園林植物遺傳育種 02 遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)

2遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)本章導(dǎo)讀本章介紹了作為遺傳物質(zhì)核酸的分子結(jié)構(gòu)和組成成分，比較詳細(xì)地闡明了主要遺傳物質(zhì)DNA的復(fù)制過程和復(fù)制特點(diǎn)、基因表達(dá)的方式、蛋白質(zhì)的合成過程、中心法則及其發(fā)展以及基因工程的概念和原理。本章在分子水平上解釋了生物的遺傳信息是如何進(jìn)行遺傳的，又是如何在遺傳中發(fā)生變異的，基因是如何通過控制蛋白質(zhì)的合成來控制生物性狀表達(dá)的。2.1DNA是主要的遺傳物質(zhì)2.1.1DNA作為主要遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)2.1.2DNA是主要遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)1）噬菌體浸染細(xì)菌試驗(yàn)噬菌體是寄生在細(xì)菌中的病毒。有一種代號(hào)T2的噬菌體，由60%的蛋白質(zhì)和40%的核酸組成，T2噬菌體外殼是蛋白質(zhì)，殼內(nèi)是一條DNA分子（圖2.1）。圖2.1噬菌體結(jié)構(gòu)及對大腸桿菌的浸染過程2）細(xì)菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)1928年，英國微生物學(xué)家格里費(fèi)斯（Griffith.F）對小鼠進(jìn)行試驗(yàn)（圖2.2）。3）煙草花葉病毒（TMV）的感染實(shí)驗(yàn)煙草花葉病毒不含DNA，卻含有RNA。1956年格勒和施拉姆將TMV的RNA與蛋白質(zhì)分開，分別用RNA和蛋白質(zhì)接觸煙草，結(jié)果只有RNA能使煙草發(fā)病。若用RNA酶處理提純的RNA，就會(huì)完全失去致病能力，說明在不含DNA的TMV中，RNA是遺傳物質(zhì)。圖2.2肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)2.2核酸的分子組成和結(jié)構(gòu)2.2.1核酸的分子組成1）核糖五碳核糖有兩種形式，在RNA中為D-核糖，在DNA中為D-2脫氧核糖（圖2.3）。圖2.3核糖的分子結(jié)構(gòu)2）堿基核酸的堿基（base）有5種：2種嘌呤（腺嘌呤Adenine，簡寫為A；鳥嘌呤Guqnine，簡寫為G），3種嘧啶（胞嘧啶Cytasine，簡寫為C；胸腺嘧啶Thymine，簡寫為T；尿嘧啶Uracil，簡寫為U）。組成DNA的堿基為A，T，C，G，組成RNA的堿基是A，U，C，G（圖2.4）。3）磷酸（H3PO4）磷酸是核酸鏈上核糖間的連接部分。圖2.4DNA和RNA中的堿基化學(xué)結(jié)構(gòu)2.2.2核酸的分子結(jié)構(gòu)1）DNA分子結(jié)構(gòu)（1）DNA分子是由2條多核苷酸鏈組成，核苷酸之間通過3′，5′磷酸二酯鍵連接而成。（圖2.5）。（2）螺旋的直徑為2nm，相鄰兩堿基間的距離為0.34nm，每10個(gè)核苷酸堿基繞螺旋轉(zhuǎn)一圈,螺距為3.4nm（圖2.6）。（3）堿基位于螺旋的內(nèi)側(cè)，而磷酸和脫氧核糖骨架在螺旋的外側(cè)。圖2.5DNA分子兩條走向相反的鏈圖2.6DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)示意圖4）堿基是互補(bǔ)配對的，DNA分子中2條多核苷酸鏈?zhǔn)菈A基互補(bǔ)的，A與T相配對，C與G相配對。如果一條鏈上的堿基順序確定，那么另一條鏈上必有相互對應(yīng)的堿基序列（圖2.7）。圖2.7DNA分子的堿基配對示意圖2）RNA的分子結(jié)構(gòu)（1）RNA分子也有方向性，同DNA一樣，RNA分子鏈也有3′羥基端和5′磷酸端。（2）RNA分子大部是以單鏈形式存在（圖2.8）圖2.8RNA的分子結(jié)構(gòu)（a）RNA分子中多核苷酸結(jié)構(gòu);（b）RNA分子的結(jié)構(gòu)示意圖3）DNA的復(fù)制（1）DNA復(fù)制過程DNA在解旋酶作用下解開雙螺旋，堿基間的氫鍵斷裂，分解為兩條單鏈。每條鏈以自身堿基序列為模板，在DNA聚合酶作用下，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對的原則，選擇相應(yīng)的脫氧核苷酸與模板鏈形成氫鍵。（圖2.9）。（2）DNA復(fù)制的特點(diǎn)一是半保留復(fù)制，二是DNA是邊解旋邊復(fù)制的，三是DNA復(fù)制有方向性。（圖2.9）。圖2.9DNA分子的復(fù)制及岡崎片段假說2.3基因的表達(dá)過程2.3.1基因的概念現(xiàn)代分子遺傳學(xué)中的基因。是指DNA分子上具有遺傳功能的一個(gè)區(qū)段（大約包含有500～1500個(gè)核苷酸對），是功能的一位一體的最小單位，是一個(gè)完整的不可分割的功能單位，決定一個(gè)多肽鏈的合成。2.3.2遺傳密碼1）三聯(lián)體密碼蛋白質(zhì)的合成，就是將DNA分子上一定排列順序的核苷酸（堿基序列）對應(yīng)指導(dǎo)合成一定排列順序的氨基酸（即蛋白質(zhì)）的過程。將核苷酸（堿基）順序?qū)?yīng)“翻譯”氨基酸順序的是靠DNA分子上3個(gè)連續(xù)堿基構(gòu)成的遺傳密碼。我們把相對應(yīng)于1個(gè)氨基酸的3個(gè)相連的堿基稱為1個(gè)密碼子（codon），即三聯(lián)體密碼（triplet）。（見下表）。2.3.3蛋白質(zhì)的合成DNA的堿基序列決定氨基酸序列的過程，也就是蛋白質(zhì)合成的過程。這一過程需要mRNA、tRNA、核糖體，還有一系列酶、蛋白質(zhì)輔助因子以及作為原料的氨基酸和作為能源的ATP等參與。1）信使核糖核酸（mRNA）DNA分子通常是不能越過核膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的，而蛋白質(zhì)合成于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的核糖體顆粒上，于是需要一種中間物質(zhì)把DNA的遺傳信息傳給核糖體。執(zhí)行這一信息傳遞的就是mRNA——信使核糖核酸（messengerRNA）。2）轉(zhuǎn)運(yùn)核糖核酸（tRNA）所有的tRNA其功能都是相似的，都是轉(zhuǎn)運(yùn)特定的氨基酸。（圖2.10），tRNA的前方是一個(gè)由7個(gè)暴露的堿基形成的突環(huán)，稱為反密碼子環(huán)。在反密碼子環(huán)的最前端有一個(gè)三聯(lián)體密碼子，因?yàn)榕cmRNA上的三聯(lián)體密碼相反，故稱反密碼子。3）核糖體核糖核酸（rRNA）與核糖體核糖體是蛋白質(zhì)合成中心。4）蛋白質(zhì)的合成過程圖2.10tRNA分子結(jié)構(gòu)示意圖（1）轉(zhuǎn)錄它是指以DNA兩條鏈中的任意一條鏈為模板，將DNA的遺傳信息通過堿基互補(bǔ)的方式記載到mRNA上的過程。（圖2.11）圖2.11mRNA轉(zhuǎn)錄過程示意圖（2）翻譯就是以mRNA為模板，將tRNA送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)分子的過程。大致有4個(gè)階段：①氨?；?tRNA的合成。②肽鏈合成的起始。③肽鏈的延伸。④肽鏈合成的終止與釋放。氨基酸的活化是由特異的氨酰基-tRNA合成酶催化完成的，其具體過程見圖2.12。圖2.12氨基酸的活化及其與tRNA相結(jié)合示意圖蛋白質(zhì)合成開始時(shí)，首先核糖體小亞基與mRNA結(jié)合，構(gòu)成小亞基-mRNA起始復(fù)合體。（圖2.13）圖2.13蛋白質(zhì)合成過程示意圖2.3.4基因?qū)π誀畹目刂苹驅(qū)π誀畹目刂剖峭ㄟ^DNA控制蛋白質(zhì)的合成來實(shí)現(xiàn)的。生物體的每一個(gè)細(xì)胞都含有全套的遺傳信息，同一個(gè)體在發(fā)育過程中形成不同的器官，行使各自的功能，是由于不同細(xì)胞選擇了各自所需要的遺傳密碼進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯。研究表明，在更多情況下，基因是通過控制酶的合成間接地控制生物性狀表達(dá)的。2.3.5中心法則及其發(fā)展遺傳信息從DNA轉(zhuǎn)錄成mRNA，再經(jīng)翻譯而合成蛋白質(zhì)的過程，以及遺傳信息從DNA經(jīng)復(fù)制又回到DNA的過程稱為中心法則，這是1958年提出的。很多RNA病毒，如煙草花葉病毒，在感染宿主細(xì)胞后，它們的RNA在宿主細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行復(fù)制。以后又發(fā)現(xiàn)在某些引起腫瘤的單鏈RNA病毒，能以病毒RNA為模板在反轉(zhuǎn)錄酶的作用下，反向地合成DNA，這就豐富了中心法則的內(nèi)容。圖2.142.4基因工程2.4.1基因工程的概念及原理圖2.14中心法則示意圖基因工程又叫遺傳工程（廣義的基因工程還包括細(xì)胞工程、染色體工程等），是20世紀(jì)70年代以后才開始興起的一門綜合技術(shù)。它是在分子遺傳學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合分子生物學(xué)、微生物學(xué)的現(xiàn)代技術(shù)而發(fā)展起來的。采用類似于工程建設(shè)的方式，按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的施工藍(lán)圖，通過對遺傳物質(zhì)的直接操作，將目的基因從一種生物細(xì)胞中提取出來，在體外進(jìn)行組裝和重組，再引入到另一種生物細(xì)胞中去，以改建后者的遺傳結(jié)構(gòu)，使它獲得新的性狀。這一技術(shù)克服了有性雜交存在的生殖隔離、周期長、不能在整體基因組中單獨(dú)挑選目的基因等局限性?；蚬こ痰膶?shí)際操作，大體有以下幾個(gè)步驟：①目的基因或特定DNA片段的分離。②目的基因或DNA片段與載體連接，做成重組DNA分子。③重組DNA分子輸入受體細(xì)胞。④“目的”基因的正確表達(dá)（圖2.15）。圖2.15基因工程操作過程2.4.2基因工程研究進(jìn)