第六部分基因及其表达与调控

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1、主要内容 1 遗传物质 2 基因表达 3 基因表达的调控 自学 章基因及其表达与调控 基本要求 1 掌握核酸的分子结构与功能 2 理解基因的概念及发展 3 掌握基因表达的过程 4 了解基因表达的调控 第一节 遗传物质 一 间接证据 1 DNA通常只在核中的染色体上找到 也有某些例外 例如细胞 质中的线料体和叶绿体等有它们的自己的DNA 但这些结构能自 体复制 有它们自己的遗传连续性 2 同一种生物 不论年龄大小 不论身体的那一种组织 在一定 条件下 每个细胞核的DNA的含量基本上是机同的 而精子的DNA 的含量正好是体细胞的一半 蛋白质等其他化学物质不符合这种 情况 3 同一种生物的各种细胞中

2、 DNA在量上恒写在质上也恒定 相 反地 蛋白质在量不上恒定 在质上也不恒定 例如在某些鱼类 中 它们的染色体的蛋白质一般都是组蛋白 且含有少量的RNA 而在成熟精子中组蛋白完全不见了 全都是精蛋白了 RNA的 含量也测不出 查见蛋白质在质量也不是恒定的 不符合遗传物 质的对稳定性要求 4 各类生物中 能改变DNA结构的化学物质都可能引起突变 一 核酸是遗传物质 1 细菌转化实验前传 转化因子试验 1928年 格里菲斯 Griffith J 肺炎双球菌有两种类型 型 有毒 外包有荚膜 不能被白血球吞噬 型 无毒 外无荚膜 容易被白血球吞噬 注射毒性的SIII 注射已杀死的无毒性的 SIII 少

3、量活R型菌株 注射无毒性的RII型 分离到有活的 性的SIII 转化因子 二 直接证据 1944年O T Avery等人通过实验证明DNA是一个携带遗 传信息的分子 几年之后 A Hershy和M Chase通过噬菌体 感染实验也证实DNA是遗传物质 1 1 肺炎球菌的转化实验肺炎球菌的转化实验 肺炎病菌有二种 一种是光滑型肺炎双球菌 有荚膜 菌落光滑且有毒 这种菌通常外包有一层黏性发光的多糖 荚膜 它是细菌致病性的必要成分 引起肺炎 另一种是 粗糙型肺炎双球菌 无荚膜 菌落粗糙且无毒 下图给出 了O T Avery等人具体的肺炎球菌的转化实验肺炎球菌的转化实验过程 2 细菌转化实验 a 将光

4、滑型肺炎双球菌注入小鼠体内 使小鼠致死 b 将粗糙型肺炎双球菌注入小鼠体内 对小鼠无害 c 将光滑型肺炎双球菌加热杀死后 再注入小鼠体内 对小鼠无害 d 将加热杀死的光滑型肺炎双球菌与 粗糙型肺炎双球菌一起注入小鼠体内 小 鼠死掉 e 从加热杀死的光滑型肺炎双球菌中 提取DNA 并尽可能将混在DNA中的蛋白质 除去 然后将DNA与粗糙型肺炎双球菌混 合后 再注入小鼠体内 小鼠死掉 2 噬菌体感染实验 用32P标记噬菌体DNA 使标记的噬菌体感染大肠杆菌 经短期保温后 噬菌体就附着在细菌上 然后用搅拌器 10000转 分 搅拌几分钟 使噬菌体与大肠杆菌分开 再用 高速离心机使细菌沉淀 分析沉淀和

5、上清中的放射性 用35S 标记噬菌体的蛋白质外壳 进行同样的验证实验 结果大多数噬菌体的结果大多数噬菌体的DNADNA存在于细菌中 而外壳留在上清存在于细菌中 而外壳留在上清 中中 但是被感染的细菌内部出现了奇迹 随着被感染的细菌 的培养 有的细菌破裂 释放出很多噬菌体来 这说明用于 复制的遗传信息是通过病毒DNA 而不是通过病毒蛋白质导入 细菌内的 32P标记 噬菌体 DNA 35S标记 噬菌体 外壳 美国生理学家德尔布吕克 Delbuck M 1906 1981 1952年赫希尔 Heishey A D 和蔡斯 Chase M 用同位素标记法进行实验 他们的实验进一步证明了 就是遗传物质基

6、础 1 1 保证遗传信息在世代间传递的延续性和稳定 保证遗传信息在世代间传递的延续性和稳定 性性 2 使细胞和个体生长过程中遗传信息顺利表达 3 DNA作为遗传物质的基本功能 二 二 DNADNA的结构和复制的结构和复制 1 DNA的结构 1 DNA的一级结构 定义 DNA的一级结构是由数量极其庞大的四 种脱氧核糖核酸 dAMP dGMP dCMP dTMP 按一 定顺序 通过3 5 磷酸二酯键 一个核苷酸的3 羟基和相邻一个核苷酸的5 磷酸基团以酯键相 连 连成的直线形或环形分子 DNA的书写顺序是5 3 DNA中有4种类型的核苷酸 有n个核苷酸组成的 DNA链中可能有的不同序列总数为4n

7、二 核酸的分子结构与功能 一 核酸的分子组成和性质 一 核酸的分子组成和性质 2 DNA的二级结构 双螺旋 定义 DNA的二级结构指DNA的双螺旋结构 双螺旋结构的研究背景 碱基组成的Chargaff规则 Franklin和Wilkins获得了高质量的DNA的X线衍射照 片 显示出DNA是螺旋形分子 1952 年底 美国著名的化学大师鲍林 Linus Pauling 发表了自己构建的DNA 三螺旋结构 1953年Watson和Crick总结前人的研究成果 提出了 DNA的双螺旋结构模型 Chargaff 规则 20世纪40 50年代 不同物种间DNA碱基组成一般是不同的 同一物种不同组织DNA

8、样品碱基组成相同 一个物种的DNA碱基组成不会因个体的年龄 营养状 态和环境改变而改变 任何一种DNA样品中 A的量 T的量 G的量 C的量 因此 A G C T A G C T 100 例如 G C含量为40 则G 20 C 20 A 30 T 30 DNA双螺旋结构模型的要点 2 0 nm 小 沟 大 沟 两条右手螺旋的多核苷酸链反向平行围绕同一中心轴相互缠绕 两条链偏 向一侧 形成大沟和小沟 磷酸与核糖通过磷酸二酯键连接 形成DNA分子骨架 位于DNA分子外侧 嘌呤与嘧啶位于双螺旋内侧 碱基平面和纵轴垂直 糖环的平面与纵轴平 行 双螺旋的直径2nm 相邻碱基对之间的距离为0 34nm 沿

9、中心轴旋转一周有 10个核苷酸 两核苷酸链靠碱基间的氢键连接在一起 A T配对 G C配对 当一条多核苷酸链的序列确定后 可决定另外一条互补链的序列 双螺旋结构的稳定因素 碱基堆积力 堆积碱基的疏水作用 主要因素 氢键 AT之间两个氢键 GC之间三个氢键 环境中的正离子 复制 replication 是指遗传物质的传代 以母链DNA为模板 合成子链DNA的过程 复制 亲代DNA 子代DNA 2 DNA半保留半不连续复制 1 半保留复制 semiconservative replication 概念 DNA生物合成时 母链DNA 解开为两股单链 各自作为模 板 按碱基配对规律 合成与 模板互补的

10、子链 子代细胞的 DNA 一股单链从亲代完整接受 过来 另一股单链则完全重新 合成 两个子细胞的DNA都和亲 代DNA碱基序列一致 这种复制 方式为半保留复制 复制时 DNA从起始点 origin 向两个方向 解链 形成两个延伸方向相反的复制叉 称为 双向复制 复制中的放射自显影图象 2 双向复制 bidirectional replication A 环状双链DNA及复制起始点 B 复制中的两个复制叉 C 复制接近终止点 termination ter ori ter A B C 原核生物DNA双向复制 5 3 oriorioriori 5 3 5 5 3 3 5 5 3 复制子 3 真核生

11、物DNA多复制子复制 3 半不连续复制 semi discontinuous replication 顺着解链方向生成的子链 复制是连续进 行的 这股链称为领头链 复制方向与解链方向相反 不能顺着解链 方向连续延长 这股不连续复制的链称为 随从链 复制中的不连续片段称为岡崎片 段 okazaki fragment 3 5 3 5 解链方向 3 5 3 3 5 领头链 leading strand 随从链 lagging strand 岡崎片段 okazaki fragment 领头链连续复制而随从链不连续复制 复制的半不连续性 1 RNA的一级结构 RNA分子中各核苷之间的连接 方式 3 5

12、磷酸二酯键 和排列 顺序叫做RNA的一级结构 OH OH OH 5 3 RNA与DNA的差异 DNA RNA 糖 脱氧核糖 核糖 碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基 含稀有碱基 三 RNA的结构与功能 2 mRNA的结构 信使RNA messenger RNA mRNA 不均一核RNA heterogeneou nuclear RNA hnRNA 在细胞核内合成的mRNA的初级产物 经过剪接成为成熟的mRNA并移到细胞质 mRNA的功能 是把核内DNA的碱基顺序按照碱 基互补的原则 抄录并转送至胞质 指导蛋白 质的合成 AAAA Anm7Gppp AUG GUGUAA 5 3 5 帽子结构

13、 密码子 3 多聚A尾 5 非编码区 编码区 3 非编码区 真核生物mRNA mRNA的功能 把DNA所携带的遗传信息 按碱基互 补配对原则 抄录并传送至核糖体 用以决 定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序 DNA mRNA 蛋白 转录 翻译 原核细胞 细胞质 细胞核 DNA 内含子 外显子 转录 转录后剪接 转运 mRNA hnRNA 翻译 蛋白 真核细胞 mRNA的成熟过程 mRNA结构的特点 z真核生物成熟mRNA的结构特点及与原核生物的区 别 1 5 端帽子结构 cap sequence m7G5 ppp5 Nm 5 末端的G的N7被甲基化 鸟嘌呤核苷酸焦磷 酸与相邻的一个核苷酸相连 形成5

14、 5 磷酸 二酯键 帽子结构能促进核蛋白体与mRNA的结合加速翻 译起始速度 同时可以增强mRNA的稳定性 原核生物无此结构 2 3 末端多聚A的尾巴 极大多数真核细胞mRNA在3 末端有一段长约 20 200个多聚腺苷酸的polyA polyA是在转录后 经polyA聚合酶的作用而添加上去的 原核生物无些结构 polyA的功能 1 与mRNA从细胞核转移到细胞质有关 2 与mRNA的半寿期有关 新合成的mRNA polyA链 较长 而衰老的mRNA polyA链缩短 3 真核生物mRNA是单顺反子的 而原 核生物的mRNA是多顺反子的 顺反子 是由顺反试验所规定的遗传单位 相当于一个基因 含

15、有决定一种蛋白质氨 基酸序列的全部核苷酸序列 多顺反子 是指携带一种以上蛋白质合成 信息的mRNA 也就是说 原核生物mRNA可编码几条不同 的多肽链 单顺反子 只编码一条多肽链 2 tRNA的结构 1 tRNA的一级结构 1 由74 93个 多为76个 核苷酸组成单链 沉降系数为4S 沉降系数又称为沉降常数 指离心力场中沉 降分子下沉的速度 1S 1x10 13秒 S常用来表示核酸分子 蛋白质分 子和糖体等的大小 2 具有不变的 恒定的 核苷酸 U8 G18 G19 3 含较多的修饰核苷酸 稀有碱基 4 5 端多为PG 3 端多为CCAOH 用来接 受活化的氨基酸 又称为接受末端 2 tRN

16、A的二级结构 三叶草结构 具有四臂四环 3 端为CCAOH 序列 5 端为PG 3 tRNA的三级结构 倒L形结构 tRNA的三叶草型二级结构 1 2 4 叶子叶子 反密码子环 反密码子 载运氨基酸载运氨基酸 臂臂 稀有碱基稀有碱基 RNA中的碱基配对 原则 A U A U G CG C 3 额外环 二氢尿 嘧啶环 次黄嘌呤 不同的tRNA 具有不同的 额外环 所 以额外环是 tRNA分类的 重要指标 假尿嘧啶核苷 胸 腺嘧啶核糖核苷环 tRNA的二级结构 tRNA的二级结构大都呈 三叶草 形状 在结构 上具有某些共同之处 一 般可将其分为四臂四环 包括氨基酸接受臂 反密 码 环 臂 二氢尿嘧啶 环 臂 T C 环 臂和 可变环 除了氨基酸接受 区外 其余每个区均含有 一个突环和一个臂 1 氨基酸接受区 包含有tRNA的3 末端和5 末端 3 末端的最后3 个核苷酸残基都是CCA A 为腺苷酸 氨基酸可与其 成酯 该区在蛋白质合成 中起携带氨基酸的作用 2 反密码区 与氨基酸接受区相对 一 般环中含有7个核苷酸残基 臂中含有5对碱基 其中 环中正中的3个核苷酸残基 称为反密码子 3 二