普通遺傳學(xué)遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)

普通遺傳學(xué)遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)第1頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五本章內(nèi)容＊1、DNA作為遺傳物質(zhì)的三個直接證據(jù)；

2、核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)（DNA、RNA）；＊3、原核生物和真核生物染色體的分子結(jié)構(gòu)；

4、DNA的半保留復(fù)制和特點；

5、三種RNA分子的合成、轉(zhuǎn)錄及加工；

6、遺傳密碼與蛋白質(zhì)翻譯。第2頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五細胞染色體DNA第3頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五染色體DNA（27%）蛋白質(zhì)（66%）RNA（6%）組蛋白非組蛋白第4頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五遺傳功能(基因的復(fù)制與世代傳遞)；表型功能(具有適當(dāng)?shù)目刂菩誀畹谋磉_機制)；進化功能(能夠產(chǎn)生變異滿足生物進化的要求)。遺傳的染色體理論認(rèn)為：基因位于核內(nèi)染色體上染色體的主要化學(xué)成份——蛋白質(zhì)和核酸何者為基因的化學(xué)基礎(chǔ)?；虻幕瘜W(xué)基礎(chǔ)是什么？基因化學(xué)本質(zhì)的條件：具有三種功能第5頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五想一想基因就是DNA嗎？基因和DNA有什么關(guān)系呢？第6頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五一、DNA是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)二、DNA是遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)(一)、細菌轉(zhuǎn)化試驗(二)、噬菌體侵染與繁殖試驗(三)、煙草花葉病毒的感染和繁殖第一節(jié)DNA作為主要遺傳物質(zhì)的證據(jù)第7頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五●DNA含量的恒定性；●DNA代謝的穩(wěn)定性；●攜帶遺傳信息，并能精確地自我復(fù)制；●能發(fā)生變異；●基因突變與紫外線誘變波長的關(guān)系。一、DNA作為主要遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)第8頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五二、DNA作為主要遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)第9頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五（一）細菌的轉(zhuǎn)化試驗肺炎雙球菌特征抗原型（穩(wěn)定）粗糙型(R)無莢膜、粗糙菌落、無毒I

R、II

R光滑型(S)有莢膜、光滑菌落、有毒I

S、II

S、III

S圖3-1肺炎雙球菌第10頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-2Griffith肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗第11頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五Griffith認(rèn)為：R細菌與S細菌的不同僅僅在于有無莢膜；實驗結(jié)果是由于那些加熱殺死的S細菌的存在導(dǎo)致那些活的R細菌獲得了生成莢膜的能力，稱其為轉(zhuǎn)化作用。第12頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-3第13頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五人們?nèi)圆幌嘈臘NA是遺傳物質(zhì),這是由于：（1）因認(rèn)為蛋白分子量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，二十種氨基酸的排列組合將是個天文數(shù)字，可作為一種遺傳信息。而DNA分子量小，只含4種不同的堿基，人們一度認(rèn)為不同種的有機體的核酸只有微小的差異。（2）認(rèn)為轉(zhuǎn)化實驗中DNA并未能提得很純，還附有其它物質(zhì)。（3）即使轉(zhuǎn)化因子確實是DNA，但也可能DNA只是對莢膜形成起著直接的化學(xué)效應(yīng)，而不是充當(dāng)遺傳信息的載體。第14頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五(二)、噬菌體侵染與繁殖試驗1、背景知識噬菌體侵染與繁殖基本過程：T2噬菌體浸染大腸桿菌后，遺傳物質(zhì)進入細菌細胞利用大腸桿菌的復(fù)制系統(tǒng)復(fù)制噬菌體遺傳物質(zhì)利用大腸桿菌的遺傳信息表達系統(tǒng)合成噬菌體組分最后組裝形成完整的T2噬菌體因此只要探明侵染時進入細菌的是噬菌體的哪一部分，就能證明哪種物質(zhì)是遺傳信息載體。另外：P是DNA的組成部分，但不存在于蛋白質(zhì)中；S存在于蛋白質(zhì)中，但DNA中沒有。第15頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-4噬菌體T2結(jié)構(gòu)示意圖第16頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-5第17頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五赫爾希（Hershey,A.D.）（1908～）和柴絲（Chase,M.）

圖3-6赫爾希（Hershey,A.D.）（1908～）和柴絲（Chase,M.）

第18頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五2、Hershey和Chase的實驗圖3-7第19頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五結(jié)果與結(jié)論試驗結(jié)果表明：主要是由于DNA進入細胞內(nèi)才產(chǎn)生完整的噬菌體結(jié)論：DNA才是(噬菌體的)遺傳物質(zhì)。題外話：與Avery等人研究比較，本試驗的精度低得多。但是由于放射性標(biāo)記法(也稱為示蹤原子法)，當(dāng)時為人們普遍采用。同時由于核酸研究及其它相關(guān)的成果，本試驗結(jié)果很快得到人們的廣泛認(rèn)同。第20頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五(三)煙草花葉病毒拆合試驗煙草花葉病毒(TMV)是由RNA與蛋白質(zhì)構(gòu)成的管狀微粒：中心是單鏈螺旋RNA、外部是蛋白質(zhì)外殼

第21頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-8煙草花葉病毒第22頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五將TMV的RNA與蛋白質(zhì)分離、提純；分別接種煙葉，發(fā)現(xiàn)RNA能使煙葉致病，而蛋白質(zhì)不能；用RNA酶處理RNA后接種煙葉也不能致病，表明RNA可能就是TMV的遺傳物質(zhì)。1956年A.Gierer和G.Schraman發(fā)現(xiàn)煙草花葉病毒（tobaccomosaicvirus,TMV），其遺傳物質(zhì)是RNA。1、拆分感染試驗：第23頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五2、重組合試驗Frankel-Conrat,Singer(1956)進行了圖示試驗，證實了上述實驗結(jié)果。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24頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-9

煙草花葉病毒M和HR品系的重建試驗（引自Peter,J.R.:1992）第25頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)第26頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五1、核酸（nucleicacid）：以核苷酸（nucleotide）為單元構(gòu)成的多聚體，是一種高分子化合物。五碳糖：脫氧核糖、核糖核苷酸磷酸鳥嘌呤、腺嘌呤環(huán)狀的含氮堿基胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶一、兩種核酸及其分布：第27頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖-10第28頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-11第29頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五

關(guān)于堿基的種類、分子式、核苷酸的種類、結(jié)構(gòu)等內(nèi)容是生物化學(xué)中討論的內(nèi)容，請課后復(fù)習(xí)。第30頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五高等植物：

DNA存在于染色體，葉綠體、線粒體中；

RNA在核（核仁、染色體）、細胞質(zhì)中。細菌：DNA和RNA。噬菌體：多數(shù)只有DNA。植物病毒：多數(shù)只有RNA。動物病毒：有些含RNA、有些含DNA。2、分布：第31頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五二、DNA分子結(jié)構(gòu)的研究

上世紀(jì)中期，眾多研究表明：核酸是遺傳信息的載體，顯然DNA的結(jié)構(gòu)研究是進一步研究其功能和作用方式的基礎(chǔ)；（一）三個關(guān)于核酸一級結(jié)構(gòu)的內(nèi)容：

1、“四核苷酸”假說；

2、查伽夫定則及其意義；*3、核苷酸序列及其測定第32頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五1、“四核苷酸”假說P.A.T.Levene(1930)提出“四核苷酸”假說，認(rèn)為：核苷酸是核酸的基本組成單位；核酸是“磷酸—核糖(堿基)—磷酸”的核苷多聚體。四核苷酸假說奠定了核酸化學(xué)基礎(chǔ)。但同時認(rèn)為：核酸多聚體是由“四核苷酸結(jié)構(gòu)”重復(fù)形成；每個四核苷酸結(jié)構(gòu)包含四種堿基各一個；所以事實上認(rèn)為在任何DNA中，四種堿基是等量的，DNA是四核苷酸結(jié)構(gòu)的簡單重復(fù)。這種觀念影響了人們對核酸生物學(xué)功能的進一步認(rèn)識。第33頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五2、查伽夫定則及其意義E.Chargaff于1946-1950年根據(jù)紙層析、離子交換層析和紫外分光光度試驗結(jié)果提出查伽夫定則：四種堿基的數(shù)量不是等量的；同一物種DNA堿基組成不變，而物種間則有很大不同；嘌呤堿基總量與嘧啶堿基的總量(克分子總量)相等(A+G=T+C)，且A=T、G=C。

查伽夫（Chargaff,E.）（1905～1922）第34頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五第35頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五*3、核苷酸序列及其測定查伽夫定則表明：核酸并不是四核苷酸結(jié)構(gòu)的簡單重復(fù)，核酸的堿基序列信息可能具有重要意義。以后的研究表明：堿基序列正是核酸生物學(xué)功能的基礎(chǔ)，是遺傳信息的內(nèi)在形式。DNA及RNA分子序列分析技術(shù)也是最重要的分子遺傳學(xué)研究技術(shù)：Sanger雙脫氧法；Maxam&Gillbert化學(xué)法；基于化學(xué)法的DNA序列自動分析儀已成為常規(guī)實驗設(shè)備。第36頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五（二）DNA的二級結(jié)構(gòu)1.鮑林研究小組2.威爾金斯、富蘭克林研究小組3.沃生、克里克研究小組第37頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五1、鮑林研究小組主要工作：鮑林(Pauling)等1951年(提出蛋白質(zhì)α-螺旋模型后)開始研究DNA分子結(jié)構(gòu)；根據(jù)阿斯伯利Astbury等1938年獲得的DNA分子晶體X射線衍射圖像(顯示DNA分子晶體呈螺旋結(jié)構(gòu))進行研究；提出DNA分子三鏈螺旋結(jié)構(gòu)模型：引入多鏈、螺旋和氫鏈等概念。評價：雖然他們提出的模型并不正確，但是其研究方向和所采用的方法卻為DNA分子結(jié)構(gòu)模型研究確立了方向。注：1954年鮑林因研究物質(zhì)聚合力(氫鏈)而獲得諾貝爾化學(xué)獎第38頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-121951年，Pauling提出了蛋白質(zhì)的α-螺旋結(jié)構(gòu)。第39頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五2、威爾金斯、富蘭克琳研究小組主要工作：Wilkins和Franklin改進了DNA分子晶體X射線衍射圖譜技術(shù)于1951年獲得了更為清晰的圖像結(jié)果表明：

堿基位于螺旋內(nèi)側(cè)而磷酸基團在外側(cè)，同時測得了DNA螺旋的直徑和螺距圖3-131952年末Franklin和Wilkins拍到了一張十分清晰的DNA結(jié)晶X衍射照片第40頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-14威爾金斯圖3-15富蘭克琳第41頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五3.沃生、克里克研究小組Watson、Crick(1951-1953)：研究手段非常簡單：用紙板等做磷酸、核糖和堿基模型，拼湊DNA分子的三維結(jié)構(gòu)。理論知識深厚、富于創(chuàng)造性；視野廣闊、收集信息全面并善于分析利用。圖3-16DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)第42頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五3、沃生、克里克研究小組主要基于Chargaff、Pauling和Wilkins等三個方研究成果，Watson和Crick于1953年提出了他們的第三個DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型；現(xiàn)在人們公認(rèn)這是分子遺傳學(xué)建立的標(biāo)志；為此Watson，Crick和Wilkins于1962年獲得了諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎。第43頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-17沃森（1928～）圖3-18克里克(1916~2004)第44頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五Watson&Crick建立雙螺旋模型主要是受到4個方面的影響：（1）1938年W.T.Astbury&Bell用x衍射技術(shù)研究DNA。1947年拍攝了第一張DNA的衍射照片，并推斷DNA分子的結(jié)構(gòu)是：①柱狀；②多核苷酸是一疊扁平的核苷酸；③核酸殘基取向和分子長軸垂直,間距為3.4。第45頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五（2）1951年P(guān)auling和Corey運用化學(xué)的定律來推理，而不做具體的實驗，建立了蛋白質(zhì)的α-螺旋模型；（3）晶體學(xué)者[美]J.Donoh&Chargaff

的指點。（4）R.Franklin&Wilkins在1952年底拍得了DNA結(jié)晶X衍射照片。第46頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五

圖3-191962年，Wilkins、Watson和Crick共獲諾貝爾化學(xué)獎。第47頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五（三）DNA雙螺旋模型圖3-20第48頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五1、DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點圖3-21第49頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖9-11DNA分子的結(jié)構(gòu)圖3-22第50頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖9-12圖3-23

DNA中堿基互補配對的結(jié)構(gòu)第51頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五

雙螺旋模型

(doublehelixmodel)雙螺旋模型有以下特點

(1)DNA分子由兩條反向平行的多核苷酸鏈組成，形成右手雙螺旋。(3)兩條鏈反向平行，即兩條鏈的方向相反；(4)糖---磷酸鍵是在雙螺旋的外側(cè)，堿基對與軸線垂直。(5)糖與附著在糖上的堿基近于垂直。(6)堿基配對時，必須一個是嘌呤，另一個是嘧啶。(7)DNA雙螺旋有大溝（majororwidegroove）和小溝（minorornarrowgroove）的存在。第52頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五模型中的堿基配對有何重要性？①A-T,G-C配對可形成很好的線性氫鍵；②A-T對和G-C對的幾何形狀一樣，使雙鏈距離相近，使雙螺旋保持均一；③堿基對處在同一平面內(nèi)。不論核苷酸的順序如何，都不影響雙螺旋的結(jié)構(gòu)；④為DNA半保留復(fù)制奠定了基礎(chǔ)。

第53頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五2、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的意義DNA雙螺旋模型結(jié)構(gòu)同時表明：DNA復(fù)制的明顯方式——半保留復(fù)制。Watson和Crick在1953年就指出：DNA可以按堿基互補配對原則進行半保留復(fù)制。而在此之前對復(fù)制方式人們對一無所知?；蚝投嚯某删€性對應(yīng)的一個可能的理由：DNA核苷酸順序規(guī)定該基因編碼蛋白質(zhì)的氨基酸順序；DNA中的遺傳信息就是堿基序列；并存在某種遺傳密碼(geneticcode)，將核苷酸序列譯成蛋白質(zhì)氨基酸順序。在其后的幾十年中，科學(xué)家們沿著這兩條途徑前進，探明了DNA復(fù)制、遺傳信息表達與中心法則等內(nèi)容。第54頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五

3、DNA的其它螺旋結(jié)構(gòu)回文結(jié)構(gòu)鏡像重復(fù)三股螺旋（H-DNA）第55頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五

回文結(jié)構(gòu)—DNA序列中以某一中心區(qū)域為對稱軸，其兩側(cè)的堿基對順序正讀和反讀都相同的雙螺旋結(jié)構(gòu)。即對稱軸一側(cè)的片段旋轉(zhuǎn)180°后，與另一側(cè)片段對稱重復(fù)。

回文結(jié)構(gòu)能形成

十字結(jié)構(gòu)和發(fā)夾結(jié)構(gòu)圖3-24DNA回文結(jié)構(gòu)第56頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五AATTCAAGGGAGAAGTATAGAAGAGGGAAGGATCTTAAGTTCCCTCTTCATATCTTCTCCCTTCCTAG

存在于同一股上的某些DNA區(qū)段的反向重復(fù)序列。此序列各單股中沒有互補序列，不能形成十字型或發(fā)夾結(jié)構(gòu)。

*鏡像重復(fù)第57頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五

多聚嘧啶和多聚嘌呤組成的DNA螺旋區(qū)段，其序列中有較長的鏡像重復(fù)時，形成局部三股配對，并互相盤繞的三股螺旋，其中兩股的堿基按Watson-Crick方式配對，第三股多聚嘧啶（鏡像重復(fù)）通過TCGC+配對，而處于雙螺旋的大溝中。

*DNA三股螺旋（H-DNA,ts-DNA）第58頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五4、DNA分子構(gòu)型的多態(tài)性

DNA的構(gòu)象現(xiàn)已知有

A，B，C，D，E，T，Z7種。引起DNA雙鏈構(gòu)象改變有以下因素：核苷酸順序；堿基組成；鹽的種類；相對濕度。第59頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五（1）DNA構(gòu)型的變異1）B-DNA：為DNA在生理狀態(tài)下的構(gòu)型，右手雙螺旋構(gòu)型（沃森和克里克模型），每螺旋為10個核苷酸對。2）A-DNA：為DNA的脫水構(gòu)型，右手螺旋，每螺旋為11個核苷酸對。3）Z-DNA：為左手螺旋，每個螺旋含12個核苷酸對。第60頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-25DNA構(gòu)型變異第61頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五表3-2DNA變異構(gòu)型第62頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五

圖3-26目前已知DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)可分為A、B、C、D及Z型等數(shù)種，除Z型為左手雙螺旋外，其余均為右手雙螺旋。

Z-DNAB-DNA

第63頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五

1）糖磷骨架呈“之”字形（Zigzag）走向。

2）左旋。

3）G的糖苷鍵呈順式(Syn)，使G殘基位于分子表面。

4）分子外形呈波形。

5）大溝消失，小溝窄而深。

6）每個螺旋有12bp。（2）Z-DNA的結(jié)構(gòu)特點：第64頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五（3）Z－DNA存在的條件：

1)高鹽：NaCl>2Mol/L,MgCl2>0.7Mol/L2)嘌呤-嘧啶相間排列：

3)在活細胞中如果m5C,則無需嘌呤-嘧啶相間排列，在生理鹽水的濃度下可產(chǎn)生Z型。

4)在體內(nèi)多胺化合物，如精胺和亞胺及亞精胺和陽離子一樣，可和磷酸基因結(jié)合，使B-DNA轉(zhuǎn)變成Z-DNA。

5)某些蛋白質(zhì)如Z-DNA結(jié)合蛋白帶有正電荷，可使DNA周圍形成局部的高鹽濃度和微環(huán)境。

6)負(fù)超螺旋的存在。第65頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五美國德州大學(xué)的研究人員發(fā)表在2006年P(guān)NAS的一篇論文，首次揭示出這種怪模怪樣的DNA分子的生物功能。

發(fā)現(xiàn)DNA的序列如果在短距離之間出現(xiàn)14次以上CG的重復(fù)序列，則有很高的機會形成Z-DNA的分子結(jié)構(gòu)；但是相同的情形若出現(xiàn)在AT序列上，則不會形成類似的核酸結(jié)構(gòu)。對整個人類基因序列而言，具有形成Z-DNA分子潛力的遺傳序列大概占全部序列的2%左右。

第66頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五研究中，研究人員將能夠形成Z-DNA的基因序列嫁接到質(zhì)粒(plasmid)上，再送到細菌細胞或是人類細胞里。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些細菌細胞的Z-DNA分子會引發(fā)一或二個核酸的剔除或增加，而進到人類細胞里的Z-DNA則會引發(fā)較大段序列的刪除或重組，或者造成DNA序列的斷裂。

懷疑這個Z-DNA分子根本就是細胞自己產(chǎn)生的突變劑(mutagen)，當(dāng)然也是細胞演化與多樣性不可缺乏的條件。

WangG,ChristensenLA,VasquezKM.

Z-DNA-formingsequencesgeneratelarge-scaledeletionsinmammaliancells.

ProcNatlAcadSciUSA.2006Feb10第67頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五三、RNA的分子結(jié)構(gòu)至于RNA的分子結(jié)構(gòu)，就其化學(xué)組成上看，也是由四種核苷酸組成的多聚體。它與DNA的不同，首先在于以U代替了T，其次是用核糖代替了脫氧核糖，此外，還有一個重要的不同點，就是絕大部分RNA以單鏈形式存在，但可以折疊起來形成若干雙鏈區(qū)域。在這些區(qū)域內(nèi)，凡互補的堿基對間可以形成氫鍵(圖)。但有一些以RNA為遺傳物質(zhì)的動物病毒含有雙鏈RNA。第68頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五RNA的分子結(jié)構(gòu)圖3-27第69頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)染色體的分子結(jié)構(gòu)第70頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五一、原核生物的染色體較簡單，只有一個核酸分子（DNA或RNA），大多呈環(huán)狀。原核生物的染色體，其DNA分子同樣與蛋白質(zhì)和RNA結(jié)合。28第71頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五二、真核生物的染色體（一）串珠模型：染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位是核小體、連接絲(linker)。每個基本單位約180-200個核苷酸對(堿基對,bp-basepair)?！窈诵◇w(nucleosome),

又稱紐體(-body)(約11nm)。●組蛋白：H2A、H2B、H3、H4四種組蛋白各兩分子的八聚體，直徑約10nm。●

DNA鏈：DNA雙螺旋鏈盤繞于組蛋白八聚體表面1.75圈，約合146bp.●連接絲是長50～60bp的DNA，與組蛋白H1結(jié)合。圖3-29第72頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五（二）染色體的結(jié)構(gòu)模型貝克等(BakAL,1977)：染色體四級結(jié)構(gòu)模型理論能夠在一定程度上解釋染色質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程

核小體+連接絲螺線體(solenoid)

超螺線體(super-solenoid)

染色體第73頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五第74頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-30第75頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五

DNA雙螺旋化為前一級長度的↓H2A、H2B、H3、H4

1/7一級核小體↓螺旋化+H1

1/6二級螺線體↓超螺旋化和卷縮

1/40三級超螺旋體↓折疊螺旋化

1/5四級染色體計1/8400四級螺旋化后DNA雙鏈長度可壓縮8000~10000倍。第76頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五表3-3染色體形成過程中長度與寬度的變化寬度增加長度壓縮第一級DNA核小體5倍7倍第二級核小體螺線體3倍6倍第三級螺線體超螺線體13倍40倍第四級超螺線體染色體2.5-5倍5倍500-1000倍8400倍

(8000-10000)第77頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-31染色體形成過程第78頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五常染色質(zhì)

(euchromatin)

和異染色質(zhì)

（heterochromatin）

比較：結(jié)構(gòu)差異:兩者結(jié)構(gòu)上連續(xù)，化學(xué)性質(zhì)上沒有差異，只是核酸螺旋化程度(密度)不同。異染色質(zhì)在間期的復(fù)制晚于常染色質(zhì)，間期仍然高度螺旋化狀態(tài)，緊密卷縮所以染色很深；而常染色質(zhì)區(qū)處于松散狀態(tài)，染色質(zhì)密度較低，因此染色較淺。這種同一染色體染色深淺不同的現(xiàn)象稱為異固縮(heteropycnosis)功能差異:遺傳信息的表達(轉(zhuǎn)錄)主要在間期進行，并需要染色質(zhì)局部解螺旋態(tài)?！癯Ｈ旧|(zhì)間期活躍表達，帶有重要的遺傳信息?！癞惾旧|(zhì)在遺傳功能上是惰性的，一般不編碼蛋白質(zhì)，主要起維持染色體結(jié)構(gòu)完整性的作用。第79頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-32蝙蝠胃內(nèi)膜細胞間期細胞中的染色質(zhì)分布第80頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五組成性異染色質(zhì)與兼性異染色質(zhì)組成性(constitutive).●構(gòu)成染色體的特殊區(qū)域，如：著絲點部位等；●在所有組織、細胞中均表現(xiàn)異固縮現(xiàn)象；●只與染色體結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般無功能表達；

兼性(facultative).●可存在于染色體的任何部位；●在一些組織中不表現(xiàn)異固縮現(xiàn)象(象常染色質(zhì)一樣正常表達)，而在其它組織中表現(xiàn)異固縮現(xiàn)象(完全不表達)；攜帶組織特異性表達的遺傳信息。例如，哺乳動物的X染色體。其中一條X染色體表現(xiàn)為異染色質(zhì)，完全不表達其功能，而另一條X染色體則表現(xiàn)為功能活躍的常染色質(zhì)。第81頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五著絲粒（centromere）：著絲粒是真核生物有絲分裂和減數(shù)分裂染色體正確分離和傳遞所必需的染色體區(qū)域。分子生物學(xué)研究表明：在不同的植物間，著絲粒DNA的保守性很低，呈現(xiàn)快速進化，但著絲粒的DNA序列類型和組織方式基本相似，一般是由夾雜排列著的衛(wèi)星DNA串聯(lián)重復(fù)陣列和著絲粒專一的反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子構(gòu)成。與著絲粒DNA相反，著絲粒/著絲點的結(jié)構(gòu)性和瞬時蛋白質(zhì)在包括植物在內(nèi)的真核生物中保守。第82頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五端粒（telomere）:端體/端粒(telomere)：端粒是染色體臂末端的特化部分。端粒在染色體中沒有明顯的外部形態(tài)特征，但往往表現(xiàn)對堿性染料著色較深。(1)功能：對染色體DNA分子末端起封閉、保護作用；防止DNA酶酶切；防止發(fā)生DNA分子間融合；保持DNA復(fù)制過程中的完整性。第83頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五⑵結(jié)構(gòu)：存在串聯(lián)重復(fù)序列：5’-T1-4-A0-1-G1-8-3’人類：TTAGGG嗜熱四膜蟲：TTGGG擬南芥：TTTAGGG

重復(fù)次數(shù)在不同生物、同一生物的不同染色體不同。圖3-33端粒的結(jié)構(gòu)第84頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五

由于端粒與細胞的壽命以及腫瘤有關(guān)，因此，端粒結(jié)構(gòu)與端粒酶的研究是當(dāng)今分子生物學(xué)的研究熱點。

2008年的諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎頒給了美國科學(xué)家伊麗莎白·布蘭克本（ElizabethH.Blackburn）、巴爾的魔約翰·霍普金斯醫(yī)學(xué)院的卡羅爾·格雷德（CarolW.Greider）和霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的杰克·紹斯塔克（JackW.Szostak）。第85頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五

端粒是染色體末端的重復(fù)序列，控制細胞復(fù)制次數(shù)。大多數(shù)體細胞不含端粒酶，細胞復(fù)制一次，端粒就縮短一點，細胞復(fù)制一定次數(shù)后，即行死亡。絕大多數(shù)惡性腫瘤含有多少不一的端粒酶活性，端粒不因細胞復(fù)制而縮短，故瘤細胞可以永生。端粒和腫瘤第86頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)DNA的復(fù)制第87頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五1、半保留復(fù)制拆開的兩條單鏈，以各自為模板，從細胞核內(nèi)吸取與自己堿基互補的游離核苷酸，進行氫鍵結(jié)合，在酶系統(tǒng)的作用下，連接起來，各自形成一條新的互補鏈。2、復(fù)制起點和復(fù)制方向原核生物：多數(shù)只有一個復(fù)制起點。真核生物：有多個復(fù)制起點。一、DNA復(fù)制的一般特點：第88頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-34第89頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五復(fù)制子：指在同一個復(fù)制起點控制下合成的一段DNA序列。

在絕大多數(shù)細菌和病毒中，整個染色體也就是一個復(fù)制子。在真核生物中，每條染色體的DNA復(fù)制質(zhì)多起點的，多個復(fù)制起點共同控制一條染色體的復(fù)制，即每條染色體有多個復(fù)制子。第90頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五二、原核生物DNA合成(一)有關(guān)DNA合成的酶

1、DNA聚合酶Ⅰ2、DNA聚合酶Ⅱ3、DNA聚合酶Ⅲ第91頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五167.5表3-4第92頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五

只有一種DNA聚合酶是復(fù)制酶，其他的聚合酶參與修復(fù)受損傷的DNA。表3-5大腸桿菌有5種DNA聚合酶酶基因功能ⅠpolA主要的修復(fù)酶ⅡpolB次要的修復(fù)酶ⅢpolC復(fù)制酶ⅣdinBSOS修復(fù)ⅤumuD'2CSOS修復(fù)第93頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-35RepairsynthesisreplacesadamagedstrandofDNA.第94頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五（二）DNA復(fù)制的過程：1、DNA雙螺旋的解鏈；

2、DNA合成的開始；

3、一條DNA鏈連續(xù)合成，一條鏈不連續(xù)；

RNA引物：岡崎片斷：前導(dǎo)鏈：后隨鏈（后滯鏈）：第95頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五DNA解旋酶在ATP供能下，每分鐘旋轉(zhuǎn)3000

次解開雙螺旋；單鏈DNA結(jié)合蛋白（SSB）結(jié)合在分開的單鏈上，以避免產(chǎn)生單鏈內(nèi)配對；DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶來解決由于復(fù)制叉的推進而產(chǎn)生超螺旋的問題。1、DNA雙螺旋的解鏈圖3-36DNA解旋第96頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五

合成DNA片段之前，先由引發(fā)酶合成一小段RNA引物(約有10個堿基對)DNA聚合酶才開始起作用合成DNA片段。（注：引發(fā)酶由一個特殊的RNA聚合酶活性提供，它是dnaG基因的產(chǎn)物。）2、DNA合成的開始圖3-37DNA復(fù)制叉第97頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五DNA聚合酶，以5′3′方向發(fā)揮作用；從3′5′合成方向的一條鏈，就會遇到困難。

考恩伯格(KornbergA.,1967)提出不連續(xù)復(fù)制假說：在3′5′方向鏈上，仍按從5′3′的方向一段段地合成DNA單鏈小片段“岡崎段”(1000~2000bp)，由連接酶連接，這些片段形成一條連續(xù)的單鏈。3、后隨鏈的不連續(xù)復(fù)制圖3-38DNA后隨鏈的復(fù)制第98頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五復(fù)制起點復(fù)制起點圖3-39DNA半保留復(fù)制第99頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-40第100頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五關(guān)于RNA的自我復(fù)制1、先以自己為模板合成一條互補單鏈；（模板鏈稱“+”鏈，新復(fù)制的互補鏈稱“—”鏈）2、以“—”鏈作為模板，復(fù)制出一條與自己互補的“+”鏈。3、“+”鏈成為一條新的RNA。

圖3-41RNA的復(fù)制第101頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五三、真核生物DNA合成的特點：1、DNA合成發(fā)生的時間：僅為細胞周期的S

期；2、復(fù)制的起始點為多起點；3、合成所需的RNA引物和岡崎片斷都比原核生物的短；4、控制前導(dǎo)鏈和后隨鏈的聚合酶不同；5、染色體端體的復(fù)制。第102頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-42真核生物DNA復(fù)制第103頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-43真核生物染色體多起點DNA復(fù)制電鏡照片

第104頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五真核生物細胞擁有大量的DNA聚合酶，它們大致分為半保留復(fù)制所需的酶和修復(fù)損傷DNA的合成所需的酶兩類。在細胞核中發(fā)生的DNA復(fù)制需要DNA聚合酶α、δ和ε；在線粒體中復(fù)制需要DNA聚合酶γ；其他所有的酶都與合成一段新的DNA鏈代替受損傷的DNA有關(guān)。DNA聚合酶α起始新鏈合成。DNA聚合酶δ延伸先導(dǎo)鏈。DNA聚合酶ε可能與后隨鏈合成有關(guān)，也可能有其他功能。第105頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五第五節(jié)RNA的轉(zhuǎn)錄及加工一、三種RNA分子

1、mRNA：把DNA上的遺傳信息精確無誤地轉(zhuǎn)錄下來，然后由mRNA的堿基順序決定蛋白質(zhì)的氨基酸順序，完成基因表達過程中的遺傳信息傳遞過程。（從細胞核——細胞質(zhì)）

第106頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五2、tRNA：根據(jù)mRNA的遺傳密碼依次準(zhǔn)確地將合成多肽的原料—氨基酸運送到工廠，是氨基酸的特異運輸車。圖3-44tRNA構(gòu)型第107頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五5’末端具有G（大部分）或C；3'末端都以ACC結(jié)尾；一個富有鳥嘌呤的環(huán)；一個反密碼子環(huán)；一個胸腺嘧啶環(huán)。tRNA結(jié)構(gòu)：圖3-45tRNA結(jié)構(gòu)第108頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五3、rRNA：是組成核糖體的主要成分，核糖體是合成蛋白質(zhì)的中心。原核生物rRNA（3種）:

5S:120個核苷酸；

16S:1540個核苷酸；

23S:2900個核苷酸。真核生物rRNA（4種）:5S:

120個核苷酸；

5.8S:160個核苷酸；

18S:1900個核苷酸；

28S:4700個核苷酸。圖3-46原核生物rRNA第109頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-47原核生物rRNA的轉(zhuǎn)錄第110頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五4、snRNA（smallnuclearRNA）它是真核生物轉(zhuǎn)錄加工過程中RNA剪接體的主要成分，在自然狀態(tài)下，它們以核糖核蛋白顆粒（snRNP）的形式存在。snRNA參與剪接過程，剪接反應(yīng)完成內(nèi)含子的去除并把外顯子連在一起構(gòu)成成熟的RNA序列。snRNA分子在剪接反應(yīng)和其他加工反應(yīng)中有催化樣作用。第111頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五二、RNA合成的一般特點：

1、所有的原料為核苷三磷酸；

2、只有一條DNA鏈被用作模板；

3、RNA鏈的合成不需要引物的引導(dǎo)；

4、RNA的合成也是從5，向3，端進行；

5、RNA的轉(zhuǎn)錄和合成由RNA聚合酶催化，聚合酶首先在啟動子處與DNA結(jié)合，形成轉(zhuǎn)錄泡，并開始轉(zhuǎn)錄；

6、同樣遵循堿基配對原則，只是U代替了T。第112頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五三、原核生物RNA的合成：轉(zhuǎn)錄涉及代表雙鏈體DNA中一條單鏈RNA的合成?！按怼敝皋D(zhuǎn)錄物RNA和雙鏈DNA的一條鏈在序列上完全一致，這條DNA單鏈被稱為編碼鏈（codingstrand)。另一條DNA單鏈?zhǔn)寝D(zhuǎn)錄中RNA合成的模板（template)。第113頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五轉(zhuǎn)錄單位（transcriptionunit）：通常把轉(zhuǎn)錄后形成一個RNA分子的一段DNA序列稱之為轉(zhuǎn)錄單位。也就是從啟動子到終止子的一段序列。一個轉(zhuǎn)錄單位可能剛好是一個基因，或多個基因。RNA轉(zhuǎn)錄的四步驟：（1）模板識別；（2）RNA鏈的起始；（3）RNA鏈的延長；（4）RNA鏈的終止和新鏈的釋放。第114頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-48RNA的轉(zhuǎn)錄過程

第115頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtcatgtacag···5′

5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C編碼鏈模板鏈mRNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯第116頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五RNA聚合酶：

α亞基與四聚體核心酶形成有關(guān)；

β亞基存在核苷三磷酸的結(jié)合位點；

β’含有與DNA模板結(jié)合的位點；

σ因子只與RNA轉(zhuǎn)錄的起始有關(guān)。σ因子改變了RNA聚合酶結(jié)合DNA的性質(zhì)，使得它對一般DNA的親和力降低，而對啟動子的親和力增加。圖3-49第117頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五（一）模板識別（templaterecognition）發(fā)生在RNA聚合酶與雙鏈DNA在啟動子處形成一個“閉合復(fù)合物（closedcomplex）”的時候；然后DNA雙鏈解聚。形成“開放復(fù)合物（opencomplex）”。模板鏈暴露出來，可以和核苷酸配對。第118頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-50啟動子的結(jié)構(gòu)

第119頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五理想的啟動子是包括-35區(qū)六聯(lián)體，與-10區(qū)六聯(lián)體相隔17bp，-10區(qū)六聯(lián)體位于起始點上游7bp。。圖3-51典型啟動子包括三個元件第120頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五（二）RNA鏈合成的起始：圖3-52RNA鏈的合成第121頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-53在轉(zhuǎn)錄中，細菌RNA聚合酶維持著轉(zhuǎn)錄泡的構(gòu)象，它使DNA解旋，又重新聚合，并維持著DNA模板鏈、伴隨鏈和合成的RNA鏈三者的狀態(tài)。第122頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五當(dāng)RNA聚合酶結(jié)合到基因起始處，即稱為啟動子的特殊序列時，轉(zhuǎn)錄開始進行。RNA合成發(fā)生在“轉(zhuǎn)錄泡（transcriptionbubble）”處。第123頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五（三）RNA鏈的延伸：圖3-54RNA鏈的延伸第124頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五延伸是指由DNA結(jié)構(gòu)瓦解引起的轉(zhuǎn)錄泡的移動，在這個過程中，模板瞬時解鏈的片段和新生的RNA鏈在生長點互補配對。聚合酶沿著DNA鏈移動DNA雙螺旋解鏈核苷酸共價結(jié)合到延伸的RNA鏈的3端，在松弛區(qū)域形成一個RNA-DNA雜合鏈DNA模板鏈和原先的互補鏈結(jié)合并重新形成雙螺旋結(jié)構(gòu)RNA則解離稱為單鏈。第125頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五①依賴ρ因子的終止；②不依賴ρ因子的終止。（四）RNA鏈的終止：圖3-55第126頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五終止子就是轉(zhuǎn)錄終止所需要的DNA序列。在終止子轉(zhuǎn)錄終止，DNA雙鏈聚合，RNA復(fù)合物從DNA連上解離下來。ρ因子是一個終止蛋白，它結(jié)合到新生DNA上，再轉(zhuǎn)位到位于真正的終止位點之前的富含C缺G殘基的序列上。第127頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五四、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄及加工：（一）真核生物RNA轉(zhuǎn)錄的特點：

1、轉(zhuǎn)錄在細胞核內(nèi)進行；

2、mRNA分子一般只編碼一個基因；

3、RNA聚合酶較多(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）；

4、RNA聚合酶不能獨立轉(zhuǎn)錄RNA。第128頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五真核生物細胞中的轉(zhuǎn)錄可分為三類，每一類轉(zhuǎn)錄分別由不同的RNA聚合酶執(zhí)行：

RNA聚合酶Ⅰ轉(zhuǎn)錄rRNA；

RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄mRNA；

RNA聚合酶Ⅲ轉(zhuǎn)錄tRNA和其他sRNA。轉(zhuǎn)錄起始需要RNA聚合酶和轉(zhuǎn)錄因子。凡是轉(zhuǎn)錄起始過程中必需的蛋白質(zhì)，只要它不是RNA聚合酶的成分，就可將其定義為轉(zhuǎn)錄因子。第129頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五（二）mRNA的加工：

真核生物細胞mRNA是在轉(zhuǎn)錄時或住那錄后的短時間內(nèi)在細胞核內(nèi)被修飾的。修飾包括：

1、在mRNA前體的5’端加上7-甲基嘌呤核苷的帽子（cap）；

2、在mRNA前體的3，端加上聚腺苷酸(poly(A))的尾巴；

3、將不編碼的內(nèi)含子序列進行剪接，切除。

mRNA只有在修飾全部完成后才能從細胞核被轉(zhuǎn)運到細胞質(zhì)。第130頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五圖3-56mRNA的加工第131頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五

1、真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄是在細胞核內(nèi)，翻譯在細胞質(zhì)中進行；原核生物則在核區(qū)同時進行轉(zhuǎn)錄和翻譯；

2、真核生物一個mRNA只編碼一個基因；原核生物一個mRNA編碼多個基因；

3、真核生物有RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等三種不同的酶；原核生物則只有一種RNA聚合酶；

4、真核生物中轉(zhuǎn)錄的起始更復(fù)雜，RNA的合成需要轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)助進行轉(zhuǎn)錄；原核生物則較為簡單；

5、真核生物的mRNA轉(zhuǎn)錄后進行加工，然后運送到細胞質(zhì)中進行翻譯；原核生物無需進行加工，邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯。（三）原核生物與真核生物RNA轉(zhuǎn)錄的區(qū)別第132頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五從DNA到

蛋白質(zhì)DNA前體RNAmRNA多肽鏈表現(xiàn)性狀的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄——翻譯第133頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五第六節(jié)遺傳密碼與蛋白質(zhì)的翻譯遺傳密碼：指三聯(lián)體，它是遺傳信息的記錄。三聯(lián)體密碼：由三個堿基決定一個氨基酸的密碼子。簡并：一個氨基酸由一個以上的三聯(lián)體密碼子所決定的現(xiàn)象。起始密碼子：AUGGUG終止密碼子：UAAUAGUGA一、遺傳密碼：第134頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五表3-6第135頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五表3-7三聯(lián)密碼第136頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五密碼子通用情況例外情況發(fā)現(xiàn)的生物UGA終止子色氨酸t(yī)rp人和酵母的線粒體枝原體MycoplasmaCUA亮氨酸leu蘇氨酸t(yī)hr酵母的線粒體AUA異亮氨酸ile甲硫氨酸met人的線粒體AGAAGG精氨酸arg終止子人的線粒體UAA終止子谷氨酸gln草履蟲四膜蟲UGA終止子谷氨酸gln草履蟲表3-8近年來發(fā)現(xiàn)的密碼子通用性的一些例外第137頁，共155頁，2023年，2月20日，星期五遺傳密碼子具有以下基本特點：（1）每個密碼子三聯(lián)體(triplet)決定一種氨基酸；（2）兩種密碼子之間無任何核苷酸或其它成分加以分離，即密碼子無逗號;（線性、序列性）；（3）密碼子具有方向性，例如AUC是Ile的密碼子，A為5'端堿基，C為3'端堿基。因此密碼也具有方向性，即mRNA從5'端到3'端的核苷酸排列順序就決