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1、遗传的分子基础,高考考纲要求： （1）人类对遗传物质的探索过程 （2）DNA分子结构的主要特点 （3）基因的概念 （4）DNA分子的复制 （5）遗传信息的转录和翻译 （6）基因与性状的关系 ,二、遗传的分子基础,（一）20世纪上半叶人类对遗传物质的探索,背景:,染色体与遗传关系密切；,染色体的主要成分是DNA和蛋白质；,DNA和蛋白质都是生物大分子， 都有蕴涵丰富遗传信息的结构基础 （通过其单体排列顺序的多种变化）。,作为遗传物质必须具备的特点： （1）能保持结构的相对稳定； （2）能自我复制，在亲子代之间传递遗传信息； （3）能控制性状； （4）能产生可遗传的变异（多样）,肺炎双球菌的体内转
2、化实验,格里菲思（1928）,第一组的实验结果说明R型菌无毒性；,第二组的实验结果说明S型菌有毒性；,第三组的实验结果说明加热杀死的S型菌无毒性；,第四组的实验结果说明,推论：已经加热杀死的S型细菌中含有“转化因子”，,加热杀死的S型菌能诱导R型菌转化为S型菌，,并且这种性状的转化可以遗传。,可将R型活细菌转化为S型活细菌。,分析实验结果：,艾弗里（1944）,肺炎双球菌的体外转化实验,活S型菌,分离,DNA RNA 蛋白质 多糖,DNA+R菌,用DNA酶处理后+R菌,培养,培养,S型菌,R型菌,+ R菌,培养,R型菌,+ R菌,培养,R型菌,+ R菌,培养,R型菌,结论：S菌的RNA、蛋白质
3、、多糖不是“转化因子”；,R型菌,DNA是“转化因子”,DNA是遗传物质,艾弗里的实验,通过化学提纯将S菌的DNA和蛋白质及其他物质分离开，单独、直接地观察它们的作用,为什么加热杀死的S菌DNA能使R菌转化为S菌？ 为什么最初能转化为S菌的R菌数量很少？,加热杀死的S菌中，蛋白质变性是不可逆的； DNA则在高温下变性（解旋），在温度降低时复性。,外界环境中的某些DNA片段可以进入感受态的R菌中，表达出相应的性状比如出现荚膜, 从而使 R菌转化为S菌。,处在常态下的R菌可以依靠限制性核酸内切酶的作用，破坏外源DNA分子，使其失去遗传效应。只有极少数处在感受态的R菌才能接受外源DNA分子，并为其所
4、转化。,将加热杀死的S型细菌与R型活细菌混合后，注射到小鼠体内，两种细菌含量变化如图所示 :,1. ab段，R菌的数量为什么会减少？,2. 小鼠体内的S菌是从哪里来的？,3. 为什么S菌数量能持续增加？,4. bc段，为什么R菌数量也能不断增加？,2、噬菌体侵染细菌的实验,1952年 赫尔希、蔡斯,研究思路：将DNA和蛋白质分开（没有分离），单独地、直接地观察DNA或蛋白质的作用,技术手段：放射性同位素标记法 离心法,T2噬菌体,：一种细菌病毒,噬菌体侵染细菌,实验对象：T2噬菌体和大肠杆菌,噬菌体侵染细菌的过程：,吸附在寄主细胞表面,注入DNA,在寄主细胞内复制自身DNA，合成自身蛋白质（原
5、料均来自宿主细胞）,噬菌体DNA和蛋白质组装成子代个体,寄主细胞裂解，释放出子代噬菌体,在37下大约40min就可以产生出100300个子代个体,实验过程：,注意应该进行分别标记，分组实验,第1组T2噬菌体,蛋白质为35S所标记,DNA不标记,用带有35S的培养液培养大肠杆菌,加入噬菌体侵染大肠杆菌,大肠杆菌内含有35S,子代噬菌体上带有35S标记,第1组T2噬菌体,蛋白质为35S所标记,DNA不标记,与大肠杆菌培养液（没有被标记）混合,噬菌体侵染大肠杆菌,搅拌离心,离心结果,上清液 放射性很高,沉淀物 放射性很低,含亲代噬菌体蛋白质外壳,噬菌体蛋白质没有进入,检测,子代噬菌体中没有35S,亲
6、代噬菌体的蛋白质没有被子代所继承,（未侵入细菌的噬菌体成分）,寄主细胞中,（已被侵染或尚未被侵染的大肠杆菌）,第2组T2噬菌体,蛋白质不标记,DNA为32P所标记,与大肠杆菌培养液（没有被标记）混合,噬菌体侵染大肠杆菌,搅拌离心,离心结果,上清液（未侵入细菌的噬菌体成分）放射性很低,沉淀物（已被侵染或尚未被侵染的大肠杆菌）放射性很高,不含噬菌体DNA,噬菌体DNA进入寄主细胞中,检测,部分子代噬菌体中有32P,亲代噬菌体的DNA为子代个体所继承,培养时间过短：部分噬菌体未侵染细菌，未注入DNA,培养时间过长：部分子代噬菌体已释放，分布于上清液,比预想数值 偏高 偏低,偏高 偏低,偏高：部分噬菌
7、体吸附在细菌表面，留在沉淀物,亲代噬菌体的DNA遗传给子代， 决定了子代噬菌体的各种性状,DNA是遗传物质,结论：,3、病毒的重构实验,1957年 格勒、施拉姆,TMV （烟草花叶病毒）,蛋白质（外壳）+RNA,HRV （车前草病毒）,实验目的：,在RNA病毒中，遗传物质是什么。,实验材料：,烟草植株和两种RNA植物病毒。,实验一,TMV,感染,正常烟叶,出现花叶病,TMV病斑,HRV,感染,正常烟叶,出现花叶病,HRV病斑,TMV在叶细胞内繁殖,HRV在叶细胞内繁殖,TMV的蛋白质,感染,烟草叶,叶正常,HRV的RNA,感染,烟草叶,花叶病,出现HRV病斑,结合成“杂种”病毒后感染,烟草叶,
8、花叶病,分离,HRV,出现HRV病斑,结论：RNA是TMV和HRV的遗传物质。,实验二, DNA是生物主要的遗传物质。,病毒的遗传物质是DNA或者RNA；,肺炎双球菌转化实验证明了DNA是肺炎双球菌的遗传物质；,噬菌体侵染细菌的实验证明了DNA是T2噬菌体的遗传物质；,病毒重构实验证明了RNA是TMV和HRV的遗传物质。,总结包括上述三个实验在内的一系列实验结果，得出：,其它生物（原核生物、真核生物）的遗传物质都是DNA。,脱氧核糖,磷酸,含氮碱基,脱氧核苷酸,碱基对,氢键,磷酸 二酯键,基本骨架,（二）DNA的结构,DNA双螺旋结构,磷酸二酯键的断开： 连接： 氢键的断开：,限制性核酸内切酶
9、、DNA酶,DNA连接酶、DNA聚合酶、热稳定DNA聚合酶、 RNA聚合酶、逆转录酶,解旋酶、高温加热,基本组成单位, 4种脱氧核苷酸,结构：,（1）由两条反向平行的脱氧核苷酸链组成,（2）外侧为基本骨架, 由磷酸和脱氧核糖交替连接而成， 一成不变,（3）内侧按碱基的互补配对原则形成碱基对，,排列顺序千变万化,（4）双链向右盘旋，形成规则的双螺旋结构,一 碱基的互补配对原则：,A T，G C,嘌呤数（A+G）=嘧啶数（T+C）= X总,规律1：在双链DNA分子中，互补碱基两两相等,规律2：在双链DNA分子中，互补的两碱基之和占全部碱基的比例 等于 其任何一条单链中这两种碱基之和占单链中碱基数的
10、比例（单双链转化公式）,一 碱基的互补配对原则：,规律3：DNA分子一条链中（A+G）/（C+T）的比值的倒数等于互补链中该种碱基的比值，在整个DNA分子中该比值等于1.（不配对的碱基之和比例在两条单链中互为倒数）,规律4：DNA分子一条链中（A+T）/（C+G）的比值等于其互补链和整个DNA分子中该种比例的比值。 （配对的碱基之和的比值在两条单链和双链中比值都相等）,一 碱基的互补配对原则：,规律5：若 ，则 规律6：若已知A占双链的比例为c%，则A1占单链的比例无法确定，但最大值可求出为2c%，最小值为0,碱基的互补配对原则：,A G T C,T C A G,1 2,若1链中（A+G）/（
11、T+C）= 0.5,则2链中（A+G）/（T+C）=,DNA分子中（A+G）/（T+C）=,2,1,若1链中（A+T）/（G+C）= 0.5,则2链中（A+T）/（G+C）=,DNA分子中（A+T）/（G+C）=,0.5,0.5,DNA的特点,稳定性,多样性,由于DNA中碱基对数量和排列顺序的 多样变化,4n,特异性,每个DNA分子的碱基对都有特定的 排列顺序, 携带特定遗传信息,对于高等生物而言，,双螺旋结构的稳定性很高,每一个个体的DNA碱基序列都是独一无二的,（三）DNA的复制,1、DNA复制的时间,有丝分裂间期、减数第一次分裂前的间期,2、DNA复制的场所,真核细胞的细胞核、线粒体、叶
12、绿体,原核细胞的拟核、细胞质（细菌质粒）,以及其它方式的细胞分裂之前,沃森和克里克提出了DNA半保留复制的假说,3、关于DNA复制方式的实验,米西尔森和斯坦尔,实验对象：大肠杆菌,实验方法：同位素标记法、密度梯度离心法,大肠杆菌的繁殖方式：二分裂,1个亲代大肠杆菌 （1个DNA）,复制DNA,分裂,2个子代大肠杆菌（2个DNA）,将大肠杆菌培养在以14NH4Cl为唯一氮源的培养基中,抽样取出部分大肠杆菌,提取其DNA进行密度梯度离心,大肠杆菌DNA含14N,条带位置为“轻”,轻,将大肠杆菌培养在以15NH4Cl为唯一氮源的培养基中,抽样取出部分大肠杆菌,提取其DNA进行密度梯度离心,大肠杆菌D
13、NA含15N,条带位置为“重”,重,离心管,将大肠杆菌转移到以14NH4Cl为唯一氮源的培养基中培养一代（第一代）,抽样部分大肠杆菌，提取其DNA,密度梯度离心,条带为“中”,轻,大肠杆菌在以15NH4Cl为唯一氮源的培养基中培养多代， DNA含15N,重,其余部分继续培养至第二代,抽样部分大肠杆菌，提取其DNA,密度梯度离心,条带为“中”和“轻”,中,结论 ：DNA的复制方式为半保留复制。,亲代DNA：,15N/ 15NDNA,第一代DNA：,15N/ 14NDNA,第二代DNA：,14N/ 14NDNA 和 15N/ 14NDNA,复制,离心后的位置标记为“重”,离心后的位置为“中”,离心
14、后的位置为“轻”和“中”,各占1/2,复制,二 半保留复制：,亲代,第一代,第二代,第三代,一个DNA分子复制n次 子代DNA分子数= 子代DNA分子中脱氧核苷酸链数=,含有亲代DNA链的子代DNA分子数= 含有子代DNA链的子代DNA分子数= 只含子代DNA链的子代DNA分子数=,亲代脱氧核苷酸链数= 新合成的脱氧核苷酸链数= 第n次复制中，新合成的脱氧核苷酸链数=,2n个,2n+1条,2个,2n个,2n-2个,2条,2n+1-2条,2n条,一个DNA分子复制n次，需要消耗游离的腺嘌呤碱基多少个？,求出原DNA中含有A的个数 a 新合成的DNA 分子数（2n-1）个 求乘积 a（2n-1）,
15、第n次复制，需要消耗游离的腺嘌呤碱基多少个？,a2n-1,4、DNA的复制过程,解旋,（氢键断开，边解旋,游离脱氧核苷酸的碱基与母链相应的碱基形成氢键,相邻两个脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键,子链逐渐延长，与模板链形成双螺旋结构,两个子代DNA分子,边复制）,母链,母链,5 3,3 5 5 3,5 3,子链合成方向是从5向3延伸 子链不连续的片段最终由DNA连接酶连接成完整片段,多个起点同时复制 边解旋边复制 提高复制速率,DNA复制的结果：,1个亲代DNA分子,2个相同的子代DNA分子,（含有相同的遗传信息）,分别位于姐妹染色单体上,DNA半保留复制是高度精确的，原因是：, 亲代DNA的双螺旋结构提供了精确、稳定的模板 复制过程严格遵循碱基互补配对原则 边解旋边复制，加快复制速度，减少DNA突变可能,5、DNA复制的意义,亲代DNA分子,半保留复制,两个相同的子代DNA分子,（遗传信息与亲代DNA相同）,有丝分裂,减数分裂,子代体细胞,配子,子代个体,受精作用,保持了亲代与子代之间遗传信息的连续性,1 有丝分
