暨大普通生物学21基因的分子生物学.pptx
二十一、基因的分子生物学 遗传物质及其结构 DNA复制 遗传信息流是从DNA到 RNA到蛋白质 遗传物质的改变,艾弗里（美国）1944，证明：“因子”即脱氧核糖核酸（DNA）克里克&沃森 1953年 DNA双螺旋结构模型 分子遗传学,（一）遗传物质及其结构 1.遗传物质是DNA（或RNA）的直接证明（1）肺炎球菌的转化实验 1928年，细菌学家Frederick Griffith进行了此实验。,有毒株（光滑型，S）,无毒株（粗糙型，R）,这一实验后经艾弗里（Oswald Avery）于1944证实转化物质是 DNA,（2）Hershey-Chase关于T2噬菌体的感染实验,噬菌体是一类专门攻击细菌的病毒。,T4噬菌体由椭圆形的二十面体头部、颈部和螺旋对称的尾部三个部分构成，是病毒中复合对称的代表。,头部内的核心是dsDNA,35S标记蛋白质,32P标记 DNA,进入细胞的是蛋白质还是DNA？,35S 标记外壳蛋白质,感染后放射标记不进入大肠杆菌细胞,32P 标记 DNA,感染后放射标记进入大肠杆菌细胞,2.DNA与RNA是多核苷酸的聚合体（1）Chargaff法则 Chargaff指出：DNA中：A=T G=C 这一现象称为Chargaff法则（2）DNA和RNA是多核苷酸的聚合体,3.DNA不朽的双螺旋,1953 美国化学家 J.Watson 英国剑桥物理学家 F.Crick DNA分子结构双螺旋模型 分子遗传学 诺贝尔奖（1962）,（二）DNA复制 1.DNA复制依赖于特殊的碱基配对 两条链对应碱基呈配对关系 AT GC,2.DNA复制是半保留式的,DNA的复制总是由5向3 方向进行 DNA的半保留复制保证了所有的体细胞都携带相同的遗传信息，并可以将遗传信息稳定地传递给下一代,DNA的半保留复制,复制过程,3.DNA聚合酶与冈崎片段 1）DNA聚合酶 作用：促使游离的核苷酸准确地与模板互补结合；促使与模板结合的核苷酸 多聚反应 连接成新链,作用方式的特点：沿模板（旧链）的3端依次向5端进行；新链沿5端依次向3端形成进行 2）冈崎片段 模板链为5 3时，先反方向地合成一系列小的片段（冈崎片段），然后通过DNA连接酶进行连接。,（三）遗传信息流是从DNA到RNA到蛋白质 1.蛋白质是表型特征的分子基础 1909年，A.Garrod（英国内科医生）在研究尿黑酸症时提出：基因通过酶对一些生化过程的催化作用来决定生物的表型。,20世纪40年代，美国遗传学家George Beadle和Edward Taturm通过对粗糙脉孢菌的研究提出：“一个基因一个酶”（于1958年获诺贝尔奖）。后修改为“一个基因一条多肽链”。,提出这一假说的根据：将粗糙脉孢菌用X射线处理后，发现了3种营养缺陷型（突变型）,精氨酸的合成：arg1 arg2 arg3 酶 酶 酶前体 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨酸突变型：arg1基因突变 补充精氨酸、瓜氨酸或鸟氨酸,突变型：arg2基因突变 补充精氨酸或瓜氨酸 突变型：arg3基因突变 补充精氨酸,原核细胞mRNA的结构特点,2.DNA与蛋白质的合成（1）RNA的结构与功能 mRNA、rRNA、tRNA,rRNA的分子结构,特征：单链，螺旋化程度较tRNA低 与蛋白质组成核糖体后才能 发挥其功能,5sRNA的二级结构,tRNA 的结构,二级结构特征：单链 三叶草叶形 四臂四环,三级结构 特征：在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒L型,遗传信息流：转录 翻译 DNA RNA 蛋白质 转录：在细胞核中进行 翻译：在细胞质中进行,（2）转录从DNA到RNA RNA聚合酶：1）存在于原核细胞的，全能 2）存在于真核细胞的分三类：RNA聚合酶：转录产物是rRNA RNA聚合酶II：转录产物是hnRNA RNA聚合酶：转录产物是 tRNA、5sRNA,1）转录的定义 以DNA为模板，通过RNA聚合酶使碱基互补配对合成RNA的过程。2）转录方式的特点 全保留式：DNA 转录 单链的RNA分子；而DNA仍保留原来的双链结构,3）转录的过程 原核生物（大肠杆菌）起始 延伸 终止 启动子 终止子,遗传密码表,（3）遗传密码,遗传密码的特点：1）连续性 2）简并性（兼并性）3）有偏爱密码子 4）专一性 5）有3个终止密码 UAG、UAA、UGA 6）通用性（通用字典）,真核细胞信息流动,3.遗传信息在细胞质中被翻译,翻译：以mRNA为模板合成蛋白质的过程。,3,5,（1）tRNA携带氨基酸,反密码子,（2）核糖体“阅读”密码子，氨基酸连成多肽,核糖体,RF,翻译的过程：,肽链合成的起始肽链的延长肽链合成的终止及释放,4.中心法则 遗传信息流从DNA RNA 蛋白质（1）中心法则 自我复制 转录 转译 DNA RNA 蛋白质,（2）中心法则的发展 1）反转录酶的发现 1970发现 RNA不仅可以自我复制，还可将遗传信息反过来传递给DNA。2）DNA翻译 在实验室中实现,DNA,RNA,中心法则,3）对中心法则的挑战 疯牛病：海绵状脑病 病原体：朊粒（Prion）为传染性蛋白质颗粒（proteinaceous infectious particle，pr+i+on=prion），也称为“朊病毒”。朊粒是一类不具备DNA和RNA也可以繁殖、遗传的生命体。遗传信息也可能存在于蛋白质之中,为何prion能传染？观点：1）PrP基因 糖蛋白PrPc（正常）转变 PrPc PrPsc（有感染力的病原体）PrPc+PrPsc=2PrPsc（有感染力的病原体）,2）PrPc PrP*PrPsc（正常时少）进入 外源PrPsc PrP*PrPsc（剧增）PrPsc 在神经细胞中逐渐沉积，最终引起神经退行性病变。特点：潜伏期长（28 40年）；死亡率高（半年至1年内 100%死亡）；有较强的传染性。,（四）遗传物质的改变 1.染色体畸变与人类疾病（1）染色体结构变异 1）研究染色体畸变的好材料,多线染色体,缺失a：末端缺失；b：中间缺失,A.缺失（deletion）,2）染色体结构变异的类型,B.重复（duplication）,C.倒位（inversion）,平衡易位不平衡易位,罗伯逊易位,D.易位（translocation）,例：猫叫综合症（第5染色体短臂缺失）,（2）染色体数目变异 1）整倍变化 单倍体（haploid）多倍体（无子西瓜 3n）2）非整倍变化 三体（trisomics 2n1）单体（monosomics 2n1）,2.基因突变 定义：基因结构（DNA顺序）发生变化；特点：比染色体突变更为重要 基因结构改变 使遗传物质增加了新内容 产生了生物体祖先没有的新性状 增加了生物进化的新内容,突变（变异）的遗传 生殖细胞的突变：可遗传；体细胞的突变：不可遗传 只能影响当代生物体的性状 但可以通过无性繁殖传给后代,（1）两种形式的基因突变 1）碱基置换 1种碱基被另1种碱基替换 类型：转换(transition)：嘌呤被嘌呤替换 嘧啶被嘧啶替换 颠换(transversion)：嘌呤被嘧啶替换 嘧啶被嘌呤替换,后果：碱基数量未变；只影响个别密码子,实例：镰形细胞贫血症 血红蛋白组成：4条多肽链 2条链（141个AAs）2条链（146个AAs）链第6个AA：正常 谷氨酸 异常 颉氨酸,一个基因缺陷会导致多种症状,2）移码突变 定义：在DNA的碱基序列中 插入（或失去）1（或几）个碱基 后果：该处以后全部密码子都被打乱 转录、转译都发生异常 产生的蛋白质分子全部改变 死亡 前后丢失、插入的碱基正好相抵 影响不大也可能不死亡,（2）突变的诱发 诱变剂的作用 诱变剂：诱发基因突变的因素 辐射；化学诱变剂；其他诱变因素（高温、低温等）诱变剂的意义：危害：强烈致癌物质；利用：人工诱发突变 人工选择+育种措施 优良品种,1）辐射,紫外线诱发的胸腺嘧啶二聚体,亚硝酸引起DNA碱基对的改变 图中A被其脱去氨基后可变成次黄嘌呤（H），H不能再与T配对，而变为与C配对，经DNA复制后，可形成T-AC-G的转换,2）化学诱变剂,5-溴尿嘧啶(5-BU)引起的DNA碱基对的改变 5-BU与腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）均可配对。如果5-BU取代T以后一直保持与A配对，所产生的影响并不大；若与G配对，经一次复制后，就可以使原来的A-T对变换成G-C对,G,光复活修复的过程,3.DNA损伤修复,错配修复直接修复切除修复重组修复易错修复,切除修复(最常见)核酸内切酶先在嘧啶二聚体附近切开DNA单链，然后以另一条正常链为模板，按碱基互补原则补齐需切除部分的碱基序列，最后由核酸内切酶切去含嘧啶二聚体的片段，并由连接酶将断口与新合成的DNA片段连接起来。,大肠杆菌RNA聚合酶的结构示意图,核心酶(2),起始因子,和模板DNA结合起始和催化聚合反应,全酶(),转录过程,起始,双链DNA局部解开,磷酸二酯键形成,终止阶段,解链区到达基因终点,延长阶段,RNA,启动子（promoter),终止子(terminator),先天愚型病（三条 21 号染色体）,先天愚型病患者有独特的面部特征,先天愚型病患者有三条 21 号染色体,新生儿患病概率与母亲年龄有关,镰形细胞贫血症,移码突变,
