第二章遗传的物质基础高教.ppt

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1、学习目标 1.掌握基因、外显子、内含子、复制子、转录、翻译、遗传密码、基因突变的概念； 2.理解有丝分裂和减数分裂各时期细胞的主要特征、断裂基因的结构、真核基因的转录后加工环节、中心法则的内容； 3.了解原核细胞与真核细胞的区别、DNA的结构与功能、基因侧翼序列的组成及作用、基因突变的诱发因素和后果。,第二章 遗传的物质基础,第一节 遗传的细胞学基础 发 展 简 史,1665年Hooke（英国）发现细胞cell。,1677年Leeuwenhoek（荷兰）发现活细胞。,1859年 Darwin完成了物种起源，提出了进化论(theory of evolution),1865年Mendel 的豌豆实

2、验，揭示了生物遗传的基本规律,18381839年，Schleiden和Schwann创立了细胞学说 细胞学说：细胞是生物结构和功能的基本单位。整个机体由细胞和细胞的产物组成。,1953年Watson和Crick提出DNA分子的双螺旋模型,克隆羊Dolly 1996年英国爱丁堡大学I.Wilmut等报道他们 首次使用一只母羊的乳腺细胞的细胞核成功地 克隆出世界上第一只克隆哺乳动物多莉羊。,一、细胞的基本结构,大小有差别,形态多种多样，与功能相适应,（一）原核细胞 细胞壁(cell wall) 质膜:结构和化学组成与真 核细胞相似 . 拟核(nucleoid) :无核膜包围 的区域，DNA为一条裸

3、 露 的DNA。 核糖体：有 转录与翻译同时同地进行。 无膜性及其他非膜性细胞器,（二）真核细胞 1、真核细胞的基本结构 细胞膜： 细胞质：膜性细胞器；非膜性细胞器 细胞核：DNA含量远远大于原核细胞，编码的蛋 白质种类繁多。转录与翻译不同时同地进行。,原核细胞与真核细胞比较,真核细胞的形态结构,（二）细胞质,（三）细胞核,（一）细胞膜,内质网 线粒体 核糖体 高尔基复合体 溶酶体 中心体,1.细胞膜的化学组成 由类脂（主要是磷脂分子）、蛋白质及少量糖类构成，此外还有水和无机盐。,液态镶嵌 模型模式,有序性 不对称性 流动性,特点：,细胞膜结构,2.细胞质（cytoplasm),细胞质：是细胞

4、膜内、细胞核外的细胞所有部分，包括具有一定形态和功能的细胞器、细胞骨架和细胞基质。,(1)内质网,结构：由管状、泡状、扁平囊状的膜结构连成 网，内连核膜，外连细胞膜 分类：滑面内质网和粗面内质网 功能：与蛋白质、脂类和糖类的合成有关 是蛋白质等的运输通道,内质网结构,核膜,核糖体,光滑型 内质网,粗糙型 内质网,(2)线粒体,结构：双层膜、嵴、基粒、基质 成分：含有与有氧呼吸有关的酶，少量 DNA和 RNA 功能：有氧呼吸的主要场所，产生ATP,(3)核糖体,成分：蛋白质、rRNA 和酶 分类：附着核糖体和游离核糖体 功能：合成蛋白质的场所,(4)高尔基复合体,结构：由扁平囊、大囊泡、小囊泡组

5、成 功能：与细胞分泌功能有关,2）特点：动态结构 RER 芽生 小囊泡并入扁平囊上 大囊泡脱离（带走分泌物，维持新陈代谢）,3)高尔基复合体的功能,高尔基复合体与细胞中糖蛋白的加工、分泌有关。,(5)溶酶体,结构：由一层单位膜包围，内含50余种酸性水解酶 功能：分解细胞大分子物质,1).异溶作用：异体吞噬 自体吞噬 2).自溶作用：生理性自溶 病理性自溶（矽肺、溶酶体病如糖原积累病患者溶酶体内缺乏葡萄糖-6-磷酸酶，使糖原无法分解而造成。） 3)粒溶作用：分解细胞内颗粒物质,调节激素或其他分泌物的量。,溶酶体的功能,受精作用,溶酶体的自溶作用：蝌蚪尾部吸收,(6)中心体,结构：含有两个中心粒，

6、垂直排列 功能：参与细胞有丝分裂,细胞核结构,核孔,染色质,核膜,核仁,1.核膜：又称核被膜，呈两层单位膜，分为外膜和内膜。外膜表面附着核糖体，核周隙与内质网管腔相通。内外膜在许多地方融合形成核孔，是大分子物质进出核的通道。 2.核仁：是单个或多个球形小体。大小、形状和数目随生物种类、细胞类型和细胞代谢状态而变。核仁是rRNA的转录和核糖体亚单位的装配场所。 3.染色质和染色体：是遗传物质的载体，为同一种物质在不同时期的存在形式。 4.核基质：又称核液，是细胞核的内环境，参与核内DNA复制、基因表达与调控及染色体的构建等。,染色质：是细胞间期核内伸展开的DNA蛋白质纤维。,螺旋化,二、染色质和

7、染色体,染色质 染色体 （分裂间期） （分裂期）,组蛋白（H1、H2A、H2B、H3、H4） 非组蛋白,DNA 蛋白质,染色质,（一）成分及结构,基本单位：核小体 核心颗粒：四种组蛋白（ H2A、H2B、H3、H4 ）构成八聚体，外面围绕1 3/4 周的核心 DNA 连接区：相临两个核心由60bp的DNA相连， H1位于表面,染色体（23对，46条）DNA链总长2米细胞核直径0.006mm,四级结构: 由超螺线管在缠绕折叠中期染色体（两条染色单体 直径1400nm, 5） 三级结构：螺线管进一步折叠螺旋化超螺线管（直径0.4m, 40) 二级结构： 串珠进一步螺旋化，每6个核小体一个螺旋螺线管

8、（直径30nm, 6) 一级结构： 无数个核小体通过一条DNA分子串联起来串珠状纤维（7）,从DNA到染色体对压缩过程,（二）常染色质和异染色质,（三）性染色体和性染色质,人染色体46条（23对），122对为常染色体，X、Y决定性别的称为性染色体。 X、Y染色体在间期细胞中以染色质形式存在- X、Y染色质。,1.X-染色质 (1)表现：正常女性在间期体细胞核中，有一紧贴核膜内缘、直径约为1的椭圆形浓染小体(Barr body)。 (2)“赖昂假说”的内容 * 剂量补偿：女性有两条X染色体，但只有一条有转录活性，另一条失活，并在间期细胞核中螺旋化呈异固缩状态，形成X-染色质； * 随机失活：失活

9、的X染色体，可以是来自父方，也可以来自母方； *失活发生在胚胎早期：胚胎发育第16天即失活。 *部分基因失活 。 *失活是永久的和克隆式繁殖的。,X染色质 A、B、C、D、E：分别为含0、1、2、3、4个X染色质,2.Y-染色质 正常男性的体细胞中只有一条具有活性的X染色体，另外还有一条Y染色体，所以看不到X-染色质。如果用荧光染料染色后，可以在荧光显微镜下看到细胞核中有一个直径约0.3的强荧光小体，即Y-染色质或Y-小体。,谢谢大家！,三、细胞增殖,有丝分裂：指一个细胞分裂产生两个在遗传上与亲代完全相同的细胞的过程。,（一）有丝分裂,特点：DNA复制1次（染色体复制1次）细胞分裂1次，产生2

10、个子细胞，染色体数目仍是2n 意义：细胞增殖，子细胞保持了与母细胞相同的全套遗传物质，从而保证了机体所有细胞的染色体数目恒定。,动物细胞的有丝分裂,有丝分裂的细胞周期,G1期: RNA和蛋白质，为DNA复制做准备 S期: 合成DNA及组蛋白和DNA复制所需的酶 G2期：合成与细胞分裂有关的微管蛋白等,分 裂 期,前期:,中期:,后期:,末期:,染色体、纺锤体消失；核膜、核仁、细胞板出现，并形成细胞壁,着丝点分裂、染色单体分开、两组染色体向两极移动,染色体出现、纺锤体出现核膜 核仁消失、染色体散乱排列,所有染色体的着丝点排列在赤道板上,间期,前期：染色质凝集成染色体，核仁核膜消失，纺锤体形成、决

11、定细胞极性 中期：染色体排列于赤 道板、纺锤体牵引染色体 后期：着丝粒分裂、染色体移向两极 末期：染色体至两极、核膜核仁出现、细胞一分为二,（二）减数分裂,1.减数分裂概念 在生殖细胞增殖过程中，染色体复制一次，而细胞连续分裂两次，结果子细胞染色体减为原来一半的一种特殊的有丝分裂方式。,间 期,G1期 S期 G2期,分裂期,减数第一次分裂,前期 中期 后期 末期,减数第二次分裂,前期 中期 后期 末期,同有丝分裂,2.减数分裂各期特点,减数分裂动态过程,减数分裂,前期：分五段(细线期、偶线期、粗线期、 双线期、终变期) 中期：四分体排列形成赤道板，纺锤丝与着丝粒相连并朝向两极。 后期：同源染色

12、体彼此分离（分离律）,同源染色体随机分配到子细胞中去（自由组合律） 末期：染色体达两极，膜、仁重新出现，形成两个子细胞（N）。,减数分裂,前期：核仁、核膜消失，每个细胞有n个二分体。 中期：各二分体排列在赤道板上。 后期：二分体着丝粒纵裂，形成染色单体，移向两极。 末期：单分体到达两极，形成两个（四个）子细胞。,减数分裂与有丝分裂的比较,间 期,第一次分裂,子细胞,联会,四分体,第二次分裂,比较有丝分裂和减数分裂的异同点,有丝分裂,无丝分裂,比较项目,分裂次数,一次,连续两次,子细胞性质,体细胞,生殖细胞,子细胞中染色体的数目,与体细 胞相同,减少一半,子细胞数量,两个,四个,同源染色体 的行

13、为变化,无,联会、交叉互换、 四分体彼此分离,3.减数分裂的生物学意义 保持物种的稳定性: 2nn2n 染色体分离与随机分配不同生殖细胞， 223=8388608种组合。 互换Gene重组，有利于DNA修复，基因组稳定性，增加了生殖细胞中染色体组成的差异，增加了遗传物质的组合遗传物质的多样性生物的多样性 进化。 X、Y染色体经减数分裂形成X、Y两类精子，决定受精卵性别，精、卵形态和功能不同，有利于受精。 是分离律和自由组合律（后期I）、互换（粗线期）的细胞学基础。,（四）配子发生与性别决定 1.人类精细胞的发生 2.人类卵细胞的发生 3.性别决定,第二节 遗传的分子基础,DNA的分子组成 脱氧

14、核糖碱基脱氧核苷磷酸脱氧核苷酸 碱基：A、T、C、G 双螺旋结构要点：,一、遗传物质的结构与功能,（一）DNA分子结构,要点：,1）脱氧核苷酸借助3，5磷酸二酯键连接成多聚核苷酸链，两条核苷酸链围绕一个中心轴盘绕成双螺旋结构。,2）DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸链围绕同一中心轴螺旋而成，一条链53为编码链，另一条链35为模板链 3）磷酸-脱氧核糖通过3，5磷酸二酯键相连而成的骨架位于螺旋外侧，碱基在双螺旋内侧。,4）碱基配对原则： A总是与T配对，形成两 个氢键；C总是与G配对，形成三个氢键。 5）DNA分子虽然所包含碱基只有四种，但由于DNA链很长（4千40亿个核苷酸），碱基数目很多

15、，所以碱基排列顺序的组合方式是无限的。假如一个DNA有1000个碱基对，则碱基就有41000种不同的排列方式，这意味着DNA分子中能储存极其丰富的遗传信息。,2.复制功能：DNA以自身为模板合成新的DNA分子的过程； 3.转录功能 以DNA分子为模板，互补合成RAN分子的过程；,（二）DNA的功能 1.信息贮存单位：以碱基序列形式贮存无穷无尽的遗传信息；,二、基因 （一）基因种类 1、基因的概念：具有遗传效应的DNA的片段，是遗传物质突变、重组和形成特定遗传功能的基本单位。 2、基因的种类： 结构基因 能够编码蛋白质或酶分子 结构的基因 基因 调节基因 调控基因 操纵子 启动子,外显子 在断裂

16、基因中，具有编码作用的DNA 序列。,内含子 位于两个外显子之间，没有编码作用的DNA序列。,启动子 位于基因转录起始点上游的一段特定的DNA序列，是RNA聚合酶与之相识别、结合的部位，从而启动基因的转录。,增强子 能够增强基因转录活性的一段特定的DNA序列，其作用是增强启动子效应。,终止子 终止子是一段具有转录终止功能的特定DNA序列。,（二）基因的结构,真核基因,编码区,非编码区,非编码区 编码区 非编码区 侧翼序列 断裂基因 侧翼序列,外显子内含子接头序列：每个内含子的5端以GT开始，在3端以AG结束，所以又称为GT-AG法则。,（三）基因的功能 1.遗传信息储存单位 2.自我复制 基因

17、通过自我复制保持遗传的连续性 复制特点：半保留、复制子、半不连续性 3.基因表达 指细胞在生命活动过程中，将一个基因所携带的遗传信息转变成一条多肽链的过程。包括转录和翻译两个步骤。,真核生物的基因表达过程,真核细胞基因的结构及表达示意图,转录,加工,翻译,复制叉（replication fork）,领头链 ( leading strand ) 顺着解链方向生成的子链，其复制是连续进行的，所得到一条连续片段的子链。,复制的半不连续性,领头链的合成,3 ,5 ,3 ,5 ,解链方向,复制方向与解链方向相反，须等待解开足够长度的模板链才能继续复制 ，所得到一条由不连续片段组成的子链 。,随从链 (

18、lagging strand ),冈崎片段（ Okazaki fragment ）,3,5,5,随从链上不连续性片段的连接,转录 定义：以DNA为模板，互补合成RNA的过程。 发生地点：真核细胞的细胞核内 过程： 特点： 1）在转录时，DNA只有反编码链具有转录功能； 2）转录产物的碱基顺序和DNA编码链碱基顺序相同，只是 DNA中的T变成RNA中的U； 3）DNA的反编码链是相对而言的； 4）真核细胞转录后产物必须经过加工才能变成成熟的RNA；,转录后加工 在真核细胞中，由DNA的反编码链生成的RNA分子无生物活性，叫RNA前体，它们必须经过加工、修饰，才能成为有功能的RNA。,原核生物中，

19、DNA链上不存在内含子。,转录后加工模式图,翻译 以mRNA为模板合成多肽链的过程。即将基因转录到mRNA上的遗传“解读”为多肽链的氨基酸种类、数量和排列顺序和过程。 遗传密码 定义：mRNA上每相邻的三个碱基叫遗传密码。 种类：起始密码：AUG 终止密码：UAA、UAG、UGA 特点：分起始密码子和终止密码；兼并性；通用性；方向性。,翻译的过程 (1)氨基酸的活化：活化后才能与相应的tRNA结合； (2)肽链合成的起始： 核糖体小亚基识别mRNA的“帽子”并与之结合，然后向3端移动，寻找翻译起始点，同时，甲硫氨酰-tRNA以其反密码子与mRNA的起始密码子结合，三者共同形成起始复合物。最后大

20、亚基与小亚基结合形成完整的核糖体，这时，甲硫氨酰-tRNA占据了核糖体大亚基的P位，空着的A位准备接受下一个氨基酰-tRNA。,（3）肽链延长： 进位 转肽 移位,循环一次，增加一个氨基酸。,（4）肽链合成的终止与释放 大亚基A位出现终止密码子时，多肽链的合成即终止。 在释放因子的作用下，多肽链与tRNA分离。最后， mRNA与核糖体分离。最后一个tRNA也离开核糖体。 核糖体的大、小亚基彼此分离，翻译结束。,3. 中 心 法 则,基因表达,转录 ( transcription ) 生物体以DNA为模板合成RNA的过程,转录,几种主要的修饰方式 ：,1.剪 接 (splice),2.剪 切 (

21、clavage ),3.碱基修饰,4.添 加,(ppG,pppG) pGoH,Transcription takes place inside the nucleus. Part of a DNA unwinds.,Only one strand acts as a template.,Exposed base attracts complementary RNA.,The enzyme RNA polymerase adds one complementary RNA nucleotide to the existing one.,The enzyme RNA polymerase move

22、s along the DNA.,The enzyme RNA polymerase moves along the DNA.,Complementary RNA nucleotide is added to the growing chain of mRNA one by one.,Complementary RNA nucleotide is added to the growing chain of mRNA one by one.,Complementary RNA nucleotide is added to the growing chain of mRNA one by one.

23、,Complementary RNA nucleotide is added to the growing chain of mRNA one by one.,Complementary RNA nucleotide is added to the growing chain of mRNA one by one.,Complementary RNA nucleotide is added to the growing chain of mRNA one by one.,Complementary RNA nucleotide is added to the growing chain of

24、mRNA one by one.,CYTOLPLASM,mRNA leaves the nucleus through the nuclear pore.,NUCLEOPLASM,Nuclear pore,mRNA leaves the nucleus through the nuclear pore.,CYTOLPLASM,NUCLEOPLASM,Leucine,Aspartic Acid,Threonine,TRANSFER RNA,AMINO ACIDS,Leucine,Aspartic Acid,Threonine,Amino acids combine with the tRNAs

25、using the energy from the splitting of ADP.,Leucine,Amino acids combine with the tRNAs using the energy from the splitting of ADP.,Leucine,ANTICODON,TRANSLATION,CYTOLPLASM,RIBOSOME,mRNA attaches to the ribosome.,Complementary anticodon of the tRNA is attracted to the codon of the mRNA .,Complementar

26、y anticodon of the tRNA is attracted to the codon of the mRNA .,Peptide bond forms between the two adjacent amino acids.,Leucine,Ribosome moves along the mRNA. Another complementary tRNA is attracted to the codon. The first tRNA is released back to cytoplasm.,Leucine,Amino acid is linked to the prev

27、ious amino acids with peptide bond.,Leucine,Aspartic Acid,A tripetide is formed.,Leucine,Aspartic Acid,Threonine,mRNA and tripeptide are released to cytoplasm.,（三）基因突变 1.基因突变的概念及特性 概念：指基因在分子结构上发生的碱基对的组成或排列顺序的改变，也叫点突变。 特性：多向性、可逆性、有害性、稀有性、可重复性。,2.诱发基因突变的因素 自发因素：自然状态下引起的基因突变。 人工诱变：物理因素、化学因素、生物因素。,3.基因突

28、变的分子机制 碱基置换：在基因中，一种碱基被另一种碱基替代的现象。 分为 转换：一种嘌呤被另一种嘌呤取代或一种嘧啶被另一种嘧啶取代； （更常见） 颠换：一种嘌呤被一种嘧啶取代或一种嘧啶被一种嘌呤取代；,T,A,C,G,转换,颠换,一种嘌呤被另一种嘌呤取代或一种嘧啶被另一种嘧啶取代叫转换；一种嘌呤被一种嘧啶取代，或一种嘧啶被一种嘌呤取代，叫颠换。,移码突变 指在基因的碱基序列中插入或缺失1个或几个碱基对（不是3或3的倍数），则在插入或缺失点及其以后的所有密码子全部发生移位性改变。,A C G T G A C C G T A G,T G C A C T G G C A T C,A C G T A

29、G A C C G T A G,T G C A T C T G G C A T C,A-T,基因突变的后果 1.不出现明显的表型改变或对机体不产生可察觉的效应 ； 2.形成正常人体生化组成的遗传学差异，这是生物多样化与进化发展的重要源泉 ；例如，人的ABO血型。 3.基因突变在少数情况下可对机体的生存带来积极的效应 ； 4.引起遗传性疾病，包括基因突变产生的分子病和遗传性酶病 ； 5.严重的致死突变将导致死胎、自然流产或出生后夭折 。,第三节 人类基因组计划与医学,人类基因组计划的诞生 人类基因组计划(human genome project,HGP)是美国科学家于1985年率先提出的。其目的

30、：破译人类自身的遗传信息之谜。1990年10月1日，经美国国会批准美国HGP正式启动，总体计划在15年内投入30亿美元进行人类全基因组的分析。 1994年，我国HGP在吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕明倡导下启动，我国成为参加这项研究计划的唯一发展中国家。 2000年6月26日，人类基因组草图完成。2003年人类基因组序列图完成。2006年，人类最大和最后一个1号染色体的基因测序图完成， 历时16年的人类基因组计划画上了句号。,人类基因组计划的具体内容： 1、对人类基因组进行标记和划分； 2、对基因组DNA进行切割和克隆，并利用特殊的标记将这些克隆并有序排列； 3、测定人类基因组的全部DNA核苷酸序列

31、； 4、确定每一个基因，研究它的结构、特性和功能。,人类基因组研究与医学,揭示疾病的基因机制 基因诊断是一种高速、高效、准确的诊断方。 基因治疗 可针对疾病发生的各个关键环节导入相应基因。 基因预防 “个人医学”提供基础,严重综合免疫缺失症（SCID）患儿从出生时起就必须生活在隔离室中。,思考题,1.细胞分裂过程中，DNA复制发生在( ) A.S期 B.中期 C.后期I D.后期 2.减数分裂过程中只发生一次着丝粒纵裂，它发生在( ) A.前期 B.中期 C.后期 D.后期 3.基因表达时，遗传信息的主要流动方向是( ) A.RNADNA蛋白质 B.tRNAmRNA蛋白质 C.DNAtRNA蛋

32、白质 D.DNARNA蛋白质 4.组成RNA的核苷酸不包括( ) A.ATP B.GTP C.TTP D.UTP,A,C,D,C,A型题,1. 染色质的主要成分是 ( ) A.DNA B.RNA C.组蛋白质 D.多糖 2.基因突变的特性是 （ ） A.多向性 B.可逆性 C.可重复性 D.多发性，普遍性 3.基因的基本特征是 （ ） A自我复制 B直接编码氨基酸 C决定生物性状 D发生突变 4.不能编码氨基酸的序列是（ ） A内含子 B外显子 C启动子、增强子 D终止子,AC,ABC,ACD,ACD,X型题,同学们，再见！,人类基因组计划主要目标：,制图（mapping）,遗传图：基因图（三代遗传标记）,物理图：STS位标、DNA克隆: 带型测序图,测序（sequencing）,载体 自动测序仪 生物芯片 最后完成各个碱基连接分子的测序图,人类基因组计划主要研究方法和技术：,1. 用RFLP等标记出包含大约1 Mb的超大片段进行定位作图 2. 用RFLP把超大片段分割成10多个包含100 kb的大片段，做出它们的物理图 3. 用酵母人工染色体(YACs）或其他载体构建包含其中小片段的一系列重叠的克隆，约0.51.0 Mb 4. 对小片段逐个进行测序，进而实现对整个染色体的测序和作图,