其导师赛勒（F.Hoppe-Seyler）证实，称为“核素”,后来人们发现它呈酸性，因此改叫“核酸”。20世纪初，德国科赛尔和他的学生琼斯和列文的研究，确定核酸的基本化学结构，它是由许多核苷酸组成的大分子。核苷酸是由碱基、核糖和磷酸构成的。碱基4种（腺瞟吟A、鸟嘌吟G、胸腺嘧啶T、胞嘧啶C），核糖有两种（核糖、脱氧核糖），因此核酸分为核糖核酸（RNA）、脱氧核糖核酸（DNA）DNA是遗传物质1928年，格里菲斯的肺炎双球菌实验核酸是“转化因子”20世纪50年代初期，美国科学家艾弗里和赫尔希及其学生蔡斯，通过实验已经证明DNA是生物体的遗传物质查加夫（chargaff）碱基比定律1952年查加夫应用纸层析及紫外分光光度计对各种生物DNA的碱基组成进行了定量测定所有DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔含量相等，即A=T；鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔含量相等，即G=C。因此，嘌呤的总含量与嘧啶的总含量相等，即A+G=C+T。生物化学学派鲍林--最早认定DNA分子具有与氨基酸链类似的螺旋结构的科学家，而且研究的环境最优越1950年，利用X射线技术研究蛋白质结构，提出蛋白质是长链分子，并发现了α螺旋结构。1952年12月，鲍林宣布建立了DNA分子的结构模型。但他错误地认为DNA分子是由三股螺旋组成的，这使他误入歧途，致使研究最终以失败告终。结构学派富兰克林--最早认定DNA具有双螺旋结构，1952年，通过X射线衍射拍摄到一张举世闻名的B型DNA的X射线衍射照片，由此推算DNA分子呈螺旋状.威尔金斯--计算出DNA分子螺旋的直径与长度。他们二人还对DNA分子的结构作出了确切而关键性的描述：磷酸根在螺旋的外侧，碱基在螺旋内侧.然而，他们却未能及时地将分析资料转变为一个合理的结构模型.1953年2月20日，沃森灵光一现，放弃了碱基同配方案，沃森和克里克立即行动，马上在实验室中联手开始搭建DNA双螺旋模型。采用碱基互补配对方案，3月18日终于成功地建立了DNA分子双螺旋结构模型。因此，沃森和克里克获得了1962年诺贝尔生理学或医学奖。1953.Watsosn&Crick

1916-1928-1916-

UniversityofLondon

London,GreatBritainHarvardUniversity

Cambridge,MA,USAinstituteofMolecularBiologyCambridge,GreatBritainGreatBritainUSAGreatBritainMauriceHughFrederickWilkins(46y)JamesDeweyWatson(34y

)FrancisHarryComptonCrick(46y)"fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial"TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962RosalindFranklin(1920-1958)诺贝尔史上的遗憾，永远的英伦玫瑰Franklin的贡献是毋庸置疑的：分辨出了DNA的两种构型成功拍摄DNA的X射线衍射照片Watson在1968年出版的《双螺旋》一书中坦承，“Franklin没有直接给我们她的数据”。而Crick在很多年后也承认，“她离真相只有两步”。目前，科技界对Franklin的工作给予较高评价，对Wilkins是否有资格分享发现DNA双螺旋结构的殊荣存在很大争论。1953.Watsosn&Crick

Right-handedB-DNADoublehelixModel

这个模型得到科学家们的公认，并用以解释复制、转录等重要的生命过程。经深入研究，发现因湿度和碱基序列等条件不同，DNA双螺旋可有多种类型，主要分成A、B和Z3大类。

ABZ大沟宽小沟窄小沟窄大沟变深小沟宽深大沟不存在小沟窄而深A-DNA、B-DNA和Z-DNA存在结构差异ThedoublehelixmodelforDNAbyWatsonandCrick3.DNAReplication:AnOverviewSemi-conservativemechanismSemi-discontinousreplicationOkazakifragment

半不连续复制

(Semi-discontinousreplication)

指DNA复制时，前导链上DNA的合成是连续的，后随链上是不连续的，故称为半不连续复制。前导链（Theleadingstrand）：DNA复制时，以3‘→5‘走向为模板的一条链合成方向为5‘→3‘，与复制叉方向一致滞后链(theLaggingstrand)：另一条以5‘→3‘走向为模板链的合成链走向与复制叉移动的方向相反，其合成是不连续的，先形成许多不连续的片断（冈崎片断），最后连成一条完整的DNA链。Replicationforkn.复制叉ApointatwhichthetwostrandsofaDNAdoublehelixareunwoundandseparatedduringreplication.是DNA复制时在DNA链上通过解旋、解链和SSB蛋白的结合等过程形成的Y字型结构称为复制叉。在复制叉处作为模板的双链DNA解旋，同时合成新的DNA链Okazakifragment['ɔ:kɑ:'zɑ:ki:]['frægmənt]n.冈崎片段AshortsequenceofDNAthatistheprimaryproductofDNApolymeraseduringDNAreplication.adeninen.腺嘌呤['ædəni:n]Apurine(嘌呤)basethatisanessentialconstituentofthenucleicacidsandalsoofsuchcoenzymesasNADandFAD.WordsandphrasesNAD+:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸

FAD:黄素腺嘌呤二核苷酸

2.cytosinen.胞嘧啶['saitəsi:n]Asingle-ringnitrogenousbasemoleculeinDNAandRNA.Itiscomplementarytoguanine（鸟嘌呤）.Adouble-ringnitrogenousbasemoleculeinDNAandRNA.Itisthecomplementarybaseofcytosine.3.guaninen.鸟嘌呤['gwɑ:ni:n]4.thyminen.胸腺嘧啶Asingle-ringnitrogenousbasemoleculeofDNAbutnotRNA.Itiscomplementarytoadenine.['θaimi:n]嘧啶胞嘧啶C尿嘧啶U胸腺嘧啶T嘌呤

腺嘌呤AdenineA

鸟嘌呤guanineG碱基配对5.DNApolymerasen.DNA聚合酶AnenzymethatbringsnewDNAtriphosphatenucleotides（核苷三磷酸）

intopositionforbondingonanotherDNAmolecule.['pɔlimə,reis]DNApolymeraseThumbFingersPalm6.Doublehelixn.双螺旋Thethree-dimensionalstructureofdouble-strandedDNA.['hi:liks]

dimensional[di'menʃənəl]

尺寸的，维的7.nucleosiden.核苷Apurine（嘌呤）orpyrimidine（嘧啶）baseattachedtoribose（核糖）ordeoxyribose（脱氧核糖）.['nju:kliəsaid]ribose['raibəus]

核糖核酸nucleicacid核苷酸nucleotide核苷nucleoside磷酸phosphate嘌呤碱purinebase或嘧啶碱pyrimidinebase（碱基base）核糖ribose或脱氧核糖deoxyribose（戊糖amylsugar）核酸广泛存在于所有动物、植物细胞、微生物内、生物体内核酸常与蛋白质结合形成核蛋白。不同的核酸，其化学组成、核苷酸排列顺序等不同。根据化学组成不同，核酸可分为核糖核酸，简称RNA和脱氧核糖核酸，简称DNA。DNA是储存、复制和传递遗传信息的主要物质基础，RNA在蛋白质合成过程中起着重要作用，其中转移核糖核酸，简称tRNA，起着携带和转移活化氨基酸的作用；信使核糖核酸，简称mRNA，是合成蛋白质的模板；核糖体的核糖核酸，简称rRNA，是细胞合成蛋白质的主要场所。☉Nucleoside核苷糖苷键Glycosidicbond嘧啶的1位N原子、嘌呤的9位N原子1’9☉Nucleotide核苷酸Deoxynucleotide其中α和β、β和γ之间是高能磷酸键αβγOkazakifragment['ɔ:kɑ:'zɑ:ki:]['frægmənt]n.冈崎片段AshortsequenceofDNAthatistheprimaryproductofDNApolymeraseduringDNAreplication.9.one-gene-one-enzymehypothesisn.一基因一酶假说Thehypothesisthatalargeclassofgeneexistinwhicheachgenecontrolsthesynthesisoractivityofbutasingleenzyme.TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine19581941年，Beadle和Tatum以面包霉（粗糙脉孢霉）用X射线诱变产生营养缺陷型，然后再进行生化途径分析，逐一证明哪种突变型是由哪一种酶的缺陷造成的。例如，有一个突变体不能合成色氨酸是由于它不能产生色氨酸合成酶。于是，研究者于1940年提出了“一个基因一种酶”的假说（onegene-oneenzymehypothesis）。认为基因对性状的控制是通过基因控制酶的合成来实现的。

10.one-gene-one-polypeptidehypothesisn.一基因一多肽假说Thehypothesisthatalargeclassofgeneexistinwhicheachgenecontrolsthesynthesisoractivityofasinglepolypeptide.是在一个基因一个酶的假说基础上发展而来的假说，即认为一个基因决定着一条相应的多肽链的结构。

11.purinen.嘌呤['pjuəri:n]Oneofagroupofnitrogenousbaseswhoseparentcompoundhastheformulashown.[,pai'rimidi:n]

12.pyrimidinen.嘧啶Aheterocyclicorganiccompound,C4N4N2,thefundamentalformofpyrimidinebases.Someofthesebasesareconstituentsofnucleicacid.

13.Replicationforkn.复制叉ApointatwhichthetwostrandsofaDNAdoublehelixareunwoundandseparatedduringreplication.14.Semiconservativereplicationn.半保留复制ThemethodofreplicationofDNAinwhichthemoleculedivideslongitudinally,eachhalfbeingconservedandactingasatemplatefortheformationofanewstrand.15.X-raydiffractionn.X射线衍射[di'frækʃən]（RosalindFranklin,1920-1958）

当X射线照射到生物大分子的晶体时，晶格中的原子或分子会使射线发生偏转，根据得到的衍射图象，可以推测分子大致的结构和形状。WordsandPhrases:adeninen.腺嘌呤2.cytosinen.胞嘧啶3.DNApolymerasen.DNA聚合酶4.Doublehelixn.双螺旋5.guaninen.鸟嘌呤6.nucleosiden.核苷7.Okazakifragmentn.冈崎片段8.one-gene-one-enzymehypothesisn.一基因一酶假说9.one-gene-one-polypeptidehypothesisn.一基因一多肽假说10.purinen.嘌呤11.pyrimidinen.嘧啶12.Replicationforkn.复制叉13.Semiconservativereplicationn.半保留复制14.thyminen.胸腺嘧啶15.X-raydiffractionn.X射线衍射TextanalysisGenescodeforparticularproteinsThesearchforthechemistryandmolecularstructureofnucleicacidsTheresearchraceforthemolecularstructureofDNAHowDNAreplicates1.GenescodeforparticularproteinsThefirstscientiststoinvestigatethequestionofhowgenesaffectphenotypewasSirArchibaldGarod,whosestudiesofalkaptonuriaimplied

arelationshipbetweengenesandenzymes.ArchibaldGarrod是第一个研究基因是如何影响表型的科学家，他对尿黑酸症的研究揭示了基因与酶之间的关系。

Alkaptonuria(尿黑酸尿症

)

是酪氨酸代谢中缺乏尿黑酸酶引起的代谢遗传病。这种病人的尿中含有尿黑酸，在碱性条件下暴露于氧气中，氧化并聚合为类似于黑色素的物质，从而使尿成黑色。

ThirtyyearslaterBeadleandEphrussishowedarelationshipbetweenparticulargenesandbiosyntheticreactionsresponsibleforeyecolorinfruitflies.Biosyntheticadj.生物合成的三十年后，Beadle和Ephrussi在对果蝇眼睛颜色的研究发现特殊基因与相关反应的生物合成有关。Next,inaseriesofclassicexperimentsontheeffectsofmutationsinthebreadmoldNeurosporacrassa,BeadleandTatumexploredtheone-gene-one-enzymehypothesis-theideathateachgenecodesforaparticularenzyme.breadmold：面包霉菌接着，通过对面包霉粗糙脉孢菌的一系列经典的突变试验，Beadle和Tatum得出一个基因一个酶的假说，即每一个基因编码一个特定的酶。Theirworkpavedthewayforotherresearcherstoelucidatetheprecisewaysinwhichenzymesaffectcomplexmetabolicpathways.elucidate[i'lju:sideit].v.阐明,说明metabolic[,metə'bɔlik]a.新陈代谢的

他们的工作为其他工作者铺平了道路，即精确地阐明了酶影响了复杂的新陈代谢途径。

In1949,inresearchontheroleofhemoglobininsicklecellanemia,LinusPaulinghelpedrefinetheone-gene-one-enzymehypothesisintotheone-gene-one-polypeptidehypothesis.hemoglobin[,hi:məu'gləubin].n.血红蛋白anemia[ə'ni:miə]n.贫血,贫血症在1949年，通过研究血红蛋白对镰刀状细胞贫血症的影响，LinusPauling将一个基因一个酶的假说进一步上升为一个基因一个多肽。决定血红蛋白的基因中一个核酸发生变化，导致血红蛋白的一个氨基酸发生改变，使红细胞变成镰刀状，携带氧气能力降低，因而出现贫血症状。

Nucleicacid,originallyisolatedbyJohannMiescherin1871,wasidentifiedasaprimeconstituentofchromosomesthroughtheuseofthered-stainingmethoddevelopedbyFeulgenintheearly1900s.2.Thesearchforthechemistryandmolecularstructureofnucleicacids1871年，核酸最初由JohannMiescher分离成功。二十世纪最初的十年，Feulgen经染色法证实核酸是染色体基本的组成部分。

1924年孚尔根首先用希夫试剂(Schiff)作试验，鉴定了染色体上DNA的存在，故称为孚尔根染色法。

孚尔根染色法的反应原理标本经稀盐酸水解后，DNA分子中的嘌呤碱基被解离，从而在核糖的一端出现了醛基。Schiff试剂中的无色品红可与醛基反应，形成含有醌基的化合物分子,呈现出紫红色。从而显示出DNA的分布。FrederickGriffith’sexperimentswiththeRandSstrainsofpheumococcishowedthatanasyetunknownmaterialfromonesetofbacteriacouldalterthephysicaltraitsofasecondset.pneumococcus[,nju:mə'kɔkəs].n.肺炎球菌FrederickGriffith对粗糙和光滑型的肺炎球菌实验表明，来自一种细菌的未知物质可以改变另一种细菌的体征。Inthe1940stheteamofAvery,Macleod,andMcCartyshowedthatthisunknownmaterialwasDNA.在20世纪四十年代，Avery、Macleod和McCarty的研究小组确认该未知物质为DNA。肺炎球菌的转化实验AtaboutthesametimeP.A.LevenediscoveredthatDNAcontainedfournitrogenousbases,eachofwhichwasattachedtoasugarmoleculeandaphosphategroup-acombinationLevenetermedanucleotide.几乎与此同时，Levene发现DNA由四个碱基组成，每个碱基分别与一个糖分子、一个磷酸分子相连，他将这种结构叫做核苷酸。DisagreementoverwhetherDNAcouldcarrycomplexgeneticinformationwasendedintheearly1950sbyMarthaChaseandAlfredHershey,whoseworkwithE.colishowedclearlythatDNA,andnotprotein,isthebearerofgeneticinformation.关于DNA是否能携带复杂的遗传信息这一问题一直存在着争议，直到20世纪50年代早期Chase和Hershey通过对大肠杆菌的实验发现，遗传信息的携带者是DNA，而非蛋白质。EachDNAnucleotidecontainsafive-carbonsugar,deoxyribose,attachedtooneoffourbases:adenine,guanine,cytosine,orthymine.Adenineandguaninemoleculesaredouble-ringstructurescalledpurines,whilecytosineandthyminearesingle-ringstructurescalledpyrimidines.每个核苷酸都含有一个五碳脱氧核糖，与腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶这4种碱基中的一种相连。腺嘌呤和鸟嘌呤都是双环结构，统称嘌呤；胞嘧啶和胸腺嘧啶都是单环结构，统称嘧啶。Themoleculemadeupofabaseplusasugaristermedanucleoside.IneachmoleculeofDNAaphosphategrouplinksthefive-carbonsugarofonenucleosidetothefive-carbonsugarofthenextnucleosideinthechain.Thisphosphatebondingcreatesasugar-phosphatebackbone.碱基连接糖形成核苷分子。在每个DNA分子中一个磷酸基团连接着相邻的两个五碳糖环，磷酸键形成糖－磷酸骨架。

Chargaff’srulesdescribethefactthat(1)theamountofadenineisequaltotheamountofthymineinDNA,withamountofcytosineequaltothatofguanine,and(2)theratiosofAtoTandofCtoGvarywithdifferentspecies..Chargaff法则叙述的是：腺嘌呤与胸腺嘧啶含量相等，胞嘧啶与鸟嘌呤含量相等，且在不同物种中四种核苷酸的比率不同。

Inthelate1940sandearly1950s,researcherslookingforthestructureofDNAdrewuponChargaff’sinsight,Levene’sideasonDNAcomponents,andtwootherlinesofevidence.3.ThesearchraceforthemolecularstructureofDNA20世纪40年代末50年代初，研究者在寻求DNA结构的过程中，借鉴了Chargaff的观点、Levene的DNA组成理论以及其他两个线索。

OnewasthesuggestionofLinusPaulingthatDNAmighthaveahelicalstructureheldinplacebyhydrogenbonds,andtheotherwasX-raydiffractionphotosofDNA,showingahelicalstructurewithdistancebetweenthecoils,takenbyFranklinandWilkins.一个是LinusPauling的假设，即DNA可能具有螺旋结构，通过氢键连接；另一个是Franklin和Wilkins提供的X-衍射图片，通过线圈之间的距离显示出DNA的螺旋结构。

BasedonthisinformationWatsonandCrickproposedthedoublehelixmodelofDNA-atwistedladder-likemoleculewithtwooutersugarphosphatechainsandrungsformedbynucleotidepairs.基于这些信息，Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构模型，DNA以弯曲分梯状分子形式存在。糖－磷酸链位于双螺旋的外侧，成对的核苷酸呈阶梯状排列。Pairednucleotide,whichalwaysoccurasA-TorG-C,arelinkedbyhydrogenbonds.WatsonandCrickalsoproposedthatgeneticinformationisencodedbythesequenceofbasepairsalongtheDNAmolecule.成对的核苷酸通过A-T/G-C形式的氢键相连，同时，Watson和Crick提出遗传信息就贮藏DNA分子的碱基对序列中。IntheirmodelofDNAstructureandfunction,WatsonandCrickhypothesizedthatDNAreplicatesitselfby“unzipping”alongthehydrogenbondsjoiningAtoTandCtoG.4.HowDNAreplicates根据对DNA的结构和功能的模型分析中，Watson和Crick猜测DNA将A-T/G-C之间的氢键以解拉链的方式“解开”来进行自我复制。Thisprocesswouldproducetwooppositehalvesthatcouldthenserveastemplatesfortheconstructionofnew,complementarystrands.自我复制过程将产生两个反向的二分体作为生成新的互补链的模板。

Thismodelofsemiconservativereplication-conservativebecauseeachnewmoleculehasonehalfoftheformerparentmolecule-waslaterconfirmedbytheworkofMeselsonandStahl.这种半保留复制模型指的是每个新合成的子代分子拥有亲代分子的一半。这一假说最终由Meselson和Stahl加以验证。InE.coliDNAreplicationbeginswiththeformationofabubblelikestructureonthecircularchromosomethatisproducedbyreplicationforks.大肠杆菌DNA复制起始于环形染色体上泡状结构的形成，这一泡状结构由复制叉产生。Whenarepliconiscircular,thepresenceofDNAreplicationformstheθ-structure.ThesuccessivestagesofreplicationofthecircularDNAarevisualizedbyelectronmicroscopyasshown.ReplicationbubblesProkaryoticgenome:StudiesofbacterialDNAreplicationhaveshownthatagrowingDNAchainlengthensonlyinthe5’to3’direction(fromthe5’carbonofonesugartothe3’carbonofthenext).关于细菌的DNA复制研究表明，DNA链只能沿5′3′方向生长，即相邻糖环的

5′C端到3′C端。Theleadingstrandissynthesizedcontinuously,whilethelaggingstrandissynthesizedinshortstretchesknownasOkazakifragments.前导链连续生成，后随链由短的冈崎片段组成，Semidiscontinuousreplicationismadeinwhichonenewstrandissynthesizedcontinuouslywhiletheotherissynthesizeddiscontinuously.

Theleadingstrandissynthesizedcontinuouslywhilethelaggingstrandissynthesizeddiscontinuously.

TheenzymeDNApolymeraselinksfreenucleotidesastheylineuponthetemplateformedbytheoriginalstrandoftheparentmolecule.DNA聚合酶沿亲代分子中的一条模板链滑动，催化自由的核苷酸彼此相连。

IneukaryotesDNAreplicationfollowsthesamegeneralprinciplesasinprokaryotes.OnthelongDNAmoleculesreplicationproceeds(intwodirectionsatonce)fromhundredsorthousandsofpointsoforigin.真