生物笔记(DNA、RNA、基因)

 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

DNADNA配对

DNARNA配对

RNARNA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




~冷知识
Q:如何证明DNA复制是半保留的?
A:其实一开始科学家提出了三种可能性,分别是全保留、半保留和弥散。



Q:一种密码子会决定一种氨基酸而已,那一个氨基酸会由多种密码子决定吗?
A:有些会。举个例子,色氨酸(Trp)只有UGG一个密码子,但精氨酸(Arg)竟然有六种密码子(CGU、CGC、CGA、CGG、AGA、AGG)。也就是说只要密码子是以上六种中的任意一种,那精氨酸就会被决定。


Q:开头的密码子和结束的密码子是有特别规定的吗?还是谁都可以当?
A:起始密码子是翻译的起始信号,有两个密码子负责开头,分别是AUG和GUG。终止密码子是肽链增长的终止信号,有三个密码子负责结尾,分别是UAA、UAG、UGA。


Q:什么是中心法则?
A:在中心法则,遗传信息会从DNA流向DNA,也就是说它会自行复制。之后,遗传信息再从DNA流向RNA,再流向蛋白质。


在有些病毒中,RNA会自我复制,并在逆转录酶的作用下合成DNA。


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