遗 传 学
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遗 传 学. Genetics. 授课教师 : 韩志平 山西大同大学农学院. 第二章 遗传的物质基础. 第一节 细胞的基本结构 第二节 染色体的结构 第三节 染色体在细胞分裂中的行为 第四节 DNA 的结构 第五节 RNA 的分子结构 第六节 DNA 结构研究进展. 第四节 DNA 的结构. 遗传的物质基础及其结构是遗传学研究的关键问题。 1944 年， Avery 通过 细菌的转化试验 ，证明 DNA 是遗传物质； 1953 年， Watson 和 Crick 提出了 DNA 的双螺旋结构模型 。 1. DNA 是遗传物质的证据 - PowerPoint PPT Presentation
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遗 传 学
授课教师 : 韩志平山西大同大学农学院
Genetics
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第二章 遗传的物质基础
第一节 细胞的基本结构第二节 染色体的结构第三节 染色体在细胞分裂中的行为第四节 DNA 的结构第五节 RNA 的分子结构第六节 DNA 结构研究进展
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第四节 DNA 的结构
遗传的物质基础及其结构是遗传学研究的关键问题。 1944年， Avery通过细菌的转化试验，证明 DNA是遗传物质；1953年，Watson和 Crick提出了 DNA的双螺旋结构模型。
1. DNA 是遗传物质的证据（ 1）间接证据 19世纪末，Weismann就预言：遗传物质是具有特定分子结构的化合物。 DNA具有遗传物质必须具备的 3个基本特点：稳定性、连续性和多样性。
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①稳定性：同一物种的不同个体、同一个体的不同组织细胞中 DNA含量恒定，而不同组织细胞中蛋白质含量变化很大； DNA在代谢上也很稳定，原子一旦被 DNA摄取，在正常情况下不会离开，而蛋白质在形成的同时又不断分解。
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②连续性： DNA可自我复制，并向后代准确传递，生殖细胞 DNA含量正好是体细胞的一半，受精后又恢复到体细胞一样的水平，蛋白质在不同细胞中含量和种类变化都很大。
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③多样性：DNA由A、G、C、 T 4种碱基组成，一条由 n个碱基组成的DNA链有 4n种排列方式，数目极大；DNA还可发生变异，每个碱基的变化都会使其代表的信息发生变化。
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（ 2）直接证据①肺炎双球菌的转化实验肺炎双球菌 (Diplococcus pneumoniae)有两种类型：一是光滑型 (S型 )：细胞外有一层多糖荚膜，具有致病性，能在琼脂培养基上形成光滑的菌落；二是粗糙型 (R型 )：细胞外无多糖荚膜，没有毒性，形成粗糙的菌落。
S型和 R型都有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等品系。 S型与 R型在一般情况下不发生互变。
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A. Griffith的肺炎双球菌定向转化实验 1928年， Griffith等将加热灭活的 SⅢ型菌液和活的 RⅡ型菌液分别注射小白鼠，都不致死；但将加热灭活的 SⅢ型菌液与活的 RⅡ型菌液混合后注射小白鼠，结果都死亡，并在死亡小白鼠体内分离到大量活的 SⅢ型细菌。
实验说明：加热灭活的 SⅢ型菌液中含有某种活性物质，能使 RⅡ型转变为 SⅢ型，这种现象称为转化 (transformation)。
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B. Avery的单因子转化实验 1944年， Avery等在体外重复了 Griffith等的实验：将
SⅢ型的提取物与活的 RⅡ型混合在一起，离体培养使少数 RⅡ型定向转化为 SⅢ型；将这种细菌分离出来繁殖，其后代不但具有荚膜而有毒，其提取物质也具有使 RⅡ型转化为 SⅢ型的能力。
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Avery等还用生化方法证明这种转化因子是 DNA：将 SⅢ型细菌杀死，分离出 DNA、 RNA、蛋白质和多糖荚膜，分别加入 RⅡ型菌中，培养后仅加 DNA的 RⅡ型菌发生了转化，产生了 RⅡ型和 SⅢ型细菌；同时用蛋白酶、多糖酶、 DNA酶和 RNA酶处理 SIII型菌的提取物，只有用 DNA酶处理时不能发生转化，其他酶处理都不影响提取物的转化活性。
实验首次证明：转化因子是 DNA， DNA是遗传物质。
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体外单因子转化正实验
加热杀死
S型细菌
多糖 脂类 RNA 蛋白质 DNA↓ ↓ ↓ ↓ ↓
↓ ↓ ↓ ↓ ↓
R型细菌
SR
加热杀死
S型细菌
多糖 脂类 RNA 蛋白质 DNA↓ ↓ ↓ ↓ ↓
↓ ↓ ↓ ↓ ↓
R型细菌
SR
加热杀死
S型细菌
多糖 脂类 RNA 蛋白质 DNA↓ ↓ ↓ ↓ ↓
↓ ↓ ↓ ↓ ↓
R型细菌
多糖 脂类 RNA 蛋白质 DNA↓ ↓ ↓ ↓ ↓
↓ ↓ ↓ ↓ ↓
R型细菌
SR SR
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②Hershey和 Chase的噬菌体感染实验噬菌体 (bacteriophage)结构十分简单，由蛋白质外壳和核酸组成，其中蛋白质是唯一含 S的物质， DNA是唯一含 P的物质。
噬菌体能利用大肠杆菌 (E. coli)合成 DNA和蛋白质的材料来合成自己的 DNA和蛋白质，组装形成完整的子代噬菌体。
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1952年， Hershey和 Chase用同位素 32P和 35S分别标记 T2噬菌体并使其繁殖，再用标记噬菌体去感染无放射性的 E. coli，培养 10 min后用搅拌器甩掉细菌表面的噬菌体。结果：
35S 标记下， 80%的放射性活性见于被甩掉的外壳中，细菌内只有 20%，且不能传递给子代；
32P 标记下， 70%的放射性活性见于细菌内，被甩掉的外壳中只有 30%，并可传递给子代。
实验证明：遗传物质是 DNA，不是蛋白质。
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③烟草花叶病毒的重建实验有些病毒只含有 RNA而没有 DNA。烟草花叶病毒
(Tobacco mosaic virus, TMV)是由蛋白质外壳和 RNA核心组成的管状病毒，不含 DNA。
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1957年， Fraenkel-Conrat和 Singer将两种不同的 TMV株系（ S系和 HR系）的蛋白质外壳和 RNA核心分别提取出来，相互对换后重建形成两种杂种病毒，再去感染烟草叶片。结果：叶片上产生的病斑形态与杂种 TMV的 RNA一致，而与蛋白质无关。实验证明：病斑的遗传是由 RNA决定的，在不含 DNA的病毒中， RNA是遗传物质。
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2. DNA 的化学组成核酸是以核苷酸为基本结构单位的高分子多聚化合物，每个核苷酸都由五碳糖、磷酸和含氮碱基 3 部分组成，核苷酸之间由磷酸二脂键相连。
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含氮碱基共有 5种：两种双环结构的嘌呤（ A、 G）和三种单环结构的嘧啶（ C、 T、 U）。
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含氮碱基的分子结构模式
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核酸有两种：核糖核酸 (RNA)和脱氧核糖核酸 (DNA)。 RNA与 DNA的区别：①以 U代替了 T；②用核糖代替了
脱氧核糖；③ DNA通常是双链， RNA多为单链；④ DNA的碱基组成具有 A/T=G/C=1的特点， RNA一般无此特点；⑤真核生物 DNA 主要存在于核内染色体上，少量存在于叶绿体和线粒体中； RNA在细胞核和细胞质中都有，核内主要集中在核仁上，少量在染色体上。
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核酸分子的化学组成
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3. DNA 的双螺旋结构模型 1953年，Watson和 Crick 根据 Chargaff提出的 DNA分子碱基互补配对规律及Wilkins和 Franklin 拍摄的 DNA结晶 X射线衍射照片，提出了著名的 DNA双螺旋结构模型(Double helix structure model of DNA)。
Wilkins
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DNA 双螺旋结构模型的主要特点
①DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链组成，形成右手双螺旋；
②双螺旋直径是 2 nm，相邻两个碱基对的距离是 0.34 nm，每个螺旋有 10 bp，螺距为 3.4 nm；
③糖 - 磷酸键在双螺旋的外侧，碱基对通过氢键相连，碱基对的平面与轴线垂直；
④糖与附着在糖上的碱基近于垂直； ⑤碱基配对时，必须一个是嘌呤，另一个是嘧啶； ⑥双螺旋表面有大沟和小沟交替出现。
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DNA 双螺旋结构模型
DNA双螺旋结构模型为 DNA的半保留复制奠定了基础。
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DNA 的半保留复制
1953年，Watson和 Crick又提出了DNA半保留复制模型 (semi-conservative replication)： DNA 从其双链一端的氢键断开，以拆开的两条单链为模板，以游离核苷酸为原料，在一些聚合酶催化下，通过碱基间氢键配对方式连接起来，各自形成一条新的互补链，并与原来的模板链盘旋在一起，形成两个新的 DNA分子，都保留有亲本 DNA双链的其中一条单链。
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第五节 RNA 的分子结构
RNA的一级结构： RNA单链中核糖核苷酸的排列顺序； RNA的二级结构： RNA分子的多核苷酸单链可以在某些
部分弯曲折叠，形成局部双螺旋结构； RNA 三级结构：在二级结构的基础上进一步弯曲折叠形成的结构。
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根据其结构和功能， RNA分子可分为三种类型：1. tRNA 分子 tRNA是分子量最小的 RNA，占 RNA 总量的 16%。 主要功能：转运活化了的氨基酸，参与蛋白质的生物合成。 各种 tRNA的二级结构都呈三叶草形，主要特征：①氨基酸臂的 3’末端是 CCA-OH 序列，可与氨基酸连接；②有一个富含鸟嘌呤的二氢假尿嘧啶环（ D 环）；③有一个反密码子环，其顶端为 3个暴露的碱基，可识别
mRNA分子上的密码子； ④有一个胸腺假尿嘧啶环 (TψC环 )，与结合核糖体有关； ⑤有的 tRNA还存在额外环。
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tRNA 的倒 L 形三级结构
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2. mRNA mRNA含量最少，约占 RNA 总量的 2%。生物功能：传递 DNA的遗传信息，指导蛋白质的生物合成。 真核生物mRNA一级结构的特点：①3’ 端有一个多聚腺苷酸 (polyA) 尾巴，功能：增加
mRNA的稳定性，提高 mRNA 翻译蛋白质的效率；②5’ 端有一个 7- 甲基鸟嘌呤核苷三磷酸 (m7Gppp)的帽子，
功能：防止被 RNA酶降解，帮助识别翻译的起始位置。
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核不均一 RNA(heterogeneous nuclear RNA, hnRNA)：真核细胞核内合成的mRNA 初级产物，含有大量非编码序列，只有在核内经过加工、剪接成为成熟的mRNA，才能运出细胞核最后翻译为蛋白质。
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3. rRNA rRNA是含量最多的 RNA，
约占 RNA 总量的 82%。 主要功能：与多种蛋白质结合形成核糖体，作为蛋白质生物合成的装配机。
原核生物的 rRNA： 5S rRNA、16S rRNA、 23S rRNA等 3种；真核生物的 rRNA： 5S rRNA、 5.8S rRNA、 18S rRNA、 28S rRNA等 4种。
原核生物核糖体的组装
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原核生物和真核生物的核糖体均由大小两个亚基组成。小亚基的功能：识别mRNA上起始密码 AUG，并与起始
密码结合成复合体；大亚基的功能：提供肽链转移酶，为肽链延长提供受体部位和供体部位。
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RNA 的转录
RNA的转录过程可分为三步：转录起始、链的延伸、链的终止和释放。
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原核生物与真核生物 mRNA 合成过程的比较
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真核生物 mRNA 在转录后的加工
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第六节 DNA 结构研究进展
1. DNA 构型的变异 已知有 3种不同构象 DNA双螺旋：（ 1） B-form：即 Watson-Crick
右手双螺旋 DNA，是正常生理条件下绝大多数 DNA的构象，在一定条件下可转变成其他构象。
B-DNA每转一圈是 10.4 bp。
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（ 2） A-form：也是右手双螺旋，是在高盐或脱水状态下的构象，每转一圈 11 bp，大沟深而窄，小沟宽而浅。
细胞内 DNA-RNA或RNA-RNA双链结构与 A-DNA构型非常相似。
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（ 3） Z-form： 1979年， Rich用 X射线衍射法分析人工合成的 DNA 片段时发现的一种左手螺旋结构。结构特点：
两条链反向平行，每个螺旋约 12 bp，螺距4.5 nm，直径 1.8 nm；富含 G-C， C的糖环呈反式构象，但 G的糖环呈顺式构象；C与 G 交替排列，使核糖磷酸骨架呈“ Zig-Zag” 走向，故称 Z-DNA；小沟深而窄，大沟推到表面不再成沟。
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DNA 的三种构象
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2. 三链 DNA 1957年， Felsenfeld等发现当双链核酸的一条链都为嘌呤核苷酸、另一条链都为嘧啶核苷酸时会转化为三链核酸结构； 1987年，Mirkin等发现了 DNA的三螺旋结构，称为绞链DNA（ Hinged DNA）。
H-DNA
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三链 DNA的基本结构类型：嘧啶 - 嘌呤 - 嘧啶型和嘌呤 -嘌呤 - 嘧啶型。
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结构特征：其中一条链一定是嘌呤，第三条链与第二条链反向平行，沿双螺旋大沟缠绕上去；呈现 A 构型，大沟较窄；至少需 8个核苷酸才能形成三链结构；第一条链与第二条链碱 基 配 对 不 正 常 ， 以Hoogsten 氢键方式配对。
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3. 四链 DNA 1981年， Klobutcher和 Pluta等在研究真核生物染色体端
粒时发现了四链 DNA。结构特征： 四条链为同向平行的 5’→3’排列；四个 G有序排列在一个正方形中，相邻碱基间以非正常的 GG 氢键相连，形成首尾相接的环型结构；每个片层的中央由电负性的羰基氧形成口袋，可容纳一价阳离子与之相互作用；螺旋扭角 30°，每个片层沿螺旋上升 0.34 nm。
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DNA 的超螺旋结构（ supercoiling ）
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遗传密码
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核糖体的功能与蛋白质合成
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多聚核糖体上蛋白质的合成
多聚核糖体 (polyribosome)：一个mRNA分子同时结合多个核糖体，形成一串核糖体。多个核糖体可以同时翻译一个mRNA分子，使蛋白质合成的效率大大提高。
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细菌的转录和翻译同步进行
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原核细胞与真核细胞中蛋白质翻译的区别
在原核生物中，转译并不等到mRNA合成完成之后开始，一部分mRNA合成后，核糖体能立即附着到mRNA上起动转译，而在真核生物中，转录与转译有时间和空间上的分开。
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中心法则及其发展
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