说明热杀死的S型细菌释放了出了某种转化因素到培养基中，然后被某些 R型细菌所吸收，从而使其转化成为S型细菌。 那么这种转化到底是什么物质引起的呢？ 0.Avery和他的同事于1944年证明转化因素不是蛋白质而是DNA。他们的工作：1) 分离纯化S型细菌的各种组成物质：核酸(DNA和RNA入蛋白质、脂类、多糖；2)每一 种成分分别与R型细菌混合并注射给小鼠；3)看小鼠死亡与否，并进行细菌培养。见图 6-l,实验结果表明，转化是由DNA引起的，但受到置疑，到I952年，Hershey和Chase 发表他们的有关噬菌体的实验论文后，“DNA是遗传信息的载体”才被人们所接受。图6-1 Avery的体外转化实验 S型菌株 杀死细菌 分离纯化 多糖 脂类 蛋白质 RNA DNA DNA+DNase 云菌株 菌株 菌株 菌株 菌株 菌株 业 小鼠活 小鼠活 小鼠活 小鼠活 小鼠死 小鼠活 菌珠 禀 菌珠 菌珠 n 去菌珠 菌珠 (二) 噬菌体的侵染与繁殖 到1952年Hershey和Chase报道的T,噬菌体感染实验进一步证明了DNA 是遗传物质的结果。 实验设计： 1)用放射性同位素S和P来分别标记蛋白质或DNA,得到两组含有不同 标记的细菌，然后用T2噬菌体分别去感染这两组标记细菌并收集子代噬菌体， 这些噬菌体或被5S或被P标记上。 2)用标记了的噬菌体去感染未标记的细菌，感染后培养10分钟，用搅拌 器剧烈搅拌使吸附在细胞表面上的噬菌体脱落下来，再离心分离，细胞在下面 的沉淀中，而游离的噬菌体悬浮在上清液中，经同位素测定发现，用$标记 的噬菌体感染时，上清中5S的含量为80%，沉淀中含量为20%，这表明宿主细 胞很少有同位素标记，大多数的S标记的噬菌体蛋白质附着在宿主细胞的外 11
11 说明热杀死的 S 型细菌释放了出了某种转化因素到培养基中，然后被某些 R 型细菌所吸收，从而使其转化成为 S 型细菌。 那么这种转化到底是什么物质引起的呢？ O. Avery 和他的同事于 1944 年证明转化因素不是蛋白质而是 DNA。他们的工作：1） 分离纯化 S 型细菌的各种组成物质：核酸（DNA 和 RNA）、蛋白质、脂类、多糖；2）每一 种成分分别与 R 型细菌混合并注射给小鼠；3）看小鼠死亡与否，并进行细菌培养。见图 6-1，实验结果表明，转化是由 DNA 引起的，但受到置疑，到 1952 年，Hershey 和 Chase 发表他们的有关噬菌体的实验论文后，“DNA 是遗传信息的载体”才被人们所接受。图 6-1 Avery 的体外转化实验 （二） 噬菌体的侵染与繁殖 到 1952 年 Hershey 和 Chase 报道的 T2噬菌体感染实验进一步证明了 DNA 是遗传物质的结果。 实验设计： 1）用放射性同位素 35S 和 32P 来分别标记蛋白质或 DNA，得到两组含有不同 标记的细菌，然后用 T2 噬菌体分别去感染这两组标记细菌并收集子代噬菌体， 这些噬菌体或被 35S 或被 32P 标记上。 2）用标记了的噬菌体去感染未标记的细菌，感染后培养 10 分钟，用搅拌 器剧烈搅拌使吸附在细胞表面上的噬菌体脱落下来，再离心分离，细胞在下面 的沉淀中，而游离的噬菌体悬浮在上清液中，经同位素测定发现，用 35S 标记 的噬菌体感染时，上清中 35S 的含量为 80%，沉淀中含量为 20%，这表明宿主细 胞很少有同位素标记，大多数的 35S 标记的噬菌体蛋白质附着在宿主细胞的外 杀死细菌 S 型菌株 分离纯化 多糖 脂类 蛋白质 RNA DNA DNA+DNase R 菌株 R 菌株 R 菌株 R 菌株 R 菌株 R 菌株 小鼠活 小鼠活 小鼠活 小鼠活 小鼠死 小鼠活 R 菌珠 R 菌珠 R 菌珠 R 菌珠 +R 菌珠 S 菌珠 R 菌珠
面一在感染噬菌体的外壳中，沉淀中的20%可能是由于少量的噬菌体经搅拌后 仍吸附在细胞上所致；在用P标记的噬菌体感染细菌中，P在沉淀中含有70%， 上清中仅有30%，表明在蛋白质外壳中很少有放射性同位素，而大多数的放射 性标记在宿主细胞内，上清中约30%的p可能由于还有少部分噬菌体尚未将 DNA注入宿主就被搅拌下来了。 这个实验表明，在感染时进入细菌的主要是DNA,而大多数蛋白质在细菌 的外面，噬菌体将DNA注入细菌，释放出跟原来一样的噬菌体，可见在噬菌体 的生活史上，只有DNA是连续物质，进一步证明了DNA是遗传物质。1969年获 诺贝尔奖。 (三人无DNM生物中，RNM是遗传物质及其证明 烟草花叶病毒的重建实验一证明病毒的遗传物质是RNA 多数病毒没有DNA只有RNA和蛋白质，如烟草花叶病毒(TMW)。 TMW简介：TMW有一圆筒状的蛋白质外壳和一个单链RNA分子组成。蛋白 外壳由2130个相同的蛋白质亚基组成，单链RNA分子沿内壁在蛋白质亚基间 盘旋。TMA放在水和苯酚混合物中震荡，就可以把病毒的蛋白质部分同RNA分 开。 实验一：l956年，A.Gierer和G.Schramm用提纯的TMV RNA接种烟草 植株，结果出现了典型的病斑，而当用RNase处理RNA后，再感染植物时就观 察不到病斑的出现，结果表明，RNA是TMW的遗传物质。 实验二：H.Fraenkel-Conrat和B.Singer的病毒重建实验。 TMW有很多株系，在寄主植物叶片上形成不同的病斑。Fraenkel-Conrat 等将两种不同的病毒株系的外壳蛋白和RNA分别分离开，然后交互重建，即用 A病素的蛋白外壳与B病毒的RNA混合，和用B病素的蛋白外壳与A病毒的RNA 混合形成杂种病毒。当用这两种病毒来感染烟草时，病毒斑总是跟RNA供体的 病斑一样，而与蛋白外壳供体的病斑不同。结果说明在只有RNA而不具有DNA 的病毒中，RNA是遗传物质。 第二节DNA和RNM的化学结构 拟解决的问题 作为遗传物质具有什么样的结构特征？ 怎样来实现其传递遗传性状的功能的？ 一、DNM的化学结构 DNA双螺旋结构的特点：1953年，J.D.Watson和F.H.Crick根据碱基 互补配对的规律及对分子的X射线衍射研究的结果，提出了著名的DNA双螺旋 结构模型，这个模型的主要特点是： 1)组成DNA的两条脱氧核苷酸链反向平行并围绕同一中心轴形成右手 12
12 面—在感染噬菌体的外壳中，沉淀中的 20%可能是由于少量的噬菌体经搅拌后 仍吸附在细胞上所致；在用 32P 标记的噬菌体感染细菌中，32P 在沉淀中含有 70%， 上清中仅有 30%，表明在蛋白质外壳中很少有放射性同位素，而大多数的放射 性标记在宿主细胞内，上清中约 30%的 32P 可能由于还有少部分噬菌体尚未将 DNA 注入宿主就被搅拌下来了。 这个实验表明，在感染时进入细菌的主要是 DNA，而大多数蛋白质在细菌 的外面，噬菌体将 DNA 注入细菌，释放出跟原来一样的噬菌体，可见在噬菌体 的生活史上，只有 DNA 是连续物质，进一步证明了 DNA 是遗传物质。1969 年获 诺贝尔奖。 （三）、无 DNA 生物中，RNA 是遗传物质及其证明 ——烟草花叶病毒的重建实验—证明病毒的遗传物质是 RNA 多数病毒没有 DNA 只有 RNA 和蛋白质，如烟草花叶病毒（TMV）。 TMV 简介：TMV 有一圆筒状的蛋白质外壳和一个单链 RNA 分子组成。蛋白 外壳由 2130 个相同的蛋白质亚基组成，单链 RNA 分子沿内壁在蛋白质亚基间 盘旋。TMA 放在水和苯酚混合物中震荡，就可以把病毒的蛋白质部分同 RNA 分 开。 实验一：1956 年，A. Gierer 和 G. Schramm 用提纯的 TMV RNA 接种烟草 植株，结果出现了典型的病斑，而当用 RNase 处理 RNA 后，再感染植物时就观 察不到病斑的出现，结果表明，RNA 是 TMV 的遗传物质。 实验二：H. Fraenkel-Conrat 和 B. Singer 的病毒重建实验。 TMV 有很多株系，在寄主植物叶片上形成不同的病斑。Fraenkel-Conrat 等将两种不同的病毒株系的外壳蛋白和 RNA 分别分离开，然后交互重建，即用 A 病素的蛋白外壳与 B 病毒的 RNA 混合，和用 B 病素的蛋白外壳与 A 病毒的 RNA 混合形成杂种病毒。当用这两种病毒来感染烟草时，病毒斑总是跟 RNA 供体的 病斑一样，而与蛋白外壳供体的病斑不同。结果说明在只有 RNA 而不具有 DNA 的病毒中，RNA 是遗传物质。 第二节 DNA 和 RNA 的化学结构 拟解决的问题 作为遗传物质具有什么样的结构特征？ 怎样来实现其传递遗传性状的功能的？ 一、 DNA 的化学结构 DNA 双螺旋结构的特点：1953 年，J. D. Watson 和 F. H. Crick 根据碱基 互补配对的规律及对分子的 X 射线衍射研究的结果，提出了著名的 DNA 双螺旋 结构模型，这个模型的主要特点是： 1）组成 DNA 的两条脱氧核苷酸链反向平行并围绕同一中心轴形成右手
螺旋结构； 2)嘌呤和嘧呤在双螺旋的内侧，碱基 环平面与中心轴垂直，磷酸与核糖在 外侧，彼此通过3'，5”-磷酸二酯键 相连接，形成DNA分子的骨架，脱氧 核糖环的平面与中心轴平行； 3.4nm 3)双螺旋结构上有二条螺纹沟，较深 的一条为大沟(Ma jor Groove),较浅 的一条为小沟(Minor Groove)。 4)双螺旋的平均直径为2.0nm,两个 相邻碱基之间的距离为0.34nm,两个 核苷酸之间的夹角为36°，沿中心轴 每旋转一周有10个核苷酸，螺距为 3.4nm; 5)两条核苷酸链依靠碱基之间形成的 图表6-2DNA双螺旋结构中大沟和小沟 氢键相互结合在一起，碱基之间的匹 (引自Desmond S.T.Nichol1) 配遵循碱基互补原则(Base Complementary),即一条链上的嘌呤碱必须与另 一条链上的嘧啶碱相匹配，而且是A配T,G配C。 二、RNA的化学结构 第三节DNA的复制 一、DNA复制的一般特点 (一)、半保留复制：新DNA分子中一条链来自原来亲本DNA分子，另一条链 来自于新合成的DNA分子。 (二入复制起点和复制方向 原核生物的染色体只有一个复制起点，复制从起点开始，直到整条染色体复制 完成为止，即原核生物只有一个复制单位或称复制子（指在某个复制起始点掏 下合成的一段DNA序列)。真核生物每条染色体是多起点的，共同控制一条染 色体的复制，所以真核生物每条染色体上具有多个复制子。 (三)复制的忠实性：DNA聚合酶I。 二、原核生物的DNA复制 (一)、与DNA复制相关的酶：DNA聚合酶、连接酶、解旋酶、拓扑异构酶等的 功能与作用特点。 (二)DNA复制的过程 1、DNA复制的起始： 1)专一性识别复制起始序列的蛋白结合在复制起点上，促使其临近的DNA发 13
13 螺旋结构； 2）嘌呤和嘧呤在双螺旋的内侧，碱基 环平面与中心轴垂直，磷酸与核糖在 外侧，彼此通过 3’，5’-磷酸二酯键 相连接，形成 DNA 分子的骨架，脱氧 核糖环的平面与中心轴平行； 3）双螺旋结构上有二条螺纹沟，较深 的一条为大沟（Major Groove），较浅 的一条为小沟（Minor Groove）。 4）双螺旋的平均直径为 2.0nm，两个 相邻碱基之间的距离为 0.34nm，两个 核苷酸之间的夹角为 36°，沿中心轴 每旋转一周有 10 个核苷酸，螺距为 3.4nm； 5）两条核苷酸链依靠碱基之间形成的 氢键相互结合在一起，碱基之间的匹 配遵循碱基互补原则（Base Complementary），即一条链上的嘌呤碱必须与另 一条链上的嘧啶碱相匹配，而且是 A 配 T，G 配 C。 二、RNA 的化学结构 第三节 DNA 的复制 一、DNA 复制的一般特点 （一）、半保留复制：新 DNA 分子中一条链来自原来亲本 DNA 分子，另一条链 来自于新合成的 DNA 分子。 （二）、复制起点和复制方向 原核生物的染色体只有一个复制起点，复制从起点开始，直到整条染色体复制 完成为止，即原核生物只有一个复制单位或称复制子（指在某个复制起始点掏 下合成的一段 DNA 序列）。真核生物每条染色体是多起点的，共同控制一条染 色体的复制，所以真核生物每条染色体上具有多个复制子。 （三）复制的忠实性：DNA 聚合酶 I。 二、原核生物的 DNA 复制 (一)、与 DNA 复制相关的酶：DNA 聚合酶、连接酶、解旋酶、拓扑异构酶等的 功能与作用特点。 （二）DNA 复制的过程 1、DNA 复制的起始： 1）专一性识别复制起始序列的蛋白结合在复制起点上，促使其临近的 DNA 发 图表 6-2 DNA 双螺旋结构中大沟和小沟 （引自 Desmond S.T.Nicholl）
生扭曲，从而让DNA解旋酶和其他有关的因子进入； 2)DNA双链在解旋酶的作用下解螺旋； 3)DNA双链解开后，单链DNA结合蛋白马上结合在分开的单链上，保持其伸展 状态； 4)引物酶以解旋的单链为模板，根据碱基互补配对原则，合成一段不超过12bp 的RNA引物，提供3？端的自由羟基。 2、DNA复制的延伸 前导链：从5”-3”方向延伸的链称为前导链，它是连续合成的。另一条链先 沿5’-3'方向合成一些片段，也叫冈崎片段，然后由DNA连接酶连接起来， 成为一条完整的链，这条链称为后随链。 3、DNA复制的终止：具有终止区域，含有多个位点，可结合终止蛋白，从而使 复制在终止区域不能离开。DNA到达终止区域后，DNA聚合酶I利用其5”-3' 端核酸外切酶活性，将引物RNA切除，同时利用5？-3'聚合酶的功能，以对 应的DNA链为模板，合成DNA,置换切除的RNA引物链区域，最后由DNA链接 酶连接起来，形成一条完整的新链。 三、真核生物DNA的复制 与原核生物DNA复制相比，真核生物DNA复制有以下特点： 1、DNA复制发生在细胞周期的特定时期，即S期； 2、真核生物DNA聚合酶多（分别介绍其功能方 3、真核生物复制是多起点的； 4、真核生物DNA复制中合成的冈崎片段比原核生物短； 5、核小体的复制，组蛋白八聚体全保留复制； 6、真核生物染色体端粒的复制，端粒酶作用下完成。 四、RNA的复制 第四节RNA的转录与加工 转录：指以DNA为模板，在依赖于DNA的RNA聚合酶的催化下，以4种核 糖核苷酸(ATP、CTP、GTP和UTP)为原料，合成RNA的过程。 一、RNA分子的种类 1、mRNA: 2、tRNA: 三叶草型结构 3、rRNA:原核生物的核糖体所含的rRNA有5S、16S和23S;真核生物的 核糖体所含的rRNA有5S、5.8S、18S和28S。 二、RNA合成的一般特点 1、RNA合成不需要引物，可以直接起始合成，而DNA复制时必须有引物； 2、RNA合成时所用的原料为核苷三磷酸（rNTP),DNA复制时为脱氧核苷 14
14 生扭曲，从而让 DNA 解旋酶和其他有关的因子进入； 2）DNA 双链在解旋酶的作用下解螺旋； 3）DNA 双链解开后，单链 DNA 结合蛋白马上结合在分开的单链上，保持其伸展 状态； 4）引物酶以解旋的单链为模板，根据碱基互补配对原则，合成一段不超过 12bp 的 RNA 引物，提供 3’端的自由羟基。 2、DNA 复制的延伸 前导链：从 5’-3’方向延伸的链称为前导链，它是连续合成的。另一条链先 沿 5’-3’方向合成一些片段，也叫冈崎片段，然后由 DNA 连接酶连接起来， 成为一条完整的链，这条链称为后随链。 3、DNA 复制的终止：具有终止区域，含有多个位点，可结合终止蛋白，从而使 复制在终止区域不能离开。DNA 到达终止区域后，DNA 聚合酶 I 利用其 5’-3’ 端核酸外切酶活性，将引物 RNA 切除，同时利用 5’-3’聚合酶的功能，以对 应的 DNA 链为模板，合成 DNA，置换切除的 RNA 引物链区域，最后由 DNA 链接 酶连接起来，形成一条完整的新链。 三、真核生物 DNA 的复制 与原核生物 DNA 复制相比，真核生物 DNA 复制有以下特点： 1、DNA 复制发生在细胞周期的特定时期，即 S 期； 2、真核生物 DNA 聚合酶多（分别介绍其功能）； 3、真核生物复制是多起点的； 4、真核生物 DNA 复制中合成的冈崎片段比原核生物短； 5、核小体的复制，组蛋白八聚体全保留复制； 6、真核生物染色体端粒的复制，端粒酶作用下完成。 四、RNA 的复制 第四节 RNA 的转录与加工 转录：指以 DNA 为模板，在依赖于 DNA 的 RNA 聚合酶的催化下，以 4 种核 糖核苷酸（ATP、CTP、GTP 和 UTP）为原料，合成 RNA 的过程。 一、RNA 分子的种类 1、mRNA： 2、tRNA：三叶草型结构 3、rRNA：原核生物的核糖体所含的 rRNA 有 5S、16S 和 23S；真核生物的 核糖体所含的 rRNA 有 5S、5.8S、18S 和 28S。 二、RNA 合成的一般特点 1、RNA 合成不需要引物，可以直接起始合成，而 DNA 复制时必须有引物； 2、RNA 合成时所用的原料为核苷三磷酸（rNTP），DNA 复制时为脱氧核苷
三磷酸(dNTP),而且在合成的RNA链上T被替换为； 3、DNA复制时亲本的两条链都分别作为模板，而RNA合成时只用一条DNA 链作为模板链（非编码链）。另一条链为非模板链（编码链方 4、RNA的合成速度比DNA合成慢。 三、原核生物RNM的合成 (一)RNA聚合酶：全酶由5多肽（C,BB'o),其中4个多肽紧密结合 在一起，构成核心酶(core enzyme),核心酶本身已能催化合成RNA,但它不 能鉴别基因的起始位点，只有σ因子能正确识别DNA上的启动区。 (二)、启动子：有四个保守序列，即转录起始点、-10区和-35区及二者 之间的序列。 (三人终止子：在RNA转录过程中，提供终止信号的序列称为终止子； 分两类：一类为内在终止子，只要核心酶与终止子结合就足以使转录终止，不 依赖其他辅助因子；另一类终止子必须在p因子的存在下核心酶才能终止转 录，因此称为依赖P因子的终止子。两类终止子在结构上具有两个特征，一是 形成发夹结构，二是发夹结构末端紧跟着连续的U串。 (四)、RNA的合成：分为三步，即转录的起始、RNA链的延伸和RNA链的 终止及释放。 四、真核生物RNA的转录与加工 (一)人、真核生物RNA转录的特点：与原核生物RNA转录过程大致相同， 主要有以下区别： 1、真核生物RNA的转录在细胞核内。RNA在核内转录完毕后必须运送到细 胞质，才能进行蛋白质的翻译，因此其存在的时间就比原核生物的长，可达数 小时。 2、真核生物mRNA分子一般只编码一个基因。原核生物的一个mRNA分子 通常含有多个基因。且需要进行加工才以成为真正成熟的有功能的RNA。 3、真核生物RNA聚合酶较多，但都不能独立转录RNA。原核生物中只有 种RNA聚合酶，能催化所有RNA的合成。真核生物细胞中含有RNA聚合酶I、 RNA聚合酶II和RNA聚合酶III3种，每一种都含有10种以上的亚基，但都不 能直接结合到启动子上，必须要有另外的启动蛋白结合在启动子上后，才能结 合上去启动转录。每一种聚合酶转录不同的RNA。聚合酶I转录核糖体大亚基 的RNA,II转录mRNA的前体即不均一核RNA,III转录小的、稳定的RNA,如 5SRNA、tRNA. 4、真核生物的启动子比原核生物复杂。 (二)真核生物RNA转录后的加工 多数转录的初始RNA分子并无生物学活性，必须经过进一步的加工处理。 15
15 三磷酸（dNTP），而且在合成的 RNA 链上 T 被替换为 U； 3、DNA 复制时亲本的两条链都分别作为模板，而 RNA 合成时只用一条 DNA 链作为模板链（非编码链）。另一条链为非模板链（编码链）； 4、RNA 的合成速度比 DNA 合成慢。 三、原核生物 RNA 的合成 （一）RNA 聚合酶：全酶由 5 多肽（α2ββ’σ），其中 4 个多肽紧密结合 在一起，构成核心酶（core enzyme），核心酶本身已能催化合成 RNA，但它不 能鉴别基因的起始位点，只有σ因子能正确识别 DNA 上的启动区。 （二）、启动子：有四个保守序列，即转录起始点、-10 区和-35 区及二者 之间的序列。 （三）、终止子：在 RNA 转录过程中，提供终止信号的序列称为终止子； 分两类：一类为内在终止子，只要核心酶与终止子结合就足以使转录终止，不 依赖其他辅助因子；另一类终止子必须在ρ因子的存在下核心酶才能终止转 录，因此称为依赖ρ因子的终止子。两类终止子在结构上具有两个特征，一是 形成发夹结构，二是发夹结构末端紧跟着连续的 U 串。 （四）、RNA 的合成：分为三步，即转录的起始、RNA 链的延伸和 RNA 链的 终止及释放。 四、真核生物 RNA 的转录与加工 （一）、真核生物 RNA 转录的特点：与原核生物 RNA 转录过程大致相同， 主要有以下区别： 1、真核生物 RNA 的转录在细胞核内。RNA 在核内转录完毕后必须运送到细 胞质，才能进行蛋白质的翻译，因此其存在的时间就比原核生物的长，可达数 小时。 2、真核生物 mRNA 分子一般只编码一个基因。原核生物的一个 mRNA 分子 通常含有多个基因。且需要进行加工才以成为真正成熟的有功能的 RNA。 3、真核生物 RNA 聚合酶较多，但都不能独立转录 RNA。原核生物中只有一 种 RNA 聚合酶，能催化所有 RNA 的合成。真核生物细胞中含有 RNA 聚合酶 I、 RNA 聚合酶 II 和 RNA 聚合酶 III3 种，每一种都含有 10 种以上的亚基，但都不 能直接结合到启动子上，必须要有另外的启动蛋白结合在启动子上后，才能结 合上去启动转录。每一种聚合酶转录不同的 RNA。聚合酶 I 转录核糖体大亚基 的 RNA，II 转录 mRNA 的前体即不均一核 RNA，III 转录小的、稳定的 RNA，如 5SRNA、tRNA。 4、真核生物的启动子比原核生物复杂。 （二）真核生物 RNA 转录后的加工 多数转录的初始 RNA 分子并无生物学活性，必须经过进一步的加工处理