《现代生物学》课件

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第3讲、现代生物学课件制作:白思胜授课人：白思胜\n第3讲、现代生物学1、孟德尔定律2、摩尔根定律3、遗传密码4、中心法则\n在现代科学发展过程中，生物学取得了引人瞩目的成就。化学、物理学、数学向生物学领域的广泛渗透为分子生物学的产生和发展奠定了基础。现代遗传学的发展，分子生物学的兴起，DNA双螺旋结构的建立，被视为20世纪自然科学的重大突破，也被看作是生物学发展的一个新的里程碑。分子生物学的建立使生物学的面貌发生了革命性的变化，不仅使人们对生命本质的认识飞跃到一个崭新的阶段，而且带动了整个生物学向分子水平的发展。\n1、孟德尔定律孟德尔（1822年一1884年）是现代遗传学的奠基人。年轻时，在奥地利布隆（现在是捷克的布尔诺）的修道院当神甫。1857年开始在修道院的花园里做豌豆遗传试验。工作8年后他在布隆一次学术会议上公布了他的试验结果和他的理论解释，并于1866年在布隆博物学会的会刊上发了题为“植物杂交实验”的划时代论文。他发现了遗传学的两个基本规律，即分离律和自由组合。但是很遗憾，他的论文虽然十分重要，却没有引起人们注意。1900年，在孟德尔故去16年之后，荷兰的德弗里斯、德国的柯林斯和奥地利的丘歇马克分别在各自的工作中发现了和孟德尔所见相同的现象。从此，孟德尔的研究才引起遗传学家、育种家的高度重视，成为现代遗传学发展的基础。\n1.1分离定律孟德尔定律是通过豌豆的杂交实验发现的。豌豆是严格的自花受粉物，其雌雄蕊被花瓣所包围，外来花粉不容易混杂进来，这样就使杂交实验的结果不致因有其他花粉进入而受到干扰。由于豌豆是严格的自花授粉植物，所以都是纯系，是一种很理想的实验材料。孟德尔从纯系豌豆中挑选出在植株高矮，花的颜色等7对相对性状上呈鲜明对比的植株。进行杂交（通过人工授粉）。他追踪观察这些性状在杂种后代的分离情况，并对观察结果进行仔细的统计分析。由于他是在考察单个性状的遗传，不是像他的前辈们那样笼统地观察植株全部性状的遗传，这就使他有可能从中得出某些带规律的结论。\n⑴一对相对性状的豌豆遗传实验孟德尔选择了纯种圆粒豌豆和皱皮豌豆作为亲本，进行一对相对性状的杂交试验，子一代（用F1表示）全部是圆粒的。然后将子一代种下，让它自交（自花传粉），得到的子二代（用F2表示）中，性状出现了分离，种子有圆粒、有皱皮，它们的比例是3：1。以后他对其他6种相对性状的豌豆一一作了杂交试验，都得到相同的结果：第一，所有F1植株的性状表现一致，都只表现一个亲本的性状，而另一个亲本性状没有表现，他把一对性状中表现出来的称为显性性状，没表现出来的称为隐性性状。第二，在F2的群体中，既出现显性性状的个体，又出现了隐性性状的个体，孟德尔把这现象称为性状分离，显性和隐性性状比为3：1（表12-1）。\n12-1孟德尔豌豆实验结果\n⑵假设他认为性状是由遗传因子（现在叫“基因”）决定的，一种特定的性状出现，受一对基因控制。每个生物体体细胞中的基因都是成对存在的，其中一个来自母本的雌配子，一个来自父本的雄配子。当形成配子时，成对的基因彼此分离，分别进入配子中，这样每个配子只含一个基因，或来自母本，或来自父本。因此纯种只能产生一种配子，杂种就可产生两种配子，但两种配子的数目相等，雌雄配子结合是随机的。\n杂种体细胞中成对的基因成员虽然不相同,但并不融合(图12-1）。按照孟德尔的假说，合子和合子发育而成的个体，含有成对的基因，每一对基因可以是相同的，也可以是不同的。如果是相同的，如RR，这一对因子就是纯合子；如果不相同，如Rr，就是杂合子。在形成配子时，一对基因相互分离，各到不同配子中去，每个配子只有该等位基因中的一个基因。在受精时，不同配子间的两个等位基因又以同等的机会互相结合。正是这样一个简单的机制，给3：1这一实验结果做出了合理的解释。\n⑶验证为了证实这一假说，孟德尔设计了一种称为回交的实验来进行检验：如果将F1的杂种Rr反过来和隐性亲本rr杂交（测交），按上述理论，Rr可产生两种配子，即R和r；而隐性亲本，只产生一种配子r，两者交配应产生两种后代，即Rr和rr，而且这两种后代的株数之比应为1：1。实验结果完全证实了这样的预测（图12-2）。\n⑷分离定律在杂合体的状态下,位于一对同源染色体上的等位基因,彼此互不影响,保持相对的独立性。在形成配子时，等位基因随同源染色体的分离而分开，分别进入到不同的配子中去，独立的随配子遗传给后代。1.2自由组合定律⑴两对相对性状豌豆的遗传实验孟德尔用豌豆进一步进行了两对相对性状杂交的遗传分析工作。\n孟德尔把具有两对性状的豌豆，如种子颜色是黄色而形状是圆滑的植株和种子颜色是绿色而形状皱缩的植株杂交。植株所结的种子F1都是黄色和圆滑的，这是因为黄、圆两种性状是显性，在杂合子中都能表现出来，而绿皱两种性状是隐性。在杂合子中不能表现出来之故。但在F2中，隐性性状表现出来了：F2共有4种类型，即黄圆、黄皱、绿圆、绿皱。他得到的各类型植株的数目为：黄圆，315；黄皱，101；绿圆，108；绿皱，32。其比例趋近于一个简单整数比。9：3：3：1。\n⑵假设用Y代表黄色基因，y代表绿色基因；R代表圆基因，r代表皱基因。纯种黄圆的亲代基因型为YYRR，绿皱的基因型为yyrr，它们分别只能产生一种配子，即YR和yr。F1杂种基因型为YyRr，表现型为黄色圆形的豌豆。F1形成配子时，Y与y要彼此分离，R与r也要彼此分离。如果这两对等位基因的分离是独立进行的，就会与其他非等位基因的配子进行组合，那么，Y和R配合到同一配子中去的机会同Y和r配合的机会是相同的。同样，y和R配合的机会同y与r配合的机会也是相同的。因而配子应有4种，即YR、Yr、yR、yr，它们的比例应为1：1：1：1。雌、雄配子都是如此。F1自交，4种雌配子与4种雄配子随机结合，可能形成16种组合，4种表型，即黄圆、黄皱、绿圆和绿皱，其比例恰为9：3：3：1。\n\n\n⑶验证将F1植株和隐性个体（它只能产生一种配子yr）测交，所生后代应有4种表型，即黄圆（YyRr）、黄皱（Yyrr）、绿圆（yyRr）、绿皱（yyrr），比例应为1：1：1：1。试验结果和预测相符。这证明，非等位基因在配子形成时可以自由组合到不同生殖的细胞中。\n⑷自由组合定律：具有两对（或更多对）相对性状的亲本进行杂交，在F1产生配子、等位基因分离的同时，非同源染色体上的非等位基因表现为自由组合。⑸意义在孟德尔以前，长期流传着一种“混合”的遗传概念。按照这种概念，不同的亲本性状在杂种后代中彼此“融合”或者“稀释”。孟德尔证明了来自不同亲本的等位基因在合子中和在合子发育而成的个体中并不融合，在个体产生配子时，它们彼此分离而分别进入配子中去。来自不同亲本的非等位基因也没有融合，而是可以独立地自由组合。这就是说，孟德尔证明了遗传性状是由一种独立存在的遗传因子（颗粒）决定的，从而推翻了旧的“融合”概念。\n2、摩尔根定律对基因理论发展作出重大贡献的是美国科学家摩尔根（1866--1945）及其学派。摩尔根取得了性别决定和伴性遗传的大量的论据，证实了基因位于染色体上，每条染色体上载有许多基因，这些基因是怎样遗传的呢？孟德尔只解释了不同对的等位基因在不同对同源染色体上的遗传规律。摩尔根和他的学生发现了不同对的等位基因，在同一对同源染色体上的遗传规律，并提出了基因的连锁和交换规律。\n2.1两对相对性状果蝇的杂交实验⑴雄果蝇的完全连锁实验摩尔根选用了灰身残翅的雄果蝇与黑身长翅的雌果蝇杂交，F1不论雌雄果蝇，都是灰身长翅。说明灰身（B）对黑身（b）是显性，长翅（V）对残翅（v）是显性，这样亲本的纯种灰身残翅的基因型为BBvv；纯种黑身长翅的基因型为bbVV。F1灰身长翅的基因型为BbVv。雄果蝇BbVv与双隐性黑身残翅基因型为bbvv的雌果蝇测交如按自由组合规律，F1应产生4种配子，F2应有4种后代。但实验结果不是这样，F2中只出现两种亲本的类型，即灰身残翅（Bbvv）和黑身长翅（bbVv），它们的比例为1：1，没有出现重组类型（图12-3）。\n\n摩尔根及其合作者又做了另一组实验：让灰身长翅（BBVV）跟黑身残翅（bbvv）杂交，同样F1全部为灰身长翅（BbVv）。让F1雄果蝇与双隐性黑身残翅测交时，F2也只出现两种亲本的性状，而没有新的重组类型。经多次实验后，摩尔根认为B和v、b和V；B和V、b和v总是联系在一起的。而且B和V这两对非等位基因是位于同一对同源染色体上，这种现象称为完全连锁。\n⑵雌果蝇的不完全连锁实验如果用子一代的雌果蝇代替雄果蝇与双隐性（bbvv）的雄果蝇进行测交，情况就不同了，后代出现了4种类型，但其比例不是1：1：1：1；而是和亲本相同的2种类型多，新生的2种类型少，即灰身残翅和黑身长翅各占41．5％，灰身长翅和黑身残翅只各占5％（图12-4）。这是因为，灰身（B）与残翅（v）之间虽然是连在一起的，但是在减数分裂的联会时，四分体之间发生了染色体片段的交换。染色体越长，发生基因交换的概率越大。因而雌果蝇X染色体上的基因发生了重组，出现了少数灰身长翅与黑身残翅的配子，受精后产生了灰身长翅及黑身残翅的新类型后代。\n\n2.2连锁和交换定律位于同一条染色体上的基因一般将一起遗传而不彼此分开，每条染色体都有一个基因连锁群；不同染色体之间可以发生片段交换，从而破坏连锁。\n3.遗传密码蛋白质虽然有成千上万种，但组成它们的基本单位都是20种氨基酸，每种蛋白质都是由20种氨基酸按一定的顺序连接起来的多肽。不同的蛋白质是由氨基酸的种类和顺序不同来决定的。可是，RNA只有4种核苷酸或4种碱基，这样就发生了一个问题：4种核苷酸是如何来决定20种氨基酸。也就是说，RNA分子中4种核苷酸所携带的遗传信息，是怎样翻译成蛋白质分子中20种氨基酸的排列顺序，从而来决定蛋白质的特异性的。\n如果把复杂的问题简单化，我们不妨这样认识：就是把由4个字母组成的“DNA语”如何翻译成由20个字母组成的“蛋白质语”。可以设想，4个碱基等于4个字母，要由这4个字母拼出20个密码来，再由这20个密码译成不同的字（氨基酸）来组成不同的句子（蛋白质），然后再由这些句子构成一篇生物体的有意义的大文章。mRNA的4种碱基按理应该产生决定蛋白质中20种氨基酸的密码。如果把4种碱基看作是4个字母，4个单一的字母只能表示4种氨基酸，这显然是不够的，因为有20种氨基酸；如果密码是每次取2个字母组成，那密码的数目也仅有42=16个，这还是不够的；要是3个字母一组的话，那密码的数目则为43＝64个。\n这样就可能出现两种情况：一是有些密码不能代表任何一种氨基酸。二是有些氨基酸将有好几个密码来代表。克里克证明，决定一个氨基酸的密码子是由mRNA上3个相邻的碱基组成的，而碱基排列是从某一点开始，以三联体形式一个一个阅读的。布伦纳、雅各布和梅塞尔森又证明，蛋白质是在非专一的核糖体上合成的，它使mRNA的碱基排列翻译成氨基酸的排列顺序。美国的生物化学家尼伦伯格弄清了怎样的三联体决定怎样的氨基酸。通过科学家艰辛的努力，于1967年，终于破译了全部的密码子（表12-2）。\n表12-220种氨基酸的密码子表\n通过密码子表，我们就可以查出是哪三个碱基决定哪种氨基酸。有的氨基酸只有一个密码子；但大多数氨基酸都有两种以上的密码子。这些决定同一氨基酸的不同密码子称为简并密码子。密码表中有UAA、UAG和UGA这样三个无义密码子，它们不代表任何氨基酸，转译多肽链时，遇到无义密码子，转译则停止。AUG不但是甲硫氨酸（蛋氨酸）的密码，也是“起步”信号，转译时从AUG起读。这一遗传密码表是以大肠杆菌为材料获得的，但其后的研究表明，遗传密码在生物界具有统一性。从原核生物到真核生物，从单细胞生物到多细胞生物，从植物到动物，遗传密码都是相同的。\n4、中心法则为证明核酸和蛋白质这两者之间的关系，根据分子遗传学的研究，英国物理学家克里克于1958年提出了著名的“中心法则”。“中心法则”认为，细胞的遗传信息贮存在DNA的核苷酸的顺序中，把这些遗传信息传递给控制性状的蛋白质，需要经过两个步骤。⑴转录转录是指以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则，合成RNA的过程。这一步在细胞核中进行，是把DNA所携带的遗传信息，像录音机的翻录那样，转录到RNA上。\nDNA是怎样将遗传信息转交给信使RNA的呢？——是通过碱基互补配对原则。先是一个RNA聚合酶分子沿DNA分子移动，引起双链的局部解旋。在RNA聚合酶分子范围内，游离的核糖核苷酸以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则，（A和T配对；C和G配对），形成一段与DNA互补的RNA单链。由于RNA没有碱基T而有碱基U，因此在合成RNA时，就以U代替T配对。即：DNA…－A－T－G－C——…RNA…－U－A－C－G…\n当RNA聚合酶移至适当的一个地点时，新生的RNA分子便从DNA分子上解旋脱离，形成信使RNA，此时DNA的两条单链又重新恢复至双链（图12-5）。这样，DNA模板上的遗传信息便准确无误地传递到了mRNA上。\n⑵翻译是指以信使RNA为模板，合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。这一步在细胞质中进行。mRNA在DNA模板上合成后，便从核孔中出来到了细胞质里，与核糖体结合起来，并作为蛋白质合成的模板展开在核糖体上。核糖体是将氨基酸合成为蛋白质的“装配车间”，作为原材料的氨基酸“存放”在细胞质的基质中，要把它送到核糖体的mRNA模板上，才能将其组装成蛋白质。克里克于1956年提出假说，认为在细胞中还存在着一种能转运氨基酸的转接分子。这种转接分子既能跟氨基酸结合，又能跟mRNA的碱基结合，是两者之间的媒介。\n霍格兰等人发现了这种转接分子，这就是转运RNA（tRNA）。tRNA一方面能识别特定的mRNA的核苷酸顺序，另一方面又能识别氨基酸。tRNA折叠成复杂的三叶状，在这个三叶上，三个碱基的专门顺序与mRNA的碱基顺序互补——这是决定蛋白质组成的氨基酸正确序列的关键，而氨基酸顺序又是蛋白质的决定因素。tRNA具有高度的专一性，每种tRNA只能转运一种与自己相应的氨基酸。具体过程是：细胞质中被激活酶活化的各种氨基酸，与各自相应的tRNA结合，被携带着运送到核糖体内之后，便按照核糖体中mRNA模板上的碱基排列顺序，根据碱基互补配对原则，一个一个进行配对。实际上，是核糖体在mRNA上移动，每移动3个碱基，就上去1个tRNA，带上1个氨基酸。氨基酸被带上模板后，相互连结，形成肽链。\n与此同时，tRNA也离开了mRNA，重新回到细胞质中去再搬运相应的氨基酸。当核糖体移动到mRNA的终止符号时，就再没有tRNA转运的氨基酸与其结合了，所形成的具有一定氨基酸顺序的肽链脱离mRNA，自行折叠盘曲，成为有空间结构的蛋白质（图12-6）。\n核糖体是一种分子量很大的粒子，每一核糖体由两个亚单位组成，而且往往有好几个核糖体同时在mRNA上移动。在蛋白质的整个合成过程中，它不仅使tRNA能正确地阅读mRNA上的遗传信息；而且还为其提供了结合的位置，使各种tRNA可以把各自携带的氨基酸，逐个地转送和连接到伸长中的多肽链上，增加了多肽合成的效率和速度。就这样，子代以DNA为模板合成mRNA，再以mRNA为模板，以tRNA为运载工具，使氨基酸在核糖体中按照一定的顺序排列起来，合成了与亲代一样的蛋白质，从而显现出与亲代同样的性状。DNA是生物性状的控制者，而基因是有遗传效应的DNA片段。\n⑶中心法则这种遗传信息从DNA到RNA，再从RNA到蛋白质的转录和翻译过程，以及遗传信息从DNA到DNA的复制过程，就是分子遗传学中的“中心法则”。后来的科学研究发现，很多RNA病毒，如脊髓灰质炎病毒、流感病毒、双链RNA噬菌体以及多数的单链RNA噬菌体等，它们在宿主细胞内也可以进行复制。这种复制并不通过DNA，它是以导入的RNA为复制的模板的，即以RNA为模板合成RNA。不仅如此，还发现了引起肿瘤的某些单链RNA病毒，它们还能以病毒RNA为模板，反向地合成DNA，使遗传信息反过来从RNA流向DNA，即所谓逆转录。\n思考题：1.孟德尔定律的含义是什么？2.莫尔根定律的含义是什么？3.遗传密码的特点是什么？4.什么是遗传学的转录、翻译？什么是中心法则？应该说，这些发现，都是对“中心法则”的重要补充。由于这些新的发展，对原来中心法则中遗传信息的传递方向作了一些修正。两种遗传信息的传递方式，转录是普遍的，逆转录是比较罕见的。逆转录对于肿瘤的研究有着极为重要的意义。