3遗传物质的分子基础2012.ppt

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1、1,第三章 遗传物质的分子基础,2,* 1DNA作为遗传物质的3个直接证据 2核酸的化学结构 * 3染色体的分子结构 4. DNA的复制 5. RNA的转录用加工 6. 遗传密码与蛋白质的翻译,本章重点,3,第一节 DNA作为主要遗传物质 的证据,4,蛋白质 约占66 脱氧核糖核酸(DNA) 约占27 核酸 核糖核酸(RNA) 约占6 其它：如拟脂和无机物质 少量,一、DNA作为主要遗传物质的间接证据： 基因存在于染色体上(真核生物)：,染色体,5,1含量： DNA含量是恒定。体细胞中的DNA含量是配子DNA 的一倍；多倍体中，DNA含量倍增。 但细胞内的蛋白质是不恒定的。 2代谢： 利用放射

2、性与非放射性元素进行标记，发现： DNA分子代谢较稳定； 其它分子一面形成、同时又一面分解。 3突变： 紫外线诱发突变时，最有效的波长均为2600埃； 与DNA所吸收的紫外线光谱是一致的； 证明基因突变与DNA分子的变异密切联系。,6,4分布： .DNA是所有生物染色体所共有： 从噬菌体、病毒植物一直到人类。 .而蛋白质则不同： 噬菌体、病毒、细菌的蛋白质一般不存在于染 色体，只有真核生物的染色体才由核蛋白组成。,E.coli,7,二、DNA作为主要遗传物质 的直接证据,8,1细菌的转化： 肺炎双球菌 特征 抗原型（稳定） 粗糙型(R) 无荚膜、粗糙菌落、无毒 R、R 光滑型(S) 有荚膜、光

3、滑菌落、有毒 S、S、S ,9,格里费斯 (1928) 肺炎双球菌定向转化试验： 有毒S型(65杀死)小鼠成活 无细菌 无毒R型小鼠成活重现R型 有毒S型小鼠死亡重现S型 R型+有毒S型(65)小鼠 死亡重现S型,结论： 在加热杀死的S型肺炎双球菌中有较耐高温的转化物质能够进入R型 R型转变为S型 无毒转变为有毒。,10,阿委瑞(Avery O. T.,1944)试验：,用生物化学方法证明这种活性物质是DNA。 正实验：三个 负实验：三个 结论： 遗传物质DNA是转化因子。,11,2噬菌体的侵染与繁殖 赫尔歇(Hershey)等用同位素32P和35S验证DNA是遗传物质,原理： P存在于DNA

4、，而不存于蛋白质；S存在于蛋白质，而不存于DNA。 32P标记T2噬菌体 35S标记T2噬菌体 结论： 进入菌内的是DNA； DNA进入细胞内才能产生完整的噬菌体。,12,烟草花叶病毒简称TMV (Tobacoo Mosaic Virus)。 TMV的蛋白质外壳和单螺旋RNA接种: TMV蛋白质 烟草 不发病 TMV RNA 烟草 发病 新的TMV TMV RNA + RNA酶 烟草 不发病,3烟草花叶病毒的感染和繁殖,13,佛兰科尔-康拉特-辛格尔(Framkel-Conrat-Singer)试验,结论： 提供RNA的亲本决定了其后代的RNA和蛋白质。 在不含DNA的TMV中，RNA就是遗传

5、物质。,14,第二节 核酸的化学结构,15,一、两种核酸及其分布,16,1核酸： 以核苷酸为单元构成的多聚体，是一种高分子化合物。 五碳糖：脱氧核糖、核糖 核苷酸 磷酸 鸟嘌呤、腺嘌呤 环状的含氮碱基 胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶,17,18,DNA 核苷酸,RNA 核苷酸,五碳糖：脱氧核糖 碱基：A、T、C、G,五碳糖：核糖 碱基：A、U、C、G,19,DNA四种脱氧核苷酸,DNA分子,20,高等植物：DNA存在于染色体上，叶绿体、线粒体； RNA在核（核仁、染色体）、细胞质中。 细菌：DNA和RNA。 噬菌体：多数只有DNA， 植物病毒：多数只有RNA， 动物病毒：有些含RNA、有些含DNA。

6、,2分布：,21,二、DNA的分子结构：,(一)、 “四核苷酸”假说,P.A.T.Levene(1930)提出“四核苷酸”假说，认为： 核苷酸是核酸的基本组成单位； 核酸是“磷酸核糖(碱基)磷酸”的核苷多聚体。 四核苷酸假说奠定了核酸化学基础。但同时认为： 核酸多聚体是由“四核苷酸结构”重复形成； 每个四核苷酸结构包含四种碱基各一个； 所以事实上认为在任何DNA中，四种碱基是等量的，DNA是四核苷酸结构的简单重复。 这种观念影响了人们对核酸生物学功能的进一步认识。,22,*(一)、DNA分子结构的研究,在“四核苷酸结构”理论的误导下，人们普遍认为核酸的组成、结构简单，可能不具有重要功能，一度忽

7、略了对核酸的研究。 上世纪中期，众多研究表明：核酸是遗传信息的载体，显然DNA的结构研究是进一步研究其功能和作用方式的基础。 也由此激发了科学家从事核酸结构研究的兴趣，当时进行DNA结构研究的科学家很多，最重要有：,23,1. 鲍林研究小组,主要工作： 鲍林(Pauling)等1951年(提出蛋白质-螺旋模型后)开始研究DNA分子结构。 根据阿斯伯利Astbury等1938年获得的DNA分子晶体X射线衍射图像(显示DNA分子晶体呈螺旋结构)进行研究。 提出DNA分子三链螺旋结构模型：引入多链、螺旋和氢键等概念。 评价： 虽然他们提出的模型并不正确，但是其研究方向和所采用的方法却为DNA分子结构

8、模型研究确立了方向。 注：1954年鲍林因研究物质聚合力而获得诺贝尔化学奖。,24,三链螺旋,2. 威尔金斯、富兰克林研究小组,主要工作成就： Wilkins和Franklin改进了DNA分子晶体X射线衍射图谱技术； 于1951年获得了更为清晰的图像； 结果表明： 碱基位于螺旋内侧而磷酸基团在外侧， 同时测得了DNA螺旋的直径和螺距。,25,Maurice Wilkins (1916 - 2004),3. 沃生、克里克研究小组,Waston(生物学)、 Crick(物理学)(1951-1953)： 研究手段非常简单：用纸板等做磷酸、核糖和碱基模型，拼凑DNA分子的三维结构。 理论知识深厚、富于

9、创造性；视野广阔、收集信息全面并善于分析利用。,26,3. 沃生、克里克研究小组,主要基于Franklin、Pauling和Wilkins等三个方研究成果，Waston和Crick于1953年提出了他们的第三个DNA双螺旋结构模型。Nature(1953.4.25)核酸分子结构 现在人们公认这是分子遗传学建立的标志。,27,28,（一）DNA双螺旋结构模式 1953年，Watson J. D.和Crick F.H.C.提出； 主要依据为：碱基互补配对的规律 DNA分子的X射线衍射结果,Watson J. D与 Crick F.H.C. 和Wilkins H.F. 一起获诺贝尔奖 (1962)

10、。,3.4 。 A,29,。,。,Watson J. D.和Crick F.H.C. DNA双螺旋结构模型特点：,(1)两条链以右手螺旋形式，平行地环绕于同一轴上，象一个扭曲的梯子。 (2)两条链走向为反向平行(antiparallel)。即一条链磷酸二脂键为53方向，而另一条为35方向，二者刚好相反。亦即一条链对另一条链是颠倒过来的，这称为反向平行。 (3)每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过氢键(hydrogen bond)与它互补的碱基相联系，相互层叠宛如一级一级的梯子横档。互补碱基对A与T之间形成两对氢键，而C与G之间形成三对氢键。上下碱基对之间的距

11、离为3.4。 (4)每个螺旋为34(3.4nm)长，刚好含有10个碱基对，其直径约为20。 (5)在双螺旋分子的表面大沟(major groove)和小沟(minor groove)交替出现。,30,DNA的双螺旋结构模型的意义,1953年，瓦特森(Watson, J. D.)和克里克(Crick, F.) 提出著名DNA双螺旋结构模型，为电镜直观观察所证实。 这个空间构型满足了分子遗传学需要解答的许多问题，例如：DNA的复制、DNA对于遗传信息的贮存及其改变和传递等，从而奠定了分子遗传学的基础。,31,(二)DNA构型之变异 近来发现DNA的构型并不是固定不变的，除主要以右手双螺旋构型(BD

12、NA)。存在外，还有许多变型。 BDNA是DNA在生理状态下的构型。生活细胞中极大多数DNA以BDNA形式存在。但当外界环境条件发生变化时，DNA的构型也会发生变化。实际上在生活细胞内，BDNA一螺圈也并不是正好10个核苷酸对，而平均一般为10.4对。 高盐浓度下时，以ADNA形式存在。ADNA是DNA的脱水构型，它也是右手螺旋，但每螺圈含有11个核苷酸对。ADNA比较短和密，其平均直径为23。大沟深而窄，小沟宽而浅。在活体内DNA并不以A构型存在，但细胞内DNARNA或RNARNA双螺旋结构，却与ADNA非常相似。 某些DNA序列可以以左手螺旋的形式存在，称为ZDNA。当某些DNA序列富含G

13、C，并且在嘌呤和嘧啶交替出现时，可形成ZDNA。ZDNA除左手螺旋外，其每个螺圈含有12个碱基对。分子直径为18，并只有一个深沟。现在还不知道，ZDNA在体内是否存在。,32,33,34,DNA平面结构图,（三）A-T、G-C排列方法有以下四种： A-T 或 G-C 或 G-C A-T C-G 或 A-T A-T C-G 设某一段DNA分子链有1000对碱基，则有41000种不同的排列组合，就可能有41000种不同性质的基因。,35,（四）物种： .不同物种中的DNA的碱基含量不同； .DNA分子上的碱基顺序是一致的，一般保持不变才能保持该物种的遗传特性的稳定。 在特殊条件下，碱基顺序改变，出

14、现遗传变异。,三、RNA的分子结构,从化学组成上看，也是由四种核苷酸组成的多聚体。 与DNA的不同: U代替了T，核糖代替了脱氧核糖。 一个重要不同: 绝大部分RNA以单链形式存在，但可以折叠起来形成若干双链区域。在这些区域内，凡互补的碱基对间可以形成氢键。但有一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。,36,37,第三节 染色体的分子结构,一、原核生物染色体 二、真核生物染色体,38,39,1结构: (1)简单的DNA分子:如细菌、多数噬菌体和 多数动物病毒； (2)简单的RNA分子:如植物病毒、某些噬菌 体和某些动物病毒。 均未与组蛋白结合在一起。,一、原核生物染色体,40,2形态

15、大肠杆菌,41,3数量: 通常原核生物细胞里只有一个染色体，且DNA含量远低于真核生物。 例如: 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3106，长度1.1mm。 蚕豆配子中染色体(n=6)的核苷酸对为 21010， 长度6000mm。 豌豆配子中染色体(n=7)的核苷酸对为 31010， 长度10500mm。,42,二、真核生物染色体 （一）染色质的基本结构:,1、基本结构 染色质(chromatin)是染色体在细胞分裂的间期所表现的形态，呈纤细的丝状结构，故亦称为染色质线(chromatin fiber)。在真核生物中，它是脱氧核糖核酸(DNA)和蛋白质及少量核

16、糖核酸(RNA)组成的复合物。,43,44,2、组成: (1)DNA:占染色质重量的30-40%； (2)蛋白质:包括组蛋白和非组蛋白二类。组蛋白(碱性蛋白)有H1、H2a、H2b、H3和H4等五种，与DNA结合的碱性蛋白，其在细胞中的比列大致为12222。它们是除精子等少数细胞外，为所有生物和细胞所共有。它与DNA的含量比率大致相等，是很稳定的，在染色质结构上具有决定的作用。而非组蛋白在不同细胞间变化很大，在决定染色体结构中作用可能不是很大，它们可能与基因的调控有关。 (3)其它:为一些脂类。,45,2结构:, 奥林斯(Olins A.L.，1974，1978) 柯恩柏格(Kornberg

17、R.D.,1974, 1977) 钱朋(Chambon P.，1978) 通过电镜观察和研究，提出染色质 结构的串珠模型。,由核小体(nucleosome)、连接丝(linker)和一个分子的组蛋白H1。每个核小体的核心是由H2A、H2B、H3和H4四种组蛋白各以两个分子组成的八聚体，其形状近似于扁球状。,46,染色质的基本结构单位,47,48,染色质：P15 图1-5 核小体: 100，由H2A、H2B、H3和H4 4种组蛋白构成； 连接丝: DNA双链 + 组蛋白H1组成。,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 H4 102个氨基

18、酸 1个核小体 (上有1.75圈DNA) + 连接丝 约200个碱基对的DNA,49,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、豌豆中均是102个aa (氨基酸)，其中只有2个aa 不一样。,50,3染色质的种类:,(1)根据染色质反应: 异染色质:染色质线中染色很深的区段； 常染色质:染色质线中染色很浅的区段。 二者化学性质相同，但核酸含量不同，电镜下二 者是连续的。 (2)染色深浅不同的原因: 在间期中，异染色质区段的染色线仍紧密卷曲，故染色深，呈惰性状态； 常染色质区段的染色线解旋松散，故色浅，呈活跃状态。 这一现象称为异固缩即在同染色体上所表现的这一差别。,异染

19、色质：,组成型异染色质(constitutive heterochromatin )和兼性异染色质(facutative heterochromatin)。 组成型异染色质主要是卫星DNA，构成染色体的特殊区域，如着丝点部位等。只与染色体结构有关，一般无表达功能。 兼性异染色质可以存在于染色体的任何部位。它可以在某类细胞内表达，而在另一类细胞内完全不表达。例如，哺乳动物的X染色体。对某个雌性动物来说，其中一条X染色体表现为异染色质，完全不表达其功能，而另一条则表现为功能活跃的常染色质。,51,52,10u,蚕豆中期染色体，异染色质分布,间期细胞中蝙蝠胃内膜细胞的染色质分布。,53,叙利亚仓鼠中

20、期染色体：异染色质分布,整个短臂,整个Y染色体,X染色体长臂,着丝点,54,蕃茄粗线期染色质分布,着丝点,异染色 质,异染色 质,常染色质,55,常染色质和异染色质的区别,56,（二）染色体的结构模型:,57,由两条染色单体(chromatid)组成的。 每条染色单体包括一条染色线(chromonema)，以及位于线上许多染色很深、颗粒状的染色粒(chromomere)。染色粒的大小不同，在染色线上有一定的排列顺序，一般认为它们是由于染色质线反复盘绕卷缩形成的。,1结构:,每个染色体所含的染色质线是单线的，即一个染色体所包含的两条染色单体都分别是单线的：每条染色单体是一个DNA分子与蛋白质结合

21、形成的染色质线。 完全伸展时，直径10nm，长度：mmcm。 中期，直径0.5m，长度10m的染色体，长度缩短1万倍。 在细胞分裂过程中染色质线到底是怎样卷缩成为一定形态结构的染色体的呢？现在认为至少存在三个层次的卷缩。,58,59,折叠卷曲,60,DNA 双螺旋化 为前一级长度的 H2A、H2B、H3、H4 1/7 一级 核小体 螺旋化 + H1 1/6 二级 螺线体 超螺旋化和卷缩 1/40 三级 超螺旋体 折叠卷曲 1/5 四级 染色体 计1/8400 四级螺旋化后DNA双链长度 可压缩800010000倍。,*染色体形成过程中长度与宽度的变化,61,62,3四级螺旋结构: 贝克(Bak

22、 A.L.,1977),63,64,第四节 DNA的复制,65,1瓦特森(Watson)等提出的 DNA半保留复制方式。 其方法为： 一端沿氢键逐渐断开； 以单链为模板，碱基互补； 氢键结合，聚合酶等连接； 形成新的互补链； 形成了两个新的DNA分子。 DNA的这种复制方式对保持 生物遗传的稳定是非常重要的。半保留复制性质，已为1958年以来的大量试验所证实。DNA的这种复制方式对保持生物遗传的稳定具有非常重要的作用。,66,DNA的其它复制方法：,全保留复制(conservative replication)，在复制过程中新的DNA分子单链结合在一起，形成一条新的DNA双链，而亲本DNA双链

23、仍然被保留在一起。 散布式复制(dispersive replication)，在复制过程中亲本DNA双链被切割成小片断，分散在新合成的两条DNA双链分子中。,67,有关DNA复制的其它问题,1、复制的起点？ 2、复制的方向？,68,1、复制的起点？有多少个起点？ 起点是随机的或固定的？,在极大多数细菌及病毒中，只有一个复制起点(ori)，控制整个染色体的复制。所以整个染色体也就是一个复制子(replicon)。复制子是指在同一个复制起点控制下合成的一段DNA序列。 在大肠杆菌中，其DNA复制起点由245个碱基对(bp)组成，其中有二段保守的重复序列。第一个是13bp的序列连续重复三次，该序列

24、富含A:T碱基对，因A与T间只有二对氢键，所以相对比较容易断裂，是复制开始时双螺旋二条链分开，形成复制泡(replication bubble)的地方。第二个是9bp的序列重复四次，但每次重复间有其它序列间隔。它是对形成复制泡起重要作用的蛋白质结合的部位。 在真核生物中，每条染色体的DNA复制则是多起点的，多个复制起点共同控制一条染色体的复制，即每条染色体有多个复制子。 现在发现其各个复制起点也是由特殊的DNA序列所决定的。,69,70,真核生物的DNA复制:多起点,2、复制的方向？(双向？单向？）,现在已有大量的证据表明： 大肠杆菌和其它许多原核生物的环状DNA复制是双向的。即DNA的复制从

25、复制起点开始，向两个方向同时进行，最后相遇，完成复制。 对真核生物的研究发现，其复制也是双向的。 但近来发现，并不是所有的生物DNA的复制都是双向的，如：噬菌体P2，其DNA的复制就是沿一个方向进行的。,71,72,2半保留复制方式的补充： DNA聚合酶，以5 3方向发挥作用； 从3 5合成方向的一条链，就会遇到麻烦。 Kornberg A. (1967)提出不连续复制假说： 在3 5方向的链上，仍按从5 3的方向一段段地合成DNA单链小片段“冈崎片段”(1000-2000个bp) 由连接酶连接这些片段 形成一条连续的单链。,73,3冈崎片段：冈崎1968年证明: 复制叉上的两条子链均由5 3

26、方向合成许多冈崎片段，经过连接而形成连续的DNA链。,74,冈崎1973年还发现： 合成DNA片段之前，先由RNA聚合酶合成一小段RNA引物(约有20个碱基对)。然后DNA聚合酶才开始起作用合成DNA片段。,75,单链RNA病毒 先以自己（+链）为模板合成一条互补的单链（链）这样就形成了双螺旋的复制型。 “”链从“+”链模板中放释出来。 以“”链为模板复制一条互补的“+”链，形成了一条新的病毒RNA。,4RNA病毒中RNA基因的自我复制：,第五节 RNA的转录及加工,（自学）,76,77,第六节 遗传密码与蛋白质的翻译,78,一、三联体密码：,79,DNA分子碱基只有4种，而蛋白质氨基酸有20

27、种； 碱基与氨基酸之间不可能一一对应关系。 141=4种；差16种氨基酸 242=16种；比现存的20种氨基酸还差4种 343=64种；由三个碱基一起组成的密码子能够形成64种 组合，20种氨基酸多出44种。 简并：一个氨基酸由一个或一个以上的三联体密码所决定 的现象。 三联体或密码子：代表一个氨基酸的3个一组的核苷酸。,80,每一个三联体密码所翻译的氨基酸是什么呢? 从1961年开始，在大量试验的基础上，分别利用64个已知三联体密码，找到了相对应的氨基酸。 1966-1967年，已全部完成了这套遗传密码的字典，如UGG色氨基酸。,二、三联体密码的翻译：,81,遗传密码字典,82,1简并性：

28、简并现象； 色氨酸(UGG)和甲硫氨酸(AUG)例外，仅一个三 联体密码。 61个为有意密码，起始密码为GUG、AUG(甲硫氨酸)。 3个为无意密码，UAA、UAG、UGA为蛋白质合成终止 信号。 第1个和第2个碱基的重要性大于第3个碱基。 例如：脯氨酸（pro）：CCU、CCA、CCC、CCG。 简并现象的意义：（生物遗传的稳定性） 同义的密码子越多，生物遗传的稳定性也越大。 如：UCUUCC或UCA或UCG，均为丝氨酸。,三、遗传密码的基本特征,83,2无逗号： AUG GUA CUG UCA 甲硫氨酸 缬 亮 丝 密码子与密码子之间无逗号，按三个三个的顺序一直阅读下去，不漏不重复。 如果

29、中间某个碱基增加或缺失后，阅读就会按新的顺序进行下去，最终形成的多肽链就与原先的完全不一样(称为移码突变)。 AUG UAC UGU CA 甲硫氨酸 酪氨酸 半胱氨酸,3不重叠： 在多核酸链上任何两个相邻的密码子不共用一个碱基，均以3个一组的形成氨基酸密码。,84,4通用性： 在整个生物界中，从病毒到人类，遗传密码都 是通用的。 构成4个基本碱基符号 所有氨基酸 所有蛋白质 生物种类、生物体性状 1980年以来发现： 具有自我复制能力的线粒体tRNA(转移核糖核酸)在阅读个别密码子时有不同的翻译方式(尚不清楚)。 如：酵母、链孢霉与哺乳动物的线粒体。,85,终止信号,86,中心法则及其发展,中

30、心法则及其发展(pp63-64),中心法则(central dogma)阐述生物世代、个体以及从遗传物质到性状的遗传信息流向，即遗传信息在遗传物质复制、性状表现过程中的信息流向。 最初由Crick提出，并经过了多次修正。,87,88,新发现： RNA肿瘤病毒及艾滋病病素：反转录酶，以RNA为模板来合成DNA。 增加中心法则中遗传信息的原有流向，丰富了中心法则内容。 另外，大部分RNA病毒还可以把RNA直接复制成RNA。 反转录： 对于遗传工程上基因的酶促合成、以及致癌极理的研究都 有重要的作用。 如：HIV病毒RNA经反转录成DNA，然后整合到人类染色体中。,中心法则的发展,反转录(逆转录)： 反转录酶； cDNA。 RNA的自我复制。 DNA指导蛋白质合成。,89,DNA,RNA,蛋白质,南京农业大学农学院,90,中心法则及其发展 Crick于1954年所提出的遗传信息传递规律,1954年首次 提出的“中心法则”,1970-1980年 的“中心法则”,21世纪后修正的“中心法则”,四、 RNA的转录与加工,（一）几个概念： 有意义链（） 对应密码子 反意义链（） 模板链 转录方向：5 3,91,92,DNA碱基序列,生物体性状,氨基酸序列 蛋白质结构,mRNA序列,1、基因表达与 性状发育,