基因的分子生物学课件.ppt

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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 DNA DNA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）肺炎球菌的转化实

2、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噬菌体由椭圆形的二噬菌体

3、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.DNA2.DNA与与RNARNA是多核苷酸的聚合体是多核苷酸的聚

4、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 分子遗分子遗传学传学 诺贝尔奖诺贝尔奖 （19621962）（二

5、）（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5 5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程复制过程 3.DNA3.DNA聚合酶与冈崎片段聚合酶与冈崎片段 1 1

6、）DNADNA聚合酶聚合酶 作用：作用：促促使使游游离离的的核核苷苷酸酸准准确确地地与与模模板板互互补补结合；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：沿沿模模板板（旧旧链链）的的33端端依依次次向向55端端进行；进行；新链沿新链沿55端依次向端依次向33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），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

7、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.A.GarrodGarrod（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 Edward TaturmTaturm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

8、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 arg3arg1 arg2 arg3 酶酶 酶酶 酶酶前体前体 鸟鸟氨酸氨酸 瓜氨酸瓜氨酸 精氨酸精氨酸突变型突变型：arg1arg

9、1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53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

10、，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tRNAtRNA 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 四臂四环四臂四环三三级结构级结构 特征：特征：在在二二级级结结构构基基础础上上进进一一步步折折叠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 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 RNARN

11、A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为为模模板板，通通过过RNARNA聚聚合合酶酶使使碱碱基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

12、 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 终止子终止子遗遗传传密密码码表表（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）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

13、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CCAAla35（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30S subunit50S subunit核糖体核糖体P P位位位位（结合结合或接受肽基或接受肽基的部位）的部位）A A位位位位（结合或接结合或接受受AA-tRNA的的部位）部位）5

14、0S50S30S30S与与mRNA结合部位结合部位5 5 3 3 mRNAmRNA5 5 3 3 UAGUAG30S30S亚基亚基亚基亚基50S50S亚基亚基亚基亚基5 5 3 3 UAGUAGtRNARFRF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）反转录酶的发

15、现）反转录酶的发现 19701970发发现现 RNARNA不不仅仅可可以以自自我我复复制制，还还可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）为为传传染染性性蛋蛋白白质质颗颗粒粒（prproteinaceousoteinaceous i infectious nfectious particle particle，pr pr+i i+on+on=prionpri

16、on），也称为也称为“朊病毒朊病毒”。朊朊粒粒是是一一类类不不具具备备DNADNA和和RNARNA也也可可以以繁繁殖、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 +PrPPrPsc sc =2PrP=2PrPsc sc （有感染力的病原体）（有感染力的病原体）2 2）PrPPrPc c PrPPrP*Pr

17、PPrPsc sc （正常时少）（正常时少）进入进入 外源外源PrPPrPsc sc PrPPrP*PrPPrPsc 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 40年）；年）；死亡率死亡率高高（半年至（半年至1 1年内年内 100%100%死亡）；死亡）；有较强的有较强的传染性传染性。（四）遗传物质的改变（四）遗传物质的改变 1.1.染色体畸变与人类疾病染色体畸变与人类疾病 （1 1）染色体结构变异）染色体结构变异 1 1）研究染色体畸变的好材料）研究染

18、色体畸变的好材料 多多线线染染色色体体缺失缺失a a：末端缺失；末端缺失；b b：中间缺失中间缺失 A.A.缺失（缺失（deletiondeletion）2 2）染色体结构变异的类型）染色体结构变异的类型 B.B.重复（重复（duplicationduplication）C.C.倒位（倒位（inversioninversion）q平衡易位平衡易位q不平衡易位不平衡易位罗伯逊易位罗伯逊易位 D.D.易位（易位（translocationtranslocation）例：例：猫叫综合症猫叫综合症 （第（第5 5染色体短臂缺失）染色体短臂缺失）（2 2）染色体数目变异）染色体数目变异 1 1）整倍变化

19、）整倍变化 单倍体单倍体（haploidhaploid）多倍体（无子西瓜多倍体（无子西瓜 3 3n n）2 2）非整倍变化）非整倍变化 三体三体（trisomicstrisomics 2 2n n 1 1）单体（单体（monosomicsmonosomics 2 2n n 1 1）2.2.基因突变基因突变 定义：基因结构（定义：基因结构（DNADNA顺序）发生变化；顺序）发生变化；特点：特点：比染色体突变更为重要比染色体突变更为重要 基因结构改变基因结构改变 使遗传物质增加了新内容使遗传物质增加了新内容 产生了生物体祖先没有的新性状产生了生物体祖先没有的新性状 增加了生物进化的新内容增加了生物

20、进化的新内容 突变（变异）的遗传突变（变异）的遗传 生殖细胞的突变：可遗传；生殖细胞的突变：可遗传；体细胞的突变：不可遗传体细胞的突变：不可遗传 只能影响当代生物体的性状只能影响当代生物体的性状 但可以通过无性繁殖传给后代但可以通过无性繁殖传给后代 （1 1）两种形式的基因突变）两种形式的基因突变 1 1）碱基置换碱基置换 1 1种碱基被另种碱基被另1 1种碱基种碱基替换替换 类型：类型：转换转换(transition)(transition)：嘌呤被嘌呤替换嘌呤被嘌呤替换 嘧啶被嘧啶替换嘧啶被嘧啶替换 颠换颠换(transversiontransversion)：嘌呤被嘧啶替换嘌呤被嘧啶替换

21、 嘧啶被嘌呤替换嘧啶被嘌呤替换 后果：后果：碱基数量未变；只影响个别密码子碱基数量未变；只影响个别密码子 实例：实例：镰形细胞贫血症镰形细胞贫血症 血红蛋白组成：血红蛋白组成：4 4条多肽链条多肽链 2 2条条 链（链（141141个个AAsAAs）2 2条条 链（链（146146个个AAsAAs）链第链第6 6个个AAAA：正常：正常 谷氨酸谷氨酸 异常异常 颉氨酸颉氨酸一一个个基基因因缺缺陷陷会会导导致致多多种种症症状状 2 2）移码突变移码突变 定义：在定义：在DNADNA的碱基序列中的碱基序列中 插入（或失去）插入（或失去）1 1（或几）个（或几）个碱基碱基 后果：后果：该处以后全部密

22、码子都被打乱该处以后全部密码子都被打乱 转录、转译都发生异常转录、转译都发生异常 产生的蛋白质分子全部改变产生的蛋白质分子全部改变 死亡死亡 前后丢失前后丢失、插入的碱基正好相抵、插入的碱基正好相抵 影响不大也可能不死亡影响不大也可能不死亡 （2 2）突变的诱发）突变的诱发 诱变剂的作用诱变剂的作用 诱变剂：诱发基因突变的因素诱变剂：诱发基因突变的因素 辐射；辐射；化学诱变剂；化学诱变剂；其他诱变因素其他诱变因素 （高温、低温等）（高温、低温等）诱变剂的意义：诱变剂的意义：危害：危害：强烈致癌物质强烈致癌物质；利用：利用：人工诱发突变人工诱发突变 人工选择人工选择 +育种措施育种措施 优良品种

23、优良品种1 1）辐射）辐射紫外线诱发的胸腺嘧啶二聚体紫外线诱发的胸腺嘧啶二聚体亚硝酸引起亚硝酸引起DNADNA碱基对的改变碱基对的改变 图中图中A被其脱去氨基后可变成次黄嘌呤被其脱去氨基后可变成次黄嘌呤（H），），H不能再与不能再与T配对，而变为与配对，而变为与C配对，经配对，经DNA复制后，可形成复制后，可形成T-AC-G的转换的转换2 2）化学诱变剂）化学诱变剂5-5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶(5-BU)(5-BU)引起的引起的DNADNA碱基对的改变碱基对的改变 5-BU与腺嘌呤与腺嘌呤（A）和鸟嘌呤和鸟嘌呤（G）均可配对。如果均可配对。如果5-BU取代取代T以后一直保持与以后一直保持与A配对，

24、所产生的影响并不大；若与配对，所产生的影响并不大；若与G配对，经一次复制后，就可以使原来的配对，经一次复制后，就可以使原来的A-T对变换成对变换成G-C对对G光光复复活活修修复复的的过过程程3.DNA3.DNA损伤修复损伤修复错配修复错配修复直接修复直接修复切除修复切除修复重组修复重组修复易错修复易错修复 切除修复切除修复(最常见最常见)核酸内切酶先在核酸内切酶先在嘧啶二聚体附近切开嘧啶二聚体附近切开DNADNA单链，然后以另一单链，然后以另一条正常链为模板，按碱条正常链为模板，按碱基互补原则补齐需切除基互补原则补齐需切除部分的碱基序列，最后部分的碱基序列，最后由核酸内切酶切去含嘧由核酸内切酶

25、切去含嘧啶二聚体的片段，并由啶二聚体的片段，并由连接酶将断口与新合成连接酶将断口与新合成的的DNADNA片段连接起来。片段连接起来。大肠杆菌大肠杆菌RNARNA聚合酶的结构示意图聚合酶的结构示意图 核心酶核心酶(2 2)起始因子起始因子 和模板和模板DNADNA结合结合起始和催化聚合反应起始和催化聚合反应全酶全酶()转录转录过程过程起始起始双链双链DNA局部解开局部解开磷酸二酯磷酸二酯键形成键形成终止阶段终止阶段解链区到达解链区到达基因终点基因终点延长阶段延长阶段5 3 RNA 启动子启动子（promoter)终止子终止子(terminator)5 RNA聚合酶聚合酶 5 3 5 3 5 5 3 离开离开Reverse transcription先天愚型病先天愚型病（三条三条 21 21 号染色体号染色体）先天愚先天愚型病患型病患者有独者有独特的面特的面部特征部特征先天愚先天愚型病患型病患者有者有三条三条 21 21 号染色号染色体体新生儿患病概率新生儿患病概率与母亲年龄有关与母亲年龄有关镰镰形形细细胞胞贫贫血血症症移码突变移码突变