第二章分子遗传学的兴起演示文稿

第一页，共四十九页。第二章分子遗传学的兴起第二页，共四十九页。本章节内容

物理学的介入2.1

遗传物质——DNA2.2DNA与蛋白质2.3第三页，共四十九页。

物理学的介入2.1现代物理学研究方法→分子生物学研究锦上添花X-射线晶体学全息分析技术核磁共振技术扫描隧道电子显微镜分子激发显微镜鸿沟打破生命的物质基础自然科学的统一物理世界生命世界第四页，共四十九页。本章节内容

物理学的介入2.1DNA与蛋白质2.3

遗传物质——DNA2.2第五页，共四十九页。

遗传物质——DNA2.2穆勒（MullerH.T.）：

1927年对果蝇用X射线诱发突变。斯特德勒（StadlerL.T.）：

1927年在玉米用X射线诱发突变。

两人证实了基因和染色体的突变不仅在自然情况下产生，且用X射线处理也会产生大量突变。因此，基因确实是一种物质分子。第六页，共四十九页。早在1869年，25岁的瑞士生物学家弗雷德里希·米歇尔成功地分离出细胞核，发现“核素”。1889年，生物化学家奥尔特曼（Altrmann）从酵母和动植物组织中终于制备出纯净的、不含蛋白质的细胞核中的酸性物质，将其称为核酸。20世纪40年代之前，俄罗斯化学家菲奥布斯·列文已明确表示，世上共有两种核酸——DNA和RNA，并已判定二者化学性质的区别。很多年来，核酸被认为是“无用的物质”。DNA的发现第七页，共四十九页。DNA是遗传物质的证据（三个实验）2.2.1肺炎链球菌的转化实验2.2.2噬菌体感染实验2.2.3烟草花叶病毒的重建实验第八页，共四十九页。─────────肺炎双球菌特征抗原型（稳定）──────────────────光滑型(S)

有荚膜、光滑、有毒粗糙型(R)

无荚膜、粗糙、无毒──────────────────格里费斯(GriffithF.1928)2.2.1肺炎链球菌的转化实验第九页，共四十九页。小鼠成活②无毒R型�重现R型重现S型小鼠死亡①有毒S型无病毒小鼠成活③有毒S型(65℃杀死)④无毒R型╋有毒S型(65℃杀死)小鼠死亡重现S型结论：在加热杀死的S型肺炎双球菌中有较耐高温的转化物质能够进入R型

R型S型无毒有毒。第十页，共四十九页。①无毒R型╋有毒S型(杀死)②无毒R型

╋有毒S型(杀死)

╋

蛋白酶③无毒R型

╋有毒S型(杀死)

╋

DNA酶重现S型重现IIR型重现S型结论：DNA是转化因子或遗传物质。阿委瑞(AveryO.T.，1944)试验：第十一页，共四十九页。原理：P存在于DNA，而不存于蛋白质；S存在于蛋白质，不存于DNA。①．32P标记T2噬菌体；②．35S标记T2噬菌体。结论进入菌内的是DNA；DNA进入细胞内才能产生完整的噬菌体。赫尔歇(Hershey

A.，1952)2.2.2噬菌体感染实验第十二页，共四十九页。TMVRNA╋RNA酶烟草不发病TMV蛋白质烟草不发病；TMVRNA烟草发病新的TMV

烟草花叶病毒TobaccoMosaicVirus(简称TMV)。利用

TMV的蛋白质外壳和单螺旋RNA接种：2.2.3烟草花叶病毒的重建实验第十三页，共四十九页。佛兰科尔-康拉特-辛格尔(Framkel-Conrat-Singer)试验：结论：提供RNA的亲本决定了其后代的RNA和蛋白质。在不含DNA的TMV中，RNA就是遗传物质。第十四页，共四十九页。核苷酸是组成核酸的基本单位。核苷酸可以进一步水解为核苷和磷酸，核苷又可以水解为戊糖和碱基：核酸核苷酸核苷磷酸戊糖碱基嘌呤（A、G

）嘧啶（T、C

）核糖脱氧核糖2.2.4DNA的组成成分第十五页，共四十九页。戊糖第十六页，共四十九页。磷酸第十七页，共四十九页。碱基第十八页，共四十九页。查加夫法则（Chargaff’srule）DNA中的4种碱基的含量并不是等量的；腺嘌呤(A)的量总是和胸腺嘧啶(T)的量相等；鸟嘌呤(G)则和胞嘧啶(C)几乎相等。既：A=T；C=G第十九页，共四十九页。1953年，沃森（WatsonJ.D.）和克里克（CrickF.H.C.）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射线衍射结果沃森、克里克与威尔金斯(Wilkins)一起获得诺贝尔奖(1962)2.2.5DNA的结构第二十页，共四十九页。早凋的“科学玫瑰”－－富兰克林（

R.E.Franklin）

她和同事威尔金斯在1951年率先采用X射线衍射技术拍摄到DNA晶体照片，为推算出DNA分子呈螺旋结构的结论，提供了决定性的实验依据。(英，R.E.Franklin,1920-1958）

但“科学玫瑰”没等到分享荣耀，在研究成果被承认之前就已凋谢。第二十一页，共四十九页。1953年4月25日，克里克和沃森在《自然》杂志上发表了DNA的双螺旋结构，从而带来了遗传学的彻底变革，更宣告了分子生物学的诞生。第二十二页，共四十九页。1.两条互补多核酸链、在同一轴上互相盘旋；2.双链具有反向平行的特点；3.碱基配对原则为：A=T、G=C，双螺旋直径约20A，螺距为34A(10个碱基对)。第二十三页，共四十九页。沃森和克里克：ＤＮＡ分子的规则的双螺旋结构3.4nm0.34nm2nm第二十四页，共四十九页。从图中可见DNA具有规则的双螺旋空间结构第二十五页，共四十九页。第二十六页，共四十九页。完美地解释基因的复制和传递DNA的复制是半保留复制（semiconservative）2.2.6DNA双螺旋结构的生物学意义第二十七页，共四十九页。半保留复制（semiconservative）沃森(WatsonJ.D.)

先导链复制：合成DNA片段之前，先由RNA聚合酶合成一小段RNA引物(约有20个碱基对)，DNA聚合酶才开始起作用合成DNA片段。DNA聚合酶，以5′3′向发挥作用；后随链的不连续复制：(考恩伯格1967)：在35′方向链上，仍按从5′3′的方向，一段段地合成DNA单链小片段（称冈崎片段，1000～2000bp)，由连接酶连接这些片段，形成一条连续的单链。第二十八页，共四十九页。本章节内容

物理学的介入2.1DNA与蛋白质2.3

遗传物质——DNA2.2第二十九页，共四十九页。DNA与蛋白质2.32.3.1蛋白质的组分和结构2.3.2遗传密码2.3.3中心法则2.3.4基因工程和基因组研究的兴起第三十页，共四十九页。2.3.1蛋白质的组分和结构蛋白质是由氨基酸组成的肽链折叠而成的大分子物质。一级结构：蛋白质分子都有自己特有的氨基酸的组成和排列顺序，即一级结构。肽键第三十一页，共四十九页。2.3.1蛋白质的组分和结构二级结构：是指多肽链借助于氢键沿一维方向排列成具有周期性的结构的构象，是多肽链局部的空间结构（构象），主要有α－螺旋、β－折叠、β－转角等几种形式，它们是构成蛋白质高级结构的基本要素。α-螺旋黄色部分为氢键第三十二页，共四十九页。2.3.1蛋白质的组分和结构三级结构：单条多肽链在二级结构基础上形成的空间结构。第三十三页，共四十九页。2.3.1蛋白质的组分和结构四级结构：由两个或多个肽链组成的蛋白质的天然空间结构。如果某个蛋白质只由一条肽链构成，那么它就没有四级结构。第三十四页，共四十九页。结构域是在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区，一条多肽链在这个域范围内来回折叠，但相邻的域常被一个或两个多肽片段连结。

结构域：单肽链内相对独立的结构、功能或折叠方式单位。第三十五页，共四十九页。▣分子伴侣：是一类能特异地结合和释放底物蛋白的蛋白分子，它们帮助底物蛋白实现正确折叠、寡聚体组装、向特定细胞器转运或变换活化/去活化构象等。分子伴侣是细胞中一大类蛋白质，是由不相关的蛋白质组成的一个家系，它们介导其它蛋白质的正确装配，但自己不成为最后功能结构中的组分第三十六页，共四十九页。2.3.2遗传密码41=4种：缺16种氨基酸；42=16种：比20种氨基酸还缺4种；43=64种：由三个碱基一起组成的密码子能够形成64种组合，20种氨基酸多出44种。从1961年开始，在大量试验的基础上，分别利用64个已知三联体密码，找到了相对应的氨基酸。1966-1967年，完成了全部遗传密码表。DNA分子碱基只有4种，而蛋白质氨基酸有20种。∴碱基与氨基酸之间不可能一一对应。第三十七页，共四十九页。遗传密码的基本特征：1、三联体密码

三个碱基决定一种氨基酸；均以3个一组形成氨基酸密码。遗传密码间不能重复：在一个mRNA上每个碱基只属于一个密码子；

61个为有意密码，起始密码为AUG(甲硫氨酸)、

GUG；3个为无意密码，UAA、UAG、UGA为蛋白质合成终止信号。第三十八页，共四十九页。2、遗传密码间无逗号：遗传密码的基本特征：

密码子与密码子之间无逗号，按三个三个的顺序一直阅读下去，不漏读不重复。如果中间某个碱基增加或缺失后，阅读就会按新的顺序进行下去，最终形成的多肽链就与原先的完全不一样(称移码突变)。甲硫氨酸酪氨酸半胱氨酸组氨酸

AUGUACUGUCACAUGUUACUGUCA甲硫氨酸亮氨酸亮氨酸丝氨酸第三十九页，共四十九页。遗传密码的基本特征：3、遗传密码的简并性：43=64种：由三个碱基一起组成的密码子能够形成64种组合，20种氨基酸多出44种。色氨酸(UGG)和甲硫氨酸(AUG)例外，仅一个三联体密码；其余氨基酸都有一种以上的密码子。编码同一种氨基酸的两种以上的密码子称为简并密码子。

简并现象：一个氨基酸由二个或二个以上的三联体密码所决定的现象。简并现象的意义：

同义的密码子越多，生物遗传的稳定性也越大。如：UCU、UCC或UCA或UCG，均为丝氨酸。第四十页，共四十九页。遗传密码的基本特征：4、摆动假说

决定同一个氨基酸或性质相近的不同氨基酸的多个密码子中，第1个和第2个碱基的重要性大于第3个碱基，往往只是最后一个碱基发生变化。例如：脯氨酸（pro）：

CCU、CCA、CCC、CCG第四十一页，共四十九页。遗传密码的基本特征：5、密码子的偏好性不同生物往往偏向于使用其中的一种，这种被经常使用的密码子称为偏爱密码子。如人类基因中，丙氨酸（Ale）密码子多为GCA,GCC或GCT，而GCG很少使用。第四十二页，共四十九页。遗传密码的基本特征：6、通用性

在生物界中，从病毒到人类，遗传密码通用。4个基本碱基符号氨基酸蛋白质生物种类、生物体性状。1980年以后发现：真核生物线粒体遗传密码与一般的通用密码不同UGA终止色氨酸

AGA,AGG

精氨酸终止

AUA

异亮氨酸甲硫氨酸

AAA

赖氨酸天冬酰胺

CUU,CUC,CUACUG亮氨酸苏氨酸密码子核DNAmtDNA第四十三页，共四十九页。2.3.3中心法则

中心法则：从噬菌体到真核生物的整个生物界共同遵循的规律。遗传信息DNA

è

mRNA

è

蛋白质的转录和翻译，以及遗传信息从DNA

è

DNA的复制过程。第四十四页，共四十九页。

RNA的反转录

1970年Temin等在致癌RNA病毒中发现了一种特殊的DNA聚合酶，该酶以RNA为模板，根据碱基配对原则，按照RNA的核苷酸顺序(其中U与A配对)合成DNA。这一过程与一般遗传信息流转录的方向相反,故称为反转录，催化此过程的DNA聚合酶叫做反转录酶。中心法则的发展后来发现反转录酶不仅普遍存在于RNA病毒中，哺乳动物的胚胎细胞和正在分裂的淋巴细胞中也有反转录酶。对于遗传工程上基因的酶促合成、致癌机理研究有重要作用。增加中心法则中遗传信息的流向，丰富了中心法则内容。第四十五页，共四十九页。中心法则的发展

RNA的自我复