遺傳物質(zhì)即親代與子代之間傳遞遺傳信息的物質(zhì)。除一部分病毒的遺傳物質(zhì)是RNA外，其余的病毒以及全部具典型細胞結(jié)構(gòu)的生物的遺傳物質(zhì)都是DNA。

第一節(jié)   遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)

一、染色體是遺傳物質(zhì)的主要載體

1．染色體的化學(xué)成分

染色體的主要成分為DNA和組蛋白，兩者含量比率相近，此外，還有少量非組蛋白和RNA。組蛋白為含賴氨酸和精氨酸比較多的堿性蛋白質(zhì)，帶正電荷。其功能是參與維持染色體結(jié)構(gòu)，有阻礙NDA轉(zhuǎn)錄RNA的能力。非組蛋白為含天門冬氨酸、谷氨酸等酸性蛋白質(zhì)，帶負電荷。非組蛋白的特點是：既有多樣性又有專一性，含有組蛋白所沒有的色氨酸。非組蛋白的功能是DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄活動的調(diào)控因子。

2．染色體的結(jié)構(gòu)

核體→螺線管→超螺線管→染色單體。從舒展的DNA雙螺旋經(jīng)四級折疊，壓縮到最短的中期時，DNA分子縮短約5000～10000倍。

二、DNA是主要的遺傳物質(zhì)

l．噬菌體侵染細菌實驗證實DNA是遺傳物質(zhì)

實驗步驟如下：

2．肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗證實DNA是遺傳物質(zhì)

3．煙草花葉病毒（CMV）的重建說明CMV是不具DNA的病毒，RNA是遺傳物質(zhì)

三、DNA的結(jié)構(gòu)和功能

1．DNA的結(jié)構(gòu)

DNA是四種脫氧核苷酸的多聚體，見下圖：

DNA的一級結(jié)構(gòu)

DNA的主干由磷酸和脫氧核糖交互組成，磷酸和糖由3’、5’一磷酸二酯鍵聯(lián)結(jié)在一起。堿基接在每一脫氧核糖的1’碳上

其結(jié)構(gòu)要點如下：

（1）兩條DNA鏈反向平行，一條走向是5’→3’，另一條走向是3’→5’，兩條互補鏈相互纏繞，形成雙螺旋狀。

（2）堿基配對不是隨機的。腺嘌呤（A）通過兩個氫鍵與胸腺嘧啶（T）配對，鳥嘌呤（G）通過三個氫鍵與胞嘧啶（C）配對（見右圖）。GC對豐富的DNA比AT對豐富的DNA更為穩(wěn)定。

（3）DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)中，堿基順序沒有限制性，但是堿基對的順序卻為一種DNA分子提供了它性質(zhì)上的特異性。

（4）雙鏈DNA具有不同的構(gòu)型，其中3種具有生物學(xué)上重要性。

①B—DNA：右旋，正常生理狀態(tài)下的常見形式。②A－DNA：右旋，脫水狀態(tài)下的常見形式。③Z—DNA：左旋，這種結(jié)構(gòu)可能與真核生物中基因活性有關(guān)。

2．DNA的功能

（1）DNA的復(fù)制 

1．DNA半保留復(fù)制的證實

DNA半保留復(fù)制在1953年由沃森和克里克提出，1958年又由梅塞爾森和斯塔爾設(shè)計的新實驗方法予以證實。

梅塞爾森和斯塔爾將大腸桿菌置于含有同位素重氮（¹⁵ N）的培養(yǎng)基中生長。¹⁵N比¹⁴N多一個中子，質(zhì)量稍重。大腸桿菌繁殖若干代，其DNA中所含的氮均為¹⁵N。將這些菌移入¹⁴N的培養(yǎng)基中繁殖，經(jīng)過一次、二次、四次等細胞分裂，抽取細菌試樣，用氯化銫（CsCl）密度一梯度離心方法測定不同密度中DNA的含量。

氯化銫密度一梯度離心是一種離心新技術(shù)，可以將質(zhì)量差異微小的分子分開。用氯化銫濃鹽液，以10⁵g以上的強大離心力的作用，鹽的分子被甩到離心管的底部。同時，擴散作用使溶液中Cs^＋和Cl^－離子呈分散狀態(tài)，與離心力的方向相反，經(jīng)過長時間的離心，溶液達到一種平衡狀態(tài)。反向擴散力與沉降力之間的平衡作用，產(chǎn)生了一個連續(xù)的CsCl濃度梯度。離心管底部溶液的密度最大，上部最小。DNA分子溶于CsCl溶液中，經(jīng)過離心，將逐漸集中在一條狹窄的帶上。帶上的DNA分子密度與該處CsCl相等。

如果取在含有¹⁵N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)的大腸桿菌在CsCl溶液中離心，在離心管中形成的帶，位置較低，稱為重帶；如果取在含有¹⁴N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)的大腸桿菌在 CsCl溶液中離心，在離心管中形成的帶，位置較高，稱為輕帶；如果將含有¹⁵N的大腸桿菌在¹⁴N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)一代，取樣離心，在離心管中形成的帶，正好在重帶和輕帶的中間。如果DNA復(fù)制是半保留的，這恰是實驗所預(yù)期的，因為含有¹⁵N的大腸桿菌在¹⁴N的培養(yǎng)基中繁殖一代，這樣，大腸桿菌的DNA中一條鍵是含有¹⁵N的重鏈，另一條是含有¹⁴N的輕鏈。

如果將¹⁵N／¹⁴N的 DNA雜合分子緩慢加熱（熱變性），使其雙鏈分開，再放在CsCl溶液中離心。結(jié)果發(fā)現(xiàn)離心管中出現(xiàn)高低兩條帶，一條重帶、一條輕帶。這更證實，DNA復(fù)制是半保留復(fù)制。

2．DNA半保留復(fù)制過程

作為主要遺傳物質(zhì)的DNA，必須具有自我復(fù)制的能力，產(chǎn)生與它完全相同的新DNA分子，這樣才能使遺傳信息準(zhǔn)確無誤地傳遞給下一代，保證遺傳上的連續(xù)性和相對穩(wěn)定性。沃森等根據(jù)DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，認為DNA分子是以半保留方式進行自我復(fù)制的。他們認為，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中每一個半分子鏈與另一個半分子鏈的堿基互補，實際上是構(gòu)成了一副模板，當(dāng)DNA復(fù)制時，在解旋酶的作用下，首先是從它的一端沿著氫鍵逐漸斷裂，使雙螺旋解開，形成復(fù)制分叉，使兩條單鏈各自露出堿基，而另一端仍保持雙鏈狀態(tài)（見下圖）?；パa的游離脫氧核苷酸，即一個腺嘌呤（A）吸引一個含有胸腺嘧啶（T）的脫氧核苷酸（或T吸引A），一個胞嘧啶（C）吸引一個含有鳥嘌呤（G）的脫氧核苷酸（或G吸引C），如此等等。隨即進行氫鍵的結(jié)合，在復(fù)雜的酶系統(tǒng)（如聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和連接酶等）的作用下，各自形成一條新的完整的互補鏈，與原來的模板單鏈相互盤旋在一起，恢復(fù)了DNA雙鏈結(jié)構(gòu)。這樣，隨著DNA分子雙螺旋的完全拆開，就逐漸形成了兩個新的DNA分子，與原來的完全一樣（見下圖）。從模式圖可見，通過復(fù)制所形成的兩個新DNA分子，都保留有原來親本DNA雙鏈分子的一條單鏈，所以DNA這種自我復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。

對DNA復(fù)制的進一步研究，相繼發(fā)現(xiàn)了復(fù)制過程中的一些細節(jié)：

（1）發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶只能從5’到3’的方向把相鄰的核苷酸連在一起，因而有人提出，DNA在復(fù)制過程中，一條從5’到3’方向的互補新鏈?zhǔn)前凑瘴稚鹊募僬f連續(xù)合成的，但另一條從3’到5’方向的互補新鏈，則先按5’到3’方向一段一段地合成DNA單鏈小片段，即“岡崎片段”（1000～2000個核苷酸長），這些不連續(xù)的小片段再由連接酶連接起來，成為一條連續(xù)的單鏈；可見，這條由3’到5’方向的互補新鏈?zhǔn)堑雇酥铣傻摹?/span>

 （2）岡崎等（1968）進一步證明，從5’到3’方向的互補新鏈，也是通過岡崎片段一段一段連接而成的（如下圖所示）。（這種講法有問題，）

岡崎等關(guān)于DNA復(fù)制的假說

（3）岡崎等（1973）又發(fā)現(xiàn)在合成DNA單鏈片段以前，先由一種特殊類型的酶以DNA為模板，合成一小段約含幾十個核苷酸的RNA，然后DNA聚合酶才開始起作用，連接著RNA3’端并按5’到3’的方向合成DNA單鏈片段。這段RNA實際上起到了“引物”的作用，所以稱為引物RNA，隨后由DNA聚合酶Ⅰ除去引物RNA，并在原位上補上DNA單鏈片段（見下圖）。

DNA復(fù)制過程中的RNA引物

～～表示RNA；——表示DNA

DNA在活體內(nèi)的半保留復(fù)制性質(zhì)已為1958年以來的大量試驗所證實。

3．RNA的復(fù)制

大多數(shù)RNA病毒是單鏈的。這種RNA的復(fù)制一般是先以自己為模板合成一條與其堿基互補配對的單鏈，通常稱這條起模板作用的RNA分子鏈為“＋”鏈，而將新復(fù)制的RNA分子鏈稱為“－”鏈，這樣就形成了雙螺旋的復(fù)制類型。然后這條“－”鏈又從“＋”鏈模板中釋放出來，它也以自己為模板復(fù)制出一條與自己互補的“＋”鏈，于是形成了一條新生的病毒RNA（如下圖所示）。

單鏈?zhǔn)删wRNA復(fù)制示意圖

A．以單鏈RNA＋鏈為模板進行復(fù)制  B．形成復(fù)制類型

C．以一鏈為模板形成幾個新的＋鏈

（2）基因的表達  包括轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個過程，在原核生物中這兩個過程同時進行，在真核生物中是在不同時間、不同地點進行的。

1．轉(zhuǎn)錄

　　轉(zhuǎn)錄是指以DNA為模板合成RNA的過程。轉(zhuǎn)錄是遺傳信息表達的第一步，通過轉(zhuǎn)錄使編碼于基因序列中的遺傳信息具有流動性，為基因控制蛋白質(zhì)合成創(chuàng)造條件。與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的RNA有三種：信使RNA、轉(zhuǎn)運RNA和核糖體RNA，它們都是以DNA為模板的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。但是，轉(zhuǎn)錄并不是產(chǎn)生RNA的唯一途徑。信使RNA(簡稱mRNA)的轉(zhuǎn)錄要點如下：

(1)在細胞核內(nèi)進行，以雙鏈DNA分子的一條鏈為模板。作為模板轉(zhuǎn)錄的鏈稱為非信息鏈或反義鏈；不作模板轉(zhuǎn)錄的鏈稱為信息鏈或有義鏈。

(2)轉(zhuǎn)錄在一系列RNA聚合酶催化下進行，以四種核糖核苷三磷酸(以NTP表示)為原料。RNA聚合反應(yīng)可用下面的反應(yīng)式表示：

XTP為 RNA鏈?zhǔn)级说谝粋€核苷酸；PPi表示焦磷酸。

(3)按照堿基互補配對原則進行轉(zhuǎn)錄時，DNA非信息鏈上的A、G、C、T將分別轉(zhuǎn)錄成U、C、G、A，即轉(zhuǎn)錄形成的RNA單鏈與DNA模板鏈互補，其堿基序列與DNA的信息鏈基本一致。因此說，轉(zhuǎn)錄成的信使RNA單鏈攜帶著DNA信息鏈上的遺傳信息。

(4)信使RNA經(jīng)過核膜孔進入細胞質(zhì)，并與核糖體相結(jié)合。信使RNA的這種流動性，使之在蛋白質(zhì)合成中能夠行使直接模板的作用。

DNA轉(zhuǎn)錄RNA的模板機制用圖解表示(圖1-5-6)。

2．翻譯

　　翻譯是指以信使RNA為模板，合成有一定氨基酸序列的蛋白質(zhì)肽鏈的過程。翻譯過程比較復(fù)雜，概括說來，合成蛋白質(zhì)肽鏈的過程是信使RNA、轉(zhuǎn)運RNA和核糖體三者協(xié)同作用的過程。信使RNA是翻譯過程的直接模板，因為mRNA以三聯(lián)體密碼形式攜帶著DNA上的遺傳信息，每個三聯(lián)體密碼子決定多鈦鏈中的一個氨基酸，mRNA上氨基酸密碼的序列則決定多肽鏈的氨基酸序列。核糖體是合成蛋白質(zhì)的場所。核糖體有一個mRNA的結(jié)合部位，并能從mRNA起始密碼開始，逐一解讀每個三聯(lián)體密碼的遺傳信息；核糖體上還有與攜帶氨基酸的轉(zhuǎn)運RNA(tRNA)相結(jié)合的部位，能夠選擇合適的tRNA攜帶特定氨基酸進位；此外，核糖體提供翻譯過程所需的全部酶活性，并參與肽鏈的延伸與釋放。tRNA是工具，它的一端能夠攜帶某種氨基酸，另一端由三個暴露堿基組成反密碼子，能夠通過堿基互補配對與mRNA上的密碼子相識別，并通過進位把氨基酸放置在核糖體的合適位置上，從而把氨基酸連接起來。上述協(xié)同作用可以用圖1-5-7表示。

　　遺傳密碼是指核酸分子中決定蛋白質(zhì)中氨基酸序列的核苷酸序列，由三個連續(xù)的核苷酸組成的密碼子構(gòu)成。由于mRNA是合成蛋白質(zhì)的直接模板，所以，遺傳密碼通常是指信使RNA單鏈的核苷酸序列。總之，遺傳密碼是負責(zé)蛋白質(zhì)氨基酸組成的遺傳信息的編碼形式。遺傳密碼有下列基本特征：

(1)三聯(lián)體每個密碼子由mRNA上三個相鄰的堿基序列組成。

(2)不重疊性從mRNA起點始，每個核苷酸只能作為一個三聯(lián)體密碼子的成員之一，不能又作為相鄰密碼子的成員。

(3)簡并性 mRNA上四種核苷酸能構(gòu)成 4³＝64種密碼子。其中，有三種為多肽合成的終止密碼，其余的61種密碼子為氨基酸密碼，除甲硫氨酸和色氨酸外，一個氨基酸可由兩種或兩種以上的密碼子決定，不同密碼的同義性稱為簡并性。

(4)無逗號密碼子與密碼子之間沒有任何不編碼的核苷酸單獨存在。

(三)中心法則——遺傳信息轉(zhuǎn)移的規(guī)律

　　遺傳信息在細胞內(nèi)生物大分子間轉(zhuǎn)移的基本法則。中心法則是克里克于1957年提出的，1970年他又重申了中心法則的重要性，并提出表達中心法則的完整圖解，如圖1-5-8所示。

　　從圖解看出，遺傳信息的轉(zhuǎn)移分為兩類：一類用實線箭頭表示，包括DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的翻譯，這三種信息轉(zhuǎn)移方向普遍存在于所有生物體內(nèi)；一類用虛線箭頭表示，包括RNA復(fù)制、RNA逆轉(zhuǎn)錄和未經(jīng)證實的從DNA直接翻譯為蛋白質(zhì)。RNA復(fù)制只存在于RNA病毒，逆轉(zhuǎn)錄最初發(fā)現(xiàn)于RNA 致癌病毒。總之，中心法則的中心論點是遺傳信息既不能從蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)，也不能從蛋白質(zhì)逆轉(zhuǎn)到DNA或RNA分子。

　　中心法則闡明了在生命活動中核酸與蛋白質(zhì)的分工和聯(lián)系。核酸的功能是貯存和轉(zhuǎn)移遺傳信息，指導(dǎo)和控制蛋白質(zhì)的合成；蛋白質(zhì)的主要功能是作為生物體的結(jié)構(gòu)成分和調(diào)節(jié)新陳代謝活動，使遺傳信息得到表達。總之，中心法則是對遺傳物質(zhì)作用原理的高度概括。

四、基因的概念和結(jié)構(gòu)

(一)基因的概念

?基因?一詞是1909年約翰遜提出的代替?遺傳因子?的詞?，F(xiàn)代遺傳學(xué)中基因概念的內(nèi)涵仍處于不斷發(fā)展和完善的過程中，大致可以概括如下：

　　從基因與性狀的關(guān)系看，基因是控制性狀的遺傳物質(zhì)的功能單位，也就是說，基因控制生物性狀的遺傳。

　　從基因與DNA的關(guān)系看，基因是有遺傳效應(yīng)的DNA分子片段，遺傳效應(yīng)是指基因具有復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯、重組和突變，以及調(diào)控等功能。不同基因的大小不同，哺乳動物的基因長度平均約有5000～8000bp(堿基對)。

　　從基因與遺傳信息關(guān)系看，不同基因中的堿基序列不同，每個基因都有其特定的堿基序列?；蛑械奶囟▔A基序列代表某種性狀的表達方式，稱為遺傳信息。也就是說，基因是蘊含遺傳信息的核酸分子的特定堿基序列。

　　從基因與染色體關(guān)系看，染色體是核基因的載體，每個核基因在染色體上都有一定的座位，許多基因在染色體上呈線性排列。相鄰基因之間存在著重疊現(xiàn)象或間斷現(xiàn)象，某些基因可以由一條染色體跳躍到另一條染色體上。

從基因的結(jié)構(gòu)看，絕大多數(shù)真核生物基因都是不連續(xù)基因，由外元和內(nèi)元兩部分組成。如果一個基因有多個外元和內(nèi)元，外元則被內(nèi)元一一隔開。

在原核生物中，DNA分子中約1000個堿基對相當(dāng)于一個基因，這些基因連續(xù)編碼。真核生物中的情況復(fù)雜的多。如哺乳動物的基因長度平均約為5000～8000個堿基對，然而，高等真核生物的結(jié)構(gòu)基因多為斷裂基因。一個斷裂基因含有幾個編碼順序，叫外顯子，被一個個不編碼的間隔順序隔開，這些間隔順序叫內(nèi)含子。不同的結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同，每一個斷裂基因在其第一個和第末個外顯子的外側(cè)，都有一非編碼區(qū)，并連接著一些調(diào)控順序。

　　從種類上看，根據(jù)其原初功能將基因分為三種：

(1)編碼蛋白質(zhì)的基因，包括結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因，這種基因既能轉(zhuǎn)錄又能翻譯；

(2)沒有翻譯產(chǎn)物的基因，如核糖體DNA基因和轉(zhuǎn)運DNA基因；

(3)不能轉(zhuǎn)錄的DNA片段，如操縱基因等。

總之，基因是蘊含遺傳信息的特定的脫氧核苷酸序列，是有遺傳效應(yīng)的DNA分子片段。