03 普通遗传学 遗传物质的分子基础 课件

（二）DNA的二级结构
1. 鲍林研究小组 2. 威尔金斯、富兰克林研究小组 3. 沃生、克里克研究小组
1、鲍林研究小组
• 主要工作： – 鲍林(Pauling)等1951年(提出蛋白质α-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，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
图3-16 DNA双螺旋结构的发现
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。
第三章
遗传物质的分子基础
本章内容
＊1、DNA作为遗传物质的三个直接证据；
2、核酸的化学结构（DNA、RNA）； ＊3、原核生物和真核生物染色体的分子结构； 4、DNA的半保留复制和特点； 5、三种RNA分子的合成、转录及加工； 6、遗传密码与蛋白质翻译。
细胞
染色体
DNA
DNA（27%） 组蛋白 染色体 蛋白质（66%） 非组蛋白 RNA（6%）
3、DNA的其它螺旋结构
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 二、 DNA是遗传物质的直接证据 (一)、 细菌转化试验 (二)、 噬菌体侵染与繁殖试验 (三)、 烟草花叶病毒的感染和繁殖
一、 DNA作为主要遗传物质的间接证据
● DNA含量的恒定性；
DNA代谢的稳定性； ●携带遗传信息，并能精确地自我复制； ●能发生变异； ●基因突变与紫外线诱变波长的关系。
图3-13 1952年末Franklin和 Wilkins拍到了一张十分清晰 的DNA结晶X衍射照片
图3-14 威尔金斯
图3-15 富兰克琳
3.
沃生、克里克研究小组
Watson、Crick(19511953)： • 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、收集 信息全面并善于分析利 用。
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。
基因化学本质的条件：具有三种功能
遗传功能(基因的复制与世代传递)； 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)。
基因就是DNA吗？ 基因和DNA有什么关系呢？
图3-4 噬菌体T2结构示意图
图3-5
图3-6 赫尔希（Hershey,A.D.）（1908～）和柴丝（Chase,M.）
赫尔希（Hershey,A.D.）（1908～）和柴丝（Chase,M.）
2、Hershey和Chase的实验
图3-7
结果与结论
• 试验结果表明：
– 主要是由于DNA进入细胞内才产生完整的噬菌体
●
二、DNA作为主要遗传 物质的直接证据
（一）细菌的转化试验
肺炎双球菌 粗糙型(R) 光滑型(S) 特征 无荚膜、粗糙菌落、无毒 有荚膜、光滑菌落、有毒 抗原型（稳定） I R、II R I S、II S、III
S
图3-1 肺炎双球菌
图3-2 Griffith肺炎双球菌的转化实验
Griffith认为：
（2）1951年Pauling和Corey运用化学的 定律来推理，而不做具体的实验， 建立了蛋白质的α-螺旋模型； （3）晶体学者[美]J. Donoh & Chargaff 的指点。 （4）R.Franklin & Wilkins在1952年底拍 得了DNA结晶X衍射照片。
图3-19 1962年， Wilkins、 Watson和Crick共获诺贝尔化学奖。
第二节
核酸的化学结构
一、两种核酸及其分布：
1、核酸（nucleic acid）： 以核苷酸（nucleotide）为单元构成的多聚 体，是一种高分子化合物。 五碳糖：脱氧核糖、核糖 核苷酸 磷酸 鸟嘌呤、腺嘌呤 环状的含氮碱基 胞嘧啶、胸腺嘧啶 和尿嘧啶
图-10
图3-11
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。
图3-17
沃森（1928～）
图3-18 克里克 (1916~2004)
Watson & Crick建立双螺旋模型主要是受到4个 方面的影响： （1）1938年W.T.Astbury & Bell用x衍射技术研 究DNA。1947年拍摄了第一张DNA的衍射 照片，并推断DNA分子的结构是： ① 柱状； ② 多核苷酸是一叠扁平的核苷酸； ③ 核酸残基取向和分子长轴垂直,间距为3.4。
2、 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。
（三）DNA双螺旋模型
图3-20
1、DNA分子双螺旋结构模型要点
图3-21
图3-22 DNA分子的结构
图9-11
图9-12
图3-23 DNA中碱基互补配对的结构
双螺旋模型 (double helix model)
双螺旋模型有以下特点 (1) DNA 分子由两条反向平行的多核苷酸链组 成， 形成右手双螺旋。 (3) 两条链反向平行，即两条链的方向相反； (4) 糖 --- 磷酸键是在双螺旋的外侧，碱基对与轴 线垂直。 (5) 糖与附着在糖上的碱基近于垂直。 (6) 碱基配对时，必须一个是嘌呤，另一个是嘧 啶。 (7) DNA双螺旋有大沟（major or wide groove） 和小沟（minor or narrow groove）的存在。
（
查伽夫（Chargaff,E.） 1905～1922）
*3、 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。
图3-12 1951年， Pauling提 出了蛋白质 的α-螺旋 结构。
2、威尔金斯、富兰克琳研究小组
• 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
• 结论：DNA才是(噬菌体的)遗传物质。 • 题外话：
– 与Avery等人研究比较，本试验的精度低得多。但 是由于放射性标记法(也称为示踪原子法)，当时为 人们普遍采用。 – 同时由于核酸研究及其它相关的成果，本试验结果 很快得到人们的广泛认同。
(三)烟草花叶病毒拆合试验
• 烟草花叶病毒(TMV)是由RNA与蛋白 质构成的管状微粒：
– 中心是单链螺旋RNA、外部是蛋白质外 壳
图3-8 烟草花叶病毒
1、拆分感染试验：
1956年A.Gierer和G.Schraman发现烟草 花叶病毒（tobacco mosaic virus,TMV）， 其遗传物质是RNA。 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。
R细菌与S细菌的不同仅仅在于有无荚 膜； 实验结果是由于那些加热杀死的S细菌 的存在导致那些活的R细菌获得了生成荚 膜的能力，称其为转化作用 。
SⅢ 杀死细菌 分离提取
多糖
脂类
RNA
蛋白质
DNA
DNA+DNase
RⅡ
RⅡ
RⅡ
RⅡ
RⅡ 小鼠
不杀死 小鼠
不杀死 小鼠
可杀死 小鼠
1、 “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”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。
不杀死 小鼠
RⅡ
RⅡ 图 9-2 图 3-3
RⅡ
RⅡ
RⅡ+SⅢ
RⅡ
O.Avery 等的体外转化实验
人们仍不相信DNA是遗传物质,这是由于：
（1）因认为蛋白分子量大，结构复杂，二十种氨基 酸的排列组合将是个天文数字，可作为一种遗传 信息。而DNA分子量小，只含4种不同的碱基， 人们一度认为不同种的有机体的核酸只有微小的 差异。 （2）认为转化实验中DNA并未能提得很纯，还附 有其它物质。 （3）即使转化因子确实是DNA，但也可能DNA只 是对荚膜形成起着直接的化学效应，而不是充当 遗传信息的载体。