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1、分子遗传学 第一章遗传物质 1953年 由WatsonCrick阐明的DNA结构是遗传学历史上最重大的发现之一 当时对基因和DNA的认识有以下几点 1 基因 是由孟德尔提出的遗传因子 它与特定的性状相连系 但其物质基础不清 2 一个基因一种酶 的学说推测基因控制蛋白质的结构 3 基因位于染色体上 染色体由DNA和蛋白组成 4 早先由Griffith后由Avery指出DNA是遗传物质 第一节DNA是遗传物质 有3个重要的实验证明遗传物质是DNA 1 细菌转化实验2 T2噬菌体的感染实验3 病毒重建实验 Griffith s细菌转化实验Greffith stransformationexperim
2、ent 实验提示 加热杀死的S型有毒品系中一定有一种因子能使无毒的R品系转化为有毒的S品系 transformation 16年实验证明 R转化为S的物质是DNA 1944年 美国学者Avery等证明将R无毒品系转化为有毒S品系的物质是DNA S 加热杀死多糖脂类RNA蛋白质DNA R型细菌 S R R R R R 美国学者Avery等证明转化因子是DNA SummaryofAvery sexperimentwhichdemonstratedthatDNAisthetransformingprinciple 结论在S型细胞的各种组分中 只有DNA能引起R型细胞的转化 DNA是S型细胞多糖荚膜和
3、病源特征的决定因子 只要给R型细胞提供S型细菌的DNA 就等于是提供了S基因 意义 第一次证明基因是由DNA组成的 DNA是遗传物质 转化已成为基因工程的重要手段 二 TheHershey Chase实验T2噬菌体的生活周期LifecycleofaT evenbacteriophage TheHershey Chase实验要回答的问题 噬菌体的感染过程涉及病毒复制的特异信息转入到细菌中去的过程 要问转入细菌中去的信息物是DNA还是蛋白质 1952年 用T2噬菌体标记的感染实验说明转入细菌中去的信息物是DNA TheHershey Chase实验的关键点 1 蛋白质中没有磷 磷是DNA中的主要成
4、分 在T2的DNA中占99 2 硫存在于蛋白质中 在DNA中从未发现有硫 3 用32P和35S分别标记两个噬菌体的培养物中的DNA和蛋白质 TheHershey Chase实验DemonstratingthatDNA andnotprotein isresponsiblefordirectingthereproductionofphageT2duringtheinfectionofE coli TheHershey Chase实验的结论只有噬菌体DNA进入细菌 蛋白质外壳从不进入细胞 噬菌体蛋白只是结构上的包装物 当DNA进入细菌后蛋白质外壳就留在了外边 意义 说明DNA是遗传物质 三 病毒重
5、建实验 有些病毒没有DNA而只有RNA 它们的遗传物质是什么 1956年 Fraenkel Conrat和Singer用TMV和HRV建成杂合病毒作感染实验回答了这一问题 总结以上三个实验说明 DNA是遗传物质 在不具有DNA而只有RNA的生物中 RNA是遗传物质 第二节DNA的结构 DNA由四种基本的分子脱氧核苷酸组成 每种核苷酸由磷酸 脱氧核糖和四种碱基之一组成 四种碱基的名称 腺嘌呤 Adenine A 鸟嘌呤 Guanine G 胞嘧啶 Cytosine C 胸腺嘧啶 Thymine T 四种核苷酸的名称是 脱氧腺苷酸dAMP或A 脱氧鸟苷酸dGMP或G 脱氧胞苷酸dCMP或C 脱氧胸
6、苷酸dTMP或T DNA和RNA中的碱基和糖的结构 WatsonCrick根据两个线索 1 DNA结构的X光衍射资料 表明DNA由两条互相平行的链组成 两条链呈螺旋状 2 Chargaff关于不同生物DNA组成成份的规律 A G T CPu PyA TG CA T并不一定等于G C 双螺旋 Thedoudlehelix 要点1 双螺旋的每一条链是一条核苷酸长链 每个核苷酸之间由磷酸二酯键相连接 phosphodiesterbands 两条链之间由氢键相连 配对原则是 A T G C 2 两条链的走向方向相反 它们是反向平行的 Antiparallel 一条是5 3 另一条是3 5 3 由于G
7、C对有三个氢键 A T对只有两个氢键 因此富含G C对的DNA比富含A T对的DNA更加稳定 每个核苷酸之间由磷酸二酯键相连接 LinkageoftwonucleotidesbytheformationofaC 3 C 5 3 5 phosphodiesterbond producingadinucleotide Shorthandnotationforapolynucleotidechain WasterCrickDNA双螺旋模型 双螺旋的几种形式目前已知有三种不同形式DNA 1 B form 即Watson Crick模型 在正常的细胞生活状态时存在 右手螺旋 碱基的平面对DNA的中轴是垂
8、直的 DNA分子每转一圈是10 4bp 2 A form 在高盐或脱水状态时存在 右手螺旋 碱基对倾斜并偏离双螺旋中轴 转一圈11bp 3 Z form 在合成制备的DNA晶体中发现的新构型 Z 字骨架 左手螺旋 每转一圈12bp 双螺旋的几种形式目前已知有三种不同形式DNA DNA结构的含义 1 该结构预示了DNA复制的一种明显方式2 预示了DNA分子中的核苷酸对的顺序可能决定着蛋白质中氨基酸的顺序 即可能存有某种类型的遗传密码 第三节DNA的复制由Watson Crick模型预言的DNA复制是半保留式的 半保留复制 semiconservativeReplication 每个子代DNA分子
9、含有一条旧链和一条新链 半保留复制SemiconservativeReplication每个子代DNA分子含有一条旧链和一条新链 GeneralizedmodelofsemiconservativereplicationofDNA DNA的复制 DNA是遗传物质 作为遗传物质的首要条件是必须能自我复制 Watson和Crick阐明的DNA模型预示了DNA具有复制的能力 通过氢键配对的方式复制新链 曾设想有三种复制方式 1 半保留式 2 保留式 3 分散式 1 2 3 曾设想有三种复制方式 保留式 半保留式 分散式 二 Meselson stahl实验1958年 Meselson等证明DNA的复
10、制是半保留式的 1 氯化铯超离心技术的原理DNA在CsCl溶液中经超速离心后 最终停留在某一位置上 这时离心力的大小正好等于DNA分子在CsCl梯度中的浮力 DNA的浮力是由其密度决定的 根据离心后DNA在梯度中达到的平衡位置的不同可以将不同密度的DNA分子分开 例如 15NDNA和14NDNA 2 将E coli培养在含有 重 同位素15N的培养基中 经多个世代后 细胞中DNA就标记上 重 同位素 然后将细胞转到14N培养基中 经过一个或两个细胞分裂周期后 分离DNA 再进行CsCl离心 3 结果 经一个世代后 DNA形成了一条中间密度带 其位于 重 带和 轻 带之间 经两个世代培养后 DN
11、A形成两条带 一条中间带 一条轻带 更直接的证据是将在14N中生长一代的细胞DNA 15N14N 变性后离心 可以得到一条重带和一条轻带 说明第一代杂种分子是半保留复制的产物 双链中一条是亲代15N 另一条是新合成14N DNA为15N14N Meselson stahl实验TheMeselson Stahlexperiment Meselson stahl实验结果的解释 三 真核生物染色体的复制1958年 Taylor用蚕豆根尖细胞染色体作实验 表明在染色体水平上 DNA复制也是半保留式的 四 复制叉TheReplicationForkWatson Crick模型预言 在复制过程中DNA分子
12、会形成一个分叉 1963年 Cairns用实验证实了复制叉的存在 起始点 3 3 3 3 复制叉 生长 生长 五 复制的起始大肠杆菌染色体DNA复制从一固定点起始 然后按两个方向进行 即随复制叉向两端移动作双向复制 起始点 高等生物细胞的DNA复制有多个起始点 即具有多个同时复制的区域 放射自显影显示的真核DNA复制模型 在一条双链DNA上有多个复制起点 放射自显影 解释 复制子 replicon 具有一个复制起始点和两个终止点的具有独立复制功能的DNA片段 大肠杆菌 质粒 噬菌体的DNA都是独立复制的 这样独立的复制单位称为复制子 高等生物的染色体是多复制子Multi replicon Hu
13、manDNAfromHelacellillustratingthereplicationbubblethatcharacterizesDNAreplicationwithinasinglereplicon 真核生物细胞的DNA复制有多个起始点 即具有多个同时复制的区域 六 DNA复制中的酶和蛋白质50年代末 Kornberg首次分离到DNA聚合酶 能催化复制反应 dATPDNA聚合酶亲代DNA 引物 dGTP 子代DNAdCTPdTTP ThechemicalreactioncatalyzedbyDNApolymeraseI 11 8 Demonstrationof5 to 3 synthes
14、isofDNA 1 双螺旋的转动和解链DNA拓朴异构酶 催化DNA拓朴异构体的转化 如DNA促旋酶 DNAgyrase 能使松驰形DNA形成超螺旋DNA SupercoilingDNA 也能使正超螺旋DNA转变为负超螺旋DNA 后者有利于双螺旋的解开 解螺旋酶 helicase rep 蛋白起解螺旋作用 单链结合蛋白 Single strandedDNA bindingprotein SSB 游离单链易降解 单链结合蛋白起保护作用 2 所有的DNA聚合酶只能以5 3 方向合成新链 当一条链由DNA聚合酶III连续地合成时 另一条链是以片段方式合成的 然后由DNA聚合酶I填补空缺 再由DNA连接
15、酶 Ligase 连接 这就是不连续复制学说 冈崎在细胞中证实了这种方式 这样的DNA短链称为冈崎片段 11 11 BecausethetwostrandofDNArunantiparalleltooneanotherandDNApolymeraseIIIsynthesizesonlyinonedirection Onthelaggingstrand synthessismustbediscontinuous resultingtheproductionofOkazakifragment Ontheleadingstrand synthesisiscontinuous RNAprimersin
16、itiatesynthesisonbothstrands 3 DNA聚合酶I和III具有3 5 外切酶活性 具有切割和修补功能 4 DNA合成必须有一个短的双链区作为引物 primer 聚合酶不可能在一条单链模板上起动合成一条新链 因此需要有引物合成酶 primase 与dnaB蛋白一起作用合成一个RNA引物 保证DNA聚合酶III在引物的3 端起动DNA合成 11 13 SummaryofDNAsynthesisatasinglereplicationfork Theendsofeukaryoticchromosomesarereplicatedbyatelomerase Theendsofeukaryoticchromosomesarereplicatedbyatelomerase端粒末端复制的困难 telomericDNAsequenceshavebeenhighlyconservedthroughoutevolution reflictingthecriticalfunctionoftelomeres DNApolymerasecannotreplicatethetermina
