遗传学第三章遗传物质的分子基础ppt课件.ppt
第三章遗传物质的分子基础,问题：,假如我们仅仅知道起遗传作用的是染色体，又有分离各种成分的手段，下一步研究遗传可做什么工作？假如现在知道遗传的物质是在细胞内，接下去希望了解什么？,第二章 遗传物质的分子基础,第一节 DNA作为主要遗传物质的证据,基因的功能,、遗传功能：（基因的复制）遗传物质贮存遗传信息，并复制遗传信息，一代一代精确地传递。 、表型功能：（基因的表达）遗传物质控制生物体性状的发育和表达。 、进化功能（基因的变异）遗传物质发生变异，以适应外界环境的变化，没有变异就没有进化,遗传物质必须符合的条件:,1.必须能准确地复制( 基因能自我繁殖)2.能稳定从上一代传到下代( 生物性状代代相传)3.具备多样性,能贮藏大量信息( 生物性状具多样性)4.具有可变性 ( 生物是可变的),一、DNA作为主要遗传物质的间接证据：,第二章 遗传物质的分子基础,1.含量：DNA含量恒定。体细胞中DNA含量是配子DNA的一倍；多倍体中，DNA含量倍增。细胞内的蛋白质含量是不恒定的。2.代谢：利用放射性与非放射性元素进行标记，发现：DNA分子代谢较稳定；其它分子一面形成、同时又一面分解。,第二章 遗传物质的分子基础,3.突变：,第二章 遗传物质的分子基础,4.分布： DNA是所有生物染色体所共有：从噬菌体、病毒、植物一直到人类。 而蛋白质则不同：噬菌体、病毒、细菌的蛋白质一般不存在于染色体，只有真核生物的染色体才由核蛋白组成。,第二章 遗传物质的分子基础,二、DNA作为主要遗传物质的直接证据,1细菌的转化：,第二章 遗传物质的分子基础,（1）格里菲思（1928）定向转化实验,第二章 遗传物质的分子基础,结论：被杀死的S型肺炎双球菌必然含有某种耐高温的活性物质，使得R型转变为S，无毒变为有毒。, 阿委瑞(Avery O. T.，1944)试验：用生物化学方法证明这种活性物质是DNA。,1. 噬菌体介绍,2. 噬菌体侵染与繁殖,2. 侵染实验：,第三章 遗传物质的分子基础,烟草花叶病毒的感染和繁殖：,第二章 遗传物质的分子基础,烟草花叶病毒简称TMV (Tobacco Mosaic Virus)。 TMV的蛋白质外壳和单螺旋RNA接种：TMV蛋白质 烟草 不发病；TMV RNA 烟草 发病 新的TMV；TMV RNARNA酶 烟草 不发病。,三、无DNA生物中，RNA是遗传物质及其证据,佛兰科尔-康拉特与辛格尔的试验,结果：亲本的RNA决定了后代的RNA和蛋白质。证明RNA是TMV的遗传物质。,第二章 遗传物质的分子基础,第二节DNA和RNA的化学结构,第二章 遗传物质的分子基础,一、两种核酸及分布,1核酸：以核苷酸为单元构成的多聚体，是一种高分子化合物。,第二章 遗传物质的分子基础,第二章 遗传物质的分子基础,五种碱基,第三章 遗传物质的分子基础,嘌呤类,嘧啶类,第二章 遗传物质的分子基础,第二章 遗传物质的分子基础,2分布：高等植物：DNA存在于染色体，叶绿体、线粒体中；RNA在核（核仁、染色体）、细胞质中。细菌：DNA和RNA。噬菌体：多数只有DNA。植物病毒：多数只有RNA。动物病毒：有些含RNA、有些含DNA。,二、DNA的化学结构：,第二章 遗传物质的分子基础,、DNA双螺旋结构：1953年，沃森(Watson J. D.)和克里克(CrickF. H. C.)提出DNA双螺旋结构模型。主要依据为：碱基互补配对的规律以及DNA分子的X射线衍射结果。沃森和克里克与维尔肯斯(Wilkins)一起获得诺贝尔奖 (1962) 。,模型最主要的特点, 两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，彼此以一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，很像一个扭曲的梯子； 两条多核苷酸链走向为反向平行； 每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过氢键与它的互补碱基联系，A与T间形成两对氢键，G与C间形成三对氢键，上下碱基间的距离为0.34nm； 每个螺旋为3.4nm长，刚好含10个碱基对，其直径约为2nm； 在双螺旋分子的表面大沟与小沟交替出现。,第三章 遗传物质的分子基础,碱基的排列方式,A-T、G-C排列方法有以下四种： A-T 或 G-C 或 G-C A-T C-G 或 A-T A-T C-G设某一段DNA分子链有1000对碱基,则有41000种不同的排列组合，就可能有41000种不同性质的基因。,第三章 遗传物质的分子基础,三、RNA的化学结构：,第三章 遗传物质的分子基础,与DNA的区别： U代替T； 核糖代替脱氧核糖； 一般以单链存在。,作业：,1. 从某植物中分离出的DNA中，观察到核苷酸A的百分比是30.7%，预计T、G、C的比例各为多少？2. 每一个人类二倍体细胞中约有3.3109个核苷酸对。如果细胞分裂中期时人染色体的平均长度约为6m，则平均的压缩比是多少？,第二章 遗传物质的分子基础,第三节 DNA的复制 DNA replication,一、DNA复制的一般特点,（一）半保留复制1.瓦特森(Watson)等提出的DNA半保留复制方式。其方法为：一端沿氢键逐渐断开；以单链为模板，碱基互补；氢键结合，聚合酶等连接；形成新的互补链；形成了两个新DNA分子。DNA的这种复制方式对保持生物遗传的稳定是非常重要的。,第二章 遗传物质的分子基础,第二章 遗传物质的分子基础,、复制起点和复制方向：1.原核生物绝大多数细菌和病毒：只有一个复制起点，控制整个染色体的复制，且为双向复制。噬菌体P2：其DNA的复制是沿一个方向进行的。复制子：在同一个复制起点控制下的一段DNA序列,第二章 遗传物质的分子基础,2.真核生物每条染色体的DNA复制都是多起点，多个复制起点共同控制整个染色体的复制；每条染色体有多个复制子；且为双向复制；,DNA聚合酶连接酶 （ligase）解旋酶 （helicase）拓扑异构酶,二、原核生物DNA的复制,（一）有关DNA合成的酶,二、原核生物DNA的合成,（二）DNA聚合酶 （DNA polymerase）,第二章 遗传物质的分子基础,三种DNA合成酶在决定DNA合成方面的共同特性：三种酶都只有53聚合酶的功能，而没有35聚合酶功能；它们都没有直接起始DNA合成的能力，只有在引物存在下进行链的延伸；三种酶都具有核酸外切酶功能，可对合成中发生的错误进行校正，保证DNA复制的高度准确性。,第三章 遗传物质的分子基础,（二）DNA复制过程,1DNA双螺旋的解链* DNA解旋酶在ATP供能下，每分钟旋转3000次解开双螺旋；* 单链DNA结合蛋白马上结合在分开的单链上，以避免产生单链内配对；* DNA拓扑异构酶来解决由于复制叉的推进而产生超螺旋。,第三章 遗传物质的分子基础,第三章 遗传物质的分子基础,2. DNA合成的开始 合成DNA片段之前，先由RNA聚合酶合成一小段RNA引物(约有20个碱基对), DNA聚合酶才开始起作用合成DNA片段。,3.一条DNA链连续合成，一条链不连续,DNA聚合酶，以5 3 方向发挥作用；从3 5 合成方向的一条链，就会遇到麻烦。Kornberg A. (1967)提出不连续复制假说：在3 5方向链上，仍按从5 3的方向一段段地合成DNA单链小片段“冈崎片段”(10002000个bp) 由连接酶连接这些片段 形成一条连续的单链。,第三章 遗传物质的分子基础,第三章 遗传物质的分子基础,后随链的复制,第三章 遗传物质的分子基础,4RNA病毒中RNA的自我复制：(1)单链RNA病毒先以自己（+链）为模板合成一条互补单链（链） 形成双螺旋的复制型。(2)链从+链模板中放释出来。(3)以链为模板复制一条互补的+链 形成一条新的病毒RNA,三、真核生物DNA合成的特点,第三章 遗传物质的分子基础,Polymerase chain reaction （PCR）,PCR产物电泳检测,第五节RNA的转录及加工,第三章 遗传物质的分子基础,第三章 遗传物质的分子基础,一、三种RNA分子:（一）信使RNA (mRNA),（二）tRNA,第三章 遗传物质的分子基础, 分子量为2500030000； 7090个核苷酸组成； 稀有碱基，如假尿嘧啶等；tRNA的结构：5端之末具有G（大部分）或C；3端之末都以ACC结尾；一个富有鸟嘌呤的环；一个反密码子环；一个胸腺嘧啶环；,第三章 遗传物质的分子基础,第三章 遗传物质的分子基础,、rRNA原核生物rRNA（3种）:5S: 120个核苷酸；16S: 1540个核苷酸；23S: 2900个核苷酸。真核生物rRNA（4种）:5S:120个核苷酸；5.8S: 160个核苷酸；18S: 1900个核苷酸；28S: 4700个核苷酸。右图为rRNA与核糖体的组装。,第三章 遗传物质的分子基础,其它RNA：,第三章 遗传物质的分子基础,小核RNA（snRNA）它是真核生物转录后加工过程中RNA剪切体的主要成分，一直存在于细胞核中。端体酶RNA它与染色体末端复制有关。反义RNA它参与基因的调控。,二、RNA合成的一般特点,第三章 遗传物质的分子基础,与DNA合成一样，RNA合成也从5到3端进行；同样遵循碱基配对的规则，只是U代替了T；但在原核生物中只有一种RNA聚合酶完成所有RNA的转录，真核生物中有3种不同的RNA控制不同类型RNA的合成。,第三章 遗传物质的分子基础,三、原核生物RNA的合成： RNA链的起始； RNA链的延伸； RNA链的终止及新链的释放；,第三章 遗传物质的分子基础,、RNA聚合酶：亚基与四聚体核心酶形成有关；亚基存在核苷三磷酸的结合位点；含有与DNA模板结合的位点；因子只与RNA转录的起始有关。,第三章 遗传物质的分子基础,、RNA链合成的起始：,第三章 遗传物质的分子基础,、RNA链的延伸：,第三章 遗传物质的分子基础,、RNA链的终止 依赖因子的终止； 不依赖因子的终止。,四、真核生物RNA的转录及加工,第三章 遗传物质的分子基础,第三章 遗传物质的分子基础,、原核生物与真核生物RNA转录的区别1. 真核生物RNA的转录是在细胞核内，翻译在细胞质中进行；原核生物则在核区同时进行转录和翻译；2. 真核生物一个mRNA只编码一个基因；原核生物一个mRNA编码多个基因；3. 真核生物有RNA聚合酶、等三种不同的酶；原核生物则只有一种RNA聚合酶；4. 真核生物中转录的起始更复杂，RNA的合成需要转录因子的协助进行转录；原核生物则较为简单；5. 真核生物的mRNA 转录后进行加工，然后运送到细胞质中进行翻译；原核生物无需进行加工，边转录边翻译。参看下图。,第三章 遗传物质的分子基础,、真核生物RNA转录后的加工5端戴帽； 3端加尾； 内含子剪切。,第三章 遗传物质的分子基础,真核生物中：mRNA前体的成熟过程，切除内含子，衔接外显子。,第六节遗传密码与蛋白质的翻译,第三章 遗传物质的分子基础,第三章 遗传物质的分子基础,一、遗传密码： 、密码子与氨基酸DNA分子碱基只有4种，而蛋白质氨基酸有20种。 碱基与氨基酸之间不可能一一对应。141=4种：缺16种氨基酸；242=16种：比现存的20种氨基酸还缺4种；343=64种：由三个碱基一起组成的密码子能够形成64种组合，20种氨基酸多出44种。简并：一个氨基酸由二个或二个以上的三联体密码所决定的现象。三联体或密码子：代表一个氨基酸的三个一组的核苷酸。,第三章 遗传物质的分子基础,、遗传密码字典每一个三联体密码所翻译的氨基酸是什么呢?从1961年开始，在大量试验的基础上，分别利用64个已知三联体密码，找到了相对应的氨基酸。19661967年，完成了全部遗传密码表，如UGG为色氨酸。,遗传密码的破译,Matthei证明polyU合成的肽链全是苯丙氨酸（phe）,遗传密码字典,第三章 遗传物质的分子基础,第三章 遗传物质的分子基础,、遗传密码的基本特征：1遗传密码为三联体：三个碱基决定一种氨基酸；61个为有意密码，起始密码为GUG、AUG(甲硫氨酸)；3个为无意密码，UAA、UAG、UGA为蛋白质合成终止信号。2. 遗传密码间不能重复:在一个mRNA上每个碱基只属于一个密码子；均以3个一组形成氨基酸密码,第三章 遗传物质的分子基础,3.遗传密码间无逗号：AUG GUACUGUCA 甲硫氨酸 缬氨酸 亮氨酸 丝氨酸 密码子与密码子之间无逗号，按三个三个的顺序一直阅读下去，不漏读不重复。 如果中间某个碱基增加或缺失后，阅读就会按新的顺序进行下去，最终形成的多肽链就与原先的完全不一样(称为移码突变)。AUG UACUGUCA甲硫氨酸 酪氨酸 半胱氨酸,第三章 遗传物质的分子基础,4简并性：. 简并现象：色氨酸(UGG)和甲硫氨酸(AUG)例外，仅一个三联体密码；其余氨基酸都有一种以上的密码子。. 61个为有意密码，起始密码为GUG、AUG(甲硫氨酸)。3个为无意密码，UAA、UAG、UGA为蛋白质合成终止信号。. 简并现象的意义：同义的密码子越多，生物遗传的稳定性也越大。如：UCU UCC或UCA或UCG，均为丝氨酸。,第三章 遗传物质的分子基础,5遗传密码的有序性：决定同一个氨基酸或性质相近的不同氨基酸的多个密码子中，第1个和第2个碱基的重要性大于第3个碱基，往往只是最后一个碱基发生变化。例如：脯氨酸（pro）：CCU、CCA、CCC、CCG。,第三章 遗传物质的分子基础,6通用性： 在整个生物界中，从病毒到人类，遗传密码通用。4个基本碱基符号 所有氨基酸 所有蛋白质 生物种类、生物体性状。 1980年以后发现：具有自我复制能力的线粒体tRNA(转移核糖核酸)在阅读个别密码子时有不同的翻译方式。如：酵母、链孢霉与哺乳动物的线粒体。,第三章 遗传物质的分子基础,二、蛋白质的合成： 、核糖体：,下表为原核生物与真核生物核糖体的区别。,第三章 遗传物质的分子基础,（二）核糖体中蛋白质的合成,多肽链的起始原核生物例：大肠杆菌,第三章 遗传物质的分子基础,真核生物蛋白质的起始明显不同于原核生物：a、蛋白质合成的起始氨基酸为甲硫氨酸而不是甲酰化甲硫氨酸；b、合成的起始位置一般在mRNA5端的第一个起始密码子AUG位置，而不是在一个特殊的起始序列处。,第三章 遗传物质的分子基础,多肽链的延伸,第三章 遗传物质的分子基础,在核体上合成蛋白质,多肽链的终止,第三章 遗传物质的分子基础,多聚核榶体,第三章 遗传物质的分子基础,三、中心法则及其发展：,第三章 遗传物质的分子基础,1中心法则：从噬菌体到真核生物的整个生物界共同遵循的规律。遗传信息DNA mRNA 蛋白质的转录和翻译，以及遗传信息从DNA DNA的复制过程。,2中心法则的发展,第三章 遗传物质的分子基础,第三章 遗传物质的分子基础,. RNA的反转录RNA肿瘤病毒：反转录酶，以RNA为模板来合成DNA。如：HIV病毒RNA经反转录成DNA，然后整合到人类染色体中。对于遗传工程上基因的酶促合成、致癌机理研究有重要作用。增加中心法则中遗传信息的流向，丰富了中心法则内容。,第三章 遗传物质的分子基础,. RNA的自我复制：大部分RNA病毒还可以把RNA直接复制成RNA。. DNA指导的蛋白质合成：60年代中期，麦克斯（McCarthy）和荷勒（Holland）：试验体系中加入抗生素等，变性的单链DNA在离体条件下可以直接与核糖体结合，指导蛋白质的合成。,本章小结,1.DNA是主要的遗传物质：间接证据(4个)直接证据(3个)2.核酸的化学结构:DNA的分子结构，双螺旋结构，自我复制。3.染色体的分子结构：原核生物染色体结构模型；真核生物染色体的折叠模型。,4.DNA的复制：DNA的半保留复制；真核与原核生物的复制特点。5.RNA的转录及加工：三种RNA分子；原核生物RNA合成的特点；真核生物RNA的转录及加工。6.遗传密码与蛋白质的翻译：遗传密码：指三联体，它是遗传信息的记录；遗传信息：核苷酸一定的排列顺序；三联体：由三个碱基决定一个氨基酸的密码子；简并：一个以上三联体密码决定一个氨基酸的现象；中心法则及其发展。,
