我们都知道,染色体在细胞分裂和受精过程中都具有很大的作用(遗传上),而染色体是由DNA和蛋白质组成的,所以,究竟DNA是遗传物质,抑或是蛋白质呢?
有读过的大概都知道,遗传物质是DNA而不是蛋白质,但这可是通过科学家历经好多实验才证明出来的,我们一个一个来看!
1)1928年,格里菲斯,肺炎双球菌的转化实验
格里菲斯在实验中使用两种细菌(S型细菌,有荚膜,有毒;R型病毒,无荚膜,无毒)
实验过程:
注射R细菌进入老鼠体内,老鼠不会死
注射S细菌进入老鼠体内,老鼠会死
把S细菌加热杀死,再注入老鼠体内,老鼠不会死
把S细菌加热杀死,与R细菌混合再注入老鼠体内,老鼠会死
这个实验证明了细菌会发生性状改变,但没有办法说明什么才是遗传物质。
2)1953,艾弗利,重复格里菲斯的实验
艾佛利觉得格里菲斯的实验有所缺陷,于是就尝试改善,基本操作还是一样,只不过多一个步骤:把S细菌分离,并抽取其DNA、RNA、蛋白质。
实验过程:
S细菌的DNA+R型细菌→产生R型细菌、S型细菌
S细菌的RNA+R型细菌→产生R型细菌
S细菌的蛋白质+R型细菌→产生R型细菌
转化因素+蛋白酶+R型细菌→产生转化因素、R型细菌
转化因素+DNA酶+R型细菌→产生R型细菌
由上面可以确认,DNA会造成性状改变,但仍然无法确定DNA是不是真的是遗传物质。
3)1952,赫尔希、蔡斯,噬菌体侵染细菌的实验
两人尝试用噬菌体侵染大肠杆菌,直接证明了DNA就是遗传物质。
实验过程:
用(_16^35)S标记噬菌体的蛋白质,并用(_15^32)P标记噬菌体的DNA。
用T2噬菌体侵染大肠杆菌。
发现大肠杆菌内有(_15^32)P,表示进入细菌体的是DNA。
这一实验证明了DNA是绝大多数生物的遗传物质。
什么是DNA?
DNA的结构
1953年,华生和克里克提出了DNA的双螺旋结构模型。DNA的基本单位是脱氧核苷酸,DNA就是由很多脱氧核苷酸聚合而成的长链。
脱氧核苷酸就是由一个含氮碱基、一个磷酸、一个脱氧核糖组成,在DNA中,只有四种碱基,分别是腺嘌呤(Adeline)【A】、胞嘧啶(Cytosine)【C】、鸟嘌呤(Guanine)【G】、胸腺嘧啶(Thymine)【T】。因此,在DNA中共有四种不同类型的脱氧核苷酸。
DNA的特点
DNA分子由两条链组成,这两条链按照反向平行的方向盘旋成双螺旋结构。
DNA分子上两条链的碱基通过氢键连接成碱基对。
遵守碱基互补配对原则。(A一定与T配对,G一定与C配对)
AT的配对有两条氢键,GC的配对有三条氢键。
脱氧核糖与磷酸交替连接,排在外侧,构成基本骨架。
DNA的复制过程
DNA的复制是以亲代DNA作为模板,并合成子代DNA的过程。DNA的复制被称为半保留复制,也就是说新合成的DNA分子中,有一条是原来的DNA分子的链,另一条则是新的。DNA通过复制使得遗传信息得以从亲代传给子代。
DNA利用细胞的能量,在解旋酶的作用下把两条螺旋的双链解开。
DNA分子从解开的每一段母链为模板,并以周围游离的四种脱氧核苷酸为原料,按照碱基互补配对原则,在DNA聚合酶的作用下各自合成与母链互补的一条子链。
新合成的子链不断延伸,并与其对应母链盘绕成双螺旋结构,组成新的DNA分子。
什么是基因?
基因是DNA分子的片段,它们是含有特定的遗传信息的DNA序列或者是有遗传效应的DNA片段。一个染色体上只有一个DNA分子,但一个DNA分子上有很多的基因,而基因上又有很多个脱氧核苷酸。
基因的表达使得遗传信息以一定方式反映到蛋白质分子的结构上,使得后代在个体发育过程中表现出与亲代相似的性状。基因的脱氧核苷酸的排列顺序会决定mRNA的核糖核苷酸的排列顺序,进而决定氨基酸的排列顺序,而氨基酸的排列顺序则会影响蛋白质的结构和性能,因此生物体才可以表现出各种遗传性状。
RNA的分子是由A、G、C、U四种碱基核苷酸连接而成的多核苷酸单链。【在RNA中A会与U配对】以结构、功能性和所在的部位做区分,RNA可以分别为三种:
mRNA
它负责传达DNA上的遗传信息。
tRNA
它在蛋白质合成的过程中骑着搬运各种氨基酸的作用。
rRNA
它会和蛋白质结合在一起以形成核糖体。核糖体是蛋白质合成的主要场所。
生物体内需要20种氨基酸,而mRNA内有四种不同的碱基,那问题来了,请问需要多少个碱基来决定一个氨基酸?
假如一个碱基决定一个氨基酸,那四种碱基只能决定四种氨基酸(4^1)。
假如两个碱基决定一个氨基酸,那四种碱基能决定16种氨基酸(4^2)。
假如三个碱基决定一个氨基酸,那四种碱基能决定64种氨基酸(4^3)。
由上面可知,我们只需要20种氨基酸,因此三个碱基决定一个氨基酸是绰绰有余的。
遗传学上把mRNA决定一个氨基酸的三个相邻的碱基称为一个密码子,例如ACG、UUU、UAA这种。tRNA 的一端是携带氨基酸的部位,另一端有三个碱基,都只能专一的和mRNA上的三个碱基进行配对(碱基互补配对原则),这就是反密码子。举个例子,上面的密码子分别为ACG、UUU、UAA,则和它们对应的反密码子分别是UGC、AAA、AUU。
每一种tRNA只能识别并转运一种氨基酸。
如何把DNA的讯息转给蛋白质?这就需要以下两个步骤:
DNA的转录
DNA的转录在细胞核内,首先,DNA双螺旋分子会被RNA聚合酶解旋,然后,以其中一条链为模板,三磷酸核苷为原料,合成mRNA的核苷酸链。
通过这两步,DNA的遗传信息就会被抄录到mRNA上。之后mRNA进行修饰变成成熟mRNA,这时它就会和DNA分离,从核孔穿出进入细胞质中。
转译
转译发生在细胞质中。转译是以mRNA为模板,根据遗传信息将氨基酸顺序排列,形成蛋白质的过程。首先,mRNA附在核糖体上,特定的tRNA就会将反密码子装配到密码子上,随后氨基酸被送入核糖体。氨基酸分子脱水凝结,形成多肽链。tRNA完成任务后就会退离核糖体,回到细胞质中。
|
DNA |
RNA |
单链/双链 |
双链 |
单链 |
分子量 |
较大 |
较小 |
存在部位 |
染色体 |
核仁、核糖体 |
|
DNA复制 |
转录 |
转译 |
场所 |
细胞核 |
细胞核 |
细胞质的核糖体 |
模板 |
DNA的两条链 |
DNA的一条链 |
mRNA |
原料 |
脱氧核苷酸 |
核糖核苷酸 |
氨基酸 |
碱基的配对对象 |
DNA和DNA配对 |
DNA和RNA配对 |
RNA和RNA配对 |
信息传递 |
DNA→DNA |
DNA→mRNA |
RNA→蛋白质 |
产物 |
两个相同的DNA |
mRNA |
蛋白质(一堆氨基酸按照顺序排在一起就会变蛋白质) |
时间 |
细胞分裂间期 |
生长发育过程中 |
生长发育过程中 |
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