9 DNA——生命的秘密
9.1 基因是什么
9.2 DNA的半保留复制
9.3 RNA的组成和作用
9.4 转录
9.5 遗传密码的破译
9.6 蛋白质的合成
9.7 人类基因组计划
? 在 20世纪的前 40年, 困扰科学家的两个最基本的问
题依然没有解决:
( 1) 基因是由什么物质组成的?
( 2) 基因是如何工作的?
? 在 Mendel和 Morgan时代, 使用的实验材料主要是豌
豆和果蝇等, 它们都是一些非常复杂的多细胞生物
? 后来, 在对细菌和病毒这些极其简单的生命形式的
研究中, 科学家才发现了遗传物质的蛛丝马迹 。
9.1 基因是什么
? 从简单到复杂是
科学的研究方法 。
9.1 基因是什么
?1928年,英国
Griffith
?S型肺炎球菌:有荚
膜,菌落表面光滑
?R型肺炎球菌:没有
荚膜,菌落表面粗糙
9.1 基因是什么
? 著名的肺炎球菌实验
? 结果说明?
?结果说明:加热杀死的 S型肺炎球菌中一定有某种
特殊的生物分子或遗传物质,可以使无害的 R型肺
炎球菌转化为有害的 S型肺炎球菌
?这种生物分子或遗传物质是什么呢?
? 著名的肺炎球菌实验
?纽约洛克非勒研究所 Avery
?从加热杀死的 S型肺炎球菌将蛋白质, 核酸, 多
糖, 脂类分离出来, 分别加入到无害的 R型肺炎
球菌中,
?结果发现, 惟独只有核酸可以使无害的 R型肺炎
球菌转化为有害的 S型肺炎球菌 。
?1944年 结论,DNA是生命的遗传物质
? 1952 年, Hershey 和
Chase 病毒 ( 噬菌体 )
? 放射性同位素 35S标记病毒
的蛋白质外壳, 32P标记病
毒的 DNA内核, 感染细菌 。
? 新复制的病毒, 检测到了
32P标记的 DNA,没有检测到
35S标记的蛋白质,
? DNA在病毒和生物体复制或
繁殖中的关键作用 。
? 8年的时间
? 更有说服力的噬菌体实验
?1958,Meselson和 Stahl
?大肠杆菌 15NH4CI为唯一氮源的
培养液中生长若干代
?被 15N标记的大肠杆菌转入
14NH4CI为唯一氮源的培养液中
?完成第一代和第二代繁殖时,
分离 DNA,密度梯度超速离心
?被 15N标记的亲代双链 DNA(记作
15N/15N)密度大,在下部;
14N/14N密度小,在上部; 15N/14N
在 15N/15N和 14N/14N之间
9.2 DNA的半保留复制?
DNA合成的同位素示踪实验
? 实验发现:被 15N标记的亲代 DNA离心后只有一条带,
位于离心管下部;
? 繁殖后第一代大肠杆菌的 DNA离心后也只有一条带,
分布于离心管中部;
? 繁殖后的第二代大肠杆菌 DNA离心后出现两条带,一
条分布于离心管中部,另一条分布于离心管上部,
证明新合成的 DNA分子的两条多核苷酸链中有一条来
自亲代 DNA,一条则是新合成的。
?DNA的复制是以亲代的一条 DNA为模板,按照碱基互
补的原则,合成另一条具有互补碱基的新链,因此,
细胞中 DNA 的复制被称为半保留复制
? DNA合成的同位素示踪实验
?DNA的复制发生在细胞周期的 S期,在解旋酶的作用
下,首先双螺旋的 DNA可以同时在许多 DNA复制的起
始位点局部解螺旋并拆开为两条单链,如此在一条
双链上可形成许多, 复制泡,,解链的叉口处称为
复制叉。
? DNA的半保留复制
?DNA的复制 总是由
5‘ 向 3’ 方向进

?DNA的半保留复制
保证了所有的体细
胞都携带相同的遗
传信息,并可以将
遗传信息稳定地传
递给下一代。
? DNA的半保留复制
9.3 RNA的组成和作用?
RNA与 DNA的主要差别:
( 1) RNA大多是单链分子;
( 2) 含核糖而不是脱氧核糖;
( 3) 4种核苷酸中, 不含胸腺嘧啶 ( T), 而是由尿
嘧啶 ( U) 代替了胸腺嘧啶 ( T) 。
? 细胞中主要有 3种 RNA,即信使 RNA( messager RNA,
mRNA),核糖体 RNA( ribosome RNA,rRNA)和转
运 RNA( tranfer RNA,tRNA)。
? mRNA是遗传信息的携带者。在细胞核中转录 DNA上
的遗传信息,再进入细胞质,蛋白质合成的模板。
? tRNA局部为双链, 在 3′, 5′ 端相反一端的环上具
有由 3个核苷酸组成的反密码子 。 tRNA的反密码子
在蛋白质合成时与 mRNA上互补的密码子相结合 。
tRNA起识别密码子和携带相应氨基酸的作用
? rRNA和蛋白质共同组成的复
合体就是核糖体, 核糖体是
蛋白质合成的场所 。
? 核糖体的大小亚基在行使翻
译功能即肽链合成时聚合成
整体, 为蛋白质的合成提供
场所 。
? 核糖体上具有附着 mRNA模板
链的位置, 还有两个 tRNA附
着的位置, 分别称为 A位和 P
位 。
? 由 DNA控制的蛋白质合成涉及两个基本过程:
? 第一步, DNA的遗传信息转录到 mRNA中, 发生在细
胞核中;
? 第二步, 将 mRNA的信息翻译成蛋白质的氨基酸序
列, 在细胞质中进行 。
? 原核生物中遗传信息的转录和翻译则简单一些
? 发生在细胞核中,以 DNA分
子为模板,按照碱基互补
的原则,合成一条单链的
RNA即 mRNA,DNA分子携带
的遗传信息被转移到 RNA分
子中。其过程与 DNA的复制
基本相同。
9.4 转录
? 转录过程
?内含子:不能编码蛋白
质的核苷酸片段
?外显子:编码蛋白质的
核苷酸片段
?转录后新合成的 mRNA是
未成熟的 mRNA,需要在
特定部位剪接,最后形
成较短的有功能的 RNA。
?原核生物中,DNA链上
不存在内含子
? 真核生物细胞成熟 mRNA的形成过程
? 遗传信息是如何储藏在 4种核苷酸中的?
? 如何破译遗传密码?
9.5 遗传密码的破译
?数学家, 物理学家 —
— 逻辑运算或推导
?分子生物学家 ——?
? 1955年 纽约大学 Grunberg-Manago 将核苷酸
连接起来的酶 形成 RNA聚合体 A连接成多聚 A
( polyA,A-A-A-A-A-A-A) polyC polyG polyU polyAU
9.5 遗传密码的破译
问题:什么样的核苷酸组合可以被翻译成多肽片段?
? 1960年 Matthei 31岁 德国人
美国国家健康研究所 老板 33岁的 Nirenberg
试管中合成多肽 将 ATP和游离的氨基酸加入到从细胞中
提取的核糖体、核酸和酶的混合物中
问题:哪一种 RNA可促进多肽的合成?
? 对 RNA高度敏感及时检测多肽合成的试管实验系统
在试管中加入了 ATP、游离的氨基酸、酶和核糖体及核糖体
RNA—— 没有蛋白质的合成
9.5 遗传密码的破译
问题:需要其他带有遗传信息的 RNA?
? 列出 200多种 RNA,烟草花叶病毒 RNA 神秘的蛋白质
? Marianne Grunberg-Manago方法人工合成 RNA
加入不同的酶、核糖体,ATP、氨基酸
加入 poly U,poly A,poly AU
poly U产生了许多蛋白质
问题,poly U主要利用了哪些氨基酸呢?
? 不同的氨基酸分别加入
到 poly U试管系统中
5天通宵达旦 星期
六早晨,熬红了眼的
Matthei得到了答案:
poly U合成的肽链全部
是苯丙氨酸( Phe)
? 世界上破译第一个遗传
密码的人
9.5 遗传密码的破译
问题:几个 U决定一个
苯丙氨酸的合成?
? Nirenberg 莫斯科 第五届国际生物化学大会
不善于推销自己 小组会上 Meselson认为非同小可
Francis Crick 全体大会上重新做学术报告
9.5 遗传密码的破译
问题:几个 U决定一个苯丙氨酸的合成?
? Nirenberg全力组织其他遗传密码的破译 Matthei回德国
Nirenberg发现并定义了 3个核苷酸为一个密码子 决定一
个氨基酸的翻译
? Khorana 按需要连接任意核苷酸 ACACACACACACAC
thr-his-thr-his链
ACA—— 苏氨酸的密码子
CAC—— 组氨酸的密码子
? 1966年,Nirenberg和 Khorana
全部遗传密码字典
64个密码子
61个负责 20种氨基酸翻译,
3个无义密码子
? Nirenberg 和 Khorana
1968年 诺贝尔奖
9.5 遗传密码的破译
? 细胞中蛋白质的合成是一个严格按照 mRNA上密码子
的信息指导氨基酸单体合成为多肽链的过程,这一
过程称为 mRNA的翻译。
?mRNA的翻译需要有 mRNA,tRNA、核糖体、多种氨基
酸和多种酶等的共同参与。
? 翻译过程 (即多肽链的合成 )包括 起始, 多肽链延长
和 翻译终止 3个基本阶段。
9.6 蛋白质的合成
? 蛋白质的合成过程
? 翻译过程中,由于每一个氨基酸是严格按照 mRNA模
板的密码序列被逐个合成到肽链上,因此,mRNA上
的遗传信息被准确地翻译成特定的氨基酸序列。
? 细胞质中,翻译是一个快
速过程,一段 mRNA可以相
继与多个核糖体相结合,
同时连续进行多条同一种
新肽链的合成。
? 遗传信息流由 DNA?RNA?
蛋白质流动。
?RNA的自我复制,反转录
?1988年,美国国家卫生院和能源部 迄今为
止在生命科学领域最宏大的研究计划 — 人类基因组
计划
? 主要内容是完成人体 23对染色体的全部基因的遗传
作图和物理作图,完成 23对染色体上 30亿个碱基的
序列测定
? 以美国为主、包括英国、法国、日本和中国多国科
学家参加的国际合作计划
9.7 人类基因组计划
? 人类基因组计划主要应用了 4方面相互配合与补充
的研究方法和技术:
1,用 RFLP等标记出包含大约
1 Mb的超大片段进行定位作

2,用 RFLP把超大片段分割成
10多个包含 100 kb的大片段,
做出它们的物理图
3,用酵母人工染色体 (YACs)
或其他载体构建包含其中小
片段的一系列重叠的克隆,
约 0.5~ 1.0 Mb
4,对小片段逐个进行测序,
进而实现对整个染色体的测
序和作图
? 1992年,酵母 3号染色体 DNA的全部 315 357个碱基序列的测
定,这是人类完成的第一条真核生物染色体 DNA的全序列。
? 1995年,科学家们获得了人类第 3、第 16和第 22号染色体的
高密度物理图。
? 1996年,科学家们完成酵母其他 15条染色体的碱基序列测定。
? 1997年,大肠杆菌基因组序列测定宣告完成。
? 1999年 12月 1日,科学家们宣布,人类第 22号染色体,含
3.34× 107个碱基序列的测定已经全部完成,这是人类完成
的第一条人类自身染色体的全序列测定。
? 2000年 6月 26日,人类基因组工作框架图完成,标志着功能
基因组时代的到来。
? 科学家们对人类基因组的性质和作用的认识在不断地深化。
? 未来:健康领域、基础科学研究领域 ……
Griffith和 Avery通过著名的肺炎球菌实验提出了 DNA是遗传物质,
Hershey和 Chase通过噬菌体实验证实了这一结论。
DNA的复制以亲代的一条 DNA为模板,在 DNA聚合酶的作用下,按
照碱基互补的原则,由 5‘ 向 3’ 方向合成另一条具有互补碱基的新链,
复制的 DNA子链与亲代双链完全相同(半保留复制)。
细胞中主要有 3种 RNA。 mRNA是遗传信息的携带者,在细胞质作为
蛋白质合成的模板。 tRNA起着识别密码子和携带相应氨基酸的作用。
rRNA与蛋白质共同组成的复合体就是核糖体(是蛋白质合成的场所)。
转录发生在细胞核中,以 DNA为模板,按照碱基互补的原则,合
成一条单链的 RNA即 mRNA,DNA携带的遗传信息被转移到 RNA中。
mRNA中的遗传信息以 3个碱基形成的遗传密码的形式决定肽链上
一个特定的氨基酸。按照 mRNA上密码子的信息指导氨基酸单体合成为
多肽链的过程称为 mRNA的翻译。
人类基因组计划的实施和完成对人类未来将产生难以预料的影响。
本章摘要