05-第五章 遗传的分子基础

第六章遗传的分子基础I. 遗传物质是什么？染色体的化学成分：蛋白质：组蛋白(相对含量1)染色体非组蛋白(0.5-1.5)核酸：DNA(1)RNA(0.05)1.遗传物质的发现过程1). Friedrich Miescher(1869)从医院绷带脓液中分离出“核素”，并指出其中含有蛋白和核酸。

2). 19世纪末，分离出“核酸”。

3). 1930s,Levene、Jacobs等证明核酸由糖、磷酸和含量大致相等的四种碱基构成，导致“四核苷酸假说” (tetranucleotide hypothesis)，认为DNA不可能是遗传物质。

4). Erwin Chargaff(1950)通过研究不同生物DNA的化学成分,发现了DNA中各碱基的含量因物种而有微小差异，从而否定了“四核苷酸假说”,同时提出了Chargaff 规则：(1).T+C=A+G;(2).A=T;G=C;(3).A+T≠G+C。

2.细菌的遗传物质是DNAGriffith(1928)发现肺炎双球菌转化，Avery (1944)证实转化因子是DNA而不是蛋白质，证实了遗传物质是DNA，并由Hotchkiss进一步证实。

3.噬菌体的遗传物质是DNAA.D.Hershey,Martha Chase(1952),用噬菌体T2感染大肠杆菌的放射性同位素标记示踪实验最终证实了遗传物质是DNA。

4.有些病毒的遗传物质是RNA有些病毒只含有RNA和蛋白质，不含有DNA, 称为RNA病毒，又叫做逆转录病毒。

如烟草花叶病毒(tobacco mosaic virus, TMV)，其遗传物质是RNA。

5. DNA和RNA的分布1). 高等动植物体内，绝大部分DNA在细胞核内的染色体上，细胞质中只有少量的DNA,存在于叶绿体和线粒体等细胞器内。

RNA则在细胞核和细胞质中都有。

核内RNA主要集合在核仁上，少量在染色体上。

2). 细菌也含有DNA和RNA,多数噬菌体只有DNA,植物病毒多数只有RNA,动物病毒则有些含有DNA,有的含有RNA。

6.染色体的形态1.中间着丝粒或亚中间着丝粒(metacentric or submetacentric)2.近端着丝粒(acrocentric)3.端着丝粒(telocentric)7.染色质的结构绳珠模型和30nm纤维8.染色质环的结构II. DNA结构1.DNA结构的发现2.DNA和RNA的结构3.DNA结构模型4.DNA的构型5.DNA变性和复性1. DNA结构的发现2. DNA和RNA的结构DNA的化学成分DNA RNA化学碱基(base) A T G C A U C G 成分糖(sugar) 脱氧核糖核糖(deoxyribose) (ribose)磷酸(phosphoric acid)结构脱氧核糖核苷酸核糖核苷酸单元deoxyribonucleotide ribonucleotide3. DNA结构模型4. DNA的构型B-DNA A-DNA Z-DNA 螺旋类型：右手螺旋右手螺旋左手螺旋每圈螺旋含碱基数目：10.4 11 12碱基平面与分子中轴：垂直几乎垂直不垂直存在状态：正常高盐、脱水真核基因组生理DNA-RNA 与基因表达条件异源双链调控有关(heteroduplex)5. DNA变性和复性1)变性(denaturation)：加热、碱性2)复性(renaturation) = 退火(annealing)缓慢降温3)解链温度(melting temperature, Tm )4)退火温度(annealing temperature)If primer <30 mer:Tm=(G+C)⨯4 ︒C +(A+T) ⨯2︒C;annealing temperature is 3-8︒C lower than Tm value;III. DNA的复制1. 遗传物质的本质和功能1). 遗传物质的本质(1).能忠实自我复制：保持遗传信息基本不变地传递(2).带有遗传信息：能合成蛋白质并决定生物性状(3). 允许变化：导致生物变异和进化2). DNA的功能(1). 自体催化（autocatalysis)：自我复制(2). 异体催化（heterocatalysis)：控制蛋白质合成2. DNA的复制的机制半保留复制semiconservative replication全保留复制conservative replication分散复制dispersive replication3. DNA复制的过程1. 遗传物质的本质和功能2. DNA的复制的可能机制1). DNA复制是半保留复制2). DNA 复制是双向复制3). 复制起点、复制叉和复制子4). DNA的复制连续性的可能机制5). DNA 复制是半不连续复制Okazaki实验证实DNA 复制是半不连续复制1)前导链(leading strand)2)滞后链(trailing strand or lagging strand)3)冈崎片段(okazaki fragment)3. DNA复制的过程1). 链的分离(strand separation)（1）解旋酶(helicase)：解开螺旋，打开双链；（2）单链结合蛋白(single-strand-binding protein,SSB)：防止双链重新结合；（3）拓扑异构酶(topoisomerase)：又叫DNA促旋酶(gyrase)，形成负超螺旋结构2). 复制的起始(initiation)DNA聚合酶的特点：（1）合成方向只能是5…→3‟，（2）不能独立开始合成，只能延伸引物（3）必须由RNA引物引导，引物由引发体合成复制的起始(initiation)（1）引物酶(primerase)（2）引发体(primosome)（3）引发体与复制起点发夹结构(hairpin)结合3). 链的延伸(elongation)链的延伸(elongation):•DNA聚合酶Ⅲ全酶(DNA polymerase Ⅲholoenzyme)•复制体(replisome)•同时合成滞后链和前导链•DNA聚合酶Ⅰ(DNA polymerase Ⅰ)•连接酶(ligase)连接缺口(nick)4). 复制的终止(termination)复制的终止(termination)•噬菌体线形DNA复制后立即终止• E.coli 环形DNA复制后两个子DNA相互缠绕需由拓扑异构酶（如DNA促旋酶）分开。

IV. RNA的种类、结构和功能•mRNA: 信使RNA (messenger RNA)•rRNA: 核糖体RNA (ribosomal RNA)•tRNA: 转运RNA (transfer RNA)•snRNA: 核小RNA (small nuclear RNA)•siRNA: 小干涉RNA (small interference RNA) 1. tRNA的结构和功能三叶草形平面结构L形空间结构1)反密码子环(anticodon loop)2)氨基酸臂(acceptor stem, amino acid arm)3)双氢尿苷环(dihydro U loop, D loop)4)TψC环(TψC loop)5)额外环(extra loop)2. mRNA 结构和功能3. 遗传密码•三联体密码子（triplet codon)•无重叠，无停顿•简并性(degeneracy)•通用性(univeral)•无义即终止密码子(nonsense /stop codon) 4. 核糖体和rRNA的结构和功能V. 蛋白质的结构和功能1. 蛋白质的一级结构一级结构(primary structure)1. 氨基酸(amino acid)NH2-CH-COOH|R2.肽键(peptide bond)3.多肽链(polypeptide)NH2-CH-C — NH-CH-COOH| || |R O R2. 蛋白质的二级结构(secondary structure)α-螺旋(α-helix )β-折叠(β-pleated sheet )β-转角(β-turn ):发夹结构( hairpin )3. 蛋白质的超二级结构4. 蛋白质的结构域5. 蛋白质的三级结构6. 蛋白质的四级结构7. 蛋白质的功能（表型）1)细胞成分:如膜蛋白、组蛋白2)酶：如胃蛋白酶、DNA聚合酶3)运输载体：如血红蛋白4)激素：如胰岛素5)受体：如激素受体6)抗体：如免疫球蛋白VI. 基因表达•中心法则及其发展•基因表达的过程(1)转录(transcription)(2)翻译(translation)1. 中心法则2. 基因表达的过程遗传信息的流向：DNA—◊RNA—◊蛋白质转录翻译1)转录(transcription)起始(initiation)延伸(elongation)终止(termination)1)翻译(translation)起始(initiation)延伸(elongation)终止(termination)1）. 转录(transcription)2）. 翻译(translation)翻译就是蛋白质的生物合成过程1.起始(initiation)：起始复合物包括σ因子、核糖体30s亚基，mRNA、Met-tRNA和肽基转移酶(peptidyl transferase)2.延伸(elongation)：延伸因子如TF1、TF2等将氨基酰-tRNA加入肽链，并使核糖体在mRNA上移动。

3.终止(termination)：当核糖体遇到终止密码子，没有合适的氨基酰-tRNA，释放因子(releasefactor)如ρ因子，使肽链与P位置的tRNA分开，mRNA释放，核糖体亚基解离。

3 一个基因一个酶Beadle和Tatum用X射线处理红色面包霉，使它的基因改变，再观察它的生物化学变化的改变。

结果发现，生物体内的生物化学反应都是由基因一步一步控制的，不同的基因控制着不同的生物化学反应.这些反应是由不同的酶催化的，而酶的形成和表现活性是由不同基因控制的，提出了著名的“一个基因一个酶”学说。

(一) 红色面包霉的生化突变型1. Beadle红色面包霉的生化突变型●野生型：基本培养基●突变型(a)：基本培养基+精氨酸●突变型(c)：基本培养基+瓜氨酸(精氨酸)●突变型(o)：基本培养基+鸟氨酸(精+瓜)2. 推理●红色面包霉在合成它生活所需物质时，要经过一系列的生化过程，而每一个系列化过程又由一定的基因所控制。

根据以上实验，可以推论精氨酸的合成步骤与基因的关系为：前体o 鸟氨酸 c 瓜氨酸 a 精氨酸由此可以看出，精AA的合成至少需要A、C、O三个基因，其中一个基因发生突变，精氨酸都不能合成。