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1、高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座专题八基因与分子生物学【竞赛要求】1 DNA 是遗传物质的证据2 DNA 和 RNA 的结构3 DNA 的双螺旋结构4 DNA 的复制5 遗传信息流从DNA 到 RNA 到蛋白质6 病毒【知识梳理】一、基因的结构（一）DNA 是遗传物质基础的证据1 肺炎双球菌的转化实验（Fred Griffith 1928年）（1）实验材料 : （2）实验过程：（3）结论： S型细菌有一种物质或转化因子进入R 型细菌，引起R 型细菌发生稳定的遗传变异。（4）不足：并未解释何种物质引起转化。2Osward Avery 等人对肺炎双球菌的补充实验（1944 年）（1）实验过程：肺炎
2、双球菌粗糙型（ R）菌株：细胞外无荚膜，菌落粗糙，无致病性。光滑型（ S）菌株：细胞外有荚膜，菌落光滑，有致病性，能引起人的肺炎和小鼠的败血症。混合培养后注射热处理热处理后注射生生注射R 型活菌小鼠S 型活菌死注射小鼠S 型活菌小鼠死小鼠名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 20 页 - - - - - - - - - Avery 等人将 S型活细菌中多糖、脂类、蛋白质、RNA 、DNA 、DNA 水解物分离出来，分别与 R 型活细菌混合培养，发现只有DNA 能
3、使 R 型细菌转化为S 型细菌，并且后代仍为 S 型细菌。（2）结论： DNA 为转化因子，而蛋白质、脂类等物质均无转化作用。（3）不足： DNA 提取纯度不够，即使纯度最高时仍含有0.02%的蛋白质，因而有一少部分人坚信蛋白质时遗传物质。3噬菌体亲然细菌实验（Alfed Hershey 和 Martha Chase 1952 年）（1）实验材料：T2噬菌体、大肠杆菌。（2）实验过程：首先将大肠杆菌分别培养在含35S 和32P 的培养基中，因为P 主要存在于DNA 中， S存在于蛋白质中，所以在大肠杆菌的生长过程中分别被35S 和32P 标记。然后用噬菌体去感染分别被35S 和32P 标记的大
4、肠杆菌，这样子代噬菌体的蛋白质和DNA 也分别被35S 和32P 标记上。再用已被标记的噬菌体侵染无放射性的大肠杆菌，经一段时间的培养后搅拌离心，分别检测上清液和沉淀物的放射性，结果在新形成的噬菌体中没有检测到35S而检测到了32P。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 20 页 - - - - - - - - - （3）结论： DNA 是联系亲子代的物质，而不是蛋白质。噬菌体侵染细菌的过程为：吸附、注入、复制和合成、组装、释放。（4）优点：真正将DNA 与蛋白
5、质分开来观察它们的作用。4烟草花叶病毒重建实验（Fraenkel Conrat 1956 年）(1)实验材料： TMV 烟草花叶病毒的两种株系：S株系和 HR 株系。(2)实验过程：结果：杂种病毒侵染烟草叶片后的病毒病斑与HR 株系病斑相同， 并从烟草叶片中分离出 HR 株系病毒。（3）结论： RNA 是遗传物质。（4）其他 RNA 病毒： HIV 病毒、 SARS 病毒等。因此， DNA 是主要的遗传物质。真核生物和原核生物的遗传物质为DNA ，某些病毒的遗传物质为DNA ，另一些病毒的遗传物质为RNA 。（二）DNA 和 RNA 的结构1DNA 和 RNA 结构的区别脱氧核糖核酸（DNA
6、）核糖核酸（ RNA ）侵 染提取提取S 株系HR 株系蛋白质外壳RNA 杂种病毒烟草叶片左图为 T2噬菌体侵染大肠杆菌名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 20 页 - - - - - - - - - 基本组成单位五碳糖结构示意图核苷酸结构示意图空间结构一般为双链单链存在部位主要存在于细胞核主要存在于细胞质2 五种碱基的分子结构示意图：（三） DNA 的双螺旋结构1.DNA 双螺旋结构的发现史：1944 年，美国科学家奥斯瓦尔德 西奥多 埃弗里提出，在细胞核内
7、发现的DNA 可能携带遗传信息。 1952 年伦敦的罗莎琳德 富兰克林研究出了DNA 的 X 射线衍射结构图。美国科学家沃森（ Watson，J D）来到英国剑桥大学与英国科学家克里克（Crick ，F.）合作，致力于研究 DNA 的结构。他们通过大量X 射线衍射材料的分析研究，提出了DNA 的双螺旋结构模型， 1953 年 4 月 25 日在英国发现杂志正式发表，并由此建立了遗传密码和模板学说，于1962 年获诺贝尔医学生物学奖。脱氧核苷酸（4 种）一分子磷酸一分子脱氧核糖一 分 子 含 氮 碱 基（ATGC ）一分子磷酸一分子脱氧核糖一 分 子 含 氮 碱 基（ATGC ）脱氧核苷酸（4
8、种）鸟嘌呤腺嘌呤胸腺嘧啶胞嘧啶尿嘧啶名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 20 页 - - - - - - - - - 2DNA 双螺旋结构模型的要点如下： DNA分子由两条多核苷酸链构成。这两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，彼此以一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，很象一条扭曲起来的梯子（图 3-7）。 两 条 多 核 苷 酸 链 反 向 平 行（antiparallel ），即一条链磷酸二脂键为5-3方向，另一条链为35方向，二者刚好相反。亦即一条链对另一条
9、链是颠倒过来的，这称为反向平行。每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过氢键（hydrogen bond ）与它互补的碱基相联系，相互层迭宛如一级一级的梯子横档。互补碱基对A 和 T之间形成两个氢键， 而 C 和 G之间形成三个氢键 （如上图）。 上下碱基对之间的距离为0.34nm。每个螺旋为3.4nm 长，刚好含有10 个碱基对，其直径约为2nm。在双螺旋分子的表面大沟（major groove）和小沟（ minor groove ）交替出现。3碱基互补配对原则：DNA 分子中嘌呤数等于嘧啶数。碱基互补配对原则在解体中的应用：DNA 分子是由两条脱氧核苷酸链构
10、成的。根据碱基互补配对的原则，一条链上的A 一定等于互补链上的T；一条链上的G 一定等于互补链上的C；反之如此。因此，可推知多条用于碱基计算的规律。规律一 ：在一个双链DNA分子中， A=T 、G=C。即： A+G=T+C或 A+C=T+G ，变形为1CTGA或1GTCA。也就是说，嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数。规律二 ：在双链 DNA 分子中，两个互补配对的碱基之和的比值与该DNA 分子中每一单链中这一比值相等，即DNA 分子中CGTA与该 DNA 分子每一单链中的这一比值相等。规律三 ：DNA分子一条链中，两个不互补配对的碱基之和的比值等于另一互补链中这一比值的倒数，即DNA 分子一条链中
11、CTGA的比值等于其互补链中这一比值的倒数。规律四 ：在双链 DNA 分子中，互补的两个碱基和占全部碱基的比值等于其中任何一条单链占该碱基比例的比值，且等于其转录形成的mRNA 中该种比例的比值。即双链 (A+T)%或(G+C)%= 任意单链(A+T)% 或(G+C)%=mRNA中 (A+U)% 或(G+C)% 。二 DNA 的复制1场所：主要在细胞核，细胞质中也存在着DNA 复制，如线粒体和叶绿体中也有DNA 的复制过程。2时间：主要在细胞分裂间期（S 期），细胞质中DNA 复制的时间不一定在细胞分裂的间期。3过程：边解螺旋边复制。4特点：半保留式复制，也就是说新复制出的两个DNA分子中，有
12、一条链是旧的，即原来 DNA 的。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 20 页 - - - - - - - - - 5条件：模板：开始解旋的DNA 分子的两条单链。原料：是游离在核液中的脱氧核苷酸。能量：是通过水解ATP 提供。酶：酶是指一个酶系统，不仅仅是指一种解旋酶。6DNA 分子复制的一般过程：DNA 双螺旋是由两条方向相反的单链组成，复制开始时，双链打开，形成一个复制叉(replicative fork, 从打开的起点向一个方向形成)或一个复制泡(re
13、plicative bubble ，从打开的起点向两个方向形成) 。两条单链分别做模板。各自合成一条新的DNA 链。由于DNA 一条链的走向是53方向，另一条链的走向是35方向，但生物体内DNA 聚合酶只能催化DNA 从 5 3的方向合成。那么，两条方向不同的链怎样才能做模板呢？这个问题由日本学者岗崎先生解决。原来，在以35方向的母链为模板时，复制合成出一条53方向的前导链(leadingstrand)，前导链的前进方向与复制叉打开方向是一致的，因此前导链的合成是连续进行的，而另一条母链DNA 是 53方向，它作为模板时，复制合成许多条53方向的短链，叫做随从链(lagging strand)
14、 ，随从链的前进方向是与复制叉的打开方向相反的。随从链只能先以片段的形式合成，这些片段就叫做岗崎片段(Okazaki fragments) ，原核生物岗崎片段含有10002000 核苷酸， 真核生物一般100200 核苷酸。 最后再将多个岗崎片段连接成一条完整的链。由于前导链的合成是连续进行的，而随从链的合成是不连续进行的，所以从总体上看DNA 的复制是半不连续复制。7DNA 分子损伤： 造成 DNA 损伤的因素有生物体内自发的、亦有外界物理和化学等因素。自发的因素：由于DNA 分子受到周围环境溶剂分子的随机热碰撞(thermal collision) ，腺嘌呤或鸟嘌呤与脱氧核糖间的N-糖苷键
15、可以断裂，使A 或 G 脱落。物理因素：紫外线损伤由于嘌呤环与嘧啶环都含有共轭双键，能吸收紫外线而引起损伤。嘧啶碱引起的损伤比嘌呤碱大10 倍。电离辐射损伤如X 射线和 射线，可以是辐射能量直接对 DNA 的影响， 或 DNA 周围的溶剂分子吸收了辐射能，再对 DNA 产生损伤作用。 如碱基的破坏、单链的断裂、双链的断裂、分子间的交联、碱基脱落或核糖的破坏等。8DNA 分子修复： 在复制过程中发生的损伤或错误可由生物体自身修复，如光修复机制 （主要存在于低等生物）、切除修复系统，后者像外科手术“扩创”一样，将损伤的一段DNA切掉，按碱基配对原则以另一条完好链为模板进行修复，最后由DNA连接酶将
16、新合成的DNA 片段与原来DNA 链连接封口，这种方式是人体细胞的重要修复形式。三遗传信息流从DNA 到 RNA 到蛋白质（一）基因的结构1909 年丹麦约翰逊提出“基因”的概念。基因是由遗传效应的DNA 片段，是DNA 的基本结构和功能单位。基因中有意义链上的核苷酸顺序包含着遗传信息，能通过转录和翻译决定蛋白质合成，从而控制生物性状。有时基因与基因之间存在一段间隔区，导致转录不能进行。绝大多数真核类生物，基因内部都含有不能翻译的核苷酸顺序（内含子），使基因中的编码顺序（外显子）由若干非编码区域（内含子）隔开。这种基因亦称为隔裂基因。每个断裂基因在第一个和最后一个外显子的外侧各有一段非编码区，
17、有人称其为侧翼序列。在侧翼序列上有一系列调控序列。原合生物的基因中无内含子，是连续的。 下面以真核生物为例介绍基因的结构（如下图所示）。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 20 页 - - - - - - - - - 1增强子：在转录起始点上游大约100 碱基对之外的位置有些基因的编码顺序可以增强启动基因进行转录它能使转录活性增强上百倍，因此被称为增强子。 当这些顺序不存在时，可大大降低转录水平。2CAAT 框：在转录起始点的5端侧翼区域的80 和 70 位置
18、之间，有CAAT 框，这个顺序属于启动区域。这段顺序被改变后，mRNA 的形成量明显下降。3TATA 框：在转录起始点的5端上游 2030 核苷酸的地方，有TATA 框顺序。这是 RNA 聚合酶的重要接触点，可使酶定位在DNA 的正确位置上而开始转录。这一编码顺序改变时， mRNA 的转录从不正常的位置起始，且转录水平下降。4AATAAA：在 3 端终止密码的下游有一个核苷酸顺序为AATAAA ，这一顺序可能对 mRNA 的加尾 (mRNA 尾部添加多聚A) 有重要作用。这个顺序的下游是一个反向重复顺序。这个顺序经转录后可形成一个发卡结构(图 3-4)。发卡结构阻碍了RNA 聚合酶的移动。发卡
19、结构末尾的一串U 与转录模板DNA 中的一串A 之间，因形成的氢键结合力较弱，使mRNA 与 DNA 杂交部分的结合不稳定，mRNA 就会从模板上脱落下来，同时，RNA 聚合酶也从DNA 上解离下来，转录终止。AATAAA顺序和它下游的反向重复顺序合称为终止子，是转录终止的信号。（二）基因的表达1转录：以DNA 为模板合成信使RNA 的过程。场所：细胞核。条件：模板（ DNA 双链中有意义的一条链）、原料（核糖核苷酸）、酶（转录酶）、能量。方向： mRNA 从 5 3方向进行转录。加工： mRNA 的前体必须经过下述加工后才能成为成熟的mRNA 。戴帽：在mRNA的 5端加上一个鸟苷酸作为帽子
20、（促进mRNA 与核糖体结合）；加尾：在mRNA 的 3端加上一条具有150200 个腺苷酸的序列 （帮助 mRNA 进入细胞质） ；甲基化： 在 mRNA帽子的 5端，一般有23 个核苷酸被甲基化；切除间隔序列：切除内含子内含子并将外显子连接起来。2翻译：在核糖体上以信使RNA （mRNA ）为模板，转移RNA （tRNA ）为工具，把氨基酸连接成多肽链的过程。信使 RNA(Mrna) ：mRNA 的含量最少，约占RNA 总量的 2%。mRNA 分子中从 5-未端到 3-未端每三个相邻的核苷酸组成的三联体代表氨基酸信息，称为密码子。转移 RNA （tRNA ）：tRNA 约含 70100 个
21、核苷酸残基，是分子量最小的RNA ，占 RNA 总量的 16%，现已发现有 100 多种。 tRNA 的主要生物学功能是转运活化了的氨基酸，参与蛋白质的生物合成。各种tRNA 的一级结构互不相同，但它们的二级结构都呈三叶草形。在 3端有一个CCA序列，能接特定氨基酸。有反密码子可用来识别mRNA 上真核生物的基因结构示意图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 20 页 - - - - - - - - - 的遗传密码。核糖体RNA （rRNA ）：是细胞中含量最多
22、的RNA ，约占RNA 总量的82%。rRNA单独存在时不执行其功能，它与多种蛋白质结合成核糖体，作为蛋白质生物合成的“装配机器”。 rRNA 的分子量较大，结构相当复杂，目前虽已测出不少rRNA 分子的一级结构，但对其二级、三级结构及其功能的研究还需进一步的深入。原核生物的rRNA 分三类：5SrRNA 、16SrRNA 和 23SrRNA 。 真核生物的 rRNA 分四类：5SrRNA 、 5.8SrRNA 、 18SrRNA 和 28SrRNA 。S为大分子物质在超速离心沉降中的一个物理学单位，可间接反应分子量的大小。原核生物和真核生物的核糖体均由大、小两种亚基组成。真核生物核糖体的分布
23、有两种情况，或者是游离在细胞质基质中，或者附着在内质网上，后者合成的蛋白质主要包括：向细胞外分泌的蛋白质、各种膜蛋白、与其他细胞组分严格隔离的蛋白质（如溶酶体中的酸性水解酶类）、需要进行复杂修饰的蛋白质。遗传密码： mRNA 分子上每3 个特定排列的碱基用来决定一个氨基酸称为遗传密码。遗传密码子共有64 个，其中 3 个密码子时无意义的（UAA 、UAG 、UGA ），是肽链合成的终止密码，起始密码是AUG 和 GUG，前面还有一些核苷酸称前导系列。合成多肽时，起始端（氨基端）的第一个甲硫氨酸（若细菌则是甲酰氨酸）可能被分解掉，有时甚至前面几个氨基酸都可能被分解掉，因此，多肽的第一个氨基酸可以
24、是各种氨基酸；密码是高度专一性的。 但密码的第3 个字母改变，往往不改变密码的意义，这与tRAN 上反密码子的第一个字母常常是稀有碱基（次黄嘌呤或甲基次黄嘌呤）有关。因为与 U、A、C 都能配对；密码的通用性。 所有生物共用一套遗传密码，这是生命同一性的一个有力证据，但也有例外：某些线粒体DNA 的编码和这一通用密码有不少差异之处；有些不同的密码决定同一个氨基酸，这在遗传的稳定性上有一定意义。翻译过程：核糖体大亚基上有2 个与 tRNA 结合的部位（ P 部位：进入的tRAN 在它所带的氨基酸形成肽键后，就从A 部位移到 P 部位。 A 部位：刚进入的tRNA 与核糖体结合的位置。）翻译时，核
25、糖体与mRNA 结合，并沿5 3方向移动，此时，tRNA 按密码顺序将氨基酸逐个带入核糖体中连成多肽（从起始密码开始到终止密码结束）。一条 mRNA上可以有多个核糖体同时进行工作，这些核糖体与mRNA 的聚合体称多聚核糖体。3中心法则：遗传学上遗传信息流动的方向叫做信息流，是科学家克里克提出的（如下图所示）。遗传信息的一般流动方向（图中红线所示）是：遗传信息可以从DNA 流向 DNA ，即完成 DNA 的自我复制过程，也可以从DNA 流向 RNA ，进而流向蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译过程。后来的科学研究又发现，在某些病毒中，RNA 也可以自我复制，并且还发现在一些病毒蛋白质的合成过程中
26、，RNA 可以在逆转录酶的作用下合成DNA 。 因此，在某些病毒中，遗传信息可以沿图中的蓝线方向流动。上述逆转录过程以及RNA 自我复制过程的发现，补充和发展了“ 中心法则 ” ，使之更加完整。（三）基因表达的调控基因表达是指基因通过转录和翻译产生其蛋白质产物，或转录后直接产生其RNA 产物，如 tRNA 、rRNA 等。在此过程中，基因的启动和关闭，活性的增加或减弱等是受到调节控名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 20 页 - - - - - - - - -
27、 制的， 这种调控可以发生在基因表达的任何阶段，如在转录阶段、 转录后加工阶段和翻译阶段。调控是通过各种元件来实现的。调控水平： DNA 水平调控、转录水平调控、翻译水平调控。1原核生物的基因调控：主要是转录调控。操纵子调节基因：能转录mRNA 并合成阻遏蛋白，控制操纵基因的状态，从而影响邻近结构基因的活性。基因调控的二种最基本模式：诱导（例乳糖操纵子）：有乳糖时，阻遏蛋白失活，操纵基因打开。阻遏（例色氨酸操纵子）：有色氨酸时，阻遏蛋白有活性，操纵基因关闭。基因转录调控有正反两方面，负调控时通过阻遏蛋白进行的，阻遏蛋白与操纵基因结合，转录就被抑止；阻遏蛋白缺乏或失去活性时，操纵基因打开，转录进
28、行。正控制时，某种复合体与启动基因结合，转录受到促进；这种复合物缺乏时，转录停止。由于基因不同，有的受负控制，有的受正控制，但也有的受正、负两方面控制（如乳糖操纵子的调控）。当培养基中以乳糖为唯一碳源时，乳糖作为诱导物跟阻遏蛋白结合使其失活，操纵基因打开， RNA 聚合酶结合到启动基因上，结构基因开始转录，合成半乳糖苷酶和半乳糖苷透膜酶等，分解乳糖；没有乳糖时，调节基因产生的阻遏蛋白与操纵基因结合，RNA 聚合酶与启动基因的结合受到干扰，结构基因停止转录。当培养基中同时加入葡萄糖和乳糖时，细菌优先利用葡萄糖而不顾乳糖的存在。这是一种适应性， 因为利用葡萄糖作为能源是最有效的。只有当葡萄糖耗尽时
29、，乳糖才能作为诱导物。若细胞内葡萄糖含量很低，而cAMP（环磷腺苷，与细胞内葡萄糖浓度称反比）浓度高时， cAMP 与 CAP（降解物激活蛋白）形成复合体。复合体可特异地结合到启动基因的前面部分，从而促进RNA 聚合酶对启动基因后面部分的亲和力，使转录开始，合成分解利用乳糖的酶；若培养基中除含乳糖外，同时还含有葡萄糖时，则细菌细胞内葡萄糖含量增加，cAMP 浓度降低CAPcAMP 复合物减少， RNA 聚合酶不能有效的结合到启动区域，转录停止， 不能利用乳糖。 所以， 在乳糖操纵子这个例子中，除了阻遏物的负控制外，还有 CAPcAMP 的正控制。2真核生物的基因调控真核生物的基因调控比原核生物
30、复杂得多。这是因为这两类生物在三个不同水平上存在着重大的差别：在遗传物质的分子水平上，真核细胞基因组的DNA 含量和基因的总数都远远高于原核生物，而且DNA 不是染色体中的唯一成分，DNA和蛋白质以及少量的RNA 构成以核小体为基本单位的染色质；在细胞水平上，真核细胞的染色体包在核膜里面，转录和翻译分别发生在细胞核和细胞质中，这两个过程在时间上和空间上都是分开的，而且在转录和翻译之间存在着一个相当复杂的RNA 加工过程；在个体水平上， 真核生物是由不同的组织细胞构成的，从受精卵到完整个体要经过复杂的分化发育过程， 除了那些为了维持细胞的基本生命活动所必需的基因之外，其他不同组织的细胞中的基因总
31、是在不同的时空序列中被活化或受阻遏。真核生物基因表达调控的活动范围很广，通常包括以下几条途径：DNA 水平的调控，转录前水平的调控，转录水平的调控，转录后水平的调控，翻译水平的调控和翻译后水平的调控。（1）DNA 水平的基因调控DNA 水平的基因调控是通过改变基因组中有关基因的数结构基因：能转录、翻译、合成蛋白质的基因操纵基因：控制结构基因转录速度，位于结构基因邻近，不能转录RNA 启动基因： 给出信号， 启动 mRNA 合成开始， 位于操纵基因附近， 不能转录RNA 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理
32、 - - - - - - - 第 9 页，共 20 页 - - - - - - - - - 量和顺序结构而实现的基因调控。从表面上看， 真核生物的体细胞都是受精卵通过有丝分裂而来的，应该都保留有全套染色体的基因组，但是实际上并不都是这样。例如，有一种叫小麦瘿蚊的昆虫，卵裂时，只是形成卵一端的细胞保持全部40 条染色体，这些细胞将来形成生殖细胞， 而其他部位的细胞只保留8 条染色体。 马蛔虫卵裂的早期也发现有染色体丢失的现象。当然被丢掉的染色体上的基因是不可能再在某些体细胞中表达了，这种调控是不可逆的。另一方面， 一些基因在生物体发育的某一阶段可以扩增。例如，非洲爪蟾的卵母细胞在大量合成蛋白质时
33、，细胞中的 rDNA 的拷贝数目， 可由平时的1 500 份急剧增加到2 106份，经转录生成大量的核糖体RNA （rRNA ），以满足细胞大量合成蛋白质的需要。这一基因扩增仅发生在卵母细胞中，当胚胎期开始时，这些增加的rDNA 便失去功能并逐渐消失。除了基因的丢失和扩增外，还有一种是染色体上基因的重排。例如，哺乳动物产生免疫球蛋白的有关基因有3 种：一种是编码恒定区的蛋白质的，另一种是编码可变区的蛋白质的，第三种是编码将它们连接起来的物质的。上述三种基因处于同一条染色体上，但是相距较远。在产生抗体的浆细胞中，这三个DNA 序列通过重排而成为一个完整的转录单位，进而产生抗体分子。（2）转录前的
34、调控真核生物核染色质的化学组成中，除 DNA 之外还有组蛋白、非组蛋白和RNA 等物质。实验表明在上述几种物质中，组蛋白有抑制基因转录的作用，非组蛋白则可以解除组蛋白对基因的抑制作用。科学家根据染色质重组实验提出了一个“ 基因活化的组蛋白转位模型” 来说明非组蛋白解除组蛋白抑制作用的机理：组蛋白带有正电荷，DNA 带有负电荷，带正电荷的组蛋白与带负电荷的 DNA 结合抑制了基因的转录。非组蛋白原来连接在DNA的某一特定位置上，当非组蛋白磷酸化以后，磷酸基带负电荷，于是非组蛋白与带正电荷的组蛋白结合成复合物，这个复合物与带负电荷的DNA相排斥，就从DNA 上脱离下来。这样，使原来与组蛋白结合的那
35、个区段的DNA暴露出来，裸露的这段DNA 可被 RNA 聚合酶识别而开始转录（如右图）。（3）转录水平的调控我们已经知道细菌的代谢作用会直接受环境因素的影响， 它的基因调控的信号常来自环境因素。多细胞的高等生物的代谢作用受环境的直接影响较少， 它的基因调控信号主要来自体内的激素。真核细胞基因调控系统很复杂，科学家根据实验提出了一个真核生物的基因调控系统的模型（如下图）。这个模型提出， 真核生物的结构基因受控于其相邻的感受器，感受器相当于原核生物的操纵基因，经常抑制着结构基因的转录活性。此外，整合基因相当于原核生物的调节基因，它可以形成活化物。活化物可能是一种RNA 或蛋白质，作用于感受器，使之
36、解除对结构基因的抑制。整合基因又受感受基因的激活。整个调控过程是：当细胞膜上的受体与激素结合成激素受体复合物以后，基因活化的组蛋白转位模型图解基因活化的组蛋白转位模型图解名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 20 页 - - - - - - - - - 作用于感受基因，感受基因可激活其邻近的整合基因，整合基因所形成的活化物可解除感受器对结构基因的抑制，从而开始转录。除此之外，真核细胞基因在具体的转录中，每个基因的5 端都有启动子（ TATA 框和 CAAT 框
37、等），能为 RNA 聚合酶提供附着部位并准确识别转录起始点。增强子的存在更能加强启动子的效应。RNA 聚合酶的种类和数量对转录也有重要作用。RNA 聚合酶 I 催化 rRNA 的转录，RNA聚合酶 II 催化 mRNA 的转录， RNA 聚合酶 III 催化 tRNA 和 5sRNA 的转录。 这些因素对转录水平都有重要影响。转录后调控在真核细胞中，基因转录的最初产物是前体mRNA ，其长度比成熟的mRNA 长得多，经过剪切、拼接、戴帽和加尾等加工，才能形成成熟的mRNA 。这里所说的剪切和拼接是指剪切掉内含子，把几个外显子拼接起来；戴帽是指在转录后的mRNA 的5端加上一个甲基化的鸟嘌呤核苷
38、酸，形成一个所谓的帽子；加尾是指在转录后的mRNA的 3 端加上多聚腺嘌呤核苷酸，形成所谓的尾。 mRNA 的 5 端加帽作用和3 端的加尾作用都有助于提高mRNA 的稳定性（如上图）。翻译水平的调控真核生物基因的翻译调控的一个重要作用是控制mRNA 的稳定性。在某些真核细胞中的mRNA 进入细胞质以后，并不立即作为模板进行蛋白质合成，而是与一些蛋白质结合形成RNA 蛋白质（ RNP）颗粒。这种状态的mRNA 的半衰期可以延长。mRNA的寿命越长，以它为模板进行翻译的次数越多。家蚕的丝芯蛋白基因是单拷贝的，但在几天内， 一个细胞中可以合成多达1010 个丝芯蛋白分子。 这是它的mRNA 分子和
39、蛋白质结合成为RNP 颗粒而延长了寿命的结果。真核细胞中mRNA 的平均寿命通常为3 h，而丝芯蛋白的mRNA 的平均寿命却长达4 d，从这里可以看出mRNA 的寿命控制着翻译活性。不同发育时期，mRNA 的寿命的长短不同，翻译的活性也不同。mRNA 的寿命除与5的帽和 3的尾有关外，还与mRNA 结合形成mRNA 蛋白质颗粒的蛋白质组分有关。翻译后调控真核生物基因翻译的最初产物是一个大的蛋白质分子。有时，必须经酶切成更真核生物的基因调控系统模型前体 mRNA 的转录加工过程图解名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名
40、师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 20 页 - - - - - - - - - 小的分子才能有生物活性。这个过程属于翻译后修饰。例如， 胰岛素基因翻译的最初产物为胰岛素原，由86 个氨基酸组成，包括A、B、C 三条肽链，生物活性很低。当把C 链切掉后，由 A、B 链相连形成的含有51 个氨基酸的胰岛素，才有较强的生物活性。四病毒病毒为非细胞结构的生物，通常为蛋白质外壳包裹的核酸颗粒。病毒的主要组成成分是蛋白质和核酸。（一）病毒的基本结构1核酸： 位于病毒体的中心，由一种类型的核酸构成，含 DNA 的称为 DNA 病毒。 含 RNA的称为 RNA 病毒。 DNA 病毒核酸
41、多为双股（除微小病毒外），RNA 病毒核酶酸多为单股（除呼肠孤病毒外）。病毒核酸也称基因组，最大的痘病毒含有数百个基因，最小的微小病毒仅有3-4 个基因。根据核酸构形及极性可分为环状、线状、分节段以及正链、负链等不同类型，对进一步阐明病毒的复制机理和病毒分类有重要意义。核酸蕴藏着病毒遗传信息，若用酚或其他蛋白酶降解剂去除病毒的蛋白质衣壳，提取核酸并转染或导入宿主细胞，可产生与亲代病毒生物学性质一致的子代病毒，从而证实核酸的功能是遗传信息的储藏所，主导病毒的生命活动，形态发生，遗传变异和感染性。衣壳：在核酸的外面紧密包绕着一层蛋白质外衣，即病毒的“衣壳”。衣壳是由许多“壳微粒”按一定几何构型集结
42、而成，壳微米在电镜下可见，是病毒衣壳的形态学亚单位，它由一至数条结构多肽能成。根据壳微粒的排列方式将病毒构形区分为：立体对称，形成20 个等边三角形的面，12 个顶和 30 条棱，具有五、三、二重轴旋转对称性，如腺病毒、脊髓灰质炎病毒等；螺旋对称，壳微粒沿螺旋形盘红色的核酸呈规则地重复排列，通过中心轴旋转对称，如正粘病毒， 副粘病毒及弹状病毒等；复合对称，同时具有或不具有两种对称性的病毒，如痘病毒与噬菌体。蛋白质衣壳的功能是：（1）致密稳定的衣壳结构除赋予病毒固有的形状外，还可保护内部核酸免遭外环境（如血流）中核酸酶的破坏；（2）衣壳蛋白质是病毒基因产物，具有病毒特异的抗原性，可刺激机体产生抗
43、原病毒免疫应答；（3）具有辅助感染作用，病毒表面特异性受体边连结蛋白与细胞表面相应受体有特殊的亲和力，是病毒选择性吸附宿主细胞并建立感染灶的首要步骤。病毒的核酸与衣壳组成核衣壳，最简单的病毒就是裸露的核衣壳，如脊髓灰质炎病毒等。有囊膜的病毒核衣壳又称为核心。（二）病毒的辅助结构1囊膜：某些病毒，如虫媒病毒、人类免疫缺陷病毒、疱疹病毒等，在核衣壳外包绕着一层含脂蛋白的外膜，称为“囊膜”。囊膜中含有双层脂质、多糖和蛋白质，其中蛋白质具有病毒特异性，常与多糖构成糖蛋白亚单位，嵌合在脂质层，表面呈棘状突起，称“剌突或囊微粒” 。它们位于病毒体的表面，有高度的抗原性， 并能选择性地与宿主细胞受体结合，促
44、使病毒囊膜与宿主细胞膜融合，感染性核衣壳进入胞内而导致感染。囊膜中的脂质与宿主细胞膜或核膜成分相似，证明病毒是以“出芽”方式，从宿主细胞内释放过程中获得了细胞膜或核膜成分。有囊膜病毒对脂溶剂和其他有机溶剂敏感，失去囊膜后便丧失了感染性。图示为病毒结构模式图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 20 页 - - - - - - - - - 2触须样纤维：腺病毒是唯一具有触须样纤维的病毒，腺病毒的触须样纤维是由线状聚合多肽和一球形末端蛋白所组成，位于衣壳的各个顶角
45、。该纤维吸附到敏感细胞上，抑制宿主细胞蛋白质代谢，与致病作用有关。此外，还可凝集某些动物红细胞。3病毒携带的酶：某些病毒核心中带有催化病毒核酸合成的酶，如流感病毒带有RNA的RNA 聚合酶，这些病毒在宿主细胞内要靠它们携带的酶合成感染性核酸。（三）病毒的复制病毒体在细胞外是处于静止状态，基本上与无生命的物质相似，当病毒进入活细胞后便发挥其生物活性。由于病毒缺少完整的酶系统，不具有合成自身成份的原料和能量，也没有核糖体，因此决定了它的专性寄生性，必须侵入易感的宿主细胞，依靠宿主细胞的酶系统、原料和能量复制病毒的核酸，借助宿主细胞的核糖体翻译病毒的蛋白质。病毒这种增殖的方式叫做 “ 复制（ Rep
46、lication ）” 。病毒复制的过程分为吸附、穿入、脱壳、生物合成及装配释放五个步骤，又称复制周期(Replication cycle) 。1吸附吸附是指病毒附着于敏感细胞的表面，它是感染的起始期。特异性吸附是非常重要的，根据这一点可确定许多病毒的宿主范围，不吸附就不能引起感染。细胞与病毒相互作用最初是偶然碰撞和静电作用，这是可逆的联结。脊髓灰质炎病毒的细胞表面受体是免疫球蛋白超家族，在非灵长类细胞上没有发现此受体，而猴肾细胞、Hela 细胞和人二倍体纤维母细胞上有它的受体， 故脊髓来质炎病毒能感染人体鼻、咽、肠和脊髓前角细胞，引起脊髓灰质炎（小儿麻痹）。水磨石病毒的细胞表面受体是含唾液酸
47、（N- 乙酰神经氨酸）的糖蛋白，它与流感病毒表面的血凝素剌突（受体连结蛋白）有特殊的亲和力， 如用神经氨酸酶破坏该受体，则流感病毒不再吸附这种细胞。此外，HIV受体为CD4；鼻病毒的受体为细胞粘附分子-1（ 1CAM-1 ）； EB 病毒的受体为补体受体-2（CR-2）。病毒吸附也受离子强度、pH、温度等环境条件的影响。研究病毒的吸附过程对了解受体组成、功能、致病机理以及探讨抗病毒治疗有重要意义。2穿入穿入是指病毒核酸或感染性核衣壳穿过细胞进入胞浆，开始病毒感染的细胞内期。主要有三种方式：（1）融合，在细胞膜表面病毒囊膜与细胞膜融合，病毒的核衣壳进入胞浆。副粘病毒以融合方式进入，如麻疹病毒、
48、腮腺炎病毒囊膜上有融合蛋白，带有一段疏水氨基酸，介导细胞膜与病毒囊膜的融合。（2）胞饮，由于细胞膜内陷整个病毒被吞饮入胞内形成囊泡。 胞饮是病毒穿入的常见方式，也是哺乳动物细胞本身具有一种摄取各种营养物质和激素的方式。 当病毒与受体结合后， 在细胞膜的特殊区域与病毒病毒一起内陷形成膜性囊泡，此时病毒在胞浆中仍被胞膜覆盖。某些囊膜病毒，如流感病毒借助病毒的血凝素（HA ）完成脂膜间的融合，囊泡内低Ph 环境使 HA 蛋白的三维结构发生变化，从而介导病毒囊膜与囊泡膜的融合，病毒核衣壳进入胞浆。（3）直接进入，某些无囊膜病毒，如脊髓灰质炎病毒与受体接角后， 衣壳蛋白的多肽构形发生变化并对蛋白水解酶敏
49、感，病毒核酸可直接穿越细胞膜到细胞浆中，而大部分蛋白衣壳仍留在胞膜外，这种进入的方式较为少见。3脱壳穿入和脱壳是边续的过程，失去病毒体的完整性被称为“ 脱壳 (Uncoating) ”。人脱壳到出现新的感染病毒之间叫“ 隐蔽期 ” 。经胞饮进入细胞的病毒，衣壳可被吞噬体中的溶酶体酶降解而去除。有的病毒，如脊髓灰质炎病毒，在吸附穿入细胞的过程中病毒的RNA 释放到胞浆中。 而痘苗病毒当其复杂的核心结构进入胞浆中后，随之病毒体多聚酶活化，合成病毒脱壳所需要的酶，完成脱壳。4生物合成名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师
50、精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 20 页 - - - - - - - - - DNA 病毒的 RNA 病毒在复制的生化方面有区别，但复制的结果都是合成核酸分子和蛋白质衣壳，然后装配成新的有感染性的病毒。一个复制周期大约需68 小时。双股 DNA 病毒的复制多数 DNA 病毒为双股DNA 。双股 DNA 病毒，如单纯疹病毒和腺病毒在宿主细胞核内的RNA 聚合酶作用下，从病毒 DNA 上转录病毒mRNA ，然后转移到胞浆核糖体上，指导合成蛋白质。而痘苗病毒本身含有 RNA 聚合酶，它可在胞浆中转录mRNA 。mRNA 有二种：早期m RNA ，主要合成复制病毒 DNA 所需