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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


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】 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】 知识梳理】
(三)DNA 的双螺旋结构 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(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, C 和 G 之间形成三个氢键 而 (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(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 二.DNA 的复制 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(thermal collision), 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。


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