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1、第十一章第十一章遗传物质的分子基础遗传物质的分子基础第一节第一节遗传物质是遗传物质是DNA（或（或RNA）一、染色体的组成一、染色体的组成二二、DNA是遗传物质的间接证据是遗传物质的间接证据三、三、DNA（或（或RNA）是遗传物质的直接证）是遗传物质的直接证据据(一一)、细菌转化试验细菌转化试验(二二)、噬菌体感染试验噬菌体感染试验(三三)、烟草花叶病毒的重建实验、烟草花叶病毒的重建实验 染色体组成成分染色体组成成分染染色色体体DNA1（相对含量）（相对含量）组蛋白组蛋白 1非组蛋白蛋白质非组蛋白蛋白质 0.5-1.5RNA0.05二十世纪早期的观点二十世纪早期的观点v在在很很长长一一段段时时
2、间间内内，人人们们以以为为蛋蛋白白质质是是遗遗传传物物质质。 人人们们之之所所以以认认为为蛋蛋白白质质是是遗遗传传物物质质而而不不认认为为DNADNA是是遗遗传传物物质质，其其主主要要原原因因是是： 人人们们认认为为生生物物界界是是多多样样性性的的，生生物物种种类类成成千千上上万万，各各种种生生物物又又有有成成百百上上千千的的不不同同性性状状，控控制制这这些些性性状状的的遗遗传传物物质质也也应应该该是是多多样样性性的的。只只有有蛋蛋白白质质的的多样性才符合这一要求。多样性才符合这一要求。 一、一、DNA是遗传物质的间是遗传物质的间接证据接证据v1、DNA通常只在核中的染色体上找到通常只在核中的
3、染色体上找到v2、DNA含量的恒定性含量的恒定性v3、DNA代谢的稳定性代谢的稳定性v4、能改变能改变DNA结构的化学物质都可引结构的化学物质都可引起基因突变起基因突变DNA含量的恒定性含量的恒定性v每个物种中，不同每个物种中，不同组织的的细胞，无胞，无论其大小和功能如何，其大小和功能如何，细胞核中的胞核中的DNADNA含量都是恒定的。而且精子和含量都是恒定的。而且精子和卵子的卵子的DNADNA含量正好是体含量正好是体细胞的一胞的一半。而半。而细胞中胞中RNARNA和蛋白和蛋白质的含量的含量在不同在不同细胞中的胞中的变化很大。化很大。DNADNA在代在代谢上的上的稳定性定性vDNADNA在代在
4、代谢上是上是稳定的。若某个定的。若某个元素被元素被DNADNA分子所吸收，分子所吸收，则在在细胞健全生胞健全生长的条件下，它不会的条件下，它不会离开离开DNADNA。而。而细胞内的其他分子，胞内的其他分子，如蛋白如蛋白质，都是一面迅速合成，都是一面迅速合成，一面又不断分解。一面又不断分解。（一）转化试验（一）转化试验v这是第一个证实这是第一个证实DNA是遗传物质的试验。是遗传物质的试验。它由两个阶段的试验组成：它由两个阶段的试验组成：1、Griffith（1928）发现，高温杀死的）发现，高温杀死的S型型能使能使R型转化为型转化为S型。于是，他认为型。于是，他认为S型中型中有一种物质有一种物质
5、转化因子能够进入转化因子能够进入R型细型细菌，并引起稳定的遗传变异。菌，并引起稳定的遗传变异。转化因子是什么？他还不清楚。转化因子是什么？他还不清楚。（一）转化试验（一）转化试验2、Avery和他的同事（和他的同事（1944）经过）经过10年的年的工作，证实工作，证实Griffith的转化因子就是的转化因子就是DNA。于是，首次提出了于是，首次提出了DNA是遗传物质。是遗传物质。这个实验还证明了性状本身是不遗传这个实验还证明了性状本身是不遗传的。的。Griffith的转化试验的转化试验Avery的转化试验的转化试验v从活的从活的S型中提取型中提取DNA、蛋白质、多糖。、蛋白质、多糖。v蛋白质蛋
6、白质+R型型小鼠正常小鼠正常v多糖多糖+R型型小鼠正常小鼠正常vDNA+R型型小鼠死亡小鼠死亡分离出分离出S型型vDNA（DNase处理后）处理后）+R型型小鼠正常小鼠正常vDNA纯度越高，转化效率越高。纯度越高，转化效率越高。(二二)、噬菌体感染试验噬菌体感染试验噬菌体侵染与繁殖的基本过程：噬菌体侵染与繁殖的基本过程：T2噬菌体浸染大肠杆菌后，遗传物质进入细菌细胞；噬菌体浸染大肠杆菌后，遗传物质进入细菌细胞；利用大肠杆菌的遗传复制系统复制噬菌体遗传物质；利用大肠杆菌的遗传复制系统复制噬菌体遗传物质；利用大肠杆菌的遗传信息表达系统合成噬菌体组件；利用大肠杆菌的遗传信息表达系统合成噬菌体组件；最
7、后组装形成完整的最后组装形成完整的T2噬菌体。噬菌体。v因此只要弄清侵染时进入细菌的是噬菌体因此只要弄清侵染时进入细菌的是噬菌体的哪一部分，就可能证明哪种物质是遗传的哪一部分，就可能证明哪种物质是遗传信息的载体。信息的载体。v另外：另外：P是是DNA的组成部分，但不存在于蛋白质中；的组成部分，但不存在于蛋白质中；S存在于蛋白质中，但存在于蛋白质中，但DNA中没有。中没有。2.Hershey和和Chase的实验的实验结果与结论v试验结果表明：试验结果表明：主要是由于主要是由于DNA进入细胞内才产生完整的噬进入细胞内才产生完整的噬菌体；菌体；v结论：结论：DNA才是才是(噬菌体的噬菌体的)遗传物质
8、。遗传物质。v题外话：题外话：与与Avery等人研究比较，本试验的精度低得多。等人研究比较，本试验的精度低得多。但是由于放射性标记法但是由于放射性标记法(也称为示踪原子法也称为示踪原子法)当当时为人们普遍采用时为人们普遍采用,同时由于核酸研究及其它同时由于核酸研究及其它相关的成果，本试验结果很快得到人们的广相关的成果，本试验结果很快得到人们的广泛认同。泛认同。(三三)、烟草花叶病毒的重建实验、烟草花叶病毒的重建实验 v烟草花叶病毒烟草花叶病毒(TMV)是由是由RNA与蛋白质构成的管与蛋白质构成的管状微粒：状微粒：中心是单链螺旋中心是单链螺旋RNA、外部是蛋白质外壳。、外部是蛋白质外壳。1.拆分
9、感染试验：拆分感染试验：将将TMV的的RNA与蛋白质分离、提纯；与蛋白质分离、提纯；分别接种烟叶，发现分别接种烟叶，发现RNA能使烟叶致病，而能使烟叶致病，而蛋白质不能；蛋白质不能；用用RNA酶处理酶处理RNA后接种烟叶不能致病，表后接种烟叶不能致病，表明明RNA可能就是可能就是TMV的遗传物质。的遗传物质。2.重组合试验重组合试验vFrankel-Conrat,Singer(1956)进行了图示试验：进行了图示试验：2.重组合试验重组合试验v试验表明：病斑类型取决于杂合病毒的试验表明：病斑类型取决于杂合病毒的RNA，而与蛋白质来源无关。，而与蛋白质来源无关。v结论：无结论：无DNA的生物，遗
10、传物质是的生物，遗传物质是RNA。v综上所述：到上世纪中期，多方面证据都直综上所述：到上世纪中期，多方面证据都直接或间接地表明接或间接地表明DNA是主要的遗传物质，而是主要的遗传物质，而在缺乏在缺乏DNA的某些病毒中的某些病毒中RNA就是遗传物质。就是遗传物质。第二节第二节DNA的分子结构的分子结构与复制与复制一、两种核酸及其分布一、两种核酸及其分布 （一）（一）DNA和和RNA的组成的组成（二）（二）DNA和和RNA的分布的分布二、二、DNA的化学结构的化学结构 三三、DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型（一）（一）Watson和和Crick模型的要点模型的要点（二）（二）DNADNA构型构型
11、四、四、DNA的复制的复制五、五、RNARNA的复制的复制（一）（一） DNA DNA和和RNARNA的的组成成 DNA RNA 磷酸磷酸 磷酸磷酸 脱氧核糖脱氧核糖 核糖核糖碱基有：碱基有：A、T、G、C碱基有：碱基有：A、U、G、C（二）（二）DNA和和RNA的分布的分布 在真核生物中，绝大部分在真核生物中，绝大部分DNA存在于细胞核内的染色体上，少量存在于细胞核内的染色体上，少量DNA存在于细胞质中的叶绿体、线存在于细胞质中的叶绿体、线粒体等细胞器中。粒体等细胞器中。RNA在细胞核和在细胞核和细胞质中都有，在核内，细胞质中都有，在核内，RNA主要主要集中在核仁上，少量在染色体上。集中在核
12、仁上，少量在染色体上。二、二、DNA的化学结构的化学结构三、三、DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型 1953年年4月月25日，日，Watson，JD和和Crick，F.在英国在英国Nature杂志上发表论文杂志上发表论文（WatsonCrickDNAStructure)，根据，根据碱基互补配对的碱基互补配对的规律以及对规律以及对DNA分子分子X射线衍射研究的成果，提出了著名的射线衍射研究的成果，提出了著名的DNA双螺旋结构模型（图双螺旋结构模型（图3-7）。）。 这个模型已为以后拍摄这个模型已为以后拍摄的电镜直观的电镜直观形象所证实。这个空间构型满足了解答形象所证实。这个空间构型满足了解答分子
13、遗传学许多基本问题的需要。例如：分子遗传学许多基本问题的需要。例如：DNA的复制、的复制、DNA对于遗传信息的贮存对于遗传信息的贮存及其及其改变和传递等，从而奠定了分子遗改变和传递等，从而奠定了分子遗传学的基础。传学的基础。（一）（一）Watson和和Crick模型的要点模型的要点DNA分子由两条多核苷酸链构成。这两分子由两条多核苷酸链构成。这两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，彼此以条多核苷酸链以右手螺旋的形式，彼此以一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，很象一条扭曲起来的梯子。很象一条扭曲起来的梯子。两条多核苷酸链反向平行两条多核苷酸链反向平行, ,即一条
14、链为即一条链为53方向，另一条链为方向，另一条链为 35方向，方向，二者刚好相反。二者刚好相反。每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过氢键与方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过氢键与它互补的碱基相联系，相互层迭宛如一级一级它互补的碱基相联系，相互层迭宛如一级一级的梯子横档。互补碱基对的梯子横档。互补碱基对A和和T之间形成两个之间形成两个氢键，而氢键，而C和和G之间形成三个氢键。上下碱基之间形成三个氢键。上下碱基对之间的距离为对之间的距离为0.34nm。每个螺旋为每个螺旋为3.4nm长，刚好含有长，刚好含有10个碱基对，个碱基
15、对，其直径约为其直径约为2nm。在双螺旋分子的表面大沟（在双螺旋分子的表面大沟（majorgroove）和小沟（和小沟（minorgroove）交替出现。）交替出现。 （二）（二）DNADNA构型构型vDNA的构型并不是固定不变的，除主要的构型并不是固定不变的，除主要以以Watson和和Crick提出的右手双螺旋构型提出的右手双螺旋构型存在外，还有许多变型。现在一般将存在外，还有许多变型。现在一般将Watson和和Crick提出的双螺旋结构称为提出的双螺旋结构称为B-DNA。B-DNA是是DNA在生理状态下的构在生理状态下的构型。型。生活细胞中绝大多数生活细胞中绝大多数DNA以以B-DNA形式
16、存在。形式存在。（二）（二）DNADNA构型构型v但当外界环境条件发生变化时，但当外界环境条件发生变化时，DNA的构型的构型也会发生变化。实际上在生活细胞中，也会发生变化。实际上在生活细胞中，B-DNA一螺圈也并不正好是一螺圈也并不正好是10个核苷酸对，而个核苷酸对，而平均为平均为10.4对对。vDNA在高盐浓度下时，则以在高盐浓度下时，则以A-DNA形式存在。形式存在。A-DNA是是DNA的脱水构型，右手螺旋，但每的脱水构型，右手螺旋，但每螺圈含有螺圈含有11个核苷酸对。个核苷酸对。A-DNA比较短和密，比较短和密，其平均直径为其平均直径为2.3nm。大沟深而窄，小沟宽而。大沟深而窄，小沟宽
17、而浅。在活体内浅。在活体内DNA并不以并不以A构型存在，但细胞构型存在，但细胞内内DNA-RNA双螺旋结构，却与双螺旋结构，却与A-DNA非常相非常相似。似。（二）（二）DNADNA构型构型v现在在还发现，某些某些DNA DNA 序列可以以左手螺旋序列可以以左手螺旋的构型存在，称的构型存在，称为Z-DNAZ-DNA。当某些当某些DNADNA序列富序列富含含G-CG-C，并且当，并且当嘌嘌呤和呤和嘧啶交替出交替出现时，可形，可形成成Z-DNAZ-DNA。Z-DNAZ-DNA除左手螺旋外，其每个螺圈除左手螺旋外，其每个螺圈含有含有1212个碱基个碱基对，分子直径，分子直径为1.8nm1.8nm，并
18、只有，并只有一个深沟。一个深沟。现在在还不知道不知道Z-DNAZ-DNA在活体内是否在活体内是否存在。存在。DNADNA除上述构型外，在特定的条件下，除上述构型外，在特定的条件下，如脱水等，如脱水等，还可以可以C C、D D、E E等多种形式的右手等多种形式的右手螺旋构型存在，但是通常他螺旋构型存在，但是通常他们在生物体内并在生物体内并不存在。不存在。四、四、DNA的复制的复制vDNA的复制为半保留复制的复制为半保留复制1、DNA聚合酶聚合酶2、DNA复制的起始点复制的起始点3、DNA复制的方向性复制的方向性4、DNA复制的引物复制的引物5、DNA复制的半不连续性复制的半不连续性五、五、RNA
19、RNA的复制的复制RNA的复制有两种方式：的复制有两种方式：1、先在逆转录酶的催化下，逆转录、先在逆转录酶的催化下，逆转录DNA；再以再以DNA为模板，合成子代为模板，合成子代RNA。2、先合成互补的、先合成互补的RNA，再以互补的，再以互补的RNA为为模板合成子代模板合成子代RNA。第三节第三节DNA与蛋白质合成与蛋白质合成一、性状和蛋白质一、性状和蛋白质二、二、DNA的功能的功能三、三、RNA分子的结构分子的结构四、信使四、信使RNA五、遗传密码五、遗传密码六、转运六、转运RNA七、蛋白质的合成七、蛋白质的合成八、中心法则及其发展八、中心法则及其发展二、二、DNA的功能的功能1、自体催化：
20、以、自体催化：以DNA为模板，在为模板，在DNA聚合聚合酶的催化下，合成子代酶的催化下，合成子代DNA（复制）。（复制）。2、异体催化：以、异体催化：以DNA为模板，在为模板，在RNA聚合聚合酶的催化下，合成酶的催化下，合成mRNA（转录）；再以（转录）；再以mRNA为模板，合成蛋白质（翻译）。为模板，合成蛋白质（翻译）。三、三、RNARNA的分子结构的分子结构v从化学组成上看，从化学组成上看，RNA的分子也是由四的分子也是由四种核苷酸组成的多聚体。它与种核苷酸组成的多聚体。它与DNA的不的不同在于：同在于：首先，在首先，在RNARNA中没有胸腺嘧啶中没有胸腺嘧啶(T),(T),只有只有尿嘧啶
21、尿嘧啶(U),(U),也就是说也就是说U U代替了代替了T T。其次，核糖代替了脱氧核糖。其次，核糖代替了脱氧核糖。三、三、RNARNA的分子结构的分子结构v此此外外，还还有有一一个个重重要要的的不不同同点点，就就是是绝绝大大部部分分RNARNA以以单单链链形形式式存存在在，而而不不是是象象DNADNA那那样样始始终终是是以以双双链链形形式式存存在在的的。但但是是单单链链RNARNA可可以以自自身身折折叠叠起起来来形形成成若若干干双双链链区区域域。在在这这些些区区域域内内，凡凡互互补补的的碱碱基基对对间间可可以以形形成成氢氢键键。但但有有少少数数以以RNARNA为为遗遗传传物质的动物病毒含有双链物质的动物病毒含有双链RNARNA。四、信使四、信使RNA五、遗传密码五、遗传密码遗传密码遗传密码(Geneticcode)：指：指mRNA中中蕴藏遗传信息的碱基顺序。蕴藏遗传信息的碱基顺序。mRNA中中每三个相邻的核苷酸控制蛋白质中的每三个相邻的核苷酸控制蛋白质中的一个氨基酸，这个三联体称为一个密一个氨基酸，这个三联体称为一个密码子码子(codon)，因此，密码是密码子的，因此，密码是密码子的总和总和。六、转运六、转运RNA八、中心法则及其发展八、中心法则及其发展
