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1、,第三章 遗传物质的分子基础 P31,遗传学在微观水平的深入,基因的化学基础是什么？ 遗传的染色体理论认为：基因位于核内染色体上 染色体的主要化学成份蛋白质和核酸何者为基因的化学基础 *“蛋白质是遗传物质”观点及其主要论据 基因化学本质的条件：具有三种功能(P31) 遗传功能(复制与世代传递) 表型功能(具有适当的控制性状的表达机制) 进化功能(能够产生变异满足生物进化的要求),遗传学在微观水平的深入,基因必须表现三种基本的功能： (1)遗传功能即基因的复制：遗传物质必须贮存遗传信息，并能将其复制且一代一代精确地传递下去。 (2)表型功能即基因的表达：遗传物质必须控制生物体性状的发育和表达。
2、(3)进化功能即基因的变异：遗传物质必须发生变异，以适应外界环境的变化，没有变异就没有进化。,三个学派,E. Schr dinger(1945)(薛丁格 Erwin Schroedinger量子物理学家)：What is life。 薛丁格指出“基因是活细胞的关键组成部分，要懂得什么是生命就必须知道基因是如何发挥作用的。”这本书向物理学家们预告一个生物学研究的新纪元就将开始，值得大家奋起钻研，很多物理学家都纷纷转向遗传学这个新领域进行研究，把物理学的思维方式也带入其中，促使遗传学的研究方法和思维方式发生了一场大的变革，从而获得了长足的发展。,三个学派,二十世纪，由于物理学、化学和数学研究工作者
3、的加入，在生物学与遗传学研究领域形成了三个学派： 物理学结构结构学派 化 学生化生化学派 数 学信息信息学派,第三章 遗传物质的分子基础 (P31-64; P178-248; P258-267),第一节 DNA作为主要遗传物质的证据 P31 第二节 核酸的化学结构 P34 第三节 染色体的分子结构 P39 第四节 DNA的复制 P43 第五节 RNA的转录及加工 P49 第六节 遗传密码与蛋白质的翻译 P56 本章要点,第一节 DNA作为主要遗传物质的证据,基因存在于染色体上。 脱氧核糖核酸(DNA) 核酸 核糖核酸(RNA) 组蛋白 染色体 蛋白质 非组蛋白 少量的拟脂与无机物质,27%,6
4、%,66%,分子遗传学拥有大量直接和间接证据，说明DNA是主要的遗传物质。,一、 DNA是遗传物质的间接证据 P31-32 二、 DNA是遗传物质的直接证据 P32-34 (一)、 细菌转化试验 (二)、 噬菌体侵染与繁殖试验 P33 (三)、 烟草花叶病毒拆合实验 P33-34 *三、非核酸类的遗传物质,第一节 DNA作为主要遗传物质的证据,一、 DNA是遗传物质的间接证据 P31,1.DNA含量的恒定性（每个物种不同组织的细胞不论其大小和功能如何，它们的DNA含量是恒定）； 2.DNA代谢的稳定性（DNA在代谢上是比较稳定的）； 3.存在的普遍性：DNA是所有生物染色体所共有的； 4.基因
5、突变与紫外线诱变波长的关系； 用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，其最有效的波长为2600埃，这与DNA所吸收的紫外线光谱是一致的，证明基因突变与DNA分子的变异密切相关。,大部分DNA存在于染色体上。RNA和蛋白质在细胞质内也很多。 每个物种不同组织的细胞不论其大小和功能如何，它们的DNA含量是恒定的。精子或卵子中的DNA含量正好是体细胞的一半；而细胞内的RNA和蛋白质量在不同细胞间变化很大。另外，多倍体系列的一些物种，其细胞中DNA的含量随染色体倍数的增加，也呈现倍数性的递增。 DNA在代谢上比较稳定。细胞内蛋白质和RNA分子与DNA分子不同，它们在迅速形成的同时，又不断分解。而原子一旦
6、被DNA分子所摄取，则在细胞保持健全生长的情况下，保持稳定，不会离开DNA。 基因突变与DNA分子的变异密切相关。用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，其最有效的波长为260nm，这与DNA所吸收的紫外线光谱是一致的。,一、 DNA是遗传物质的间接证据 P31,(一)细菌的转化 肺炎双球菌有两种不同的类型： 1.光滑型(S型) 被一层多糖类的荚膜所保护，具有毒性，在培养基上形成光滑的菌落。 2.粗糙型(R型) 没有荚膜和毒性，在培养基上形成粗糙的菌落。 P32 在R型和S型内还可以按血清免疫反应不同，分成许多抗原型，常用R，R和S、S、S等加以区别。,二、DNA作为主要遗传物质的直接证据,19
7、28, Griffith：首次将RS，实现了细菌遗传性状的定向转化 。被加热杀死的S型肺炎双球菌必然含有某种促成这一转变的活性物质。P32 图3-1,16年后，Avery等用生物化学方法证明这种引起转化的物质是DNA，他们将S型细菌的DNA提取物与R型细菌混合在一起，在离体培养条件下，成功的使少数R型细菌定向转化为S型细菌。(如图）,迄今，已经在几十种细菌和放线菌中成功地获得了遗传性状的定向转化。这些试验都证明起转化作用的物质是DNA。 (二)噬菌体的侵染与繁殖 P33 噬菌体是极小的低级生命类型。必须在电子显微镜下才可以看到。据研究T2噬菌体DNA进入到大肠杆菌内，可以利用大肠杆菌的材料来制
8、造自己的DNA、蛋白质外壳和尾部，从而形成完整的新生的噬菌体。,赫尔希 等用同位素32P和35S分别标记T2噬菌体的DNA与蛋白质。因为P是DNA的组分，但不见于蛋白质；而S是蛋白质的组分，但不见于DNA。然后用标记的T2噬菌体(32P或35S)分别感染大肠杆菌，经10分钟后，用搅拌器甩掉附着于细胞外面的噬菌体外壳。 (P33 图32),第一种情况下，基本上全部放射活性见于细菌内而不被甩掉并可传递给子代。 第二种情况下，放射性活性大部分见于被甩掉的外壳中，细菌内只有较低的放射性活性，且不能传递给子代 这样看来，主要是由于DNA进入细胞内才产生完整的噬菌体。所以说DNA是具有连续性的遗传物质。,
9、P33 1952年，Hershey等用放射性同位素标记 32P标记T2噬菌体的 DNA（DNA中无S） 35S标记T2噬菌体的 Pro（Pro中无P）,（二）噬菌体侵染大肠杆菌实验,（二）噬菌体侵染大肠杆菌实验,(三)烟草花叶病毒的感染和繁殖 P33 烟草花叶病毒（TMV）是由RNA与蛋白质组成的管状微粒，它的中心是单螺旋的RNA，外部是蛋白质的外壳。（如图）,1. 拆分感染试验： 将TMV的RNA与蛋白质分离、提纯。 分别接种烟叶，发现RNA能使烟叶致病，而蛋白质不能。 用RNA酶处理RNA后接种烟叶也不能致病，表明RNA可能就是TMV的遗传物质。,（三） 烟草花叶病毒（TMV）感染实验,P
10、33 佛兰科尔康拉特与辛格尔(Frankel-Conrat, H.和 Singer, B.)把TMV的RNA与另一个病毒品系(HR, Holmes ribgrass)的蛋白质，重新合成混合的烟草花叶病毒，用它感染烟草叶片时，所产生的新病毒颗粒与提供RNA的品系完全一样，亦即亲本的RNA决定了后代的病毒类型 (图33)。 以上实例均直接证明DNA是生物主要的遗传物质，而在缺少DNA的生物中，RNA则为遗传物质。,第二节 核酸的化学结构 P34,核酸(nucleic acid)是一种高分子的化合物，它的构成单元是核苷酸(nucleotide)。两个核苷酸之间由3和5位的磷酸二脂键相连 。 核酸有两
11、种：脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。 两种核酸的主要区别如下：,P35 图3-4 构成核苷酸分子的碱基结构,P34 DNA通常是双链一般较长。 RNA主要为单链，分子链较短。 DNA分子是脱氧核苷酸的多聚体，含有4种脱氧核苷酸：脱氧腺嘌呤核苷酸(dATP)、脱氧胸腺嘧啶核苷酸(dTTP)、脱氧鸟嘌呤核苷酸(dGTP)、脱氧胞嘧啶核苷酸(dCTP)。,P36 图3-5 核酸分子的化学结构,*一、早期对核酸化学性质的研究 二、DNA的一级结构 三、DNA的二级结构 *四、RNA的分子结构,*一、早期对核酸化学性质的研究,虽然上世纪中才认识到DNA的生物学功能，核酸研究却已有一百多年历史
12、： F.Mischer(1869)从外科绷带上脓细胞核中分离出一种不同于蛋白质的物质，含磷量高、并具有很强的酸性。他将这种物质称核质(素)(nuclein)； A.Kossel(1879)发现酵母等核质具有A、G、T、C四种碱基； R.Altamm(1889)将核素命名为核酸(nucleic acid)。,Kossel(1901)又发现核酸中具有碳水化合物(糖)； P.A.T.Levene(1909)研究表明：酵母核酸含有五碳糖核糖； Fisher(1914)人工合成核苷酸； P.A.T.Levene(1929)又发现动物胸腺细胞核酸含有脱氧核糖。 Levene将前者命名为核糖核酸(ribon
13、ucleic acid, RNA)，后者命名为脱氧核糖核酸(deoxy-ribonucleicacid, DNA)。并指出动、植物中均存在这两种核酸。,二、核酸的一级结构,关于碱基的种类、分子式、核苷酸的种类、结构等内容是生物化学中讨论的内容，请课后复。 在此谈三个关于核酸一级结构的内容： (一)、 “四核苷酸”假说； (二)、 查伽夫定则及其意义； *(三)、 核苷酸序列及其测定。,(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：
14、 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。,(二)、查伽夫定则及其意义,E.Chargaff于1946-1950年根据纸层析、离子交换层析和紫外分光光度试验结果提出查伽夫定则： 四种碱基的数量不是等量的； 同一物种DNA碱基组成不变，而物种间则有很大不同； 嘌呤碱基总量与嘧啶碱基的总量(克分子总量)相等(A+G=T+C)，且A=T、G=C。,(二)、查伽夫定则及其意义 表3-1 不同物种中DNA的碱基成分百分比,P37 图3-
15、7 两条多核酸链间氢键相连,P37 图3-7 两条多核酸链间氢键相连,*(三)、核苷酸序列及其测定,查伽夫定则表明：核酸并不是四核苷酸结构的简单重复，核酸的碱基序列信息可能具有重要意义。 以后的研究表明：碱基序列正是核酸生物学功能的基础，是遗传信息的内在形式。 DNA及RNA分子序列分析技术也是最重要的分子遗传学研究技术： Sanger双脱氧法； Maxam & Gillbert化学法； 基于化学法的DNA序列自动分析仪已成为常规实验设备。,DNA的二级结构,*DNA分子结构的研究 1. 鲍林研究小组 2. 威尔金斯、富兰克林研究小组 3. 沃（华）生、克里克研究小组,*DNA分子结构的研究,
16、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：,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、螺旋和氢链等概念 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分子结构模型研究确立了方向 注：1954年鲍林因研究物质聚合力(氢链)而获得诺贝尔化学奖,2.威尔金斯、富兰克林研究小组,主要工作： Wilkins和Franklin改进了DNA分子晶体X射线衍射图谱技
