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1、 二十一、基因的分子生物学二十一、基因的分子生物学 遗传物质及其结构遗传物质及其结构 DNADNA复制复制 遗传信息流是从遗传信息流是从DNADNA到到 RNARNA到蛋白质到蛋白质 遗传物质的改变遗传物质的改变 艾弗里艾弗里（美国）（美国） 19441944， 证明：证明：“因子因子”即脱氧核糖核酸（即脱氧核糖核酸（DNADNA） 克里克克里克 & & 沃森沃森 19531953年年 DNADNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型 分子遗传学分子遗传学 （一）（一）遗传物质及其结构遗传物质及其结构 1. 1. 遗传物质是遗传物质是DNADNA（或（或RNARNA）的直）的直接证明接证明 （1 1）
2、肺炎球菌的转化实验）肺炎球菌的转化实验 19281928年，细菌学家年，细菌学家Frederick GriffithFrederick Griffith进行进行了此实验。了此实验。 有毒株有毒株（光滑型，（光滑型，S S）无毒株（粗糙型，无毒株（粗糙型，R R）这一实验后经这一实验后经艾弗里艾弗里（Oswald AveryOswald Avery）于于19441944证实证实转化物质是转化物质是 DNADNA （2 2）Hershey-ChaseHershey-Chase关于关于T2T2噬菌体的感染噬菌体的感染实验实验 噬菌噬菌体是体是一类一类专门专门攻击攻击细菌细菌的病的病毒。毒。T4噬菌体
3、由椭圆形的二噬菌体由椭圆形的二十面体头部、颈部和螺十面体头部、颈部和螺旋对称的尾部三个部分旋对称的尾部三个部分构成，是病毒中复合对构成，是病毒中复合对称的代表。称的代表。头部内的核心是头部内的核心是dsDNA3535S S标记蛋标记蛋白质白质3232P P标记标记 DNADNA进入细胞的是蛋白质还是进入细胞的是蛋白质还是DNADNA？3535S S 标记外壳蛋白质标记外壳蛋白质, ,感染后放射标记不进入大肠杆菌细胞感染后放射标记不进入大肠杆菌细胞3232P P 标记标记 DNA ,DNA ,感染后放射标记进入大肠杆菌细胞感染后放射标记进入大肠杆菌细胞 2. DNA 2. DNA与与RNARNA
4、是多核苷酸的聚合体是多核苷酸的聚合体 （1 1）ChargaffChargaff法则法则 ChargaffChargaff指出：指出： DNADNA中：中：A = TA = T G = C G = C 这一现象称为这一现象称为ChargaffChargaff法则法则 （2 2）DNADNA和和RNARNA是多核苷酸的聚合体是多核苷酸的聚合体 3. DNA3. DNA不朽的双螺旋不朽的双螺旋 1953 1953 美国化学家美国化学家 J. Watson J. Watson 英国剑桥物理学英国剑桥物理学家家 F. Crick F. Crick DNA DNA分子结构双分子结构双螺旋模型螺旋模型 分
5、子遗分子遗传学传学 诺贝尔奖诺贝尔奖 （19621962） （二）（二）DNADNA复制复制 1. DNA1. DNA复制依赖于特殊的碱基配对复制依赖于特殊的碱基配对 两条链对应碱基呈配对关系两条链对应碱基呈配对关系 A AT GCT GC 2. DNA2. DNA复制是半复制是半保留式的保留式的 DNADNA的复制总是由的复制总是由55向向3 3 方向进方向进行行 DNADNA的半保留复的半保留复制保证了所有的体制保证了所有的体细胞都携带相同的细胞都携带相同的遗传信息，并可以遗传信息，并可以将遗传信息稳定地将遗传信息稳定地传递给下一代传递给下一代 DNA DNA的半保留复制的半保留复制复制过
6、程复制过程 3. DNA 3. DNA聚合酶与冈崎片段聚合酶与冈崎片段 1 1） DNADNA聚合酶聚合酶 作用：作用： 促使游离的核苷酸准确地与模板互补促使游离的核苷酸准确地与模板互补结合；结合； 促使与模板结合的核苷酸促使与模板结合的核苷酸 多聚反应多聚反应 连接成新链连接成新链 作用方式的特点：作用方式的特点： 沿模板（旧链）的沿模板（旧链）的3 3端依次向端依次向5 5端进行；端进行； 新链沿新链沿5 5端依次向端依次向3 3端形成进行端形成进行 2 2）冈崎片段）冈崎片段 模板链为模板链为5 35 3时，先反方向地合成一系时，先反方向地合成一系列小的片段（列小的片段（冈崎片段冈崎片段
7、），然后通过），然后通过DNADNA连接酶进行连接。连接酶进行连接。 （三）遗传信息流是从（三）遗传信息流是从DNADNA到到RNARNA到到蛋白质蛋白质 1. 1. 蛋白质是表型特征的分子基础蛋白质是表型特征的分子基础 19091909年，年，A. GarrodA. Garrod（英国内科医生）（英国内科医生）在研究尿黑酸症时提出：基因通过酶对一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。些生化过程的催化作用来决定生物的表型。 2020世纪世纪4040年代，美国遗传学家年代，美国遗传学家George George BeadleBeadle和和Edward Tat
8、urmEdward Taturm通过对粗糙脉孢菌通过对粗糙脉孢菌的研究提出：的研究提出：“一个基因一个酶一个基因一个酶”（于（于19581958年获诺贝尔奖）。后修改为年获诺贝尔奖）。后修改为“一个基一个基因一条多肽链因一条多肽链”。突变型突变型生长所需氨基酸生长所需氨基酸1 1精氨酸、瓜氨酸或鸟氨精氨酸、瓜氨酸或鸟氨酸酸2 2精氨酸或瓜氨酸精氨酸或瓜氨酸3 3精氨酸精氨酸提出这一假说的提出这一假说的根据根据： 将粗糙脉孢菌用将粗糙脉孢菌用X X射线处理后，发现射线处理后，发现了了3 3种营养缺陷型（突变型）种营养缺陷型（突变型） 精氨酸的合成：氨酸的合成： arg1 arg2 arg3arg
9、1 arg2 arg3 酶酶 酶酶 酶酶前体前体 鸟氨酸鸟氨酸 瓜氨酸瓜氨酸 精氨酸精氨酸突变型突变型： arg1arg1基因突变基因突变 补充补充精氨酸、瓜氨酸或鸟氨酸精氨酸、瓜氨酸或鸟氨酸 突变型突变型 ： arg2arg2基因突变基因突变 补充补充精氨酸或瓜氨酸精氨酸或瓜氨酸 突变型突变型： arg3arg3基因突变基因突变 补充补充精氨酸精氨酸原核细胞原核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点5 3 顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序插入顺序插入顺序先导区先导区末端顺序末端顺序2. DNA2. DNA与蛋白质的合成与蛋白质的合成（1 1）RNARNA的结构与功能的结
10、构与功能 mRNAmRNA、 rRNArRNA、 tRNAtRNA rRNArRNA的分子结构的分子结构特征特征： 单链，螺旋化程度较单链，螺旋化程度较tRNAtRNA低低 与蛋白质组成核糖体后才能与蛋白质组成核糖体后才能 发挥其功能发挥其功能5sRNA5sRNA的二级结构的二级结构tRNA tRNA 的结构的结构二级结构二级结构特征特征： 单链单链 三叶草叶形三叶草叶形 四臂四环四臂四环三级结构三级结构 特征：特征： 在二级结构基在二级结构基础上进一步折叠础上进一步折叠扭曲形成倒扭曲形成倒L L型型 遗传信息流：遗传信息流： 转录转录 翻译翻译 DNA RNA DNA RNA 蛋白质蛋白质
11、转录转录：在细胞核中进行：在细胞核中进行 翻译翻译：在细胞质中进行：在细胞质中进行 （2 2）转录）转录从从DNADNA到到RNARNA RNARNA聚合酶聚合酶： 1 1） 存在于原核细胞的，全能存在于原核细胞的，全能 2 2）存在于真核细胞的分三类：）存在于真核细胞的分三类： RNARNA聚合酶聚合酶：转录产物是：转录产物是rRNArRNA RNA RNA聚合酶聚合酶II II：转录产物是：转录产物是hnRNAhnRNA RNA RNA聚合酶聚合酶：转录产物是：转录产物是 tRNAtRNA、5sRNA5sRNA 1 1）转录的定义）转录的定义 以以DNADNA为模板，通过为模板，通过RNA
12、RNA聚合酶使碱基聚合酶使碱基互补配对合成互补配对合成RNARNA的过程。的过程。 2 2）转录方式的特点）转录方式的特点 全保留式：全保留式： DNA DNA 转录转录 单链的单链的RNARNA分子；分子； 而而DNADNA仍保留原来的双链结构仍保留原来的双链结构 3 3）转录的过程）转录的过程 原核生物（大肠杆菌）原核生物（大肠杆菌） 起始起始 延伸延伸 终止终止 启动子启动子 终止子终止子遗传密码表遗传密码表（3 3）遗传密码）遗传密码 遗传密码的特点遗传密码的特点： 1 1）连续性）连续性 2 2）简并性）简并性（兼并性）（兼并性） 3 3）有偏爱密码子）有偏爱密码子 4 4）专一性）
13、专一性 5 5）有）有3 3个终止密码个终止密码 UAGUAG、UAAUAA、UGAUGA 6 6）通用性）通用性（通用字典）（通用字典）真真核核细细胞胞信信息息流流动动 3. 3. 遗传信息在细胞质中被翻译遗传信息在细胞质中被翻译翻译：翻译：以以mRNAmRNA为模板合成蛋白质的过程。为模板合成蛋白质的过程。DHU环环IGC反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂可变环可变环TC环环CCAAla3 5 （1 1）tRNAtRNA携携带氨基酸带氨基酸反密码子反密码子 （ 2 2）核糖体）核糖体“阅读阅读”密码子，氨基酸连密码子，氨基酸连成多肽成多肽 原核生物核糖体结构示意图原核生物核糖体结构示意图30
14、S subunit50S subunit核糖体核糖体结合结合或接受肽基或接受肽基的部位）的部位）结合或接结合或接受受AA- tRNA的的部位）部位）50S30S与与mRNA结合部位结合部位mRNAtRNARFRF翻译的过程：翻译的过程：肽链合成的肽链合成的起始起始 肽链的延长肽链的延长 肽链合成的肽链合成的终止及释放终止及释放 4. 4. 中心法则中心法则 遗传信息流从遗传信息流从DNA RNA DNA RNA 蛋白质蛋白质 （1 1）中心法则）中心法则 自我复制自我复制 转录转录 转译转译 DNA RNA DNA RNA 蛋白质蛋白质 （2 2）中心法则的发展）中心法则的发展 1 1）反转录
15、酶的发现）反转录酶的发现 19701970发现发现 RNARNA不仅可以自我复制，还可不仅可以自我复制，还可将遗传信息反过来传递给将遗传信息反过来传递给DNADNA。 2 2）DNADNA翻译翻译 在实验室中实现在实验室中实现 DNARNA中心法则中心法则 3 3）对中心法则的挑战）对中心法则的挑战 疯牛病疯牛病：海绵状脑病：海绵状脑病 病原体：病原体：朊粒朊粒（ PrionPrion） 为为传染性蛋白质颗粒传染性蛋白质颗粒（prproteinaceous oteinaceous i infectious particle nfectious particle ，pr + i +on = pr
16、ionpr + i +on = prion），），也称为也称为“朊病毒朊病毒”。 朊粒是一类不具备朊粒是一类不具备DNADNA和和RNARNA也可以繁也可以繁殖、遗传的生命体殖、遗传的生命体。 遗传信息也可能存在于蛋白质之中遗传信息也可能存在于蛋白质之中 为何为何prionprion能传染？能传染？ 观点：观点： 1 1）PrPPrP基因基因 糖蛋白糖蛋白PrPPrPc c（正常）（正常） 转变转变 PrPPrPc c PrPPrPsc sc （有感染力的病原体）（有感染力的病原体） PrPPrPc c + PrP + PrPsc sc = 2PrP= 2PrPsc sc （有感染力的病原体）（有感染力的病原体） 2 2） PrPPrPc c PrP PrP* * PrP PrPsc sc （正常时少）（正常时少） 进入进入 外源外源PrPPrPsc sc PrP PrP* * PrP PrPsc sc （剧增）（剧增） PrPPrPsc sc 在神经细胞中逐渐沉积，最终引起在神经细胞中逐渐沉积，最终引起神经退行性病变。神经退行性病变。 特点：特点：潜伏期长潜伏期长（28 4028 4
