第六章、遗传的分子基础

第六章、遗传的分子基础

本章重点：DNA和RNA的化学组成与结构，DNA分子的复制、遗传信息的转录和翻译、遗传密码、中心法则。本章难点：蛋白质的生物合成、基因的结构。1一、DNA是遗传物质的证据（一）间接证据1.DNA含量的恒定性（每个物种不同组织的细胞不论其大小和功能如何，它们的DNA含量是恒定）；2.DNA代谢的稳定性（DNA在代谢上是比较稳定的）；3.DNA是所有生物染色体所共有的；4.基因突变与紫外线诱变波长的关系；用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，其最有效的波长为260nm，这与DNA所吸收的紫外线光谱是一致的，证明基因突变与DNA分子的变异密切相关。第一节

遗传物质的组成、结构和功能

2（二）DNA是遗传物质的直接证据

1．噬菌体侵染与繁殖试验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。Hershey和Chase分别用放射性同位系P32和S35标记，发现主要是由于DNA进入细胞内才产生完整的噬菌体，可见DNA才是(噬菌体的)遗传物质。32．烟草花叶病毒拆合试验烟草花叶病毒(TMV)是由RNA与蛋白质构成的管状微粒，中心是单链螺旋RNA、外部是蛋白质外壳。拆分感染试验：将TMV的RNA与蛋白质分离、提纯；分别接种烟叶，发现RNA能使烟叶致病，而蛋白质不能；用RNA酶处理RNA后接种烟叶也不能致病，表明RNA可能就是TMV的遗传物质。43．肺炎双球菌的转化

S型（光滑型）：多糖组成荚膜，分SI,SII,SIII，有毒性；R型（粗糙型）：无荚膜，分RI,RII,RIII，无毒性。加热杀死的SIII能使不致病的RII变成能致病的SIII，这种现象叫转化（transformation）；把SIII死菌中能转化RII的物质叫转化因子，分别用RNA酶、DNA酶和蛋白酶处理加热杀死的SIII的提取物，发现只有经DNA酶处理的才无转能力，证明转化因子是DNA。综上所述：到上世纪中期，多方面证据都直接或间接地表明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。5（三）DNA作为遗传物质的原因1．DNA的稳定性：同一物种DNA含量相同，体细胞为性细胞的两倍。2．DNA的特异性：不同物种DNA含量不同，且碱基成分也不同。3．DNA的多样性：碱基的比例及排列顺序多样，4n种排列方式。4．DNA的连续性：DNA能准确地自我复制。5．DNA的可变性：碱基排列顺序因外界因素的影响而部分改变（突变）。

6（一）核酸的基本化学组成1．核酸是由许多个单核苷酸聚合而成的多核苷酸链。核苷酸由碱基、戊糖和磷酸三部分构成。2.DNA和RNA所含戊糖的种类不同：DNA中戊糖为D-2-脱氧核糖，RNA所含的戊糖为D-核糖3.碱基:DNA含：A、T、C、G；RNA含：A、C、G、U。

二、DNA和RNA的化学组成78（三）DNA的结构

1．DNA的一级结构：指DNA分子中4种核苷酸的连接方式和排列顺序。(1)Chargaff法则Chargaff于1946-1950年根据纸层析、离子交换层析和紫外分光光度试验结果提出查伽夫定则：四种碱基的数量不是等量的；同一物种DNA碱基组成不变，而物种间则有很大不同；嘌呤碱基总量与嘧啶碱基的总量相等(A+G=T+C)，且腺嘌呤与胸腺嘧啶数相等“A”=“T”、鸟嘌呤与胞嘧啶数相等“G”=“C”。(2)核苷酸序列及其测定查伽夫定则表明：核酸并不是四核苷酸结构的简单重复，核酸的碱基序列信息可能具有重要意义。以后的研究表明：碱基序列正是核酸生物学功能的基础，是遗传信息的内在形式。核酸序列分析技术是最重要的分子遗传学研究技术，主要包括：Sanger双脱氧法和MaxamandGillbert化学法。基于化学法的DNA序列自动分析仪已成为常规实验设备。

910遗传信息载体：脱氧核糖核酸（DNA）双螺旋分子；长度单位：碱基对(bp)，千碱基对(Kb)，百万碱基对(Mb)。腺嘌呤A胞嘧啶C鸟嘌呤G胸腺嘧啶T5’端磷酸3’端羟基脱氧核糖核苷酸组成多聚核苷酸链，两条链互相盘绕形成双螺旋112．DNA的二级结构：指两条核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。（１）DNA双螺旋结构模型1953年美国青年生物学家WatsnJD和英国中年物理学家CrickFHG根据碱基互补配对规律和DNA的X射线衍射研究，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并为以后拍摄的电镜直观形象所证实，从而奠定了分子遗传学的基础。要点：DNA分子是由两条同轴反向互相缠绕的多核甘酸链组成的双螺旋结构；糖和磷酸排在外面构成骨架,两链相应的核甘酸的碱基互相配对由氢键连接排列在内侧；双螺旋直径为20Å，螺距为34Å,包含10对碱基。（２）意义：DNA双螺旋模型结构同时表明，DNA可以按碱基互补配对原则进行半保留复制，而在此之前对复制方式人们对一无所知；DNA核苷酸顺序规定该基因编码蛋白质的氨基酸顺序；DNA中的遗传信息就是碱基序列；并存在某种遗传密码，将核苷酸序列译成蛋白质氨基酸顺序。在其后的几十年中，科学家们沿着这两条途径前进，探明了DNA复制、遗传信息表达与中心法则等内容。12DNA双螺旋结构模型13（1）DNA双螺旋进一步扭曲盘旋所形成的特定空间结构。（2）超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式：a.正超螺旋，与右手螺旋方向一致，使双螺旋结构更加紧密。b.负超螺旋，作用相反。3.DNA的高级结构14（四）RNA的分子结构

1．RNA的一级结构：指RNA分子中4种核苷酸的连接方式和排列顺序。2.RNA的分类及其二级结构（1）mRNA:帽子结构和尾巴，5’端的7’-甲基鸟苷帽子；3’端的polyA尾巴。（2）rRNA：单链RNA自行盘绕形成局部双螺旋的多“茎”多“环”结构，螺旋部分称为“茎”或“臂”非螺旋部分称为“环”，在螺旋区，A与U配对，G与C配对。在原核生物中5SrRNA和16SrRNA分别构成大亚基和小亚基。（3）tRNA的二级结构：三叶草形状可分为：氨基酸接受区、反密码区、二氢尿嘧啶（DHU）区、假尿苷TΨC区和可变区。除氨基酸接受区外，其余每个区都含有一个突环和一个臂。3．tRNA的三级结构：倒“L”形，所有的tRNA折叠后形成大小相似及三维构象相似的三级结构，这有利于携带的氨基酸的tRNA进入核糖体的特定部位。在翻译过程中转运各种氨基酸至核糖体，按mRNA的密码顺序合成蛋白质的作用。15

tRNA的二级结构(三叶草形状)rRNA二级结构16tRNA的三级结构17第二节

遗传物质体内的复制

一、DNA在活体中的自我复制（一）DNA复制学说1．Watson复制假说(半保留复制)Watson等人根据DNA双螺旋结构模型，认为DNA分子的复制时，首先从它的一端断开成对碱基的氢键，因氢键较弱，常温下就可解开，无需酶的作用。以分开的每条单链为模板，在复杂酶系统(DNA聚合酶I、Ⅲ，连接酶等)作用下，各自合成新的互补链而恢复双螺旋结构，两个新的DNA分子与原来的完全一样。由于新的DNA分子保留了原来亲本DNA双链的一条单链，因此这种复制方式称为半保留复制。这已为1958年以来的大量试验所证实，这种复制方式对保持生物遗传的连续性和相对稳定性具有重要的意义。182．科恩伯格(KornberA,1967)假说

经过进一步研究发现，在复制中把相邻核苷酸连在一起的DNA聚合酶，只能按5’→3’端的方向发挥作用。这样，DNA只能使链之一严格按Watson假说连续合成，而另一条3’→5’方向的模板链上，就不能采用同样的方式。为了服这一矛盾，Kornber于1967年提出在3’→5’方向的模板链上，新链的合成是倒退着进行的，即在3’→5’方向的链上，仍按5’→3’端的方向一段一段地合成DNA单链小片段，把这些小片段为称冈崎片段(1000-2000个核苷酸长)，这些不相连的片段再由连接酶连起来，形成一条连续的单链，从而完成DNA的复制。193．冈崎复制假说

1968年冈崎等人根据相关研究认为在一个复制叉上的两条子链都是通过冈崎片段的连接由不连续成为连续的，也就是说这两条了链的复制都是从5’→3’端方向先合成许多不连续片段，然后再由连接酶连接而成的。1973年冈崎等人根据进一步的研究认为DNA的复制与RNA有关，在合成DNA片段之前，先由一种特殊类型的RNA聚合酶以DNA为模板，合成一小段约含几十个核苷酸的RNA，这一小段RNA起着“引物”的作用，被称为“引物RNA”。然后DNA聚合酶才开始起作用，按5’→3’端方向合成DNA片段。之后DNA聚合酶I将引物RNA除去，并弥补引物RNA的DNA片段，最后由DNA连接酶将其连成一条连续的DNA链。20（二）DNA复制的一般特点1、半保留复制：拆开的两条单链，以各自为模板，从细胞核内吸取与自己碱基互补的游离核苷酸，进行氢键结合，在酶系统的作用下，连接起来，各自形成一条新的互补链。2、复制起点和复制方向：DNA复制的起点(单起始点与多起始点)复制子、复制叉；复制的方向(单向与双向)(l)原核生物：多数只有一个复制起点。(2)真核生物：有多个起点。3、DNA复制过程：起始、延伸、终止。(1)DNA双螺旋的解链(解旋酶、拓扑异构酶)(2)DNA合成：形成复制叉。一条DNA链连续合成，一条链不连续(半不连续)：RNA引物、冈崎片断、前导链、后随链（后滞链）。(3)复制的终止。

21二、RNA在活体中的自我复制1、真核生物中的各种RNA的绝大部分是以染色体DNA为模板在核内合成的(转录)。2．原核生物中的很多RNA病毒能以自身的RNA为模板合成RNA。先以自己为模板合成一条互补单链；（模板链称“+”链，新复制的互补链称“—”链）；以“—”链作为模板，复制出一条与自己互补的“+”链；“+”链成为一条新的RNA。3．反转录复制：有些RNA病毒能以自身的RNA为模板，在反转录酶的作用下，反向合成DNA，再以这段病毒DNA为模板合成新的病毒RNA。22三、DNA的变性、复性与杂交

（1）DNA变性：指DNA双链的氢键断裂，变成单链的过程。可以引起核酸变性的因素很多，主要有热变性(90-100℃)、酸碱变性、化学试剂变性(尿素、甲酰胺、甲醛)。DNA变性后理化性质发生变化，如粘度增加、密度增加、增色效应(260nm吸收值升高)等。（2）解链温度(溶解温度,meltingtemperature,Tm)：DNA的变性特点是爆发式的，变性作用发生在一个很窄的温度范围内，通常把使DNA双链解开一半的温度称为该DNA的熔点或溶解温度(Tm)。Tm值一般在70-85℃之间，它的大小与DNA的均一性和GC的含量、介质的离子强度等有关。23（3）DNA复性：指变性的DNA在适当的条件下，两条彼此分开的链重新结合成为双螺旋结构的过程。变性的DNA在缓慢冷却时可以复性，一般DNA的片段越大，复性越慢；DNA浓度越大，复性越快。复性反应的速度可以用Cot来表示，Co为浓度，t为时间。（4）核酸分子杂交(hybridization)：指将不同来源的核酸放在一起，经变性后，让其复性，具有互补序列的异源DNA或RNA区段会结合，形成杂交的核酸双链分子，如DNA/DNA,DNA/RNA,RNA/RNA等。分子杂交的基本方法主要有Southern印迹法、Northern印迹法、斑点印迹杂交、原位杂交、液相杂交和Western印迹法(蛋白)。2425第三节

遗传信息的传递与遗传密码

一、中心法则及其发展1．中心法则(centraldogma)阐述生物世代、个体以及从遗传物质到性状的遗传信息流向，即遗传信息在遗传物质复制、性状表现过程中的信息流向。最初由Crick提出，并经过了多次修正。2．中心法则的发展：反转录（逆转录）、反转录酶合成cDNA、RNA的自我复制、DNA指导蛋白质合成。目前认为生物界遗传信息传递的中心法则为：

2627二、遗传密码（geneticcode）DNA分子是由四种核苷酸组成的多聚体，用A、T、C、G分别代表四种不同的碱基和密码符号，那么DNA分子中将仅含有四种密码符号。1．遗传信息：就是指DNA分子中四种碱基的排列顺序。一定的碱基排列顺序表达一定的遗传信息。2．遗传学密码最早的提出者：GeorgeGAMOW为俄裔理论物理学家，“隧道”理论和宇宙大爆炸理论的奠基者之一，他是“三联体”密码子的最早建议人。3．遗传密码：指决定氨基酸的mRNA上的碱基排列组合，是联系核酸的碱基序列和蛋白质的氨基酸序列的途径。不同的碱基排列组合表示不同的遗传密码，决定不同的氨基酸。由三个碱基代表一种氨基酸，称为密码子（codon）或三联体密码。从1961年开始，经过大量试验，利用64个三联体密码分别找出了与它们对应的氨基酸。1966-1967年全部完成了这套遗传密码的字典。2829（1）简并性：3个碱基可以组合成64种密码子，生物体内只有20种氨基酸，出现同义密码子；我们把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现象。a.除trp（UGG）、met（AUG）只有一个三联体密码外，其余的都有两个以上，其中丝氨酸、亮氨酸多达6个三联体密码。b.简并现象对生物遗传的稳定性具有重要和意义：同义密码越多遗传稳定性越高，突变成不同的密切翻译成相同氨基酸的可能性越大。（2）普遍性与特殊性a.整个生物界，从病毒到人类，遗传密码都是通用的，这就从分子水平上说明了生命本质的共同本质和起源。b.AUGGUG兼有合成起始的作用（起始密码）；UAA、UAG、UGA表示蛋白质合成的终止信号（终止密码，无义密码）。c.有些生物的线粒体tRNA解读时，个别密码子有不同的翻译方式。d.不同生物在翻译时对简并密码具有不同的偏好性。（3）无逗号、不重叠4．反密码子：tRNA上携带的遗传密码是与mRNA上的密码互补的，这个与遗传密码互补的密码被称为反密码子。密码子与反密码子间的正确识别是遗传信息准确传递的保障。3．遗传密码的性质30第四节

蛋白质的生物合成

一、遗传信息的转录与RNA的加工1、转录（1）定义：是以DNA为模板，在RNA聚合酶的作用下合成RNA的过程。（2）转录的过程可分为：转录起始、RNA链的延伸、RNA链的合成终止及释放。（3）参与转录的RNA聚合酶：A、原核生物RNA聚合酶全酶（α、β、β’、σ),其中σ无催化作用，识别启动子，参与转录的起始；核心酶（不包括σ）。功能：选择模板链，识别起始区的启动子；解开DNA部分双螺旋链，产生长约17bp的单链DNA模板；选择正确的rNTP底物并催化形成磷酸二酯键，使合成的RNA链不断延伸；能识别转录终止信号（terminationsignal），停止转录。31B、真核生物RNA聚合酶RNA聚合酶I：位于核仁中，合成28S，18S，5.8SrRNAs，相对活性50-70%，对α-鹅膏的不敏感。RNA聚合酶II：位于核仁中，转录合成mRNA，某些snRNAs，相对活性20-40%，对α-鹅膏的高度敏感。RNA聚合酶III：位于核质中，合成tRNA，5SrRNA，某些snRNAs，相对活性约10%，具有片段特异性，对α-鹅膏中等敏感。32２、RNA合成的一般特点

（1）所用原料为核苷三磷酸；在DNA合成时为脱氧核苷三磷酸。（2）只有一条DNA链被用作模板；DNA合成时，两条链分别用作模板。（3）RNA链的合成不需要引物；DNA合成一定要引物的引导。（4）RNA链的合成与DNA链的合成同样，也是从5’向3’端，由RNA聚合酶催化。（5）转录后形成一个RNA分子的一段DNA序列称为一个转录单位；一个转录单位可能刚好是一个基因（单顺反子），也可能含有多个基因（多顺反子）。33３、真核生物mRNA在转录后的加工（1）5’端加上帽子(7－甲基鸟嘌呤核苷)：在蛋白质翻译时识别起始位置及防止被RNA酶降解。（2）3’端加上尾巴(聚腺苷酸,polyA)：对增加mRNA的稳定性及从细胞核向细胞质的运输具有重要作用。（3）切除非编码序列(内含子)，将编码序列(外显子)连接起来，才能进行蛋白质的翻译。４、真核生物与原核生物RNA转录的不同点（1）真核生物RNA的转录是在细胞核内进行，而蛋白质的合成则是在细胞质内。（2）原核生物的一个mRNA分子通常含有多个基因；而少数较低等真核生物外，真核生物一个mRNA分子一般只编码一个基因。（3）原核生物只有一种RNA聚合酶催化所有RNA的合成；真核生物中则有RNA聚合酶I、II、III，分别催化不同种类型RNA的合成。（4）原核生物RNA聚合酶直接起始转录合成RNA；真核生物三种RNA聚合酶都必须在蛋白质转录因子的协助下才能进行RNA转录。

34真核生物mRNA的加工35二、遗传信息的翻译与蛋白质的生物合成

1、翻译：指以mRNA为模板，在核糖体上合成蛋白质的过程。2、蛋白质合成的主要元件（1）核糖体：核糖体是蛋白质的合成场所（2）mRNA：携带遗传信息，蛋白质合成的直接模板（3）tRNA：负责转运特异性氨基酸进行蛋白质生物合成3、核糖体的结构和功能（1）核糖体的分类：真核生物核糖体：60S、40S、原核生物核糖体：50S、30S。（2）核糖体结构功能：核糖体是蛋白质合成的场所。36原核生物70S核糖体真核生物80S核糖体核糖体的结构374、蛋白质生物合成的过程（1）合成的起始：核糖体大小亚基、tRNA和mRNA在起始因子的协助下组合成起始复合物的过程。（2）肽链的延伸进位：氨基酰-tRNA进入核糖体的A位肽链形成：氨基酰-tRNA进位后，在转肽酶的催化下，P位的肽基-tRNA的肽链转移到A位的氨基酰-tRNA的氨基上，从而形成肽键移位：肽键形成后，核糖体沿mRNA向3’方向移动一个密码子的距离。（3）翻译的终止：终止密码子进入A位，标志着翻译的结束。38蛋白质合成的起始39蛋白质合成链的延伸40蛋白质合成的终止41第五节

基因的概念及其演变

一、基因概念的提出和演变1865年，孟德尔提出遗传因子概念；1909年，Johannsen更名为“基因”；1910年，Morgan等确定基因存在于染色体上并呈线性排列；1926年，Morgan等提出“三位一体”的基因概念，认为基因是结构、功能、突变和交换的最小遗传单位；1957年，Benzer提出顺反子学说，认为基因是并不是不可分割的最小单位，在一个基因内部存在精细的结构，可分解成三种更小的单位，即突变子（它是性状突变时，产生突变的最小单位，可小到只有一个核苷酸对）、重组子（在发生性状重组时，可交换的最小单位，又称交换子，只有一个核苷酸对）、顺反子（表示一个起作用的功能单位，又称作用子，它是DNA分子上一个决定一条多肽链的完整功能单位，内部是可分的，包含多个突变和重组单位，它是经得起顺反测验的