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1、 基因的分子生物学基因的分子生物学 项荣 中南大学 生物科学与技术学院 shirlesmile GeneGene概念的发展概念的发展 18571857 Mendel genetic factorMendel genetic factor 1909 Johannsen 1909 Johannsen gene gene theory of pangenesis theory of pangenesis 1910 Morgan gene 1910 Morgan gene染色体染色体 摩尔根是第一位以遗传学成就而荣获诺贝摩尔根是第一位以遗传学成就而荣获诺贝 尔生理学医学奖的科学家，是染色体遗传尔生理学
2、医学奖的科学家，是染色体遗传 学的创始人学的创始人 孟德尔因子不可能由染色体携带孟德尔因子不可能由染色体携带 美国博物学家美国博物学家 果蝇的白眼基因居然是由性染色体携带的果蝇的白眼基因居然是由性染色体携带的 科学科学 果蝇体型小，体长不到半厘米；饲养管理果蝇体型小，体长不到半厘米；饲养管理 容易，既可喂以腐烂的水果，又可配培养容易，既可喂以腐烂的水果，又可配培养 基饲料；一个牛奶瓶里可以养上成百只。基饲料；一个牛奶瓶里可以养上成百只。 果蝇繁殖系数高，孵化快，只要果蝇繁殖系数高，孵化快，只要1 1天时间天时间 其卵即可孵化成幼虫，其卵即可孵化成幼虫，2-32-3天后变成蛹，天后变成蛹， 再过
3、再过5 5天就羽化为成虫。从卵到成虫只要天就羽化为成虫。从卵到成虫只要 1010天左右，一年就可以繁殖天左右，一年就可以繁殖3030代。果蝇的代。果蝇的 染色体数目少，仅染色体数目少，仅3 3对常染色体和对常染色体和1 1对性染对性染 色体，便于分析。色体，便于分析。 不同领域的科学家从不同方向朝基因的分不同领域的科学家从不同方向朝基因的分 子水平进军，在分子遗传学的酝酿时期形子水平进军，在分子遗传学的酝酿时期形 成了三大学派：信息学派、生化学派和结成了三大学派：信息学派、生化学派和结 构学派。构学派。 DNA双螺旋结构的发现 n1951年 Watson 23岁 nCrick， 31岁 nDN
4、A应该是双螺旋 nA与T、 C与G巧妙连接 n符合X衍射数据 DNA的复 制 n1953年2月28日， Waterson 和Crick用金属 线又制出了新的DNA模型 ，他们为自然科学树立了 一座闪闪发光的里程碑。 一、 核酸分子及其结构 （一）核苷酸（一）核苷酸 每一个核苷酸含有一个戊糖（ 核糖或脱氧核糖）分子、一个 磷酸分子和一个含氮的有机碱 （碱基）。 核苷酸的 有机碱分 为两类； 一类是嘌 呤，是双 环分子； 一类是嘧 啶，是单 环分子。 嘌呤包括腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)2种 嘧啶有胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和尿 嘧啶(U)3种。 DNA的碱基是A、T、 G、C RNA的碱基是A、
5、U、 G、C 脱氧核糖 或核糖上 第一位碳 原子与嘌 呤或嘧啶 结合，就 成为 脱氧核苷 或核苷 第三位或 第五位碳 原子再与 磷酸结合 ，就成为 脱氧核糖 核苷酸或 核糖核苷 酸。 磷酸磷酸 核酸核酸 核苷酸核苷酸 戊糖戊糖 核苷核苷 嘌呤碱嘌呤碱 或嘧啶碱或嘧啶碱 DNA分子是由两条脱氧核糖核 酸长链互以碱基配对相连而成的 螺旋状双链分子； DNA主要存在于细胞核内的染 色质中，是遗传信息的携带者。 （二）DNA双螺旋结构 3.4nm 含10个碱基对 DNA双螺旋结构模型 碱基互补配对 通过氢键结合 A=T G C 碱基对（bp） 5CAGTTCA3 | | | | | | | 3GTCA
6、AGT5 DNA的双链形成 1.DNA分子是由两条相互平行方向 相反的多核苷酸链围绕着同一中心 轴形成的双螺旋结构。 Watson和 Crick的DNA 双螺旋结构模型 2.两条长链的碱基在双螺旋内侧按 碱基配对原则（A=T，G三C）以 氢键相连。 3.相邻碱基对旋转36，间距0.34nm ，一个螺旋包含10个碱基旋转360 ，螺距为3.4nm。 （三）RNA分子 RNA分子是单链的，RNA 在细胞核内产生，然后进 入细胞质，在蛋白质的合 成中起重要作用。 1.RNA的种类 细胞中主要有3种RNA: 信使RNA（messager RNA, mRNA） 核糖体RNA（ribosome RNA,
7、rRNA） 转运RNA（tranfer RNA, tRNA） 2.RNA的作用 mRNA是遗传信息的携带者。 在细胞核中转录DNA上的遗传 信息，再进入细胞质，是蛋 白质合成的模板。 tRNA tRNA局部为双链，在3、5端 相反一端的环上具有由3个核苷酸 组成的反密码子。tRNA的反密码 子在蛋白质合成时与mRNA上互补 的密码子相结合。tRNA起识别密 码子和携带相应氨基酸的作用。 rRNA和蛋白质共同组成的复合体就是核 糖体，核糖体是蛋白质合成的场所。 核糖体的大小亚基在行使翻译功能即 肽链合成时聚合成整体，为蛋白质的 合成提供场所。 核糖体上具有附着mRNA模板链的位 置，还有两个tR
8、NA附着的位置，分别 称为A位和P位。 阅读遗传 密码，携 带氨基酸 进行蛋白 质合成 携带遗传 密码、指 导蛋白质 合成 （四）RNA与DNA的主要差别： DNA RNA 组 成 碱基 A G C T A G C U 糖基 脱氧核糖 核 糖 磷酸 磷 酸 磷 酸 DNA RNADNA RNA 结 构 以两条相互 平行方向相反 的多核苷酸链 组成，两链之 间通过A T G C以 氢键互补 配对相连 大部分为单链 分子，在某些 区域可折叠形 成局部双螺旋 结构。 DNA RNADNA RNA 功 能 储存、复制 传递遗传信 息 指导蛋白质 的生物合成 二、二、DNADNA复制复制 （一）复制的过
9、程（一）复制的过程 复制所需组分：复制所需组分： 1.1.底物底物 dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP) 2.2.聚合酶聚合酶 DNADNA聚合酶聚合酶 3.3.模板 单链的模板 单链的DNADNA母链母链 4.4.引物 寡核苷酸引物（引物 寡核苷酸引物（RNA)RNA) 5.5.其他酶和蛋白质因子其他酶和蛋白质因子 拓扑异构酶，解拓扑异构酶，解 链酶，引发酶，单链结合蛋白，连接酶，链酶，引发酶，单链结合蛋白，连接酶， 端粒酶，增殖细胞核抗原（端粒酶，增殖细胞核抗原（PCNA)PCNA) 复制的过程复制的过程 复制的过程复制的过程
10、 复制子复制子(replicon)(replicon)： DNADNA复制开始于染色体上复制开始于染色体上 固定的起始点固定的起始点(origin, ori)(origin, ori)。基。基 因组能独立进行复制的单位称因组能独立进行复制的单位称 为复制子为复制子(replicon)(replicon)。每个复制。每个复制 子都含有控制复制起始的起点子都含有控制复制起始的起点 。 复制泡复制泡(replication bubble) :(replication bubble) : 复制开始时，起始点处的复制开始时，起始点处的 DNADNA双螺旋先解开，在电镜下可双螺旋先解开，在电镜下可 看到呈
11、眼泡状看到呈眼泡状 。 复制叉复制叉(replication fork) :(replication fork) : 松解开的两股链和末松解开松解开的两股链和末松解开 的双螺旋的双螺旋 形状像一把叉子形状像一把叉子 。 （二）复制的特点（二）复制的特点 半半 保保 留留 复复 制制 半保留复制半保留复制 (semi-conservative replication) :(semi-conservative replication) : DNA DNA复制时，两条链分开，然复制时，两条链分开，然 后按照碱基配对方式合成新的子链后按照碱基配对方式合成新的子链 ，每个子代分子的双链，每个子代分子的双
12、链DNADNA中一条中一条 链来自亲代链来自亲代DNADNA，另一条链是新合，另一条链是新合 成的。成的。 半半 不不 连连 续续 复复 制制 半不连续复制半不连续复制 前导链前导链(leading strand) (leading strand) ： 新合成的新合成的DNADNA的一条链是按的一条链是按5 35 3方向（方向（ 与复制叉移动的方向一致）连续合成的。与复制叉移动的方向一致）连续合成的。 滞后链滞后链(lagging strand ):(lagging strand ): 新合成的新合成的DNADNA中的另一条链的合成则是不中的另一条链的合成则是不 连续的，先合成许多短片段连续的
13、，先合成许多短片段 ，再通过，再通过DNADNA连接连接 酶（酶（DNA ligaseDNA ligase）的作用将这些短片段连成一）的作用将这些短片段连成一 条完整的链条完整的链 。 冈崎片段冈崎片段(Okazaki fragment) :(Okazaki fragment) : 滞后链合成过程中，先合成的较短的滞后链合成过程中，先合成的较短的DNADNA片片 段段 。 三、三、 基因的表达基因的表达 基因表达基因表达(gene expression)(gene expression) ： 指基因的遗传信息通指基因的遗传信息通 过转录过转录(transcription)(transcript
14、ion)和翻和翻 译译(translation)(translation)的过程成为的过程成为 具有生物功能的多肽和蛋白具有生物功能的多肽和蛋白 质。质。 ( (一一) )基因的转录基因的转录 转录转录(transcription) (transcription) ： 以以DNADNA分子为模板，在分子为模板，在RNARNA 聚合酶作用下合成聚合酶作用下合成RNARNA的过程。的过程。 1.1.转录的过程转录的过程 DNADNA指导的指导的RNARNA聚合酶聚合酶 聚合酶聚合酶 转录产物转录产物 在细胞内分布在细胞内分布 18s,5.8S,28S rRNA 18s,5.8S,28S rRNA
15、核仁核仁 mRNA mRNA前体，前体，hnRNA hnRNA 核质核质 tRNA,5srRNA tRNA,5srRNA 核质核质 转 录 过 程 DNA分子的局部双链在酶的作用 下暂时解旋，以其中一条DNA链作 为RNA合成的模板链，按碱基互补 配对原则，以四种核苷酸（A，G ，C，U）为原料，在RNA聚合酶 催化下合成出一条单链RNA，合成 方向为5 3。 转录过程 编码链编码链 ： 与模板链互补的另一条与模板链互补的另一条DNADNA单链称单链称 非模板链，与新转录合成的非模板链，与新转录合成的RNARNA具有具有 同样的同样的5353方向和碱基顺序方向和碱基顺序 ，又称，又称 为编码链为编码链 。 反编码链反编码链 : : 即模板链。即模板链。 不对称转录不对称转录 双链双链DNADNA在细胞内进入转录时，总在细胞内进入转录时，总 是只有其中的一条链作为转录的模是只有其中的一条链作为转录的模 板链，究竞以哪条链为模板则完全板链，究竞以哪条链为模板则完全 由启动子在哪
