遗传物质的分子基础课件

姓名：金丽华办公地点：新逸夫楼254E-mail:Tel:8219-1755第二章遗传物质的分子基础基因遗传的染色体理论认为：

------基因存在于染色体上。基因的三个基本功能遗传功能------基因的复制表型功能------基因的表达进化功能------基因的变异1869年，F.Miescher（米歇尔）从脓细胞中提取到一种富含磷元素的酸性化合物---核素（muclein）。1885—1900年间，Kossel、Johnew、Levene证实核酸由不同的碱基组成。其最简单的单体结构是碱基-核糖-磷酸构成的核苷酸。

1929年又确定了核酸有两种，一种是脱氧核糖核酸(DNA)，另一种是核糖核酸(RNA)。核酸和蛋白质的

紫外光吸收波长DNA是遗传物质的间接证据不同波长的紫外光诱发生物体发生突变肺炎双球菌的转化实验(1928，Griffith格里菲斯)结论：

在加热杀死的IIIS型肺炎双球菌中有较耐高温的转化物质能够进入IIR型IIR型转变为IIIS型

无毒转变为有毒。1944年，Avery在离体条件下完成细菌转化，并用生物化学的方法证明活性物质是DNA.人们仍不相信DNA是遗传物质，这是由于：（1）认为蛋白分子量大，结构复杂，二十种氨基酸的排列组合将是个天文数字，可作为一种遗传信息。而DNA分子量小，只含4种不同的碱基，人们一度认为不同物种的有机体的核酸只有微小的差异。（2）认为转化实验中DNA并未能提得很纯，还附有其它物质。（3）即使转化因子确实是DNA，但也可能DNA只是对荚膜形成起着直接的化学效应，而不是充当遗传信息的载体。噬菌体的侵染过程由蛋白质外壳和其内的遗传物质构成。尾丝固定于大肠杆菌，遗传物质注入

破坏寄主细胞原有的遗传物质

合成大量的噬菌体遗传物质和蛋白质

组装许多新的子噬菌体

溶菌酶裂解细菌

释放出大量噬菌体。1952年Hershey和Chase

的噬菌体感染实验

二.Hershey-Chase的噬菌体实验三、RNA也是遗传物质A.Gierer和G.Schraman（1956）发现烟草花叶病毒（tobaccomosaicvirus），其遗传物质是RNA。美国HeinzFraenkel-Conrat和B.Singre（1957）用病毒重建实验证实了这一结论。TMV的蛋白质外壳和单螺旋RNA接种：

TMV蛋白质烟草不发病；

TMVRNA烟草发病新的TMV；

TMVRNA＋RNA酶烟草不发病。DNA是主要的遗传物质：

间接证据：

直接证据：1.肺炎双球菌的转化实验（1928）

2.在离体条件下完成细菌转化（1944）

3.噬菌体感染实验（1952）小结1950[英]Chargaff当量规律DNA的碱基组成特点——Chargaff定律

(1)碱基当量定律:嘌呤碱总量=嘧啶碱总量,即A+G=T+C(2)不同生物的DNA碱基组成有明显的差异，表明具有

物种的特异性，但没有组织的特异性和不同发育阶段的特异性,即各种生物的碱基组成是特异而稳定的，从而否定了四核苷酸假说。(1).腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即A=T(2).鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数也相等，即G=C(3).含氨基的碱基（腺嘌呤和胞嘧啶）总数等于含酮基的碱基（鸟嘌呤和胸腺嘧啶）总数，即A+C=T+G所有DNA中碱基组成必定是A=T，G=C，这一规律暗示A与T，C与G相互配对的可能性，为Watson和Crick提出DNA双螺旋结构提供了重要依据。β1’β1’N9N1腺苷(AR)脱氧胞苷(dCR)β1’,N9-糖苷键β1’,N1-糖苷键嘌呤环嘧啶环核苷与核苷酸的结构和名称a.磷酸二酯键b.多核苷酸链二、DNA的分子结构1953年，Watson&Crick

建立双螺旋模型，主要是受到4个方面的影响：（1）1938年W.T.Astbury&Bell用x衍射技术研究DNA。1947年拍摄了第一张DNA的衍射照片，并推断DNA分子的结构是：

1）柱状；

2）多核苷酸是一叠扁平的核苷酸；

3）核酸残基取向和分子长轴垂直,间距为3.4nm。（2）1951年Pauling和Corey运用化学的定律来推理，而不做具体的实验，建立了蛋白质的α-螺旋模型；（3）受到晶体学者J.Donoh&Chargaff的指点。（4）R.Franklin&Wilkins（維爾金）在1952年底拍得了DNA结晶X衍射照片。1953年，Watson和Crick提出DNA的反向平行双螺旋模型

1962年Wilkins、Watson和Crick共获诺贝尔化学奖。1869年，FriedrichMiescher从绷带上的白细胞核中分离出一种含磷的物质，命名为核素（nuclein）。19世纪末期，DNA和RNA已经从细胞中分离出来。20世纪30年代，P.Levene和W.Jacobs等搞清了DNA和RNA的基本化学组成。1928年，FrederickGriffith发现了肺炎双球菌的转化现象，但转化源的化学本质仍是一个谜。1944年，转化源就是DNA。但Avery等人的发现并没有产生多大的影响，因为当时蛋白质是遗传物质的观点盛行。1950年以后，Chargaff、Markham等人，否定了“四核苷酸学说”1952年，Hershy和Chase用32P和35S分别标记噬菌体的DNA和蛋白质，Hershy－Chase的实验进一步说明DNA是遗传物质。1953年，DNA双螺旋结构模型的提出才真正确立了DNA是遗传物质的观点。双螺旋模型(doublehelixmodel)Space-fillingdiagramofaDNAdoublehelix.B型双螺旋DNA的结构特征

双螺旋模型(doublehelixmodel)双螺旋模型有以下特点：(1)DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链组成（两条链反向平行，即两条链的方向相反），形成右手双螺旋。(2)糖一磷酸键是在双螺旋的外侧，碱基对在内侧，并与轴线垂直。(3)两条多核苷酸链上的碱基间形成氢键，碱基配对时，必须一个是嘌呤，另一个是嘧啶。(4)上下碱基对间距为0.34nm,绕轴一周距离为3.4nm，是10bp,平均直径为2nm.(5)DNA双螺旋有大沟（majororwidegroove）和小沟（minorornarrowgroove）的存在。三、RNA分子结构：

与DNA的区别：①U代替T；

②核糖代替脱氧核糖；③一般以单链存在。四、染色体的分子结构一、原核生物的染色体：

1．特点:

⑴．染色体简单：

DNA分子：如细菌、多数噬菌体和多数动物病毒；

RNA分子：如植物病毒、某些噬菌体和动物病毒。

⑵．遗传信息含量少：

只有一条染色体，且DNA含量远低于真核生物。

*大肠杆菌（E.coli）只有一个环状染色体，

其DNA分子含核苷酸对为3×106，长度1.1mm。

*蚕豆配子中染色体(n=6)的核苷酸对为2×1010，长度6000mm。2．结构:

(1).噬菌体的染色体结构：A:10-10m(2).大肠杆菌的染色体结构：染色体DNA结合物质：几种DNA结合蛋白、RNA。二、真核生物的染色体：

㈠、染色质的基本结构:

1．组成:

(1)．DNA：占染色质重量的30－40%；

(2)．蛋白质：组蛋白含量比例与DNA相近，结构上起决定作用；非组蛋白与基因的调控有关。

(3)．其它：RNA和一些脂类。2．结构:

通过电镜观察和研究，提出染色质结构的串珠模型。

染色质的基本结构单元：

核小体（nucliesome）:由H2A、H2B、H3和H44种组蛋白构成。

连接丝:DNA双链+H1组蛋白。

组蛋白H1

53个氨基酸

H2A

129个氨基酸H2B

125个氨基酸H3

133个氨基酸H4102个氨基酸1个核小体(绕有1.75圈DNA)+连接丝约200bpDNA。

组蛋白在进化上很保守，亲缘关系很远的生物差异很小。

如H4：牛、豌豆均是102个氨基酸，其中仅2个氨基酸不一样。DiagramshowstherelativepositionsoftheDNAsuperhelixandhistones.2.核酸的化学结构:

DNA的分子结构，双螺旋结构，自我复制。

3.染色体的分子结构：

原核生物染色体结构模型；

真核生物染色体的折叠模型小结（一）、原核生物染色体原核生物染色体简单，通常一个核酸分子（DNA或RNA)，单链或双链，环状或线性。E.coli：2.4×109Da，42000Kb（1300微米），闭合环状，约编码2000个基因。类核（nucleoid）。支架

(scafford）由100个DNA环组成，每个环40Kb，

13微米。大肠杆菌染色体结构（二）、真核生物染色体染色质或染色质线核小体------染色体基本结构单位异染色质组成型异染色质兼性异染色质常染色质异固缩现象组蛋白类型碱性氨基酸氨基酸数分子量（Da）LysArgH129%1%21523,000H2A11%9%12913,960H2B16%6%12513,775H310%13%13515,340H411%14%10211,2801.组蛋白---小牛胸腺DNA的组蛋白的特点2．

核小体（nucliesome）1956年Wilkins和VittorioLuzzati对染色质进行了X衍射研究，发现染色质具有间隔为100埃的重复性结构。Hewish和Burgoyun（1973年）用内源核酸酶消化细胞核，再从核中分离出DNA，结果发现一系列DNA片段，它们相当于长约200bp的一种基本单位的多聚体。M.Noll（1974年）用外源核酸酶处理染色质，然后进行电泳，测得前三个片段长度分别为205，405，605bp长。3.染色体的高级结构染色体结构模型：放射环模型（radealloopmodel）螺旋环模

（MarsdenLaemmli,1979,Paulson.,1982）放射环和螺旋环共存模型（Rattner和Lin，1985）袢环模型（J.Painta和D.Coffey,1984）螺旋折叠（helicallyfolded）、(BoydeTour,Ey和

LaemmliU.K.1988)等模型侧环模型染色体的结构模型DNA超螺旋化---核小体（10nm)H2A,H2B,H3,H4核小体螺旋化---超微螺旋的螺旋管（30nm)H1螺旋管进一步卷缩---染色体非组蛋白骨架4.着丝粒和端粒（1）着丝粒由三个功能区组成中部的元件(II)由80-90bp组成，A+T含量高，>90%；左侧的元件(I)含有PuTCACPuTG顺序（Pu是嘌呤），右侧的元件(III)是由26bp组成的保守区，此区也是A-T丰富区。所有真核生物的着丝粒功能都相同，但其DNA却具有种的特异性。DiagramoftheconservedstructureofthecentromeresinSaccharmycescerevisiae(top)andthesequenceoftheCENregionofchromosome3ofthisspecies(bottom).采用荧光技术进行人类中期染色体着丝粒的原位杂交（2）端粒（telomere）及共同特点：*

每一个端粒都含有一系列的短的正向重复顺序。

Cn(A/T)m，其中n>1，而m=1~4。*在端粒区域中有一种特殊的不连续排列，产生单链断裂的形式，这种结构并不能被连接酶将缺口封闭起来。*提纯的天然端粒区可直接用E.ColiDNA多聚酶I

进行缺口平移(nicktranslation)。*在端粒区的最末端可能带有3`-OH的单链末端回折成了发夹回(hairpin)结构。*端粒的双链部分中含有T2G4的顺序在3`末端，排列方向是朝向染色体的中心部位。

端粒的功能

*防止染色体末端被DNA酶酶切。*防止染色体末端与其他DNA分子结合。*使染色体末端在DNA复制中保持稳定。*使线形DNA的复制顺利。*影响染色体的行为。*可能控制细胞的寿命。*与核骨架的组成有关。TechnicalSidelight–Human