第九章 遗传的分子基础 教学目的和要求

1. 了解 DNA 作为遗传物质的 3 个证据

2. 掌握核酸的化学结构（ DNA 、 RNA ）

3. 掌握原核生物和真核生物染色体的分子结构

4. 掌握 DNA 的半保留复制特点

5. 掌握三种 RNA 分子的合成特点、转录及加工

导入：基因是由什么物质组成的？它又是如何控制性状的发育呢？

染色体由蛋白质和核酸等构成，二者都是长链状分子的多聚体，由相似而非等同的亚单位通过化学链结合在一起。

蛋白质最基本的单位是氨基酸，最常见的有 20种不同的氨基酸，一个蛋白质分子可由几百——几千个氨基酸构成，它们的排列组合是一个天文数字。

核酸的最基本单位是核苷酸，只有四种，排列组合数要小得多。

那么，遗传物质究竟是蛋白质还是核苷酸呢？

实验一：肺炎球菌的转化实验 1928 年， Fred Griffith 肺炎球菌（ Pneumococcus）（ a ） S strain kills mouse+ Live mouse →Dead mouse

（ b ） R strain does not kill mouse

+ live mouse→ live mouse

（ c ） Head—killed S strain does not kill mouse

+ live mouse→Live mouse

（ d ） R strain plus heat—killed S strain ， both of whic

h are separately nonlethal ， kill mouse

+ live mouse→Dead mouse

Griffith 的实验证明：细胞液中含有一种性质不明的转化因子？ Lysis ， precipitation cell-free extract

S Strain Transforming

principle from S strain

+ 粗糙型 Grouth both S and R cells

1944 年， Avery 、 Maclead and McCarty 从细胞抽提液中部分纯化了转化因子，证明是 DNA 。

实验二、噬菌体的侵染和繁殖（捣碎器实验） 由 Alfred Hershey and Martha Chase 完成

DNA （ can be labeled with 32P ）

protein （ can belabeled with 35S ）   

injection After

blending

 

lncubation 

实验三、病毒的拆开和重建实验 1956 年， Fraenkei-Courat 用烟草花叶病毒（ TMV ）

RNAⅠ Ⅰ 型 TMV

Ⅱ 型 TMV RNAⅡ

感染烟叶

结论： RNA 有时也是遗传物质

DNA和RNA的分子结构和复制 一、 DNA的分子结构 DNA 分子是去氧核糖核苷酸的聚合物，每个核苷酸均由

一个五碳糖分子、一个磷酸分子和一个含 N 的有机碱基组成。

腺嘌呤 A 胸腺嘧啶 T 胞嘧啶 C 鸟嘌呤 G 稀有碱基： 5- 甲基胞嘧啶； 6- 甲基氨基嘌呤碱基结构见刘祖洞 P87DNA 的一级结构见 P88 （骨架由相间的磷酸和脱氧核糖基

团通过 3ˊ 、 5ˊ 磷酸二酯键连接起来，四种核苷酸碱基之一搭到每个脱氧核糖的 1ˊ 碳原子上）。

Watson—Crick 模型（ P90 ） 1 、早期的 DNA 物理学研究表明， DNA 分子是具有

高度有序结构的一条伸展的链，同时也获得了关于分子部分的排列和大小方面的信息，很重要的是， DNA分子是双螺旋结构。

2 、从许多生物中分离出 DNA 分子，对其 A 、 T 、G 、 C 的摩尔含量进行了化学分析（也称碱基组成）

[A]=[T] ； [G]=[C] ； [] 为摩尔浓度 [A+G]=[T+C]

3 、 Watson 和 Crick 将 X 射线衍射图与 DNA 的化学与物理数据结合起来，得出常见的 B 型 DNA 双螺旋结构模型。

双螺旋模型要点 ( 二级结构 )

 1 、两条主链彼此盘绕形成双股螺旋，糖 - 磷酸作为骨架位于外侧。

2 、两条链反向平行，一条为 3ˊ→5ˊ ；另一条为 5ˊ→3ˊ 。  3 、碱基在中央成螺旋排列， A=T ； C=G 。  4 、每一碱基对的两个碱基位于同一平面，垂直于螺

旋轴。  5 、每个相邻的碱基对旋转 36° ，故每匝螺旋有 10 对

碱基，每个碱基对之间的距离为 0.34nm  6 、双螺旋直径为 20Å  7 、单位长度的螺旋分子量约 2×106/µm 。 8 、大沟与小沟是蛋白质分子与碱基相接触的地方。

表 不同空间结构类型的 DNA DNA

类型

碱基对/ 圈

旋转度/ 碱基

对

螺距nm

螺旋直径

（ nm）

产生条件纤维状态 在溶液中

A 11 +32.7 2.8 2.3 75% K+ 、 Na+ 或 Cs+

B 10 +36.0 3.4 2.0 92% 低盐

C 9.33 +38.6 3.1 1.9 66% -

Z 12 -30.0 4.45 1.8 - 高盐

DNA 分子的结构特性 1.  碱基配对的偶联性 2.  碱基序列的重复性 1)  单拷贝 DNA 碱基序列 2)  中度重复的 DNA 碱基序列 短分散片段：长 300-500bp ，被平均长 1000 bp 的单拷贝

序列隔开。如人 ------ ------ ------

300bp 1000bp

长分散片段：长 >1000 bp ，平均长度 3500-5000 bp ，常被 13000 bp （有的更长）的单拷贝序列隔开。如果蝇

------ ----------

5600bp 13000bp

3 ）高度重复序列        反向重复序列： CBA ABC 回文结构：无间隔 发夹结构：有间隔 卫星 DNA 一般只有几个碱基如果蝇： ⅰ、 ACAACT

ⅱ、 ATAAACT

ⅲ、 ACAAATT

更复杂的 DNA 序列：具个体特异性，可能有以下功能

a ）与复制、转录调控有关b ）与转位、转座有关c ） 可能与进化有关d ） 存在个体差异，可用于指纹分析。

正常 DNA △变性 逐渐冷却 复性

3 、碱基上基团的可变性 普通型 稀有型 T 酮式 醇式 C 氨基式 亚氨基式 A 氨基式 亚氨基式 G 酮式 醇式4 、双链 DNA 的变性和复性

5 、双链 DNA 的变构性6 、双链 DNA 分子中极性 整体无极性，但每一条单链及核苷酸有极性， 5ˊ为 P ， 3ˊ 为 -OH 。这种极性与复制、转录、重组、

特异 酶的识别等有关。

DNA分子的复制   1 、 DNA 复制的基本特点 1 ）复制需要模板      2 ）半保留复制（见 P98 ）     3 ）半不连续性复制：在双链 DNA 分子的复制中，一般认为以 3ˊ→5ˊ 模板链所复制的先导链是连续合成的，以 5ˊ→3ˊ 模板链所合成的后随链是不连续合成的，所以称整个双链 DNA 分子是半不连续性复制。

岗崎片段（ Okazaki fragment ）：在 DNA 复制中，以 5

ˊ→3ˊ 模板不连续合成的 DNA片段。在原核生物每个冈崎片段一般含 1000-2000 个核苷酸，真核生物的冈崎片段长约 100-200 个核苷酸

复制叉的延伸 复制叉的单向延伸

复制叉

•复制叉双向延伸

起点

4 ） DNA 合成方向为 5ˊ→3ˊ5 ）需要引物（大多数情况下是 RNA ）。为什么？6 ）有特殊的起点7 ）复制过程中可进行校正，保证其真实性。8 ）复制过程同样受到调控

2 、参与 DNA 复制过程的酶和蛋白 质①螺旋酶（ Helicase ）促使 DNA 在复制叉处打开双链，需要 AT

P

Rep 蛋白 与前导链结合

Ⅱ 或Ⅲ 与滞后链结合

5ˊ 3ˊ

②单链结合蛋白（ SSBP ）：又称双螺旋反稳定蛋白，

其作用是与解链后的 DNA 单链结合，使其掩蔽的序列免

遭 Dnase降解，以保持复制模板的稳定。

③拓扑异构酶（ DNA topoisomerase ， Topo ）能将单、

双链的 DNA 分子进行拓扑变化的一种酶 TopoⅠ 不需

ATP ，使超螺旋的环状 DNA 解旋成为不具有超螺旋的、

松弛状态的环状 DNA 的酶。 TopoⅡ 需 ATP ，能促使

产生负超螺旋并消除复制叉移动所产生的正超螺旋，以

利解链。

④ 引物酶与 RNA 聚合酶   引物酶 RNA 聚合酶

雷米封 不敏感  

底物 既能利用 RNA ，也可利用DNA

只利用 RNA（专一）

 时间

 作用

 只是在 DNA 复制时合成

RNA 引物“引发”

 启动 DNA→RNA

 起始、延伸

⑤DNA 聚合酶（ DNA polymerase ）也称 DNA 复制酶、依赖于 DNA 的 DNA 聚合酶。催化以 DNA 为模板，以 dATP 、 dGTP 、 dCTP 和 dTTP 四种 dNTP 为底物，按碱基配对原则，沿 5′→3′ 方向合成DNA 的酶，有的还参与复制错误校正和 DNA损伤修复。催化反应需要某些蛋白因子、引物和 Mg2+ 。

酶Ⅰ（ DNA polⅠ）： 1956 年， Arthur Kornberg 发现，又称 Kor-nberg酶。由一条 1000aa残基组成， MW 约 109KD 。

76KD 大片段 又称 Klenow 片段，是在基因工程中常用的酶

34KD 小片段

DNA polⅠ 枯草杆菌蛋白酶

DNA 聚合酶主要功能：

聚合作用（ 5ˊ→3ˊ ）； 3ˊ→5ˊ 外切酶活性——校对作用 ；5ˊ→3ˊ 外切酶活性——切除修复作用

酶Ⅱ（ DNA polⅡ） 1970 年发现， MW 为 120KD ，活性只有酶Ⅰ的 5%

主要活性： a 、聚合作用 b 、 3ˊ→5ˊ 外切酶活性，无 5ˊ→3ˊ 外切酶活性 c 、对底物选择性很强 d 、可能在损伤修复中起一定作用。

酶Ⅲ（ DNA polⅢ） MW420KD全酶至少含有 10 个亚基，其中 α 、 ε 和 θ 构成核心酶，而 β 、 τ 、 δγ 、 χ 、ψ 为辅助亚基。该酶具有 5ˊ→3ˊ 聚合酶活性和 5ˊ→3′ 、3′→5′ 外切校正活性，在复制叉上对前导链、滞后链均起合成延伸作用。

表 大肠杆菌 DNA 聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的性质比较

 

polⅠ polⅡ polⅢ

5′→3′ 聚合酶活性3′→5′ 外切酶活性5′→3′ 外切酶活性新生链合成

分子量（ KD ）分子数 / 细胞

转化率生物学活性编码的结构基因

＋＋＋－

109400～ 600

1polyA

＋＋－－

120100～ 30O.O5

polyB

＋＋－＋

42010-20～ 9000

15polyC （ dnaE ， N ， Z， X ， Q ）

⑥DNA 连接酶（ DNA ligase ）

1967 年发现，用于封闭 DNA 链上的缺口，将单链 DNA 分子中相邻核苷酸的 3′—OH 与 5′

—P 之间形成 3′ 、 5′— 磷酸二酯键。

条件：①两条链必须是同一条互补链配对结合的 ②必须是两条紧邻的 DNA 链（缺口不能太大）

3 、 DNA 的复制过程 引发 延伸

终止

①复制起点（ oric ）

原核生物的复制起点由 422bp 组成，其中 245bp 由重复序列组成，包括三个 13bp 的重复和四个 9bp 的重复

GATCTNTTNTTTT TTATNCANA

（ N 为任何一个 bp ）

②复制起始 例 E.Coli

DanA

DanB

DanC

DnaA 蛋白单体开始结合到 9bp 重复序列… 2

0 ～ 40 个 DnaA 形成聚合物， DNA 开始在 13bp

处解链… DnaB/DnaC 蛋白参与复合物，双向复制叉形成。

DNA

引发前体

引发体（火车头）

DnaB 、 DnaC 、 x 、 y 、n等 6 种蛋白

螺旋酶单链 DNA 单链结合蛋白（ SSBP ）

引物酶

DNA 复制过程：

概念：

•预引发 是 DNA 复制中形成 RNA引物的准备阶段 •预引发体 DNA 复制起始时在模板链的复制起点处，由复制蛋白因子所构成的复合体

•引发 为 DNA 复制起始时合成 RNA引物的过程 •引发体 由预引发体与引发酶结合所形成的一种复制起始复合物，以引发 RNA引物的合成。

•转录激活 在 DNA 复制起始时，由 RNA 聚合酶通过转录过程在复制起点局部解开双链，并由引发酶和有关蛋白因子结合于解链后的单链上形成引发体，由引发酶催化产生的短链可作为合成先导链和后随链的引物，这个过程叫转录激活。见大肠杆菌 ColEⅠ质粒 DNA 的复制。 问题： DNA 复制为什么需要有 RNA 引物来引发？

③延伸 SSBP Rep

螺旋酶

DNA pol Ⅲ

引发体

TopoⅡ

Ⅱ 或Ⅲ

④DNA 复制的终止

前导链或冈崎片段合成完成后，由 Rnase

H或 DNApolⅠ的 5′→3′ 外切酶除去 RNA引物，留下的空隙由 DNApolⅠ负责填补，最后由 DNA 连接酶封闭缺口，生成完整的 DN

A 分子。

关于 DNA末端复制 线性 DNA 末端的复制以 T7DNA 为例

3′ 5′

3′

5′

3′ 末端互补

DNApolⅠ、连接酶

核酸酶切割

末端冗余（ terminai redundancy ）

“ 多连体”

两端形成发夹环状结构例痘病毒

Nick a b c d e f C B A

A B C D E F c b a

a b

A B C D E F c

a b

A B C f e d c

环状 DNA 的复制形式 （一）、 θ 型复制 P101～ 102

（二）、滚环复制 ΦΧ174 单向复制

（三）、 D—环复制（ D—loop ）

存在于线粒体和叶绿体，其特点是两条链复制不同步

另外，还有不需要 RNA引物的 DNA 复制；单链 DNA 的复制等，在此不再详述。

真核细胞 DNA 的复制

1 、复制起点 有多个

如酵母的复制起点，称自主复制序列（ autonomo

sly replication sequence ， ARS ），其序列是 A/TTTT

ATRTTTA/T 。每个基因组中总数约 400 个，使用频率在 10%～ 100% 之间。在使用时序上，一类是在 S

期的前期启动邻近序列的复制，另一类于 S 期的后期使用。将 ARS 与载体结合后插入适宜的寄主 DNA ，可诱导复制。

2 、复制叉 例 SV40

参与复制的酶和蛋白质

A 、 DNA 聚合酶   DNA 聚合酶 α DNA 聚合酶 β DNA 聚合酶 γ

相对分子量在细胞内分布

功能相对活性

亚基数

110 ～ 220核内

DNA 复制约 80%

多个

45核内

DNA 损伤修复10% ～ 15%

1 个

60核和线粒体

？2% ～ 15%

1 个

B 、解旋酶 打开 DNA 双螺旋

C 、蛋白因子：RF-A或 RP-A可与单链 DNA或双链 DNA 结合，相当于原核生物 DNA 复制时的 SSBP ，起稳定单链区的作用； RF-C ，像一夹子（ clamp ），将 DNApolα 和 δ 结合在一起 增殖细胞核抗原（ PCNA ） ：是 DNApolδ 的辅助因子。

有它存在，前导链和滞后链同时合成，没有则只合成冈崎片段。

3 、终止

端粒酶（ telomerase ）：一种依赖于 RNA 的 DNA 聚

合酶（逆转录酶），是一种核酸蛋白复合体结构，能以酶本身的 RNA 成分上的一个片段（ RNA 核心）为模板合成端粒重复序列，为染色体的 DNA末端加尾，或修补已断裂的染色体末端，维护基因组的遗传稳定性。它由 RNA 和蛋白质两种成分组成，最早于 1985 年在四膜虫中发现，最近研究表明，他可能在所有的真核生物细胞中都存在，而且具有相似的结构组成和功能。

以上过程重复多次可将多个 5′TTGGGG 3′ 重复序列加在3′末端。端粒酶和一般 DNA 聚合酶的区别在于其是利用自己的 RNA 组分作为聚合 DNA 的模板，而 DNA 聚合酶则利用外源 DNA 。

本章小结1.DNA 是主要的遗传物质：间接证据 4 个，直接证据 3 个。

2. 核酸的化学结构： DNA 的分子结构、双螺旋结构、自我复制。

3. 染色体的分子结构：原核生物“染色体”结构模型；真核生物染色体的折叠模型。

4.DNA 的复制： DNA 的半保留复制；真核和原核的复制特点。

5.RNA 的转录和加工：三种 RNA 分子；原核生物 RNA 的转录和加工。