基因的分子生物學(xué)

中南大學(xué)Gene概念的發(fā)展1857

Mendelgeneticfactor1909Johannsen

genetheoryofpangenesis1910Morgangene－－染色體摩爾根是第一位以遺傳學(xué)成就而榮獲諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎的科學(xué)家，是染色體遺傳學(xué)的創(chuàng)始人孟德爾因子不可能由染色體攜帶《美國博物學(xué)家》果蠅的白眼基因居然是由性染色體攜帶的《科學(xué)》不同領(lǐng)域的科學(xué)家從不同方向朝基因的分子水平進(jìn)軍，在分子遺傳學(xué)的醞釀時期形成了三大學(xué)派：信息學(xué)派、生化學(xué)派和結(jié)構(gòu)學(xué)派。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)1951年Watson23歲Crick，31歲DNA應(yīng)該是雙螺旋A與T、C與G巧妙連接符合X衍射數(shù)據(jù)DNA的復(fù)制1953年2月28日，Waterson和Crick用金屬線又制出了新的DNA模型，他們?yōu)樽匀豢茖W(xué)樹立了一座閃閃發(fā)光的里程碑。一、核酸分子及其結(jié)構(gòu)核苷酸的有機堿分為兩類；一類是嘌呤，是雙環(huán)分子；一類是嘧啶，是單環(huán)分子。嘌呤包括腺嘌呤(A)和鳥嘌呤(G)2種嘧啶有胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)3種。DNA的堿基是A、T、G、CRNA的堿基是A、U、G、C

第三位或第五位碳原子再與磷酸結(jié)合，就成為脫氧核糖核苷酸或核糖核苷酸。

磷酸核酸核苷酸戊糖核苷嘌呤堿或嘧啶堿3.4nm含10個堿基對DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型堿基互補配對通過氫鍵結(jié)合A=TGC堿基對（bp）5’CAGTTCA3’|||||||3’GTCAAGT5’DNA的雙鏈形成1.DNA分子是由兩條相互平行方向相反的多核苷酸鏈圍繞著同一中心軸形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。Watson和

Crick的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型（三）RNA分子

RNA分子是單鏈的，RNA在細(xì)胞核內(nèi)產(chǎn)生，然后進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，在蛋白質(zhì)的合成中起重要作用。

1.RNA的種類

細(xì)胞中主要有3種RNA:信使RNA（messagerRNA,mRNA）核糖體RNA（ribosomeRNA,rRNA）轉(zhuǎn)運RNA（tranferRNA,tRNA）2.RNA的作用mRNA是遺傳信息的攜帶者。在細(xì)胞核中轉(zhuǎn)錄DNA上的遺傳信息，再進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，是蛋白質(zhì)合成的模板。tRNA局部為雙鏈，在3′、5′端相反一端的環(huán)上具有由3個核苷酸組成的反密碼子。tRNA的反密碼子在蛋白質(zhì)合成時與mRNA上互補的密碼子相結(jié)合。tRNA起識別密碼子和攜帶相應(yīng)氨基酸的作用。rRNA和蛋白質(zhì)共同組成的復(fù)合體就是核糖體，核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所。核糖體的大小亞基在行使翻譯功能即肽鏈合成時聚合成整體，為蛋白質(zhì)的合成提供場所。核糖體上具有附著mRNA模板鏈的位置，還有兩個tRNA附著的位置，分別稱為A位和P位。

（四）RNA與DNA的主要差別：

DNARNA組成堿基

AGCT

AGCU糖基

脫氧核糖

核糖磷酸

磷酸

磷酸

DNARNA結(jié)構(gòu)

以兩條相互平行方向相反的多核苷酸鏈組成，兩鏈之間通過ATGC以氫鍵互補配對相連

大部分為單鏈分子，在某些區(qū)域可折疊形成局部雙螺旋結(jié)構(gòu)。

DNARNA功能

儲存、復(fù)制傳遞遺傳信息

指導(dǎo)蛋白質(zhì)的生物合成二、DNA復(fù)制（一）復(fù)制的過程復(fù)制所需組分：1.底物dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)2.聚合酶DNA聚合酶3.模板單鏈的DNA母鏈4.引物寡核苷酸引物（RNA)5.其他酶和蛋白質(zhì)因子拓?fù)洚悩?gòu)酶，解鏈酶，引發(fā)酶，單鏈結(jié)合蛋白，連接酶，端粒酶，增殖細(xì)胞核抗原（PCNA)

復(fù)制的過程復(fù)制的過程復(fù)制子(replicon)：

DNA復(fù)制開始于染色體上固定的起始點(origin,ori)?；蚪M能獨立進(jìn)行復(fù)制的單位稱為復(fù)制子(replicon)。每個復(fù)制子都含有控制復(fù)制起始的起點。復(fù)制泡(replicationbubble):

復(fù)制開始時，起始點處的DNA雙螺旋先解開，在電鏡下可看到呈眼泡狀。復(fù)制叉(replicationfork):

松解開的兩股鏈和末松解開的雙螺旋形狀像一把叉子。（二）復(fù)制的特點半保留復(fù)制半保留復(fù)制(semi-conservativereplication):DNA復(fù)制時，兩條鏈分開，然后按照堿基配對方式合成新的子鏈，每個子代分子的雙鏈DNA中一條鏈來自親代DNA，另一條鏈?zhǔn)切潞铣傻?。半不連續(xù)復(fù)制半不連續(xù)復(fù)制前導(dǎo)鏈(leadingstrand)：新合成的DNA的一條鏈?zhǔn)前?′→3′方向（與復(fù)制叉移動的方向一致）連續(xù)合成的。滯后鏈(laggingstrand):

新合成的DNA中的另一條鏈的合成則是不連續(xù)的，先合成許多短片段，再通過DNA連接酶（DNAligase）的作用將這些短片段連成一條完整的鏈。岡崎片段(Okazakifragment):

滯后鏈合成過程中，先合成的較短的DNA片段。三、基因的表達(dá)基因表達(dá)(geneexpression)：指基因的遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄(transcription)和翻譯(translation)的過程成為具有生物功能的多肽和蛋白質(zhì)。(一)基因的轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄(transcription)：以DNA分子為模板，在RNA聚合酶作用下合成RNA的過程。1.轉(zhuǎn)錄的過程

DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶聚合酶轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在細(xì)胞內(nèi)分布

Ⅰ18s,5.8S,28SrRNA核仁

ⅡmRNA前體，hnRNA核質(zhì)

ⅢtRNA,5srRNA核質(zhì)轉(zhuǎn)錄過程DNA分子的局部雙鏈在酶的作用下暫時解旋，以其中一條DNA鏈作為RNA合成的模板鏈，按堿基互補配對原則，以四種核苷酸（A，G，C，U）為原料，在RNA聚合酶催化下合成出一條單鏈RNA，合成方向為5′→3′。轉(zhuǎn)錄過程編碼鏈：與模板鏈互補的另一條DNA單鏈稱非模板鏈，與新轉(zhuǎn)錄合成的RNA具有同樣的5′→3′方向和堿基順序，又稱為編碼鏈。反編碼鏈:

即模板鏈。不對稱轉(zhuǎn)錄雙鏈DNA在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)入轉(zhuǎn)錄時，總是只有其中的一條鏈作為轉(zhuǎn)錄的模板鏈，究競以哪條鏈為模板則完全由啟動子在哪條鏈來決定。2.轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工mRNA的加工mRNA的加工

1)剪接(splicing)

核內(nèi)不均-RNA(hetrogeneousnuclearRNA,hnRNA)包含了mRNA基因的內(nèi)含子、外顯子，前導(dǎo)區(qū)、尾部區(qū)相對應(yīng)全部序列。在剪接酶的作用下，內(nèi)含子相對應(yīng)的序列被剪掉，剪接點即是基因中內(nèi)含子與外顯子接頭處的剪接信號(GT-AG),相應(yīng)于RNA中(GU-AG)。內(nèi)含子被剪掉后，外顯子對應(yīng)序列連接起來，這個過程稱剪接。2)戴帽在前mRNA的5′端加7－甲基鳥嘌呤核苷三磷酸(m7Gppp)，通過特殊的5′→5′磷酸二酯鍵與RNA轉(zhuǎn)錄物5′端第一個核苷酸相連。戴帽的意義:

（1）帽子結(jié)構(gòu)是核糖體小亞基的識別信號，促進(jìn)mRNA與核糖體結(jié)合；（2）帽子結(jié)構(gòu)還能有效地封閉mRNA5′端，防止核酸外切酶的降解作用，保證了mRNA的穩(wěn)定性。3)加尾加尾的作用：（1）保持mRNA的3’末端的穩(wěn)定，不受酶的破壞。（2）可促使mRNA由細(xì)胞核轉(zhuǎn)運到細(xì)胞質(zhì)中。(二)蛋白質(zhì)的生物合成UCAG遺傳密碼表第一堿基(5,)UCAG第二堿基第三堿基（3，）UCAGUCAGUCAGUCAG苯丙氨酸絲氨酸酪氨酸半胱氨酸苯丙氨酸絲氨酸酪氨酸半胱氨酸亮氨酸絲氨酸終止密碼終止密碼亮氨酸絲氨酸終止密碼色氨酸亮氨酸脯氨酸組氨酸精氨酸亮氨酸脯氨酸組氨酸精氨酸亮氨酸脯氨酸谷氨酰胺精氨酸亮氨酸脯氨酸谷氨酰胺精氨酸異亮氨酸蘇氨酸天冬酰胺絲氨酸異亮氨酸蘇氨酸天冬酰胺絲氨酸異亮氨酸蘇氨酸賴氨酸精氨酸

甲硫氨酸*+合成起步信號

蘇氨酸賴氨酸精氨酸纈氨酸丙氨酸天冬氨酸甘氨酸纈氨酸丙氨酸天冬氨酸甘氨酸纈氨酸丙氨酸谷氨酸甘氨酸纈氨酸丙氨酸谷氨酸甘氨酸遺傳密碼的特征特征方向性：5，3，

5，-UUG-3，亮氨酸5，-GUU-3，纈氨酸簡并性和兼職簡并性：同義密碼兼職通用性不重疊無標(biāo)點5，-----GTTTATGGTACGCTG-----3，D基因的閱讀方式

纈酪甘蘇亮

5，-----GTTTATGGTACGCTG-----3，E基因的閱讀方式苯丙甲硫纈精蛋白質(zhì)的合成的過程

步驟一：肽鏈合成的起始核糖體小亞基與mRNA、起始tRNA結(jié)合大小亞基的結(jié)合步驟二：肽鏈的延長氨?；?tRNA進(jìn)入A位肽鍵的形成空載的tRNA從P位釋放移位(由A位轉(zhuǎn)移至P位）步驟三：肽鏈延長的終止核糖體滑動到終止密碼子釋放因子結(jié)合到A位肽鏈釋放，核糖體大小亞基分離第三節(jié)基因突變突變（mutation）是指遺傳物質(zhì)發(fā)生的可遺傳的變異。染色體畸變（chromosomeaberration）：染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)的改變?；蛲蛔儯╣enemutation）：狹義的突變，所指基因的核苷酸順序或數(shù)目發(fā)生改變。一、堿基替換

一個堿基被另一堿基取代而造成的突變稱為堿基替換

轉(zhuǎn)換（transition）顛換（transversion）嘌呤→嘌呤，嘧啶→嘧啶嘌呤→嘧啶，嘧啶→嘌呤TGCA基因突變的效應(yīng)1、同義突變（same-senseorsynonymousmutation）:

堿基的改變并未引起編碼的氨基酸改變。例如，CCA→脯氨酸，當(dāng)A→G后，CCG→脯氨酸。2、錯義突變（missensemutation）:

堿基的改變引起編碼的氨基酸改變。例如，GAA→谷氨酸，G→A，

AAA→賴氨酸。3、無義突變（non-sensemutation）:

堿基的改變使該三聯(lián)體不再構(gòu)成任何氨基酸的密碼子，而形成終止信號。例如：UAC→酪氨酸，C→A，UAA→終止信號。4、終止密碼突變（terminationcodonmutation）：當(dāng)DNA分子中一個終止密碼發(fā)生突變，成為編碼氨基酸的密碼子時，多肽鏈的合成將繼續(xù)進(jìn)行下去，肽鏈延長直到遇到下一個終止密碼子時方停止，因而形成了延長的異常肽鏈。也稱延長突變（elongtionmutation）二、移碼突變

移碼突變（frame-shift