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1、第九章 遗传物质的分子基础第1页，共62页。分子遗传学的大量直接和间接的证据，说明DNA是主要的遗传物质，而在缺乏DNA的某些病毒中，RNA就是遗传物质。第一节第一节 DNADNA作为主要遗传物质的证据作为主要遗传物质的证据 第2页，共62页。一、间接证据一、间接证据 DNA含量、代谢、结构、染色体共有等二、直接证据二、直接证据1、细菌的转化 肺炎双球菌两种类型：光滑型(S型)：I S、II S、III S 粗糙型(R型)：I R、II R第3页，共62页。1928,Griffith：首次将IIRIIIS，实现了细菌遗传性状的定向转化。被加热杀死的IIIS型肺炎双球菌必然含有某种促成这一转变的
2、活性物质第4页，共62页。1944，Avery等用生物化学方法证明这种活性物质是DNA该提取物不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酸酶的影响，而只能为DNA酶所破坏第5页，共62页。2、噬菌体的侵染与繁殖Hershey等用同位素32P和35S分别标记T2噬菌体的DNA与蛋白质第6页，共62页。3、烟草花叶病毒的感染和繁殖RNA接种到烟叶发病RNARNA酶处理RNA不发病TMV蛋白质：接种后不形成新的TMV不发病说明在不含DNA的TMV中RNA就是遗传物质第7页，共62页。为了进一步论证上述的结论，Frankel-Conrat和Singer实验：第8页，共62页。第二节核酸的化学结构一、两种核酸及其区别*
3、核酸的构成单元是核苷酸，是核苷酸的多聚体*每个核苷酸包括三部分：五碳糖、磷酸、碱基*两个核苷酸之间由3和5位的磷酸二脂键相连 第9页，共62页。两种核酸的主要区别：DNA：脱氧核糖，A、C、G、T 双链，分子链较长RNA：核糖，A、C、G、U 单链，分子链较短第10页，共62页。图图 3-4 3-4 构成核苷酸分子的碱基结构构成核苷酸分子的碱基结构第11页，共62页。图图 3-5 3-5 核酸分子的化学结构核酸分子的化学结构第12页，共62页。二、DNA的分子结构1953，Watson和Crick根据：碱基互补配对的规律 对DNA分子的X射线衍射成果提出了著名的DNA双螺旋结构模型。这个模型已
4、为以后拍摄的电镜直观形象所证实。第13页，共62页。DNA分子模型最主要特点：(1)两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，以一定的空间距离，环绕于同一轴相 互盘旋而成(2)反向平行：53，35(3)两条单链间以碱基间氢键配对相连：A T，C G(4)每个螺旋3.4nm，含10bp，直径约为20nm(5)分子表面大沟和小沟交替出现第14页，共62页。图图 3-6 DNA3-6 DNA分子的双螺旋结构模型分子的双螺旋结构模型第15页，共62页。图图 3-7 3-7 两条多核酸链间氢键相连两条多核酸链间氢键相连第16页，共62页。假设某一段DNA分子链有1000bp，则该段就可以有41000种不同的排列组
5、合形式，反映出来的就是41000种不同性质的基因.第17页，共62页。DNA构型之变异：BDNA：瓦特森和克里克提出的 双螺旋构型,是DNA在生理状 态下的构型 ADNA：在高盐下存在形式，右旋，每个螺圈含11bp ZDNA:左旋，每个螺圈含12bp 其他构型第18页，共62页。图图 3-9 DNA3-9 DNA分子的一种不同构型分子的一种不同构型第19页，共62页。三、RNA的分子结构绝大部分RNA以单链形式存在，但可折叠起来形成若干双链区域。这些区域内，互补的碱基对间可形成氢键。一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。第20页，共62页。第三节染色体的分子结构一、原核生物染色体与真
6、核生物相比，原核生物的染色体要简单得多，其染色体通常只有一个核酸分子(DNA或RNA)。第21页，共62页。图图3 311 11 大肠杆菌的染色体大肠杆菌的染色体DNADNA分子伸展有分子伸展有12001200m m长，细菌直径长，细菌直径1 12 2m m 第22页，共62页。图图3 312 12 原核生物的染色体结构模型原核生物的染色体结构模型 第23页，共62页。二、真核生物染色体1、染色质的基本结构、染色质的基本结构 DNA:30%(重量重量)RNA:少量少量染色质染色质 组蛋白：组蛋白：1H1、2H2A、2H2B、2H3和和2H4(重量相当于重量相当于DNA）非组蛋白：少量非组蛋白：
7、少量第24页，共62页。染色质基本结构单位染色质基本结构单位 核小体：核小体：2H2A、2H2B、2H3、2H4 -八聚体八聚体 连接丝连接丝：串联两个核小体：串联两个核小体 1H1：结合于连接丝与核小体：结合于连接丝与核小体 的接合部位的接合部位 第25页，共62页。图图3 313 13 核小体结构模型核小体结构模型一个核小体及其连接丝约含一个核小体及其连接丝约含180180200bp200bp约约146bp146bp盘绕在核盘绕在核小体表面小体表面1.751.75圈，圈，其余碱基为其余碱基为连接丝连接丝，其长度，其长度变化较大，变化较大，从短的从短的8bp8bp到长的到长的114bp114
8、bp第26页，共62页。异染色质，异染色质区染色很深的区段染色质常染色质，常染色质区染色很浅的区段（核酸的紧缩程度及含量不同，异染色质的复制时间总是迟于常染色质）异固缩现象第27页，共62页。2、染色体的结构模型、染色体的结构模型 染色单体染色单体1DNA+pro 染色质线是单线染色质线是单线 染色体染色体 染色单体染色单体在细胞分裂过程中染色质线到底是怎样卷在细胞分裂过程中染色质线到底是怎样卷缩成为一定形态结构的染色体？缩成为一定形态结构的染色体？第28页，共62页。图图3 314 14 染色体染色体结构模型结构模型现在认为至少存现在认为至少存在三个层次的卷在三个层次的卷缩缩:核小体核小体
9、螺线管螺线管 染色体染色体 卷缩机理不清楚卷缩机理不清楚第29页，共62页。图图3 315 15 非组蛋白组成的染色体骨架非组蛋白组成的染色体骨架 第30页，共62页。第四节DNA的复制一、DNA复制的一般特点1、复制方式：半保留复制2、复制起点：大多数细菌及病毒只有一个复制起点，一个复制子；真核生物是多起点的，多个复制子3、复制方向：一般为双向复制第31页，共62页。图图3 316 DNA16 DNA半保留复制半保留复制 第32页，共62页。图图3 317 17 真核生物染色体多起点真核生物染色体多起点DNADNA复制电镜照片复制电镜照片 第33页，共62页。二、原核生物DNA合成1、半保留
10、复制，双向复制2、有引物的引导，为RNA3、延伸方向为53。4、一条链一直从5向3方向延伸，称前导链，连续合成；另一条先沿53合成冈崎片段，再由连接酶连起来链，后随链，不连续合成第34页，共62页。图图3 318 DNA18 DNA解旋解旋 第35页，共62页。图图3 319 DNA19 DNA合成之模型合成之模型 第36页，共62页。*在前导链上，在前导链上，DNADNA引物酶只在引物酶只在 起始点合成一次引物起始点合成一次引物RNARNA，DNADNA聚合酶聚合酶IIIIII开始开始DNADNA的的合成合成*在后随链上，每个冈崎片段在后随链上，每个冈崎片段 的合成都需要先合成一段引的合成都
11、需要先合成一段引 物物RNARNA，然后，然后DNADNA聚合酶聚合酶IIIIII才才 能进行能进行DNADNA的合成的合成。第37页，共62页。图图3 320 20 后随链后随链DNADNA的合的合成成 第38页，共62页。RNARNA病毒中病毒中RNARNA的自我复制的自我复制 先以自己为模板（先以自己为模板（“”链链）合成一条互补的单链（合成一条互补的单链（“”链链），然后这个，然后这个“”链从链从“”链链模板释放出来，它也以自己为模模板释放出来，它也以自己为模板复制出一条与自己互补的板复制出一条与自己互补的“”链，形成了一条新生的病毒链，形成了一条新生的病毒RNARNA。第39页，共6
12、2页。三、真核生物DNA合成 真核生物DNA的复制与原核生 物的主要不同点：1、DNA的合成只是在S期进行，原 核生物则在整个细胞生长过程 中都进行DNA合成 2、原核生物DNA的复制是单起点 的，真核生物染色体的复制则 为多起点的第40页，共62页。3、所需的RNA引物及后随链上合成的“冈崎片段”的长度比原核生物要短；4、有二种不同的DNA聚合酶分别控制前导链（）和后随链（）的合成；在原核生物 中由聚合酶III同时控制二条链的合成5、染色体端体的复制：原核生物的染色体大多数为环状，真核生物染色体为线状。RNA引物切除后，无3自由羟基为DNA合成做引物。DNA末端存在特殊结构，可以解决复制问题
13、？催化末端合成的酶？-末端存在特殊结构，RNA端粒酶催化下完成末端合成。第41页，共62页。图图3 321 21 真核生物真核生物DNADNA复制复制 第42页，共62页。第五节RNA的转录及加工一、三种RNA分子1、mRNA mRNA 2 2、tRNAtRNA：最小的：最小的RNARNA，由，由7070到到 9090个核苷酸组成，具有稀有个核苷酸组成，具有稀有 碱基的特点碱基的特点第43页，共62页。图图3 322 tRNA22 tRNA的三维结构的三维结构 第44页，共62页。图图 3-6 DNA3-6 DNA分子的双螺旋结构模型分子的双螺旋结构模型第45页，共62页。3、rRNA：核糖体
14、的主要成 分。在大肠杆菌中：rRNA量占细胞总RNA量的 75-85 tRNA占15 mRNA占3-5第46页，共62页。二、RNA合成的一般特点1、所用原料为核苷三磷酸；在DNA合成 时为脱氧核苷三磷酸 2、只有一条DNA链被用作模板；DNA合成 时，两条链分别用作模板 3、RNA链的合成不需要引物；DNA合成一 定要引物的引导4、RNA链的合成与DNA链的合成同样，也 是从5向3端，由RNA聚合酶催化 第47页，共62页。三、原核生物RNA的合成*转录后形成一个RNA分子的一段DNA序列称为一个转录单位*一个转录单位可能刚好是一个基因，也可能含有多个基因*RNA转录分三步：(1)RNA链的
15、起始；(2)RNA链的延长；(3)RNA链的终 止及新链的释放 第48页，共62页。图图3 324 RNA24 RNA的转录过程的转录过程 第49页，共62页。图图3 325 25 启动子的结构启动子的结构 第50页，共62页。图图3 326 RNA26 RNA链的延伸链的延伸 第51页，共62页。1、真核生物RNA的转录是在细胞核内进行，而蛋白质的合成则是在细胞质内2、原核生物的一个mRNA分子通常含有多个基 因；而除少数较低等真核生物外，真核生物 一个mRNA分子一般只编码一个基因3、原核生物只有一种RNA聚合酶催化所有RNA 的合成；真核生物中则有RNA聚合酶I、II 、III，分别催化
16、不同种类型RNA的合成 4、原核生物RNA聚合酶直接起始转录合成RNA ；真核生物三种RNA聚合酶都必须在蛋白 质转录因子的协助下才能进行RNA的转录 四、真核生物与原核生物RNA的转录的不同点第52页，共62页。五、真核生物mRNA在转录后的加工：1、5端加上帽子(7甲基鸟嘌呤核苷)在蛋白质翻译时识别起始位置及防止 被RNA酶降解 2、3端加上尾巴(聚腺苷酸,polyA)对增加mRNA的稳定性及从细胞核向细 胞质的运输具有重要作用 3、切除非编码序列(内含子)，将编码序 列(外显子)连接起来，才能进行蛋白 质的翻译 第53页，共62页。磷酸二脂键相连两种核酸的主要区别：以一定的空间距离，环绕于同一轴相绝大部分RNA以单链形式存在，但可折叠起来形成若干双链区域。图 3-6 DNA分子的双螺旋结构模型对增加mRNA的稳定性及从细胞核向细(1)两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，图320 后随链DNA的合成物RNA，然后DNA聚合酶III才*一个转录单位可能刚好是一个基因，也可能含有多个基因先以自己为模板（“”链）合成一条互补的单链（“”链），然后这个“”链从“”链模板释放出来，它也以自己为模
