遺傳學(xué) 第三章 遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ).ppt.ppt

第三章遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ),基因必須表現(xiàn)三種基本的功能：(1)遺傳功能即基因的復(fù)制：遺傳物質(zhì)必須貯存遺傳信息，并能將其復(fù)制且一代一代精確地傳遞下去。(2)表型功能即基因的表達(dá)：遺傳物質(zhì)必須控制生物體性狀的發(fā)育和表達(dá)。(3)進(jìn)化功能即基因的變異：遺傳物質(zhì)必須發(fā)生變異，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化，沒有變異就沒有進(jìn)化。,遺傳學(xué)誕生后，在二十世紀(jì)的上半葉，人們建立了基因遺傳的染色體理論，認(rèn)為基因存在于染色體上。但沒有對(duì)基因的化學(xué)本質(zhì)作出回答。,第一節(jié)dna作為主要遺傳物質(zhì)的證據(jù),基因存在于染色體上。脫氧核糖核酸(dna)核酸核糖核酸(rna)組蛋白染色體蛋白質(zhì)非組蛋白少量的擬脂與無機(jī)物質(zhì),27%,6%,66%,分子遺傳學(xué)擁有大量直接和間接證據(jù)，說明dna是主要的遺傳物質(zhì)。,一、dna作為主要遺傳物質(zhì)的間接證據(jù),大部分dna存在于染色體上。rna和蛋白質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)也很多。每個(gè)物種不同組織的細(xì)胞不論其大小和功能如何，它們的dna含量是恒定的。精子或卵子中的dna含量正好是體細(xì)胞的一半；而細(xì)胞內(nèi)的rna和蛋白質(zhì)量在不同細(xì)胞間變化很大。另外，多倍體系列的一些物種，其細(xì)胞中dna的含量隨染色體倍數(shù)的增加，也呈現(xiàn)倍數(shù)性的遞增。dna在代謝上比較穩(wěn)定。細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和rna分子與dna分子不同，它們?cè)谘杆傩纬傻耐瑫r(shí)，又不斷分解。而原子一旦被dna分子所攝取，則在細(xì)胞保持健全生長(zhǎng)的情況下，保持穩(wěn)定，不會(huì)離開dna?；蛲蛔兣cdna分子的變異密切相關(guān)。用不同波長(zhǎng)的紫外線誘發(fā)各種生物突變時(shí)，其最有效的波長(zhǎng)為260nm，這與dna所吸收的紫外線光譜是一致的。,(一)細(xì)菌的轉(zhuǎn)化肺炎雙球菌有兩種不同的類型：1.光滑型(s型)被一層多糖類的莢膜所保護(hù)，具有毒性，在培養(yǎng)基上形成光滑的菌落。2.粗糙型(r型)沒有莢膜和毒性，在培養(yǎng)基上形成粗糙的菌落。,二、dna作為主要遺傳物質(zhì)的直接證據(jù),在r型和s型內(nèi)還可以按血清免疫反應(yīng)不同，分成許多抗原型，常用r，r和s、s、s等加以區(qū)別。,1928年criffith將少量無毒的r型肺炎雙球菌注入家鼠體內(nèi)，再將大量有毒但已加熱殺死的s型肺炎雙球菌注入同一只鼠體內(nèi)，結(jié)果家鼠發(fā)病死亡，從死鼠體內(nèi)分離出s型的肺炎雙球菌。(如圖）,肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn),結(jié)論：在加熱殺死的s型肺炎雙球菌中有較耐高溫的轉(zhuǎn)化物質(zhì)能夠進(jìn)入r型r型轉(zhuǎn)變?yōu)閟型無毒轉(zhuǎn)變?yōu)橛卸尽?16年后，avery等用生物化學(xué)方法證明這種引起轉(zhuǎn)化的物質(zhì)是dna，他們將s型細(xì)菌的dna提取物與r型細(xì)菌混合在一起，在離體培養(yǎng)條件下，成功的使少數(shù)r型細(xì)菌定向轉(zhuǎn)化為s型細(xì)菌。(如圖）,迄今，已經(jīng)在幾十種細(xì)菌和放線菌中成功地獲得了遺傳性狀的定向轉(zhuǎn)化。這些試驗(yàn)都證明起轉(zhuǎn)化作用的物質(zhì)是dna。,(二)、噬菌體侵染與繁殖試驗(yàn)(p33),1.背景知識(shí)噬菌體侵染與繁殖基本過程：t2噬菌體浸染大腸桿菌后，遺傳物質(zhì)進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞利用大腸桿菌的復(fù)制系統(tǒng)復(fù)制噬菌體遺傳物質(zhì)利用大腸桿菌的遺傳信息表達(dá)系統(tǒng)合成噬菌體組分最后組裝形成完整的t2噬菌體因此只要探明侵染時(shí)進(jìn)入細(xì)菌的是噬菌體的哪一部分，就能證明哪種物質(zhì)是遺傳信息載體另外：p是dna的組成部分，但不存在于蛋白質(zhì)中s存在于蛋白質(zhì)中，但dna中沒有,赫爾希等用同位素32p和35s分別標(biāo)記t2噬菌體的dna與蛋白質(zhì)。因?yàn)閜是dna的組分，但不見于蛋白質(zhì)；而s是蛋白質(zhì)的組分，但不見于dna。然后用標(biāo)記的t2噬菌體(32p或35s)分別感染大腸桿菌，經(jīng)10分鐘后，用攪拌器甩掉附著于細(xì)胞外面的噬菌體外殼。(圖32),2.hershey和chase的實(shí)驗(yàn)(p33),第一種情況下，基本上全部放射活性見于細(xì)菌內(nèi)而不被甩掉并可傳遞給子代。第二種情況下，放射性活性大部分見于被甩掉的外殼中，細(xì)菌內(nèi)只有較低的放射性活性，且不能傳遞給子代這樣看來，主要是由于dna進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)才產(chǎn)生完整的噬菌體。所以說dna是具有連續(xù)性的遺傳物質(zhì)。,2.hershey和chase的實(shí)驗(yàn)(p33),結(jié)果與結(jié)論,試驗(yàn)結(jié)果表明：主要是由于dna進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)才產(chǎn)生完整的噬菌體結(jié)論：dna才是(噬菌體的)遺傳物質(zhì)題外話：與avery等人研究比較，本試驗(yàn)的精度低得多。但是由于放射性標(biāo)記法(也稱為示蹤原子法)，當(dāng)時(shí)為人們普遍采用同時(shí)由于核酸研究及其它相關(guān)的成果，本試驗(yàn)結(jié)果很快得到人們的廣泛認(rèn)同,(三)、煙草花葉病毒拆合試驗(yàn)(pp33-34),煙草花葉病毒(tmv)是由rna與蛋白質(zhì)構(gòu)成的管狀微粒：中心是單鏈螺旋rna、外部是蛋白質(zhì)外殼1.拆分感染試驗(yàn)：將tmv的rna與蛋白質(zhì)分離、提純分別接種煙葉，發(fā)現(xiàn)rna能使煙葉致病，而蛋白質(zhì)不能用rna酶處理rna后接種煙葉也不能致病，表明rna可能就是tmv的遺傳物質(zhì),佛蘭科爾康拉特與辛格爾(frankel-conrat,h.和singer,b.)把tmv的rna與另一個(gè)病毒品系(hr,holmesribgrass)的蛋白質(zhì)，重新合成混合的煙草花葉病毒，用它感染煙草葉片時(shí)，所產(chǎn)生的新病毒顆粒與提供rna的品系完全一樣，亦即親本的rna決定了后代的病毒類型(圖33)。以上實(shí)例均直接證明dna是生物主要的遺傳物質(zhì)，而在缺少dna的生物中，rna則為遺傳物質(zhì)。,2.重組合試驗(yàn),第二節(jié)核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu),核酸(nucleicacid)是一種高分子的化合物，它的構(gòu)成單元是核苷酸(nucleotide)。兩個(gè)核苷酸之間由3和5位的磷酸二脂鍵相連。核酸有兩種：脫氧核糖核酸(dna)和核糖核酸(rna)。兩種核酸的主要區(qū)別如下：,分布：,高等植物：dna存在于染色體上，葉綠體、線粒體rna在核(核仁、染色體)、細(xì)胞質(zhì)中。細(xì)菌：dna和rna。噬菌體：多數(shù)只有dna，植物病毒：多數(shù)只有rna，動(dòng)物病毒：有些含rna、有些含dna。,dna通常是雙鏈，一般較長(zhǎng)。rna主要為單鏈，分子鏈較短。,二、dna的分子結(jié)構(gòu)(一)dna的雙螺旋結(jié)構(gòu)dna分子是脫氧核苷酸的多聚體，含有4種脫氧核苷酸：脫氧腺嘌呤核苷酸(datp)、脫氧胸腺嘧啶核苷酸(dttp)、脫氧鳥嘌呤核苷酸(dgtp)、脫氧胞嘧啶核苷酸(dctp)。,1953年，瓦特森(watson,j.d.)和克里克(crick,f.)根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)的規(guī)律以及對(duì)dna分子的x射線衍射研究的成果，提出了著名的dna雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。,這個(gè)模型最主要特點(diǎn)有：(1)由兩條互補(bǔ)的多核苷酸鏈以右手螺旋的形式，彼此以一定的空間距離，平行地環(huán)繞于同一軸上，很象一個(gè)扭曲起來的梯子。,(2)兩條多核苷酸鏈走向?yàn)榉聪蚱叫?antiparallel)。即一條鏈磷酸二脂鍵為53方向，而另一條為35方向，二者剛好相反。(3)每條長(zhǎng)鏈的內(nèi)側(cè)是扁平的盤狀堿基，堿基一方面與脫氧核糖相聯(lián)系，另一方面通過氫鍵(hydrogenbond)與它互補(bǔ)的堿基相聯(lián)系，相互層疊宛如一級(jí)一級(jí)的梯子橫檔。互補(bǔ)堿基對(duì)a與t之間形成兩對(duì)氫鍵，而c與g之間形成三對(duì)氫鍵(圖38)。上下堿基對(duì)之間的距離為3.4nm。,(4)每個(gè)螺旋為3.4nm長(zhǎng)，剛好含有10個(gè)堿基對(duì)，其直徑約為2nm。(5)在雙螺旋分子的表面大溝(majorgroove)和小溝(minorgroove)交替出現(xiàn)。(6)堿基順序：（1）dna的分子結(jié)構(gòu)是由a-t和c-g兩種核苷酸對(duì)從頭到尾連接起來的，每個(gè)dna分子一般有上萬個(gè)這兩種核苷酸對(duì)，但是它們?cè)诜肿渔渻?nèi)排列的位置和方向只有以下四種形式:（2）對(duì)一特定物種的dna分子來說，其堿基順序是一定的，并且通常保持不變，這樣才能保持該物種遺傳特性的穩(wěn)定。（3）在特殊的條件下，改變其堿基順序或位置或以堿基類似物代替某一堿基時(shí)，才出現(xiàn)遺傳的變異(突變)。,近來發(fā)現(xiàn)dna的構(gòu)型并不是固定不變的，除主要以瓦特森和克里克提出的右手雙螺旋構(gòu)型存在外，還有許多變型。b-dna：生理狀態(tài)，每螺圈10.4個(gè)堿基對(duì)，右手螺旋；(瓦特森和克里克提出的雙螺旋構(gòu)型)a-dna：高鹽濃度下，每螺圈11個(gè)堿基對(duì)，右手螺旋；z-dna：序列富含gc，嘌呤和嘧啶交替出現(xiàn)，每螺圈12個(gè)堿基對(duì)，左手螺旋。,(二)dna構(gòu)型之變異,三、rna的分子結(jié)構(gòu),與dna的區(qū)別：u代替t；核糖代替脫氧核糖；一般以單鏈存在。但可以折疊起來形成若干雙鏈區(qū)域。在這些區(qū)域內(nèi)，凡互補(bǔ)的堿基對(duì)間可以形成氫鍵(圖310)。但有一些以rna為遺傳物質(zhì)的動(dòng)物病毒含有雙鏈rna。,第三節(jié)染色體的分子結(jié)構(gòu),一、原核生物染色體與真核生物相比，原核生物的染色體要簡(jiǎn)單得多，其染色體通常只有一個(gè)核酸分子(dna或rna)，其遺傳信息的含量也比真核生物少得多。病毒染色體只含一個(gè)dna或者rna分子，可以是單鏈也可以是雙鏈；大多呈環(huán)狀，少數(shù)呈線性分子。細(xì)菌染色體均為環(huán)狀雙鏈dna分子。雖然病毒和細(xì)菌的染色體比真核生物小得多，但其伸展長(zhǎng)度比其本身仍要大得多。近年來研究發(fā)現(xiàn)，原核生物的染色體并不是象過去人們認(rèn)為的那樣是“露裸”的dna分子，其dna分子同樣與蛋白質(zhì)和rna等其它分子結(jié)合。,二、真核生物染色體,(一)染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)染色質(zhì)(chromatin)是染色體在細(xì)胞分裂的間期所表現(xiàn)的形態(tài)，呈纖細(xì)的絲狀結(jié)構(gòu)，故亦稱為染色質(zhì)線(chromatinfiber)。dna組蛋白：h1、h2a、h2b、h3和h4染色質(zhì)蛋白質(zhì)非組蛋白少量核糖核酸(rna),染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位是核小體(nucleosome)、連接絲(linker)和一個(gè)分子的組蛋白h1。每個(gè)核小體的核心是由h2a、h2b、h3和h4四種組蛋白各以兩個(gè)分子組成的八聚體，其形狀近似于扁球狀(圖313)。dna雙螺旋就盤繞在這八個(gè)組蛋白分子的表面。連接絲把兩個(gè)核小體串聯(lián)起來，它是兩個(gè)核小體之間的dna雙鏈。組蛋白h1結(jié)合于連接絲與核小體的接合部位，影響連接絲與核小體結(jié)合的長(zhǎng)度。,常染色質(zhì)和異染色質(zhì)(p41),染色反應(yīng)是染料分子與染色質(zhì)線中dna分子結(jié)合，使染色質(zhì)線在光學(xué)顯微鏡下呈一定的顏色如果dna鏈存在狀態(tài)不同，與染料間反應(yīng)也將有所不同dna鏈的密度不同，一定區(qū)域內(nèi)結(jié)合染料分子的量不同，染色深淺也將有所不同,通常根據(jù)間期染色反應(yīng)，將染色質(zhì)分為異染色質(zhì)和常染色質(zhì)異染色質(zhì)(heterochromatin)在細(xì)胞間期染色質(zhì)線中，染色很深的區(qū)段。常染色質(zhì)(euchromatin)染色質(zhì)線中染色很淺的區(qū)段。,常染色質(zhì)和異染色質(zhì),結(jié)構(gòu)異同兩者結(jié)構(gòu)上連續(xù)，化學(xué)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)上沒有差異只是核酸螺旋化程度(密度)不同：異染色質(zhì)復(fù)制晚于常染色質(zhì)，間期仍然高度螺旋化、緊密卷縮(異固縮,heteropycnosis)常染色質(zhì)間期處于松散狀態(tài)，染色質(zhì)密度較低,功能異同遺傳信息表達(dá)(轉(zhuǎn)錄)主要在間期進(jìn)行，并需要染色質(zhì)(局部)處于解螺旋狀態(tài)。異染色質(zhì)在遺傳功能上呈惰性，一般不編碼蛋白質(zhì)，主要起維持染色體結(jié)構(gòu)完整性的作用常染色質(zhì)間期活躍表達(dá)，帶有重要的遺傳信息,組成性異染色質(zhì)與兼性異染色質(zhì),組成性(constitutive)構(gòu)成染色體的特殊區(qū)域，如著絲點(diǎn)等在所有組織、細(xì)胞中均表現(xiàn)異固縮現(xiàn)象只與染色體結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般無功能表達(dá)*主要是衛(wèi)星dna,兼性(facultative)可存在于染色體的任何部位在一些組織中不表現(xiàn)異固縮(象常染色質(zhì)一樣正常表達(dá))，而在其它組織中表現(xiàn)異固縮(完全不表達(dá))攜帶組織特異性表達(dá)遺傳信息x染色體是一個(gè)特例，教材上的例子并不恰當(dāng),每條染色單體包括一條染色線(chromonema)，以及位于線上許多染色很深、顆粒狀的染色粒(chromomere)。現(xiàn)已證實(shí)每個(gè)染色體所含的染色質(zhì)線是單線的，即一個(gè)染色體所包含的兩條染色單體都分別是單線的，換言之，每條染色單體是一個(gè)dna分子與蛋白質(zhì)結(jié)合形成的染色質(zhì)線。,(二)染色體的結(jié)構(gòu)模型在細(xì)胞有絲分裂的中期，利用光學(xué)顯微鏡可以觀察到：染色體的結(jié)構(gòu)是由兩條染色單體(chromatid)組成的。,細(xì)胞分裂過程中染色質(zhì)線至少存在三個(gè)層次的卷縮(圖3-14)：第一個(gè)層次是dna分子超螺旋化形成核小體，產(chǎn)生直徑約為10nm的間期染色質(zhì)線，在此過程中組蛋白h2a、h2b、h3和h4參與作用。第二個(gè)層次是核小體的長(zhǎng)鏈進(jìn)一步螺旋化形成直徑約為30nm的超微螺旋，稱為螺線管(solenoid)，此過程中組蛋白h1參與作用。最后是染色體螺旋管進(jìn)一步卷縮,并附著于由非組蛋白形成的骨架)或者稱中心(圖315)上面成為一定形態(tài)的染色體。,在細(xì)胞分裂過程中，染色質(zhì)是如何螺旋化形成染色體的呢？,bak等人提出了染色質(zhì)螺旋化的四級(jí)結(jié)構(gòu)模型（核小體、螺線體、超螺線體、染色體）解釋了這個(gè)問題。,四級(jí)螺旋結(jié)構(gòu),dna雙螺旋化為前一級(jí)長(zhǎng)度的h2a1、h2b、h3、h41/7一級(jí)核小體螺旋化+h11/6二級(jí)螺線體超螺旋化和卷縮1/40三級(jí)超螺旋體折疊螺旋化1/5四級(jí)染色體計(jì)1/8400四級(jí)螺旋化后dna雙鏈長(zhǎng)度可壓縮800010000倍。,(三)著絲粒和端體,染色體另外二個(gè)重要的結(jié)構(gòu)就是著絲粒(centromoere)和端體(telomere)。,1.著絲粒是染色體的縮縊部位，是細(xì)胞分裂過程中紡錘絲(spindlefiber)結(jié)合的區(qū)域。,著絲粒在細(xì)胞分裂過程中，對(duì)染色體向子細(xì)胞的正確分配起著關(guān)鍵的作用。缺少著絲粒的染色體片段，由于沒有紡錘絲的牽引，在細(xì)胞分裂過程中經(jīng)常容易丟失。,2.端體(telomere)也就是染色體的末端，存在著特珠的結(jié)構(gòu)。,主要有三方面的功能：,1、防止染色體末端為dna酶酶切；,2、防止染色體末端與其它dna分子的結(jié)合；,3、使染色體末端在dna復(fù)制過程中保持完整。,第四節(jié)dna的復(fù)制,一、dna復(fù)制的一般特點(diǎn),(一)半保留復(fù)制,瓦特森(watson)等提出的dna半保留復(fù)制方式。其方法為：一端沿氫鍵逐漸斷開；以單鏈為模板，堿基互補(bǔ)；氫鍵結(jié)合，聚合酶等連接；形成新的互補(bǔ)鏈；形成了兩個(gè)新dna分子。dna的這種復(fù)制方式對(duì)保持生物遺傳的穩(wěn)定是非常重要的(圖3-16).,dna自身的復(fù)制方式-半保留復(fù)制,(二)復(fù)制起點(diǎn)和復(fù)制方向,多數(shù)細(xì)菌及病毒，只有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)，控制整個(gè)染色體的復(fù)制。所以整個(gè)染色體也就是一個(gè)復(fù)制子。,復(fù)制子(replicon)。是指在同一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)控制下合成的一段dna序列。,在真核生物中，每條染色體的dna復(fù)制則是多起點(diǎn)的，多個(gè)復(fù)制起點(diǎn)共同控制一條染色體的復(fù)制，即每條染色體有多個(gè)復(fù)制子(圖317)。,真核生物的研究發(fā)現(xiàn)，其復(fù)制也是雙向的。但近來發(fā)現(xiàn)，并不是所有的生物dna的復(fù)制都是雙向的，如：噬菌體t2，其dna的復(fù)制就是沿一個(gè)方向進(jìn)行的。5/3/,大腸桿菌和其它許多原核生物的環(huán)狀dna復(fù)制是雙向的。即dna的復(fù)制從復(fù)制起點(diǎn)開始，向二個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行，最后相遇，完成復(fù)制。,復(fù)制方向？從起點(diǎn)開始是沿著一個(gè)方向進(jìn)行的呢？還是雙向的？,二、原核生物dna合成,(一)有關(guān)dna合成的酶,1957年科恩伯格(kornberg,a.)及其同事，從大腸桿菌中分離dna聚合酶(polymerase)。,聚合酶在有dna、4種脫氧核苷酸及mg2+的情況下，在離體條件下可以合成dna。,后來發(fā)現(xiàn)，dna聚合酶只有在引物dna提供3端自由羥基的情況下，才使dna鏈從5向3方向延伸。,實(shí)際上在此實(shí)驗(yàn)體系中的dna起著模板和引物的雙重作用。,dna聚合酶由一條多肽鏈組成，含有928個(gè)氨基酸，分子量約為109,000道爾頓，編碼此酶的基因?yàn)閜ola。,后來，從pola基因突變株中又分離出二種dna聚合酶，分別命名為dna聚合酶和dna聚合酶。,三種dna聚合酶有一些共同的特性，從而決定dna合成的特點(diǎn)：,1、三種酶都只有53聚合酶的功能，而沒有35聚合酶功能，說明dna鏈的延伸只能從5向3端進(jìn)行。,2、它們都沒有直接起始合成dna的能力，只能在引物存在下進(jìn)行鏈的延伸，因此，dna的合成必須有引物引導(dǎo)才能進(jìn)行。,3、三種酶還都有核酸外切酶的功能，可對(duì)合成過程中發(fā)生的錯(cuò)識(shí)進(jìn)行校正，從而保證dna復(fù)制的高度準(zhǔn)確性。,(二)dna復(fù)制的過程,dna的合成是半保留復(fù)制（分別以兩條鏈互為模板，而合成兩條互補(bǔ)新鏈），復(fù)制是雙向的，dna的合成必須有引物的引導(dǎo)，并且復(fù)制時(shí)鏈的延伸總是從5向3方向進(jìn)行。,dna的合成過程：,1、dna雙螺旋的解鏈,atp提供能量，dna雙鏈由解旋酶解開后，單鏈dna結(jié)合蛋白（ssb）馬上結(jié)合在分開的單鏈上，從而保持其伸展?fàn)顟B(tài)。,在大腸桿菌中，dna的合成速度每分鐘約為30,000bp，即雙螺旋每分鐘必須旋轉(zhuǎn)3000次才能完全解旋。,如果沒有ssb的作用，分開的雙鏈互補(bǔ)堿基對(duì)間又可重新配對(duì)?；蛘?，在同一條鏈的互補(bǔ)堿基對(duì)間配對(duì)而形成發(fā)夾狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會(huì)阻止dna聚合酶的作用。,隨著解鏈的進(jìn)行，在dna復(fù)制叉前面就會(huì)形成一種張力，而導(dǎo)致超螺旋的產(chǎn)生。,dna拓?fù)洚悩?gòu)酶將dna雙鏈切開一個(gè)口子，使一條鏈旋轉(zhuǎn)一圈，然后再將其共價(jià)相連，從而消除其張力。,現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)主要有二類dna拓?fù)洚悩?gòu)酶：,dna拓?fù)洚悩?gòu)酶i，只對(duì)雙鏈dna中的一條鏈進(jìn)行切割，產(chǎn)生切口(nick)，每次切割只能去除一個(gè)超螺旋，此過程不需要外加能量。,dna拓?fù)洚悩?gòu)酶ii，可以對(duì)雙鏈dna的二條鏈同時(shí)進(jìn)行切割。每次切割可以去除二個(gè)超螺旋，此過程需要atp提供能量。,2、dna合成的開始,三種dna聚合酶均需要dna模板和3端的自由oh，才能進(jìn)行dna的合成，使dna延伸。,人們很早就發(fā)現(xiàn)rna聚合酶(rnaploymerase)利用dna模板，不需要特殊的引物可以直接合成rna。,dna合成前，以dna為模板，根據(jù)堿基配對(duì)的原則，在一種特殊的rna聚合酶dna引物酶(dnaprimase)的催化下，先合成一段長(zhǎng)度為560個(gè)核苷酸的rna引物，提供3端自由oh。,然后，在dna聚合酶iii的作用下進(jìn)行dna的合成。,3、一條dna鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù),從電子顯微鏡和放射自顯影的結(jié)果可知，dna兩條新鏈的合成是從一個(gè)復(fù)制叉(replicatingfork)向著同一個(gè)方向延伸的。,而組成dna雙螺旋的互補(bǔ)雙鏈具有相反的方向，一條從53，而另地條35，為反向平行。,二條dna新鏈，只有一條dna鏈的合成是連續(xù)的，而另一條則是不連續(xù)的。,所以從整個(gè)dna分子水平來看，dna二條新鏈的合成方向是相反的，但是都是從5向3方向延伸。,把一直從5向3方向延伸的鏈稱作前導(dǎo)鏈(leadingstrand)，它是連續(xù)合成的。,另一條先沿53方向合成一些片段，然后再由連接酶將其連起來的鏈，稱為后隨鏈(laggingstrand)，其合成是不連續(xù)的(圖319)。,在前導(dǎo)鏈上，dna引物酶只在起始點(diǎn)合成一次引物rna，dna聚合酶iii就可開始進(jìn)行dna的合成。,每個(gè)“岡崎片段”的合成都需要先合成一段引物rna，然后dna聚合酶iii才能進(jìn)行dna的合成。,隨后，引物rna被切除，并為新合成的dna片段所替代。,在大腸桿菌中，引物rna被切除過程是在dna聚合酶的催化下完成的。,后隨鏈上合成的dna不連續(xù)單鏈小片段稱為岡崎片段,后隨鏈dna的合成：,因?yàn)閐na聚合酶i有53端核酸外切酶的功能，它可以將rna引物切除，,同時(shí)利用其53聚合酶功能，以臨近“岡崎片段”的3端自由oh進(jìn)行dna的合成，從而將rna引物替換為dna鏈。,最后由dna連接酶(dnaligase)將“岡崎片段”連接起來，形成一條完整的新鏈(圖320)。,（三）rna病毒中rna的自我復(fù)制,大多數(shù)rna病毒是單鏈的。這種rna的復(fù)制一般是先以自己為模板合成一條互補(bǔ)的單鏈，通常稱病毒原有的、起模板作用的鏈稱為“”鏈，而新復(fù)制的rna鏈稱為“”鏈，這樣就形成了雙螺旋的復(fù)制類型(replicativeform)。,然后這個(gè)“”鏈又從“”鏈模板釋放出來，它也以自己為模板復(fù)制出一條與自己互補(bǔ)的“”鏈，于是形成了一條新生的病毒rna。,三、真核生物dna合成,現(xiàn)在已有很多證據(jù)表明，真核生物dna的復(fù)制基本上與原核生物相同，但比原核生物更為復(fù)雜。,真核生物dna的復(fù)制與原核生物主要不同點(diǎn)：,1、dna合成只是發(fā)生在細(xì)胞周期的某個(gè)時(shí)期：,真核細(xì)胞dna的合成只是在細(xì)胞周期的s期進(jìn)行。而原核生物則在整個(gè)細(xì)胞生長(zhǎng)過程中都可進(jìn)行dna合成。,2、原核生物dna的復(fù)制是單起點(diǎn)的，而真核生物染色體的復(fù)制則為多起點(diǎn)的。,3、真核生物dna合成所需的rna引物及后隨鏈上合成的“岡崎片段”的長(zhǎng)度比原核生物要短,4、有二種不同的dna聚合酶分別控制前導(dǎo)鏈和后隨鏈的合成(圖321)。,在原核生物中有dna聚合酶i、ii和iii等三種聚合酶，并由聚合酶iii同時(shí)控制二條鏈的合成。,而在真核生物中共有、和等五種dna聚合酶。,聚合酶和是dna合成的主要酶，由聚合酶控制不連續(xù)的后隨鏈的合成，而聚合酶則控制前導(dǎo)鏈的合成，所以其二條鏈的合成是在二種不同的dna聚合酶的控制下完成。,主要不同點(diǎn)：,5、染色體端體的復(fù)制,原核生物的染色體大多數(shù)為環(huán)狀，而真核生染色體為線狀。,端體：染色體其末端有特殊dna序列組成的結(jié)構(gòu)稱為端體,根據(jù)dna合成的過程，新鏈5末端dna是無法自動(dòng)合成的，因?yàn)楫?dāng)末端的rna引物被切除后，就沒有3端的自由羥基為dna的合成作引物。,在dna的末端存在特殊的結(jié)構(gòu)，并在含有rna的端體酶(telomerase)的催化下完成末端的合成。,主要不同點(diǎn)：,真核生物與原核生物dna合成的區(qū)別,第五節(jié)rna的轉(zhuǎn)錄及加工,遺傳物質(zhì)不管其化學(xué)性質(zhì)如何，其必須具有遺傳、表達(dá)和變異等三種基本功能。,下面我們介紹其第二個(gè)重要的功能基因表達(dá)。,基因的表達(dá)：第一步dna轉(zhuǎn)錄(transcription)為rna，然后由rna再翻譯(translation)成蛋白質(zhì)。,轉(zhuǎn)錄：就是以dna雙鏈之一的遺傳密碼為模板，把遺傳密碼以互補(bǔ)的方式轉(zhuǎn)錄到mrna上。,翻譯：就是mrna攜帶著轉(zhuǎn)錄的遺傳密碼，附著在核糖體上，把trna運(yùn)來的各種氨基酸，按照mrna的密碼順序，相互連接起來成為多肽鏈，并進(jìn)一步折疊起來成為立體蛋白質(zhì)分子。,先介紹rna的轉(zhuǎn)錄,一、三種rna分子,信使rna(messengerrna，mrna)轉(zhuǎn)移rna(transferrna，trna)核糖體rna(ribosomalrna，rrna)三種不同的rna分子在基因的表達(dá)過程中起重要的作用。,(一)mrna,mrna的功能就是把dna上的遺傳信息精確無誤地轉(zhuǎn)錄下來，然后，由mrna的堿基順序決定蛋白質(zhì)的氨基酸順序，它是基因表達(dá)過程中遺傳信息傳遞的中介。,它起著傳遞信息的作用，因而稱為信使rna(mrna)。,在真核生物中，轉(zhuǎn)錄形成的rna中，含有大量非編碼序列，大約只有25rna經(jīng)加工成為mrna，最后翻譯為蛋白質(zhì)。,未經(jīng)加工的前體mrna(pre-mrna)在分子大小上差別很大，所以通常稱為不均一核rna(heterogeneousnuclearrna，hnrna)。,生物的遺傳信息主要貯存于dna的堿基序列中，但dna并不直接決定蛋白質(zhì)的合成。而且在真核細(xì)胞中，dna主要存在于細(xì)胞核的染色體上，而蛋白質(zhì)的合成中心卻位于細(xì)胞質(zhì)的核糖體上。因此，它需要一種中介物質(zhì)，才能把dna上控制蛋白質(zhì)合成的遺傳信息傳遞給核糖體。,(二)trna,如果說mrna是合成蛋白質(zhì)的藍(lán)圖，則核糖體是合成蛋白質(zhì)的工廠。,由于合成蛋白質(zhì)的原材料20種氨基酸與mrna的堿基之間缺乏特殊的親和力。,因此，必須用一種特殊的rna轉(zhuǎn)移rna(trna)把氨基酸搬運(yùn)到核糖體上，trna能根據(jù)mrna的遺傳密碼依次準(zhǔn)確地將它攜帶的氨基酸連結(jié)成多肽鏈。,每種氨基酸可與14種trna相結(jié)合，現(xiàn)在已知的trna的種類在40種以上。,trna是最小的rna。其分子量約為27000(2500030000)，由70到90個(gè)核苷酸組成。,1969年以來，研究了來自各種不同生物，如：酵母、大腸桿菌、小麥、鼠等的十幾種trna的結(jié)構(gòu)，證明它們的堿基序列都能折疊成三葉草葉型(圖322)。,trna的結(jié)構(gòu)的共性(圖323)：,(1)5端之末具有g(shù)(大部分)或c。,(2)3端之末都以acc的順序終結(jié)。,(3)有一個(gè)富有鳥嘌呤的環(huán)。,(4)有一個(gè)反密碼子環(huán)，其的頂端有三個(gè)暴露的堿基，稱為反密碼子。這一個(gè)反密碼子可以與mrna鏈上同自己互補(bǔ)的密碼子配對(duì)。,(5)有一個(gè)胸腺嘧啶環(huán)。,(三)rrna,核糖體rna，它是組成核糖體的主要成分，而核糖體則是合成蛋白質(zhì)的中心。,原核生物的核糖體所含的rrna，有5s、16s及23s等三種。,s為沉降系數(shù)(sedimentationcoefficient)，當(dāng)用超速離心測(cè)定一個(gè)粒子的沉淀速度時(shí)，此速度與粒子的大小直接成比例。,真核生物的核糖體，含有4種rrna和約80種蛋白質(zhì)。四種rrna為5s、5.8s、18s和28s。,rrna是單鏈，它包含不等量的a與u、g與c，但是有廣泛的雙鏈區(qū)域。在雙鏈區(qū)，堿基因氫鍵相連，表現(xiàn)為發(fā)夾式螺旋。,rrna在蛋白質(zhì)合成中的功能尚未完全明了。但16s的rrna3端有一段核苷酸序列與mrna的前導(dǎo)序列是互補(bǔ)的，這可能有助于mrna與核糖體的結(jié)合。,除了上述三種主要的rna外，還有小核rna(smallnuclearrna，snrna)是真核生物轉(zhuǎn)錄后加工過程中rna剪接體(spliceosome)的主要成份。,另外，還有端體酶rna(telomeraserna)，它與染色體末端的復(fù)制有關(guān)；以及反義rna(antisenserna)，它參與基因表達(dá)的調(diào)控。,上述各種rna分子均為轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，mrna最后翻譯為蛋白質(zhì)，而rrna、trna及snrna等并不翻譯，其終產(chǎn)物即為rna。,二、rna合成的一般特點(diǎn),rna的合成與dna合成有以下三方面明顯不同：,(1)所用的原料為核苷三磷酸，而在dna合成時(shí)則為脫氧核苷三磷酸；,(2)只有一條dna鏈被用作模板，而dna合成時(shí)，兩條鏈分別用作模板；,(3)rna鏈的合成不需要引物，可以直接起始合成，而dna合成一定要引物的引導(dǎo)。,轉(zhuǎn)錄合成的rna鏈，除了u替換為t以外，與用作模板的dna鏈互補(bǔ)，而與另一條非模板鏈相同。,如果轉(zhuǎn)錄的rna是mrna，其信息最后通過密碼子決定蛋白質(zhì)的合成。,現(xiàn)在通常將用作模板，進(jìn)行rna轉(zhuǎn)錄的鏈稱作模板鏈(templatestrand)；而另一條則為非模板鏈(nontemplatestrand)。,rna鏈的合成與dna鏈的合成同樣，也是從5向3端進(jìn)行的，此過程由rna聚合酶(rnapolymerase)催化。,rna聚合酶首先在啟動(dòng)子部位(promoter)與dna結(jié)合，形成轉(zhuǎn)錄泡(transcriptionbubble)，并開始轉(zhuǎn)錄。,在原核生物中只有一種rna聚合酶完成所有rna的轉(zhuǎn)錄，而在真核生物中，有三種不同的rna聚合酶控制不同類型rna的合成。,rna的合成也同樣遵循堿基配對(duì)的規(guī)則，只是u代替了t。,三、原核生物rna的合成,通常把轉(zhuǎn)錄后形成一個(gè)rna分子的一段dna序列稱為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位(transcriptunit)。,一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位可能剛好是一個(gè)基因，也可能含有多個(gè)基因。,rna的轉(zhuǎn)錄可以分為三步(圖324)：,(1)rna鏈的起始；,(2)rna鏈的延長(zhǎng)；,(3)rna鏈的終止及新鏈的釋放。,在討論有關(guān)rna轉(zhuǎn)錄時(shí)通常要用到上游(upstream)和下游(downstream)二個(gè)概念。因?yàn)閞na的轉(zhuǎn)錄總是從5向3端進(jìn)行，所以上游總是指rna分子的5端，而下游則指3端。,(一)rna聚合酶,催化轉(zhuǎn)錄的rna聚合酶是一種由多個(gè)蛋白亞基組成的復(fù)合酶。,如大腸桿菌的rna聚合酶有五個(gè)亞基組成，其分子量為480,000道爾頓，含有、和等四種不同的多肽，其中為2個(gè)分子。,亞基與rna聚合酶的四聚體核心(2)的形成有關(guān);,亞基含有核苷三磷酸的結(jié)合位點(diǎn)；,亞基含有與dna模板的結(jié)合位點(diǎn)；,因子的作用就是識(shí)別轉(zhuǎn)錄的起始位置，并使rna聚合酶結(jié)合在啟動(dòng)子部位。,(二)鏈的起始,rna鏈轉(zhuǎn)錄的起始首先是rna聚合酶在因子的作用下結(jié)合于dna的啟動(dòng)子部位;,并在rna聚合酶的作用下，使dna雙鏈解開，形成轉(zhuǎn)錄泡，為rna合成提供單鏈模板，并按照堿基配對(duì)的原則，結(jié)合核苷酸;,然后，在核苷酸之間形成磷酸二脂鍵，使其相連，形成rna新鏈。,因子在rna鏈伸長(zhǎng)到89個(gè)核酸后，就被釋放，然后由核心酶催化rna的延伸。,啟動(dòng)子位于rna轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游，因子對(duì)啟動(dòng)子的識(shí)別是轉(zhuǎn)錄起始的第一步。,啟動(dòng)子是基因（gene）的一個(gè)組成部分，控制基因表達(dá)（轉(zhuǎn)錄）的起始時(shí)間和表達(dá)的程度。啟動(dòng)子（promoters）就像“開關(guān)”，決定基因的活動(dòng)。,(三)鏈的延伸,rna鏈的延伸是在因子釋放以后，在rna聚合酶四聚體核心酶的催化下進(jìn)行。,因rna聚合酶同時(shí)具有解開dna雙鏈，并使其重新閉合的功能。,隨著rna的延伸，rna聚合酶使dna雙鏈不斷解開和重新閉合。,rna轉(zhuǎn)錄泡也不斷前移，合成新的rna鏈(圖326)。,(四)鏈的終止,當(dāng)rna鏈延伸遇到終止信號(hào)(terminationsignal)時(shí)，rna轉(zhuǎn)錄復(fù)合體就發(fā)生解體，而使新合成的rna鏈釋放出來。,現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)在大腸桿菌中有二類終止信號(hào)：,一類只有在存在蛋白質(zhì)的情況下，轉(zhuǎn)錄才會(huì)終止，稱為依賴于的終止(dependentterminator)。,第二類使轉(zhuǎn)錄終止不需要的參與，所以稱為不依賴于的終止(-independentterminator)。,實(shí)際上在原核生物中，rna的轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)的合成以及mrna的降解通?？梢允峭瑫r(shí)進(jìn)行的。,因?yàn)樵谠松镏胁淮嬖诤四し指舻暮?，另外，rna的轉(zhuǎn)錄和多肽鏈的合成都是從5向3方向進(jìn)行，只要mrna的5端合成后，即可以進(jìn)行蛋白質(zhì)的翻譯過程。,在原核生物中mrna的壽命一般只有幾分種。因此，往往在3端mrna的轉(zhuǎn)錄還沒有最后結(jié)束，5端mrna在完成多肽鏈的合成后，已經(jīng)開始降解。,四、真核生物rna的轉(zhuǎn)錄及加工,(一)真核生物rna轉(zhuǎn)錄的特點(diǎn)真核生物與原核生物rna的轉(zhuǎn)錄過程主要有以下幾點(diǎn)不同(圖327)：,1、真核生物rna的轉(zhuǎn)錄是在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行而蛋白質(zhì)的合成則是在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，所以，rna轉(zhuǎn)錄后首先必須從核內(nèi)運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)內(nèi)，才能進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成。,2、真核生物mrna分子一般只編碼一個(gè)基因原核生物的一個(gè)mrna分子通常含有多個(gè)基因，而少數(shù)較低等真核生物外，在真核生物中，一個(gè)mrna分子一般只編碼一個(gè)基因。,3、真核生物rna聚合酶較多在原核生物中只有一種rna聚合酶催化所有rna的合成，而在真核生物中則有rna聚合酶i、ii、iii等三種不同酶，分別催化不同種類型rna的合成。,4、真核生物rna聚合酶不能獨(dú)立轉(zhuǎn)錄rna在真核生物中，三種rna聚合酶都必須在蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)助下才能進(jìn)行rna的轉(zhuǎn)錄。,（一）原核生物與真核生物rna轉(zhuǎn)錄的區(qū)別1.真核生物rna的轉(zhuǎn)錄是在細(xì)胞核內(nèi)，翻譯在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行；原核生物則在核區(qū)同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄翻譯；2.真核生物一個(gè)mrna只編碼一個(gè)基因；原核生物一個(gè)mrna編碼多個(gè)基因；3.真核生物有rna聚合酶、等三種不同的酶；原核生物則只有一種rna聚合酶；4.真核生物中轉(zhuǎn)錄的起始更復(fù)雜，rna的合成需要轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)助進(jìn)行轉(zhuǎn)錄；原核生物則較為簡(jiǎn)單；5.真核生物的mrna轉(zhuǎn)錄后進(jìn)行加工，然后運(yùn)送到細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行翻譯；原核生物無需進(jìn)行加工，邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯。,(二)mrna的加工,1、在mrna前體的5端加上7甲基鳥嘌呤核苷的帽子(cap)。,2、在mrna前體的3端加上聚腺苷酸(poly(a)的尾巴。,3、如果基因中存在不編碼的內(nèi)含子序列，要進(jìn)行剪接，將其切除。,第六節(jié)遺傳密碼與蛋白質(zhì)的翻譯,一、遺傳密碼,遺傳密碼(geneticcode)：是生物蛋白質(zhì)合成的密碼，是遺傳信息的單位，由a、u、c、g組成。,遺傳密碼又是如何翻譯呢?,首先是以dna的一條鏈為模板合成與它互補(bǔ)的mrna，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)的規(guī)律，在這條mrna鏈上，a變?yōu)閡，t變?yōu)閍，c變?yōu)間，g變?yōu)閏。,因此，這條mrna上的遺傳密碼與非模板dna鏈?zhǔn)且粯拥模煌闹皇莡代替了t。然后再由mrna上的遺傳密碼翻譯成多肽鏈中的氨基酸序列。,（一）密碼子與氨基酸,dna分子堿基只有4種，而蛋白質(zhì)氨基酸有20種；堿基與氨基酸之間不可能一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。,141=4種：缺16種氨基酸；242=16種：比現(xiàn)存的20種氨基酸還缺4種；343=64種：由三個(gè)堿基一起組成的密碼子能夠形成64種組合，20種氨基酸多出44種。,簡(jiǎn)并(degeneracy）：一個(gè)氨基酸由一個(gè)或一個(gè)以上的三聯(lián)體密碼所決定的現(xiàn)象。,三聯(lián)體或密碼子：代表一個(gè)氨基酸的三個(gè)一組的核苷酸。,（二）遺傳密碼字典,每一個(gè)三聯(lián)體密碼所翻譯的氨基酸是什么呢?,從1961年開始，在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分別利用64個(gè)已知三聯(lián)體密碼，找到了相對(duì)應(yīng)的氨基酸。,19661967年，已全部完成了整套遺傳密碼的字典，如ugg為色氨基酸。,遺傳密碼字典,（三）遺傳密碼的基本特征,1遺傳密碼為三聯(lián)體：三個(gè)堿基決定一種氨基酸；61個(gè)為有意密碼，起始密碼為gug、aug(甲硫氨酸)；3個(gè)為無意密碼，uaa、uag、uga為蛋白質(zhì)合成終止信號(hào)。,2.遺傳密碼間不能重復(fù)利用:,在一個(gè)mrna上每個(gè)堿基只屬于一個(gè)密碼子；均以3個(gè)一組的形成氨基酸密碼。,3.遺傳密碼間無逗號(hào)：,augguacuguca.甲硫氨酸纈氨酸亮氨酸絲氨酸,密碼子與密碼子之間無逗號(hào)，按三個(gè)三個(gè)的順序一直閱讀下去，不漏不重復(fù)。如果中間某個(gè)堿基增加或缺失后，閱讀就會(huì)按新的順序進(jìn)行下去，最終形成的多肽鏈就與原先的完全不一樣(稱為移碼突變)。auguacuguca甲硫氨酸酪氨酸半胱氨酸,.簡(jiǎn)并現(xiàn)象：色氨酸(ugg)和甲硫氨酸(aug)例外，僅一個(gè)三聯(lián)體密碼；其余氨基酸都有一種以上的