生命遗传与变异1 遗传分子基础

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1、 遗传和变异是生命的基本特征之一 第四章 生命的遗传与变异 遗传：生物世代间的延续，相似性 。 变异：生物个体间的差异。 生物进化的保证 第一节 遗传的分子基础 一、DNA结构特征及其生物学意义 亲代将遗传物质DNA以染色体的形式 传给子代。 1953年，美国 科学家沃森沃森和英 国科学家克里克克里克, , 共同提出了DNADNA 分子的双螺旋结分子的双螺旋结 构模型。构模型。 DNA双螺旋结构模型的构建 20世纪30年代，科学家认识到：组成DNA 分子的基本元素_, 基本单位是 。脱氧核苷酸 C C、 H H、 O O、 N N、 P P 1分子脱氧核苷酸 = + _ +_ . 1分子磷酸1

2、分子脱氧核糖 1分子含氮碱基 脱氧 核糖 含氮碱基 磷酸 A G C T 腺嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶 胸腺嘧啶 DNA一级结构是许多 脱氧核苷酸经3-5磷酸 二酯键聚合而成DNA链 。 A T G C DNA二级结构为两条多核苷酸链相互逆向缠绕的双螺旋结 构 AA AA AA T T T T T T GG GG GG GG CC CC CC AA T T CC （1 1）DNADNA分子是由两条平行分子是由两条平行 反向的脱氧核苷酸长链盘旋反向的脱氧核苷酸长链盘旋 而成的。而成的。 （2 2）DNADNA分子中的脱氧核糖分子中的脱氧核糖 和磷酸交替连接，排列在外和磷酸交替连接，排列在外 侧，构成基本骨

3、架；碱基在侧，构成基本骨架；碱基在 内侧。内侧。 （3 3）两条链上的碱基通过）两条链上的碱基通过 氢键连结起来，形成碱基对氢键连结起来，形成碱基对 ，且遵循碱基互补配对原则，且遵循碱基互补配对原则 。 DNADNA双螺旋结构的双螺旋结构的 主要特点主要特点 二、 人类基因组 v人类细胞中所有的遗传信息构成了人类 基因组。 v线粒体基因组 16569bp, 37个基因 v核基因组 30亿个bp, 3-5万个基因 人 类 基 因 组 的 组 织 结 构 三、 基因的结构及其功能 基因是指能产生一条肽链或功能RNA所必需 的DNA片段。 编码序列在DNA分子中是不连续的，被非 编码序列隔开，形成镶

4、嵌排列的断裂形式，因 此称为断裂基因。 v编码序列称为外显子 v间隔的非编码序列称为内含子 v内含子在转录后的加工中会被切除。 v启动子、增强子和终止子均位于编码链上的 侧翼序列区域 四、DNA的复制 1.概念：指以亲代DNA分子为模板合成子代DNA的过程。 2.时间：有丝分裂的间期和减数第一次分裂的间期。 3.过程： 5.特点： 6.意义：通过复制，使遗传信息从亲代传给了子代， 从而保持了遗传信息的连续性。 模板： 原料： 能量 酶： 精确的模板和碱 基互补配对原则 是准确复制的保证 两条链均可作为为模板 四种脱氧核苷酸 解旋酶、聚合酶等 4.复制的基本条件： 边解旋边复制 及适宜的温度和酸

5、碱度 半保留复制、半不连续复制 复制的过程 解旋：利用细胞提供的 能量，在解旋酶的作用下 ，把两条螺旋的双链解开 。 形成子链：以解开的每 段链为模板，以细胞中游 离的脱氧核苷酸为原料,在 酶的作用下，按照碱基互 补配对原则，合成与母链 互补的子链。 螺旋化：在酶的作用下 ，重新生成两个双螺旋结 构的DNA分子。 半保留复制 半不连续复制 v前导链:与复制叉移动的方向一致，通过连 续的5-3聚合合成的新的DNA链。 v后随链：与复制叉移动的方向相反，通过不 连续的5-3聚合合成的新的DNA链。又称 滞后链。 v复制叉：刚分开的模板链与未复制的双链 DNA间的连接区。 复制子：每个复制起点到终点

6、间的DNA复制 区段称为复制子。 五、基因表达与调控 基因表达:DNA分子中蕴藏的遗传信息通过 转录和翻译生成具有生物活性的蛋白质或 通过转录形成RNA发挥功能的过程。 vv真核生物基因表达调控水平：真核生物基因表达调控水平： 转录前 转录 加工 翻译 修饰 DNA hnRNA mRNA 蛋白 活性 1、转录前水平调控 染色质结构的变化：染色质结构的变化： 常染色质和异染色质常染色质和异染色质 组蛋白的修饰：改变核小体结构。组蛋白的修饰：改变核小体结构。 DNADNA的甲基化修饰的甲基化修饰 基因表达的多级调控 2、转录水平调控 vv启动子启动子 vv终止子终止子 vv增强子增强子 3、转录后

7、水平调控 vv帽结构帽结构：(1)(1)防止防止mRNAmRNA降解、延长降解、延长mRNAmRNA寿命寿命 (2)(2)与核糖体小亚基结合与核糖体小亚基结合 (3)(3)被翻译起始因子被翻译起始因子识别作用。识别作用。 vvPoly(A)Poly(A)尾尾：( (1)1)保护作用保护作用 (2)(2)转运作用。转运作用。 vv内含子剪接：内含子剪接：选择性剪接。选择性剪接。 内含子选择性剪接 vv外显子选择：外显子选择：选择性保留外显子。选择性保留外显子。 vv内含子选择：选择性保留内含子。内含子选择：选择性保留内含子。 vv外显子互斥：两个外显子保留其一。外显子互斥：两个外显子保留其一。

8、vv剪接位点选择剪接位点选择：改变剪接位点，保留或不保留改变剪接位点，保留或不保留 部分内含子。部分内含子。 4、翻译水平调控 vv核糖体的数量核糖体的数量。 vvmRNA mRNA 稳定性的调控。稳定性的调控。 vvmRNA mRNA 结构对翻译的影响。结构对翻译的影响。 vvmRNAmRNA翻译成蛋白质的速率。翻译成蛋白质的速率。 5、翻译后水平的调控 肽链中氨基酸的共价修饰肽链中氨基酸的共价修饰: :磷酸化，糖基磷酸化，糖基 化，乙酰化，甲基化等。化，乙酰化，甲基化等。 基因突变: 是指DNA分子中核苷酸组成或排列顺序发 生改变。 生物进化的基础 Gene突变 产生新的基因 遗传病产生的

9、原因 六、基因突变 突变的方式有三种: 碱基替换 移码突变 动态突变 v1、 碱基置换 DNA分子中一个碱基被另一个不同的碱 基所替代.是DNA分子中发生的单个碱基的改 变,也称为点突变。 类型:1、转换：嘌呤和嘌呤、嘧啶和嘧 啶之间发生的替换.是最常见的. 2、颠换：嘌呤和嘧啶之间的替换. v碱基置换产生的效应： 同义突变:碱基被替换之后，产生了新 的密码子，但新旧密码子同义，所编码 的氨基酸种类保持不变，因此同义突变 并不产生突变效应 。 错义突义:碱基替换使编码某种氨基 酸的密码子变成编码另一种氨基酸的密 码子，从而使多肽链的氨基酸种类和序 列发生改变。 无义突义:突变后不构成任何一个氨

10、基 酸的密码，形成了终止密码，导致多 肽链合成提前终止。 终止密码突变:突变后使原来的终止密 码子变成编码氨基酸的密码子，导致 多肽链延长。 2、移码突变: 基因的碱基序列中增加或减少一个 或几个(不是3或3的倍数)碱基对，造成 在缺失或插入点及其以后的密码子全部 发生移位性改变。 移码突变导致严重的遗传病。 3、动态突变： 重复序列的重复次数增加。 正常情况 下重复的拷贝数有一定的变异范围，当重复 的拷贝数扩展，超过了正常的范围就表现为 疾病。 第二节 遗传的细胞基础 一、染 色 质 (一)染色质的分子结构 (二)常染色质与异染色质 (三)性染色质 1X染色质 2Y染色质 染色质 v定义：间

11、期细胞核中伸展开的DNA蛋白质纤维 。 v分类： 常染色质 异染色质 间期核中的染色质，根据其螺旋化程度及染色程度分为常染 色质和异染色质两类。 常染色质 异染色质 间期染色程度 染色浅 染色深 分布 核中央 核膜附近 螺旋化程度 低 高 呈疏松状态 呈凝集状态 DNA序列 单一序列和 高度重复序列 部分重复序列 功能状态 活跃的DNA分子部分 不活跃的DNA分子部分 进行转录和翻译 不能转录和翻译 常染色质与异染色质 v染色体： 是遗传物质(基因)的载体。它由 DNA和蛋白质等构成，具有储存和传递遗传信 息的作用。 人类染色体的基本特征 染色质和染色体实质上是同一物质在不同 细胞周期、执行不

12、同生理功能时不同的存在形 式。 v染色质和染色体 概念：指间期核中染色质的异染色质部分显 示出来的一种特殊结构。分为X染色质和Y 染色质。 1、 X染色质：雌性哺乳动物间期细胞核中染 色很深的浓缩小体。又称之为性染色质体 或巴氏小体。 性染色质 X染色质 A、B、C、D、E：分别为含0、1、2、3、4个X染色质 为什么正常女性的间期细胞核中有巴 氏小体，而男性没有？这种差异的原 因？ 为什么正常女性两条X染色体的基因产 物并不比男性多？ vLyon假说的要点： （1）雌性哺乳动物体细胞中，两条染色体中仅有一条在 遗传上有活性；另一条在遗传上是失活的，在间期核 中异固缩为X染色质; （2）失活发

13、生在胚胎早期，如人类大约在妊娠的第16天 ； （3）X染色体的失活是随机的。 也就是说在女性细胞中的两条X染色体只有一条有 活性，另一条无转录活性，在间期细胞核异固缩而失 活。保证了雌雄两性细胞中都只有一条x染色体具有转 录活性。这样男女X连锁基因产物数量保持相同水平 ，这种效应称为剂量补偿。 Lyon假说： 正常男性的间期细胞用荧光染料染色后，在 核中可见到一个圆形或椭圆形的强荧光小体， 称为Y染色质。 位于Y染色体长臂远端2/3的区段； 是男性细胞中特有的； 细胞中Y染色质的数目与Y染色体的数目相同 ； 正常男性的间期细胞中有一个Y小体； 2、Y染色质 Y染色质 染色质的化学组成 染色质=

14、蛋白质+DNA 组蛋白:H1 H2A H2B H3 H4 非组蛋白:种类多 （一）DNA v双螺旋结构 v3种序列：单一序列；中度重复 序列（1015）；高度重复序列（ 105）。 v带正电荷，为结构蛋白，共5种，分为： 核心组蛋白：H2A、H2B、 H3、H4； 连接组蛋白：H1 （二）组蛋白 v序列特异性DNA结合蛋白。特性： 带负电，属酸性蛋白。 整个细胞周期都合成，组蛋 白只在S期合成。 能识别特异DNA序列，结 合靠氢键和离子键。 v功能：帮助DNA折叠、复制；调节基因表 达。 （三）非组蛋白 从DNA到染色体 v核小体：一种串珠状结构，由核心颗粒和 连结线DNA两部分组成，通过酶消

15、化实验 建立。 v核小体单位包括约200bp的DNA、一个组 蛋白核心和一个H1。 由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八 聚体，构成核心颗粒； DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面 ，每圈80bp，共1.75圈，约146bp，两端 被H1锁合； 相邻核心颗粒之 间为一段60bp的 连接线DNA。 在低盐亲 水介质中展开的染色质，示串珠状的核小体（JA，Gall 1981） 核小体 核心颗粒 核心 DNA连接部 动画 A B 核小体与核小体连接形成串珠状的染色质 动画 螺旋管顶面观 二级结构：螺线管 三级结构 -超螺线管 超 螺线管直 径为 300nm， 长约11一 60um。 染色质的

16、组装 DNA双螺旋 染色质“串珠” “螺旋管” “袢环” “放射环” 中期染色体 一级结构 二级结构 三级结构 “超螺旋管” 四级结构 二、染色体的形态结构、类型与数目 v在染色体狭窄 处是着丝粒。 着丝粒将染色 体分为短臂(p) 和长臂(q)。 人类染色体的类型 根据着丝粒在染色体上的位置，可以把根据着丝粒在染色体上的位置，可以把 染色体分为染色体分为3 3种类种类 型型 i.i. 中部着丝粒染色体中部着丝粒染色体 ii.ii.亚中部着丝粒染色体亚中部着丝粒染色体 iii.iii.近端着丝粒染色体近端着丝粒染色体 人类染色体的3种类型图解 人类染色体的数目 1965年，美籍华人蒋有 兴证实：人类染色体数目是46条，而不是48条。 三、人类的正常核