第八章遗传的分子基础

1、第八章遗传的分子基础第八章遗传的分子基础第一节遗传物质是第一节遗传物质是DNADNA( (或或RNARNA) )一、一、DNADNA是遗传物质的间接证据是遗传物质的间接证据( (一一) )DNADNA是所有生物的是所有生物的染色体染色体所共有的，从噬菌体、病所共有的，从噬菌体、病毒、直到人类的染色体中都含有毒、直到人类的染色体中都含有DNADNA。而蛋白质则不同，噬。而蛋白质则不同，噬菌体、病毒的蛋白质不存在于染色体上，而存在于蛋白质外菌体、病毒的蛋白质不存在于染色体上，而存在于蛋白质外壳上，在细菌染色体上也没有蛋白质，只是真核生物的染色壳上，在细菌染色体上也没有蛋白质，只是真核生物的染色体含

2、有核蛋白。体含有核蛋白。( (二二) )同种生物不同组织的细胞在一定条件下，其核内同种生物不同组织的细胞在一定条件下，其核内DNADNA含量基本上是相同的，精子含量基本上是相同的，精子DNADNA的含量恰是体细胞的一半，的含量恰是体细胞的一半，蛋白质等其它化学物质不符合这种情况蛋白质等其它化学物质不符合这种情况( (三三) )同种生物的各种组织的细胞中，同种生物的各种组织的细胞中，DNADNA在质上恒定，在质上恒定，也就是也就是DNADNA在代谢上比较稳定，而蛋白质在质上不恒定，它在代谢上比较稳定，而蛋白质在质上不恒定，它与细胞内的许多分子相似，在代谢中可以一面的迅速合成，与细胞内的许多分子相

3、似，在代谢中可以一面的迅速合成，又一面的分解和转化，例如某些鱼类，它们的染色体的蛋白又一面的分解和转化，例如某些鱼类，它们的染色体的蛋白质一般是组蛋白，且含有少量质一般是组蛋白，且含有少量RNARNA，而在成熟精子中，组蛋，而在成熟精子中，组蛋白不见了，全是精蛋白，白不见了，全是精蛋白，RNARNA也测不出。可见蛋白质不符合也测不出。可见蛋白质不符合遗传物质对稳定性的要求。遗传物质对稳定性的要求。1.31.33.33.31.61.62.52.52.52.5- -3.33.3- -2.52.56.46.43.03.05.65.62.42.46.46.4- -5.65.6家鸡家鸡牛牛鲤鱼鲤鱼人人精

4、子精子红细胞红细胞肝细胞肝细胞肾细胞肾细胞生物种类生物种类几种生物的细胞几种生物的细胞( (每一细胞核每一细胞核) )中的中的DNADNA含量含量( (单位单位1010-6-6ug)ug)二、二、DNADNA是遗传物质的直接证据是遗传物质的直接证据( (一一) )肺炎球菌的转化肺炎球菌的转化肺炎双球菌有两种类型：肺炎双球菌有两种类型：S S型：型：具有具有荚膜荚膜( (多糖类物质多糖类物质) )和毒性和毒性，可以使人患肺炎或使小鼠可以使人患肺炎或使小鼠患败血症。患败血症。在培养基上形成光滑在培养基上形成光滑(smooth)(smooth)菌落，故称光滑型。菌落，故称光滑型。R R型：型：无荚膜

5、和毒性，无荚膜和毒性，不致病。不致病。在培养基上形成粗糙在培养基上形成粗糙(rough)(rough)菌落菌落, ,故称粗糙型。故称粗糙型。 19281928年，英国科学家年，英国科学家格里费斯格里费斯(Griffith)(Griffith)在肺炎球菌实验中首次在肺炎球菌实验中首次发现了基因是一类特殊生物分子的发现了基因是一类特殊生物分子的证据。证据。 ( (四四) )各种生物中能改变各种生物中能改变DNADNA结构的化学物质都可引起突变。结构的化学物质都可引起突变。难道难道S S型致病菌复活了吗？这就是著名的型致病菌复活了吗？这就是著名的“格里费斯格里费斯之谜之谜”。 Oswald Theo

6、dore AveryOswald Theodore Avery（ 187718771955 1955 ）多糖多糖类脂类脂蛋白质蛋白质RNARNADNADNA 艾弗里艾弗里等人的实验证据：等人的实验证据：从从S S型死菌中分别提取型死菌中分别提取分别与分别与R R型细菌混合型细菌混合DNA+DNaseDNA+DNase与与R R型细菌混合型细菌混合检测各组分的转化活性检测各组分的转化活性只有只有DNADNA具有转化因子活性具有转化因子活性进一步的实验：进一步的实验： 用化学法和酶法用化学法和酶法去除去除S S型死菌提取物中的蛋白质、类脂、多糖和型死菌提取物中的蛋白质、类脂、多糖和RNA RNA

7、抽提物的剩余物质抽提物的剩余物质 转化转化R R型型 S S型型 因此因此19441944年年艾弗里艾弗里等人等人确认：确认：“转化因子转化因子”就是就是DNADNA。 艾弗里艾弗里于于19461946年用年用蛋白酶蛋白酶、RNARNA酶酶和和DNADNA酶酶分别处理肺炎分别处理肺炎球菌的细胞抽提物。球菌的细胞抽提物。 结果结果: : 可以破坏、消化蛋白质的可以破坏、消化蛋白质的胰蛋白酶胰蛋白酶和和糜蛋白酶糜蛋白酶不影响转不影响转化活性。化活性。 分解、消化分解、消化RNARNA（而不是消化分解（而不是消化分解DNADNA）的）的RNARNA酶酶对转化活对转化活性无影响。性无影响。 在加入分解

8、、消化在加入分解、消化DNADNA的的DNADNA酶酶后，转化活性丧失。后，转化活性丧失。 这一实验又进一步证明了这一实验又进一步证明了DNADNA是遗传物质，即遗传物质的化是遗传物质，即遗传物质的化学本质是学本质是DNADNA。这是基因研究史上的一个重要的里程碑。这是基因研究史上的一个重要的里程碑。 19511951年，年，赫里奥特赫里奥特(R(RHerriottHerriott) )提出一个十分富有魅力和提出一个十分富有魅力和启发性的假说：启发性的假说：“病毒的作用可能像一个充满着转化因子的注病毒的作用可能像一个充满着转化因子的注射针。这样的病毒本身不会进入寄主细胞，它用尾部接触寄生射针。

9、这样的病毒本身不会进入寄主细胞，它用尾部接触寄生细胞，可能通过酶的作用在细胞外膜上钻一小孔，然后病毒头细胞，可能通过酶的作用在细胞外膜上钻一小孔，然后病毒头部的部的DNADNA就钻入细胞。就钻入细胞。” ” 赫尔希赫尔希是研究噬菌体是研究噬菌体的美国微生物学家，当人的美国微生物学家，当人们为艾弗里的实验而激烈们为艾弗里的实验而激烈争论时争论时, ,他和一些人在考虑，他和一些人在考虑，能否将蛋白质和能否将蛋白质和DNADNA完全分完全分开，单独观察开，单独观察DNADNA的作用呢？的作用呢？他们受他们受赫里奥特赫里奥特思路的启思路的启发设计了一个精巧的噬菌发设计了一个精巧的噬菌体感染实验。体感染

10、实验。( (赫尔希赫尔希与与德德尔布吕克尔布吕克和和卢里亚卢里亚一起，一起，获获19691969年的诺贝尔生理学年的诺贝尔生理学医学奖奖医学奖奖) )。 Alfred Day HersheyAlfred Day Hershey（1908190819971997）( (二二) )噬菌体感染实验噬菌体感染实验遗传物质是遗传物质是DNADNA，而不是蛋白质。，而不是蛋白质。( (三三) )烟草花叶病毒的重建烟草花叶病毒的重建化学组成：化学组成：6%RNA+94%6%RNA+94%蛋白质蛋白质 形态特征：管状微粒形态特征：管状微粒 结构特点：中心是单链结构特点：中心是单链RNARNA分子，外部是蛋白质

11、外壳。分子，外部是蛋白质外壳。 弗南克尔柯拉特弗南克尔柯拉特( (FrankelFrankelGonratGonrat) )等利用先分离后聚等利用先分离后聚合的方法，重新合成混合的烟草花叶病毒，用它感染烟草叶片。合的方法，重新合成混合的烟草花叶病毒，用它感染烟草叶片。 烟草花叶病毒烟草花叶病毒(TMV)(TMV)在水和苯酚中振荡在水和苯酚中振荡TMVRNA+TMVprTMVRNA+TMVpr。如果进行三个处理：如果进行三个处理：TMVprTMVpr感染烟草感染烟草烟草不被感染烟草不被感染TMVRNATMVRNA感染烟草感染烟草烟草被感染烟草被感染TMVTMV感染烟草感染烟草烟草被感染烟草被感染

12、此实验证明感染物是此实验证明感染物是RNARNATMVTMV有很多菌株，其中有很多菌株，其中S S株系：株系：HRHR株系：株系：外壳蛋白不具有组氨酸和甲硫氨酸外壳蛋白不具有组氨酸和甲硫氨酸外壳蛋白具有组氨酸和甲硫氨酸外壳蛋白具有组氨酸和甲硫氨酸在没有在没有DNADNA的病毒中，的病毒中，RNARNA是遗传物质。是遗传物质。S RNAS RNAS S病毒病毒S SS S 蛋白质蛋白质HRHR蛋白质蛋白质HR RNAHR RNAHRHR重组重组病毒病毒病叶病叶第二节第二节DNADNA的分子结构与复制的分子结构与复制一、两种核酸的化学组成及其分布一、两种核酸的化学组成及其分布( (一一) )两种核

13、酸的化学组成两种核酸的化学组成核酸是一种高分子化合物，它的单体是核苷酸，每一核苷核酸是一种高分子化合物，它的单体是核苷酸，每一核苷酸酸(nucleotide)(nucleotide)由三部分组成。由三部分组成。磷酸磷酸磷酸磷酸无机盐无机盐胞嘧啶（胞嘧啶（C C）尿嘧啶（尿嘧啶（U U）胞嘧啶（胞嘧啶（C C）胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T T）嘧啶嘧啶腺嘌呤（腺嘌呤（A A）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G G）腺嘌呤（腺嘌呤（A A）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G G）嘌呤嘌呤碱碱 基基核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖五碳糖五碳糖核糖核苷酸（核苷酸）核糖核苷酸（核苷酸）脱氧核糖核苷酸（脱氧核苷酸）脱氧核糖核苷酸（脱氧核苷酸）基本单位

14、基本单位RNARNADNADNADNADNA与与RNARNA的比较的比较脱氧核苷酸脱氧核苷酸成分的化学结构式成分的化学结构式 OH OH H0PH0PO O OH OH 磷酸磷酸 OH OH H0PH0PO O OH OH 磷酸磷酸核苷酸核苷酸成分的化学结构式成分的化学结构式脱氧核糖脱氧核糖腺嘌呤腺嘌呤A A鸟嘌呤鸟嘌呤G G胞嘧啶胞嘧啶C C胸腺嘧啶胸腺嘧啶T T核糖核糖腺嘌呤腺嘌呤A A鸟嘌呤鸟嘌呤G G胞嘧啶胞嘧啶C C尿嘧啶尿嘧啶U U( (二二) )两种核酸的分布两种核酸的分布 高等动植物体内，绝大部分的高等动植物体内，绝大部分的DNADNA在细胞核内的染色体上，在细胞核内的染色体上

15、，它是构成染色体的主要成分。有少量的它是构成染色体的主要成分。有少量的DNADNA在细胞质中，它存在细胞质中，它存在于叶绿体、线立体等细胞器内。在于叶绿体、线立体等细胞器内。细菌也含有细菌也含有DNADNA和和RNARNA。多数细菌病毒多数细菌病毒( (噬菌体噬菌体) )是是DNADNA，少数是，少数是RNARNA；多数植物病毒；多数植物病毒是是RNARNA，少数是，少数是DNADNA；动物病毒有些含有；动物病毒有些含有DNADNA，有些含有，有些含有RNARNA。二、二、DNADNA的化学结构的化学结构DNADNA分子是脱氧核苷酸的多聚体分子是脱氧核苷酸的多聚体( (多核苷酸多核苷酸) )。

16、脱氧核苷酸。脱氧核苷酸是碱基、脱氧核糖、磷酸连接起来构成的，共有种。是碱基、脱氧核糖、磷酸连接起来构成的，共有种。脱氧腺嘌呤核苷酸脱氧腺嘌呤核苷酸脱氧胸腺嘧啶核苷酸脱氧胸腺嘧啶核苷酸脱氧鸟嘌呤核苷酸脱氧鸟嘌呤核苷酸脱氧胞嘧啶核苷酸脱氧胞嘧啶核苷酸 O OPO O O OPO O O O 4 4 1 1 3 3 2 2CHCH2 255嘧啶嘧啶( (胞嘧啶或胸腺嘧啶胞嘧啶或胸腺嘧啶) ) O OPO O下一个核苷酸下一个核苷酸 O O 4 4 1 1 3 3 2 2CHCH2 255嘌呤嘌呤( (腺嘌呤或鸟嘌呤腺嘌呤或鸟嘌呤) )3 3-5-5磷酸二脂键联结磷酸二脂键联结三、三、DNADNA的分

17、子结构的分子结构19531953年年WatsonWatson和和CrickCrick依据两个线索依据两个线索James Dewey WatsonJames Dewey Watson（ 19281928） Francis Harry Compton CrickFrancis Harry Compton Crick （ 19161916） 富兰克林富兰克林拍摄的拍摄的DNADNA晶体的晶体的X X射线衍射照片，这张照射线衍射照片，这张照片正是发现片正是发现DNADNA结构的关键结构的关键 通过通过X X射线对射线对DNADNA的衍射研究结果的衍射研究结果 根据根据Chargaff(1951)Cha

18、rgaff(1951)关于碱基互补配对的规律。提出关于碱基互补配对的规律。提出DNADNA分分子的空间结构子的空间结构(DNA(DNA的模型的模型) )。获获19621962年的诺贝尔生理学医学奖。年的诺贝尔生理学医学奖。(a)“(a)“带子带子”表示磷酸糖主链，水平的碱基对在中心。表示磷酸糖主链，水平的碱基对在中心。(b)(b)分子中糖环平面分子中糖环平面与碱基平面的空间关系与碱基平面的空间关系(c)DNA(c)DNA的原子模型的原子模型大沟大沟小沟小沟糖糖- -磷酸主链磷酸主链堆积的碱基对堆积的碱基对-H-H-H-H-H-HH-H-H-H-H-HH-H-H-H-H-HH-H-DNADNA分

19、子结构的特点分子结构的特点: :DNADNA分子是两条长链互相旋转而成的一种双螺旋结构，分子是两条长链互相旋转而成的一种双螺旋结构，每一条链的主线代表交互存在的糖和磷酸，两条链的极性每一条链的主线代表交互存在的糖和磷酸，两条链的极性相反相反( (反向平行反向平行) )。碱基的排列位置与主线成直角，向。碱基的排列位置与主线成直角，向DNADNA分分子的中央突出。一条链的碱基总与另一条链同一水平上的子的中央突出。一条链的碱基总与另一条链同一水平上的碱基配对，每对碱基由弱氢键联结起来。碱基配对，每对碱基由弱氢键联结起来。碱基配对的原则是碱基配对的原则是A A与与T T配对配对( (通过两个氢键联结通

20、过两个氢键联结) )，C C与与G G配对配对( (通过三个氢键联结通过三个氢键联结) )。四、双链四、双链DNADNA的不同构型的不同构型( (一一)B-DNA)B-DNA，Watson-CrickWatson-Crick模型，是右手螺旋，碱基的模型，是右手螺旋，碱基的平面对平面对DNADNA分子的中轴是垂直的，细胞内分子的中轴是垂直的，细胞内B-DNAB-DNA分子每转一分子每转一圈平均包括圈平均包括10.410.4核苷酸对。在正常生理状态时，核苷酸对。在正常生理状态时，DNADNA分子大分子大都属于这种形式。都属于这种形式。 ( (二二)A-DNA)A-DNA，右旋，每转一圈大约含，右旋

21、，每转一圈大约含1111个碱基对。在高盐分或个碱基对。在高盐分或脱水状态时，脱水状态时，DNADNA常以常以A-DNAA-DNA型方式存在。在活细胞中型方式存在。在活细胞中DNA-RNADNA-RNA异源异源双链或双链或RNA-RNARNA-RNA双链以这种方式存在。双链以这种方式存在。 ( (三三)Z-DNA)Z-DNA，Z Z表示糖、磷酸主干呈表示糖、磷酸主干呈Z Z字型，此型双链中碱基平字型，此型双链中碱基平面对螺旋中轴不成直角，每转一圈约有面对螺旋中轴不成直角，每转一圈约有1212个碱基对。这种构型可个碱基对。这种构型可能与真核类中基因活性有重要关系。能与真核类中基因活性有重要关系。五

22、、五、DNADNA的变性、复性及解链温度的变性、复性及解链温度( (一一)DNA)DNA的变性的变性将双链将双链DNADNA在中性盐溶液中加热，在中性盐溶液中加热， DNADNA分子的共价键不受影响，分子的共价键不受影响，而互补碱基对间的氢键则被打开，从而使两条多核苷酸链分开成而互补碱基对间的氢键则被打开，从而使两条多核苷酸链分开成为两条单链。为两条单链。( (二二)DNA)DNA的复性的复性变性后成为单链的变性后成为单链的DNADNA，在适当条件下又能恢复为双链，在适当条件下又能恢复为双链DNADNA。( (三三) )解链温度：解链温度：加热使溶液中加热使溶液中DNADNA分子的分子的50%

23、50%成为单链时所需的温度，记作成为单链时所需的温度，记作TmTm。六、六、 DNADNA的复制的复制19531953年年WatsonWatson和和CrickCrick提提出出DNADNA双螺旋结构模型时就设双螺旋结构模型时就设想了复制的模式。想了复制的模式。( (一一) )复制方式是复制方式是半保留式复制半保留式复制 半保留复制半保留复制在在19581958年由年由MeselsonMeselson和和StahlStahl用用密度梯度密度梯度离心技术离心技术所证明。所证明。19631963年又被年又被CairnsCairns用用放射拍摄技术放射拍摄技术直观地直观地显示出来。继而又证明，显示出

24、来。继而又证明，DNADNA的半保留复制方式存在于的半保留复制方式存在于动物、动物、植物、细菌、一部分噬菌体和植物、细菌、一部分噬菌体和动物病毒中。以后发展一种新动物病毒中。以后发展一种新的染色方法的染色方法染色体色差法染色体色差法直接观察染色体的半保留复制。直接观察染色体的半保留复制。( (二二) )半保留式复制的证明半保留式复制的证明、密度梯度离心技术、密度梯度离心技术( (Meselson- StahlMeselson- Stahl实验实验) )：首先在首先在培养基中培养培养基中培养然后转到然后转到培养基中培养培养基中培养1414N N对照系统对照系统1515N N对照系统对照系统第一代

25、第一代第二代第二代提取提取DNADNA，进行密度梯度超离心，进行密度梯度超离心E.coliE.coli 细胞细胞用用标记的亲本标记的亲本DNADNA中第一次中第一次复制复制中第二次复制中第二次复制实验结果表明实验结果表明DNADNA复复制是半保留复制制是半保留复制(a)(a)实验结果染色体放射自显影的图示实验结果染色体放射自显影的图示(b)(b)按半保留复制预期按半保留复制预期DNADNA在复制过程中标记情况在复制过程中标记情况2 2、放射自显影技术证明、放射自显影技术证明放射自显影技术观察染色体（放射自显影技术观察染色体（蚕豆根尖放射自显影实验蚕豆根尖放射自显影实验）放射自显影技术观察放射自

26、显影技术观察DNADNA复制叉：复制叉：复制正在发生的位点复制正在发生的位点 ( (双螺旋双螺旋DNADNA两条亲本链分开使复制两条亲本链分开使复制能进行的部位能进行的部位) )。复制眼：复制眼： 在一个长的未复制区域内在一个长的未复制区域内DNADNA已经复制的区域已经复制的区域、染色体色差法证明、染色体色差法证明( (三三)DNA)DNA复制的起点、复制子与复制方向复制的起点、复制子与复制方向1 1、 复制的起点复制的起点 DNADNA开始复制的固定点，常用开始复制的固定点，常用oriori表示。表示。 原核生物复制的起点只有一个，真核生物的复制起点有几原核生物复制的起点只有一个，真核生物

27、的复制起点有几个。个。许多生物的复制原点都是富含许多生物的复制原点都是富含A A、T T的区段。的区段。、复制子、复制子一个独立的复制单位称一个复制子。一个独立的复制单位称一个复制子。 原核生物的原核生物的DNADNA为单复制子，真核生物的为单复制子，真核生物的DNADNA为多复制子。为多复制子。、复制方向、复制方向大多数生物体内大多数生物体内DNADNA的复制都以的复制都以双向等速双向等速方式进行，但也方式进行，但也有另外情况。有另外情况。 例如例如枯草杆菌枯草杆菌中，复制是从起点开始双向进行的，但两个中，复制是从起点开始双向进行的，但两个复制叉的移动是不对称的，在一个方向上移动染色体的复制

28、叉的移动是不对称的，在一个方向上移动染色体的1/51/5距距离，然后停下来等另一个方向复制离，然后停下来等另一个方向复制4/54/5的距离；质粒的距离；质粒ColEColE复复制完全是单向进行的。制完全是单向进行的。复制复制起点起点复制叉复制叉复制叉复制叉大肠杆菌染色体大肠杆菌染色体DNADNA双向复制模式双向复制模式真核生物真核生物DNADNA复制有多个复制起点，同时双向复制复制有多个复制起点，同时双向复制( (四四)DNA)DNA的酶促合成的酶促合成 Arthur KornbergArthur Kornberg( (美国生物化美国生物化学专家，斯坦福大学医学院教授学专家，斯坦福大学医学院教

29、授) )等等19551955年开始寻找合成年开始寻找合成DNADNA的酶。于的酶。于19561956年在大肠杆菌的提取液中发现年在大肠杆菌的提取液中发现了了DNADNA聚合酶，聚合酶，获获19591959年诺贝尔奖年诺贝尔奖。1 1、DNADNA聚合酶聚合酶(DNA polymerase)(DNA polymerase) DNA DNA合成时，催化核苷酸加到一合成时，催化核苷酸加到一个正在延伸的个正在延伸的DNADNA链上的酶。链上的酶。共同特点是：共同特点是：需要提供合成模板。需要提供合成模板。不能起始新的不能起始新的DNADNA链，必须要链，必须要引物提供引物提供33OHOH。 合成的方向

30、都是合成的方向都是5 53(DNA3(DNA链的延长方向链的延长方向) )。 除聚合除聚合DNADNA外还有其它功能。外还有其它功能。Arthur KornbergArthur Kornberg聚聚合合反反应应的的基基本本过过程程DNADNA聚聚合合酶酶的的校校正正反反应应 5 3 G T A A G T C G C T C A G C 5 3 35外切 核 酸酶水解部位 DNA 聚合酶的 35外切酶活性 (仿 D.Freifelder: MOLECULAR BIOLOGY 1983,Fig.8-16) 复复制制叉叉移移动动方方向向先导链先导链滞后链滞后链岗崎片段岗崎片段RNARNA引物：引物

31、： 由由引物酶引物酶催化催化NTPNTP的聚合而形成的短片段的聚合而形成的短片段RNARNA，为，为DNADNA聚合聚合提供提供3 3 -OH-OH末端。末端。2 2、引物酶、引物酶(primase)(primase) 依赖依赖DNADNA的的RNARNA聚合酶聚合酶, ,催化催化RNARNA引物引物的合成。的合成。、DNADNA解旋酶解旋酶(helicase(helicase) ) 能利用能利用ATPATP释放的能量，驱动释放的能量，驱动DNADNA的两条链分开的两条链分开 E.coliE.coli中最重要的中最重要的解旋酶解旋酶是是DnaBDnaB，它是一个与引发体中，它是一个与引发体中的

32、引发酶紧密聚合的蛋白质。的引发酶紧密聚合的蛋白质。DnaBDnaB使复制叉前面的双螺旋使复制叉前面的双螺旋DNADNA解旋，解旋过程是与核苷三磷酸水解过程相偶联的。解旋，解旋过程是与核苷三磷酸水解过程相偶联的。 表表11-3 11-3 E.coliE.coli及噬菌体的解旋酶及噬菌体的解旋酶解解 旋旋 酶酶 结结 构构 功功 能能DnaBDnaB330 K330 K六聚体六聚体结合与结合与OriC,OriOriC,Ori参与前引参与前引发分离双链，水解发分离双链，水解ATP ATP ，提，提供能量。供能量。reprep蛋白蛋白66 K66 K单体单体ATPATP依赖性解旋酶，依赖性解旋酶，X1

33、74X174滚环复制中推进复制叉滚环复制中推进复制叉PriA(wPriA(w蛋白蛋白) )82 K82 K单体单体X174RfX174Rf形成中参与前引发形成中参与前引发体体3535移动取代移动取代SSBSSB，识别特异位点。识别特异位点。TraYTraY/I/I多聚体多聚体F F因子滚环复制中解链。因子滚环复制中解链。基因基因4 4蛋白蛋白58 K58 KT7T7噬菌体复制中延噬菌体复制中延5353解链。解链。4 4、DNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶(topoisomerase(topoisomerase) ) DNADNA快速解旋在复制叉处形成超螺旋头部快速解旋在复制叉处形成超螺旋头部,

34、DNA, DNA拓扑异拓扑异构酶的作用构酶的作用是将解旋酶作用后产生的扭转张力释放掉。是将解旋酶作用后产生的扭转张力释放掉。 拓扑异构酶拓扑异构酶I I是切断是切断DNADNA中的一条链，使中的一条链，使DNADNA旋转，而拓旋转，而拓扑异构酶扑异构酶IIII可以切断可以切断DNADNA的两条链的两条链。5 5、单链结合蛋白、单链结合蛋白(SSB)(SSB)其作用是当解旋酶作用后，它可以防止解开的螺旋恢其作用是当解旋酶作用后，它可以防止解开的螺旋恢复原来状态。复原来状态。 它对单链它对单链DNADNA有非常高的亲和性，有非常高的亲和性，滞后链滞后链合成的开始需合成的开始需要单链结合蛋白，要单链

35、结合蛋白，前导链前导链可以连续合成，所以可以连续合成，所以解旋后就不解旋后就不需要这种蛋白了。需要这种蛋白了。 DNADNA聚合酶聚合酶I I识别并结合于新识别并结合于新DNADNA链的链的3 3端和下一个端和下一个RNARNA引引物之间的切口。然后物之间的切口。然后5 5 3 3外切酶活性催化第外切酶活性催化第1 1个个RNARNA核苷酸核苷酸水解，而水解，而5 5 3 3聚合酶活性将一个脱氧核苷酸加到新聚合酶活性将一个脱氧核苷酸加到新DNADNA链的链的3 3端，这种同时降解和合成的过程称为端，这种同时降解和合成的过程称为切口平移。切口平移。 5 5 3 - - O O H H 5 5 -

36、 - P P 3 5 5 3 3 5 5 缺缺 口口 平平 移移 链链 的的 置置 换换 模模 板板 转转 换换 5 5 3 5 5 5 5 3 3 5 5 3 3 5 5 3 5 5 3 5 5 ( ( a a ) ) ( ( b b ) ) ( ( c c ) ) 图1 2 - 2 1 D N A 聚 合 酶 5 3 外 切 活 性 的 功 能DNADNA聚合酶聚合酶6 6、DNADNA连接酶连接酶(DNA ligase(DNA ligase) ) 能催化修复断裂的单链能催化修复断裂的单链DNADNA的磷酸二酯键，并能把冈崎的磷酸二酯键，并能把冈崎片断连接起来，形成一条连续的子链。片断连接

37、起来，形成一条连续的子链。其作用机制是分三步进行：其作用机制是分三步进行：E EATPEATPEAMPAMPppippi 在在E.coliE.coli中，中， E ENADNAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）EEAMPAMPNMN(NMN(烟酰烟酰胺单核苷酸胺单核苷酸) )E-AMPE-AMP上的上的AMPAMP转移到转移到DNADNA的的5-PO5-PO4 4上使其活化上使其活化活化的活化的55POPO4 4与相邻的与相邻的33OHOH作用形成作用形成3355磷酸二酯键，并释放出磷酸二酯键，并释放出AMPAMP。DNADNA双螺旋复制的从头起始包括一些连续的步骤：双螺旋复制

38、的从头起始包括一些连续的步骤： DNADNA分子上一段短的区域发生熔解反应，分子上一段短的区域发生熔解反应，双链分离双链分离形形成单链区域。成单链区域。 解旋点沿解旋点沿DNADNA移动标志着移动标志着复制叉的产生复制叉的产生，复制叉在，复制叉在DNADNA链延伸时将连续移动。链延伸时将连续移动。 引发反应和引发反应和RNARNA引物的合成引物的合成。( (五五)DNA)DNA复制的基本过程复制的基本过程1 1、复制的起始、复制的起始起始方式：起始方式：从头起始从头起始: :共价延伸共价延伸: :DNADNA链的合成从头开始。链的合成从头开始。新链从原有的亲链上开始合成。新链从原有的亲链上开始

39、合成。2 2、延伸过程、延伸过程 DNADNA聚合酶把新生链的第一个核苷酸加到引物的聚合酶把新生链的第一个核苷酸加到引物的3 3羟基上，羟基上，就开始新生链的延伸过程。就开始新生链的延伸过程。 在复制起始点处，分开的两条链中，一条模板链的方向是在复制起始点处，分开的两条链中，一条模板链的方向是3 3-5-5， DNADNA合成的方向与复制叉移动的方向相同，以此链为模合成的方向与复制叉移动的方向相同，以此链为模板，在板，在DNADNA聚合酶的参与下新链连续合成，方向为聚合酶的参与下新链连续合成，方向为5 5-3-3。另一条。另一条模板链的方向则是模板链的方向则是5 5-3-3， DNADNA合成

40、的方向与复制叉移动的方向合成的方向与复制叉移动的方向相反。以这链为模板合成时，先要有引物酶的催化下合成相反。以这链为模板合成时，先要有引物酶的催化下合成RNARNA短短链作为引物。接着在链作为引物。接着在DNADNA聚合酶聚合酶的催化下，合成冈崎片段或的催化下，合成冈崎片段或DNADNA短链。当后一短链。当后一DNADNA短链合成后，在短链合成后，在DNADNA聚合酶聚合酶的参与下，前的参与下，前一短链的一短链的RNARNA引物被降解，而且引物被降解，而且RNARNA切除后留下的空隙被填补，切除后留下的空隙被填补，然后在连接酶的催化下，使不连续的短链连接成为然后在连接酶的催化下，使不连续的短链

41、连接成为DNADNA新链。最新链。最后两条新合成的链连同自己的模板链，形成两个相同的后两条新合成的链连同自己的模板链，形成两个相同的DNADNA分子。分子。3 3、复制终止、复制终止 DNADNA复制终止于复制终止于terter区，在区，在terter区内存在区内存在5 5个个DNADNA序列序列(terA(terA到到terEterE) )。在染色体上制造复制叉。在染色体上制造复制叉“ “ 陷井陷井”区，复制叉可以进入区，复制叉可以进入但不能出来。顺时针陷井由但不能出来。顺时针陷井由terterB B和和terterC C构成，反时针陷井由构成，反时针陷井由terterA A、terterD

42、 D和和terterE E构成。陷井区是终止子利用物质（构成。陷井区是终止子利用物质（TusTus）的）的结合部位。结合部位。TusTus可以和每一个可以和每一个terter结合。一旦形成结合。一旦形成Tus-Tus-terter复合复合物，就可以通过阻止解旋酶解旋物，就可以通过阻止解旋酶解旋DNADNA来封闭复制叉的通路。来封闭复制叉的通路。Tus-Tus-terter复合物只捕获来自一个方向（顺时针或反时针）的复复合物只捕获来自一个方向（顺时针或反时针）的复制叉，而对来自另一个方向（反时针或顺时针）的复制叉不起制叉，而对来自另一个方向（反时针或顺时针）的复制叉不起作用。终止区这样安排可确保

43、两个从相反方向进入作用。终止区这样安排可确保两个从相反方向进入terter区的复区的复制叉总能相遇，当一个复制叉遇到另一个复制叉时，制叉总能相遇，当一个复制叉遇到另一个复制叉时，DNADNA复制复制就完成了。就完成了。( (六六) )真核真核DNADNA的复制：的复制： DNADNA的复制对于真核细胞与原核细胞的复制对于真核细胞与原核细胞两者相比，主要有下列两者相比，主要有下列不同之处：不同之处： 真核细胞真核细胞DNADNA的复制有多个起的复制有多个起始点始点，即具有多个复制叉来，即具有多个复制叉来完成，并且常是双向延长。而原核细胞常具一个复制叉。完成，并且常是双向延长。而原核细胞常具一个复

44、制叉。 真核细胞的真核细胞的冈崎片段冈崎片段较小，常为较小，常为100-200100-200个核苷酸；个核苷酸；引物引物也较小，约为也较小，约为1010个核苷酸。个核苷酸。 真核细胞真核细胞DNADNA复制的速度复制的速度比原核生物慢，基因组比原核生比原核生物慢，基因组比原核生物大。然而真核生物物大。然而真核生物DNADNA上有多个复制点，所以复制的总速度可上有多个复制点，所以复制的总速度可能比原核生物更快。能比原核生物更快。 真核细胞的真核细胞的DNADNA在全部复制完成之前，起点不再从新开在全部复制完成之前，起点不再从新开始始复制，而在快速生长的原核生物，起点可以复制，而在快速生长的原核生

45、物，起点可以连续发动复制连续发动复制。 DNADNA聚合酶的作用聚合酶的作用有差别。原核具有有差别。原核具有3 3种聚合酶，真核具有种聚合酶，真核具有4(4(或或5)5)种聚合酶，且除了聚合酶种聚合酶，且除了聚合酶外都不具有外切酶活力。外都不具有外切酶活力。 真核细胞线性染色体的末端真核细胞线性染色体的末端DNADNA称为称为端粒端粒(telomere)(telomere)。端。端粒的复制由一种特殊的酶粒的复制由一种特殊的酶端粒酶（端粒酶（telomerasetelomerase）所催化。）所催化。( (七七)DNA)DNA复制的其它方式复制的其它方式1 1、滚环复制、滚环复制 是噬菌体中常见

46、的是噬菌体中常见的DNADNA复复制方式。许多病毒制方式。许多病毒DNADNA的复制、的复制、质粒、质粒、F F因子在接合转移时其因子在接合转移时其DNADNA的复制等。的复制等。 首先引发体组装在模板链首先引发体组装在模板链( (链链) )上上 ，开始合成，开始合成RNARNA引物，引物，然后在然后在DNADNA聚合酶聚合酶作用下，作用下，引物延伸生成一个互补链引物延伸生成一个互补链( (链链) )。生成的双链。生成的双链DNADNA分子通过分子通过一个噬菌体编码的内切酶在一个噬菌体编码的内切酶在链上的特定部位制造一个缺口。链上的特定部位制造一个缺口。最后在最后在DNADNA聚合酶聚合酶作用

47、下，作用下，链从暴露出的链从暴露出的3 3羟基延伸，羟基延伸，取代原来的链。取代原来的链。 2 2、D-D-环复制环复制 线粒体线粒体DNADNA的一种特的一种特殊环复制方式。殊环复制方式。 环状双螺旋环状双螺旋DNADNA在某在某一点解旋，开始复制。但一点解旋，开始复制。但前导链和滞后链的起点不前导链和滞后链的起点不在同一位点。首先合成前在同一位点。首先合成前导链，结果一条链（滞后导链，结果一条链（滞后链模板）仍维持单链。形链模板）仍维持单链。形成一个成一个D D字型的环。当前字型的环。当前导链合成到某一点时，露导链合成到某一点时，露出滞后链的起点，滞后链出滞后链的起点，滞后链开始复制。开始

48、复制。总之，总之，DNADNA复制分子机制的基本特点是：复制分子机制的基本特点是： 1 1、复制是半保留的。、复制是半保留的。（方式）（方式） 2 2、复制起始于细菌或病毒的特定部位，真核生物有多个、复制起始于细菌或病毒的特定部位，真核生物有多个起始点。起始点。（起点）（起点） 3 3、复制可以朝一个方向，也可以向两个方向进行，后者、复制可以朝一个方向，也可以向两个方向进行，后者更为常见。更为常见。（方向）（方向） 4 4、复制时，、复制时，DNADNA的两条链都从的两条链都从5 5 端向端向3 3 端延伸。端延伸。（延长）（延长） 5 5复制是半不连续的，前导链是连续合成的，后随链是不复制是

49、半不连续的，前导链是连续合成的，后随链是不连续合成的，即先合成短的冈崎片段，再连接起来构成后随连续合成的，即先合成短的冈崎片段，再连接起来构成后随链。链。（半不连续）（半不连续） 6 6、冈崎片段的合成起始于一小段、冈崎片段的合成起始于一小段RNARNA引物，这一小段引物，这一小段RNARNA以后被酶切除，缺口由脱氧核苷酸补满后再与新生以后被酶切除，缺口由脱氧核苷酸补满后再与新生DNADNA链连接链连接在一起。在一起。（刚起片段的链接）（刚起片段的链接） 7 7、复制有多种机制，即使在同一个细胞里，也可因环、复制有多种机制，即使在同一个细胞里，也可因环境境酶的丰富程度、温度、营养条件等的不同而

50、具有不同酶的丰富程度、温度、营养条件等的不同而具有不同的起始机制和链延长的方式。的起始机制和链延长的方式。（复杂性）（复杂性）第三节基因的本质第三节基因的本质一、基因和一、基因和DNADNA 基因是基因是DNADNA分子的一个区段，包含分子的一个区段，包含5005006000bp6000bp，也就是说，也就是说基因是一段含特定遗传信息的核苷酸序列。基因是一段含特定遗传信息的核苷酸序列。证明方法：证明方法： 测定基因的核苷酸顺序和由它所决定的蛋白质的氨基酸顺测定基因的核苷酸顺序和由它所决定的蛋白质的氨基酸顺序，根据遗传密码，比较两者的顺序是否相对应。序，根据遗传密码，比较两者的顺序是否相对应。碱

51、基顺序的测定：碱基顺序的测定：cDNAcDNA+ +质粒质粒大肠杆菌大肠杆菌DNADNARNARNA3232P-TP-T3232P-TCAGCCCATP-TCAGCCCAT3232P-TCAGCCCATGGTP-TCAGCCCATGGT3232P-TCAGCCCATGGTTP-TCAGCCCATGGTT化学处理，化学处理，使使DNADNA片段片段在含在含T T的地的地方切断方切断或用另或用另3 3种不同的化学种不同的化学降解在降解在C C、A A、G G处随机处随机切断切断3232P-TCAGCCCATGGTTAAGAP-TCAGCCCATGGTTAAGA5 5 端用端用3232P P标记标记

52、DNADNA片段片段DNADNA随机片段混合物随机片段混合物用同一凝胶进行电泳用同一凝胶进行电泳分别产生分别产生DNADNA随机片段随机片段TCAGCCCCATGGTTAAGATCAGCCCCATGGTTAAGA片段长度依电泳方向递减片段长度依电泳方向递减DNADNA片段碱基顺序的测定片段碱基顺序的测定T C A G T C A G 肽链氨基酸顺序的测定：肽链氨基酸顺序的测定： PITCPITC反应、层析法、肽链氨基酸自动测序仪。反应、层析法、肽链氨基酸自动测序仪。 例如例如：噬菌体：噬菌体MSMS2 2遗传物质为遗传物质为RNARNA，同时还是，同时还是mRNA mRNA ，含，含36593

53、659个碱基，个碱基，3 3个基因，编码个基因，编码“A”A”蛋白，外壳蛋白和蛋白，外壳蛋白和RNARNA复制酶复制酶 RNARNA的核苷酸顺序和蛋白质的氨基酸顺序可以对应。的核苷酸顺序和蛋白质的氨基酸顺序可以对应。 基因的起始密码子是基因的起始密码子是AUGAUG，而终止密码子是，而终止密码子是UAAUAA、UAGUAG、UGAUGA。 基因与基因间有基因间区域。基因与基因间有基因间区域。( (一一) )基因概念的发展基因概念的发展阅读框（阅读框（open reading frameopen reading frame）：）： 从起始密码子开始到终止密码子为止的连续核苷酸密码序从起始密码子开

54、始到终止密码子为止的连续核苷酸密码序列。列。1 1、割裂基因、割裂基因( (断裂基因断裂基因 split gene):split gene): 真核类的基因的编码顺序由若干非编码区域所隔开真核类的基因的编码顺序由若干非编码区域所隔开, ,使阅使阅读框不连续。这种基因称读框不连续。这种基因称_。内含子内含子(intron(intron):): 转录后被切除，从而不翻译为蛋白质的部分。转录后被切除，从而不翻译为蛋白质的部分。外显子外显子(exon(exon或或extronextron):): 转录后不被切除，继而翻译为蛋白质的部分。转录后不被切除，继而翻译为蛋白质的部分。斜线：与转录的调节有关；斜

55、线：与转录的调节有关； 小点：外显子；小点：外显子； 空白：内含子空白：内含子控制人的血红蛋白分子的基因控制人的血红蛋白分子的基因2 2、重叠基因、重叠基因(overlapping gene)(overlapping gene)： 基因中包含着基因。基因中包含着基因。噬菌体噬菌体X174X174，单链环状，单链环状DNADNA，碱基数不到，碱基数不到54005400，编码，编码9 9种蛋白质种蛋白质( (二二) )基因的基本特征与基因的基本特征与DNADNA特性：特性：1 1、基因的自体复制：、基因的自体复制： 细胞分裂时，从一个基因自体复制为全同的两个基因，细胞分裂时，从一个基因自体复制为全

56、同的两个基因，在在DNADNA分子水平上是分子水平上是DNADNA分子自体催化时，从一个分子自体催化时，从一个DNADNA分子复制分子复制为全同的两个为全同的两个DNADNA分子。分子。2 2、基因决定性状：、基因决定性状： 某一基因存在，决定某种酶或蛋白质的合成，通过生理某一基因存在，决定某种酶或蛋白质的合成，通过生理生化过程出现某一性状。在生化过程出现某一性状。在DNADNA分子水平上是分子水平上是DNADNA分子异体催分子异体催化时，某一区段的核苷酸顺序互补地决定化时，某一区段的核苷酸顺序互补地决定mRNAmRNA的核苷酸顺序，的核苷酸顺序，转而专一性地决定蛋白质的氨基酸顺序。转而专一性

57、地决定蛋白质的氨基酸顺序。3 3、基因的突变：、基因的突变： 基因很稳定，但有时会发生突变，突变的基因通过自体基因很稳定，但有时会发生突变，突变的基因通过自体复制一代代的传递下去。在复制一代代的传递下去。在DNADNA分子水平是分子水平是DNADNA分子很稳定，分子很稳定，但某核苷酸序列有时会改变，改变了的核苷酸序列通过复制但某核苷酸序列有时会改变，改变了的核苷酸序列通过复制有能稳定地保持下去。有能稳定地保持下去。例例1 1：生化突变型与一基因一酶说：生化突变型与一基因一酶说前体前体鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸精氨酸精氨酸菌株菌株IIIIII：自前体到鸟氨酸的反应受阻。：自前体到鸟氨酸的反应受阻。

58、菌株菌株IIII：自鸟氨酸到瓜氨酸的反应受阻。：自鸟氨酸到瓜氨酸的反应受阻。菌株菌株I I：自瓜氨酸到精氨酸的反应受阻。：自瓜氨酸到精氨酸的反应受阻。 生长生长 生长生长 生长生长 生长生长 生长生长 生长生长 菌株菌株菌株菌株 菌株菌株精氨酸精氨酸瓜氨酸瓜氨酸鸟氨酸鸟氨酸添加的添加的 aaaa菌株菌株链孢霉链孢霉精氨酸依赖型精氨酸依赖型的不同菌株对添加的氨基酸反应的不同菌株对添加的氨基酸反应前体前体鸟氨酸鸟氨酸arg1arg2瓜氨酸瓜氨酸arg3精氨酸精氨酸酶酶1 1酶酶3 3酶酶2 2例例2 2：人的先天代谢缺陷：人的先天代谢缺陷 苯丙氨酸苯丙氨酸羟化酶羟化酶酪氨酸酪氨酸酶酶尿黑酸氧化酶尿

59、黑酸氧化酶氧取代氨基氧取代氨基苯丙氨酸转氨酶苯丙氨酸转氨酶例例3:3:人半乳糖血症人半乳糖血症: : 不能同化半乳糖的病叫半乳糖血症不能同化半乳糖的病叫半乳糖血症. . 症状：呕吐、腹泻、肝肿大、生长迟缓，智能低下症状：呕吐、腹泻、肝肿大、生长迟缓，智能低下 葡萄糖葡萄糖-1-1磷酸磷酸尿苷转移酶尿苷转移酶葡萄糖葡萄糖-1-1磷酸尿磷酸尿苷转移酶缺乏苷转移酶缺乏 红细胞溶血后半乳糖酶活性的比较红细胞溶血后半乳糖酶活性的比较 平均活性平均活性uMuM转换转换/ /小时小时/g/g细胞（细胞（3737 C C） 半乳糖激酶半乳糖激酶 葡萄糖葡萄糖-1-1-磷酸尿苷转移酶磷酸尿苷转移酶 异构酶异构酶

60、正常人正常人(GG) (GG) 0 010 410 48 08 03232半乳糖血症半乳糖血症 0 008 08 0 002 002 03535患者患者(gg(gg) ) 患者的父母患者的父母( (杂合体杂合体GgGg) ) 2 29 9 二、基因的精细结构二、基因的精细结构: :位置效应位置效应 黑腹果蝇复眼中的平均小眼数黑腹果蝇复眼中的平均小眼数 基因型基因型 16A16A区域的数目区域的数目 小眼数小眼数 +/+ 2 780+/+ 2 780 +/B 3 360 +/B 3 360 +/BB +/BB 4 45 4 45 B/B B/B 4 70 4 70 BB/BB 6 25 BB/B