第十章基因的本質(zhì)和作用

1、第十章基因的本質(zhì)和作用基因突變的實(shí)例：鐮刀型細(xì)胞貧血癥圓餅型的紅細(xì)胞鐮刀狀的紅細(xì)胞鐮刀型貧血癥是一種異常血紅蛋白病。患者紅細(xì)胞易破裂產(chǎn)生溶血現(xiàn)象，引起嚴(yán)重貧血而造成死亡。基因的結(jié)構(gòu)與功能基因的復(fù)制與表達(dá)基因突變基因突變的表型效應(yīng)本章內(nèi)容什么叫基因？基因是指有遺傳效應(yīng)的DNA片段。什么叫遺傳效應(yīng)？ 遺傳效應(yīng)是指有轉(zhuǎn)錄為mRNA，繼而翻譯為蛋白質(zhì)，或轉(zhuǎn)錄為核糖體RNA、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的功能。第一節(jié) 基因的結(jié)構(gòu)與功能 基因編碼區(qū)：非編碼區(qū)：一、基因的結(jié)構(gòu)能夠轉(zhuǎn)錄為相應(yīng)的信使RNA，進(jìn)而指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，也就是說能夠編碼蛋白質(zhì) 不能轉(zhuǎn)錄為信使RNA，不能編碼蛋白質(zhì) 1.原核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)編碼區(qū)非編碼區(qū)非編

2、碼區(qū)與RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn) RNA聚合酶是由多個(gè)肽鏈構(gòu)成的蛋白質(zhì)，能識(shí)別并與調(diào)控序列中的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合,催化轉(zhuǎn)錄形成RNA。2. 真核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)編碼區(qū)非編碼區(qū)非編碼區(qū)與RNA聚酶結(jié)合位點(diǎn)內(nèi)含子 外顯子 能夠編碼蛋白質(zhì)的序列叫做外顯子 不能夠編碼蛋白質(zhì)的序列叫做內(nèi)含子啟動(dòng)子終止子編碼區(qū)上游 編碼區(qū)下游 內(nèi)含子 ：外顯子： 非編碼區(qū) 啟動(dòng)子 增強(qiáng)子 終止子編碼區(qū)啟動(dòng)子 真核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)非編碼區(qū)間隔的、不連續(xù)的不能編碼蛋白質(zhì)的區(qū)域，調(diào)控遺傳信息的表達(dá) 終止子外顯子內(nèi)含子位置功能編碼區(qū)中能夠編碼蛋白質(zhì)的序列 引導(dǎo)RNA聚合酶與基因的正確部位結(jié)合 編碼區(qū)下游緊靠著轉(zhuǎn)錄的終點(diǎn)的位置 阻礙RNA聚合酶的

3、移動(dòng)，并使其從DNA模板鏈上脫離下來 編碼區(qū)中不能夠編碼蛋白質(zhì)的序列 位置功能編碼區(qū)上游緊靠著轉(zhuǎn)錄起點(diǎn) 3. 原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)比較：二、基因的功能 基因能夠儲(chǔ)存、傳遞和表達(dá)遺傳信息，也都可能發(fā)生突變，從而決定生物體的性狀。 基因如何決定生物性狀? 通過轉(zhuǎn)錄、翻譯，控制合成具有一定氨基 酸順序的蛋白質(zhì)，從而控制生物的性狀。DNA復(fù)制(replication)： 是指 DNA 以自身為模板(template)， 合成新的子代 DNA 分子的過程。 是遺傳信息傳遞的分子基礎(chǔ)。第二節(jié) 基因的復(fù)制與表達(dá)一、 基因的復(fù)制DNA分子復(fù)制過程半保留復(fù)制模型原有DNA分子的兩條單鏈會(huì)分開，每一條單鏈

4、各作為一個(gè)模板用來復(fù)制新的單鏈，所以新合成的DNA分子中有一條舊鏈和一條新鏈。在原核生物中，復(fù)制起始點(diǎn)通常為一個(gè)，而在真核生物中則為多個(gè)。 DNA的半不連續(xù)復(fù)制由于DNA聚合酶只能以53方向聚合子代DNA鏈，即模板DNA鏈的方向必須為35。因此，分別以兩條親代DNA鏈作為模板聚合子代DNA鏈時(shí)的方式是不同的。以35方向的親代DNA鏈作模板的子代鏈在復(fù)制時(shí)基本上是連續(xù)進(jìn)行的，其子代鏈的聚合方向?yàn)?3，這一條鏈被稱為前導(dǎo)鏈。而以53方向的親代DNA鏈為模板的子代鏈在復(fù)制時(shí)則是不連續(xù)的，其鏈的聚合方向也是53，這條鏈被稱為滯后鏈。 由于親代DNA雙鏈在復(fù)制時(shí)是逐步解開的，因此，滯后鏈的合成也是一段一

5、段的。DNA在復(fù)制時(shí)，由滯后鏈所形成的一些子代DNA短鏈稱為岡崎片段。 復(fù)制過程簡(jiǎn)圖二、基因表達(dá)基因表達(dá)（gene expression） 是DNA分子中蘊(yùn)藏的遺傳信息，通過轉(zhuǎn)錄、翻譯形成蛋白質(zhì)或轉(zhuǎn)錄形成RNA發(fā)揮功能的過程，即一些的傳遞過程。一、轉(zhuǎn)錄模板鏈 ： DNA雙鏈中只一條鏈可做轉(zhuǎn)錄模板，又稱為反編碼連。編碼鏈： 無轉(zhuǎn)錄功能的DNA鏈。5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His Val C編碼鏈模板鏈mRNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯轉(zhuǎn)錄過程5335模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄方向轉(zhuǎn)錄方向模板鏈

6、并非永遠(yuǎn)在同一條單鏈上。轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工 在專一酶作用下，切除多余部分或修飾，才成為“成熟的”RNA。涉及：(1) 5-端的帽化 (2) 3-端的加尾 (3) 內(nèi)含子的剪接雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾hnRNA剪接成熟的mRNA雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾二、翻譯 密碼子：UCAUGAUUAmRNA密碼子密碼子密碼子mRNA上決定一個(gè)氨基酸的三個(gè)相鄰堿基密碼子總數(shù)：43=64種1種密碼子只對(duì)應(yīng)1種氨基酸；1種氨基酸可以對(duì)應(yīng)多種密碼子。密碼子表遺傳密碼的特性：1. 起始密碼和終止密碼2.兼并性：多個(gè)密碼決定同一種氨基酸 3. 通用性4. 方向性tRNA(轉(zhuǎn)移RNA)：可以將氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)到

7、核糖體中。ACU天冬氨酸AUG 異亮氨酸翻譯過程（一）氨基酸的激活（二）在核糖體上合成肽鏈 起始延長(zhǎng)終止基因的表達(dá)基因控制蛋白質(zhì)的合成DNARNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯(核糖體) 太空南瓜王（經(jīng)過太空遨游，也就是經(jīng)過輻射的）把其種子種下去后所結(jié)仍是太空南瓜王第四節(jié) 基因突變1.基因突變： 是指DNA分子中堿基對(duì)的增添、缺失或改變等變化。基因突變可以產(chǎn)生新基因，是生物變異的根本來源。核心概念一、基因突變的概念及特性生殖細(xì)胞突變： 發(fā)生在生殖細(xì)胞中的基因突變，可通過有性生殖遺傳給后代，并存在于子代的每個(gè)細(xì)胞中。 體細(xì)胞突變： 發(fā)生在體細(xì)胞中的基因突變，不會(huì)傳遞給子代，但可傳遞給由突變細(xì)胞分裂所形成的子細(xì)胞

8、，在局部形成突變細(xì)胞群，它可能成為病變甚至癌變的基礎(chǔ)。 多向性 可逆性 低頻性 多害性2. 基因突變的特點(diǎn)基因突變的特點(diǎn)1：多向性基因突變的特點(diǎn)Aa正突變回復(fù)突變基因突變的特點(diǎn)2：可逆性基因突變的特點(diǎn)基因突變的特點(diǎn) 大多數(shù)基因突變對(duì)生物體是有害的，只有少數(shù)是有利的，有些既無害也無益。基因突變的特點(diǎn)3：多數(shù)有害性高產(chǎn)大豆 高產(chǎn)青霉菌株大南瓜太空椒（左）有利的基因突變白化病患者有害的基因突變白化玉米苗畸形的雛鴨人類的多指1105人類色盲基因1105小鼠的白化基因110玉米的皺縮基因1105果蠅的白眼基因突變率基 因基因突變的特點(diǎn)基因突變的特點(diǎn)4：低頻率性二、誘發(fā)基因突變的因素人工誘變：自發(fā)突變：在

9、人為因素的干預(yù)下發(fā)生的基因突變。在沒有人為因素的干預(yù)下，基因產(chǎn)生的變異。物理因素化學(xué)因素生物因素紫外線X射線其它各種輻射亞硝酸堿基類似物自發(fā)突變：自然條件下DNA偶爾復(fù)制錯(cuò)誤人工誘變：三、基因突變的分子機(jī)制(一)、 堿基置換 DNA分子中的一個(gè)堿基對(duì)被另一個(gè)堿基對(duì)所替代，也稱為點(diǎn)突變。 轉(zhuǎn)換： 指一種嘌呤被另一種嘌呤所替代或一種嘧啶被另一種嘧啶所替代。 顛換： 是嘌呤和嘧啶堿基之間的替代。 堿基替換后可出現(xiàn)的效應(yīng)： 同義突變 錯(cuò)義突變 無義突變 延長(zhǎng)突變 1. 同義突變 由于密碼子具有兼并性，個(gè)別堿基的置換也有可能不改變密碼子的意義，這種突變稱為同義突變。UUAUUGCUUCUCCUACUG

10、這6個(gè)密碼子都編碼亮氨酸（leu）2.錯(cuò)義突變 堿基替換的結(jié)果改變了密碼子，改變了氨基酸如：ACGGCG； thr（蘇） ala（丙） 能改變?cè)摶蚓幋a的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)和生物活性。3.無義突變 有意義密碼子變?yōu)榻K止密碼子(UAA,UGA,UAG)，造成蛋白質(zhì)合成的提前終止，這種突變又稱為無義突變。 mRNA UACUAA (終止密碼子) 無義突變對(duì)生物體的影響較大，很可能導(dǎo)致死亡。4.延長(zhǎng)突變 終止密碼子成為編碼氨基酸的密碼子，直到遇到下一個(gè)終止密碼子時(shí)停止。 延長(zhǎng)突變對(duì)生物體的影響較大，合成的肽鏈加長(zhǎng)，使蛋白質(zhì)失去活性。(二)、移碼突變移碼突變： 某些化合物與DNA結(jié)合后，可使DNA

11、分子插入或缺失一個(gè)或幾個(gè)堿基對(duì)，使該堿基對(duì)以下的讀碼順序發(fā)生移動(dòng)，從而改變其遺傳信息。原模板鏈 3CTT CTT CTT CTT CTT CTT5mRNA的序列 5GAA GAA GAA GAA GAA GAA3氨基酸順序 glu glu glu glu glu glu開始處插入一個(gè)C 3CCT TCT TCT TCT TCT TCT T5mRNA的序列為 5GGA AGA AGA AGA AGA AGA A3氨基酸順序 gly arg arg arg arg arg改變了蛋白質(zhì)中所有氨基酸的組成 插入缺失四、DNA損傷的修復(fù)1. 切除修復(fù) 人類DNA損傷的主要修復(fù)方式。2. 重組修復(fù)復(fù)制重組

12、合成在連接酶的作用下，以磷酸二酯鍵使新片段與舊鏈相接完成修復(fù)過程。 特點(diǎn)：修復(fù)不徹底，但隨著DNA的多次復(fù)制，損傷逐漸被“稀釋”，使損傷的效應(yīng)降低而近于正常。第五節(jié) 基因突變的表型效應(yīng)基因突變可造成蛋白質(zhì)（包括酶蛋白）結(jié)構(gòu)改變或活性降低，甚至缺乏，導(dǎo)致各種遺傳性疾病的發(fā)生。（1）引起細(xì)胞中結(jié)構(gòu)蛋白的改變 分子?。夯蛲蛔儗?dǎo)致蛋白質(zhì)數(shù)量或結(jié)構(gòu)的異常而產(chǎn)生的疾病稱為分子病。如鐮狀紅細(xì)胞性貧血血紅蛋白結(jié)構(gòu)異常：尋找病因 纈氨酸組氨酸亮氨酸蘇氨酸 脯氨酸谷氨酸谷氨酸賴氨酸 (正常) 纈氨酸組氨酸亮氨酸蘇氨酸 脯氨酸纈氨酸谷氨酸賴氨酸 (異常)肽鏈中的氨基酸順序是由什么直接決定的呢？蛋白質(zhì)氨基酸異常正常

13、谷氨酸纈氨酸mRNAG AG ADNA突變根本原因?qū)ふ也∫駽TTGAAGTACATAU（2）引起遺傳性代謝病 遺傳性代謝?。ㄟz傳性酶?。夯蛲蛔儗?dǎo)致酶蛋白結(jié)構(gòu)或數(shù)量的異常而引起的疾病稱為遺傳性代謝病。如苯丙酮尿癥、白化病等（3）與腫瘤形成密切相關(guān) 目前認(rèn)為與癌癥發(fā)生直接相關(guān)的基因有癌基因及抑癌基因。基因突變一方面可使原癌基因激活，另一方面可使抑癌基因缺失或失活，這兩方面的變化都可導(dǎo)致細(xì)胞的惡性轉(zhuǎn)化。 基因的結(jié)構(gòu)與功能基因的復(fù)制與表達(dá)基因突變基因突變的表型效應(yīng)課堂小結(jié) 判斷題1原核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)中沒有內(nèi)含子，只有外顯子。（）2基因結(jié)構(gòu)中的非編碼序列通常是具有調(diào)控作用的。（）3真核細(xì)胞基因結(jié)構(gòu)中的非編碼序列是位于編碼區(qū)上游和下游的核苷酸序列。（）4真核細(xì)胞的一個(gè)基因只能編碼一種蛋白質(zhì)，因此，它的編碼序列只含有一個(gè)外顯子和一個(gè)內(nèi)含子。（ ）1.誘發(fā)突變與自然突變相比，正確的是 A都是有利的 B都是定向的C都是隱性突變 D誘發(fā)突變率高D2.野生果蠅約有0.1%的突變個(gè)體是宇宙輻射引起的，這種突變?yōu)椋ǎ〢隱性突變 B顯性突變