遺傳物質穩(wěn)定性

1、生物化學作業(yè)院 系：西北大學化工學院年 級：2009級專 業(yè)：化學工程與工藝姓 名：羅向男學 號：2009115017遺傳因子在生物體中保持穩(wěn)定性DNA 是幾乎所有生物的遺傳物質, 一個DNA 分子的堿基對只有4 種, 但數目成千上萬, 甚至數百萬, 故堿基對在分子中的排列方式是個天文數字. 生物體無數的遺傳信息就蘊藏在這無數的DNA 分子的堿基排列順序中. 這多樣的DNA, 形成了多樣的蛋白質, 也就形成了多樣的生物界. 顯然, 遺傳物質的相對穩(wěn)定性對生物的個體生存及物種的穩(wěn)定延續(xù)起著十分重要的作用. 為此本文試從個體、群體和細胞分子水平來理解遺傳物質的相對穩(wěn)定性. 1. 穩(wěn)定性1.1 .

2、染色體是遺傳物質的載體, 每一種生物的染色體數目是恒定的. 多數高等動植物都是二倍體, 即每一體細胞中有兩組同樣的染色體( 有時性染色體可以不成對) . 體細胞不斷增殖是通過有絲分裂來完成的, 分裂形成的兩個新細胞的染色體在數目和形態(tài)上與原來體細胞完全一樣; 減數分裂是生殖細胞形成的分裂方式, 通過減數分裂, 生殖細胞中染色體數目減少了一半, 精卵結合后的受精卵又恢復了二倍體染色體數, 保證了親代、親代與子代之間染色體數目的相對恒定. 1.2 . DNA 分子具有與眾不同的物征性的、穩(wěn)定的、三維空間結構. DNA 的兩條多核苷酸鏈相互纏繞形成雙螺旋結構, 糖基和磷酸根形成DNA 的骨架, 位于

3、螺旋外側; 扁平的堿基分子碟子一樣重疊在一起, 面對著螺旋體的中心. 雙螺旋的反向平行、堿基堆積力及相應堿基對之間的氫鍵作用, 尤其穩(wěn)定了DNA 分子的雙螺旋結構. 1.3 . DNA 分子結構中儲存著遺傳信息, 它的復制是以半保留方式完成的. 自我復制是指以親代DNA 分子為模板合成子代DNA 分子的過程. 1958 年, Mesel. son 和Stahl 研究了經15N 標記了三個世代的大腸桿菌DNA, 首次證明了DNA 的半保留復制. 研究結果說明, 新合成的兩個DNA 分子完全一樣, 其中都含有一條親鏈和一條新合 成的子鏈, 即半保留復制. 體細胞和性母細胞在分裂過程中都要進行這種復

4、制, 使親代細胞的遺傳信息準確、均等的傳遞給子代細胞, DNA 的這種半保留復制保證了DNA 在代謝上的穩(wěn)定性. 經過許多代的復制, DNA 多核苷酸鏈仍可保持完整, 存在與后代而不被分解掉. 這種穩(wěn)定性與DNA 的遺傳功能是相符的. 1.4 . 遺傳的中心法則和堿基互補配對原則. 由DNA 合成DNA 及RNA 的過程, 使得DNA 分子中儲存的遺傳信息( 堿基序列) 變?yōu)镽NA 分子的堿基順序, 堿基互補配對具有嚴格的對應關系, A= T ( 或U ) , G= C, 確保遺傳信息的準確傳遞. 進而又以RNA 為模板合成具有特異氨基酸順序的與親代相同的蛋白質. 這種遺傳信息從DNA 傳遞給

5、RNA, 再從RNA 傳遞給蛋白質的轉錄和翻譯過程, 以及遺傳信息從DNA 傳遞給DNA 的復制過程, 即遺傳的 中心法則!. 隨著科學實驗的進展, 中心法則! 以有新發(fā)展, 遺傳信息還可由RNA 傳向RNA, 由RNA 傳向DNA , 這在遺傳信息的傳遞上開辟了一條新的途徑, 中心法則! 及其發(fā)展保證了遺傳信息的準確傳遞和表達. 1.5 . 遺傳密碼與氨基酸的對應關系及突變與修復，傳密碼表可以看出, 共有61 種密碼子和20 種氨基酸相對應, 其中大多數氨基酸具有一種以上的密碼子, 這種現象稱為簡并, 這各氨基酸密碼的簡并性可以減少突變的影響, 避免了對蛋白質功能可能產生的有害作用; 起始密

6、碼子的存在又決定了蛋白質編碼順序的可讀性, 即決定了正確讀取的可靠性. 突變, 即DNA 順序的改變, 只有在編碼區(qū)內的突變, 才有可能影響到蛋白質, 在非編碼區(qū)或基因間區(qū)域的突變通常沒有作用, 且在有機體內存在有多種DNA 修復機制, 如切除修復、直接修復和錯配修復, 減少了突變的最終發(fā)生幾率. 1.6 . DNA 重復順序的出現，著生物進化水平的不斷提高, 還出現了許多相同的DNA 重復順序. 低等真核生物的大部分DNA 是非重復的, 重復組分不超過20% , 且基本是中等程度重復組分. 在動物細胞中, 接近一半的基因組DNA 被中等或高度重復的組分占據。在植物和兩棲動物中非重復的DNA

7、只占基因組的很小一部分, 中等或高度重復的組分高達80% . 這種重復順序保證了更高度的貯藏和運輸遺傳信息的可靠性, 產生更大的遺傳潛力和更大的生物信息庫, 保證已經獲得的遺傳性變異不致輕易丟失. 1.7 . 選擇的作用，響群體基因頻率的一個很重要的因素是選擇. 就基因突變而言, 大部分基因突變是有害的, 如人類的遺傳病基本上都是基因突變所形成的, 據估計, 我們每個人都是5 6 個有害基因的攜帶者. 當然, 突變率的增加, 可能增高群體的遺傳負荷, 但顯性致死基因突變發(fā)生后, 由于選擇的作用, 此致死基因會在當代消失而不增加遺傳負荷. 因此選擇又可以降低群體的遺傳負荷, 增加遺傳的穩(wěn)定性.

8、2. 可變性遺傳物質是相對穩(wěn)定的, 在一定的內外因素影響下是可變的, 遺傳物質的改變包括染色體畸變和基因突變. .2.1 . 等位基因的存在，因突變普遍存于自然界中, 從病毒、細菌到人類, 都在不斷發(fā)生基因突變, 這可涉及到個體的每一種性狀, 各種等位基因就其來源說, 都可看作是原型基因的突變型. 由于突變的發(fā)生, 增加了等位基因. 群體中罕見的等位基因大多數存在與雜合基因中, 而不是在純合子中. 以人類的白化性狀為例, 白化個體( aa) 的頻率為0.000 1, 在雜合子中的等位基因a 比在白化個體中的多100 倍. 此外, 一個等位基因的頻率越低, 該等位基因存在于雜合子中的比例越大.

9、黑尿病隱性基因頻率僅為0.001, 黑尿病患者的頻率為面百分之一, 雜合子頻率為千分之二. 雜合子中黑尿病基因的數目比純合子中大1 000 倍. 可見, 等位基因的變化可以引起群體基因頻率的改變. 2.2 . 各種基因在一定的群體中都有一定的自發(fā)突變率，突變是一種稀有事件, 但各種基因在一定的群體中都有一定的自發(fā)突變率. 在高等生物中, 各種基因的自發(fā)突變率為10- 5 10- 8/ 生殖細胞/ 代, 即每十萬個或億個生殖細胞中才有一個基因發(fā)生突變. 人類基因的自發(fā)突變率則約為10- 4 10- 6/ 生殖細胞/ 代, 即每萬個到百個生殖細胞中就有一個基因發(fā)生突變. 2.3 . 突變的發(fā)生，突

10、變的發(fā)生與環(huán)境中化學試劑和物理因素有關. 例如, 電離輻射30 100 倫的照射即為加倍劑量, 可使人群的自發(fā)突變率增高一倍. 不少化學誘變劑存在于化學農藥和工業(yè)污染中, 這些均可增加突變發(fā)生率, 毫無疑問環(huán)境污染會增高突變率. 2.4 . 同源染色全的重組及DNA 的轉座，重組意味著一個DNA 分子上產生遺傳信息的新的組合. 在減數分裂中由于同源染色體非姐妹染色單體之間發(fā)行局部交換, 形成不同染色體組成的配子, 使后代個體表現出一定的變異. 轉座是由可移位因子介導的遺傳物質重排現象, 轉座有別于重組, 它依賴于DNA 復制, 轉座發(fā)生的頻率雖然很低, 但可以引發(fā)許多遺傳變異, 如基因重排及質

11、粒. . . 染色體DNA 整合, 染色體缺失、倒位等. 2.5 . 染色體畸變與環(huán)境，在某些物理、化學因素的作用下, 可發(fā)生染色體數目和結構的畸變. 數目的改變有整倍體和非整倍體變異, 在人類中染色體非整倍體變異相對普遍, 一些常見的遺傳病如先天愚型、18 三體綜合征、貓叫綜合征即為此類, 整倍體變異則常見于植物中. 有關植物染色體數目與環(huán)境關系的調查統(tǒng)計資料表明: 在一定的生態(tài)環(huán)境中, 植物的染色體數目是恒定的, 但是染色體的結構和數目常為生態(tài)環(huán)境所修飾, 使得同種植物出現了不同的細胞型, 甚至產生倍性的變異. 這種變異常與多倍體有關, 這與環(huán)境因素生長習性和繁殖方式等相關, 可能的原因是

12、同源多倍體具有適應能力, 并在獨特的環(huán)境中占有地盤. 3. 遺傳物質穩(wěn)定性與可變性相對存在的意義3.1 . 遺傳物質穩(wěn)定性在生物物種繁殖中的意義，從遺傳的細胞學基礎與遺傳的分子基礎都已證明: 遺傳物質的穩(wěn)定性, 奠定了生物遺傳的基礎, 保證了物種的延續(xù), 維持了個體的正常發(fā)育, 保持了物種的特性, 由此體現出生物界的相對穩(wěn)定. 3.2 . 遺傳物質可變性在生物進化中的意義，進化的基礎是遺傳的改變. 遺傳物質的可變性為生物的變異提供了物質基礎, 從而推動物種不斷向前發(fā)展. 現已知道, 哺乳動物基因組的大小相仿, 都在30 億對核苷酸左右, 而且許多個基因的序列都是相似的. 如人和黑猩猩相比, 據估計核苷酸序列的差別只有1.5% 左右, 正是這1.5%的差別決定了人為之而非黑猩猩. 研究表明, 分子水平上形成的遺傳物質的改變. . . 突變, 是生物進化的基本要素之一, 它為物生進化提供了最根本、最原始的材料. 3.3 . 遺傳物質穩(wěn)定性與可變性的辯證統(tǒng)一，遺傳物質的穩(wěn)定性與可變性是從分析生物的內部矛盾運動所做出的概括. 物種的進化、發(fā)展是遺傳物質穩(wěn)定性與可變性相互作用的結果, 是體現質量的統(tǒng)一. 遺傳物質穩(wěn)定性是個相對保守的過程, 當受某種因