第二章 遗传物质的分子基础
一、DNA作为主要遗传物质的证据
分子遗传学的大量直接和间接的证据，说明DNA是主要的遗传物质，而在缺乏DNA的某些病毒等中，RNA就是遗传物质
1、间接证据
从DNA含量、代谢、结构、染色体共有等方面均能间接证明遗传物质是DNA而不是其他物质
2、直接证据
（1）细菌的转化 肺炎双球菌两种类型：
光滑型(S型): SI 、SII 、 SIII 粗糙型(R型): RI 、RII 、RIII 1928, Griffith首次将R II → S III ，实现了细菌遗传性状的定向转化 。被加热杀死的S III 型肺炎双球菌必然含有某种促成这一转变的活性物质
肺炎双球菌的转化实验，强调生物实验设计的严谨性、周密性
1944 ，Avery等用生物化学方法证明这种活性物质是DNA，该提取物不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酸酶的影响，而只能为DNA酶所破坏
（2）噬菌体的侵染与繁殖
1952, Hershey等用同位素32P和35S分别标记T2噬菌体的DNA与蛋白质 赫尔歇的噬菌体实验，同样强调生物实验设计的严谨性、周密性 （3）烟草花叶病毒的感染和繁殖
1956, Frankel-Conrat，Singer 的实验：
RNA接种到烟叶 → 发病 RNA RNA酶处理RNA → 不发病 TMV 蛋白质：接种后不形成新的TMV → 不发病
说明在不含DNA的TMV中RNA就是遗传物质
为了进一步论证上述的结论，Frankel-Conrat和Singer实验 生物实验设计的严谨性、周密性 二、核酸的化学结构
核酸的构成单元是核苷酸，是核苷酸的多聚体 每个核苷酸包括三部分： 五碳糖、磷酸、碱基 两个核苷酸之间由3’和5’位的磷酸二脂键相连
两种核酸的主要区别：
DNA：脱氧核糖，A、C、G、T，双链，分子链较长 RNA：核糖，A、C、G、U，单链，分子链较短
1、DNA的分子结构 1949-1951,Chargaff对多种生物来源的DNA的碱基成分的精密分析，发现DNA中: A=T，G=C，A+G=C+T 说明碱基A与T之间、G与C之间存在互补配对关系，称为查尔格佛法则（Chargaff’s rule）
1953，Watson和Crick根据：查尔格佛法则(碱基互补配对的规律)和对DNA分子的X射线衍射结果，提出了著名的DNA分子双螺旋结构模型。这个模型已为以后拍摄的电镜直观形象所证实
DNA分子模型最主要特点：
(1) 两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，以一定的空间距离，环绕于同一轴相互盘旋而成 (2) 反向平行：5’－3’，3’－5’
(3) 两条单链间以碱基间氢键配对相连： A T，C G (4) 每个螺旋34? (3.4nm)，含10bp，直径约为20? (5) 分子表面大沟和小沟交替出现 用北京中关村的“DNA雕塑”、牵牛花的攀缘习性来形象说明 A-T和C-G两种核苷酸对分子链内排列的位置和方向只有四种形式: A---T C---G A---T G---C C---G A---T G---C A---T
假设某一段DNA分子链有1000bp，则该段就可以有41000种不同的排列组合形式，反映出来的就是41000种不同性质的基因
2、RNA的分子结构
绝大部分RNA以单链形式存在，但可折叠起来形成若干双链区域。这些区域内，互补的碱基对间可形成氢键
一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA
三、DNA的复制
1、DNA复制的一般特点 （1）复制方式：半保留复制
（2）复制起点：原核生物一般只有一个复制起点 ，一个复制子 ；真核生物是多起点的， 多个复制子
（3）复制方向：一般为双向复制 （4）具有复制的忠实性
2、原核生物DNA合成
（1）酶系统：DNA聚合酶、连接酶、解旋酶、拓扑异构酶等 （2）半保留复制，双向复制 （3）有引物的引导，为RNA （4）延伸方向为5’－3’
（5）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
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开始DNA的合成* 在后随链上，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III才能进行DNA的合成
3、真核生物DNA合成
重点是真核生物DNA的复制与原核生物的主要不同点：
（1）DNA的合成只是在S期进行，原核生物则在整个细胞生长过程中都进行DNA合成 （2）有二种不同的DNA聚合酶分别控制前导链（δ）和后随链α）的合成；在原核生物中由聚合酶III同时控制二条链的合成
（3）原核生物DNA的复制是单起点的，真核生物染色体的复制则为多起点的 （4）真核生物所需的RNA引物及合成的 “冈崎片段”的长度比原核生物要短 （5）核小体的复制。组蛋白八聚体则以全保留的方式传递给子代分子 （6）真核生物染色体端体的复制：原核生物的染色体大多数为环状
4、RNA病毒中RNA的自我复制
先以自己为模板（“＋”链）合成一条互补的单链（“－”链），然后这个“－”链从“＋”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，形成了一条新生的病毒RNA
四、RNA的转录及加工
1、RNA分子种类
（1）mRNA：传递遗传信息
（2）tRNA：最小的RNA，由70到 90个核苷酸组成，具有稀有碱基的特点 （3）rRNA：核糖体的主要成分
在大肠杆菌中：rRNA量占细胞总RNA量的75-85％ tRNA占 15％ mRNA占 3-5％ （4）小核RNA(snRNA)、反义RNA 反义RNA的作用 2、RNA合成的一般特点
（1）RNA合成不需要引物；DNA合成一定要引物的引导
（2）RNA合成所用原料为核苷三磷酸；在DNA合成时为脱氧核苷三磷酸 （3）只有一条DNA链被用作模板；DNA合成时，两条链分别用作模板
（4）RNA链的合成与DNA链的合成同样，也是从5’向3’端，由RNA聚合酶催化
（5）RNA合成的速度比DNA慢得多，一般每秒只有40个核苷酸左右，而DNA复制时每秒可达上千个核苷酸
3、原核生物RNA的合成
RNA的转录起始于RNA聚合酶与特定的启动部位-启动子-的结合，转录起始的第一个碱基称为启动点，在RNA聚合酶的作用下合成RNA，至终止子。
由启动子到终止子的序列称为转录单位。原核生物中一个转录单位通常含有多个基因，而在真核生物中大多只含有一个基因
转录起始点前面的序列称为上游（ 5′端），后面的序列称为下游（ 3′端 ）
RNA转录分三步： (1) RNA链的起始 (2) RNA链的延长
(3) RNA链的终止及新链的释放
4、真核生物RNA的转录与加工
真核生物与原核生物RNA转录的不同点：
（1）真核生物RNA的转录是在细胞核内进行，而蛋白质的合成则是在细胞质内
（2）原核生物的一个mRNA分子通常含有多个基因；而少数较低等真核生物外，真核生物一个mRNA分子一般只编码一个基因
（3）原核生物只有一种RNA聚合酶催化所有RNA的合成；真核生物中则有 RNA聚合酶I、II、III，分别催化不同种类型RNA的合成；原核生物RNA聚合酶直接起始转录合成RNA，真核生物三种RNA聚合酶都必须在蛋白质转录因子的协助下才能进行RNA的转录
（4）真核生物的启动子比原核生物复杂
真核生物mRNA在转录后的加工：
（1）5’端加上帽子(7－甲基鸟嘌呤核苷)：在蛋白质翻译时识别起始位置及防止被RNA酶降解
（2）3’端加上尾巴(聚腺苷酸,polyA)：对增加mRNA的稳定性及从细胞核向细胞质的运输具有重要作用
（3）切除非编码序列(内含子)，将编码序列(外显子)连接起来，形成成熟的mRNA分子，→RNA的剪接，才能进行蛋白质的翻译
