高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座专题八基因与分子生物学

高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座专题八基因与分子生物学【竞赛要求】1．DNA是遗传物质的证据2．DNA和RNA的结构3．DNA的双螺旋结构4．DNA的复制5．遗传信息流从DNA到RNA到蛋白质6．病毒【知识梳理】一、基因的结构（一）DNA是遗传物质基础的证据1．肺炎双球菌的转化实验（FredGriffith1928年）（1）实验材料:（2）实验过程：（3）结论：S型细菌有一种物质或转化因子进入R型细菌，引起R型细菌发生稳定的遗传变异。（4）不足：并未解释何种物质引起转化。2．OswardAvery等人对肺炎双球菌的补充实验（1944年）（1）实验过程：肺炎双球菌粗糙型（R）菌株：细胞外无荚膜，菌落粗糙，无致病性。光滑型（S）菌株：细胞外有荚膜，菌落光滑，有致病性，能引起人的肺炎和小鼠的败血症。混合培养后注射热处理热处理后注射生生注射R型活菌小鼠S型活菌死注射小鼠S型活菌小鼠死小鼠Avery等人将S型活细菌中多糖、脂类、蛋白质、RNA、DNA、DNA水解物分离出来，分别与R型活细菌混合培养，发现只有DNA能使R型细菌转化为S型细菌，并且后代仍为S型细菌。（2）结论：DNA为转化因子，而蛋白质、脂类等物质均无转化作用。（3）不足：DNA提取纯度不够，即使纯度最高时仍含有0.02%的蛋白质，因而有一少部分人坚信蛋白质时遗传物质。3．噬菌体亲然细菌实验（AlfedHershey和MarthaChase1952年）（1）实验材料：T2噬菌体、大肠杆菌。（2）实验过程：首先将大肠杆菌分别培养在含35S和32P的培养基中，因为P主要存在于DNA中，S存在于蛋白质中，所以在大肠杆菌的生长过程中分别被35S和32P标记。然后用噬菌体去感染分别被35S和32P标记的大肠杆菌，这样子代噬菌体的蛋白质和DNA也分别被35S和32P标记上。再用已被标记的噬菌体侵染无放射性的大肠杆菌，经一段时间的培养后搅拌离心，分别检测上清液和沉淀物的放射性，结果在新形成的噬菌体中没有检测到35S而检测到了32P。（3）结论：DNA是联系亲子代的物质，而不是蛋白质。噬菌体侵染细菌的过程为：吸附、注入、复制和合成、组装、释放。（4）优点：真正将DNA与蛋白质分开来观察它们的作用。4．烟草花叶病毒重建实验（FraenkelConrat1956年）(1)实验材料：TMV烟草花叶病毒的两种株系：S株系和HR株系。(2)实验过程：结果：杂种病毒侵染烟草叶片后的病毒病斑与HR株系病斑相同，并从烟草叶片中分离出HR株系病毒。（3）结论：RNA是遗传物质。（4）其他RNA病毒：HIV病毒、SARS病毒等。因此，DNA是主要的遗传物质。真核生物和原核生物的遗传物质为DNA，某些病毒的遗传物质为DNA，另一些病毒的遗传物质为RNA。（二）DNA和RNA的结构1．DNA和RNA结构的区别脱氧核糖核酸（DNA）核糖核酸（RNA）侵染提取提取S株系HR株系蛋白质外壳RNA杂种病毒烟草叶片左图为T2噬菌体侵染大肠杆菌基本组成单位五碳糖结构示意图核苷酸结构示意图空间结构一般为双链单链存在部位主要存在于细胞核主要存在于细胞质2．五种碱基的分子结构示意图：（三）DNA的双螺旋结构1.DNA双螺旋结构的发现史：1944年，美国科学家奥斯瓦尔德·西奥多·埃弗里提出，在细胞核内发现的DNA可能携带遗传信息。1952年伦敦的罗莎琳德·富兰克林研究出了DNA的X射线衍射结构图。美国科学家沃森（Watson，J·D）来到英国剑桥大学与英国科学家克里克（Crick，F.）合作，致力于研究DNA的结构。他们通过大量X射线衍射材料的分析研究，提出了DNA的双螺旋结构模型，1953年4月25日在英国《发现》杂志正式发表，并由此建立了遗传密码和模板学说，于1962年获诺贝尔医学生物学奖。脱氧核苷酸（4种）一分子磷酸一分子脱氧核糖一分子含氮碱基（ATGC）一分子磷酸一分子脱氧核糖一分子含氮碱基（ATGC）脱氧核苷酸（4种）鸟嘌呤腺嘌呤胸腺嘧啶胞嘧啶尿嘧啶2．DNA双螺旋结构模型的要点如下：①DNA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（图3-7）。②两条多核苷酸链反向平行（antiparallel），即一条链磷酸二脂键为5’-3’方向，另一条链为3’－5’方向，二者刚好相反。亦即一条链对另一条链是颠倒过来的，这称为反向平行。③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（hydrogenbond）与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A和T之间形成两个氢键，而C和G之间形成三个氢键（如上图）。上下碱基对之间的距离为0.34nm。④每个螺旋为3.4nm长，刚好含有10个碱基对，其直径约为2nm。⑤在双螺旋分子的表面大沟（majorgroove）和小沟（minorgroove）交替出现。3．碱基互补配对原则：DNA分子中嘌呤数等于嘧啶数。碱基互补配对原则在解体中的应用：DNA分子是由两条脱氧核苷酸链构成的。根据碱基互补配对的原则，一条链上的A一定等于互补链上的T；一条链上的G一定等于互补链上的C；反之如此。因此，可推知多条用于碱基计算的规律。①规律一：在一个双链DNA分子中，A=T、G=C。即：A+G=T+C或A+C=T+G，变形为1CTGA或1GTCA。也就是说，嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数。②规律二：在双链DNA分子中，两个互补配对的碱基之和的比值与该DNA分子中每一单链中这一比值相等，即DNA分子中CGTA与该DNA分子每一单链中的这一比值相等。③规律三：DNA分子一条链中，两个不互补配对的碱基之和的比值等于另一互补链中这一比值的倒数，即DNA分子一条链中CTGA的比值等于其互补链中这一比值的倒数。④规律四：在双链DNA分子中，互补的两个碱基和占全部碱基的比值等于其中任何一条单链占该碱基比例的比值，且等于其转录形成的mRNA中该种比例的比值。即双链(A+T)%或(G+C)%=任意单链(A+T)%或(G+C)%=mRNA中(A+U)%或(G+C)%。二．DNA的复制1．场所：主要在细胞核，细胞质中也存在着DNA复制，如线粒体和叶绿体中也有DNA的复制过程。2．时间：主要在细胞分裂间期（S期），细胞质中DNA复制的时间不一定在细胞分裂的间期。3．过程：边解螺旋边复制。4．特点：半保留式复制，也就是说新复制出的两个DNA分子中，有一条链是旧的，即原来DNA的。5．条件：①模板：开始解旋的DNA分子的两条单链。②原料：是游离在核液中的脱氧核苷酸。③能量：是通过水解ATP提供。④酶：酶是指一个酶系统，不仅仅是指一种解旋酶。6．DNA分子复制的一般过程：DNA双螺旋是由两条方向相反的单链组成，复制开始时，双链打开，形成一个复制叉(replicativefork,从打开的起点向一个方向形成)或一个复制泡(replicativebubble，从打开的起点向两个方向形成)。两条单链分别做模板。各自合成一条新的DNA链。由于DNA一条链的走向是5’→3’方向，另一条链的走向是3’→5’方向，但生物体内DNA聚合酶只能催化DNA从5’→3’的方向合成。那么，两条方向不同的链怎样才能做模板呢？这个问题由日本学者岗崎先生解决。原来，在以3’→5’方向的母链为模板时，复制合成出一条5’→3’方向的前导链(leadingstrand)，前导链的前进方向与复制叉打开方向是一致的，因此前导链的合成是连续进行的，而另一条母链DNA是5’→3’方向，它作为模板时，复制合成许多条5’→3’方向的短链，叫做随从链(laggingstrand)，随从链的前进方向是与复制叉的打开方向相反的。随从链只能先以片段的形式合成，这些片段就叫做岗崎片段(Okazakifragments)，原核生物岗崎片段含有1000～2000核苷酸，真核生物一般100～200核苷酸。最后再将多个岗崎片段连接成一条完整的链。由于前导链的合成是连续进行的，而随从链的合成是不连续进行的，所以从总体上看DNA的复制是半不连续复制。7．DNA分子损伤：造成DNA损伤的因素有生物体内自发的、亦有外界物理和化学等因素。自发的因素：由于DNA分子受到周围环境溶剂分子的随机热碰撞(thermalcollision)，腺嘌呤或鸟嘌呤与脱氧核糖间的N-糖苷键可以断裂，使A或G脱落。物理因素：紫外线损伤由于嘌呤环与嘧啶环都含有共轭双键，能吸收紫外线而引起损伤。嘧啶碱引起的损伤比嘌呤碱大10倍。电离辐射损伤如X射线和γ射线，可以是辐射能量直接对DNA的影响，或DNA周围的溶剂分子吸收了辐射能，再对DNA产生损伤作用。如碱基的破坏、单链的断裂、双链的断裂、分子间的交联、碱基脱落或核糖的破坏等。8．DNA分子修复：在复制过程中发生的损伤或错误可由生物体自身修复，如光修复机制（主要存在于低等生物）、切除修复系统，后者像外科手术“扩创”一样，将损伤的一段DNA切掉，按碱基配对原则以另一条完好链为模板进行修复，最后由DNA连接酶将新合成的DNA片段与原来DNA链连接封口，这种方式是人体细胞的重要修复形式。三．遗传信息流从DNA到RNA到蛋白质（一）基因的结构1909年丹麦约翰逊提出“基因”的概念。基因是由遗传效应的DNA片段，是DNA的基本结构和功能单位。基因中有意义链上的核苷酸顺序包含着遗传信息，能通过转录和翻译决定蛋白质合成，从而控制生物性状。有时基因与基因之间存在一段间隔区，导致转录不能进行。绝大多数真核类生物，基因内部都含有不能翻译的核苷酸顺序（内含子），使基因中的编码顺序（外显子）由若干非编码区域（内含子）隔开。这种基因亦称为隔裂基因。每个断裂基因在第一个和最后一个外显子的外侧各有一段非编码区，有人称其为侧翼序列。在侧翼序列上有一系列调控序列。原合生物的基因中无内含子，是连续的。下面以真核生物为例介绍基因的结构（如下图所示）。1．增强子：在转录起始点上游大约100碱基对之外的位置有些基因的编码顺序可以增强启动基因进行转录它能使转录活性增强上百倍，因此被称为增强子。当这些顺序不存在时，可大大降低转录水平。2．CAAT框：在转录起始点的5ˊ端侧翼区域的80和70位置之间，有CAAT框，这个顺序属于启动区域。这段顺序被改变后，mRNA的形成量明显下降。3．TATA框：在转录起始点的5ˊ端上游20—30核苷酸的地方，有TATA框顺序。这是RNA聚合酶的重要接触点，可使酶定位在DNA的正确位置上而开始转录。这一编码顺序改变时，mRNA的转录从不正常的位置起始，且转录水平下降。4．AATAAA：在3′端终止密码的下游有一个核苷酸顺序为AATAAA，这一顺序可能对mRNA的加尾(mRNA尾部添加多聚A)有重要作用。这个顺序的下游是一个反向重复顺序。这个顺序经转录后可形成一个发卡结构(图3-4)。发卡结构阻碍了RNA聚合酶的移动。发卡结构末尾的一串U与转录模板DNA中的一串A之间，因形成的氢键结合力较弱，使mRNA与DNA杂交部分的结合不稳定，mRNA就会从模板上脱落下来，同时，RNA聚合酶也从DNA上解离下来，转录终止。AATAAA顺序和它下游的反向重复顺序合称为终止子，是转录终止的信号。（二）基因的表达1．转录：以DNA为模板合成信使RNA的过程。场所：细胞核。条件：模板（DNA双链中有意义的一条链）、原料（核糖核苷酸）、酶（转录酶）、能量。方向：mRNA从5ˊ→3ˊ方向进行转录。加工：mRNA的前体必须经过下述加工后才能成为成熟的mRNA。戴帽：在mRNA的5ˊ端加上一个鸟苷酸作为帽子（促进mRNA与核糖体结合）；加尾：在mRNA的3ˊ端加上一条具有150～200个腺苷酸的序列（帮助mRNA进入细胞质）；甲基化：在mRNA帽子的5ˊ端，一般有2～3个核苷酸被甲基化；切除间隔序列：切除内含子内含子并将外显子连接起来。2．翻译：在核糖体上以信使RNA（mRNA）为模板，转移RNA（tRNA）为工具，把氨基酸连接成多肽链的过程。信使RNA(Mrna)：mR