第八章遗传的分子基础

第八章遗传的分子基础第一节遗传物质是DNA(或RNA)一、DNA是遗传物质的间接证据(一)DNA是所有生物的染色体所共有的，从噬菌体、病毒、直到人类的染色体中都含有DNA。而蛋白质则不同，噬菌体、病毒的蛋白质不存在于染色体上，而存在于蛋白质外壳上，在细菌染色体上也没有蛋白质，只是真核生物的染色体含有核蛋白。(二)同种生物不同组织的细胞在一定条件下，其核内DNA含量基本上是相同的，精子DNA的含量恰是体细胞的一半，蛋白质等其它化学物质不符合这种情况(三)同种生物的各种组织的细胞中，DNA在质上恒定，也就是DNA在代谢上比较稳定，而蛋白质在质上不恒定，它与细胞内的许多分子相似，在代谢中可以一面的迅速合成，又一面的分解和转化，例如某些鱼类，它们的染色体的蛋白质一般是组蛋白，且含有少量RNA，而在成熟精子中，组蛋白不见了，全是精蛋白，RNA也测不出。可见蛋白质不符合遗传物质对稳定性的要求。1.33.31.62.52.5-3.3-2.56.43.05.62.46.4-5.6家鸡牛鲤鱼人精子红细胞肝细胞肾细胞生物种类几种生物的细胞(每一细胞核)中的DNA含量(单位10-6ug)二、DNA是遗传物质的直接证据(一)肺炎球菌的转化肺炎双球菌有两种类型：

S型：具有荚膜(多糖类物质)和毒性，可以使人患肺炎或使小鼠患败血症。在培养基上形成光滑(smooth)菌落，故称光滑型。

R型：无荚膜和毒性，不致病。在培养基上形成粗糙(rough)菌落,故称粗糙型。1928年，英国科学家格里费斯(Griffith)在肺炎球菌实验中首次发现了基因是一类特殊生物分子的证据。

(四)各种生物中能改变DNA结构的化学物质都可引起突变。难道S型致病菌复活了吗？这就是著名的“格里费斯之谜”。OswaldTheodoreAvery（1877～1955）多糖类脂蛋白质RNADNA

艾弗里等人的实验证据：从S型死菌中分别提取①分别与R型细菌混合②DNA+DNase与R型细菌混合→检测各组分的转化活性→只有DNA具有转化因子活性进一步的实验：用化学法和酶法↓去除S型死菌提取物中的蛋白质、类脂、多糖和RNA↓抽提物的剩余物质↓转化R型↓

S型因此1944年艾弗里等人确认：“转化因子”就是DNA。

艾弗里于1946年用蛋白酶、RNA酶和DNA酶分别处理肺炎球菌的细胞抽提物。结果:①可以破坏、消化蛋白质的胰蛋白酶和糜蛋白酶不影响转化活性。②分解、消化RNA（而不是消化分解DNA）的RNA酶对转化活性无影响。③在加入分解、消化DNA的DNA酶后，转化活性丧失。这一实验又进一步证明了DNA是遗传物质，即遗传物质的化学本质是DNA。这是基因研究史上的一个重要的里程碑。1951年，赫里奥特(R·Herriott)提出一个十分富有魅力和启发性的假说：“病毒的作用可能像一个充满着转化因子的注射针。这样的病毒本身不会进入寄主细胞，它用尾部接触寄生细胞，可能通过酶的作用在细胞外膜上钻一小孔，然后病毒头部的DNA就钻入细胞。”

赫尔希是研究噬菌体的美国微生物学家，当人们为艾弗里的实验而激烈争论时,他和一些人在考虑，能否将蛋白质和DNA完全分开，单独观察DNA的作用呢？他们受赫里奥特思路的启发设计了一个精巧的噬菌体感染实验。(赫尔希与德尔布吕克和卢里亚一起，获1969年的诺贝尔生理学医学奖奖)。AlfredDayHershey（1908～1997）(二)噬菌体感染实验→遗传物质是DNA，而不是蛋白质。(三)烟草花叶病毒的重建化学组成：6%RNA+94%蛋白质形态特征：管状微粒结构特点：中心是单链RNA分子，外部是蛋白质外壳。

弗南克尔－柯拉特(Frankel－Gonrat)等利用先分离后聚合的方法，重新合成混合的烟草花叶病毒，用它感染烟草叶片。烟草花叶病毒(TMV)在水和苯酚中振荡→TMVRNA+TMVpr。如果进行三个处理：TMVpr→感染烟草→烟草不被感染TMVRNA→感染烟草→烟草被感染TMV→感染烟草→烟草被感染此实验证明感染物是RNATMV有很多菌株，其中S株系：HR株系：外壳蛋白不具有组氨酸和甲硫氨酸外壳蛋白具有组氨酸和甲硫氨酸→在没有DNA的病毒中，RNA是遗传物质。SRNAS病毒SS蛋白质HR蛋白质HRRNAHR重组病毒病叶第二节DNA的分子结构与复制一、两种核酸的化学组成及其分布(一)两种核酸的化学组成核酸是一种高分子化合物，它的单体是核苷酸，每一核苷酸(nucleotide)由三部分组成。磷酸磷酸无机盐胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）嘧啶腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）嘌呤碱基核糖脱氧核糖五碳糖核糖核苷酸（核苷酸）脱氧核糖核苷酸（脱氧核苷酸）基本单位RNADNADNA与RNA的比较脱氧核苷酸成分的化学结构式

OH∣H0─P＝O∣OH磷酸

OH∣H0─P＝O∣OH磷酸核苷酸成分的化学结构式脱氧核糖腺嘌呤A鸟嘌呤G胞嘧啶C胸腺嘧啶T核糖腺嘌呤A鸟嘌呤G胞嘧啶C尿嘧啶U(二)两种核酸的分布高等动植物体内，绝大部分的DNA在细胞核内的染色体上，它是构成染色体的主要成分。有少量的DNA在细胞质中，它存在于叶绿体、线立体等细胞器内。细菌也含有DNA和RNA。多数细菌病毒(噬菌体)是DNA，少数是RNA；多数植物病毒是RNA，少数是DNA；动物病毒有些含有DNA，有些含有RNA。二、DNA的化学结构DNA分子是脱氧核苷酸的多聚体(多核苷酸)。脱氧核苷酸是碱基、脱氧核糖、磷酸连接起来构成的，共有４种。脱氧腺嘌呤核苷酸脱氧胸腺嘧啶核苷酸脱氧鸟嘌呤核苷酸脱氧胞嘧啶核苷酸

O∣O─P＝O

∣O

O∣O─P＝O

∣O

O4′1′3′2′CH25′嘧啶(胞嘧啶或胸腺嘧啶)O∣O─P＝O∣O下一个核苷酸

O4′1′3′2′CH25′嘌呤(腺嘌呤或鸟嘌呤)3′-5′磷酸二脂键联结三、DNA的分子结构1953年Watson和Crick依据两个线索JamesDeweyWatson（1928～）

FrancisHarryComptonCrick（1916～）

富兰克林拍摄的DNA晶体的X射线衍射照片，这张照片正是发现DNA结构的关键①通过X射线对DNA的衍射研究结果②根据Chargaff(1951)关于碱基互补配对的规律。提出DNA分子的空间结构(DNA的模型)。获1962年的诺贝尔生理学医学奖。(a)“带子”表示磷酸糖主链，水平的碱基对在中心。(b)分子中糖环平面与碱基平面的空间关系(c)DNA的原子模型大沟小沟糖-磷酸主链堆积的碱基对-H……--H……--H………H-……H---H……………H--………H----H…………H--DNA分子结构的特点:

⑴DNA分子是两条长链互相旋转而成的一种双螺旋结构，每一条链的主线代表交互存在的糖和磷酸，两条链的极性相反(反向平行)。碱基的排列位置与主线成直角，向DNA分子的中央突出。一条链的碱基总与另一条链同一水平上的碱基配对，每对碱基由弱氢键联结起来。⑵碱基配对的原则是A与T配对(通过两个氢键联结)，C与G配对(通过三个氢键联结)。四、双链DNA的不同构型(一)B-DNA，Watson-Crick模型，是右手螺旋，碱基的平面对DNA分子的中轴是垂直的，细胞内B-DNA分子每转一圈平均包括10.4核苷酸对。在正常生理状态时，DNA分子大都属于这种形式。(二)A-DNA，右旋，每转一圈大约含11个碱基对。在高盐分或脱水状态时，DNA常以A-DNA型方式存在。在活细胞中DNA-RNA异源双链或RNA-RNA双链以这种方式存在。(三)Z-DNA，Z表示糖、磷酸主干呈Z字型，此型双链中碱基平面对螺旋中轴不成直角，每转一圈约有12个碱基对。这种构型可能与真核类中基因活性有重要关系。五、DNA的变性、复性及解链温度(一)DNA的变性将双链DNA在中性盐溶液中加热，DNA分子的共价键不受影响，而互补碱基对间的氢键则被打开，从而使两条多核苷酸链分开成为两条单链。(二)DNA的复性变性后成为单链的DNA，在适当条件下又能恢复为双链DNA。(三)解链温度：加热使溶液中DNA分子的50%成为单链时所需的温度，记作Tm。六、DNA的复制1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型时就设想了复制的模式。(一)复制方式是半保留式复制

半保留复制在1958年由Meselson和Stahl用密度梯度离心技术所证明。1963年又被Cairns用放射拍摄技术直观地显示出来。继而又证明，DNA的半保留复制方式存在于动物、植物、细菌、一部分噬菌体和动物病毒中。以后发展一种新的染色方法——染色体色差法直接观察染色体的半保留复制。(二)半保留式复制的证明１、密度梯度离心技术(Meselson-Stahl实验)：首先在15NH4Cl培养基中培养然后转到14NH4Cl培养基中培养14N对照系统15N对照系统第一代第二代提取DNA，进行密度梯度超离心E.coli细胞用15N标记的亲本DNA14N中第一次复制14N中第二次复制实验结果表明DNA复制是半保留复制(a)实验结果染色体放射自显影的图示(b)按半保留复制预期DNA在复制过程中标记情况2、放射自显影技术证明⑴放射自显影技术观察染色体（蚕豆根尖放射自显影实验）⑵放射自显影技术观察DNA复制叉：复制正在发生的位点(双螺旋DNA两条亲本链分开使复制能进行的部位)。复制眼：在一个长的未复制区域内DNA已经复制的区域３、染色体色差法证明(三)DNA复制的起点、复制子与复制方向1、复制的起点DNA开始复制的固定点，常用ori表示。原核生物复制的起点只有一个，真核生物的复制起点有几个。许多生物的复制原点都是富含A、T的区段。２、复制子一个独立的复制单位称一个复制子。原核生物的DNA为单复制子，真核生物的DNA为多复制子。３、复制方向大多数生物体内DNA的复制都以双向等速方式进行，但也有另外情况。例如枯草杆菌中，复制是从起点开始双向进行的，但两个复制叉的移动是不对称的，在一个方向上移动染色体的1/5距离，然后停下来等另一个方向复制4/5的距离；质粒ColEⅠ复制完全是单向进行的。复制起点复制叉复制叉大肠杆菌染色体DNA双向复制模式真核生物DNA复制有多个复制起点，同时双向复制(四)DNA的酶促合成ArthurKornberg(美国生物化学专家，斯坦福大学医学院教授)等1955年开始寻找合成DNA的酶。于1956年在大肠杆菌的提取液中发现了DNA聚合酶，获1959年诺贝尔奖。1、DNA聚合酶(DNApolymerase)DNA合成时，催化核苷酸加到一个正在延伸的DNA链上的酶。共同特点是：⑴需要提供合成模板。⑵不能起始新的DNA链，必须要引物提供3′－OH。⑶合成的方向都是5ˊ→3′(DNA链的延长方向)。⑷除聚合DNA外还有其它功能。ArthurKornberg聚合反应的基本过程DNA聚合酶的校正反应复制叉移动方向先导链滞后链岗崎片段RNA引物：由引物酶催化NTP的聚合而形成的短片段RNA，为DNA聚合提供3´-OH末端。2、引物酶(primase)：

依赖DNA的RNA聚合酶,催化RNA引物的合成。３、DNA解旋酶(helicase)能利用ATP释放的能量，驱动DNA的两条链分开。E.coli中最重要的解旋酶是DnaB，它是一个与引发体中的引发酶紧密聚合的蛋白质。DnaB使复制叉前面的双螺旋DNA解旋，解旋过程是与核苷三磷酸水解过程相偶联的。表11-3E.coli及噬菌体的解旋酶解旋酶结构功能DnaB330K六聚体结合与OriC,Oriλ参与前引发分离双链，水解ATP，提供能量。rep蛋白66K单体ATP依赖性解旋酶，φX174滚环复制中推进复制叉PriA(w蛋白)82K单体φX174Rf形成中参与前引发体3′→5′移动取代SSB，识别特异位点。TraY/I多聚体F因子滚环复制中解链。基因4蛋白58KT7噬菌体复制中延5′→3′解链。4、DNA拓扑异构酶(topoisomerase)

DNA快速解旋在复制叉处形成超螺旋头部,DNA拓扑异构酶的作用是将解旋酶作用后产生的扭转张力释放掉。拓扑异构酶I是切断DNA中的一条链，使DNA旋转，而拓扑异构酶II可以切断DNA的两条链。5、单链结合蛋白(SSB)其作用是当解旋酶作用后，它可以防止解开的螺旋恢复原来状态。它对单链DNA有非常高的亲和性，滞后链合成的开始需要单链结合蛋白，前导链可以连续合成，所以解旋后就不需要这种蛋白了。DNA聚合酶I识别并结合于新DNA链的3ˊ端和下一个RNA引物之间的切口。然后5ˊ→3ˊ外切酶活性催化第1个RNA核苷酸水解，而5ˊ→3ˊ聚合酶活性将一个脱氧核苷酸加到新DNA链的3ˊ端，这种同时降解和合成的过程称为切口平移。DNA聚合酶Ⅰ6、DNA连接酶(DNAligase)能催化修复断裂的单链DNA的磷酸二酯键，并能把冈崎片断连接起来，形成一条连续的子链。其作用机制是分三步进行：⑴E＋ATP→E－AMP＋ppi在E.coli中，E＋NAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）→E－AMP＋NMN(烟酰胺单核苷酸)⑵E-AMP上的AMP转移到DNA的5′-PO4上使其活化⑶活化的5′－PO4与相邻的3′－OH作用形成3′－5′磷酸二酯键，并释放出AMP。DNA双螺旋复制的从头起始包括一些连续的步骤：①DNA分子上一段短的区域发生熔解反应，双链分离形成单链区域。②解旋点沿DNA移动标志着复制叉的产生，复制叉在DNA链延伸时将连续移动。③引发反应和RNA引物的合成。(五)DNA复制的基本过程1、复制的起始起始方式：从头起始:共价延伸:DNA链的合成从头开始。新链从原有的亲链上开始合成。2、延伸过程

DNA聚合酶把新生链的第一个核苷酸加到引物的3′羟基上，就开始新生链的延伸过程。

在复制起始点处，分开的两条链中，一条模板链的方向是3ˊ-5ˊ，DNA合成的方向与复制叉移动的方向相同，以此链为模板，在DNA聚合酶的参与下新链连续合成，方向为5ˊ-3ˊ。另一条模板链的方向则是5ˊ-3ˊ，DNA合成的方向与复制叉移动的方向相反。以这链为模板合成时，先要有引物酶的催化下合成RNA短链作为引物。接着在DNA聚合酶Ⅲ的催化下，合成冈崎片段或DNA短链。当后一DNA短链合成后，在DNA聚合酶Ⅰ的参与下，前一短链的RNA引物被降解，而且RNA切除后留下的空隙被填补，然后在连接酶的催化下，使不连续的短链连接成为DNA新链。最后两条新合成的链连同自己的模板链，形成两个相同的DNA分子。3、复制终止

DNA复制终止于ter区，在ter区内存在5个DNA序列(terA到terE)。在染色体上制造复制叉“陷井”区，复制叉可以进入但不能出来。顺时针陷井由terB和terC构成，反时针陷井由terA、terD和terE构成。陷井区是终止子利用物质（Tus）的结合部位。Tus可以和每一个ter结合。一旦形成Tus-ter复合物，就可以通过阻止解旋酶解旋DNA来封闭复制叉的通路。Tus-ter复合物只捕获来自一个方向（顺时针或反时针）的复制叉，而对来自另一个方向（反时针或顺时针）的复制叉不起作用。终止区这样安排可确保两个从相反方向进入ter区的复制叉总能相遇，当一个复制叉遇到另一个复制叉时，DNA复制就完成了。(六)真核DNA的复制：DNA的复制对于真核细胞与原核细胞两者相比，主要有下列不同之处：①真核细胞DNA的复制有多个起始点，即具有多个复制叉来完成，并且常是双向延长。而原核细胞常具一个复制叉。②真核细胞的冈崎片段较小，常为100-200个核苷酸；引物也较小，约为10个核苷酸。③真核细胞DNA复制的速度比原核生物慢，基因组比原核生物大。然而真核生物DNA上有多个复制点，所以复制的总速度可能比原核生物更快。④真核细胞的DNA在全部复制完成之前，起点不再从新开始复制，而在快速生长的原核生物，起点可以连续发动复制。⑤DNA聚合酶的作用有差别。原核具有3种聚合酶，真核具有4(或5)种聚合酶，且除了聚合酶δ外都不具有外切酶活力。⑥真核细胞线性染色体的末端DNA称为端粒(telomere)。端粒的复制由一种特殊的酶——端粒酶（telomerase）所催化。(七)DNA复制的其它方式1、滚环复制是噬菌体中常见的DNA复制方式。许多病毒DNA的复制、质粒、F因子在接合转移时其DNA的复制等。首先引发体组装在模板链(＋链)上，开始合成RNA引物，然后在DNA聚合酶Ⅲ作用下，引物延伸生成一个互补链(－链)。生成的双链DNA分子通过一个噬菌体编码的内切酶在＋链上的特定部位制造一个缺口。最后在DNA聚合酶Ⅲ作用下，＋链从暴露出的3ˊ羟基延伸，取代原来的＋链。2、D-环复制线粒体DNA的一种特殊环复制方式。环状双螺旋DNA在某一点解旋，开始复制。但前导链和滞后链的起点不在同一位点。首先合成前导链，结果一条链（滞后链模板）仍维持单链。形成一个D字型的环。当前导链合成到某一点时，露出滞后链的起点，滞后链开始复制。总之，DNA复制分子机制的基本特点是：1、复制是半保留的。（方式）2、复制起始于细菌或病毒的特定部位，真核生物有多个起始点。（起点）3、复制可以朝一个方向，也可以向两个方向进行，后者更为常见。（方向）4、复制时，DNA的两条链都从5´端向3´端延伸。（延长）5复制是半不连续的，前导链是连续合成的，后随链是不连续合成的，即先合成短的冈崎片段，再连接起来构成后随链。（半不连续）6、冈崎片段的合成起始于一小段RNA引物，这一小段RNA以后被酶切除，缺口由脱氧核苷酸补满后再与新生DNA链连接在一起。（刚起片段的链接）7、复制有多种机制，即使在同一个细胞里，也可因环境——酶的丰富程度、温度、营养条件等的不同而具有不同的起始机制和链延长的方式。（复杂性）第三节基因的本质一、基因和DNA基因是DNA分子的一个区段，包含500～6000bp，也就是说基因是一段含特定遗传信息的核苷酸序列。证明方法：测定基因的核苷酸顺序和由它所决定的蛋白质的氨基酸顺序，根据遗传密码，比较两者的顺序是否相对应。碱基顺序的测定：cDNA+质粒大肠杆菌DNARNA32P-T32P-TCAGCCCAT32P-TCAGCCCATGGT32P-TCAGCCCATGGTT化学处理，使DNA片段在含T的地方切断或用另3种不同的化学降解在C、A、G处随机切断32P-TCAGCCCATGGTTAAGA5´端用32P标记DNA片段DNA随机片段混合物用同一凝胶进行电泳分别产生DNA随机片段TCAGCCCCATGGTTAAGA片段长度依电泳方向递减DNA片段碱基顺序的测定TCAG肽链氨基酸顺序的测定：PITC反应、层析法、肽链氨基酸自动测序仪。

例如：噬菌体MS2遗传物质为RNA，同时还是mRNA，含3659个碱基，3个基因，编码“A”蛋白，外壳蛋白和RNA复制酶①RNA的核苷酸顺序和蛋白质的氨基酸顺序可以对应。②基因的起始密码子是AUG，而终止密码子是UAA、UAG、UGA。③基因与基因间有基因间区域。(一)基因概念的发展阅读框（openreadingframe）：从起始密码子开始到终止密码子为止的连续核苷酸密码序列。1、割裂基因(断裂基因splitgene):真核类的基因的编码顺序由若干非编码区域所隔开,使阅读框不连续。这种基因称______。内含子(intron):转录后被切除，从而不翻译为蛋白质的部分。外显子(exon或extron):转录后不被切除，继而翻译为蛋白质的部分。斜线：与转录的调节有关；小点：外显子；空白：内含子控制人的血红蛋白分子的基因2、重叠基因(overlappinggene)：

基因中包含着基因。噬菌体φX174，单链环状DNA，碱基数不到5400，编码9种蛋白质(二)基因的基本特征与DNA特性：1、基因的自体复制：细胞分裂时，从一个基因自体复制为全同的两个基因，在DNA分子水平上是DNA分子自体催化时，从一个DNA分子复制为全同的两个DNA分子。2、基因决定性状：某一基因存在，决定某种酶或蛋白质的合成，通过生理生化过程出现某一性状。在DNA分子水平上是DNA分子异体催化时，某一区段的核苷酸顺序互补地决定mRNA的核苷酸顺序，转而专一性地决定蛋白质的氨基酸顺序。3、基因的突变：基因很稳定，但有时会发生突变，突变的基因通过自体复制一代代的传递下去。在DNA分子水平是DNA分子很稳定，但某核苷酸序列有时会改变，改变了的核苷酸序列通过复制有能稳定地保持下去。例1：生化突变型与一基因一酶说前体鸟氨酸瓜氨酸精氨酸菌株III：自前体到鸟氨酸的反应受阻。菌株II：自鸟氨酸到瓜氨酸的反应受阻。菌株I：自瓜氨酸到精氨酸的反应受阻。

生长生长生长

—生长生长

——生长

菌株Ⅰ菌株Ⅱ菌株Ⅲ精氨酸瓜氨酸鸟氨酸添加的aa菌株链孢霉精氨酸依赖型的不同菌株对添加的氨基酸反应前体鸟氨酸arg1arg2瓜氨酸arg3精氨酸酶1酶3酶2例2：人的先天代谢缺陷

苯丙氨酸羟化酶酪氨酸酶尿黑酸氧化酶氧取代氨基苯丙氨酸转氨酶例3:人半乳糖血症:

不能同化半乳糖的病叫半乳糖血症.

症状：呕吐、腹泻、肝肿大、生长迟缓，智能低下

葡萄糖-1磷酸尿苷转移酶葡萄糖-1磷酸尿苷转移酶缺乏

红细胞溶血后半乳糖酶活性的比较

平均活性uM转换/小时/g细胞（37

C）