第02章遗传物质的分子基础

1、,第二章 遗传物质的分子基础,第六节 DNA作为主要遗传物质 的证据 分子遗传学的大量直接和间接的证据，说明DNA是主要的遗传物质，而在缺乏DNA的某些病毒中，RNA就是遗传物质,一、间接证据 DNA含量、代谢、结构、染色体共有等 二、直接证据 1、细菌的转化 肺炎双球菌两种类型： 光滑型(S型)： I S、II S、III S 粗糙型(R型)：I R、II R、III R,1928, Griffith：首次将II R III S，实现了细菌遗传性状的定向转化 。被加热杀死的III S型肺炎双球菌必然含有某种促成这一转变的活性物质,1944 ，Avery等用生物化学方法证明这种活性物质是DNA

2、 该提取物不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酸酶的影响，而只能为DNA酶所破坏,2、噬菌体的侵染与繁殖 Hershey等用同位素32P和35S分别标记T2噬菌体的DNA与蛋白质,3、烟草花叶病毒的感染和繁殖 RNA接种到烟叶 发病 RNA RNA酶处理RNA 不发病 TMV 蛋白质：接种后不形成新的TMV 不发病 说明在不含DNA的TMV中RNA就是遗传物质,为了进一步论证上述的结论 ，Frankel-Conrat和Singer实验：,核酸的化学结构 一、两种核酸 * 核酸的构成单元是核苷酸， 是核苷酸的多聚体 * 每个核苷酸包括三部分： 五碳糖、磷酸、碱基 * 两个核苷酸之间由3和5位的 磷酸二脂键

3、相连,两种核酸的主要区别： DNA：脱氧核糖，A、C、G、T 双链，分子链较长 RNA：核糖，A、C、G、U 单链，分子链较短,构成核苷酸分子的碱基结构,核酸分子的学结构,二、DNA的分子结构 1953，Watson和Crick根据： 碱基互补配对的规律 对DNA分子的X射线衍射成果 提出了著名的DNA双螺旋结构模型。这个模型已为以后拍摄的电镜直观形象所证实。, 双 螺 旋 结 构 模 型,DNA分子模型最主要特点： (1)两条多核苷酸链以右手螺旋的形式， 以一定的空间距离，环绕于同一轴相 互盘旋而成 (2)反向平行：53，35 (3)两条单链间以碱基间氢键配对相连： A T，C G (4)每

4、个螺旋34 (3.4nm)，含10bp， 直径约为20 (5)分子表面大沟和小沟交替出现,图 8-6 DNA分子的双螺旋结构模型,图 8-7 两条多核酸链间氢键相连,A-T和C-G两种核苷酸对分子链内 排列的位置和方向只有四种形式: A-T C-G A-T G-C C-G A-T G-C A-T 假设某一段DNA分子链有1000bp，则该段就可以有41000种不同的排列组合形式，反映出来的就是41000种不同性质的基因.,DNA构型之变异： BDNA：瓦特森和克里克提出的 双螺旋构型,是DNA在生理状 态下的构型 ADNA：在高盐下存在形式，右旋， 每个螺圈含11bp ZDNA:左旋，每个螺圈

5、含12bp 其他构型,二、RNA的分子结构 绝大部分RNA以单链形式存在，但可折叠起来形成若干双链区域。这些区域内，互补的碱基对间可形成氢键。一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。,DNA的复制 一、DNA复制的一般特点 1、复制方式：半保留复制 2、复制起点：大多数细菌及病 毒只有一个复制起点 ，一个 复制子 ；真核生物是多起点 的，多个复制子 3、复制方向：一般为双向复制,图816 DNA半保留复制,一、DNA的复制的方式,半保留复制： DNA在复制时，亲代DNA的双螺旋先行解旋和分开，然后以每条链为模板，按照碱基配对的原则，在这两条链上各形成一条互补链，以组成新的DNA分子。这

6、样新形成的两个DNA分子与亲代DNA分子的碱基顺序完全一样。由于子代DNA分子中一条链来自亲代，另一条链是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。, , ,二、参与 DNA复制的因子,1.底物 dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP) 2.模板单链的DNA母链 3.聚合酶 DNA聚合酶I 、II、III 4.引物寡核苷酸引物（RNA) 5.其他酶和蛋白质因子 拓扑异构酶，解链酶，单链结合蛋白，连接酶。,(一)、DNA聚合酶,全称： 依赖DNA的DNA聚合酶 简称： DNA-pol,活性：53 的聚合活性 核酸外切酶活性,Arthur Kornberg,特点: DNA 新链生成需引物和模

7、板 新链的延长只可沿5 3方向进行,种类： DNA-pol 、DNA-pol 、DNA-pol ,DNA-pol （109kD）:,功能： 对复制中的错误进行校读; 对复制和修复中出现的空隙进行填补。,DNA-pol （120kD） :,DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活, 它参与DNA损伤的应急状态修复,DNA-pol (250kD),功能: 是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶 对于DNA的复制也有校对功能 配合 DNA-pol使复制的错误率大大降低,真核生物的DNA聚合酶,DNA-pol ,起始引发，有引物酶活性。,复制延长中起主要催化作用的酶，有 解螺旋酶活性。,参与低

8、保真度的复制 。,在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。,在线粒体DNA复制中起催化作用。,DNA-pol ,DNA-pol ,DNA-pol ,DNA-pol ,（二）DNA拓扑异构酶 1. DNA的拓扑性质,分类及作用机制,拓扑异构酶:切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，DNA变为松弛状态。反应不需ATP。,拓扑异构酶:切断DNA分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。利用ATP供能，连接断端， DNA分子进入负超螺旋状态,功能: 松弛正超螺旋，变为负超螺旋; 既能水解 、又能连接磷酸二酯键,（三）解链酶、引物酶和单链DNA结合蛋白,1.解链酶：利用A

9、TP供能，作用于氢键，使 DNA双链解开成为两条单链,2. 单链DNA结合蛋白： 在复制中维持模板在单链状态 保护单链的完整，避免被核酸酶水解,3. 引物酶：复制起始时催化生成RNA引物的酶,（四）、DNA连接酶,1.作用方式: 催化双股DNA链中一股缺口的3-OH和5-P形成磷酸二酯键，从而使缺口两侧的DNA片段相连接。,2.功能 DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用 在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用 也是基因工程的重要工具酶之一,三、DNA复制的过程,（一） 复制的起始,（二） 复制的延伸,（三） 复制的终止,（四） 复制的忠实性,（一） 复制的起始-方向性,单向复制,双向复

10、制,（一） 复制的起始-有关蛋白质,复制叉-复制开始后由于DNA双链解开，在两股单链上进行复制，形成在显微镜下可看到的叉状结构。,（一） 复制的起始-复制叉形成,复制起始流程图,打开DNA超螺链,打开双螺旋,防止复螺旋,单链结合蛋白,解链酶,引物复合体,引物酶,拓扑异构酶,合成,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引发体,DNA连接酶,引物,DNA复制起始的过程,拓扑异构酶 与DNA双链 结合，解开 超螺旋。,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引发体,DNA连接酶,引物,DNA复制起始的过程,解链酶解开 DNA双螺旋,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,

11、DNA聚合酶,引物酶及引发体,DNA连接酶,引物,DNA复制起始的过程,引物酶合成引物,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引发体,DNA连接酶,引物,单链结合蛋白防止复螺旋,DNA复制起始的过程,（二）、DNA复制的延伸,1. DNA聚合酶把新生链的第一个脱氧核苷酸加 到引物的3-OH上，开始新生链的合成过程。,引物,组成 DNA 的脱氧核糖核苷酸一个个连接起来,3,5-磷酸二酯键,引物,DNA模板链,DNA新链,引物,半不连续复制,前导链,滞后链,冈崎片段,5,3,半不连续复制 DNA复制时,一条链是连续的,另一条链是不连续的,称为半不连续复制。,3,3,5,5,（三）

12、、 复制的终止,复制有终止信号 pol 5 3外切酶活性水解引物 pol聚合活性填补空隙 DNA连接酶连接缺口。,二、原核生物DNA合成 1、半保留复制，双向复制 2、有引物的引导，为RNA 3、延伸方向为53。 4、一条链一直从5向3方向延 伸，称前导链，连续合成 ；另一条先沿53 合成冈 崎片段，再由连接酶连起 来链，后随链，不连续合成,图818 DNA解旋,图819 DNA合成之模型,* 在前导链上，DNA引物酶只在 起始点合成一次引物RNA， DNA聚合酶III开始DNA的合成* 在后随链上，每个冈崎片段 的合成都需要先合成一段引 物RNA，然后DNA聚合酶III才 能进行DNA的合成

13、。,图820 后随链DNA的合成,RNA病毒中RNA的自我复制 先以自己为模板（“”链）合成一条互补的单链（“”链），然后这个“”链从“”链模板释放出来，它也以自己为模板复制出一条与自己互补的“”链，形成了一条新生的病毒RNA。,三、真核生物DNA合成 真核生物DNA的复制与原核生 物的主要不同点： 1、DNA的合成只是在S期进行，原 核生物则在整个细胞生长过程 中都进行DNA合成 2、原核生物DNA的复制是单起点 的，真核生物染色体的复制则 为多起点的,3、所需的RNA引物及后随链上合 成的“冈崎片段”的长度比原 核生物要短 4、有二种不同的DNA聚合酶分别 控制前导链（）和后随链 （）的合

14、成 ；在原核生物 中由聚合酶III同时控制二条 链的合成 5、染色体端体的复制：原核生 物的染色体大多数为环状,RNA的转录及加工 一、三种RNA分子 1、mRNA 2、tRNA：最小的RNA，由70到 90个核苷酸组成，具有稀有 碱基的特点,图822 tRNA的三维结构,8-23 tRNA 模式图,3、rRNA：核糖体的主要成 分。在大肠杆菌中： rRNA量占细胞总RNA量的 75-85 tRNA占15 mRNA占3-5,二、RNA合成的一般特点 1、所用原料为核苷三磷酸；在DNA合成 时为脱氧核苷三磷酸 2、只有一条DNA链被用作模板；DNA合成 时，两条链分别用作模板 3、RNA链的合成

15、不需要引物；DNA合成一 定要引物的引导 4、RNA链的合成与DNA链的合成同样，也 是从5向3端，由RNA聚合酶催化,三、原核生物RNA的合成 * 转录后形成一个RNA分子的一段DNA序列称为一个转录单位 * 一个转录单位可能刚好是一个基因，也可能含有多个基因 * RNA转录分三步：(1)RNA链的起始；(2)RNA链的延长；(3)RNA链的终 止及新链的释放,定义：RNA的生物合成就是转录，即以 DNA为模板，在依赖于DNA的RNA聚合酶 的催化下，以4种NTP（ATP、CTP、GTP 和UTP为原料，合成RNA的过程。 合成部位：细胞核 合成原料：四种NTP,一、DNA指导下的RNA的合

16、成,转录特点：,1、转录单位：启动子 终止子 2、不对称转录：两条DNA链不同时 进行转录的现象。 编码链或反意义链；模板链或有意义链 3、RNA聚合酶：,全酶：有 5个亚基组成 作用识别启动子，引发RNA的合成。,核心酶：不含亚基，延长RNA链,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,转录过程：,转录的起始：,RNA的延长：5 3,转录的终止： 遇到终止子，RNA链停止延长，核心酶 脱离，新RNA释放。,DNA 解旋，以一条链为模板合成RNA,细胞核中,DNA与RNA的碱基互补配对：AU； TA； CG； GC,细胞核中,组成

17、RNA 的核糖核苷酸一个个连接起来,细胞核中,细胞核中,细胞核中,细胞核中,细胞核中,细胞核中,细胞核中,细胞核中,DNA上的遗传信息就传递到mRNA上,mRNA,DNA,细胞核中,细胞质,细胞核,核孔,DNA,mRNA在细胞核中合成,细胞质,细胞核,mRNA通过核孔进入细胞质,细胞质,细胞核,mRNA通过核孔进入细胞质,四、真核生物RNA的转录及加工,真核生物与原核生物RNA的转录的不同点 1、真核生物RNA的转录是在细胞核内进行， 而蛋白质的合成则是在细胞质内 2、原核生物的一个mRNA分子通常含有多个基 因；而少数较低等真核生物外，真核生物 一个mRNA分子一般只编码一个基因 3、原核生

18、物只有一种RNA聚合酶催化所有RNA 的合成；真核生物中则有RNA聚合酶I、II 、III，分别催化不同种类型RNA的合成 4、原核生物RNA聚合酶直接起始转录合成RNA ；真核生物三种RNA聚合酶都必须在蛋白 质转录因子的协助下才能进行RNA的转录,真核生物mRNA在转录后的加工： 1、5端加上帽子(7甲基鸟嘌呤核苷) 在蛋白质翻译时识别起始位置及防止 被RNA酶降解 2、3端加上尾巴(聚腺苷酸,polyA) 对增加mRNA的稳定性及从细胞核向细 胞质的运输具有重要作用 3、切除非编码序列(内含子)，将编码序 列(外显子)连接起来，才能进行蛋白 质的翻译,图828 真核生物mRNA的加工,遗

19、传密码与蛋白质的翻译 一、遗传密码 （1）三联体密码 （2）通用性 （3）简并现象 （4）遗传密码间不能重复利用： 除少数情况外，一个mRNA上每 个碱基只属于一个密码子 （5）起始密码子：AUG GUG 和终止密码子: UAA UAG UGA (6) 遗传密码间无逗号,即在翻译过程 中，遗传密码的译读是连续的,(一)、mRNA与遗传密码,遗传密码：指排列在DNA或mRNA链上为蛋 白质氨基酸编码的核苷酸序列。,密码子：在mRNA分子中从5 3方向， 以AUG开始，每三个碱基组 成一组称为三联体，每个三 联体代表一种氨基酸，所以称 之为密码子。,一、蛋白质合成体系的重要组成组分,遗传密码表,密

20、码子,mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基,密码子的性质：,1、简并性(终止密码子UAA,UAG,UGA) 2、兼职性（起始密码子AUG,GUG） 3、密码子的连续性(编码蛋白质氨基酸序列的 各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉) 4、通用性与例外（或半通用性） 5、阅读方向与mRNA编码方向一致,简并性(degeneracy),不同细胞核蛋白体的组成,（二）、核糖体是多肽链合成的装置,核蛋白体的组成,原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:,A位：氨基酰位 (aminoacyl site),P位：肽酰位 (peptidyl site),E位：排出位 (exit site),（三）、

21、tRNA与氨基酸的活化,反密码环,氨基酸臂,tRNA的一端运载着氨基酸,（一）氨基酰-tRNA合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase),氨基酸的活化,第一步反应,氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E AMP PPi,第二步反应,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E,tRNA与酶结合的模型,tRNA,氨基酰-tRNA合成酶,ATP,氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸 和tRNA都有高度特异性。 氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activity) 。 氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAla Ser-tRNAS

22、er Met-tRNAMet,特点:,真核生物： Met-tRNAiMet 原核生物： fMet-tRNAifMet,（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA,翻译的起始(initiation) 翻译的延长(elongation) 翻译的终止(termination ),整个翻译过程可分为 ：,翻译过程从阅读框架的5-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。,二、肽链合成过程：,（一）、肽链合成起始,指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物 (translational initiation complex)。,原核、真核生物各种起始因子

23、的生物功能,原核生物翻译起始复合物形成,核蛋白体大小亚基分离； mRNA在小亚基定位结合； 起始氨基酰-tRNA的结合； 核蛋白体大亚基结合。,IF-3,IF-1,1. 核蛋白体大小亚基分离,IF-3,IF-1,2. mRNA在小亚基定位结合,IF-3,IF-1,3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet ) 结合到小亚基,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,真核生物翻译起始复合物形成,核蛋白体大小亚基分离； 起始氨基酰-tRNA结合； mRNA在核蛋白体小亚基就位； 核

24、蛋白体大亚基结合。,真核生物翻译起始复合物形成过程,（二）、肽链合成延长,肽链延长在核蛋白体上连续循环式进行，又称为核蛋白体循环(ribosomal cycle)。 包括以下三步： 进位 (entrance) 成肽 (peptide bond formation) 转位 (translocation),延伸过程所需蛋白因子称为延长因子 (elongation factor, EF)。 原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts) EF-G 真核生物：EF-1 、EF-2,又称注册(registration),进位,指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。,

25、延长因子EF-T催化进位（原核生物）,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,成肽,是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。,转位,延长因子EF-G有转位酶( translocase )活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3侧移动 。,fMet,fMet,核糖体,细胞质中的mRNA 与核糖体结合.,细胞质中,tRNA 上的反密码子与 mRNA上的密码子互补配对 .,细胞质中,细胞质中,tRNA 将氨基酸转运到 mRNA上的 相应位置 .,细胞质中,两个氨基酸分子缩合,亮氨酸,核糖体随着 mRNA滑动. 另一个 tRNA 上的碱基与mRNA上的 密码子配对.,细胞质中,亮氨