動(dòng)物遺傳學(xué)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)

1、第二章遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)1第二章 主要內(nèi)容細(xì)胞與染色體細(xì)胞分裂遺傳物質(zhì)核酸核酸的結(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu)特征22.1 細(xì)胞和染色體細(xì)胞是動(dòng)物有機(jī)體的最小結(jié)構(gòu)單位和功能單位。細(xì)胞外面包以細(xì)胞膜（也叫質(zhì)膜），細(xì)胞內(nèi)部是細(xì)胞核及其周圍的細(xì)胞質(zhì)，細(xì)胞質(zhì)里有與細(xì)胞功能相連的的細(xì)胞器（細(xì)胞器外膜叫單位膜）：線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、核糖體、溶酶體、高爾基體。細(xì)胞核外是核膜，細(xì)胞核內(nèi)有染色體，染色體上攜帶許多基因，遺傳學(xué)最關(guān)心的就是染色體上的基因及其表達(dá)和調(diào)控。3 細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能細(xì)胞（cell）是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。細(xì)胞結(jié)構(gòu)(Cell Structure)：細(xì)胞質(zhì)（Cytoplasm）細(xì)胞核（Nucleus）細(xì)胞膜（Ce

2、ll membrane）4 所有的生物都是由細(xì)胞組成的，但細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)在各種生物是不同的。 根據(jù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，生物界的細(xì)胞分為兩類：原核細(xì)胞 prokaryotic cell真核細(xì)胞 eukaryotic cell 原核細(xì)胞僅含有核物質(zhì)，沒(méi)有核膜包裹核物質(zhì)，也就是說(shuō)沒(méi)有明顯的核結(jié)構(gòu)，通常被稱為擬核（nucleoid）或核質(zhì)體（chromatin body）。由原核細(xì)胞構(gòu)成的生物稱為原核生物（prokaryote）。 真核細(xì)胞不僅含有核物質(zhì)，而且有完整的核結(jié)構(gòu)，即核物質(zhì)被核膜包裹。由真核細(xì)胞構(gòu)成的生物稱為真核生物 （eukaryote）. 細(xì)菌和藍(lán)綠藻屬于原核生物，所有的高等動(dòng)植物、單細(xì)胞

3、的藻類、真菌、原生動(dòng)物都是真核生物。 在現(xiàn)存的200多萬(wàn)種生物中，絕大多數(shù)都屬于真核生物。5細(xì)胞質(zhì)（Cytoplasm）介于細(xì)胞膜和細(xì)胞核之間的所有內(nèi)容物統(tǒng)稱為原生質(zhì)。在正常狀態(tài)下，原生質(zhì)體為膠體溶液狀。細(xì)胞質(zhì)分：基質(zhì)：protein, fat, Amino acid, 電解質(zhì)細(xì)胞器：organelle 6細(xì)胞器有： 線粒體 mitochondria 質(zhì) 體 plastid 內(nèi)質(zhì)網(wǎng) endoplasmic reticulm 核糖體 ribosome 高爾基體 Golgi body 中心體 Central body 溶酶體 lysosme 液 泡 Vacuole 已知線粒體和質(zhì)體（主要是葉綠體）

4、內(nèi)含有遺傳物質(zhì)，在遺傳上具有半自主性。 7真核生物的細(xì)胞核由四部分組成: 核膜（nuclear membrane） 核漿（nuclear sap） 核仁（nucleolus） 染色質(zhì)（chromatin）或染色體（chromosome） 細(xì)胞核是遺傳物質(zhì)集聚的主要場(chǎng)所，對(duì)指導(dǎo)生物體的生長(zhǎng)發(fā)育和控制性狀表達(dá)起著主導(dǎo)作用。 染色體是生物遺傳物質(zhì)的主要載體。8 在分裂間期的核中，可以見(jiàn)到許多由于堿性染料而染色較深的纖細(xì)的絮狀物，叫做染色質(zhì)。當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入分裂期時(shí)，染色質(zhì)便凝縮卷曲，至分裂中期，呈現(xiàn)為一定數(shù)目和形態(tài)的染色體。分裂結(jié)束時(shí)，染色體又逐漸松散而回復(fù)為染色質(zhì)的形態(tài)。 所以說(shuō)，染色質(zhì)和染色體是同一物

5、質(zhì)在細(xì)胞分裂過(guò)程中所表現(xiàn)的不同形態(tài)。9 染色體是核中最重要的成分，在特定的時(shí)期，具有特定的形態(tài)結(jié)構(gòu)和一定的數(shù)目，具有自我復(fù)制的能力，能出現(xiàn)連續(xù)而有規(guī)律的變化，控制生物性狀的遺傳和變異。 遺傳學(xué)中通常把控制生物性狀的遺傳物質(zhì)單位叫做基因（gene）?；虬淳€性順序排列在染色體上。10染色體的形態(tài)特征在細(xì)胞的整個(gè)分裂過(guò)程中，染色體的形態(tài)和結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為一系列的有規(guī)律的變化。其中以有絲分裂中期或中期稍后表現(xiàn)得最為明顯和典型。此時(shí)，染色體收縮到最粗最短的程度，并且排列在赤道面上。通常我們?nèi)旧w的形態(tài)都是指染色體在這個(gè)時(shí)期的形態(tài)。11用堿性染料對(duì)染色體進(jìn)行染色，當(dāng)兩個(gè)臂被染色時(shí)，著絲點(diǎn)不著色，在光鏡下，好象

6、染色體在此區(qū)域是中斷的。于是又稱著絲點(diǎn)區(qū)域?yàn)橹骺O痕（primary constriction）。著絲點(diǎn)的位置決定染色體的形態(tài)。著絲點(diǎn)的位置和染色體的長(zhǎng)度是區(qū)分染色體時(shí)很關(guān)鍵的兩個(gè)要素。1213著絲點(diǎn)的功能：在細(xì)胞分裂過(guò)程中，著絲點(diǎn)對(duì)染色體向兩極移動(dòng)具有決定性的作用。若染色體由于某種原因發(fā)生斷裂，勢(shì)必成為兩段，一段有著絲粒，另一端沒(méi)有著絲粒。有著絲粒的片段可以正常地移向兩極，不會(huì)由于斷裂而異常，但無(wú)著絲粒的片段則不能正常地移向兩極，常常會(huì)丟失在細(xì)胞質(zhì)中。因?yàn)橹z粒區(qū)域是牽引染色體的紡錘絲附著之處。14 著絲點(diǎn)將染色體分為兩個(gè)臂。染色體長(zhǎng)臂的長(zhǎng)度 / 短臂的長(zhǎng)度 = 臂比（arm ratio） 臂

7、比 染色體名稱 1 中部著絲粒染色體 11.7 近中著絲粒染色體 1.73.0 近端著絲粒染色體 3.0 端部著絲粒染色體15著絲粒位于中間，則兩臂等長(zhǎng)，稱為中間著絲點(diǎn)染色體（metacentric Chromosome）,在細(xì)胞分裂后期紡錘絲將染色體向兩極牽引時(shí)，染色體呈V字形。這種染色體的長(zhǎng)臂與短臂之比接近于1。著絲點(diǎn)位于中部但偏向一側(cè)，使兩臂不等長(zhǎng)，一個(gè)為長(zhǎng)臂，另一個(gè)為短臂，后期表現(xiàn)為L(zhǎng)形，叫做近中著絲點(diǎn)染色體(submetacentric Chromosome)。著絲點(diǎn)若靠近染色體的末端，使一個(gè)臂很長(zhǎng)，另一個(gè)臂相對(duì)而言很短，后期呈棒狀，叫做近端著絲粒染色體（acrocentric Ch

8、romosome），其臂比較大。若著絲粒位于染色體的末端，使染色體只有一個(gè)臂，稱為端部著絲粒染色體（telocentric Chromosome），后期亦呈棒狀。16 次縊痕和隨體主縊痕是不著色的，在光鏡下是透明的。有些染色體上除了主縊痕區(qū)之外，還有一個(gè)不著色或著色很淡的區(qū)域，通常位于短臂上，稱為次縊痕（secondary constriction）。次縊痕的外側(cè)還有一部分染色體，這一部分可大可小，有時(shí)其直徑與該染色體相同，有時(shí)較小，稱為隨體（satellite）。次縊痕的位置和隨體的大小，在一個(gè)物種內(nèi)是相對(duì)固定的，這些也是識(shí)別特定染色體的重要的形態(tài)標(biāo)志。17次縊痕的功能：次縊痕與核仁的形成有

9、關(guān)。次縊痕是核仁組織者(nucleolar organizer)的一部分。細(xì)胞分裂過(guò)程中，核仁緊靠著次縊痕區(qū)。有的物種則有兩對(duì)或兩對(duì)以上的染色體帶有次縊痕和隨體。帶有隨體的染色體稱為隨體染色體（satellite Chromosome）。18 概念：在一般二倍體生物的體細(xì)胞內(nèi)，染色體總是成對(duì)存在的，即總是有兩個(gè)染色體在大小、形態(tài)和功能上完全相同，或極為相似。這樣的兩條染色體稱為同源染色體（homologous Chromosome）。某一對(duì)染色體與其他形態(tài)、大小功能不同的染色體互稱為非同源染色體（non-homologous Chromosome）。 體細(xì)胞中成雙的各對(duì)染色體實(shí)際上可以分成為兩

10、組。其中一組來(lái)自父本，另一組來(lái)自母本。每一組稱為一個(gè)染色體組，又叫做基因組（genome）。19性染色體：決定個(gè)體性別的染色體（通常是一對(duì)，大小、性狀可不同，如XY）。常染色體：除性染色體以外的所有染色體。核型（karyotype）：是指染色體組在有絲分裂中期的表型，包括染色體的數(shù)目、大小、形態(tài)特征等?；颍╣ene）：是染色體的DNA分子的某個(gè)特定小片斷，是遺傳的最小單位。20 動(dòng)物體細(xì)胞內(nèi)染色體數(shù)量：豬 38 條 驢 62貓 38 馬 64小鼠 40 狗 78大鼠42 雞 78兔 44 人 46綿羊 54 牛 60山羊 6021染色體上基因的數(shù)量：從短染色體上的幾個(gè)到長(zhǎng)染色體的幾千個(gè)，不等

11、。22每一種生物體內(nèi)染色體的數(shù)目都是恒定的，這也是物種的特性之一。如果由于某種原因受精卵缺失一條或多條染色體，對(duì)應(yīng)染色體上基因也會(huì)缺失，這些基因的功能表達(dá)可能對(duì)機(jī)體的機(jī)能甚至存活至關(guān)重要；染色體多于常值會(huì)引起代謝紊亂。實(shí)際上，染色體數(shù)量恒定是非常重要的，偏離正常值通常會(huì)使個(gè)體在胚胎期死亡。23 有些生物中，除了正常染色體以外，還可能存在一些額外染色體，叫做超數(shù)染色體。這些染色體對(duì)細(xì)胞和個(gè)體的發(fā)育和生存沒(méi)有明顯的影響, 其上一般不載有功能基因，一般不參與減數(shù)分裂而是隨機(jī)分離。相對(duì)而言，我們把正常染色體稱為A染色體，而把那些超數(shù)染色體簡(jiǎn)稱為B染色體。24等位基因（alleles）的概念一個(gè)特定基因

12、在染色體上的位置叫位點(diǎn)（locus），每一個(gè)基因位點(diǎn)有2個(gè)點(diǎn)位（，基因座位，2個(gè)同源染色體），一對(duì)同源染色體在相同位點(diǎn)上可具有影響同一性狀的相同或不同的基因。同源染色體同一位點(diǎn)上的不同形式但影響同一性狀的兩個(gè)基因叫等位基因。等位基因的3個(gè)要點(diǎn)：1、基因是不同的，2、占據(jù)同源染色體相同位點(diǎn)，3、它們作用于相同性狀。如 牛的無(wú)角基因P（顯性）和有角基因p（隱性）。25基因的表示方法：如果等位基因只有兩個(gè)常用大小寫(xiě)字母表示顯性和隱性等位基因，如A位點(diǎn)上有A和a基因，基因型有AA、Aa、aa ，AA和aa是純合子（體），而Aa叫雜合子（體）。262.2 細(xì)胞分裂從單細(xì)胞生物到高等動(dòng)植物，細(xì)胞的增殖方式

13、就是分裂。有絲分裂（mitosis）：體細(xì)胞的產(chǎn)生和增殖是通過(guò)有絲分裂進(jìn)行的；減數(shù)分裂（meiosis）：性細(xì)胞的產(chǎn)生是通過(guò)減數(shù)分裂完成的。27從第一次細(xì)胞分裂開(kāi)始至第二次細(xì)胞分裂起動(dòng)的一段時(shí)間，稱為一個(gè)細(xì)胞周期（cell cycle）細(xì)胞并不總是處在分裂狀態(tài)，在多細(xì)胞生物體內(nèi)，只有處在生長(zhǎng)部位的細(xì)胞才能分裂，而且，即使是生長(zhǎng)點(diǎn)的細(xì)胞也并不一直處于連續(xù)不斷的分裂之中。對(duì)于某一細(xì)胞而言兩次分裂之間有一段間隔時(shí)期，這一段時(shí)間稱為分裂間期（interphase）。28生物，尤其是多細(xì)胞生物的生長(zhǎng)主要時(shí)通過(guò)細(xì)胞體積的增大和細(xì)胞數(shù)目的增加而實(shí)現(xiàn)的。因此，細(xì)胞分裂是生物體進(jìn)行生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖后代的基礎(chǔ)。細(xì)胞

14、分裂的方式可以分為無(wú)絲分裂（amitosis）和有絲分裂（mitosis）兩大類。高等生物的細(xì)胞分裂主要是有絲分裂。29有絲分裂（mitosis）：一個(gè)2倍體細(xì)胞經(jīng)過(guò)一次分裂產(chǎn)生兩個(gè)完全相同的細(xì)胞，這種分裂叫有絲分裂。細(xì)胞周期包括分裂間期（也叫生長(zhǎng)期，分生長(zhǎng)前期G1期、DNA合成期S期、生長(zhǎng)后期G2期）和有絲分裂期M期，分前、中、后、末四個(gè)期，一般幾個(gè)小時(shí)完成。30間期準(zhǔn)備活動(dòng)主要是三個(gè)方面： 1.遺傳物質(zhì)的復(fù)制 結(jié)束時(shí)比間期開(kāi)始時(shí)，DNA的含量增加一倍；2.能量準(zhǔn)備核在間期的呼吸作用很低，以便為分裂準(zhǔn)備足夠的易于使用的能量；3.細(xì)胞在間期生長(zhǎng)，使核體積和細(xì)胞質(zhì)體積達(dá)到最適的平衡狀態(tài)。間期又可

15、以劃分為三段：G1期（Gap1 phase）：是DNA合成前期，是細(xì)胞分裂周期的第一個(gè)間隙，是DNA合成的準(zhǔn)備時(shí)期Few to 100 hr.不同細(xì)胞類型差異很大，分化程度高的組織不再分裂，為G0期。S 期（Synthesis phase）：是DNA的合成期。69 hr，DNA復(fù)制，每個(gè)著絲點(diǎn)上連著兩條染色體，未分開(kāi)。G2期（Gap2 phase）：是DNA合成后期，是DNA合成后至細(xì)胞核分裂開(kāi)始之間的第二個(gè)間隙（Second Gap）。G2期與G1期相比DNA含量增加了一倍。經(jīng)35 hr。31減數(shù)分裂：性原細(xì)胞（2n）經(jīng)減數(shù)分裂產(chǎn)生性細(xì)胞（1n），其染色體數(shù)減少一半。另外注意：同源染色體聯(lián)會(huì)

16、、基因交換和有絲分裂不同。3233染色體數(shù)目在動(dòng)物生活史中的周期變化：受精卵（2n）有絲分裂成體（2n）有絲分裂性原細(xì)胞（2n） 減數(shù)分裂精子（1n）+卵子（1n） 受精受精卵（2n）342.3 遺傳物質(zhì)核酸1900年后的差不多半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，人們一直在探索到底什么是遺傳物質(zhì)。 生物性狀的遺傳和變異都是由遺傳物質(zhì)控制的，Mendel稱遺傳物質(zhì)為遺傳因子（inherited factor）。1909年，Johannsen用gene替代Mendel的遺傳因子，沿用至今。352.3 遺傳物質(zhì)核酸DNA作為遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)： 1細(xì)菌的轉(zhuǎn)化2噬菌體的侵染和繁殖3煙草花葉病毒的感染和繁殖362.3 遺

17、傳物質(zhì)核酸1868年，瑞士生化學(xué)家J.T.Miescher分離到膿細(xì)胞核中的核酸（當(dāng)時(shí)叫核素，沒(méi)有被重視）。1944年，O.T.Avery等通過(guò)肺炎雙球菌的體外轉(zhuǎn)化試驗(yàn)，證實(shí)遺傳物質(zhì)是核酸而不是蛋白質(zhì)。之前人們都一直認(rèn)為遺傳物質(zhì)是蛋白質(zhì)。372.3 遺傳物質(zhì)核酸1952年，Hershey & Chase的噬菌體侵染試驗(yàn)再次證實(shí)核酸（DNA）是遺傳物質(zhì)，才使人們普遍認(rèn)同接受。382.3 遺傳物質(zhì)核酸在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們以為蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)。 人們之所以認(rèn)為蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)主要原因是： 人們認(rèn)為生物界是多樣性的，生物種類成千上萬(wàn)，各種生物又有成百上千的不同性狀，控制這些性狀的遺傳物質(zhì)也應(yīng)該是多樣

18、性的。只有蛋白質(zhì)的多樣性才符合這一要求。 392.3 遺傳物質(zhì)核酸1956、1957年，A. Gierer等，發(fā)現(xiàn)RNA病毒是以RNA作為遺傳物質(zhì)的，雖然大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)是DNA（脫氧核糖核酸）。402.3 遺傳物質(zhì)核酸 由于性狀的遺傳，即分離與重組行為與染色體的行為是平行的，因而認(rèn)為遺傳物質(zhì)基因存在于染色體上。染色體主要由DNA、組蛋白、非組蛋白、以及RNA組成。DNA和組蛋白的分量大致相等，兩者構(gòu)成了染色體的大部分。非組蛋白的比率變化很大，RNA含量很低。412.3 遺傳物質(zhì)核酸染色體組成:DNA（27），RNA（6），蛋白質(zhì)（66 ） 。其中蛋白質(zhì)包括組蛋白（含量比較穩(wěn)定，與DNA大

19、致相等）和非組蛋白。422.3 遺傳物質(zhì)核酸在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們以為蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)。 人們之所以認(rèn)為蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)主要原因是： 人們認(rèn)為生物界是多樣性的，生物種類成千上萬(wàn)，各種生物又有成百上千的不同性狀，控制這些性狀的遺傳物質(zhì)也應(yīng)該是多樣性的。只有蛋白質(zhì)的多樣性才符合這一要求。 432.3 遺傳物質(zhì)核酸DNA是遺傳物質(zhì)的旁證：1、生物細(xì)胞中染色體數(shù)目和DNA含量是相對(duì)恒定的，而染色體的其它成分（蛋白質(zhì)、RNA等）在細(xì)胞生長(zhǎng)的不同階段其含量變化很大，說(shuō)明DNA是最穩(wěn)定、最關(guān)鍵的遺傳物質(zhì)。44每個(gè)物種中，不同組織的細(xì)胞，無(wú)論其大小和功能如何，細(xì)胞核中的DNA含量都是恒定的。而且精子和卵子種的

20、DNA含量正好是體細(xì)胞中的一半。多倍體系列的一些物種，細(xì)胞中DNA的含量隨染色體倍數(shù)的增加也呈倍數(shù)性遞增。而細(xì)胞中RNA和蛋白質(zhì)的含量在不同細(xì)胞中的變化很大。452.3 遺傳物質(zhì)核酸DNA是遺傳物質(zhì)的旁證：2、紫外線引起突變的有效波長(zhǎng)為200300nm，260nm誘變最有效；而DNA吸收紫外線的高峰也是260nm。說(shuō)明紫外線引起突變是作用于DNA。462.4 核酸的結(jié)構(gòu)核酸是由許多單核苷酸聚合的多核苷酸。核苷酸由 堿基、戊糖和磷酸 三部分構(gòu)成。 參p.8結(jié)構(gòu)式DNA中戊糖是D-2-脫氧核糖，第2碳-HRNA中戊糖是D-核糖，第2碳-OH47482.4 核酸的結(jié)構(gòu)DNA中四種堿基及互補(bǔ)配對(duì)原則：

21、腺嘌呤（A）胸腺嘧啶（T）；鳥(niǎo)嘌呤（G）胞嘧啶（C）RNA中： AU（尿嘧啶） ，not T GC49兩種核酸的主要區(qū)別如下：DNA:磷酸; 脫氧核糖，通常是雙鏈 A、T、G、CRNA:磷酸， 核糖，多為單鏈 A、U、G、C，50 在真核生物中，絕大部分DNA存在于細(xì)胞核內(nèi)的染色體上，少量DNA存在于細(xì)胞質(zhì)中的葉綠體、線粒體等細(xì)胞器中。 RNA在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中都有，在核內(nèi)，RNA主要集中在核仁上，少量在染色體上。細(xì)菌也含有DNA和RNA。 多數(shù)噬菌體只含有DNA；多數(shù)植物病毒只含有RNA；動(dòng)物病毒有的含RNA，有的含DNA。512.4 核酸的結(jié)構(gòu)DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)：指DNA分子中4種核苷酸的連

22、接方式和排列順序。4種核苷酸的核糖和磷酸組成是相同的，所以堿基序列代表DNA的核苷酸序列。52 對(duì)一特定物種的DNA分子來(lái)說(shuō)，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。只有在特殊的條件下，改變期堿基順序或堿基類似物代替某一堿基時(shí)，才出現(xiàn)遺傳的變異（突變）。532.4 核酸的結(jié)構(gòu)DNA、RNA中多核苷酸通過(guò)磷酸二酯鍵連接，磷酸一端連5碳上羥基 ，另一端連3碳原子上的羥基 ；習(xí)慣上，堿基序列是從DNA分子5端（ 5碳連游離磷酸基團(tuán)，上游）3端（ 3碳連游離羥基 ，下游） 參p.11結(jié)構(gòu)式。542.4 核酸的結(jié)構(gòu)Chargaff當(dāng)量定律：1943年英國(guó)Chargaff研

23、究發(fā)現(xiàn)，雖然不同DNA的堿基組成顯著不同，但腺嘌呤A和胸腺嘧啶T，鳥(niǎo)嘌呤G和胞嘧啶C的摩爾含量總是相等的，因此嘌呤的摩爾總量和嘧啶的摩爾總量是相等的，這一規(guī)律稱為Chargaff當(dāng)量定律。552.4 核酸的結(jié)構(gòu)每個(gè)DNA分子具有的特定堿基序列構(gòu)成了DNA分子的特異性，不同的DNA鏈可以編碼出完全不同的多肽。DNA是生物界中主要的遺傳物質(zhì)，其堿基序列承載著遺傳信息所要表達(dá)的內(nèi)容。1990年以來(lái)，多色熒光標(biāo)記技術(shù)和高通亮全自動(dòng)DNA測(cè)序儀的應(yīng)用，使測(cè)序工作更加快速準(zhǔn)確，為基因組計(jì)劃實(shí)施提供技術(shù)保障。562.4 核酸的結(jié)構(gòu)DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)：是指兩條核苷酸鏈反向平行盤繞所生成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。分右手螺旋和

24、左手螺旋。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型:1953年4月25日，Watson，JD 和 Crick，F(xiàn).在英國(guó)Nature雜志上發(fā)表論文（Watson Crick DNA Structure)，5758根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)的 規(guī)律,以及對(duì)DNA 分子X(jué)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)模型已為以后拍攝 的電鏡直觀形象所證實(shí)。這個(gè)空間構(gòu)型滿足了解答分子遺傳學(xué)許多基本問(wèn)題的需要。例如：DNA的復(fù)制、DNA 對(duì)于遺傳信息的貯存及其 改變和傳遞等，從而奠定了分子遺傳學(xué)的基礎(chǔ)。5960DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型6162核酸的分子結(jié)構(gòu)與功能6364Watson和Crick模型的要點(diǎn)如下： DNA分子由

25、兩條多核苷酸鏈構(gòu)成。這兩條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，很象一條扭曲起來(lái)的梯子（如前圖）65 兩條多核苷酸鏈反向平行（antiparallel），即一條鏈磷酸二脂鍵為5-3方向，另一條鏈為35方向，二者剛好相反。亦即一條鏈對(duì)另一條鏈?zhǔn)穷嵉惯^(guò)來(lái)的，這稱為反向平行。66 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(guò)氫鍵（hydrogen bond）與它互補(bǔ)的堿基相聯(lián)系，相互層迭宛如一級(jí)一級(jí)的梯子橫檔。互補(bǔ)堿基對(duì)A和T之間形成兩個(gè)氫鍵，而C和G之間形成三個(gè)氫鍵（下一張幻燈片）。上下堿基對(duì)之間的距離為0.34nm。 67DNA堿基對(duì)

26、氫鍵連接68697071 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。 在雙螺旋分子的表面大溝（major groove）和小溝（minor groove）交替出現(xiàn)。7273DNA構(gòu)型DNA的構(gòu)型并不是固定不變的，除主要以Watson和Crick提出的右手雙螺旋構(gòu)型存在外，還有許多變型?，F(xiàn)在一般將Watson和Crick提出的雙螺旋結(jié)構(gòu)稱為B-DNA。B-DNA是DNA在生理狀態(tài)下的構(gòu)型。生活細(xì)胞中絕大多數(shù)DNA以B-DNA形式存在。74B-DNA75但當(dāng)外界環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，DNA的構(gòu)型也會(huì)發(fā)生變化。實(shí)際上在生活細(xì)胞中，B-DNA一螺圈也并不正好是10個(gè)核苷酸對(duì)，而平

27、均為10.4對(duì) 。DNA在高鹽濃度下時(shí)，則以A-DNA形式存在。A-DNA是DNA的脫水構(gòu)型，右手螺旋，但每螺圈含有11個(gè)核苷酸對(duì)。A-DNA比較短和密，其平均直徑為2.3nm。大溝深而窄，小溝寬而淺。在活體內(nèi)DNA并不以A 構(gòu)型存在，但細(xì)胞內(nèi)DNA-RNA或RNA-DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)，卻與A-DNA非常相似。76A-DNA77現(xiàn)在還發(fā)現(xiàn)，某些DNA 序列可以以左手螺旋的構(gòu)型存在，稱為Z-DNA。當(dāng)某些DNA序列富含G-C，并且當(dāng)嘌呤和嘧啶交替出現(xiàn)時(shí)，可形成Z-DNA。Z-DNA除左手螺旋外，其每個(gè)螺圈含有12個(gè)堿基對(duì)，分子直徑為1.8nm，并只有一個(gè)深溝?，F(xiàn)在還不知道Z-DNA在活體內(nèi)是否存

28、在。DNA除上述構(gòu)型外，在特定的條件下，如脫水等，還可以C、D、E、T等多種形式的右手螺旋構(gòu)型存在，但是通常他們?cè)谏矬w內(nèi)并不存在。只有Z-DNA是左手螺旋。78Z-DNA79DNA結(jié)構(gòu)除上述構(gòu)型變化外，在體內(nèi)還可能以超螺旋的形式存在。從病毒到高等生物，DNA在生物體內(nèi)表現(xiàn)為負(fù)超螺旋（negative supercoil，左手螺旋）形式。負(fù)超螺旋是DNA在復(fù)制過(guò)程中在拓?fù)洚悩?gòu)酶（toposomerase）的催化下形成的。現(xiàn)在已有很多證據(jù)表明，這種負(fù)超螺旋結(jié)構(gòu)與DNA復(fù)制、重組以及基因的表達(dá)和調(diào)控等有關(guān)。80RNA的分子結(jié)構(gòu) 從化學(xué)組成上看，RNA的分子也是由四種核苷酸組成的多聚體。它與DNA的

29、不同在于： 首先，在RNA中沒(méi)有胸腺嘧啶(T),只有尿嘧啶(U),也就是說(shuō)U代替了T。其次，核糖代替了脫氧核糖。此外，還有一個(gè)重要的不同點(diǎn)，就是絕大部分RNA以單鏈形式存在，而不是象DNA那樣始終是以雙鏈形式存在的。但是單鏈RNA可以自身折疊起來(lái)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（后圖）。但有少數(shù)以RNA為遺傳物質(zhì)的動(dòng)物病毒含有雙鏈RNA。81RNA分子圖式另參p.16圖822.5.1 基因概念的發(fā)展遺傳因子(hereditary factor), Mendel,1865基因（gene），W.L.Johannsen，1909基因論，Morgen, 1926攜帶遺傳信息

30、的結(jié)構(gòu)單位控制特定性狀的功能單位突變單位和交換單位 三位一體83基因的化學(xué)本質(zhì)是DNA，Hershy&Chase,1952順?lè)醋訉W(xué)說(shuō):基因內(nèi)部是可分的，包含多個(gè)突變 和重組單位。S.Benzer,1957操縱子學(xué)說(shuō)，Jacob & Monod，1961跳躍基因（jumping gene,or 轉(zhuǎn)座子transposon element），McClintock,1951; Shapino, 1967斷裂基因（splite gene大部分真核基因的編碼 序列是不連續(xù)的），Sharp & Roberts，1977外顯子、內(nèi)含子，Tonagana，1978重疊基因， 2genes共有一段DNA序列。

31、Sanger, 1978842.5.2 基因的一般結(jié)構(gòu)特征一、外顯子和內(nèi)含子原核生物的基因是連續(xù)編碼的一個(gè)DNA片斷；絕大部分真核生物結(jié)構(gòu)基因是斷裂基因，它們往往一些非編碼的DNA序列隔開(kāi)，形成一種斷裂結(jié)構(gòu)，這些非編碼的DNA序列在轉(zhuǎn)錄后的RNA加工過(guò)程中被剪切掉。斷裂基因中的編碼序列叫做外顯子（exon）;斷裂基因中的非編碼的間隔序列叫做內(nèi)含子（intron），內(nèi)含子在原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工過(guò)程中被切除，不包含在成熟的mRNA序列中。真核生物的結(jié)構(gòu)基因一般由若干個(gè)外顯子和內(nèi)含子組成。85GT-AG法則在每個(gè)外顯子和內(nèi)含子的接頭區(qū)，有一段高度保守的共有序列，即每個(gè)內(nèi)含子的5端的兩個(gè)起始核苷酸都是G

32、T，3端末尾都是AG，這是RNA剪接的信號(hào)，這種接頭形式稱為GT-AG法則。86二、信號(hào)肽序列：在蛋白質(zhì)基因的編碼序列中，在起始密碼子之后，有一段編碼富含疏水氨基酸多肽的序列，稱為信號(hào)肽序列，它所編碼的信號(hào)肽行使著運(yùn)輸?shù)鞍踪|(zhì)的功能。信號(hào)肽在核糖體合成后，與細(xì)胞膜或單位膜上特定受體相互作用，產(chǎn)生通道使分泌蛋白穿過(guò)膜結(jié)構(gòu)，到達(dá)相應(yīng)部位發(fā)揮作用。信號(hào)肽在完成分泌過(guò)程后將被切除，不留在新生多肽鏈中。87三、側(cè)翼序列和調(diào)控序列每個(gè)結(jié)構(gòu)基因在第一個(gè)和最后一個(gè)外顯子外側(cè)，都有一段不被轉(zhuǎn)錄和翻譯的非編碼區(qū)，稱為側(cè)翼序列（flanking sequence）。側(cè)翼序列雖然不被轉(zhuǎn)錄和翻譯，但它常常含有影響基因表達(dá)

33、的DNA序列，這些對(duì)基因的表達(dá)起調(diào)控作用的特殊序列統(tǒng)稱為調(diào)控序列（regulator sequence）。調(diào)控序列 包括 啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子、終止子、核糖體結(jié)合位點(diǎn)、加帽加尾信號(hào)等。881、啟動(dòng)子(promoter)啟動(dòng)子是指準(zhǔn)確而有效的啟始基因轉(zhuǎn)錄所需的一段特異的核苷酸序列。啟動(dòng)子通常位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游100bp范圍內(nèi)，是RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合的部位，控制著基因轉(zhuǎn)錄的起始過(guò)程。真核生物啟動(dòng)子主要包括了三種不同序列：TATA框，轉(zhuǎn)錄上游的 -19-27bp；CAAT框，-70-80bp；GC框，-40-110bp。892、增強(qiáng)子(enhancer)增強(qiáng)子可以使啟動(dòng)子發(fā)動(dòng)轉(zhuǎn)錄的能力大大增強(qiáng)

34、，從而顯著地提高基因的轉(zhuǎn)錄效率。增強(qiáng)子多為重復(fù)序列，一般長(zhǎng)度為50bp，不同基因增強(qiáng)子序列差別較大，但含有一個(gè)基本核心序列；增強(qiáng)子的作用與其所處的位置、方向、與基因的距離無(wú)關(guān)；增強(qiáng)子具有組織或細(xì)胞特異性。90沉默子(silencer)沉默子是另一種基因調(diào)控序列，它通過(guò)與有關(guān)蛋白質(zhì)結(jié)合，對(duì)轉(zhuǎn)錄起阻遏作用，需要時(shí)可關(guān)閉某些基因的轉(zhuǎn)錄，而且可以遠(yuǎn)距離作用于啟動(dòng)子，沒(méi)有方向限制。913、終止子(terminator)終止子一般位于基因3端非翻譯區(qū)中，是與終止轉(zhuǎn)錄過(guò)程有關(guān)的序列。它由富含GC堿基的顛倒重復(fù)序列以及寡聚T組成，是RNA聚合酶停止工作的信號(hào)。當(dāng)RNA轉(zhuǎn)錄到終止子區(qū)域時(shí)，其自身形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)和寡

35、聚U，前者阻礙了RNA聚合酶的向下移動(dòng)，后者由于和DNA模板結(jié)合不牢固導(dǎo)致聚合酶從模板脫落，轉(zhuǎn)錄終止。924、加尾信號(hào)真核生物的mRNA 3端都有一段多聚A尾巴（polyA tail），它不是由基因編碼的，而是在轉(zhuǎn)錄后通過(guò)多聚腺苷酸聚合酶作用加到mRNA上的。這個(gè)加尾過(guò)程受基因3端非翻譯區(qū)中的 加尾信號(hào)序列控制。動(dòng)物基因的加尾信號(hào)序列為AATAAA，指導(dǎo)核酸內(nèi)切酶在下游1530bp處裂解前體mRNA，然后通過(guò)多聚腺苷酸聚合酶催化下在3-OH上加上100300個(gè)腺嘌呤核苷酸（poly-A）935、核糖體結(jié)合位點(diǎn)在原核生物的基因翻譯的起始位點(diǎn)周圍有一組特殊的序列，控制著基因的翻譯過(guò)程。比如 SD序

36、列（shine-dalgarno sequence）,它位于mRNA 5的非翻譯區(qū)起始密碼子之前10個(gè)堿基內(nèi)，富含AGGAGG六聚體，SD序列恰好能與rRNA 3端CCUCCU結(jié)合，是mRNA與核糖體的結(jié)合序列，對(duì)翻譯起始復(fù)合物的形成和翻譯的啟動(dòng)有重要作用。942.5.3 真核生物基因組的特點(diǎn)一、基因組與C值矛盾基因組（genome）：一個(gè)物種單倍體染色體所攜帶的一整套基因稱為該物種的基因組。每一種生物單倍體基因組的DNA總量是特異的，被稱為C值。研究表明，C值的大小與物種的結(jié)構(gòu)組成和功能的復(fù)雜性沒(méi)有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種現(xiàn)象稱為C值矛盾（C-value paradox）。原因是，真核生物基因組內(nèi)有大量的不編碼DNA序列存在，并且各物種所占比例不同。952.5.3 真核生物基因組的特點(diǎn)二、單一序列單一序列（unique sequence）又稱非重復(fù)序列，是指在基因組中