1、,第三章 遗传物质的分子基础 P31,遗传学在微观水平的深入,基因的化学基础是什么？ 遗传的染色体理论认为：基因位于核内染色体上 染色体的主要化学成份蛋白质和核酸何者为基因的化学基础 *“蛋白质是遗传物质”观点及其主要论据 基因化学本质的条件：具有三种功能(P31) 遗传功能(复制与世代传递) 表型功能(具有适当的控制性状的表达机制) 进化功能(能够产生变异满足生物进化的要求),遗传学在微观水平的深入,基因必须表现三种基本的功能： (1)遗传功能即基因的复制：遗传物质必须贮存遗传信息，并能将其复制且一代一代精确地传递下去。 (2)表型功能即基因的表达：遗传物质必须控制生物体性状的发育和表达。
2、(3)进化功能即基因的变异：遗传物质必须发生变异，以适应外界环境的变化，没有变异就没有进化。,三个学派,E. Schr dinger(1945)(薛丁格 Erwin Schroedinger量子物理学家)：What is life。 薛丁格指出“基因是活细胞的关键组成部分，要懂得什么是生命就必须知道基因是如何发挥作用的。”这本书向物理学家们预告一个生物学研究的新纪元就将开始，值得大家奋起钻研，很多物理学家都纷纷转向遗传学这个新领域进行研究，把物理学的思维方式也带入其中，促使遗传学的研究方法和思维方式发生了一场大的变革，从而获得了长足的发展。,三个学派,二十世纪，由于物理学、化学和数学研究工作者
3、的加入，在生物学与遗传学研究领域形成了三个学派： 物理学结构结构学派 化 学生化生化学派 数 学信息信息学派,第三章 遗传物质的分子基础 (P31-64; P178-248; P258-267),第一节 DNA作为主要遗传物质的证据 P31 第二节 核酸的化学结构 P34 第三节 染色体的分子结构 P39 第四节 DNA的复制 P43 第五节 RNA的转录及加工 P49 第六节 遗传密码与蛋白质的翻译 P56 本章要点,第一节 DNA作为主要遗传物质的证据,基因存在于染色体上。脱氧核糖核酸(DNA)核酸核糖核酸(RNA)组蛋白 染色体 蛋白质非组蛋白少量的拟脂与无机物质,27%,6%,66%,
4、分子遗传学拥有大量直接和间接证据，说明DNA是主要的遗传物质。,一、 DNA是遗传物质的间接证据 P31-32 二、 DNA是遗传物质的直接证据 P32-34 (一)、 细菌转化试验 (二)、 噬菌体侵染与繁殖试验 P33 (三)、 烟草花叶病毒拆合实验 P33-34 *三、非核酸类的遗传物质,第一节 DNA作为主要遗传物质的证据,一、 DNA是遗传物质的间接证据 P31,1.DNA含量的恒定性（每个物种不同组织的细胞不论其大小和功能如何，它们的DNA含量是恒定）； 2.DNA代谢的稳定性（DNA在代谢上是比较稳定的）； 3.存在的普遍性：DNA是所有生物染色体所共有的； 4.基因突变与紫外线
5、诱变波长的关系；用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，其最有效的波长为2600埃，这与DNA所吸收的紫外线光谱是一致的，证明基因突变与DNA分子的变异密切相关。,大部分DNA存在于染色体上。RNA和蛋白质在细胞质内也很多。 每个物种不同组织的细胞不论其大小和功能如何，它们的DNA含量是恒定的。精子或卵子中的DNA含量正好是体细胞的一半；而细胞内的RNA和蛋白质量在不同细胞间变化很大。另外，多倍体系列的一些物种，其细胞中DNA的含量随染色体倍数的增加，也呈现倍数性的递增。 DNA在代谢上比较稳定。细胞内蛋白质和RNA分子与DNA分子不同，它们在迅速形成的同时，又不断分解。而原子一旦被DNA分子所
6、摄取，则在细胞保持健全生长的情况下，保持稳定，不会离开DNA。 基因突变与DNA分子的变异密切相关。用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，其最有效的波长为260nm，这与DNA所吸收的紫外线光谱是一致的。,一、 DNA是遗传物质的间接证据 P31,(一)细菌的转化 肺炎双球菌有两种不同的类型： 1.光滑型(S型) 被一层多糖类的荚膜所保护，具有毒性，在培养基上形成光滑的菌落。 2.粗糙型(R型) 没有荚膜和毒性，在培养基上形成粗糙的菌落。 P32 在R型和S型内还可以按血清免疫反应不同，分成许多抗原型，常用R，R和S、S、S等加以区别。,二、DNA作为主要遗传物质的直接证据,1928, Gri
7、ffith：首次将RS，实现了细菌遗传性状的定向转化 。被加热杀死的S型肺炎双球菌必然含有某种促成这一转变的活性物质。P32 图3-1,16年后，Avery等用生物化学方法证明这种引起转化的物质是DNA，他们将S型细菌的DNA提取物与R型细菌混合在一起，在离体培养条件下，成功的使少数R型细菌定向转化为S型细菌。(如图）,迄今，已经在几十种细菌和放线菌中成功地获得了遗传性状的定向转化。这些试验都证明起转化作用的物质是DNA。 (二)噬菌体的侵染与繁殖 P33 噬菌体是极小的低级生命类型。必须在电子显微镜下才可以看到。据研究T2噬菌体DNA进入到大肠杆菌内，可以利用大肠杆菌的材料来制造自己的DNA
8、、蛋白质外壳和尾部，从而形成完整的新生的噬菌体。,赫尔希 等用同位素32P和35S分别标记T2噬菌体的DNA与蛋白质。因为P是DNA的组分，但不见于蛋白质；而S是蛋白质的组分，但不见于DNA。然后用标记的T2噬菌体(32P或35S)分别感染大肠杆菌，经10分钟后，用搅拌器甩掉附着于细胞外面的噬菌体外壳。 (P33 图32),第一种情况下，基本上全部放射活性见于细菌内而不被甩掉并可传递给子代。 第二种情况下，放射性活性大部分见于被甩掉的外壳中，细菌内只有较低的放射性活性，且不能传递给子代 这样看来，主要是由于DNA进入细胞内才产生完整的噬菌体。所以说DNA是具有连续性的遗传物质。,P33 195
9、2年，Hershey等用放射性同位素标记32P标记T2噬菌体的 DNA（DNA中无S）35S标记T2噬菌体的 Pro（Pro中无P）,（二）噬菌体侵染大肠杆菌实验,（二）噬菌体侵染大肠杆菌实验,(三)烟草花叶病毒的感染和繁殖 P33烟草花叶病毒（TMV）是由RNA与蛋白质组成的管状微粒，它的中心是单螺旋的RNA，外部是蛋白质的外壳。（如图）,1. 拆分感染试验： 将TMV的RNA与蛋白质分离、提纯。 分别接种烟叶，发现RNA能使烟叶致病，而蛋白质不能。 用RNA酶处理RNA后接种烟叶也不能致病，表明RNA可能就是TMV的遗传物质。,（三） 烟草花叶病毒（TMV）感染实验,P33 佛兰科尔康拉特
10、与辛格尔(Frankel-Conrat, H.和 Singer, B.)把TMV的RNA与另一个病毒品系(HR, Holmes ribgrass)的蛋白质，重新合成混合的烟草花叶病毒，用它感染烟草叶片时，所产生的新病毒颗粒与提供RNA的品系完全一样，亦即亲本的RNA决定了后代的病毒类型 (图33)。 以上实例均直接证明DNA是生物主要的遗传物质，而在缺少DNA的生物中，RNA则为遗传物质。,第二节 核酸的化学结构 P34,核酸(nucleic acid)是一种高分子的化合物，它的构成单元是核苷酸(nucleotide)。两个核苷酸之间由3和5位的磷酸二脂键相连 。核酸有两种：脱氧核糖核酸(DN
11、A)和核糖核酸(RNA)。两种核酸的主要区别如下：,P35 图3-4 构成核苷酸分子的碱基结构,P34 DNA通常是双链一般较长。 RNA主要为单链，分子链较短。DNA分子是脱氧核苷酸的多聚体，含有4种脱氧核苷酸：脱氧腺嘌呤核苷酸(dATP)、脱氧胸腺嘧啶核苷酸(dTTP)、脱氧鸟嘌呤核苷酸(dGTP)、脱氧胞嘧啶核苷酸(dCTP)。,P36 图3-5 核酸分子的化学结构,*一、早期对核酸化学性质的研究二、DNA的一级结构三、DNA的二级结构 *四、RNA的分子结构,*一、早期对核酸化学性质的研究,虽然上世纪中才认识到DNA的生物学功能，核酸研究却已有一百多年历史： F.Mischer(186
12、9)从外科绷带上脓细胞核中分离出一种不同于蛋白质的物质，含磷量高、并具有很强的酸性。他将这种物质称核质(素)(nuclein)； A.Kossel(1879)发现酵母等核质具有A、G、T、C四种碱基； R.Altamm(1889)将核素命名为核酸(nucleic acid)。,Kossel(1901)又发现核酸中具有碳水化合物(糖)； P.A.T.Levene(1909)研究表明：酵母核酸含有五碳糖核糖； Fisher(1914)人工合成核苷酸； P.A.T.Levene(1929)又发现动物胸腺细胞核酸含有脱氧核糖。 Levene将前者命名为核糖核酸(ribonucleic acid, RN
13、A)，后者命名为脱氧核糖核酸(deoxy-ribonucleicacid, DNA)。并指出动、植物中均存在这两种核酸。,二、核酸的一级结构,关于碱基的种类、分子式、核苷酸的种类、结构等内容是生物化学中讨论的内容，请课后复习。 在此谈三个关于核酸一级结构的内容：(一)、 “四核苷酸”假说；(二)、 查伽夫定则及其意义； *(三)、 核苷酸序列及其测定。,(一)、“四核苷酸”假说,P.A.T.Levene(1930)提出“四核苷酸”假说，认为： 核苷酸是核酸的基本组成单位； 核酸是“磷酸核糖(碱基)磷酸”的核苷多聚体。 四核苷酸假说奠定了核酸化学基础。但同时认为： 核酸多聚体是由“四核苷酸结构”
14、重复形成； 每个四核苷酸结构包含四种碱基各一个； 所以事实上认为在任何DNA中，四种碱基是等量的，DNA是四核苷酸结构的简单重复。 这种观念影响了人们对核酸生物学功能的进一步认识。,(二)、查伽夫定则及其意义,E.Chargaff于1946-1950年根据纸层析、离子交换层析和紫外分光光度试验结果提出查伽夫定则： 四种碱基的数量不是等量的； 同一物种DNA碱基组成不变，而物种间则有很大不同； 嘌呤碱基总量与嘧啶碱基的总量(克分子总量)相等(A+G=T+C)，且A=T、G=C。,(二)、查伽夫定则及其意义 表3-1 不同物种中DNA的碱基成分百分比,P37 图3-7 两条多核酸链间氢键相连,P3
15、7 图3-7 两条多核酸链间氢键相连,*(三)、核苷酸序列及其测定,查伽夫定则表明：核酸并不是四核苷酸结构的简单重复，核酸的碱基序列信息可能具有重要意义。 以后的研究表明：碱基序列正是核酸生物学功能的基础，是遗传信息的内在形式。 DNA及RNA分子序列分析技术也是最重要的分子遗传学研究技术： Sanger双脱氧法； Maxam & Gillbert化学法； 基于化学法的DNA序列自动分析仪已成为常规实验设备。,DNA的二级结构,*DNA分子结构的研究 1. 鲍林研究小组 2. 威尔金斯、富兰克林研究小组 3. 沃（华）生、克里克研究小组,*DNA分子结构的研究,在“四核苷酸结构”理论的误导下，
16、人们普遍认为核酸的组成、结构简单，可能不具有重要功能，一度忽略了对核酸的研究。 上世纪中期，众多研究表明：核酸是遗传信息的载体，显然DNA的结构研究是进一步研究其功能和作用方式的基础。 也由此激发了科学家从事核酸结构研究的兴趣，当时进行DNA结构研究的科学家很多，最重要有：,1.鲍林研究小组,主要工作： 鲍林(Pauling)等1951年(提出蛋白质-螺旋模型后)开始研究DNA分子结构 根据阿斯伯利Astbury等1938年获得的DNA分子晶体X射线衍射图像(显示DNA分子晶体呈螺旋结构)进行研究 提出DNA分子三链螺旋结构模型：引入多链、螺旋和氢链等概念 评价： 虽然他们提出的模型并不正确，
17、但是其研究方向和所采用的方法却为DNA分子结构模型研究确立了方向注：1954年鲍林因研究物质聚合力(氢链)而获得诺贝尔化学奖,2.威尔金斯、富兰克林研究小组,主要工作： Wilkins和Franklin改进了DNA分子晶体X射线衍射图谱技术。 于1951年获得了更为清晰的图像。 结果表明： 碱基位于螺旋内侧而磷酸基团在外侧，同时测得了DNA螺旋的直径和螺距。,about Franklin 罗莎琳德富兰克林,3.沃生、克里克研究小组,Waston、Crick(1951-1953)： 研究手段非常简单：用纸板等做磷酸、核糖和碱基模型，拼凑DNA分子的三维结构。 理论知识深厚、富于创造性；视野广阔、
18、收集信息全面并善于分析利用。,3.沃生、克里克研究小组,主要基于Chargaff、Pauling和Wilkins等三个方研究成果，Watson和Crick于1953年提出了他们的第三个DNA双螺旋结构模型。 现在人们公认这是分子遗传学建立的标志。 为此Watson，Crick和Wilkins于1962年获得了诺贝尔生理学及医学奖。,(二)、DNA分子双螺旋结构模型 1. DNA分子双螺旋结构模型要点 2. DNA双螺旋结构模型的意义 3. DNA分子构型的多态性,1.DNA分子双螺旋结构模型要点 P35,2.DNA双螺旋结构模型的意义,DNA双螺旋模型结构同时表明： DNA复制的明显方式半保留
19、复制。Watson和Crick在1953年就指出：DNA可以按碱基互补配对原则进行半保留复制。而在此之前对复制方式人们对一无所知。 基因和多肽成线性对应的一个可能的理由：DNA核苷酸顺序规定该基因编码蛋白质的氨基酸顺序；DNA中的遗传信息就是碱基序列；并存在某种遗传密码(genetic code)，将核苷酸序列译成蛋白质氨基酸顺序。 在其后的几十年中，科学家们沿着这两条途径前进，探明了DNA复制、遗传信息表达与中心法则等内容。,3.DNA分子构型的多态性 P38,3.DNA分子构型的多态性 P38,1953年，瓦特森(Watson, J. D.)和克里克(Crick, F.)根据碱基互补配对的
20、规律以及对DNA分子的X射线衍射研究的成果，提出了著名的DNA双螺旋结构模型(图37)。 这个模型最主要特点有： (1)由两条互补的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，很象一个扭曲起来的梯子。,(2)两条多核苷酸链走向为反向平行(antiparallel)。即一条链磷酸二脂键为53方向，而另一条为35方向，二者刚好相反。 (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(hydrogen bond)与它互补的碱基相联系，相互层叠宛如一级一级的梯子横档。互补碱基对A与T之间形成两对氢键，而C与G之间形成三对氢键(图38)。上下
21、碱基对之间的距离为3.4nm。,(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(major groove)和小沟(minor groove)交替出现。 由此可知，DNA的分子结构是由A-T和C-G两种核苷酸对从头到尾连接起来的，每个DNA分子一般有上万个这两种核苷酸对，但是它们在分子链内排列的位置和方向只有以下四种形式:对一特定物种的DNA分子来说，其碱基顺序是一定的，并且通常保持不变，这样才能保持该物种遗传特性的稳定。只有在特殊的条件下，改变其碱基顺序或位置或以碱基类似物代替某一碱基时，才出现遗传的变异(突变)。,近来发现DNA的构型并不
22、是固定不变的，除主要以瓦特森和克里克提出的右手双螺旋构型存在外，还有许多变型。 瓦特森和克里克提出的双螺旋构型称为BDNA。BDNA是DNA在生理状态下的构型。 当DNA在高盐浓度下时，则以ADNA形式存在。ADNA是DNA的脱水构型，它也是右手螺旋，但每螺圈含有11个核苷酸对。ADNA比较短和密。 现在还发现，某些DNA序列可以以左手螺旋的形式存在，称为ZDNA。,(二)DNA构型之变异 P37,DNA的化学结构 P37,三、RNA的分子结构 P38,就其化学组成上看，由四种核苷酸组成的多聚体。它与DNA的不同，首先在于以U代替了T，其次是用核糖代替了脱氧核糖。 此外，绝大部分RNA以单链形
23、式存在，但可以折叠起来形成若干双链区域。在这些区域内，凡互补的碱基对间可以形成氢键(图310)。但有一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。,第三节 染色体的分子结构 P39,一、原核生物染色体 与真核生物相比，原核生物的染色体要简单得多，其染色体通常只有一个核酸分子(DNA或RNA)，其遗传信息的含量也比真核生物少得多。 病毒染色体只含一个DNA或者RNA分子，可以是单链也可以是双链；大多呈环状，少数呈线性分子。 细菌染色体均为环状双链DNA分子。虽然病毒和细菌的染色体比真核生物小得多，但其伸展长度比其本身仍要大得多。 近年来研究发现，原核生物的染色体并不是象过去人们认为的那样是“露
24、裸”的DNA分子，其DNA分子同样与蛋白质和RNA等其它分子结合。,噬菌体的染色体结构：,P39 图311 大肠杆菌的染色体 DNA分子伸展有1200m长，细菌直径1-2m,P39 图312 大肠杆菌的染色体结构模型,P39 图312 大肠杆菌的染色体结构模型,二、真核生物染色体 P40,(一)染色质的基本结构 染色质(chromatin)是染色体在细胞分裂的间期所表现的形态，呈纤细的丝状结构，故亦称为染色质线(chromatin fiber)。DNA组蛋白：H1、H2A、H2B、H3和H4 染色质 蛋白质非组蛋白少量核糖核酸(RNA),二、真核生物染色体 P40,奥林斯(Olins A. L
25、.，1974，1978) 柯恩柏格(Kornberg R. D.，1974, 1977) 钱朋(Chambon P.，1978) 通过电镜观察和研究，提出染色质结构的串珠模型。,染色质的基本结构单位是核小体(nucleosome)、连接丝(linker)和一个分子的组蛋白H1。每个核小体的核心是由H2A、H2B、H3和H4四种组蛋白各以两个分子组成的，其形状近似于扁球状八聚体(图313)。 DNA双螺旋就盘绕在这八个组蛋白分子的表面。连接丝把两个核小体串联起来，它是两个核小体之间的DNA双链。组蛋白H1结合于连接丝与核小体的接合部位，影响连接丝与核小体结合的长度。,P41 根据染色反应，间期细
26、胞核中的染色质可以分为两种： 异染色质是染色质线中染色很深的区段，这称为异染色质区(heterochromatin region)。 常染色质是染色很浅的区段，这称为常染色质区(euchro-matin region)。据分析，两者在化学性质上没有什么差别，核酸的紧缩程度及含量上的不同；二者在结构上是连续的。 在同一染色体上所表现的这种差别称为异固缩(heteroch-romatin)现象。,异染色质,常染色质,蝙蝠胃内膜细胞间期细胞中的染色质分布,染色体的这种结构与功能密切相关，常染色质可经转录表现为活跃的遗传功能，而异染色质一般不编码蛋白质，只对维持染色体结构的完整性起作用。放射自显影的实
27、验证明，异染色质的复制时间总是迟于常染色质。 异染色质又可分为组成型异染色质(constitutive heteroch-romatin )和兼性异染色质(facutative heterochromatin)。 组成型异染色质主要是卫星DNA，构成染色体的特殊区域，如着丝点部位等。只与染色体结构有关，一般无表达功能。 兼性异染色质可以存在于染色体的任何部位。它可以在某类细胞内表达，而在另一类细胞内完全不表达。,每条染色单体包括一条染色线(chromonema)，以及位于线上许多染色很深、颗粒状的染色粒(chromomere)。 现已证实每个染色体所含的染色质线是单线的，即一个染色体所包含的两
28、条染色单体都分别是单线的，换言之，每条染色单体是一个DNA分子与蛋白质结合形成的染色质线。,(二)染色体的结构模型 P41 在细胞有丝分裂的中期，利用光学显微镜可以观察到：染色体的结构是由两条染色单体(chromatid)组成的。,细胞分裂过程中染色质线至少存在三个层次的卷缩(图3-14)： 第一个层次是DNA分子超螺旋化形成核小体，产生直径约为10nm的间期染色质线，在此过程中组蛋白H2A、H2B、H3和H4参与作用。 第二个层次是核小体的长链进一步螺旋化形成直径约为30nm的超微螺旋，称为螺线管(solenoid)，此过程中组蛋白H1参与作用。 最后是染色体螺旋管进一步卷缩, 并附着于由非
29、组蛋白形成的骨架)或者称中心(图315)上面成为一定形态的染色体。,P42 图315 非组蛋白组成的染色体骨架,染色体形成过程中长度与宽度的变化,在细胞分裂过程中，染色质是如何螺旋化形成染色体的呢？,Bak等人提出了染色质螺旋化的四级结构模型（核小体、螺线体、超螺线体、染色体）解释了这个问题。,(三)着丝粒和端体 P42,染色体另外二个重要的结构就是着丝粒(centromoere)和端体(telomere)。 1.着丝粒是染色体的缩缢部位，是细胞分裂过程中纺锤丝(spindle fiber)结合的区域。着丝粒在细胞分裂过程中，对染色体向子细胞的正确分配起着关键的作用。缺少着丝粒的染色体片段，由
30、于没有纺锤丝的牵引，在细胞分裂过程中经常容易丢失。,(三)着丝粒和端体 P42,2.端体(telomere)也就是染色体的末端，存在着特珠的结构。主要有三方面的功能：防止染色体末端为DNA酶酶切；防止染色体末端与其它DNA分子的结合；使染色体末端在DNA复制过程中保持完整。,第四节 DNA的复制 P43,一、DNA复制的一般特点,(一)半保留复制,半保留复制(semiconservative replication)复制时DNA双链解开并以每一单链为模板来形成另一对应的新链。(图3-16)。,DNA自身的复制方式：半保留复制,复制的拓扑学P46； 复制的酶学P44（DNA的酶促合成：DNA聚合
31、酶、；RNA引物酶；解旋酶；连接酶；拓扑异构酶；外切酶、内切酶）； 复制的忠实性(准确性，半保留复制：证明实验) 双链环状DNA的复制（放射自显影技术）； 复制的调控。,DNA复制的起点(单起始点与多起始点)复制子、复制叉 P43-44； 复制的方向(单向与双向) P44 图3-17； 链的延伸(半不连续、冈崎片段) 53 P46； 复制的终止；DNA复制过程的概括,半保留复制,复制叉的结构,DNA复制的过程,(二)复制起点和复制方向,多数细菌及病毒，只有一个复制起点，控制整个染色体的复制。所以整个染色体也就是一个复制子。 在真核生物中，每条染色体的DNA复制则是多起点的，多个复制起点共同控制
32、一条染色体的复制，即每条染色体有多个复制子(图317)。,复制子(replicon)：是指在同一个复制起点控制下合成的一段DNA序列。,大肠杆菌和其它许多原核生物的环状DNA复制是双向的。即DNA的复制从复制起点开始，向二个方向同时进行，最后相遇，完成复制。 真核生物的研究发现，其复制也是双向的。但近来发现，并不是所有的生物DNA的复制都是双向的，如：噬菌体T2，其DNA的复制就是沿一个方向进行的。5 3,复制方向？从起点开始是沿着一个方向进行的呢？还是双向的？,二、原核生物DNA合成 P44,(一)有关DNA合成的酶,1957年科恩伯格(Kornberg, A.)及其同事，从大肠杆菌中分离D
33、NA聚合酶(polymerase )。,聚合酶在有DNA、4种脱氧核苷酸及Mg+的情况下，在离体条件下可以合成DNA。,后来发现，DNA聚合酶只有在引物DNA提供3端自由羟基的情况下，才使DNA链从5向3方向延伸。,实际上在此实验体系中的DNA起着模板和引物的双重作用。,DNA聚合酶由一条多肽链组成，含有928个氨基酸，分子量约为109,000道尔顿，编码此酶的基因为 pol A。,后来，从 pol A基因突变株中又分离出二种DNA聚合酶，分别命名为DNA聚合酶和DNA聚合酶。,三种DNA聚合酶有一些共同的特性，从而决定DNA合成的特点：,1、三种酶都只有53聚合酶的功能，而没有35聚合酶功能
34、，说明DNA链的延伸只能从5向3端进行。 2、它们都没有直接起始合成DNA的能力，只能在引物存在下进行链的延伸，因此，DNA的合成必须有引物引导才能进行。 3、三种酶还都有核酸外切酶的功能，可对合成过程中发生的错识进行校正，从而保证DNA复制的高度准确性。,（二）DNA复制的过程 P45,1、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5 3 合成冈崎片段，再由连接酶连起来链，后随链，不连续合成。,（二）DNA复制的过程 P45,P45 图3-18 DNA解旋,P46 现在发现主要有二类DNA拓扑异构酶：
35、DNA拓扑异构酶I，只对双链DNA中的一条链进行切割，产生切口(nick)，每次切割只能去除一个超螺旋，此过程不需要外加能量。 DNA拓扑异构酶II，可以对双链DNA的二条链同时进行切割。每次切割可以去除二个超螺旋，此过程需要ATP提供能量。,3、一条DNA链连续合成，一条链不连续 P46,从电子显微镜和放射自显影的结果可知，DNA两条新链的合成是从一个复制叉(replicating fork)向着同一个方向延伸的。 而组成DNA双螺旋的互补双链具有相反的方向，一条从53，而另地条35，为反向平行。 二条DNA新链，只有一条DNA链的合成是连续的，而另一条则是不连续的。 所以从整个DNA分子水
36、平来看，DNA二条新链的合成方向是相反的，但是都是从5向3方向延伸。,把一直从5向3方向延伸的链称作前导链(leading strand)，它是连续合成的。 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就可开始进行DNA的合成。 另一条先沿53方向合成一些片段，然后再由连接酶将其连起来的链，称为后随链(lagging strand)，其合成是不连续的(图319)。,后随链上合成的DNA不连续单链小片段称为冈崎片段 后随链DNA的合成： 每个“冈崎片段”的合成都需要先合成一段引物RNA，然后DNA聚合酶才能进行DNA的合成。 随后，引物RNA被切除，并为新合成的DNA
37、片段所替代。 在大肠杆菌中，引物RNA被切除过程是在DNA聚合酶的催化下完成的。,因为DNA聚合酶I有53端核酸外切酶的功能，它可以将RNA引物切除 同时利用其53聚合酶功能，以临近“冈崎片段”的3端自由OH进行DNA的合成，从而将RNA引物替换为DNA链。 最后由DNA连接酶(DNA ligase)将“冈崎片段”连接起来，形成一条完整的新链(图320)。,复制叉的结构,最后，简要说明一下RNA病毒中RNA的自我复制。大多数RNA病毒是单链的。 这种RNA的复制一般是先以自己为模板合成一条互补的单链，通常称病毒原有的，起模板作用的链称为“”链，而新复制的RNA链称为“”链，这样就形成了双螺旋的
38、复制类型(replicative form)。 然后这个“”链又从“”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，于是形成了一条新生的病毒RNA。,三、真核生物DNA合成 P48,P48 图321,增殖细胞核抗原(Proliferating cell nuclear antigen. PCNA),第五节 RNA的转录及加工 P49,遗传物质不管其化学性质如何，其必须具有遗传、表达和变异等三种基本功能。 下面我们介绍其第二个重要的功能基因表达。 基因的表达：第一步DNA转录(transcription)为RNA，然后由RNA再翻译(translation)成蛋白质。 转录：就是
39、以DNA的一条链为模板，在RNA聚合酶的作用下，以碱基互补的方式，以U代替T，合成mRNA，在细胞核内将DNA的遗传信息转录到RNA上。,翻译：就是mRNA携带着转录的遗传密码，附着在核糖体上，把tRNA运来的各种氨基酸，按照mRNA的密码顺序，相互连接起来成为多肽链，并进一步折叠起来成为立体蛋白质分子。,RNA的复制,先介绍RNA的转录,一、三种RNA分子 P49,信使RNA (messenger RNA，mRNA)转移RNA (transfer RNA， tRNA) 核糖体RNA (ribosomal RNA，rRNA)三种不同的RNA分子在基因的表达过程中起重要的作用。,(一)mRNA,
40、前面已经介绍，生物的遗传信息主要贮存于DNA的碱基序列中，但DNA并不直接决定蛋白质的合成。而且在真核细胞中，DNA主要存在于细胞核的染色体上，而蛋白质的合成中心却位于细胞质的核糖体上。因此，它需要一种中介物质，才能把DNA上控制蛋白质合成的遗传信息传递给核糖体。 mRNA的功能就是把DNA上的遗传信息精确无误地转录下来，然后，由mRNA的碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序，是基因表达过程中遗传信息传递的中介。 它起着传递信息的作用，因而称为信使RNA (mRNA)。,在真核生物中，转录形成的RNA中，含有大量非编码序列，大约只有25RNA经加工成为mRNA，最后翻译为蛋白质。 未经加工的前体mR
41、NA (pre-mRNA)在分子大小上差别很大，所以通常称为不均一核RNA (heterogeneous nuclear RNA，hnRNA)。,(一)mRNA,（二）tRNA 转运RNA P49,如果说mRNA是合成蛋白质的蓝图，则核糖体是合成蛋白质的工厂。 由于合成蛋白质的原材料20种氨基酸与mRNA的碱基之间缺乏特殊的亲和力。 因此，必须用一种特殊的RNA转移RNA (tRNA)把氨基酸搬运到核糖体上，tRNA能根据mRNA的遗传密码依次准确地将它携带的氨基酸连结成多肽链。 每种氨基酸可与1-4种tRNA相结合，现在已知的tRNA的种类在40种以上。,（二）tRNA 转运RNA P49,
42、tRNA是最小的RNA。其分子量约为27000(2500030000)，由70到90个核苷酸组成。,1969年以来，研究了来自各种不同生物，如：酵母、大肠杆菌、小麦、鼠等的十几种tRNA的结构，证明它们的碱基序列都能折叠成三叶草叶型(图322)。,tRNA的结构的共性(图323)：,(1)5端之末具有G(大部分)或C。 (2)3端之末都以ACC的顺序终结。 (3)有一个富有鸟嘌呤的环。 (4)有一个反密码子环，其的顶端有三个暴露的碱基，称为反密码子。这一个反密码子可以与mRNA链上同自己互补的密码子配对。 (5)有一个胸腺嘧啶环。,rRNA 核糖体RNA P50,(三)rRNA,核糖体RNA，
43、它是组成核糖体的主要成分，而核糖体则是合成蛋白质的中心。 原核生物的核糖体所含的rRNA，有5S、16S及23S等三种。 S为沉降系数(sedimentation coefficient)，当用超速离心测定一个粒子的沉淀速度时，此速度与粒子的大小成比例。 真核生物的核糖体，含有4种rRNA和约80种蛋白质。四种rRNA为5S、5.8S、18S和28S。,rRNA是单链，它包含不等量的A与U、G与C，但是有广泛的双链区域。在双链区，碱基因氢鍵相连，表现为发夹式螺旋。 rRNA在蛋白质合成中的功能尚未完全明了。但16S的rRNA3端有一段核苷酸序列与mRNA的前导序列是互补的，这可能有助于mRNA
44、与核糖体的结合。,(三)rRNA,除了上述三种主要的RNA外，还有小核RNA (small nuclear RNA，snRNA)是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体(spliceosome)的主要成份。 另外，还有端体酶RNA (telomerase RNA)，它与染色体末端的复制有关；以及反义RNA(antisense RNA)，它参与基因表达的调控。 上述各种RNA分子均为转录的产物，mRNA最后翻译为蛋白质，而rRNA、tRNA及snRNA等并不翻译，其终产物即为RNA。,二、RNA合成的一般特点 P51,RNA的合成与DNA合成有以下三方面明显不同： (1)所用的原料为核苷三磷酸，而
45、在DNA合成时则为脱氧核苷三磷酸； (2)只有一条DNA链被用作模板，而DNA合成时，两条链分别用作模板； (3)RNA链的合成不需要引物，可以直接起始合成，而DNA合成一定要引物的引导。,转录合成的RNA链，除了U替换为T以外，与用作模板的DNA链互补，而与另一条非模板链相同。 如果转录的RNA是mRNA，其信息最后通过密码子决定蛋白质的合成。 现在通常将用作模板，进行RNA转录的链称作模板链(template strand)；而另一条则为非模板链(nontemplate strand)。,RNA链的合成与DNA链的合成同样，也是从5向3端进行的，此过程由RNA聚合酶(RNA polymer
46、ase)催化。 RNA聚合酶首先在启动子部位(promoter)与DNA结合，形成转录泡(transcription bubble)，并开始转录。 在原核生物中只有一种RNA聚合酶完成所有RNA的转录，而在真核生物中，有三种不同的RNA聚合酶控制不同类型RNA的合成。 RNA的合成也同样遵循碱基配对的规则，只是U代替了T。,三、原核生物RNA的合成 P51,通常把转录后形成一个RNA分子的一段DNA序列称为一个转录单位(transcript unit)。,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的转录可以分为三步(图324)： (1)RNA链的起始； (2)RNA链的延长；
47、 (3)RNA链的终止及新链的释放。,在讨论有关RNA转录时通常要用到上游(upstream)和下游(downstream)二个概念。因为RNA的转录总是从5向3端进行，所以上游总是指RNA分子的5端，而下游则指3端。 (一) RNA聚合酶 催化转录的RNA聚合酶是一种由多个蛋白亚基组成的复合酶。 如大肠杆菌的RNA聚合酶有五个亚基组成，其分子量为480,000道尔顿，含有、和等四种不同的多肽，其中为二个分子。 亚基与RNA聚合酶的四聚体核心(2)的形成有关; 亚基含有核苷三磷酸的结合位点； 亚基含有与DNA模板的结合位点； 因子的作用就是识别转录的起始位置，并使RNA聚合酶结合在启动子部位。
48、,(二) 链的起始,RNA链转录的起始首先是RNA聚合酶在因子的作用下结合于DNA的启动子部位; 并在RNA聚合酶的作用下，使DNA双链解开，形成转录泡，为RNA合成提供单链模板，并按照碱基配对的原则，结合核苷酸; 然后，在核苷酸之间形成磷酸二脂键，使其相连，形成RNA新链。 因子在RNA链伸长到89个核酸后，就被释放，然后由核心酶催化RNA的延伸。,启动子位于RNA转录起始点的上游，因子对启动子的识别是转录起始的第一步。,(三)链的延伸 P53,RNA链的延伸是在因子释放以后，在RNA聚合酶四聚体核心酶的催化下进行。 因RNA聚合酶同时具有解开DNA双链，并使其重新闭合的功能。 随着RNA的
49、延伸，RNA聚合酶使DNA双链不断解开和重新闭合。RNA转录泡也不断前移，合成新的RNA链(图326)。,(四)链的终止 P53,当RNA链延伸遇到终止信号(termination signal)时，RNA转录复合体就发生解体，而使新合成的RNA链释放出来。 现在发现在大肠杆菌中有二类终止信号： 一类只有在存在蛋白质的情况下，转录才会终止，称为依赖于的终止(dependent terminator)。 第二类使转录终止不需要的参与，所以称为不依赖于的终止(-independent terminator)。,实际上在原核生物中，RNA的转录、蛋白质的合成以及mRNA的降解通常可以是同时进行的。 因为在原核生物中不存在核膜分隔的核，另外，RNA的转录和多肽链的合成都是从5向3方向进行，只要mRNA的5端合成后，即可以进行蛋白质的翻译过程。 在原核生物中mRNA的寿命一般只有几分种。因此，往往在3端mRNA的转录还没有最后结束，5端mRNA在完成多肽链的合成后，已经开始降解。,
