第二章 遗传物质的性质、结构与功能

第二章遗传物质的分子结构、性质和功能第一节核酸是遗传物质第二节核酸的结构第三节基因与基因组第四节核酸的功能第五节核酸的变性、复性和杂交遗传的细胞学基础原核生物和真核生物、细胞的结构和功能：染色体－遗传物质的载体因为遗传物质是通过表达多种多样的蛋白质实现其功能的，而早期人们错误地认为遗传物质的结构必然与其表达的蛋白质的结构同样复杂，所以在很长一段时间内人们认为，只有蛋白质才具有足够的多样性来确定其它的蛋白质，直到人们意识到遗传物质携带的是以密码形式存在并确定蛋白质的遗传信息时，才抛弃了这个错误的看法。遗传物质是蛋白质？•遗传物质必须具有以下特性：（1）贮存并表达遗传信息；（2）能把遗传信息传递给子代；（3）物理和化学性质稳定；（4）有遗传变化的能力。•DNA具有上述特性，适合作为遗传物质遗传物质是什么呢？遗传的物质基础遗传物质的本质一、DNA是遗传物质1.核酸是遗传信息的载体2.核酸的发现1968年，瑞士科学家F.Miescher从外科绷带上的脓细胞核中首次分离到。第一节核酸是遗传物质FriedrichMiescher1879pictureofthelaboratorywhereMiescherisolatednuclein.ThelabwasrunbyFelixHoppe-Seyler,andlocatedinthevaultsofanoldcastle.F.Miescher从外科绷带上脓细胞的细胞核中分离出了一种有机物质，它的含磷量之高超过任何当时已经发现的有机化合物，并且有很强的酸性。由于这种物质是从细胞核中分离出来的，当时就称它为核素(nuclein)。Miescher所分离到的核素就是我们今天所指的脱氧核糖核蛋白。3.证明DNA是遗传物质的两个实验(1)肺炎球菌转化实验1928年Griffith(2)噬菌体感染实验1944年Avery4.1950年以前，流行四核苷酸结构学说，认为核酸分子由等摩尔的4种核苷酸组成，因此核酸不大可能有重要功能。仍认为蛋白质是转化因子。5.1950年以后，Chargaff、Markham等应用纸层析及分光光度法测定各种生物DNA碱基组成，认为A=T，G=C，提示了A-T、G-C之间的互补关系。6.1953年DNA双螺旋结构模型的提出,解释了DNA怎样携带遗传信息,为分子遗传学的研究奠定了基础。遗传的物质基础遗传物质的本质一、DNA是遗传物质二、RNA也可以作为遗传物质1.RNA病毒以RNA作为遗传物质2.类病毒以RNA作为遗传物质三、核酸以外的其他遗传物质引起羊搔痒病、库鲁病、克-雅氏病和疯牛病的感染性粒子是蛋白质。这种蛋白质样的感染性粒子称为朊病毒(prion)。第二节核酸的结构（StructureofNucleicAcid）一、DNA的结构核酸中核苷酸的排列顺序即称碱基序列。（一）DNA的一级结构DNA一级结构的不同是物种差异的根本原因。5′端3′端CGA核苷酸的连接核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。核酸的组成分子分子组成——碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱——戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖——磷酸(phosphate)碱基戊糖磷酸核酸酶核酸DNARNA核苷酸(ribonucleoside)AGP5PTPGPCPTPOH3书写方法5pApCpTpGpCpT-OH35ACTGCT3（二）DNA的二级结构——双螺旋模型DNA的二级结构是指两条脱氧多核苷酸链反向平行盘绕所形成的双螺旋结构。1、DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）DNA分子由两条反向平行的右手双螺旋的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架排列在外侧，绕同一公共轴盘旋。螺旋直径为2nm，形成了相间的大沟(majorgroove)及小沟(minorgroove)。DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键互补配对（A=T;GC）。相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）氢键维持双链横向稳定性.碱基堆积力维持双链纵向稳定性。对双螺旋的稳定由为重要.2、DNA双螺旋结构的多样性DNA双螺旋结构不同构型的意义：由于双螺旋结构的不同构型，引起螺旋表面结构的改变，进而影响其生物学功能。如：B型DNA表面有大沟和小沟；A型DNA也有两个沟；Z型DNA仅有一个很深很窄的沟。•DNA双螺旋的这种表面结构有助于DNA结合蛋白识别并结合特定的DNA序列。•而这种表面构型的变化对于基因组DNA与其DNA结合蛋白的特异性相互作用具有重要的意义。（三）DNA的拓扑结构DNA的拓扑结构超螺旋结构(superhelix或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。主要指正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反①超螺旋DNA比松弛型DNA更紧密，使DNA分子体积变得更小，对其在细胞的包装过程更为有利。人每条染色体的平均长度约5cm，而细胞核的直径仅约5μm，所以DNA分子压缩近万倍。②超螺旋能影响双螺旋的解链程序，因而影响DNA分子与其它分子（如酶、蛋白质）之间的相互作用。对基因表达的调控有重要意义。超螺旋结构的生物学意义：DNA拓扑异构体的相互转化由拓扑异构酶（Ⅰ型和Ⅱ型）催化完成。（四）DNA的四级结构真核生物中核酸与蛋白质相互作用形成的核糖体、剪接体，即可看成核酸的四级结构。另外DNA缠绕组蛋白构成核小体。二、RNA的结构（StructureofRNA）RNA的种类、分布、功能核蛋白体RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白体组分蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA的加工、修饰蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分核仁小RNA核蛋白体RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白体组分蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA的加工、修饰蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分核仁小RNARNA单链结构环状结构（loop）局部双螺旋结构三级结构折叠分子伴侣生物活性分子具有催化活性的RNA称为核酶。第三节基因与基因组一、基因概念的历史演变1.基因概念Gene2.表型与基因型phenotype&genotype3.基因突变mutation、突变体mutant与野生型wildtype基因突变是指基因发生的可遗传的变异。携带突变基因的生物体叫突变体。携带正常基因的生物体叫野生型。4.孟德尔使用遗传粒子描述基因,并总结了两条基本遗传定律:即遗传因子的分离定律和自由组合定律孟德尔及所使用的实验材料-豌豆和性状GregorMendel,AustrianMonk(奥地利和尚)•Mendel对豌豆等植物杂交实验研究后提出基因是颗粒状的分散的独立遗传因子，可以从亲代忠实地传递给子代。•1865年发表论文，在论文中确立了两条基本遗传学定律：遗传因子的分离定律和自由组合定律。•遗传因子的分离定律:控制性状的一对等位基因在产生配子时彼此分离，并独立地分配到不同的性细胞中。•自由组合定律：在配子形成时各对等位基因彼此分离后，独立自由地组合到配子中。5.1909年丹麦遗传学家约翰逊(Johannsen)首次使用基因术语一、基因概念的历史演变ThewordGenewascoinedin1909byWilhelmjohannsentodescribethe“fundamentalunitofinheritance”6.摩尔根1910的果蝇突变体实验确定基因在染色体上一、基因概念的历史演变果蝇(FruitFly),Drosophilamelanogaster,(SEMX60).7.1941年Beade和Tatum提出“一个基因一个酶”学说,后到1957年被Ingram的实验证明,镰刀状贫血的病因是编码血红蛋基因发生了突变,证实了此学说,,并修证为:“一个基因一条多肽链”。8.顺反互补测验中确定的一个顺反子(不可分割的遗传单位)在本质上与一个基因相同,可编码一条多肽链.•在遗传学上，可用顺反子的概念来表示基因。•当两个突变具有相同的表型效应而且其遗传图距很接近时，它们既可能属于一个基因，也可能位于不同的基因上。•互补实验可精确确定两个突变间的关系，确定是同一基因还是不同基因。•互补实验确定两个突变是否一个基因的原理当两个纯合的亲代突变体杂交时，产生的杂合子后代将遗传两个亲本的突变。如果两个突变位于同一个基因上，杂合子中就不存在野生型的基因，所以具有突变的表型；如果突变位于不同的基因上，在杂合子的每条染色体上相邻的两个基因中，将有一个基因是野生型而另一个基因是突变型，即在杂合子中每个基因都有一个野生型拷贝，因此杂合子表现为野生型的表型，两个基因之间的这种关系称为互补。•杂合子有顺式构型和反式构型两种•顺式构型两个突变位于同一条染色体上•反式构型两个突变分别位于同源的两条染色体•两种构型的相对效果取决于两个突变是否位于同一个基因上。当突变位于同一个基因上时，杂合子的表型取决于构型。反式构型中基因在两条同源染色体都有突变，因此表型是突变体。在顺式构型中，一条染色体的基因上有两处突变，而另一条染色体上的基因正常，因此表型是野生型。而当两个突变位于不同的基因上时，表型与杂合子的构型无关。两种情况下，两种基因都有一个野生型的拷贝，表型是野生型。二、DNA与基因1.基因是遗传的基本单位,是染色体上的一段DNA序列2.突变的分子基础是DNA序列发生变化，相应地导致蛋白质氨基酸序列改变，使蛋白质的生物功能产生变化。3.基因中DNA序列并不直接翻译成蛋白质，而是通过产生信使RNA(mRNA）来合成蛋白质。DNA以其中的一条链为模板转录出mRNA，与mRNA序列相同的链称为信息链（Sensestrand)。4.DNA分子中除了编码区外，还含有调控区和间隔序列。5.除了编码蛋白质的基因，还有最终产物是RNA的基因。6.有些DNA序列具有可移动性，不但可以在染色体上移动，而且还可以从一个染色体上跳到另一个染色体上。这些可以自由移动的DNA序列称为转座子。三、真核生物的割裂基因1、割裂基因的发现(1)割裂基因splitgene是指基因的编码序列在DNA分子上不是连接排列的，而是被不编码的序列所隔开。(2)割裂基因DNA序列分类分为外显子exon和内含子intron。外显子是基因中编码的序列，是基因中对应于mRNA序列的区域。内含子是不编码的序列，是从mRNA中消失的区域。(3)割裂基因的证据通过对DNA和相应的mRNA进行杂交,杂交后用电镜进行观察,如果基因中含有内含子,在所形成的RNA-DNA杂交双链的某一部位就会出现不能配对的单链环。(4)割裂基因转录后经剪接除去内含子2、割裂基因的分布•分布于各种核基因中编码蛋白质的核基因、编码rRNA的核基因，以及编码tRNA的核基因存在割裂基因。•分布于低等真核生物的线粒体及叶绿体基因中•某些原核生物如古细菌和大肠杆菌的噬菌体中也存在割裂基因。•真细菌中不存在割裂基因。•真核基因不一定都是割裂基因，真核生物也有一些结构基因不含内含子，如组蛋白基因和干扰素基因都没有内含子。3、割裂基因的性质•割裂基因的外显子在基因中的排列顺序与在成熟mRNA产物中的排列顺序相同•特定的割裂基因在所有组织中都有相同的内含子成分•核基因的内含子通常在所有的可读框中都含有无义密码子，因此一般没有编码功能