第五章遗传物质的分子基础

第五章遗传的分子基础一、染色体组成二、作为遗传物质必须具备的条件

三、DNA是遗传物质的间接证据四、DNA是遗传物质的直接证

1.细菌转化试验

2.噬菌体侵染与繁殖试验

3.烟草花叶病毒拆合实验第一节DNA作为主要遗传物质的证据一、染色体组成

DNA（1）非组蛋白（1）染色体Pr（1.5~2.5）

RNA（0.05）组蛋白（0.5~1.5）二、作为遗传物质必须具备的条件1.普遍性2.具有世代延续性3.具有相对稳定性和可塑性4.具有多样性

能贮存大量的遗传信息，并能正确表达；能自我复制，并能代代相传；结构必须相对稳定；细胞分裂时能均匀分配。●DNA含量的恒定性：

●DNA代谢的稳定性；●存在的普遍性；●基因突变与紫外线诱变波长的关系。三、DNA作为遗传物质的间接证据（一）肺炎球菌转化试验四、DNA是遗传物质的直接证据1.细菌转化试验②Avery

的实验

SⅢ型活菌抽提分离

Pr、DNA、荚膜SⅢ型细菌有活性的Pr

注射小鼠生

RⅡ型活菌荚膜注射小鼠生SⅢ型细菌有活性的DNA+DNase注射小鼠生

RⅡ型活菌

SⅢ型细菌有活性的DNA注射小鼠死此物质不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酶（Rnase）的影响，而只能为DNA酶所破坏，首次证明了遗传物质是DNA。背景知识——噬菌体侵染与繁殖基本过程T2噬菌体浸染大肠杆菌后，遗传物质进入细菌细胞；利用大肠杆菌的遗传复制系统复制噬菌体遗传物质；利用大肠杆菌的遗传信息表达系统合成噬菌体组件；最后组装形成完整的T2噬菌体。因此只要弄清侵染时进入细菌的是噬菌体的哪一部分，就可能证明哪种物质是遗传信息的载体。

另外：

P是DNA的组成部分，但不存在于蛋白质中；

S存在于蛋白质中，但DNA中没有。2.噬菌体侵染与繁殖结果与结论试验结果表明：主要是由于DNA进入细胞内才产生完整的噬菌体；结论：DNA才是(噬菌体的)遗传物质。题外话：与Avery等人研究比较，本试验的精度低得多。但是由于放射性标记法(也称为示踪原子法)，当时为人们普遍采用；同时由于核酸研究及其它相关的成果，本试验结果很快得到人们的广泛认同。

（2）重组TMV的感染RNA决定：a.TMV的毒性b.子代TMV的RNA和蛋白质第二节核酸的结构与复制1、核酸的分子组成；2、DNA的分子结构；3、RNA的分子结构；4、两种核酸的区别；5、DNA的复制。一、核酸的分子组成及其分布核酸(nucleicacid,NA)：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、核糖磷酸环状的含氮碱基

鸟嘌呤、腺嘌呤胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶DNA分子结构和表示方法二、DNA的分子结构DNA双螺旋结构：

1953年，Watson和Crick

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。Watson和Crick模型的要点：

①

DNA分子由两条多核苷酸链构成。这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，很象一条扭曲起来的梯子。

②两条多核苷酸链反向平行（antiparallel），即一条链磷酸二脂键为5’-3’方向，另一条链为3’－5’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（hydrogenbond）与它互补的碱基相联系，相互层迭宛如一级一级的梯子横档。互补碱基对A和T之间形成两个氢键，而C和G之间形成三个氢键。上下碱基对之间的距离为0.34nm。④

每个螺旋为3.4nm长，刚好含有10个碱基对，其直径约为2nm。⑤

在双螺旋分子的表面大沟（majorgroove）和小沟（minorgroove）交替出现。

6.不同物种中的DNA的碱基含量不同：①．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；②．在特殊条件下，碱基顺序改变，出现遗传变异。双螺旋模型的结构要点不同物种中DNA的碱基含量物种

鸟嘌呤（G）

腺嘌呤（A）

胞嘧啶（C）

胸腺嘧啶（T）

A+G/T+CG+C/A+T

人

19.930.919.829.41.030.66小麦

23.823.824.626.00.970.94洋葱

18.431.818.231.31.010.58菜豆

20.629.720.129.61.010.69酵母

48.331.717.432.61.000.56大肠杆菌

26.024.725.723.61.021.07T2噬菌体

18.232.516.832.51.020.54设某一段DNA分子链有100对碱基,则有4100种不同排列组合，就可能有4100种不同性质的基因。DNA结构的变异构型B-DNA：生理状态下，每螺圈10.4个碱基对，右手螺旋；A-DNA：高盐浓度下，每螺圈11个碱基对，右手螺旋；Z-DNA：序列富含GC，嘌呤和嘧啶交替出现，每螺圈12个碱基对，左手螺旋。碱基排列顺序的多样性DNA分子是由A-T和C-G两种bp连接起来的，每个DNA分子一般有成千上万个bp在每一个位置上只有4种可能：A、T、C、G

假设DNA分子长1000bp，就可能有41000种不同的排列形式，41000种不同的分子结构反映出来的就可能是41000种不同性质的基因。

生物体的碱基顺序是稳定的对特定的生物体来说，DNA分子中的碱基顺序通常是保持不变，这样才能保持该遗传特性的稳定只有在特殊的条件下，改变其碱基顺序或用碱基类似物代替某一碱基时，才出现可遗传的变异（突变）RNA的分子结构从化学组成上看，RNA的分子也是由四种核苷酸组成的多聚体。它与DNA的不同在于：首先，在RNA中没有胸腺嘧啶(T),只有尿嘧啶(U),也就是说U代替了T。其次，核糖代替了脱氧核糖。

此外，还有一个重要的不同点，就是绝大部分RNA以单链形式存在，而不是象DNA那样始终是以双链形式存在的。但是单链RNA可以自身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。但有少数以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。RNA结构●

D.S.DNAS.S.DNA

(加温,极端pH,尿素,酰胺)

DNA分子变性(DNAdenaturation)

●

DNA变性：天然的有规则的双链DNA分子，在被加热或某些试剂的作用下，氢键和碱基间堆积力受到破坏，

逐步变为单链线型状态的过程，又称熔解。☆变性过程的表现：S.S.DNA粘度降低DNA热变性过程

电子显微镜下的DNA分子的部分变性

变性过程的表现☆S.S.DNA

沉降速度加快☆S.S.DNA分子的A260nmUV

值上升☆增色效应

(Hyperchromicity)

：

指由DNA变性而引起的光吸收值的增加。●影响Tm值的因素

1、DNA分子的碱基组成☆GC%含量相同的情况下GC%愈高→Tm值愈大，GC%愈低→Tm值愈小

AT形成变性核心，变性加快，Tm值小

熔解温度（Tm）：50％的DNA双螺旋结构被破坏的温度，一般在85－95℃。

D.SDNAS.SDNADenaturation▲▼Renaturation

复性过程依赖于单链分子间的随机碰撞

(DependsonthecollisionofcomplementaryS.S.DNA)

DNA分子的复性

(annealorrenaturation)DNA复性：变性的单链DNA在一定的条件下又恢复为原天然双链DNA的过程，也叫退火。DNA的分子杂交（hybridization）DNA的分子杂交：不同来源的DNA变性后，混合一起，含有碱基互补配对的序列，在一定条件下退火形成杂合双链结构的过程。杂交方法：Southern

杂交、Northern

杂交作用：基因鉴定鉴别识别亲缘关系远近第三节DNA复制

DNAreplication

Replication:指以原来的DNA分子为模板合成相同分子的过程，遗传信息通过亲代DNA分子的复制传递给子代。一、DNA复制的一般特点（一）半保留复制1DNA半保留复制方式其方法为：①．氢键逐步脱开，两链逐渐分开；②．以每一单链为模板，碱基互补，聚合对应核苷酸；③．聚合酶、连接酶等作用下，形成新的互补链；④．新链分别与原有核苷酸链形成了两个新的双螺旋DNA分子。

DNA的这种复制方式对保持生物遗传的稳定性是非常重要的。。（二）复制起点和复制方向复制起始点replicationorigin，ori

DNA分子的复制是在特定位置开始的，这个位点称为复制起始点。原核生物DNA只有一个复制起始点。真核生物DNA有多个复制起始点。复制子replicon一个复制起始点控制下复制的一段DNA。复制子是根据它含有复制所需的控制元件来定义的，在复制启动位点具起始点（origin)，在复制终止位点具终点（terminus)。起始点仅作用于所在复制子。

注：在每个细胞周期中，每个复制子发生一次复制，且只发生一次。原核生物DNA只有一个复制子。在唯一的起始点启动就会引起整个基因组复制；真核生物每条染色体上有多个复制子（一般40-100kb/个）。原核生物复制子复制眼：在一个长的未复制区域内DNA已经复制的区域Replicationeye复制起点和复制方向（2）真核生物﹡每条染色体的DNA复制都是多起点，多个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。真核生物DNA多复制起始点电镜图DNA复制

亲代双链DNA分子在DNA聚合酶的作用下,分别以各单链DNA分子为模板，聚合与自身碱基可以互补配对的游离的dNTP,合成出两条与亲代DNA分子完全相同的子代DNA分子的过程。复制子：又称复制单位或复制元。是DNA的一个复制单元。它包括DNA每条链的一个复制起点序列和一些终止序列。复制子是根据它含有复制所需的控制元件来定义的，起始点仅作用于所在复制子。

Origin

istheDNAsequencewherearepliconinitiatesitsreplication.TerminusistheDNAsequencewherearepliconusuallystopsitsreplication。复制体（Replisome）：是在细菌复制叉上装配的多蛋白结构，从事DNA的合成，它含有DNA聚合酶和其他的一些酶。

二、原核生物DNA的复制原核生物DNA复制所需要的酶：引物酶（primerase）DNA聚合酶（DNApolymerase）DNA连接酶（DNAligase）解旋酶（helicase）拓扑异构酶（topoisomerase）（一）有关DNA合成的酶特性聚合酶Ⅰ聚合酶Ⅱ聚合酶Ⅲ起始新链合成———５‘－３’核酸聚合酶+++３’－５‘核酸聚合酶———３’－５‘核酸外切酶+++５‘－３’核酸外切酶+——分子量1030090000167500每个细胞分子数400

15（一）有关DNA合成的酶（二）原核生物DNA复制的基本过程

DNA复制的起始

DNA合成链的延伸

DNA复制的终止1.1单链DNA的产生1.23`-OH引发末端的产生1.3复制复合体的形成1.DNA复制的起始1.1单链DNA的产生解旋酶(helicase):

使DNA的两条链分开，它通常利用ATP水解来提供必需的能量；单链结合蛋白（single-strandbindingprotein):单链DNA结合，阻止其再形成双链体状态φX174噬菌体的DNA在三种功能蛋白先后作用下分开成为单链：在复制起始点，噬菌体A蛋白使病毒（+）链产生缺口。Rep蛋白提供解旋酶活性，它使两链分离。SSB包绕单链形成稳定的单链形式。ThreeproteinsunwindφX174DNA拓扑异构酶（DNATopisomerase

）拓扑异构酶的种类分为Ⅰ型和Ⅱ型。原核拓扑构酶Ⅰ：作用是暂时切断一条DNA链，形成酶-DNA共价中间物而使超螺旋DNA松弛，然后再将切断的单链DNA连接起来。每次改变一个连环数。原核拓扑构酶Ⅰ作用机制：①酶与DNA结合使双链解旋；②使一条链切开，但酶与切口的两端结合阻止了螺旋的旋转；③酶使另一条链经过缺口，然后再将两断端连接起来；④酶从DNA上脱落，两条链复原，得到的DNA比原来少一个负超螺旋。拓扑异构酶Ⅱ

拓扑异构酶Ⅱ也称旋转酶。广泛存在于各种生物中。使正超螺旋转化为负超螺旋，每次改变两个连接数。ReplicationmachineryreplicationPositivesupercoilBreakDNATopoisomeraseIIpassDNAthroughthebreaknegativesupercoil1.23`-OH引发末端的产生起始需要解旋酶、单链结合蛋白和引发酶1.3复制复合体的形成2、DNA合成链的延伸2.1DNA的合成是半不连续的2.2连接酶将冈崎片段连接在一起2.3前导链和后随链的协调合成2.4DNA复制忠实性的控制

2.1DNA的合成是半不连续的

（semidiscontinuousreplication)DNA复制在合成先导链（leadingstrand)时是连续的；而在合成后随链(laggingstrand)时是先形成小片段（Okazakifragment

），随后再将它们连接而成大片段。因后随链是不连续合成的而先导链是连续合成的，所以我们称之为半不连续复制（semidiscontinuousreplication)。复制叉

replicationfork半不连续复制先导链随后链冈崎片断引物primer两条新链具有不同的特征ThetwonewDNAstrandshavedifferentfeaturesOkazakifragment2.2连接酶（Ligase)将Okazakifragment连接在一起2.3前导链(Leadingstrand))和后随链(laggingstrand)的协调合成2.4DNA聚合酶控制复制的忠实性DNA聚合酶造成的复制错误可分为两类：移码（frameshift):

指一个核苷酸的插入或缺失。替换（substitution):

指掺入错误核苷酸（不正确配对）Note:DNA聚合酶通常具有3`-5`核酸外切酶活性，可以切除错配碱基；通过校正机制，复制忠实性还可提高100倍。(10-3→10-8-10-10)

细菌的DNA聚合酶仔细检查延长链末端的碱基对，如果是错误的会予以切除。DNApolymeraseshaveexonucleaseactivity

修复会把含损伤碱基的一小段DNA替换掉3、DNA复制的终止

一般说来，链的终止不需要特定的信号，也不需要特殊的蛋白质来参与，到达终止位点后，DNA聚合酶离开DNA双链，终止发生。DNA合成包括：起始、延伸和终止三个阶段起始(initiation)：涉及一种蛋白质复合物，它识别复制起始点(origin)。在DNA合成之前，母链必须分开，并（短暂地）保持单链状态，然后在复制叉处起始子链的合成；延伸(elongation)：由另一个蛋白质复合体完成。只有当蛋白质复合体和DNA在复制处的特殊结构结合时，复制体(replisome)才存在，在复制体延DNA移动时，母链分开而子链合成；终止（termination)：在复制子末端，终止反应是必需的。终止后，加倍的染色体必须分开。RNA的复制有些病毒不含DNA，以RNA为遗传物质RNA在RNA聚合酶作用下先合成“－”链“－”链从“＋”链模板上释放出来“－”链作为模板再合成“＋”链

（三）真核生物DNA的复制

(DNAreplicationinEukaryote)

真核生物DNA的复制特点DNA合成只是发生在细胞周期的某个时期原核生物DNA的复制是单起点的，而真核生物染色体的复制则是多起点的.真核生物DNA合成所需的RNA引物及后随链上合成冈崎片段的长度比原核生物要短

.有两种不同的DNA聚合酶分别控制前导链和后随链的合成

染色体端粒的复制细胞周期的特定时期复制原核生物在整个细胞生长过程中都可以进行DNA复制真核生物DNA在S期复制

复制概况

a、多个复制元（multiplereplicon

），双向复制

b、复制元相对较小(13-900kb),

复制速度较慢,大约

500~5000bp/min

（3000bp/min）冈崎片段100～200

核苷酸c、复制终止通过复制叉的相遇而终止multiplereplicon

例；果蝇3500replicons平均40Kb

酵母500replicons

哺乳动物平均100Kb

真核生物的DNA聚合酶

α、β、δ、ε、γ五种

位置核内核内核内核内

线粒体

合成

与引发修复合成合成,修复复制功能酶结合

前导链

后随链3’－5’校NONOYesYesYes正活性

α

β

δ

ε

γ

5、真核生物染色体DNA末端补齐模式

(1)端粒DNA(Telomer)

TTGGGG(T2G4)序列高度重复的末端

5’TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGG3’(富含G链)

3’AACCCC

AACCCCAACCCC5’(富含C链)

端粒DNA的复制真核生物DNA是线性的线性DNA末端不能复制每复制一次DNA序列就要缩短一节！（2）端粒酶（

Telomerase）1985.CarolGreider&Blackburn,1986.Gottchling四膜虫端粒酶（telomerase）将T2G4

末端重复延伸游扑虫

Telomerase

=RNACAAAACCCC

链+

末端结合蛋白（TBP）端粒酶－－－逆转录酶a、核蛋白（ribonucleoproteinRNP）b、含约长150NT的RNA，其中含1～5拷贝的CxAy重复序列，是合成端粒T2G4的模板c、延长的3’-T2G4端（一段cDNA）作为5’-端DNA合成的模板（3）补齐过程

通过TG链的回折形成发夹结构（G·G氢键）－－－尺蠖模型

→→实现端粒酶位置的调整实验表明－－人体细胞通过监测失去的端粒的重复数而计数细胞分裂次数，当端粒长度下降到某一临界值时，细胞终止分裂－－－衰老、死亡“多莉”的衰老

研究端粒丢失的速率，预测人类的寿命

＞XXXYwhy?研究推测端粒酶与肿瘤的关系第四节RNA的转录及加工第五节遗传密码与蛋白质的翻译第六节基因的本质一、经典的基因概念1.孟德尔的遗传因子学说2.基因概念的确立

1909年丹麦学者W.L.Johannson提出了“基因”这一名词。3.摩尔根及“三位一体学说”二、现代的基因概念“一个基因一个酶”假说（onegeneoneenzymehypothesis）顺反子学说（theoryofcistron)◆Beadle,G.W.(1941)通过红色面包霉突变研究发现：基因是通过酶的作用控制性状表现，提出“一个基因一个酶”假说。基因

性状

酶

代谢反应GeorgeW.Beadle(1903–1989)wasanAmerican

scientistinthefieldofgenetics,andNobelPrizein1958inPhysiologyorMedicine

NobellaureatewhowithEdwardL.Tatum.1.野生型2.X射线或紫外线照射分生孢子3.照射过的分生孢子与野生型交配4.含有成熟子囊的子囊壳5.子囊孢子6.子囊孢子生活在完全培养基中7.基本培养基8.基本培养基添加