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1. 第十九章 遗传与变异
王昱欣
2018

2. 学习目标
1． 认识遗传的物质基础。
2． 了解DNA分子的结构和复制过程。
3． 了解基因的表达和蛋白质的合成。
4． 认识一些遗传学的常用名词。
5． 理解孟德尔的分离定律。
6． 认识显性的相对性即完全显性、不完全显性和共显性。
7． 理解孟德尔的自由组合定律。
8． 了解基因的连锁和交换现象。
9． 了解生物的性别决定和伴性遗传。
10．了解基因突变、基因重组和染色体变异所引起的遗传变异及其意义。
11．了解生物科技的发展及在各领域的应用。
12．认识遗传工程和重组DNA的过程。

3. 学习重点
（1）DNA分子的结构和复制。
（2）基因控制蛋白质合成的过程和原理。
（3）孟德尔的分离定律和自由组合定律。
（4）基因的连锁和交换。
（5）性别的决定。
（6）生物的变异及其意义。
（7）生物科技的发展及在各领域的应用。

4. 学习难点
（1）基因的概念。
（2）染色体、DNA、基因之间的关系与区别。
（3）基因的表达：转录和转译的过程。
（4）基因的连锁和交换。
（5）重组DNA。

5. 教学时间建议
章节 内容 时间分配（节）
19.1
19.2
19.3
19.4
19.5
19.6
遗传的物质基础
遗传学常用名词
遗传的基本规律
性别决定和伴性遗传
生物的变异
生物科技的发展
5
1
6
2
3
3
实验5.8、5.9、5.10 6
合计 26

6. DNA是体内的遗传物质
• 染色体由DNA及蛋白质组成
• 如何证明哪一种是遗传物质？
• 肺炎双球菌的转化实验
• 噬菌体侵染细胞的实验

7. 肺炎双球菌的转化实验
• 此实验是利用两个不同的肺炎链球菌（可感染老鼠）品
系
• 一种是III-S型（平滑型，有毒性）
• 另一种是II-R型（粗糙型，无毒性）
• III-S型具有以多糖构成的荚膜 ，可保护自身，抵抗宿
主的免疫系统，进而使宿主死亡。
• II-R则无此构造，因此无法倖免于免疫系统的攻击。

8. 肺炎双球菌的转化实验
• III-S品系的细菌以高温杀死，
再将其残骸与活的II-R品系
溷合。
• 实验结果显示此组合可将宿
主老鼠杀死，而且从这些死
亡的老鼠体内，可分离出活
的III-S品系与II-R品系。
• 因此格里菲斯提出一项结论，
认为II-R品系被死亡的III-S
品系所含的一种转化因素
（transforming principle）
所「转型」成为具有致命性
的III-S。

9. 阿佛利和同事的后续实验
• 在格里菲斯实验的基础上做了许多的改进
• 他把实验环境从老鼠体内换到了体外的培养皿中
• 只有在体外进行的实验，
• 才可能设计更好的对照组与更精确的实验设计。

10. 阿佛利的后续实验
• 除去SⅢ型活菌中大的细胞结构
• 再用蛋白酶消化
• 去除SⅢ型的蛋白质
• 与RII型细菌一起涂板生长
• 假如R细菌被转化了，
• 转化因素不是蛋白质

11. 阿佛利的后续实验
• 除去SⅢ型活菌中大的细胞结构
• 再用DNA酶处理
• 去除SⅢ型的DNA
• 与RII型细菌一起涂板生长
• 假如R细菌被转化了，
• 转化因素不是DNA

12. • Avery等于先后用蛋
白水解酶、核糖核酸
酶和DNA酶分别处理
肺炎球菌的细胞抽提
物。
• 前两种酶根本不影响
抽提物的生物学效能
• 但只要一加入DNA酶，
转化活性就立即丧失
了。
• 这一结果进一步证明
了DNA作为遗传信息
载体的功能。

13. 噬菌体侵染细胞的实验
• 噬菌体是一种专门感染细
菌的小型病毒，拥有以蛋
白质组成的外壳，这些外
壳将遗传物质包覆其中。
• 当噬菌体感染细菌时，会
将其遗传物质导入并遗留
在细菌体内，而外壳则维
持不变，并脱离细菌。

14. 噬菌体侵染细胞
• 研究者将T2噬菌体培养在含有
32P的培养基中
• 噬菌体体内的DNA含有放射性
元素32P
• 将噬菌体用来感染细菌
• 利用离心机分离细菌与噬菌体
外壳
• 最后发现放射性元素存在于受
感染的细菌体内。

15. 噬菌体侵染细胞
• 将噬菌体培养在含有35S（硫
的放射性同位素）的培养基
中，使这些噬菌体体内的蛋
白质含有放射性元素
• 接着将噬菌体用来感染细菌
• 将细菌与噬菌体利用离心机
分离
• 最后发现放射性元素存在于
噬菌体外壳中。

16. 亲代噬菌体 寄主细胞内 子代噬菌体 实验结论
32P标记DNA 有32P标记DNA DNA有32P标记 DNA 分 子 具 有 连
续性，是遗传物
质
35S标记蛋白质 无35S标记蛋白质 外壳蛋白无35S标
记

17. 进入细菌细胞内的DNA，不仅携
带了自我复制的遗传信息，而
且也携带了指导蛋白质合成的
遗传信息。

18. DNA分子的结构
• DNA的基本单位是脱氧核苷酸。
• 硷基 + 五碳糖 = 核苷
• 核苷 + 磷 = 核苷酸
• 组成DNA的碱基有四种：
• 腺嘌呤A
• 鸟嘌呤G
• 胞嘧啶C
• 胸腺嘧啶T
• 嘌呤是双环化合物
• 嘧啶是单环化合物

19. DNA的双链
• 核苷酸连接而成多核苷
酸
• 两条链按相反平行方式
盘旋成双螺旋结构

20. 硷基的配对
• 氢键把两条单链上相对
的硷基连接起来。
• 硷基的配对是有规律的
• 因为两条链之间的空间
是一定的
• 腺嘌呤A = 胸腺嘧啶T
• 胞嘧啶C = 鸟嘌呤G

21. DNA碱基序列
• 大多数部分都相同
• 小部分独特的DNA型
• DNA碱基序列终生不变
• 碱基对的排列顺序千变万化  DNA分子的多变性
• 碱基对特定的排列顺序  DNA分子的特异性
• 硷基对之间的堆集力  DNA分子的稳定性

22. 染色体的结构
• 一级结构
• 二级结构
• 三级结构
• 四级结构

23. 一级结构
• 染色质由一系列核小体(nucleosome)
相互连接成的念珠状结构。
• 核小体的核心是由组蛋白H2A、H2B、
H3、H4各两个分子构成的八聚体。
• 在八聚体的表面缠绕有1圈的双螺旋
DNA。
• 在相邻的两个核小体之间，由DNA连
接，称为连接线，在连接线部位结合
有一个组蛋白分子H1，形成直径为
10nm的纤维状结构。
• DNA的长度被压缩了约7倍。

24. 二级结构
• 由核小体连接起来的纤维状结构经
螺旋化形成中空的螺线管
(solenoid)。
• 螺线管的每一圈包括6个核小体，
外径约为30nm。
• 因此，DNA的长度在一级结构的基
础上又被压缩了6倍。

25. 三级结构
• 在光学显微镜下可见到有伸展的，
直径约为400nm的细丝筒状结构，
称为超螺线管(supercoil)。
• DNA的长度在二级结构的基础上被
压缩了40倍。

26. 四级结构
• 超螺线管再进一步螺旋折叠则形成
染色单体。
• DNA的长度在三级结构的基础上被
压缩了5倍。
• 因此由一条DNA长链，经过多级螺
旋化，可以使几厘米长的DNA与组
蛋白等物质共同形成几微米长的染
色体，其长度总共被压缩了8 000
倍～10 000倍。

29. • DNA also has primary, secondary, tertiary, and quaternary structures.
• (1) The primary structure of DNA is the primitive linear deoxyribonucleotide chain composed of
deoxyribonucleotides in order. The deoxyribonucleotides contain different nitrogenous base (A/T/C/G),
deoxyribose and one or more phosphate groups, and are linked by phosphodiester bonds.
• (2) DNA's secondary structure is a double helix formed on the basis of two complementary polynucleotide
strands by hydrogen bonds in base pairs. Actually, the stronger forces holding the two strands together
are stacking interactions between the bases. These stacking interactions are stabilized by Van der Waals
forces and hydrophobic interactions, and show a large amount of local structural variability. The two
polynucleotide chains form the right hand double helix with the same rotation around the same common axis.
The diameter of the spiral is 2.0nm. The sugar phosphate backbones of two polynucleotide chains are
located at the outer side of the double helix, while bases are located at the inner side. There are two
grooves in the double helix, which are called major groove and minor groove based on their relative size.
The axial distance between adjacent base pairs is 0.34nm, and the wheelbase of each helix is 3.4nm.
• (3) On the basis of the double helix, DNA molecules twist the coil further in order to form a super helix
to compress the volume. The resultant is called tertiary structure of DNA. The tertiary arrangement has
large-scale folding taking into consideration into geometrical and steric constraints. Usually, it
includes A-DNA, B-DNA and Z-DNA in space.
• (4) DNA’s quaternary structure is similar to that of the protein to some extent. The quaternary structure
of nucleic acids is the interaction between nucleic acids and other molecules. For example, the chromatin
is formed by interaction between DNA and small histones.

30. DNA分子的复制
• https://www.youtube.com/watch?v=VisJOA-7Ef0

31. DNA分子的复制
• DNA分子的复制指以亲代DNA
分子为模板合成子代DNA的过
程。
• DNA分子的复制发生在细胞的
有丝分裂或减数分裂的第一
次分裂前的间期。

32. DNA分子的复制
• 这时候，一个DNA分子双链之间
的氢键断裂，两条链彼此分开，
各自吸收细胞内的核苷酸，按
照硷基配对原则合成一条新链，
然后新旧链联系起来，各自形
成一个完整的DNA分子。
• 复制完毕时，原来的一个DNA分
子，即成为两个DNA分子，
• 因为新合成的每条DNA分子都含
有一条原来的链和一条新链，
所以这种复制方式称为半保留
复制。

33. DNA分子的复制
1. DNA的解旋
2. RNA引物的生成
3. DNA的生成
4. RNA引物的水解
5. DNA片段的连结

34. 1.DNA的解旋
• 利用细胞提供的能量
• 解旋酶将亲代DNA分子
的氢键断裂
• 部分双螺链解旋为二条
平行双链。

35. 2.RNA引物的生成
• 引物酶以单股DNA为模
板，合成小段（由几十
个核苷酸组成）RNA引
物。
• 引物酶由3’至5’读
DNA模板
• 由5’到3’的方向进行
聚合作用，合成引物

36. 3.DNA的生成
• DNA聚合酶以单股DNA为
模板，在RNA引物末端
合成DNA。
• DNA聚合酶无法凭空开
始作业。
• DNA聚合酶沿着DNA从
5'→3'方向进行聚合作
用。

37. 3.DNA的生成
• 由于DNA聚合酶以5'→3'
方向进行聚合作用，导致
DNA其中一条链的复制可
以连续性的进行
• 而另一条链由于聚合的方
向与解旋的方向相反而无
法连续性地进行，而只能
以片段的方式合成
• 形成冈崎片段（Okazaki
fragments）

38. 4. RNA引物的水解
• 当DNA合成一定长度后，
另一种DNA聚合酶以水
解RNA引物，补填缺口
换上DNA。

39. 5. DNA片段的连结
• 连结酶将DNA片段连结
起来
• 形成一条完整的新的
DNA链

40. DNA分子的复制
步骤 酶 结果
DNA的解旋 解旋酶 部分双螺链的氢键断裂，解旋为二条平
行双链。
RNA引物的生成 引物酶 单股DNA为模板，合成小段RNA引物。
DNA的生成 DNA聚合酶
III / δ
5‘→3’方向进行聚合作用，以单股
DNA为模板，在RNA引物末端合成DNA。
RNA引物的水解 DNA聚合酶
I / ε
水解RNA引物，补填缺口换上DNA。
DNA片段的连结 连结酶 DNA片段连结起来。

42. Meselson和Stahl的实验
• DNA半保留复制的实验证据
• 他们的同位素标记和密度梯度离心实验支持了半保留复制方
式。
• 采用重同位素15N作DNA标记。15N会导致DNA分子密度显著增加
，这样可通过密度梯度离心将亲本链和子代链区分开来。
• 将大肠杆菌放在15N培养基中生长15代，使DNA被15N标记后，
再将细菌移到只含有14N的培养基中培养。分别取0代、1代、
2代、3代的细胞，提取DNA，进行密度梯度离心，分辨重链
DNA、正常的轻链DNA和包含一条重链和一条轻链的DNA“杂种
链”。

43. • 离心后从管底到管口DNA分子就停留在与其相当的CsC1密
度处，紫外光下可以看到形成的区带。14N-DNA密度较轻，
停留在离管口较近的位置；15N-DNA密度较大停留在较低
的位置。

44. • 结果：按照半保留复制方式培养两代，只能出现14N和14N/15N两种
DNA分子，随着代数的增加14N-DNA逐渐增加。而14N/15N DNA区带
逐渐减弱。

45. • 结果：按照半保留复制方式培养两代，只能出现14N和14N/15N两种
DNA分子，随着代数的增加14N-DNA逐渐增加。而14N/15N DNA区带
逐渐减弱。

47. 基因的表达
• 将DNA分子上的基因（蕴含特定遗传信息的DNA序列）反
应到蛋白质分子的结构上
• 遗传信息的标准流程大致是这样：
• DNA製造RNA
• RNA製造蛋白质
• 蛋白质反过来协助前两项流程
• 并协助DNA自我複製

48. • https://www.youtube.com/watch?v=J3HVVi2k2No

49. 中心法则（the central dogma）
• 这种“DNA → RNA →蛋白质”的信息转移过程，即信息
的表达必须由DNA开始，而不能由蛋白质转移到蛋白质或
核酸中。
• 遗传信息的表达过程分为三大步骤：
• 转录
• 翻译
• DNA複製

51. • https://www.youtube.com/watch?v=8lv-ofdSmnA

52. RNA
• 核糖核酸RNA，是一类由核糖
核苷酸通过3',5'-磷酸二酯
键聚合而成的线性大分子。
• 自然界中的RNA通常是单链。
• RNA中最基本的四种碱基为
• A（腺嘌呤）- U（尿嘧啶）
• G（鸟嘌呤）- C（胞嘧啶）

53. DNA与RNA的比较
项目 DNA RNA
组成主干之糖类分子 2-脱氧核糖和磷酸 核糖和磷酸
骨架结构 规则的双螺旋结构 单螺旋结构
核苷酸数 通常上百万 通常数百至数千个
碱基种类
腺嘌呤（A） --- 胸腺嘧啶（T）
胞嘧啶（C） --- 鸟嘌呤（G）
腺嘌呤（A） --- 尿嘧啶（U）
胞嘧啶（C） --- 鸟嘌呤（G）
五碳糖种类 脱氧核糖 核糖
存在
细胞核（少量存在于线粒体、
叶绿体）
细胞质

54. RNA的类型
• 基于RNA的结构、功能与所在部位不同，主要有三种
类型：
• 信使RNA（mRNA）
• 转运RNA（tRNA）
• 核糖体RNA（rRNA）
• 其他类型还有
• dsRNA（有些病毒的遗传物质）
• miRNA（干扰RNA运作的微RNA）等等

55. RNA的功能
• 信使RNA（mRNA）是依据DNA序列转录而成的蛋白
质合成模板。
• 转运RNA（tRNA）是mRNA上遗传密码的识别者和
氨基酸的转运者。
• 核糖体RNA（rRNA）是组成核糖体的部分，而核
糖体是蛋白质合成的机械。

56. 遗传信息的转录
• 所谓“转录”是指遗传
信息由DNA传递到mRNA
上。
• 遗传信息的转录过程是
在RNA聚合酶的催代作
用下进行的。

57. 遗传信息的转录
• RNA聚合酶与DNA分子的
某一起动部位相结合
• DNA的这一特定片段的
双股螺旋解开
• 产生产生一个转录泡

58. 遗传信息的转录
• RNA聚合酶以其中的一
条链为模板聚合酶沿着
该链3’到5’移动。
• 按着硷基配对法则，由
5’到3’聚合成与该片
段相对应的mRNA分子。
有义链/编码链
反义链/模板链

60. 遗传信息的转录
• 这样，DNA中的遗传信
息便“转录”到了mRNA
上。
• 当RNA聚合酶离开DNA分
子后，新合成的RNA很
快脱落下来。
• 同时原来DNA螺旋中解
开的区域又重新恢复互
补硷基间的氢键的结合，
恢复了双螺旋。

61. mRNA的命运
• 在真核细胞中，刚转录好的mRNA前体需要经过修饰，才
能形成成熟的mRNA来转译。
• 添加5'端帽（capping）
• mRNA剪接
• 添加多个腺嘌呤序列作为尾巴
• （单一核苷酸修饰）

62. 5'端帽（capping）
• 在mRNA的5’加上一个经过
甲基化（methylation）修
饰的鸟嘌呤G。
• 使mRNA能够运输到细胞质并
与之后接到适当的核糖体。
• 维持mRNA本身的稳定是，避
免降解。

63. mRNA剪接（mRNA splicing）
• mRNA前体去除掉内含子而保留外显子的修饰过程。
• 通常mRNA前体能经由数种不同的剪接方式，产生不同型式
的mRNA，使一段基因在不同的组织或发育过程中能经过转
录-剪接-翻译后产生不同型式的蛋白质，进而拥有不同的
作用，或是产生出稳定性差的mRNA达到调控基因表达的目
的。

64. 多聚腺苷酸化（polyadenylation）
• 在mRNA前体的3'端上加上了一
段数个腺嘌呤序列（通常是数
百个）。
• 多聚腺苷酸尾（Poly-A Tail）
保护mRNA，免受核酸外切酶攻
击，并且对转录终结、将mRNA
从细胞核输出及进行翻译都十
分重要。

65. 单一核苷酸修饰（RNA editing）
• 有些mRNA的形成过程中会
在特殊的核苷酸上进行修
饰，如加上甲基或醇基。
• 这种修饰会改变tRNA对
mRNA上密码子的识别，更
可能改变了蛋白质上氨基
酸的组成。

67. 遗传密码 Genetic code
• 生物的遗传性状是以遗传信息
或遗传密码的形式主要编排在
DNA分子上的，表现为特定的硷
基排列顺序。
• （DNA或）mRNA序列以三个核苷
酸为一组的密码子codon。
• 密码子决定蛋白质的氨基酸序
列。

68. 起始密码子Start Codon
起始
终止
• 起始密码子是指
定信使RNA
（mRNA）上开始
合成蛋白质的密
码子，也是第一
个被核糖体翻译
的mRNA上的密码
子（成甲硫氨酸
Met）。
• 真核细胞的起始
密码子一般为
AUG。

69. 终止密码子Stop Codon
起始
终止
• 终止密码子代表
翻译的终止。
• 终止密码子使核
糖体的大小亚基
解离、翻译终止，
并将合成的多肽
链释出。

70. 阅读框架 Reading Frame
• 阅读框架是指将mRNA的碱基序列划分成连续、互不重叠
的三元组的方式或这样的划分方式在相应DNA上的对应。
• 翻译时核糖体读取mRNA的方向为5'端到3'端。
• 阅读框架一共有三种，划分各相隔一个碱基

71. 反密码子 Anticodon
• 反密码子是位于tRNA反密码环中部、
可与mRNA中的三联体密码子形成碱基
配对的三个相邻碱基。
• 在蛋白质的合成中，起解读密码、将
特异的氨基酸引入合成位点的作用。
• 反密码子与DNA的模板链是一样的
（除了U取代了T）。

72. 链与合成方向
• DNA和RNA的链都
从 5 ’末端 >
向 3’ 末端合成。
• 肽链从 氨基 末端>
向着 羧基 末端合成。
• 颜色助记法: 旧末
端是冷末端 (蓝
色); 新合成的末端
是热末端 (残基从
这一端加入链) (红
色)。

73. 遗传信息的转译
• 转译指细胞质中的tRNA，把氨基酸带到核糖体
上来，装配成为蛋白质的过程。
• tRNA的一端运载氨基酸，反密码区有跟mRNA中
密码子互补的反密码子。

74. 遗传信息的转译
• tRNA按照硷基互补的原则来寻找和识别mRNA分
子中密码的位置，准确无误地把一个个氨基酸
送入核糖体。
• 在核糖体上，一个个由tRNA运载来的氨基酸，
按照mRNA的密码相互连接不断装配起来，形成
中的多肽链便不断伸长。

75. 遗传信息的转译
• 当某一氨基酸从tRNA转到肽链上以后，相应
的tRNA就退出核糖体，再去搬运新的氨基酸。
• 直到碰上mRNA的终止密码时，因为终止密码
不能决定任何氨基酸，肽链合成便告结束。

76. 遗传信息的转译
• 当转译成的多肽链离开了核糖体，便一个个
盘曲、折迭形成一定的空间结构，形成蛋白
质分子。

77. 遗传信息的转译
• 核糖体是沿着mRNA从5'→3'方向移动的，或
者说mRNA以5'端穿过核糖体向前移动。
• 当一个核糖体搭到mRNA上，开始向前移动后
不久，另一个核糖体又可搭上去。

78. 遗传信息的转译
• 这样，一个mRNA分子上可以有几个核糖体连
续地进行流水作业，转译出相同的蛋白质多
肽链。

80. 复制、转录、
转译的比较
复制 转录 转译
时间
有丝分裂间期和减数
第一次分裂间期 生长发育的连续过程中
场所
主要在细胞核，少部
分在线粒体和叶绿体 细胞核 核糖体
原料 四种脱氧核苷酸 四种核糖核苷酸 二十种氨基酸
模板 DNA的两条链 DNA中的一条链 mRNA
条件
解旋酶、DNA聚合酶 RNA聚合酶 核糖体
过程
DNA解旋，以两条链
为模板，按硷基互补
配对原则，合成两条
子链，子链与对应链
螺旋化
DNA解旋，以一条链为模
板，按硷基互补配对原则，
形成mRNA（单链），进
入细胞质与核糖体结合
tRNA 一 端 的 硷 基 与
mRNA上密码子配对，
另一端携相应的氨基酸，
合成有一定氨基酸序列
的蛋白质
模板去向
分 别 进 入 两 个 子 代
DNA分子中
恢复原样，与非模板链重
新绕成双螺旋结构 分解成单个核苷酸
特点
边解旋边复制，半保
留复制
边解旋边转录，DNA双链
全保留
一个mRNA上可连续结
合多个核糖体，顺次合
成多肽链
产物 两个双链DNA分子
一条单链mRNA、rRNA、
tRNA
蛋白质
意义
复制遗传信息使遗传
信息从亲代传给子代 表达遗传信息，使生物体表现出各种遗传性状