第四篇 遺傳學(xué)
自然科學(xué)領(lǐng)域中探究研究基因的結(jié)構(gòu)、功能及其變異、傳遞和表達(dá)規(guī)律的學(xué)科。
第一章 遺傳物質(zhì)
遺傳物質(zhì)即親代與子代之間傳遞遺傳信息的物質(zhì)。除一部分病毒的遺傳物質(zhì)是RNA外，其余的病毒以及全部具典型細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物的遺傳物質(zhì)都是DNA。
第一節(jié) 遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)
一、染色體是遺傳物質(zhì)的主要載體
1．染色體的化學(xué)成分
染色體的主要成分為DNA和組蛋白，兩者含量比率相近，此外，還有少量非組蛋白和RNA。組蛋白為含賴(lài)氨酸和精氨酸比較多的堿性蛋白質(zhì)，帶正電荷。其功能是參與維持染色體結(jié)構(gòu)，有阻礙NDA轉(zhuǎn)錄RNA的能力。非組蛋白為含天門(mén)冬氨酸、谷氨酸等酸性蛋白質(zhì)，帶負(fù)電荷。非組蛋白的特點(diǎn)是：既有多樣性又有專(zhuān)一性，含有組蛋白所沒(méi)有的色氨酸。非組蛋白的功能是DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄活動(dòng)的調(diào)控因子。
2．染色體的結(jié)構(gòu)
核體→螺線管→超螺線管→染色單體。從舒展的DNA雙螺旋經(jīng)四級(jí)折疊，壓縮到最短的中期時(shí)，DNA分子縮短約5000～10000倍。
二、DNA是主要的遺傳物質(zhì)
l．噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)
實(shí)驗(yàn)步驟如下：
2．肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)
3．煙草花葉病毒（CMV）的重建說(shuō)明CMV是不具DNA的病毒，RNA是遺傳物質(zhì)
三、DNA的結(jié)構(gòu)和功能
1．DNA的結(jié)構(gòu)
DNA是四種脫氧核苷酸的多聚體，見(jiàn)下圖：
DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)
DNA的主干由磷酸和脫氧核糖交互組成，磷酸和糖由3’、5’一磷酸二酯鍵聯(lián)結(jié)在一起。堿基接在每一脫氧核糖的1’碳上
其結(jié)構(gòu)要點(diǎn)如下：
（1）兩條DNA鏈反向平行，一條走向是5’→3’，另一條走向是3’→5’，兩條互補(bǔ)鏈相互纏繞，形成雙螺旋狀。
（2）堿基配對(duì)不是隨機(jī)的。腺嘌呤（A）通過(guò)兩個(gè)氫鍵與胸腺嘧啶（T）配對(duì)，鳥(niǎo)嘌呤（G）通過(guò)三個(gè)氫鍵與胞嘧啶（C）配對(duì)（見(jiàn)右圖）。GC對(duì)豐富的DNA比AT對(duì)豐富的DNA更為穩(wěn)定。
（3）DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)中，堿基順序沒(méi)有限制性，但是堿基對(duì)的順序卻為一種DNA分子提供了它性質(zhì)上的特異性。
（4）雙鏈DNA具有不同的構(gòu)型，其中3種具有生物學(xué)上重要性。
①B—DNA：右旋，正常生理狀態(tài)下的常見(jiàn)形式。②A－DNA：右旋，脫水狀態(tài)下的常見(jiàn)形式。③Z—DNA：左旋，這種結(jié)構(gòu)可能與真核生物中基因活性有關(guān)。
2．DNA的功能
（1）DNA的復(fù)制
1．DNA半保留復(fù)制的證實(shí)
DNA半保留復(fù)制在1953年由沃森和克里克提出，1958年又由梅塞爾森和斯塔爾設(shè)計(jì)的新實(shí)驗(yàn)方法予以證實(shí)。
梅塞爾森和斯塔爾將大腸桿菌置于含有同位素重氮（15 N）的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)。15N比14N多一個(gè)中子，質(zhì)量稍重。大腸桿菌繁殖若干代，其DNA中所含的氮均為15N。將這些菌移入14N的培養(yǎng)基中繁殖，經(jīng)過(guò)一次、二次、四次等細(xì)胞分裂，抽取細(xì)菌試樣，用氯化銫（CsCl）密度一梯度離心方法測(cè)定不同密度中DNA的含量。
氯化銫密度一梯度離心是一種離心新技術(shù)，可以將質(zhì)量差異微小的分子分開(kāi)。用氯化銫濃鹽液，以105g以上的強(qiáng)大離心力的作用，鹽的分子被甩到離心管的底部。同時(shí)，擴(kuò)散作用使溶液中Cs＋和Cl－離子呈分散狀態(tài)，與離心力的方向相反，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的離心，溶液達(dá)到一種平衡狀態(tài)。反向擴(kuò)散力與沉降力之間的平衡作用，產(chǎn)生了一個(gè)連續(xù)的CsCl濃度梯度。離心管底部溶液的密度最大，上部最小。DNA分子溶于CsCl溶液中，經(jīng)過(guò)離心，將逐漸集中在一條狹窄的帶上。帶上的DNA分子密度與該處CsCl相等。
如果取在含有15N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)的大腸桿菌在CsCl溶液中離心，在離心管中形成的帶，位置較低，稱(chēng)為重帶；如果取在含有14N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)的大腸桿菌在 CsCl溶液中離心，在離心管中形成的帶，位置較高，稱(chēng)為輕帶；如果將含有15N的大腸桿菌在14N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)一代，取樣離心，在離心管中形成的帶，正好在重帶和輕帶的中間。如果DNA復(fù)制是半保留的，這恰是實(shí)驗(yàn)所預(yù)期的，因?yàn)楹?/span>15N的大腸桿菌在14N的培養(yǎng)基中繁殖一代，這樣，大腸桿菌的DNA中一條鍵是含有15N的重鏈，另一條是含有14N的輕鏈。
如果將15N／14N的 DNA雜合分子緩慢加熱（熱變性），使其雙鏈分開(kāi)，再放在CsCl溶液中離心。結(jié)果發(fā)現(xiàn)離心管中出現(xiàn)高低兩條帶，一條重帶、一條輕帶。這更證實(shí)，DNA復(fù)制是半保留復(fù)制。
2．DNA半保留復(fù)制過(guò)程
作為主要遺傳物質(zhì)的DNA，必須具有自我復(fù)制的能力，產(chǎn)生與它完全相同的新DNA分子，這樣才能使遺傳信息準(zhǔn)確無(wú)誤地傳遞給下一代，保證遺傳上的連續(xù)性和相對(duì)穩(wěn)定性。沃森等根據(jù)DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為DNA分子是以半保留方式進(jìn)行自我復(fù)制的。他們認(rèn)為，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中每一個(gè)半分子鏈與另一個(gè)半分子鏈的堿基互補(bǔ)，實(shí)際上是構(gòu)成了一副模板，當(dāng)DNA復(fù)制時(shí)，在解旋酶的作用下，首先是從它的一端沿著氫鍵逐漸斷裂，使雙螺旋解開(kāi)，形成復(fù)制分叉，使兩條單鏈各自露出堿基，而另一端仍保持雙鏈狀態(tài)（見(jiàn)下圖）?；パa(bǔ)的游離脫氧核苷酸，即一個(gè)腺嘌呤（A）吸引一個(gè)含有胸腺嘧啶（T）的脫氧核苷酸（或T吸引A），一個(gè)胞嘧啶（C）吸引一個(gè)含有鳥(niǎo)嘌呤（G）的脫氧核苷酸（或G吸引C），如此等等。隨即進(jìn)行氫鍵的結(jié)合，在復(fù)雜的酶系統(tǒng)（如聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和連接酶等）的作用下，各自形成一條新的完整的互補(bǔ)鏈，與原來(lái)的模板單鏈相互盤(pán)旋在一起，恢復(fù)了DNA雙鏈結(jié)構(gòu)。這樣，隨著DNA分子雙螺旋的完全拆開(kāi)，就逐漸形成了兩個(gè)新的DNA分子，與原來(lái)的完全一樣（見(jiàn)下圖）。從模式圖可見(jiàn)，通過(guò)復(fù)制所形成的兩個(gè)新DNA分子，都保留有原來(lái)親本DNA雙鏈分子的一條單鏈，所以DNA這種自我復(fù)制方式稱(chēng)為半保留復(fù)制。
對(duì)DNA復(fù)制的進(jìn)一步研究，相繼發(fā)現(xiàn)了復(fù)制過(guò)程中的一些細(xì)節(jié)：
（1）發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶只能從5’到3’的方向把相鄰的核苷酸連在一起，因而有人提出，DNA在復(fù)制過(guò)程中，一條從5’到3’方向的互補(bǔ)新鏈?zhǔn)前凑瘴稚鹊募僬f(shuō)連續(xù)合成的，但另一條從3’到5’方向的互補(bǔ)新鏈，則先按5’到3’方向一段一段地合成DNA單鏈小片段，即“岡崎片段”（1000～2000個(gè)核苷酸長(zhǎng)），這些不連續(xù)的小片段再由連接酶連接起來(lái)，成為一條連續(xù)的單鏈；可見(jiàn)，這條由3’到5’方向的互補(bǔ)新鏈?zhǔn)堑雇酥铣傻摹?/span>
（2）岡崎等（1968）進(jìn)一步證明，從5’到3’方向的互補(bǔ)新鏈，也是通過(guò)岡崎片段一段一段連接而成的（如下圖所示）。（這種講法有問(wèn)題，）
岡崎等關(guān)于DNA復(fù)制的假說(shuō)
（3）岡崎等（1973）又發(fā)現(xiàn)在合成DNA單鏈片段以前，先由一種特殊類(lèi)型的酶以DNA為模板，合成一小段約含幾十個(gè)核苷酸的RNA，然后DNA聚合酶才開(kāi)始起作用，連接著RNA3’端并按5’到3’的方向合成DNA單鏈片段。這段RNA實(shí)際上起到了“引物”的作用，所以稱(chēng)為引物RNA，隨后由DNA聚合酶Ⅰ除去引物RNA，并在原位上補(bǔ)上DNA單鏈片段（見(jiàn)下圖）。
DNA復(fù)制過(guò)程中的RNA引物
～～表示RNA；——表示DNA
DNA在活體內(nèi)的半保留復(fù)制性質(zhì)已為1958年以來(lái)的大量試驗(yàn)所證實(shí)。
3．RNA的復(fù)制
大多數(shù)RNA病毒是單鏈的。這種RNA的復(fù)制一般是先以自己為模板合成一條與其堿基互補(bǔ)配對(duì)的單鏈，通常稱(chēng)這條起模板作用的RNA分子鏈為“＋”鏈，而將新復(fù)制的RNA分子鏈稱(chēng)為“－”鏈，這樣就形成了雙螺旋的復(fù)制類(lèi)型。然后這條“－”鏈又從“＋”鏈模板中釋放出來(lái)，它也以自己為模板復(fù)制出一條與自己互補(bǔ)的“＋”鏈，于是形成了一條新生的病毒RNA（如下圖所示）。
單鏈?zhǔn)删wRNA復(fù)制示意圖
A．以單鏈RNA＋鏈為模板進(jìn)行復(fù)制 B．形成復(fù)制類(lèi)型
C．以一鏈為模板形成幾個(gè)新的＋鏈
（2）基因的表達(dá) 包括轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個(gè)過(guò)程，在原核生物中這兩個(gè)過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，在真核生物中是在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)進(jìn)行的。
1．轉(zhuǎn)錄
轉(zhuǎn)錄是指以DNA為模板合成RNA的過(guò)程。轉(zhuǎn)錄是遺傳信息表達(dá)的第一步，通過(guò)轉(zhuǎn)錄使編碼于基因序列中的遺傳信息具有流動(dòng)性，為基因控制蛋白質(zhì)合成創(chuàng)造條件。與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的RNA有三種：信使RNA、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA和核糖體RNA，它們都是以DNA為模板的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。但是，轉(zhuǎn)錄并不是產(chǎn)生RNA的唯一途徑。信使RNA(簡(jiǎn)稱(chēng)mRNA)的轉(zhuǎn)錄要點(diǎn)如下：
(1)在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行，以雙鏈DNA分子的一條鏈為模板。作為模板轉(zhuǎn)錄的鏈稱(chēng)為非信息鏈或反義鏈；不作模板轉(zhuǎn)錄的鏈稱(chēng)為信息鏈或有義鏈。
(2)轉(zhuǎn)錄在一系列RNA聚合酶催化下進(jìn)行，以四種核糖核苷三磷酸(以NTP表示)為原料。RNA聚合反應(yīng)可用下面的反應(yīng)式表示：
XTP為 RNA鏈?zhǔn)级说谝粋€(gè)核苷酸；PPi表示焦磷酸。
(3)按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則進(jìn)行轉(zhuǎn)錄時(shí)，DNA非信息鏈上的A、G、C、T將分別轉(zhuǎn)錄成U、C、G、A，即轉(zhuǎn)錄形成的RNA單鏈與DNA模板鏈互補(bǔ)，其堿基序列與DNA的信息鏈基本一致。因此說(shuō)，轉(zhuǎn)錄成的信使RNA單鏈攜帶著DNA信息鏈上的遺傳信息。
(4)信使RNA經(jīng)過(guò)核膜孔進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，并與核糖體相結(jié)合。信使RNA的這種流動(dòng)性，使之在蛋白質(zhì)合成中能夠行使直接模板的作用。
DNA轉(zhuǎn)錄RNA的模板機(jī)制用圖解表示(圖1-5-6)。
2．翻譯
翻譯是指以信使RNA為模板，合成有一定氨基酸序列的蛋白質(zhì)肽鏈的過(guò)程。翻譯過(guò)程比較復(fù)雜，概括說(shuō)來(lái)，合成蛋白質(zhì)肽鏈的過(guò)程是信使RNA、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA和核糖體三者協(xié)同作用的過(guò)程。信使RNA是翻譯過(guò)程的直接模板，因?yàn)?/span>mRNA以三聯(lián)體密碼形式攜帶著DNA上的遺傳信息，每個(gè)三聯(lián)體密碼子決定多鈦鏈中的一個(gè)氨基酸，mRNA上氨基酸密碼的序列則決定多肽鏈的氨基酸序列。核糖體是合成蛋白質(zhì)的場(chǎng)所。核糖體有一個(gè)mRNA的結(jié)合部位，并能從mRNA起始密碼開(kāi)始，逐一解讀每個(gè)三聯(lián)體密碼的遺傳信息；核糖體上還有與攜帶氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)相結(jié)合的部位，能夠選擇合適的tRNA攜帶特定氨基酸進(jìn)位；此外，核糖體提供翻譯過(guò)程所需的全部酶活性，并參與肽鏈的延伸與釋放。tRNA是工具，它的一端能夠攜帶某種氨基酸，另一端由三個(gè)暴露堿基組成反密碼子，能夠通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)與mRNA上的密碼子相識(shí)別，并通過(guò)進(jìn)位把氨基酸放置在核糖體的合適位置上，從而把氨基酸連接起來(lái)。上述協(xié)同作用可以用圖1-5-7表示。
遺傳密碼是指核酸分子中決定蛋白質(zhì)中氨基酸序列的核苷酸序列，由三個(gè)連續(xù)的核苷酸組成的密碼子構(gòu)成。由于mRNA是合成蛋白質(zhì)的直接模板，所以，遺傳密碼通常是指信使RNA單鏈的核苷酸序列?？傊?，遺傳密碼是負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)氨基酸組成的遺傳信息的編碼形式。遺傳密碼有下列基本特征：
(1)三聯(lián)體每個(gè)密碼子由mRNA上三個(gè)相鄰的堿基序列組成。
(2)不重疊性從mRNA起點(diǎn)始，每個(gè)核苷酸只能作為一個(gè)三聯(lián)體密碼子的成員之一，不能又作為相鄰密碼子的成員。
(3)簡(jiǎn)并性 mRNA上四種核苷酸能構(gòu)成 43＝64種密碼子。其中，有三種為多肽合成的終止密碼，其余的61種密碼子為氨基酸密碼，除甲硫氨酸和色氨酸外，一個(gè)氨基酸可由兩種或兩種以上的密碼子決定，不同密碼的同義性稱(chēng)為簡(jiǎn)并性。
(4)無(wú)逗號(hào)密碼子與密碼子之間沒(méi)有任何不編碼的核苷酸單獨(dú)存在。
(三)中心法則——遺傳信息轉(zhuǎn)移的規(guī)律
遺傳信息在細(xì)胞內(nèi)生物大分子間轉(zhuǎn)移的基本法則。中心法則是克里克于1957年提出的，1970年他又重申了中心法則的重要性，并提出表達(dá)中心法則的完整圖解，如圖1-5-8所示。
從圖解看出，遺傳信息的轉(zhuǎn)移分為兩類(lèi)：一類(lèi)用實(shí)線箭頭表示，包括DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的翻譯，這三種信息轉(zhuǎn)移方向普遍存在于所有生物體內(nèi)；一類(lèi)用虛線箭頭表示，包括RNA復(fù)制、RNA逆轉(zhuǎn)錄和未經(jīng)證實(shí)的從DNA直接翻譯為蛋白質(zhì)。RNA復(fù)制只存在于RNA病毒，逆轉(zhuǎn)錄最初發(fā)現(xiàn)于RNA 致癌病毒?？傊行姆▌t的中心論點(diǎn)是遺傳信息既不能從蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)，也不能從蛋白質(zhì)逆轉(zhuǎn)到DNA或RNA分子。
中心法則闡明了在生命活動(dòng)中核酸與蛋白質(zhì)的分工和聯(lián)系。核酸的功能是貯存和轉(zhuǎn)移遺傳信息，指導(dǎo)和控制蛋白質(zhì)的合成；蛋白質(zhì)的主要功能是作為生物體的結(jié)構(gòu)成分和調(diào)節(jié)新陳代謝活動(dòng)，使遺傳信息得到表達(dá)?？傊?，中心法則是對(duì)遺傳物質(zhì)作用原理的高度概括。
四、基因的概念和結(jié)構(gòu)
(一)基因的概念
?基因?一詞是1909年約翰遜提出的代替?遺傳因子?的詞?，F(xiàn)代遺傳學(xué)中基因概念的內(nèi)涵仍處于不斷發(fā)展和完善的過(guò)程中，大致可以概括如下：
從基因與性狀的關(guān)系看，基因是控制性狀的遺傳物質(zhì)的功能單位，也就是說(shuō)，基因控制生物性狀的遺傳。
從基因與DNA的關(guān)系看，基因是有遺傳效應(yīng)的DNA分子片段，遺傳效應(yīng)是指基因具有復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯、重組和突變，以及調(diào)控等功能。不同基因的大小不同，哺乳動(dòng)物的基因長(zhǎng)度平均約有5000～8000bp(堿基對(duì))。
從基因與遺傳信息關(guān)系看，不同基因中的堿基序列不同，每個(gè)基因都有其特定的堿基序列。基因中的特定堿基序列代表某種性狀的表達(dá)方式，稱(chēng)為遺傳信息。也就是說(shuō)，基因是蘊(yùn)含遺傳信息的核酸分子的特定堿基序列。
從基因與染色體關(guān)系看，染色體是核基因的載體，每個(gè)核基因在染色體上都有一定的座位，許多基因在染色體上呈線性排列。相鄰基因之間存在著重疊現(xiàn)象或間斷現(xiàn)象，某些基因可以由一條染色體跳躍到另一條染色體上。
從基因的結(jié)構(gòu)看，絕大多數(shù)真核生物基因都是不連續(xù)基因，由外元和內(nèi)元兩部分組成。如果一個(gè)基因有多個(gè)外元和內(nèi)元，外元?jiǎng)t被內(nèi)元一一隔開(kāi)。
在原核生物中，DNA分子中約1000個(gè)堿基對(duì)相當(dāng)于一個(gè)基因，這些基因連續(xù)編碼。真核生物中的情況復(fù)雜的多。如哺乳動(dòng)物的基因長(zhǎng)度平均約為5000～8000個(gè)堿基對(duì)，然而，高等真核生物的結(jié)構(gòu)基因多為斷裂基因。一個(gè)斷裂基因含有幾個(gè)編碼順序，叫外顯子，被一個(gè)個(gè)不編碼的間隔順序隔開(kāi)，這些間隔順序叫內(nèi)含子。不同的結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同，每一個(gè)斷裂基因在其第一個(gè)和第末個(gè)外顯子的外側(cè)，都有一非編碼區(qū)，并連接著一些調(diào)控順序。
從種類(lèi)上看，根據(jù)其原初功能將基因分為三種：
(1)編碼蛋白質(zhì)的基因，包括結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因，這種基因既能轉(zhuǎn)錄又能翻譯；
(2)沒(méi)有翻譯產(chǎn)物的基因，如核糖體DNA基因和轉(zhuǎn)運(yùn)DNA基因；
(3)不能轉(zhuǎn)錄的DNA片段，如操縱基因等。
總之，基因是蘊(yùn)含遺傳信息的特定的脫氧核苷酸序列，是有遺傳效應(yīng)的DNA分子片段。
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