1发现基因的化学性质

1/11发现基因的化学性质河南科技大学教案首页课程名称专业英语（2）计划学时4授课章节LessonOneDiscoveringtheChemicalNatureoftheGene第一课发现基因的化学性质教学目的和要求：1掌握课文中基本词汇2掌握基因的化学性质教学基本内容：1Glossary2GenesCodeforParticularProteins3TheSearchfortheChemistryandMolecularStructureofNucleicAcids4TheResearchRacefortheMolecularStructureofDNA5HowDNAReplicates教学重点和难点：基因的化学性质DNA的结构和复制授课方式、方法和手段：以老师翻译为主，老师讲解相关专业知识辅助学生理解，采用板书的方式，在教学过程中加强互动，让学生翻译部分内容，采取启发式、讲授式教学方法。作业与思考题：课后作业：熟记专业英语词汇。思考题：如何理解DNA、RNA和蛋白质在进化中的地位？LessonOneDiscoveringtheChemicalNatureoftheGene发现基因的化学性质一、背景知识核酸（nucleicacid）是生物特有的重要的大分子化合物，广泛存在于各类生物细胞中，种瓜得瓜，种豆得豆的遗传现象即源于核酸上所携带的遗传信息。核酸的组成单位核苷酸（nucleotides）还是生物体各种生物化学成分代谢转换过程中的能量货币（如ATP），而具有传递激素及其他细胞外刺激的化学信号能力的环化核苷酸（如cAMP），被誉为生物体的第二信使，并且核苷酸还是一系列酶的辅助因子和代谢中间体。因此，核酸及其组成单位在生物的个体发育、生长、繁殖、遗传和变异等生命过程中起着重要的作用。1953年，Watson和Crick建立了DNA分子双螺旋结构模型，被认为是20世纪在自然科学中的重大突破之一。它揭开了分子生物学研究的序幕，尤其是DNA重组技术及DNA测序技术的出现，使生命科学成为自然科学中最为引人注目的领域。核酸的研究成果启动了分子生物学的突破性的进程，从此生命现象和生命过程的研究开始全面进入分子水平。核酸研究已有一百多年历史。早在1868年，瑞土的一位年轻科学家Miescher（1844~1895年）从外科绷带上脓细胞的细胞核中分离出了一种有机物质，它的含磷量之高超过任何当时已经发现的有机化合物，并且有很强的酸性。由于这种物质是从细胞核分离出来的，当时就称它为核素（nuclein）。Miescher所分离到的核素就是我们今天所指的脱氧核糖核蛋白。直到1889年，才有人成功地分离得到不含蛋白质的这种新物质，因为是从细胞核中分离出来的酸性物质，所以叫核酸。后来研究发现细胞质、线粒体、叶绿体、无核结构的细菌和没有细胞结构的病毒都含有核酸，但核酸这一名称仍然保留而沿用至今。核酸的生物学作用是在发现核酸以后50多年才被证明的。1944年，由Avery等人的著名的肺炎球菌转化试验问世后，核酸是主要遗传物质的地位才被确立。Avery等的实验是为了寻找导致细菌转化的原因，他从光滑型肺炎双球菌（S型，有荚膜，菌落光滑）分别提取DNA、蛋白质及多糖物质，并分别与粗糙型的肺炎双球菌（R型，无荚膜，菌落粗糙）一起培养，发现只有DNA能使一部分粗糙型细菌转变成为光滑型，并能继续繁殖，且转化率与DNA纯度呈正相关，若将DNA预先用DNA酶降解，转化就不发生。这种从一个供体菌得到的DNA通过一定途径给另一种细菌，从而使后者（受体菌）的遗传特性发生改变的作用称转化作用（transformation）。转化作用的实质是外源DNA与受体细胞基因组间的重组，使受体细胞获得新的遗传信息。实验结果表明，是S型菌的DNA将其遗传特性传给了R型菌，DNA就是遗传物质，是遗传信息的载体，而不是蛋白质。此后，人们对遗传物质的注意力逐渐从蛋白质移到核酸上。1952年，郝尔歇（A.D.Hershey）等人用同位素标记法研究T2噬菌体的感染作用，既用同位素32P标记噬菌体的DNA，35S标记蛋白质，然后感染大肠杆菌。结果只有32P-DNA进入细菌细胞内，35S-蛋白质仍留在细胞外，从而进一步肯定了DNA的遗传作用。这些重要的早期实验和许多其他证据已经准确无误地说明DNA是活细胞中唯一携带全部遗传信息的载体，而不是蛋白质。1950年以后，Chargaff，Markham等提出了A-T、G-C之间互补的概念。这一极其重要的发现，为以后Watson-Crick建立DNA双螺旋结构模型提供了重要依据。1953年DNA双螺旋结构模型的提出，被认为是本世纪在自然科学中的重大突破之一。分子生物学所取得的突飞猛进的发展与DNA双螺旋结构模型的建立是分不开的。20世纪70年代DNA重组技术的出现，被认为是分子生物学的第二次革命。人们终于可以按照拟定的蓝图设计出新的生物体。它改变了分子生物学的面貌，并导致一个新的生物技术产业群的兴起。二、词汇purine嘌呤adenine腺嘌呤guanine鸟嘌呤pyrimidine嘧啶thymine胸腺嘧啶cytosine胞嘧啶uracil尿嘧啶doublehelix双螺旋replicationfork复制叉Okazakifragment冈崎片断semiconservativereplication半保留复制三、课文翻译1.GenesCodeforParticularProteins1.基因编码特定的蛋白质ThefirstscientisttoinvestigatethequestionofhowgenesaffectphenotypewasSirArchibaldGarrod,whosestudiesofalkaptonuriaimpliedarelationshipbetweengenesandenzymes.ThirtyyearslaterBeadleandEphrussishowedarelationshipbetweenparticulargenesandbiosyntheticreactionsresponsibleforeyecolorinfruitflies.Next,inaseriesofclassicexperimentsontheeffectsofmutationsinthebreadmoldNeurosporacrassa,BeadleandTatumexploredtheone-gene-one-enzymehypothesis-theideathateachgenecodesforaparticularenzyme.Theirworkpavedthewayforotherresearcherstoelucidatetheprecisewaysinwhichenzymesaffectcomplexmetabolicpathways.阿奇博尔德加罗德爵士是最早研究基因怎样影响表型的科学家，他对黑尿病的研究表明基因和酶之间具有关联。30年后比德尔和伊弗鲁西在果蝇中揭示了特定的基因和决定眼睛颜色的生物合成反应之间存在关系。接着，通过面包霉粗糙脉孢霉Neurosporacrassa研究突变作用的一系列经典实验，比德尔和塔特姆研究一基因一酶假说，这个假说认为每个基因编码一个特定的酶。他们的工作为其他研究人员阐明酶影响复杂代谢途径的精确方式奠定了基础。In1949,inresearchontheroleofhemoglobininsicklecellanemia,LinusPaulinghelpedrefinetheone-gene-one-enzymehypothesisintotheone-gene-one-polypeptidehypothesis.1949年，莱纳斯波林在研究镰刀形红细胞贫血症中血红蛋白的作用过程中，帮助把一基因一酶假说精炼成一基因一多肽假说。研究背景：一个生物体的特征是由它的各部分表型组成的，而各部分的表型又由其组成细胞的表型所决定，细胞的表型由它内部的化学物质所决定，这些化学物质又是受着催化代谢反应的酶所控制，酶的功能依赖于它的三维结构，三维结构又取决于酶的氨基酸种类和线性排列，氨基酸种类和线性排列是由基因所决定的。因此归根到底基因决定表型，即基因是一个控制生物体性状的功能单位。虽然直到二十世纪四十年代才确定蛋白质在决定生物表型中的作用，但在1902年，英国医生Garrod在对一人类的常见先天代谢病--黑尿病(alcaptonuria)的研究中就已经形成这种初步的想法。这种病人表面上健康，不过他们的尿液在空气中放置一段时间后会变黑，而正常人的尿液不会变黑。尿液中变黑的东西是尿黑酸，尿黑酸是无色的，但在空气中氧化后就变成黑色。正常人的血液中有一种尿黑酸氧化酶(homogentisicacidoxidase)，能把尿黑酸转变成乙酰醋酸，最后分解成CO2和水。黑尿病病人不能形成尿黑酸氧化酶，因此尿黑酸不能进一步转变，就直接在尿液中排泄出来.尿黑酸的代谢途径是这样的：一部分酪氨酸除参与构成我们身体中的蛋白质外，另一部分酪氨酸上的氨基为一个氧原子所代替，氧化成为对羟基苯丙酮酸，于是通过尿黑酸，乙酰醋酸而逐步降解为CO2和水，其中每一步都需要特定的酶，这些酶在正常人体中都能产生。Garrod通过家系分析推断，黑尿病是由于一个隐性突变引起的，这个隐性突变阻断了尿黑酸(homogentisicacid)的正常代谢途径。现在我们已经知道黑尿病是由于尿黑酸氧化酶基因的隐性突变造成的，它阻断了尿黑酸转变成乙酰醋酸的过程。如果把黑尿病基因写作a，那么黑尿病人的基因型是aa，正常人的基因型是AA或Aa。虽然Garrod在那个时代并不确切知道是哪个步骤被阻断了，但他正确地推测出了是由于一个酶的失常造成的。他第一个提出基因和酶之间关系，认为基因是通过控制酶和其他蛋白质合成来控制细胞代谢的，一个基因的缺陷引起一种酶的变化，从而产生一种遗传性状。不幸的是Garrod的工作和孟德尔的发现一样被埋没了许多年，直到1940年Beadle和Tatum提出一基因一酶(onegene-oneenzyme)的概念才得到认识。Beadle和Tatum利用粗糙脉孢霉(Neurosporacrassa)突变体充分证明了单个基因与单个酶之间的直接对应关系，他们的这一工作于1958年获得诺贝尔奖。野生型脉孢霉可以在仅含有无机盐、糖和维生素的基本培养基上生长，因此他们推理认为对于其细胞生长所必需的化合物的合成一定是由遗传控制的，于是他们开始证实这一推理。首先他们用X-射线或紫外线照射脉孢霉的分生孢子，期望获得某些影响特殊代谢的突变型，然后他们将辐射过的孢子与另一相对交配型的野生型孢子杂交，这时获得的子代中有些是不能在基本培养基上生长但可以在加有多种有机物的完全培养基上生长，然而有些孢子仅在加有了某一成分（如精氨酸）的培养基上就能生长，并且这种营养依赖是可以遗传的，这就暗示了控制精氨酸合成过程中某个步骤的基因有了缺陷，他们获得了许多这种单一缺陷的营养突变型。接下来的工作是进行生化途径分析，逐一证明哪个突变型是由哪一个酶的缺陷造成的。这样他们得出结论认为一个基因的缺陷导致一个基本酶的缺陷，从而产生一个生长依赖突变型，即一个基因一个酶。在有的情况下，不同的突变可引起相同的营养缺陷，如精氨酸(Arginine)的合成需经历许多步骤，要求一系列的酶，这些酶又都是由不同的基因所编码的，因而这些基因中任何一个发生变化都会导致精氨酸依赖突变型的产生。首先人们从一系列精氨酸合成代谢突变品系中发现了四个突变位点argE、argF、argG和argH，每个位点的缺陷型对鸟氨酸、瓜氨酸、精氨琥珀酸和精氨酸的反应是不同的，如对于argE品系只要添加了其中的任何一种氨基酸在基本培养基上就可使其生长，而对于argH品系仅在添加了精氨酸的培养基上才能生长等。这个实验说明，argE品系是由于合成鸟氨酸的代谢途径发生缺陷，即控制合成乙酰鸟氨酸酶的基因发生了突变，而其它步骤的酶都是正常的，同理从其它缺陷品系也表明了相应的酶的缺陷，从这里我们也可以说是一基因一酶。现已知道，这四个突变品系的四个突变位点分别位于四个不同的染色体上.一基因一酶学说首先阐明了基因是通过对酶的控制来决定生物的性状的，自从Beadle和Tatum的工作后，从许多不同的生物中都发现很多酶的缺陷是由于单个基因的突变引起的。现在我们已经知道一基因一酶说并不是很准确的，因为基因所编码的蛋白的功能是多样的，不只是酶这种形式，再说许多酶是二聚体或四聚体的，而其中的每一个亚单位都是由一个基因决定的，例如血红蛋白是脊椎动物血液中的一种蛋白质，它很容易与分子氧结合，它将氧从肺部经血液循环带至身体的各个部分，血红蛋白分子由4个亚基组成，其中2个多肽，两个多肽，因此需要2个基因来产生一个有功能的血红蛋白分子，这样将一基因一酶的概念变成了一基因一多肽的概念就更为准确。2.TheSearchfortheChemistryandMolecularStructureofNucleicAcids2.核酸的化学和分子结构的研究Nucleicacid,originallyisolatedbyJohannMiescherin1871,wasidentifiedasaprimeconstituentofchromosomesthroughtheuseofthered-stainingmethoddevelopedbyFeulgenintheearly1900s.FrederickGriffith’sexperimentswiththeRandSstainsofpneumococcishowedthatanasyetunknownmaterialfromonesetofbacterialcouldalterthephysicaltraitsofasecondset.Inthe1940stheteamofAvery,MacLeod,andMcCartyshowedthatthisunknownmaterialwasDNA.AtaboutthesametimeP.A.LevenediscoveredthatDNAcontainedfournitrogenousbases,eachofwhichwasattachedtoasugarmoleculeandaphosphategroup-acombinationLevenetermedanucleotide.核酸，最初由约翰米歇尔在1871年分离出来，通过使用Feulgen在20世纪初发明的红-染方法，被鉴定为染色体的主要成分。弗雷德里克格里菲斯利用R型和S型菌株的肺炎双球菌的实验显示来自一种细菌的未知物质能改变另一种细菌物理特性。在20世纪40年代，埃弗里、麦克劳德和麦卡蒂组成的团队揭示这种未知的物质是DNA。几乎同时，莱文发现DNA包含4个含氮碱基，每个附在一个糖分子和磷酸基团上，莱文称这个复合物为核苷酸。DisagreementoverwhetherDNAcouldcarrycomplexgeneticinformationwasendedintheearly1950sbyMarthaChaseandAlfredHershey,whoseworkwithE.colishowedclearlythatDNA,andnotprotein,isthebearerofgeneticinformation.20世纪50年代以MarthaChase和AlfredHershey利用大肠杆菌清楚表明DNA（不是蛋白质）是遗传学信息的载体。他们的工作结束了DNA能否携带复杂遗传学信息的分歧。EachDNAnucleotidecontainsafive-carbonsugar,deoxyribose,attachedtooneoffourbases:adenine,guanine,cytosine,orthymine.Adenineandguaninemoleculesaredouble-ringstructurescalledpurines,whilecytosineandthyminearesingle-ringstructurescalledpyrimidines.Themoleculemadeupofabaseplusasugaristermedanucleoside.IneachmoleculeofDNAaphosphategrouplinksthefive-carbonsugarofonenucleosidetothefive-carbonsugarofthenextnucleosideinthechain.Thisphosphatebondingcreatesasugar-phosphatebackbone.每个DNA核苷酸包含一个5碳糖脱氧核糖，并和四种碱基中的一种相连：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶或者胸腺嘧啶。腺嘌呤和鸟嘌呤分子是称为嘌呤的双环结构，而胞嘧啶和胸腺嘧啶是称为嘧啶的单环结构。由一个碱基和糖组成的分子被称为核苷。在每个DNA分子中，一个磷酸基团将一个核苷中5碳糖与链中下一个核苷中5碳糖连接起来。这种磷酸键产生了糖磷酸骨架。Chargaff’srulesdescribethefactthat（1）theamountofadenineisequaltotheamountofthymineinDNA，withamountofcytosineequaltothatofguanine，and（2）theratiosofAtoTandofCtoGvarywithdifferentspecies．Chargaff规则描述以下事实：(1)DNA中腺嘌呤的数目等于胸腺嘧啶的数量，鸟嘌呤等于的的胞嘧啶的数量，(2)A-T和C-G的比率随不同物种而变化。3.TheResearchRacefortheMolecularStructureofDNA3.DNA分子结构的飞速研究Inthelate1940sandearly1950s，researcherslookingforthestructureofDNAdrewuponChargaff’sinsight，Levene’sideasonDNAcomponents，andtwootherlinesofevidence．OnewasthesuggestionofLinusPaulingthatDNAmighthaveahelicalstructureheldinplacebyhydrogenbonds，andtheotherwasX-raydiffractionphotosofDNA，showingahelicalstructurewithdistancebetweenthecoils，takenbyFranklinandWilkins．20世纪40年代后期和20世纪50年代早期，寻找DNA的结构的研究人员借鉴Chargaff的见解，莱文的关于DNA组成观点和其他两条证据。一是莱纳斯波林的建议：DNA可能是被氢键固定的一个螺旋状的结构，另一个是富兰克林和威尔金斯拍的DNA的X射线衍射照片，显示为一个螺旋状的结构，具有一定的螺距。BasedonthisinformationWatsonandCrickproposedthedoublehelixmodelofDNA-atwistedladder-likemoleculewithtwooutersugarphosphatechainsandrungsformedbynucleotidepairs．Pairednucleotides，whichalwaysoccurasA-TorG-C，arelinkedbyhydrogenbonds，WatsonandCrickalsoproposedthatgeneticinformatationisencodedbythesequenceofbasepairsalongtheDNAmolecule．基于以上信息，Watson和Crick提出DNA双螺旋模型：盘旋梯子样的分子，外面是两条磷酸糖链，中间是核苷对（碱基对）形成的横档。配对的核苷，总是以A-T或G-C出现，他们之间以氢键相连，Watson和Crick也提出沿DNA分子排列的碱基对顺序编码遗传信息。4.HowDNAReplicates4.DNA怎样复制IntheirmodelofDNAstructureandfunction，WatsonandCrickhypothesizedthatDNAreplicatesitselfby＂unzipping＂alongthehydrogenbondsjoiningAtoTandCtoG，Thisprocesswouldproducetwooppositehalvesthatcouldthenserveastemplatesfortheconstructionofnew，complementarystrands.Thismodelofsemiconservativereplication-conservativebecauseeachnewmoleculehasonehalfoftheformerparentmolecule-waslaterconfirmedbytheworkofMeselsonandStahl．在他们的DNA结构和功能模型里，Watson和Crick猜测DNA通过依次拉开A-T和G-C之间的氢键进行自身复制。这个过程将产生互补的单链，这些单链可以作为合成新的互补链的模板。这种半保留复制-说它保留是因为每个新分子有一半是亲本分子，随后被梅塞尔森和斯塔尔的工作确认。InE.coliDNAreplicationbeginswiththeformationofabubblelikestructureonthecircularchromosomethatisproducedbyreplicationforks.StudiesofbacterialDNAreplicationhaveshownthatagrowingDNAchainlengthensonlyinthe5’to3’direction（fromthe5’carbonofonesugartothe3’carbonofthenext）.Theleadingstrandissynthesizedcontinuously，whilethelaggingstrandissynthesizedinshortstretchesknownasOkazakifragments.TheenzymeDNApolymeraselinksfreenucleotidesastheylineuponthetemplateformedbytheoriginalstrandoftheparentmolecule．E.coliDNA复制起始于复制叉在环状染色体上产生的泡状结构。细菌的DNA复制研究已经显示正在合成的DNA链只能从在5’向3’方向延长(从一个糖分的5’碳向下一个糖分子的3’碳)。前导链被连续合成，而滞后链以被称为冈崎片断的短链方式合成。当游离的核苷排列在由原先亲本分子链形成的模板上时，DNA聚合酶将它们连接起来。IneukaryotesDNAreplication