园林植物遗传育种 02 遗传物质的分子基础

2遗传物质的分子基础本章导读本章介绍了作为遗传物质核酸的分子结构和组成成分，比较详细地阐明了主要遗传物质DNA的复制过程和复制特点、基因表达的方式、蛋白质的合成过程、中心法则及其发展以及基因工程的概念和原理。本章在分子水平上解释了生物的遗传信息是如何进行遗传的，又是如何在遗传中发生变异的，基因是如何通过控制蛋白质的合成来控制生物性状表达的。2.1DNA是主要的遗传物质2.1.1DNA作为主要遗传物质的间接证据2.1.2DNA是主要遗传物质的直接证据1）噬菌体浸染细菌试验噬菌体是寄生在细菌中的病毒。有一种代号T2的噬菌体，由60%的蛋白质和40%的核酸组成，T2噬菌体外壳是蛋白质，壳内是一条DNA分子（图2.1）。图2.1噬菌体结构及对大肠杆菌的浸染过程2）细菌转化试验1928年，英国微生物学家格里费斯（Griffith.F）对小鼠进行试验（图2.2）。3）烟草花叶病毒（TMV）的感染实验烟草花叶病毒不含DNA，却含有RNA。1956年格勒和施拉姆将TMV的RNA与蛋白质分开，分别用RNA和蛋白质接触烟草，结果只有RNA能使烟草发病。若用RNA酶处理提纯的RNA，就会完全失去致病能力，说明在不含DNA的TMV中，RNA是遗传物质。图2.2肺炎双球菌转化试验2.2核酸的分子组成和结构2.2.1核酸的分子组成1）核糖五碳核糖有两种形式，在RNA中为D-核糖，在DNA中为D-2脱氧核糖（图2.3）。图2.3核糖的分子结构2）碱基核酸的碱基（base）有5种：2种嘌呤（腺嘌呤Adenine，简写为A；鸟嘌呤Guqnine，简写为G），3种嘧啶（胞嘧啶Cytasine，简写为C；胸腺嘧啶Thymine，简写为T；尿嘧啶Uracil，简写为U）。组成DNA的碱基为A，T，C，G，组成RNA的碱基是A，U，C，G（图2.4）。3）磷酸（H3PO4）磷酸是核酸链上核糖间的连接部分。图2.4DNA和RNA中的碱基化学结构2.2.2核酸的分子结构1）DNA分子结构（1）DNA分子是由2条多核苷酸链组成，核苷酸之间通过3′，5′磷酸二酯键连接而成。（图2.5）。（2）螺旋的直径为2nm，相邻两碱基间的距离为0.34nm，每10个核苷酸碱基绕螺旋转一圈,螺距为3.4nm（图2.6）。（3）碱基位于螺旋的内侧，而磷酸和脱氧核糖骨架在螺旋的外侧。图2.5DNA分子两条走向相反的链图2.6DNA分子双螺旋结构示意图4）碱基是互补配对的，DNA分子中2条多核苷酸链是碱基互补的，A与T相配对，C与G相配对。如果一条链上的碱基顺序确定，那么另一条链上必有相互对应的碱基序列（图2.7）。图2.7DNA分子的碱基配对示意图2）RNA的分子结构（1）RNA分子也有方向性，同DNA一样，RNA分子链也有3′羟基端和5′磷酸端。（2）RNA分子大部是以单链形式存在（图2.8）图2.8RNA的分子结构（a）RNA分子中多核苷酸结构;（b）RNA分子的结构示意图3）DNA的复制（1）DNA复制过程DNA在解旋酶作用下解开双螺旋，碱基间的氢键断裂，分解为两条单链。每条链以自身碱基序列为模板，在DNA聚合酶作用下，根据碱基互补配对的原则，选择相应的脱氧核苷酸与模板链形成氢键。（图2.9）。（2）DNA复制的特点一是半保留复制，二是DNA是边解旋边复制的，三是DNA复制有方向性。（图2.9）。图2.9DNA分子的复制及冈崎片段假说2.3基因的表达过程2.3.1基因的概念现代分子遗传学中的基因。是指DNA分子上具有遗传功能的一个区段（大约包含有500～1500个核苷酸对），是功能的一位一体的最小单位，是一个完整的不可分割的功能单位，决定一个多肽链的合成。2.3.2遗传密码1）三联体密码蛋白质的合成，就是将DNA分子上一定排列顺序的核苷酸（碱基序列）对应指导合成一定排列顺序的氨基酸（即蛋白质）的过程。将核苷酸（碱基）顺序对应“翻译”氨基酸顺序的是靠DNA分子上3个连续碱基构成的遗传密码。我们把相对应于1个氨基酸的3个相连的碱基称为1个密码子（codon），即三联体密码（triplet）。（见下表）。2.3.3蛋白质的合成DNA的碱基序列决定氨基酸序列的过程，也就是蛋白质合成的过程。这一过程需要mRNA、tRNA、核糖体，还有一系列酶、蛋白质辅助因子以及作为原料的氨基酸和作为能源的ATP等参与。1）信使核糖核酸（mRNA）DNA分子通常是不能越过核膜进入细胞质的，而蛋白质合成于细胞质内的核糖体颗粒上，于是需要一种中间物质把DNA的遗传信息传给核糖体。执行这一信息传递的就是mRNA——信使核糖核酸（messengerRNA）。2）转运核糖核酸（tRNA）所有的tRNA其功能都是相似的，都是转运特定的氨基酸。（图2.10），tRNA的前方是一个由7个暴露的碱基形成的突环，称为反密码子环。在反密码子环的最前端有一个三联体密码子，因为与mRNA上的三联体密码相反，故称反密码子。3）核糖体核糖核酸（rRNA）与核糖体核糖体是蛋白质合成中心。4）蛋白质的合成过程图2.10tRNA分子结构示意图（1）转录它是指以DNA两条链中的任意一条链为模板，将DNA的遗传信息通过碱基互补的方式记载到mRNA上的过程。（图2.11）图2.11mRNA转录过程示意图（2）翻译就是以mRNA为模板，将tRNA送来的各种氨基酸按照mRNA的密码顺序，相互连接起来成为多肽链，并进一步折叠起来成为立体蛋白质分子的过程。大致有4个阶段：①氨酰基-tRNA的合成。②肽链合成的起始。③肽链的延伸。④肽链合成的终止与释放。氨基酸的活化是由特异的氨酰基-tRNA合成酶催化完成的，其具体过程见图2.12。图2.12氨基酸的活化及其与tRNA相结合示意图蛋白质合成开始时，首先核糖体小亚基与mRNA结合，构成小亚基-mRNA起始复合体。（图2.13）图2.13蛋白质合成过程示意图2.3.4基因对性状的控制基因对性状的控制是通过DNA控制蛋白质的合成来实现的。生物体的每一个细胞都含有全套的遗传信息，同一个体在发育过程中形成不同的器官，行使各自的功能，是由于不同细胞选择了各自所需要的遗传密码进行转录和翻译。研究表明，在更多情况下，基因是通过控制酶的合成间接地控制生物性状表达的。2.3.5中心法则及其发展遗传信息从DNA转录成mRNA，再经翻译而合成蛋白质的过程，以及遗传信息从DNA经复制又回到DNA的过程称为中心法则，这是1958年提出的。很多RNA病毒，如烟草花叶病毒，在感染宿主细胞后，它们的RNA在宿主细胞内进行复制。以后又发现在某些引起肿瘤的单链RNA病毒，能以病毒RNA为模板在反转录酶的作用下，反向地合成DNA，这就丰富了中心法则的内容。图2.142.4基因工程2.4.1基因工程的概念及原理图2.14中心法则示意图基因工程又叫遗传工程（广义的基因工程还包括细胞工程、染色体工程等），是20世纪70年代以后才开始兴起的一门综合技术。它是在分子遗传学的基础上，结合分子生物学、微生物学的现代技术而发展起来的。采用类似于工程建设的方式，按照预先设计好的施工蓝图，通过对遗传物质的直接操作，将目的基因从一种生物细胞中提取出来，在体外进行组装和重组，再引入到另一种生物细胞中去，以改建后者的遗传结构，使它获得新的性状。这一技术克服了有性杂交存在的生殖隔离、周期长、不能在整体基因组中单独挑选目的基因等局限性。基因工程的实际操作，大体有以下几个步骤：①目的基因或特定DNA片段的分离。②目的基因或DNA片段与载体连接，做成重组DNA分子。③重组DNA分子输入受体细胞。④“目的”基因的正确表达（图2.15）。图2.15基因工程操作过程2.4.2基因工程研究进