高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座 专题八 基因与分子生物学

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高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座 专题八 基因与分子生物

学

【竞赛要求】

1． DNA是遗传物质的证据

2． DNA和RNA的结构

3． DNA的双螺旋结构

4． DNA的复制

5． 遗传信息流从DNA到RNA到蛋白质

6． 病毒

【知识梳理】

一、基因的结构

（一） DNA是遗传物质基础的证据

1． 肺炎双球菌的转化实验（Fred Griffith 1928年）

（2）实验过程：

（3）结论：S型细菌有一种物质或转化因子进入R型细菌，引起R型细菌发生稳定的遗传变异。

（4）不足：并未解释何种物质引起转化。

2．Osward Avery等人对肺炎双球菌的补充实验（1944年）

（1）实验过程：

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Avery等人将S型活细菌中多糖、脂类、蛋白质、RNA、DNA、DNA水解物分离出来，分别与R型活细菌混合培养，发现只有DNA能使R型细菌转化为S型细菌，并且后代仍为S型细菌。

（2）结论：DNA为转化因子，而蛋白质、脂类等物质均无转化作用。

（3）不足：DNA提取纯度不够，即使纯度最高时仍含有0.02%的蛋白质，因而有一少部分人坚信蛋白质时遗传物质。

3．噬菌体亲然细菌实验（Alfed Hershey和Martha Chase 1952年）

（1）实验材料：T2噬菌体、大肠杆菌。

（2）实验过程：

首先将大肠杆菌分别培养在含35S和32P的培养基中，因为P主要存在于DNA中，S存在于蛋白质中，所以在大肠杆菌的生长过程中分别被35S和32P标记。

然后用噬菌体去感染分别被35S和32P标记的大肠杆菌，这样子代噬菌体的蛋白质和DNA也分别被35S和32P标记上。

再用已被标记的噬菌体侵染无放射性的大肠杆菌，经一段时间的培养后搅拌离心，分别

35 32检测上清液和沉淀物的放射性，结果在新形成的噬菌体中没有检测到S而检测到了P。

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（3）结论：DNA是联系亲子代的物质，而不是蛋白质。

噬菌体侵染细菌的过程为：吸附、注入、复制和合成、组装、释放。

（4）优点：真正将DNA与蛋白质分开来观察它们的作用。

4．烟草花叶病毒重建实验（Fraenkel Conrat 1956年）

(1)实验材料：TMV烟草花叶病毒的两种株系：S株系和HR株系。

(2)实验过程：

结果：杂种病毒侵染烟草叶片后的病毒病斑与HR株系病斑相同，并从烟草叶片中分离出HR株系病毒。

（3）结论：RNA是遗传物质。

（4）其他RNA病毒：HIV病毒、SARS病毒等。

因此，DNA是主要的遗传物质。真核生物和原核生物的遗传物质为DNA，某些病毒的遗传物质为DNA，另一些病毒的遗传物质为RNA。

（二） DNA和RNA的结构

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2． 五种碱基的分子结构示意图：

腺嘌呤 鸟嘌呤 尿嘧啶

胞嘧啶 胸腺嘧啶

（三）DNA的双螺旋结构 1.DNA双螺旋结构的发现史：

1944年，美国科学家奥斯瓦尔德·西奥多·埃弗里提出，在细胞核内发现的DNA可能携带遗传信息。1952年伦敦的罗莎琳德·富兰克林研究出了DNA的X射线衍射结构图。美国科学家沃森（Watson，J·D）来到英国剑桥大学与英国科学家克里克（Crick，F.）合作，致力于研究DNA的结构。他们通过大量X射线衍射材料的分析研究，提出了DNA的双螺旋结构模型，1953年4月25日在英国《发现》杂志正式发表，并由此建立了遗传密码和模板学说，于1962年获诺贝尔医学生物学奖。

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2．DNA双螺旋结构模型的要点如下：

① DNA分子由两条多核苷酸链构

成。这两条多核苷酸链以右手螺旋的形

式，彼此以一定的空间距离，平行地环

绕于同一轴上，很象一条扭曲起来的梯

子（图3-7）。

②两条多核苷酸链反向平行

（antiparallel），即一条链磷酸二脂键为

5’-3’方向，另一条链为3’－5’方向，

二者刚好相反。亦即一条链对另一条链

是颠倒过来的，这称为反向平行。

③每条长链的内侧是扁平的盘状

碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，

另一方面通过氢键（hydrogen bond）与

它互补的碱基相联系，相互层迭宛如一

级一级的梯子横档。互补碱基对A和T

之间形成两个氢键，而C和G之间形成三个氢键（如上图）。上下碱基对之间的距离为0.34nm。 ④每个螺旋为3.4nm长，刚好含有10个碱基对， 其直径约为2nm。

⑤在双螺旋分子的表面大沟（major groove）和小沟（minor groove）交替出现。

3．碱基互补配对原则：DNA分子中嘌呤数等于嘧啶数。

碱基互补配对原则在解体中的应用：

DNA分子是由两条脱氧核苷酸链构成的。根据碱基互补配对的原则，一条链上的A一定等于互补链上的T；一条链上的G一定等于互补链上的C；反之如此。因此，可推知多条用于碱基计算的规律。

①规律一：在一个双链DNA分子中，A=T、G=C。即：A+G=T+C或A+C=T+G，变形为A?GA?C?1或?1。也就是说，嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数。 T?CT?G

②规律二：在双链DNA分子中，两个互补配对的碱基之和的比值与该DNA分子中每一单链中这一比值相等，即DNA分子中 A?T与该DNA分子每一单链中的这一比值相等。 G?C

A?G的比值等于其互补链中这一比值的倒数。 T?C③规律三：DNA分子一条链中，两个不互补配对的碱基之和的比值等于另一互补链中这一比值的倒数，即DNA分子一条链中

④规律四：在双链DNA分子中，互补的两个碱基和占全部碱基的比值等于其中任何一条单链占该碱基比例的比值，且等于其转录形成的mRNA中该种比例的比值。即 双链(A+T)%或(G+C)%=任意单链 (A+T)%或(G+C)%=mRNA中 (A+U)%或(G+C)%。

二．DNA的复制

1．场所：主要在细胞核，细胞质中也存在着DNA复制，如线粒体和叶绿体中也有DNA的复制过程。

2．时间：主要在细胞分裂间期（S期），细胞质中DNA复制的时间不一定在细胞分裂的间期。

3．过程：边解螺旋边复制。

4．特点：半保留式复制，也就是说新复制出的两个DNA分子中，有一条链是旧的，即原来DNA的。