《遺傳學(xué)第七章》課件

第七章遺傳物質(zhì)的復(fù)制和表達(dá)本章將探討遺傳物質(zhì)的復(fù)制和表達(dá)過(guò)程。這兩個(gè)過(guò)程對(duì)于生命體的遺傳信息傳遞至關(guān)重要。我們將深入了解DNA復(fù)制的機(jī)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯的過(guò)程，以及基因調(diào)控的復(fù)雜性。ffbyfsadswefadsgsa一、DNA的復(fù)制復(fù)制的定義DNA復(fù)制是遺傳物質(zhì)從親代傳遞給子代的過(guò)程。它是一個(gè)復(fù)雜的酶促反應(yīng)過(guò)程，確保子代細(xì)胞獲得與親代細(xì)胞相同的遺傳信息。復(fù)制的目的DNA復(fù)制是細(xì)胞增殖和遺傳信息傳遞的基礎(chǔ)。它確保了遺傳信息的完整性和穩(wěn)定性，并為細(xì)胞分裂和生物體的生長(zhǎng)發(fā)育提供必要的遺傳物質(zhì)。復(fù)制的過(guò)程DNA復(fù)制過(guò)程包含多個(gè)步驟，包括解旋、引物合成、子鏈延伸和連接。這些步驟需要多種酶和蛋白的協(xié)同作用，保證了復(fù)制過(guò)程的準(zhǔn)確性和效率。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA分子由兩條反向平行的脫氧核苷酸鏈構(gòu)成，通過(guò)氫鍵連接形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。堿基配對(duì)DNA的兩條鏈通過(guò)堿基配對(duì)結(jié)合，A與T配對(duì)，G與C配對(duì)，形成特定的空間結(jié)構(gòu)。核苷酸結(jié)構(gòu)每個(gè)脫氧核苷酸由一個(gè)脫氧核糖、一個(gè)磷酸基團(tuán)和一個(gè)含氮堿基組成。DNA復(fù)制的化學(xué)過(guò)程模板鏈DNA復(fù)制以親代DNA雙鏈作為模板，每條鏈都作為新鏈的模板。新鏈的堿基順序與模板鏈互補(bǔ)，遵循堿基配對(duì)原則：A與T配對(duì)，G與C配對(duì)。酶復(fù)制過(guò)程需要多種酶參與，例如DNA聚合酶，負(fù)責(zé)添加新的核苷酸，并校對(duì)新鏈的準(zhǔn)確性。拓?fù)洚悩?gòu)酶，負(fù)責(zé)解開(kāi)DNA雙鏈的纏繞。核苷酸復(fù)制需要四種脫氧核苷酸三磷酸：dATP，dGTP，dCTP，dTTP。它們作為復(fù)制原料，為新鏈提供核苷酸。每個(gè)核苷酸都含有能量，用于驅(qū)動(dòng)復(fù)制過(guò)程。DNA復(fù)制的酶促反應(yīng)11.解旋酶解旋酶在復(fù)制起點(diǎn)處將雙鏈DNA解開(kāi)，使兩條單鏈暴露出來(lái)，為復(fù)制提供模板。22.引物酶引物酶是一種RNA聚合酶，它能以DNA為模板合成一段短的RNA引物，為DNA聚合酶提供一個(gè)起始點(diǎn)。33.DNA聚合酶DNA聚合酶以DNA為模板，利用dNTP合成新的DNA鏈，并確保復(fù)制的準(zhǔn)確性。44.連接酶連接酶將岡崎片段之間的RNA引物去除，并將新的DNA片段連接起來(lái)，形成完整的DNA鏈。DNA復(fù)制的連續(xù)性和不連續(xù)性連續(xù)復(fù)制DNA雙鏈的復(fù)制是連續(xù)進(jìn)行的，一條鏈可以連續(xù)合成新的子鏈。不連續(xù)復(fù)制另一條鏈則不能連續(xù)合成，而是以片段的形式合成，然后再連接起來(lái)。復(fù)制叉在復(fù)制過(guò)程中，DNA雙鏈會(huì)解開(kāi)形成復(fù)制叉，復(fù)制的方向相反。岡崎片段不連續(xù)合成的片段稱(chēng)為岡崎片段，每個(gè)片段都有一個(gè)RNA引物。DNA復(fù)制的半保留性概念DNA復(fù)制過(guò)程中，每個(gè)子代DNA分子都保留了親代DNA分子的一條鏈，同時(shí)合成了一條新的互補(bǔ)鏈。這種復(fù)制模式被稱(chēng)為半保留復(fù)制。證明梅塞爾森和斯塔爾使用重同位素氮標(biāo)記DNA進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了DNA復(fù)制的半保留性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在第一代復(fù)制后，子代DNA分子均含有1條重鏈和1條輕鏈。在第二代復(fù)制后，子代DNA分子中一半含有1條重鏈和1條輕鏈，另一半含有2條輕鏈。二、DNA的轉(zhuǎn)錄1DNA模板作為轉(zhuǎn)錄的模板2RNA聚合酶催化RNA的合成3核糖核苷酸作為RNA的構(gòu)建單元4轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物與DNA模板互補(bǔ)的RNADNA的轉(zhuǎn)錄是遺傳信息從DNA傳遞到RNA的過(guò)程，是蛋白質(zhì)合成的第一步。轉(zhuǎn)錄過(guò)程需要DNA模板、RNA聚合酶和核糖核苷酸等參與，最終生成與DNA模板互補(bǔ)的RNA分子。二、DNA的轉(zhuǎn)錄模板鏈DNA雙鏈中作為模板的一條鏈，決定了轉(zhuǎn)錄的RNA序列。轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄過(guò)程中生成的RNA分子，與模板鏈互補(bǔ)。RNA聚合酶催化轉(zhuǎn)錄過(guò)程，識(shí)別并結(jié)合啟動(dòng)子，解開(kāi)DNA雙鏈，并沿模板鏈移動(dòng)，將核苷酸連接成RNA鏈。RNA聚合酶的作用識(shí)別啟動(dòng)子RNA聚合酶識(shí)別基因的啟動(dòng)子序列，啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄過(guò)程。解開(kāi)DNA雙螺旋RNA聚合酶解開(kāi)DNA雙螺旋，使模板鏈暴露，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。催化RNA合成RNA聚合酶催化核糖核苷酸按照模板鏈的堿基順序聚合，合成RNA分子。終止轉(zhuǎn)錄RNA聚合酶遇到終止信號(hào)，停止轉(zhuǎn)錄，釋放合成的RNA分子。轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機(jī)制DNA序列的特異性轉(zhuǎn)錄起始部位的DNA序列，稱(chēng)為啟動(dòng)子，可以特異性地識(shí)別RNA聚合酶，從而啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控作用轉(zhuǎn)錄因子可以與啟動(dòng)子結(jié)合，調(diào)節(jié)RNA聚合酶的活性，從而控制轉(zhuǎn)錄的效率。RNA聚合酶的活性RNA聚合酶的活性受多種因素的影響，例如溫度、pH值以及各種抑制劑等。三、RNA的加工和轉(zhuǎn)運(yùn)在真核生物中，新轉(zhuǎn)錄的RNA被稱(chēng)為前體mRNA，需要經(jīng)過(guò)一系列加工步驟才能成為成熟的mRNA。1加帽在5'端加上一個(gè)7-甲基鳥(niǎo)苷帽2剪接去除內(nèi)含子，連接外顯子3加尾在3'端加上多聚腺苷酸尾加工后的成熟mRNA才能從細(xì)胞核轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)，與核糖體結(jié)合進(jìn)行蛋白質(zhì)的翻譯。原核生物中的RNA加工15'端加帽原核生物mRNA的5'端通常不加帽，但可能存在一些修飾，如磷酸化的核苷酸或寡核苷酸。23'端加尾原核生物mRNA的3'端通常不加尾，但可能存在一些修飾，如多聚腺苷酸化或其他非編碼序列。3RNA剪接原核生物mRNA通常不需要剪接，因?yàn)槠浠蛲ǔＪ沁B續(xù)的，不含內(nèi)含子。4其他加工原核生物可能存在其他RNA加工，如RNA的降解和修飾，以調(diào)節(jié)基因表達(dá)。真核生物中的RNA加工加帽在轉(zhuǎn)錄開(kāi)始時(shí)，在mRNA的5'端添加一個(gè)7-甲基鳥(niǎo)苷帽子。這個(gè)帽子對(duì)于mRNA的穩(wěn)定性和翻譯的起始至關(guān)重要。剪接從前體mRNA中去除內(nèi)含子，并將外顯子連接起來(lái)。剪接是由剪接體復(fù)合物完成的，這個(gè)過(guò)程對(duì)于產(chǎn)生功能性的mRNA至關(guān)重要。多聚腺苷酸化在mRNA的3'端添加一個(gè)多聚腺苷酸尾巴。這個(gè)尾巴可以保護(hù)mRNA免受降解并有助于其從細(xì)胞核中運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)。RNA的轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)RNAtRNA是將氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)到核糖體的適配器分子，它們具有獨(dú)特的二級(jí)結(jié)構(gòu)，可以識(shí)別特定的密碼子和攜帶相應(yīng)的氨基酸。核糖體核糖體是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所，它可以結(jié)合mRNA和tRNA，并催化肽鍵的形成。轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程涉及tRNA與mRNA的配對(duì)，然后tRNA將氨基酸運(yùn)送到核糖體上，最終形成蛋白質(zhì)。四、蛋白質(zhì)的翻譯1遺傳密碼的特點(diǎn)遺傳密碼是決定氨基酸序列的密碼子，它具有通用性、簡(jiǎn)并性、無(wú)重疊性和方向性等特點(diǎn)。2核糖體的結(jié)構(gòu)和功能核糖體由兩個(gè)亞基組成，分別是大亞基和小亞基，它在蛋白質(zhì)合成中起著關(guān)鍵作用，負(fù)責(zé)讀取mRNA上的密碼子和連接氨基酸。3氨基酸的活化和轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸需要與tRNA結(jié)合，形成氨酰-tRNA，才能被運(yùn)送到核糖體上，參與蛋白質(zhì)合成。遺傳密碼的特點(diǎn)三聯(lián)密碼每個(gè)氨基酸由三個(gè)相鄰的核苷酸組成，稱(chēng)為密碼子。簡(jiǎn)并性多個(gè)密碼子可以編碼同一個(gè)氨基酸，提高了遺傳密碼的容錯(cuò)率。通用性幾乎所有生物都使用相同的遺傳密碼，說(shuō)明了生命起源的統(tǒng)一性。無(wú)標(biāo)點(diǎn)密碼子之間沒(méi)有間隔，翻譯時(shí)以三個(gè)核苷酸為單位進(jìn)行讀取。核糖體的結(jié)構(gòu)和功能核糖體的結(jié)構(gòu)核糖體由兩個(gè)亞基組成，分別是大的亞基和小亞基。大亞基包含三個(gè)rRNA分子，小的亞基包含一個(gè)rRNA分子。核糖體蛋白與rRNA結(jié)合在一起形成核糖體的完整結(jié)構(gòu)。核糖體的功能核糖體是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所。在mRNA的指導(dǎo)下，核糖體將tRNA帶來(lái)的氨基酸按照遺傳密碼的順序連接在一起，形成多肽鏈，最終合成蛋白質(zhì)。氨基酸的活化和轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的活化氨基酸在蛋白質(zhì)合成中作為構(gòu)建單元。在翻譯開(kāi)始之前，氨基酸需要活化，即與tRNA結(jié)合形成氨酰-tRNA復(fù)合物。該過(guò)程需要ATP水解和氨酰-tRNA合成酶的催化，確保每個(gè)氨基酸與相應(yīng)的tRNA配對(duì)。氨酰-tRNA的轉(zhuǎn)運(yùn)活化的氨酰-tRNA復(fù)合物隨后被轉(zhuǎn)運(yùn)到核糖體，準(zhǔn)備參與蛋白質(zhì)的合成。tRNA通過(guò)反密碼子與mRNA上的密碼子配對(duì)，將特定的氨基酸添加到正在生長(zhǎng)的多肽鏈中。蛋白質(zhì)的合成過(guò)程11.氨基酰tRNA的形成氨基酸與tRNA結(jié)合形成氨基酰tRNA，需要氨酰tRNA合成酶的催化。22.核糖體與mRNA結(jié)合核糖體小亞基結(jié)合mRNA的起始密碼子，大亞基隨后結(jié)合形成完整的核糖體。33.肽鏈的延伸核糖體沿著mRNA移動(dòng)，依次識(shí)別密碼子并添加相應(yīng)的氨基酸，形成肽鏈。44.肽鏈的終止遇到終止密碼子時(shí)，肽鏈從核糖體上脫落，合成過(guò)程結(jié)束。五、基因表達(dá)的調(diào)控基因表達(dá)的調(diào)控是指生物體對(duì)基因表達(dá)水平的控制，從而影響蛋白質(zhì)的合成，最終決定生物體的性狀。1轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控調(diào)節(jié)RNA聚合酶的結(jié)合和轉(zhuǎn)錄起始2翻譯水平調(diào)控影響mRNA的穩(wěn)定性、翻譯起始和翻譯效率3蛋白質(zhì)水平調(diào)控調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的折疊、修飾、降解和活性基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，受到多種因素的共同影響，例如環(huán)境、遺傳因素、激素、信號(hào)通路等。二、基因表達(dá)的調(diào)控操縱子模型操縱子模型解釋了原核生物中基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制。它由啟動(dòng)子、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因組成。操縱基因是調(diào)節(jié)蛋白的結(jié)合位點(diǎn)，控制結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。阻遏蛋白的作用當(dāng)阻遏蛋白結(jié)合到操縱基因時(shí)，它會(huì)阻止RNA聚合酶結(jié)合到啟動(dòng)子，從而抑制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。誘導(dǎo)劑的作用誘導(dǎo)劑可以與阻遏蛋白結(jié)合，改變其構(gòu)象，使其失去與操縱基因的結(jié)合能力，從而解除對(duì)結(jié)構(gòu)基因的抑制，啟動(dòng)基因的表達(dá)。真核生物中的基因表達(dá)調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控真核生物基因表達(dá)調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，包括轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合、染色質(zhì)重塑和RNA剪接等。翻譯水平調(diào)控翻譯起始、延伸和終止階段都受到嚴(yán)格調(diào)控，影響蛋白質(zhì)合成的效率和最終產(chǎn)物。蛋白質(zhì)水平調(diào)控蛋白質(zhì)翻譯后修飾、降解和定位都受到精細(xì)調(diào)控，影響蛋白質(zhì)的活性、穩(wěn)定性和功能。表觀遺傳學(xué)調(diào)控DNA甲基化、組蛋白修飾等表觀遺傳學(xué)修飾影響基因的表達(dá)，并參與發(fā)育、疾病等重要過(guò)程。四、表觀遺傳學(xué)調(diào)控DNA甲基化DNA甲基化是表觀遺傳學(xué)調(diào)控的重要機(jī)制之一，在基因表達(dá)的調(diào)節(jié)中起著至關(guān)重要的作用。它可以通過(guò)添加或移除甲基基團(tuán)來(lái)改變基因的活性，從而影響細(xì)胞的功能和命運(yùn)。組蛋白修飾組蛋白修飾是指在組蛋白上添加或移除化學(xué)基團(tuán)，如乙?；蚣谆鶊F(tuán)。這些修飾可以改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而影響基因的可接近性，進(jìn)而影響基因的表達(dá)。非編碼RNA非編碼RNA是一類(lèi)不編碼蛋白質(zhì)的RNA分子，它們?cè)诨虮磉_(dá)的調(diào)控中起著重要的作用。它們可以與DNA、RNA或蛋白質(zhì)相互作用，從而影響基因的表達(dá)。六、基因工程技術(shù)重組DNA技術(shù)重組DNA技術(shù)是基因工程的核心技術(shù)，通過(guò)將不同來(lái)源的DNA片段連接起來(lái)，形成新的DNA分子，并導(dǎo)入受體細(xì)胞，從而獲得新的基因型和表型?；蚩寺〖夹g(shù)基因克隆技術(shù)是指將目的基因片段導(dǎo)入受體細(xì)胞，并使其大量復(fù)制的過(guò)程，可用于生產(chǎn)大量目的基因、蛋白質(zhì)或其他生物制品?；驕y(cè)序技術(shù)基因測(cè)序技術(shù)是指測(cè)定DNA序列的技術(shù)，可用于識(shí)別基因的結(jié)構(gòu)和功能，診斷遺傳疾病，追蹤疾病的傳播途徑，以及進(jìn)行親子鑒定等。六、基因工程技術(shù)重組DNA技術(shù)重組DNA技術(shù)是指將不同來(lái)源的DNA片段連接在一起，形成新的DNA分子，并將其導(dǎo)入宿主細(xì)胞，使之表達(dá)新的基因。限制性?xún)?nèi)切酶的應(yīng)用DNA連接酶的應(yīng)用載體的選擇與構(gòu)建轉(zhuǎn)化技術(shù)基因克隆技術(shù)1定義與目的基因克隆是指將目標(biāo)基因從生物體中分離出來(lái)，并將其插入到載體中，然后將載體導(dǎo)入宿主細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)基因的復(fù)制和擴(kuò)增。2主要步驟基因克隆技術(shù)通常包括以下步驟：基因的獲取、載體的構(gòu)建、基因的連接、重組載體的導(dǎo)入和篩選、克隆基因的表達(dá)等。3應(yīng)用領(lǐng)域基因克隆技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域，例如基因治療、轉(zhuǎn)基因動(dòng)植