第二章分子遺傳學(xué)的興起演示文稿

第一頁，共四十九頁。第二章分子遺傳學(xué)的興起第二頁，共四十九頁。本章節(jié)內(nèi)容

物理學(xué)的介入2.1

遺傳物質(zhì)——DNA2.2DNA與蛋白質(zhì)2.3第三頁，共四十九頁。

物理學(xué)的介入2.1現(xiàn)代物理學(xué)研究方法→分子生物學(xué)研究錦上添花X-射線晶體學(xué)全息分析技術(shù)核磁共振技術(shù)掃描隧道電子顯微鏡分子激發(fā)顯微鏡鴻溝打破生命的物質(zhì)基礎(chǔ)自然科學(xué)的統(tǒng)一物理世界生命世界第四頁，共四十九頁。本章節(jié)內(nèi)容

物理學(xué)的介入2.1DNA與蛋白質(zhì)2.3

遺傳物質(zhì)——DNA2.2第五頁，共四十九頁。

遺傳物質(zhì)——DNA2.2穆勒（MullerH.T.）：

1927年對果蠅用X射線誘發(fā)突變。斯特德勒（StadlerL.T.）：

1927年在玉米用X射線誘發(fā)突變。

兩人證實了基因和染色體的突變不僅在自然情況下產(chǎn)生，且用X射線處理也會產(chǎn)生大量突變。因此，基因確實是一種物質(zhì)分子。第六頁，共四十九頁。早在1869年，25歲的瑞士生物學(xué)家弗雷德里?！っ仔獱柍晒Φ胤蛛x出細(xì)胞核，發(fā)現(xiàn)“核素”。1889年，生物化學(xué)家奧爾特曼（Altrmann）從酵母和動植物組織中終于制備出純凈的、不含蛋白質(zhì)的細(xì)胞核中的酸性物質(zhì)，將其稱為核酸。20世紀(jì)40年代之前，俄羅斯化學(xué)家菲奧布斯·列文已明確表示，世上共有兩種核酸——DNA和RNA，并已判定二者化學(xué)性質(zhì)的區(qū)別。很多年來，核酸被認(rèn)為是“無用的物質(zhì)”。DNA的發(fā)現(xiàn)第七頁，共四十九頁。DNA是遺傳物質(zhì)的證據(jù)（三個實驗）2.2.1肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實驗2.2.2噬菌體感染實驗2.2.3煙草花葉病毒的重建實驗第八頁，共四十九頁。─────────肺炎雙球菌特征抗原型（穩(wěn)定）──────────────────光滑型(S)

有莢膜、光滑、有毒粗糙型(R)

無莢膜、粗糙、無毒──────────────────格里費斯(GriffithF.1928)2.2.1肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實驗第九頁，共四十九頁。小鼠成活②無毒R型?重現(xiàn)R型重現(xiàn)S型小鼠死亡①有毒S型無病毒小鼠成活③有毒S型(65℃殺死)④無毒R型╋有毒S型(65℃殺死)小鼠死亡重現(xiàn)S型結(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)能夠進入R型

R型S型無毒有毒。第十頁，共四十九頁。①無毒R型╋有毒S型(殺死)②無毒R型

╋有毒S型(殺死)

╋

蛋白酶③無毒R型

╋有毒S型(殺死)

╋

DNA酶重現(xiàn)S型重現(xiàn)IIR型重現(xiàn)S型結(jié)論：DNA是轉(zhuǎn)化因子或遺傳物質(zhì)。阿委瑞(AveryO.T.，1944)試驗：第十一頁，共四十九頁。原理：P存在于DNA，而不存于蛋白質(zhì)；S存在于蛋白質(zhì)，不存于DNA。①．32P標(biāo)記T2噬菌體；②．35S標(biāo)記T2噬菌體。結(jié)論進入菌內(nèi)的是DNA；DNA進入細(xì)胞內(nèi)才能產(chǎn)生完整的噬菌體。赫爾歇(Hershey

A.，1952)2.2.2噬菌體感染實驗第十二頁，共四十九頁。TMVRNA╋RNA酶煙草不發(fā)病TMV蛋白質(zhì)煙草不發(fā)病；TMVRNA煙草發(fā)病新的TMV

煙草花葉病毒TobaccoMosaicVirus(簡稱TMV)。利用

TMV的蛋白質(zhì)外殼和單螺旋RNA接種：2.2.3煙草花葉病毒的重建實驗第十三頁，共四十九頁。佛蘭科爾-康拉特-辛格爾(Framkel-Conrat-Singer)試驗：結(jié)論：提供RNA的親本決定了其后代的RNA和蛋白質(zhì)。在不含DNA的TMV中，RNA就是遺傳物質(zhì)。第十四頁，共四十九頁。核苷酸是組成核酸的基本單位。核苷酸可以進一步水解為核苷和磷酸，核苷又可以水解為戊糖和堿基：核酸核苷酸核苷磷酸戊糖堿基嘌呤（A、G

）嘧啶（T、C

）核糖脫氧核糖2.2.4DNA的組成成分第十五頁，共四十九頁。戊糖第十六頁，共四十九頁。磷酸第十七頁，共四十九頁。堿基第十八頁，共四十九頁。查加夫法則（Chargaff’srule）DNA中的4種堿基的含量并不是等量的；腺嘌呤(A)的量總是和胸腺嘧啶(T)的量相等；鳥嘌呤(G)則和胞嘧啶(C)幾乎相等。既：A=T；C=G第十九頁，共四十九頁。1953年，沃森（WatsonJ.D.）和克里克（CrickF.H.C.）提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型主要依據(jù)為堿基互補配對的規(guī)律以及DNA分子的X射線衍射結(jié)果沃森、克里克與威爾金斯(Wilkins)一起獲得諾貝爾獎(1962)2.2.5DNA的結(jié)構(gòu)第二十頁，共四十九頁。早凋的“科學(xué)玫瑰”－－富蘭克林（

R.E.Franklin）

她和同事威爾金斯在1951年率先采用X射線衍射技術(shù)拍攝到DNA晶體照片，為推算出DNA分子呈螺旋結(jié)構(gòu)的結(jié)論，提供了決定性的實驗依據(jù)。(英，R.E.Franklin,1920-1958）

但“科學(xué)玫瑰”沒等到分享榮耀，在研究成果被承認(rèn)之前就已凋謝。第二十一頁，共四十九頁。1953年4月25日，克里克和沃森在《自然》雜志上發(fā)表了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，從而帶來了遺傳學(xué)的徹底變革，更宣告了分子生物學(xué)的誕生。第二十二頁，共四十九頁。1.兩條互補多核酸鏈、在同一軸上互相盤旋；2.雙鏈具有反向平行的特點；3.堿基配對原則為：A=T、G=C，雙螺旋直徑約20A，螺距為34A(10個堿基對)。第二十三頁，共四十九頁。沃森和克里克：ＤＮＡ分子的規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)3.4nm0.34nm2nm第二十四頁，共四十九頁。從圖中可見DNA具有規(guī)則的雙螺旋空間結(jié)構(gòu)第二十五頁，共四十九頁。第二十六頁，共四十九頁。完美地解釋基因的復(fù)制和傳遞DNA的復(fù)制是半保留復(fù)制（semiconservative）2.2.6DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的生物學(xué)意義第二十七頁，共四十九頁。半保留復(fù)制（semiconservative）沃森(WatsonJ.D.)

先導(dǎo)鏈復(fù)制：合成DNA片段之前，先由RNA聚合酶合成一小段RNA引物(約有20個堿基對)，DNA聚合酶才開始起作用合成DNA片段。DNA聚合酶，以5′3′向發(fā)揮作用；后隨鏈的不連續(xù)復(fù)制：(考恩伯格1967)：在35′方向鏈上，仍按從5′3′的方向，一段段地合成DNA單鏈小片段（稱岡崎片段，1000～2000bp)，由連接酶連接這些片段，形成一條連續(xù)的單鏈。第二十八頁，共四十九頁。本章節(jié)內(nèi)容

物理學(xué)的介入2.1DNA與蛋白質(zhì)2.3

遺傳物質(zhì)——DNA2.2第二十九頁，共四十九頁。DNA與蛋白質(zhì)2.32.3.1蛋白質(zhì)的組分和結(jié)構(gòu)2.3.2遺傳密碼2.3.3中心法則2.3.4基因工程和基因組研究的興起第三十頁，共四十九頁。2.3.1蛋白質(zhì)的組分和結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)是由氨基酸組成的肽鏈折疊而成的大分子物質(zhì)。一級結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)分子都有自己特有的氨基酸的組成和排列順序，即一級結(jié)構(gòu)。肽鍵第三十一頁，共四十九頁。2.3.1蛋白質(zhì)的組分和結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)：是指多肽鏈借助于氫鍵沿一維方向排列成具有周期性的結(jié)構(gòu)的構(gòu)象，是多肽鏈局部的空間結(jié)構(gòu)（構(gòu)象），主要有α－螺旋、β－折疊、β－轉(zhuǎn)角等幾種形式，它們是構(gòu)成蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的基本要素。α-螺旋黃色部分為氫鍵第三十二頁，共四十九頁。2.3.1蛋白質(zhì)的組分和結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)：單條多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上形成的空間結(jié)構(gòu)。第三十三頁，共四十九頁。2.3.1蛋白質(zhì)的組分和結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)：由兩個或多個肽鏈組成的蛋白質(zhì)的天然空間結(jié)構(gòu)。如果某個蛋白質(zhì)只由一條肽鏈構(gòu)成，那么它就沒有四級結(jié)構(gòu)。第三十四頁，共四十九頁。結(jié)構(gòu)域是在二級結(jié)構(gòu)或超二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成三級結(jié)構(gòu)的局部折疊區(qū)，一條多肽鏈在這個域范圍內(nèi)來回折疊，但相鄰的域常被一個或兩個多肽片段連結(jié)。

結(jié)構(gòu)域：單肽鏈內(nèi)相對獨立的結(jié)構(gòu)、功能或折疊方式單位。第三十五頁，共四十九頁。?分子伴侶：是一類能特異地結(jié)合和釋放底物蛋白的蛋白分子，它們幫助底物蛋白實現(xiàn)正確折疊、寡聚體組裝、向特定細(xì)胞器轉(zhuǎn)運或變換活化/去活化構(gòu)象等。分子伴侶是細(xì)胞中一大類蛋白質(zhì)，是由不相關(guān)的蛋白質(zhì)組成的一個家系，它們介導(dǎo)其它蛋白質(zhì)的正確裝配，但自己不成為最后功能結(jié)構(gòu)中的組分第三十六頁，共四十九頁。2.3.2遺傳密碼41=4種：缺16種氨基酸；42=16種：比20種氨基酸還缺4種；43=64種：由三個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。從1961年開始，在大量試驗的基礎(chǔ)上，分別利用64個已知三聯(lián)體密碼，找到了相對應(yīng)的氨基酸。1966-1967年，完成了全部遺傳密碼表。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應(yīng)。第三十七頁，共四十九頁。遺傳密碼的基本特征：1、三聯(lián)體密碼

三個堿基決定一種氨基酸；均以3個一組形成氨基酸密碼。遺傳密碼間不能重復(fù)：在一個mRNA上每個堿基只屬于一個密碼子；

61個為有意密碼，起始密碼為AUG(甲硫氨酸)、

GUG；3個為無意密碼，UAA、UAG、UGA為蛋白質(zhì)合成終止信號。第三十八頁，共四十九頁。2、遺傳密碼間無逗號：遺傳密碼的基本特征：

密碼子與密碼子之間無逗號，按三個三個的順序一直閱讀下去，不漏讀不重復(fù)。如果中間某個堿基增加或缺失后，閱讀就會按新的順序進行下去，最終形成的多肽鏈就與原先的完全不一樣(稱移碼突變)。甲硫氨酸酪氨酸半胱氨酸組氨酸

AUGUACUGUCACAUGUUACUGUCA甲硫氨酸亮氨酸亮氨酸絲氨酸第三十九頁，共四十九頁。遺傳密碼的基本特征：3、遺傳密碼的簡并性：43=64種：由三個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。色氨酸(UGG)和甲硫氨酸(AUG)例外，僅一個三聯(lián)體密碼；其余氨基酸都有一種以上的密碼子。編碼同一種氨基酸的兩種以上的密碼子稱為簡并密碼子。

簡并現(xiàn)象：一個氨基酸由二個或二個以上的三聯(lián)體密碼所決定的現(xiàn)象。簡并現(xiàn)象的意義：

同義的密碼子越多，生物遺傳的穩(wěn)定性也越大。如：UCU、UCC或UCA或UCG，均為絲氨酸。第四十頁，共四十九頁。遺傳密碼的基本特征：4、擺動假說

決定同一個氨基酸或性質(zhì)相近的不同氨基酸的多個密碼子中，第1個和第2個堿基的重要性大于第3個堿基，往往只是最后一個堿基發(fā)生變化。例如：脯氨酸（pro）：

CCU、CCA、CCC、CCG第四十一頁，共四十九頁。遺傳密碼的基本特征：5、密碼子的偏好性不同生物往往偏向于使用其中的一種，這種被經(jīng)常使用的密碼子稱為偏愛密碼子。如人類基因中，丙氨酸（Ale）密碼子多為GCA,GCC或GCT，而GCG很少使用。第四十二頁，共四十九頁。遺傳密碼的基本特征：6、通用性

在生物界中，從病毒到人類，遺傳密碼通用。4個基本堿基符號氨基酸蛋白質(zhì)生物種類、生物體性狀。1980年以后發(fā)現(xiàn)：真核生物線粒體遺傳密碼與一般的通用密碼不同UGA終止色氨酸

AGA,AGG

精氨酸終止

AUA

異亮氨酸甲硫氨酸

AAA

賴氨酸天冬酰胺

CUU,CUC,CUACUG亮氨酸蘇氨酸密碼子核DNAmtDNA第四十三頁，共四十九頁。2.3.3中心法則

中心法則：從噬菌體到真核生物的整個生物界共同遵循的規(guī)律。遺傳信息DNA

è

mRNA

è

蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄和翻譯，以及遺傳信息從DNA

è

DNA的復(fù)制過程。第四十四頁，共四十九頁。

RNA的反轉(zhuǎn)錄

1970年Temin等在致癌RNA病毒中發(fā)現(xiàn)了一種特殊的DNA聚合酶，該酶以RNA為模板，根據(jù)堿基配對原則，按照RNA的核苷酸順序(其中U與A配對)合成DNA。這一過程與一般遺傳信息流轉(zhuǎn)錄的方向相反,故稱為反轉(zhuǎn)錄，催化此過程的DNA聚合酶叫做反轉(zhuǎn)錄酶。中心法則的發(fā)展后來發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)錄酶不僅普遍存在于RNA病毒中，哺乳動物的胚胎細(xì)胞和正在分裂的淋巴細(xì)胞中也有反轉(zhuǎn)錄酶。對于遺傳工程上基因的酶促合成、致癌機理研究有重要作用。增加中心法則中遺傳信息的流向，豐富了中心法則內(nèi)容。第四十五頁，共四十九頁。中心法則的發(fā)展

RNA的自我復(fù)