竞赛辅导专题讲座 专题八 基因与分子生物学Word文档格式.docx

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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与蛋白质分开来观察它们的作用。

4．烟草花叶病毒重建实验（FraenkelConrat1956年）

TMV烟草花叶病毒的两种株系：

S株系和HR株系。

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。

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

1．DNA和RNA结构的区别

脱氧核糖核酸（DNA）

核糖核酸（RNA）

基本组成单位

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种）

五碳糖结构

示意图

核苷酸结构

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：

尿嘧啶

胞嘧啶

胸腺嘧啶

鸟嘌呤

腺嘌呤

（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。

2．DNA双螺旋结构模型的要点如下：

　　① 

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）。

　　②两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3’－5’方向，二者刚好相反。

亦即一条链对另一条链是颠倒过来的，这称为反向平行。

　　③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（hydrogenbond）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。

　　④每个螺旋为3.4nm长，刚好含有10个碱基对，其直径约为2nm。

　　⑤在双螺旋分子的表面大沟（majorgroove）和小沟（minorgroove）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。

①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

或

。

也就是说，嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数。

②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

与该DNA分子每一单链中的这一比值相等。

③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

的比值等于其互补链中这一比值的倒数。

④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，有一条链是旧的，即原来DNA的。

5．条件：

①模板：

开始解旋的DNA分子的两条单链。

②原料：

是游离在核液中的脱氧核苷酸。

③能量：

是通过水解ATP提供。

④酶：

酶是指一个酶系统，不仅仅是指一种解旋酶。

6．DNA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（replicative 

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5’→3’方向，另一条链的走向是3’→5’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3’→5’方向的母链为模板时，复制合成出一条5’→3’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5’→3’方向，它作为模板时，复制合成许多条5’→3’方向的短链，叫做随从链（lagging 

strand），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1000～2000核苷酸，真核生物一般100～200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。

7．DNA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（thermalcollision），腺嘌呤或鸟嘌呤与脱氧核糖间的N-糖苷键可以断裂，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γ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。

8．DNA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，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）。

真核生物的基因结构示意图

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。

2．CAAT框：

在转录起始点的5ˊ端侧翼区域的80和70位置之间，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。

3．TATA框：

在转录起始点的5ˊ端上游20—30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。

4．AATAAA：

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5ˊ→3ˊ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5ˊ端加上一个鸟苷酸作为帽子（促进mRNA与核糖体结合）；

加尾：

在mRNA的3ˊ端加上一条具有150～200个腺苷酸的序列（帮助mRNA进入细胞质）；

甲基化：

在mRNA帽子的5ˊ端，一般有2～3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70~100个核苷酸残基，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上的遗传密码。

核糖体RNA（rRNA）：

是细胞中含量最多的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Ⅰ（次黄嘌呤或甲基次黄嘌呤）有关。

因为Ⅰ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，核糖体与mRNA结合，并沿5ˊ→3ˊ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，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β－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，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CAP－cAMP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CAP－cAMP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：

①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；

②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；

③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，细胞中的rDNA的拷贝数目，可由平时的1500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）。

基因活化的组蛋白转位模型图解

（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，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（RN