遗传学教学课件第二章

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1、第二章 遗传物质的分子基础,DNA作为主要遗传物质的证据,遗传物质必须具备哪些特点？ 1）在体细胞中含量稳定； 2) 在生殖细胞中含量减半； 3) 能携带遗传信息； 4) 能精确地自我复制； 5）能发生变异；,核酸和蛋白质的紫外光吸收波长,一、DNA是遗传物质的间接证据,二. DNA作为遗传物质的直接证据,1、肺炎双球菌的转化实验,1944年，Avery 在离体条件下完成细菌转化，并用生物化学的方法证明活性物质是DNA.,2、1952年Hershey和 Chase 的噬菌体感染实验,二. Hershey-Chase 的噬菌体实验,三、 RNA也是遗传物质,A. Gierer 和 G. Schr

2、aman（ 1956 ）发现烟草花叶病毒（tobacco mosaic virus），其遗传物质是RNA。 美国Heinz Fraenkel-Conrat和B. Singre （ 1957）用病毒重建实验证实了这一结论。,1、化学组成,第二节 核酸的化学结构,核酸的化学组成,腺苷(AR) 脱氧胞苷(dCR),1,N9-糖苷键 1,N1- 糖苷键,a. 磷酸二酯键 b. 多核苷酸链,2、基本规律 （1）1950英 Chargaff，发现 DNA 的“ 当量规 律 ”。 （2）Alfred Mirsky, Hars Ris和R. Vendrely, A. Boivin 两组学者分别发现不同的生物体

3、细胞中DNA的 含量都是其配子中的两倍。 （3）不同物种的明显差异，无组织和阶段的特异性。,第二节 核酸的化学结构,1952年， Wilkins和 Franklin 用高度定向的DNA 纤维作出高质量的X-光衍射照片,1953年，Watson 和Crick 提出DNA的反向平行双螺旋模型,Space-filling diagram of a DNA double helix.,B型双螺旋DNA的结构特征,DNA的复制,一、复制的一般特点 （一）复制模型 半保留模型（semioconservetive model） 全保留复制模型(conservetive model) 分散模型(dispers

4、ive model)。,（二）验证半保留复制的实验,1、Meselson-Stahl实验 2、Taylar实验 3 、姊妹染色体差别显示实验,1. Meselson-Stahl 的实验,采用 Meselson-Stahl 的方法测定DNA的半保留复制,2. Taylor 蚕豆根尖放射自显影实验,（三）复制起点及其结构特点 1、复制起点的结构,富含AT； 重复顺序; 回文结构；,复制子：在同一个复制起点控制下成的一段DNA序列。 转录单位：转录形成RNA分子的一段DNA序列。,回文结构DNA序列中以某一中心区域为对称轴，其两侧的碱基对顺序正读和反读都相同的双螺旋结构。,引发,原核生物染色体上的复

5、制叉,真核生物染色体上的多个复制区,(一）DNA合成酶 1、DNA聚合酶的共同特点是： 模板； 3OH； 53; 其它功能。,二、原核生物的DNA合成,E.coli 中的三种DNA聚合酶,二、原核生物的DNA合成,2、DNA聚合酶的功能,53聚合功能 用于DNA的修复和RNA引物的置换 35外切活性 校正功能 53外切活性 校正功能 内切酶活性 修复,二、原核生物的DNA合成,3、DNA聚合酶的结构,DNA多聚酶是活体内真正控制DNA合成的酶,（二）DNA的复制过程,解链 a、 解旋酶 b、SSB protein C、拓扑异构酶,二、原核生物的DNA合成,合成 RNA聚合酶-DNA引物酶,前导

6、链、后随链,解 链,（最后，RNA引物在DNA聚合酶 I 的作用下被DNA取代）,DNA合成的开始与延伸,从5 端到 3 端的 DNA 合成,合成的方向,2、DNA复制起始点 结构与功能,去除RNA引物，填补中间缺口,？,（三）真核生物DNA合成特点,时间,起点,引物,DNA聚合酶,端粒复制,2、DNA复制起始点 结构与功能,起点,图11-38 真核生物的复制区,起点,DNA聚合酶,DNA末端的合成,染色体末端 DNA的复制,图9-42电镜照片显示在染色体DNA的端 粒处形成了一个环(引自B.Lewin,2000),信息流,第五节 RNA的转录和加工,一、几种RNA分子 mRNA - 传递遗传

7、信息(中介)hnRNA tRNA - 搬运工（14） rRNA - 核糖体的主要成分；,RNA的种类、分布、功能,信使RNA的结构与功能,* mRNA成熟过程,* mRNA半衰期最短，几分钟到数小时,* mRNA结构特点,大多数真核mRNA的5末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm。,大多数真核mRNA的3末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。,帽子结构,mRNA向胞质的转位 mRNA稳定性维系 翻译起始的调控,帽子结构和多聚A尾的功能,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

8、，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。,* tRNA的二级结构 三叶草形 氨基酸臂 DHU环 反密码环 额外环 TC环,氨基酸臂,额外环,* tRNA的三级结构 倒L形,* tRNA的一级结构特点 含 1020% 稀有碱基，如 DHU 3末端为 CCA-OH 具有 TC,二、转运RNA的结构与功能,N,N二甲基鸟嘌呤,N6-异戊烯腺嘌呤,双氢尿嘧啶,4-巯尿嘧啶,稀有碱基,三、rRNA的结构与功能,（一） rRNA的结构特点,含量最丰富,约占总RNA的80%以上。,与核蛋白体蛋白结合成核蛋白体, rRNA 与蛋白质既可分离,又可结合。,核蛋白体由大小两个亚基构成,两亚基呈不 规则形状,聚合时

9、中间有裂缝,可通过mRNA。,* rRNA的种类（根据沉降系数）,真核生物 5S rRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA,原核生物 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA,核蛋白体的组成,（二） rRNA的功能,核蛋白体是细胞内蛋白质合成的场所,snmRNAs的种类 核内小RNA 核仁小RNA 胞质小RNA 催化性小RNA 小片段干涉 RNA,snmRNAs的功能 参与hnRNA和rRNA的加工和转运。,二. RNA合成的基本特点 1960年Weiss, S. B.等发现RNA聚合酶, 也用RNA Pol 表示。 （一）其特点是： 以核糖核苷三磷酸为底物；

10、 以DNA为模板； 按5-3方向合成； 无需引物的存在能单独起始链的合成； 在体内DNA双链中仅一条链作为模板； RNA的序列和模板是互补的。,（二）RNA合成和DNA复制的区别,模板,引物,底物,链的稳定性,酶系,DNA多聚酶是活体内真正控制DNA合成的酶,三. 原核生物RNA的合成,RNA pol 执行多功能,识别,启动子,终止子,解链,方向,（二）RNA的转录,链的起始 RNA聚合酶、因子、共有序列、识别序列 链的延伸 RNA聚合酶 链的终止 蛋白或无蛋白,原核生物中转录初期,转录泡,1. 典型启动子的结构,-35 -10 转录起点 TTGACA 16-19bp TATAAT 5-9bp

11、,转录的起始与延伸,3. 原核生物转录的终止,四. 真核生物的转录与加工,（一）真核生物的转录和原核生物转录的不同点： 真核生物转录在核内进行； 原核只有一种RNA聚合酶，而真核细胞有三种RNA聚合酶(,)； 启动子的结构特点不同，真核有三种不同的启动子和有关的元件； 真核的转录有很多蛋白质因子的介入。(RNA聚合 酶不能独立转录RNA)； 真核生物mRNA分子一般只编码一个基因。,真核启动子含有不同的组件,SV40 早期启动子 胸苷激酶 组蛋白H2B -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 +1 Oct CCAAT GC TATA,真核生物启动子很复杂，与原核启动子有很

12、多不同： （1）有多种元件：TATA框， CCAAT框， GC框，OCT等； （2） 结构不恒定； （3）它们的位置、序列、距离和方向都不完全相同； （4）有的启动子有远距离的调控元件存在，如增强子；这些元件 常常起到控制转录效率和选择起始位点的作用 （5）不直接和RNA pol结合； (6 ) 需多种转录因子介入。,真核生物的启动子,（二）转录后的加工 （post transcriptional modification） 5端加帽；7甲基甲嘌呤核苷 3端加尾巴；多聚腺苷 内含子的剪接 剪接内切核酸酶 核酶 核酸剪接体,1、帽子结构的功能 (1)有助于mRNA越过核膜，进入胞质； (2)保护

13、5不被酶降解； (3)翻译时供IF（起始因子）和核糖体 识别。,真核生物中最初转录产物加工,电镜下DNA-mRNA的分子杂交,第五节 遗传密码与蛋白质的翻译,蛋白质生物合成中的三大发现,Paul Zamecnik,核糖体是蛋白质生物合成的场所,Mahlon Hoagland,发现转运RNA（tRNA）,Francis Crick,提出tRNA应接器假说,蛋白质合成的三大物质基础,一、参与蛋白质生物合成的物质,氨基酸 mRNA tRNA 核糖体 酶及蛋白质因子 ATP、GTP,薛 定 谔,生命是什么。在这本书中，他提出了三个著名的观点：(1)生命是非平衡系统并以负熵为生。(2)遗传物质是一种有机

14、分子，遗传是以密码的形式通过染色体来传递的，而这种密码是由复杂的化学物质的空间排列体现的。(3)生命体系中存在量子跃迁现象，生命及遗传的稳定性与辐射下的变异说明了生命遵循量子规律。,遗传密码的破译,遗传密码的试拼 1954年科普作家Gamov, G 414 ， 42 =16 ，4364， 44256 他认为3个碱基编码一种氨基酸 遗传密码的阅读是完全重叠的 ，邻位限制 :ATGC 1957年Brenner,S 通过蛋白质的氨基酸序列分析，发现不存在氨基酸的邻位限制作用，从而否定了遗传密码重叠阅读的可能性,G.Gamov (1904-1968）,悉尼布雷内（S.Brenner,）,遗传密码的证实

15、 1966年Sterisinger等用T4噬菌体证实了遗传密码是完全正确的。 他们采用的方法跟Crick的原黄素诱发移码突变的方法相同，物理诱变使T4溶菌酶产生了移码突变，根据突变后的蛋白质一级结构和野生型溶菌酶氨基酸顺序进行了比较。,悉尼布雷内（S.Brenner,）（1927）,密码字典,mRNA与遗传密码 遗传密码（genetic code)-共64个遗传密码 （DNA）mRNA 5AUG UCC ACC GUA UAA 3 蛋白质 Ser Thr Val 三联体= 一个密码子/暗码子 一个氨基酸 起始密码-AUG 终止密码-UAA/UGA/UAG,特点,氨基酸与tRNA复合体的形成,原核和真核生物核糖体的组成及功能 核糖体亚基 rRNAs 蛋白 RNA的特异顺序和功能 细菌 70S 50S 23S=2904b 31种(L1-L31） 含CGAAC和GTCG互补 2.5106D 5S=120b 66%RNA 30S 16S=1542b 21种(S1-S21) 16SRNA(CCU