普通生物学_18基因的分子生物学

Chapter21基因的分子生物学TCGATCGATCGAGCTAGCTAGC遗传物质及其结构遗传物质是DNA（或RNA）的直接证据：肺炎链球菌的转化实验1928年英国的格里菲斯（Griffith）的实验证明遗传物质可以转化进入细菌，改变细菌特性。爱弗莱（Avery）的实验证实，进入细菌改变特性的遗传物质是DNA，而不是蛋白质。FrederickGriffith’sTransformationExperiment–1928Griffith肺炎双球菌转化实验“transformingprinciple”demonstratedwithStreptococcuspneumoniaeGriffithhypothesizedthatthetransformingagentwasa“IIIS”protein.Griffith认为“接种物中的死细菌可能提供了某些特异的蛋白质为原料，使R型细菌能制造荚膜”，蛋白质起转化作用。OswaldT.Avery’sTransformationExperiment-1944Avery转化实验Determinedthat“IIIS”DNAwasthegeneticmaterialresponsibleforGriffith’sresults.SⅢ杀死细菌分离提取多糖脂类RNA蛋白质DNADNA+DNaseRⅡRⅡRⅡRⅡRⅡRⅡ不杀死不杀死不杀死不杀死可杀死不杀死小鼠小鼠小鼠小鼠小鼠小鼠RⅡRⅡRⅡRⅡRⅡ+SⅢRⅡ图Avery等的体外转化实验1.仅DNA是转化因子2.其它物质（含蛋白）均不能转化Hershey-Chase关于T2噬菌体的感染实验1969:AlfredHersheyT2噬菌体生活史LifecycleoftheT2bacteriophageMostofthe35SwasfoundinthesupernatantButonlyasmallpercentageof32Pinthesupernatant•TheseresultssuggestthatDNAisinjectedintothebacterialcytoplasmduringinfection–ThisistheexpectedresultifDNAisthegeneticmaterial证明DNA是遗传物质，蛋白质不是烟草花叶病毒分离重建实验Fraenkel-Conrat&SingerTobaccoMosaicVirus(TMV)Experiment–1956•Used2viralstrainstodemonstrateRNAisthegeneticmaterialofTMVChargaff法则：A与T、G与C的摩尔数一样BasecompositionstudiesofErwinChargaff•indicateddouble-strandedDNAconsistsof~50%嘌呤purines(A,G)and~50%嘧啶pyrimidines(T,C)•amountofA=amountofTandamountofG=amountofC(Chargraff’srules)•%GCcontentvariesfromorganismtoorganismExamples:%A%T%G%C%GC智人Homosapiens31.031.519.118.437.5玉米Zeamays25.625.324.524.649.1果蝇Drosophila27.327.622.522.545.0美洲潜鸭Aythyaamericana25.825.824.224.248.4DNA与RNA是多核苷酸的聚合体核酸水解水解水解单核苷酸（B-R-P）磷酸（P）戊糖（R）碱基（B）核苷（B-R）DNA与RNA是多核苷酸的聚合体OOHOHOHHHHHOCH2H1'2'3'4'5'OOHHOHHHHHHOCH21'2'3'4'5'核糖脱氧核糖戊糖：碱基（base)：腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)胞嘧啶(cytosine,C)胸腺嘧啶(thymine,T)尿嘧啶(uracil,U)嘌呤(purine)嘧啶(pyrimidine)NNNHNONH2NNNNNH2嘌呤腺嘌呤（A）（6-氨基嘌呤）鸟嘌呤（G）（2-氨基-6-氧嘌呤）NN123456嘧啶NNHNH2ONHNHOOCH3NHNHOO胞嘧啶（C）（2-氧4-氨基嘧啶）胸腺嘧啶（T）（5-甲基尿嘧啶）尿嘧啶（U）（2，4-二氧嘧啶）1.核苷•核苷=碱基+戊糖•连接方式：糖苷键嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1与糖的C-1’以糖苷键相连。DNA与RNA是多核苷酸的聚合体NNNNOOHOHNH2HOCH2腺嘌呤核苷（腺苷）胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）19NNNH2OHOHOHOCH211•核苷酸=核苷+磷酸•连接方式：磷酸酯键糖环上所有游离羟基（核糖的C-2、C-3、C-5及脱氧核糖的C-3、C-5）均能与磷酸发生酯化结合。生物体内多数核苷酸是5-核苷酸，即糖环上的C-5与磷酸酯化。核苷酸两类核酸的基本成分RNADNA磷酸磷酸磷酸戊糖D-核糖D-2-脱氧核糖嘌呤碱腺(A)、鸟(G)腺(A)、鸟(G)嘧啶碱胞(C)、尿(U)胞(C)、胸腺(T)X射线衍射——揭示DNA分子双螺旋X-raydiffractionstudies-RosalindFranklin&MauriceWilkinsConclusion-DNAisahelicalstructurewithdistinctiveregularities,0.34nm&3.4nm.DNA——不朽的双螺旋1953年，Watson&Crick提出DNA双螺旋模型FrancisHarryComptonCrickJamesDeweyWatsonMauriceHughFrederickWilkinsGreatBritainUSAGreatBritainInstituteofMolecularBiologyCambridge,GreatBritainHarvardUniversityCambridge,MA,USAUniversityofLondonLondon,GreatBritain1916-1928-1916-fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterialTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962DNA双螺旋结构的主要特征：（1）两条通过碱基配对连接的对核苷酸长链以反方向平行的方式围绕同一个中心轴相互缠绕，组成双螺旋，两条链均为右螺旋；（2）DNA的碱基配对以碱基互补为原则；碱基间通过氢键连接（3）配对的碱基并不充满双螺旋空间，而碱基占据的空间不对称；（4）DNA分子中，脱氧核糖和磷酸基团通过3’、5’—磷酸二酯键连接形成，DNA分子的一条长链是从5’3’，另一条长链是从3’5’DNA作为遗传物质的功能：（1）贮藏遗传信息的功能（2）传递遗传信息的功能（3）表达遗传信息的功能DNA复制DNA复制依赖于特殊的碱基配对碱基互补配对原则A＝TG≡CDNA复制是半保留式的1953年，Watson&Crick提出DNA复制发生在细胞分裂周期的S期DNA双螺旋在解旋酶的作用下解旋，2条链中间的碱基对分开，成为2条单链；每一条单链都作为模板；每条链上暴露出来的碱基各自与一个游离于核中的4种三磷酸脱氧核苷酸（T、G、A、C）按照碱基配对原则配对，形成与之互补的核苷酸；在与单链上配对的核苷酸之间形成磷酸二酯键，在DNA聚合酶的作用下形成链条新的互补链（子链），其中DNA聚合酶只能使核苷酸按5’3’方向连接。最终形成各含一条母链和一条子链的2个双链DNA分子。DNA半保留式复制：半保留模型DNA聚合酶和冈崎片段（半不连续复制）DNA聚合酶的共同特点：（1）需要提供合成模板；需要Mg2＋催化；（2）不能起始新的DNA链，必须要有引物提供3’-OH；（3）合成的方向都是5’→3’（4）除聚合DNA外还有其它功能。而DNA母链（模板链）方向为5’→3’和3’→5’，如何解决这一矛盾？冈崎片段与半不连续复制模型在5’→3’这一模板上，DNA聚合酶仍按照5’→3’方向先反方向地合成一系列小的片段，称为冈崎片段然后这些小片段再通过DNA连接酶的作用，互相连接起来而成长链。DNA聚合酶和冈崎片段（半不连续复制）3PolymeraseIII前导链Leadingstrandbasepairs5’5’3’3’HelicaseATP单链结合蛋白SSBProteinsRNA引物RNAPrimer引物酶primase2聚合酶IIIPolymeraseIII滞后链Laggingstrand冈崎片断OkazakiFragments1RNAprimerreplacedbypolymeraseI&gapissealedbyligase连接酶Summary：DNA复制过程模式图1）原材料：双链DNA（模板），核苷酸（底物）；2）辅助条件：解旋酶，单链结合蛋白，DNA聚合酶，引物酶，DNA连接酶。；遗传信息是从DNA到RNA再到蛋白质AGUUAGCUAGCDNARNATranscriptionTCATCGATCGATCAATCGATCGAGUUAGCUAGCDNAmRNAMetUA1CAU2IleCTranslationmessengertRNAtransferRibosomeUAGCUAGCDNAmRNAtRNAMetIleAU2CU3AspGATCAATCGATCGAGUATCGATCGUAGCUAGCDNAmRNAProteinMetIleAspTCAAGUATCGATCGUAGCUAGCDNAmRNADestroyedTCAAGURNA的结构与功能结构组成：单链；核苷酸中的戊糖是核糖；尿嘧啶取代胸腺嘧啶；分类：mRNA、rRNA、tRNA功能：参与蛋白质的合成。tRNA反密码子•mRNA(messagerRNA)信使RNA——携带并传递DNA中的遗传信息，在蛋白质合成中起模板作用•rRNA(ribosomeRNA)核糖体RNA——与蛋白质结合形成核糖体，核糖体是合成蛋白质的“工厂”•tRNA（transferRNA)转运RNA——在蛋白质合成过程中转运氨基酸转录——从DAN到RNA•RNA聚合酶•DNA以全保留的方式转录成RNA•5’3’方向转录过程场所：主要在细胞核模板：DNA的一条链原料：4种核糖核苷酸原则：碱基互补配对原则（A-U）产物：RNA原核生物：只有一种RNA聚合酶真核生物：RNA聚合酶ⅠrRNARNA聚合酶ⅡmRNA前体RNA聚合酶ⅢtRNA、5SRNA等启动子RNA聚合酶终止子大肠杆菌模型E.colimodel:Eachgenehasthreeregions:1.5’启动子Promoter,attractsRNApolymerase-10bp5’-TATAAT-3’-35bp5’-TTGACA-3’2.Transcribedsequence,orRNAcodingsequence编码序列3.3’终止子erminator,signalsthestoppoint原核生物与真核生物ProkaryotesandEukaryotes遗传密码遗传密码——DNA分子中核苷酸的排列顺序与蛋白质中氨基酸排列顺序之间的对应关系。遗传密码是由三个碱基组成的，因此叫三联体密码，64个，其中61个负责氨基酸的翻译。遗传密码的特点具有连续可读性和不重叠性简并现象具有起始密码子和终止密码子普遍通用性（线粒体DNA除外）遗传密码：核苷酸如何决定20种氨基酸？(1954,GeorgeGamov)?1.4differentnucleotides(A,G,C,U/T)2.Possiblecodes:•1lettercode4AAs20