天津农学院遗传学教案

遗传学教案第一章绪言    遗传学（genetics）是一门新兴的、发展非常迅速的学科，它已成为生物科学领域中一门十分重要的基础学科。1.概念、研究对象、研究内容1.1概念    早在中国古代，人们就发现了子代和亲代相似的遗传现象。俗话说的“种瓜得瓜，种豆得豆。”就是对遗传现象的简单说明。任何生物都能通过各种生殖方式产生与自己相似的个体，保持世代间的连续，以绵延其种族。这种子代和亲代、子代和子代个体之间的相似性叫做“遗传”（heredity）。无论哪种生物，动物还是植物，高等还是低等，复杂还是简单，都 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现出子代与亲代之间的相似性或类同。同时，子代与亲代之间，及子代个体之间总能觉察出不同程度的差异。后代只能和亲代相似，决不会完全和亲代相同，“一母生九子，子子各不同”这是普通的常识。这种子代和亲代、子代和子代个体之间的差异叫做变异（variation）。遗传与变异现象在生物界普遍存在，是生命活动的基本特征之一。    狭义定义遗传：子代和亲代、子代和子代个体之间的相似性。    变异：子代和亲代、子代和子代个体之间的差异。    广义定义遗传：同种个体之间的相似性。    变异：同种个体之间的差异。    遗传比较保守，变异要求变革、发展，矛盾的两方面是相互制约相互发展的。没有变异，生物界就失去进化的素材，遗传只能是简单的重复；没有遗传，变异不能累积，变异就失去意义，生物也不能进化。变异是在遗传的范围内进行变异，遗传也受变异的制约；只能使后代和上代之间相似而不相同。遗传是相对的，变异是绝对的，在遗传的过程中始终存在着变异，遗传和变异是伴随着生物的生殖而发生的（遗传学上的生殖多指有性生殖）。遗传变异对立统一的矛盾运动，共同推动生物向前发展进行。遗传和变异的关系： (1)遗传是相对的，变异是绝对的。(2)遗传是保守的，变异是变革的，发展的。(3)遗传和变异是相互制约又相互依存的。(4)遗传变异伴随着生物的生殖而发生。1.2研究对象    一切生物都是遗传学研究的对象。1.3研究内容：生物的遗传变异 (1)生物为什么会产生遗传和变异。(2)有没有控制遗传变异的物质，是否存在遗传物质，如果有是什么，在   生物的什么部位，如何控制遗传变异。(3)遗传和变异有哪些规律。(4)如何利用遗传规律为人类服务。第二章遗传的细胞学基础    现在地球上生活着的动植物和微生物中，除去病毒和噬菌体等最简单的生命类型外，所有生物都是由细胞组成的。大量研究证明，细胞是生物体形态结构和生命活动的基本单位。    所有生物的全部生命活动中，繁殖后代是生物得以世代延续的一个必要环节，而只有通过繁殖后代才能表现出遗传和变异，适应和进化等重要的生命现象。不同生物的繁殖方式是不同的，然而不论是无性还是有性凡殖，又都是以细胞为基础的，通过一系列构成细胞物质的复制，分裂而完成的。所以，为了研究生物遗传和变异的规律及其机理，必须首先了解细胞的结构和功能、细胞增殖的方式及其与遗传的关系。第一节细胞的结构和功能  １细胞膜    细胞是由细胞膜、细胞质和细胞核三部分所组成。    细胞膜是一切细胞不可缺少的表面结构，是包被着细胞内原生质的一层薄膜，简称质膜。它使细胞成为具有一定形态结构的单位，借以调节和维持细胞内微小环境的相对稳定性。原生质是指细胞所含有的全部生活物质：包括细胞质和细胞核两部分。质膜的厚度约为７０－－１００Ａ。    在电子显微镜下观察细胞的结构，不仅可以看到细胞膜的超微结构，而且还可以看到细胞内许多物体也具有膜的结构。因此，根据膜的有无，可以把整个的细胞结构分为两大类别：     （１）膜相结构，包括细胞膜、线粒体、质体、内质网、高尔基体、液泡和核膜等。（２）非膜相结构，包括细胞壁、核糖体、中心体、染色体和核仁等。    在膜相结构中，所有的膜都是由蛋白质和磷脂组成的，其中还有少量的糖类物质，固醇类物质及核酸等。    细胞膜对细胞生命活动具有重要有作用。据近来研究认为，质膜是流动性的嵌有蛋白质的脂质双分子层的液态结构。它的主要功能在于能主动而有选择地通透某些物质，既能阻止细胞内许多有机物的渗出，同时又能调节细胞外一些营养物质的渗出。质膜上各种酶，对于多种物质透过质膜起着关键性的作用。质膜上一些蛋白质可与某些物质结合，引起蛋白质的空间结构改变，即变构作用，因而导致物质通过细胞膜而进入细胞或从细胞中排出。同时某些物质也可以从高浓度流向低浓度而渗入细胞，或从细胞中渗出。此外，质膜对于信息传递，能量转换，代谢调控，细胞识别和癌变等方面，都具有重要的作用。２细胞质：    细胞质是在质膜内环绕着细胞核外围的原生质，其中含有的液体是细胞浆，呈胶体溶液，内有许多蛋白质分子，脂肪，溶解在内的氨基酸分子和电解质，在细胞质内还包含着各种细胞器。细胞器是指细胞质内除了核以外的一些具有一定形态，结构和功能的物质。它们包括，线粒体、质体、中心体、溶酶体、核糖体、内质网、高尔基体和液泡等其中有些细胞器只是某些生物所特有的。例如，中心体只是动物和一些蕨类及裸子植物有；质体只是绿色植物有。细胞器是细胞里有生命活动的组成部分。现已肯定线粒体、叶绿体、核糖体和内质网等具有重要的遗传功能。２.１线粒体    线粒体内含有它自身的ＤＮＡ，与同细胞内核的ＤＮＡ在碱基成分上不同，即鸟嘌呤和胞嘧啶碱基对的含量有别，而且没有同组蛋白结合，表现为裸露的环状ＤＮＡ。此外，线粒体内有核糖体，能合成蛋白质，并且有自身复制的能力。因此，一般认为线粒体在遗传上有一定的自主性。    近来发现，线粒体的活性和作物杂种优势之间存在某些相关性。例如，能产生杂种优势的两个亲本类型的线粒体，在体外混合时，常表现出超亲的活性，这种现象叫线粒体互补作用。此种方法正在式用于杂种优势的预测。２.２质体    有叶绿体，有色体和白色体三种，叶绿体和线粒体一样含有本身的ＤＮＡ，还有ＲＮＡ及核糖体，能够分裂增殖，并能发生白化等突变，表明叶绿体本身是具有一定独立的遗传功能。２.３核糖体    普遍存在于活细胞内，主要成分大约由４０％的蛋白质和６０％的rＲＮＡ所组成。核糖体可以附着在内质网上，有些也可以游离在细胞质中或核内，它是细胞内一个很重要的成分，是合成蛋白质的主要埸所。２.４内质网    是在细胞内广泛分布的膜相结构，内质网的表面，有的光滑，有的附着直径约１００－－２００埃的核糖体颗粒，前者称为平滑型内质网，后者称粗糙型内质网。内质网是输送合成原料和最终产物的通道。３细胞核3.1研究内容：生物的遗传变异所有生物都具有一定的细胞结构，但在细胞结构的组成上，各种生物是不同的。根据细胞结构的复杂程度，可把生物界的细胞分为两类：原核细胞和真核细胞。两者的主要区别在于，原核细胞仅含有核物质，没有核膜，通常称为拟核或核质体。细菌和蓝藻等低等生物的细胞属于这种结构，统称为原核生物。真核细胞不仅含有核物质，而且有核结构，即核物质被核膜包被在细胞核里。除了原核生物，所有的高等植物、动物、以及单细胞藻类、真菌和原生动物等都具有这种真核细胞生物，故统称为真核生物。    细胞核是由核膜、核浆、核仁和染色质四部分组成。    核膜：是核的表面膜，它把核与细胞质划分为两个功能不同而又密切相关的部分。在电子显微镜下可以见到核膜为两层的薄膜，膜上分布着直径约为４００－－７００Ａ的核孔，它们在很多地方是通过内质网与质膜相通的，所以核孔与细胞的活性有着密切的关联。在细胞分裂的前期，核膜开始解体，形成小泡状物，散布在细胞质中，到细胞分裂末期，核膜重新形成，并把染色体包被起来。    核液：核内充满着核液，在电子显微镜下，核液是分散在低电子密度构造中的直径为１００－－２００Ａ的小颗粒和微细纤维。由于这种小颗粒与细胞质内核糖体的大小类似，因此有人认为它可能是核内蛋白质合成的埸所。    核仁：核内一般有一个或几个折光率很强的核仁，其形态为圆形。电镜观察表明，各种细胞的核仁都裸露在核质中，没有外膜包被，呈团块状或线网状。在细胞分裂过程中，核仁有短时间的消失，实际上只是暂时的分散，以后又重新聚集起来。核仁的功能一般认为它与核糖体的合成有关，是核内蛋白质合成的重要埸所。    染色质和染色体：在细胞尚未进行分裂的核中，可以见到许多由于碱性染料而染色较深的，纤细的网状物，这就是染色质。当细胞分裂时，核内的染色质便卷缩而呈现为一定数目和形态的染色体。当细胞分裂结束进入间期时，染色体又逐渐松散而回复为染色质。所以说，染色质和染色体实际上是同一物质在细胞分裂中所表现的不同形态。染色体是核中最重要而稳定的成分，它具有特定的形态结构和一定的数目，具有自我复制的能力，并且积极参与细胞的代谢活动，能出现连续而有规律的变化。它在控制生物性状的遗传和变异上具有极其重要的作用。遗传学中通常把控制生物性状的遗传物质单位叫做基因，例如，水稻芒的有无，植株的高矮等都是受一定的基因所控制。大量的实验证实，基因就是按一定顺序在染色体上成直线排列的。因此，染色体是生物遗传物质的主要载体。第二节染色体的形态和数目 １染色体的形态特征     早在１８４８年，当Hofmeister研究紫鸭草的花粉母细胞时，已经发现染色体并加以描述。四十年后，由Waldeyer将它命名为染色体。染色体是细胞核中最重要的组成部分。几乎在所有的生物细胞中，包括噬菌体在内，在光学显微镜或电子显微镜下都可以看到染色体的存在。各个物种的染色体都各有特定的形态特征。在细胞分裂过程中，染色体的形态和结构表现有一系列规律的变化，其中以有丝分裂的中期和早后期表现得最为明显和典型。因为这个阶段染色体收缩到最粗最短的程度，并且从细胞的极面上观察，可以看到它们分散地排列在赤道板上，故通常都以这个时期进行染色体形态的识别和研究。     根据细胞学的观察，在外形上可以看到：每个染色体都有一个着丝粒和被着丝粒分开的两个臂。在细胞分裂时，纺锤丝就附着在着丝粒区域，这就是通常所称的着丝点部分。着丝点和着丝粒虽然被当作同义词使用，但它们实际上是在空间位置上相关，而构造上又有别的两个结构。目前认为，着丝粒是主缢痕处的一种内部粒状结构，分裂中期的两条染色单体在这里保持联系；而着丝点是主缢痕处的一种和纺锤丝微管相接触的结构，是微管蛋白聚合的中心。染色体经过染色后，当两个臂被染色时，着丝点不染色，使染色体在光学显微镜下就象在着丝点部分中断了，于是着丝点区域又被称为主缢痕。各个染色体的着丝点位置是恒定的，因而着丝点的位置直接关系染色体的形态表现。如果着丝点位于染色体的中间，成为中间着丝点染色体，则两臂大致等长，因而在细胞分裂后期当染色体向两极牵引时表现为Ｖ形。如果着丝点较近于染色体的一端，成为近中着丝点染色体，则两臂长短不一，形成为一个长臂和一个短臂，因而表现为Ｌ形。如果着丝点靠近染色体末端，成为近端着丝点染色体，则有一个长臂和一个极短的臂，因而近似于棒状。如果着丝点就染色体末端，成为顶端着丝点染色体，由于只有一个臂，故亦呈棒状。此外，某些染色体的两臂都极其粗短，则呈颗粒状。     在细胞分裂过程中，着丝点对染色体向两极牵引具有决定性的作用。如果某一染色体发生断裂而形成染色体的断片，则缺失了着丝点的断片将不能正常地随着细胞分裂而分向两极，因而常会丢失。反之，具有着丝点的断片将不会丢失。     着丝点所在的缢缩部分是主缢痕。在某些染色体的一个或两个臂上还常另外有缢缩部位，染色较淡，称为次缢痕。它的位置是固定的，通常在短臂的一端。某些染色体次缢痕的末端所具有的圆形或略呈长形的突出体，称为随体。它的大小可以不同，其直径可与染色体同样，或者较小，甚至小到难以辩认的程度。联接染色体臂和随体的次缢痕也可长或短。次缢痕的位置和范围，也与着丝点一样，都是相对恒定的。这些形态特征也是识别某一特定染色体的重要标志。     此外，染色体的次缢痕一般具有组成核仁的特殊功能，在细胞分裂时，它紧密联系着一个球形的核仁，因而称为核仁组织中心。例如，玉米第六对染色体的次缢痕就明显地联系着一个核仁。也有些生物在一个核中有两个或几个核仁。例如，人的第１３、１４、１５、２１和２２对染色体的短臂上都各联系着一个核仁。     不同物种和同一物种的染色体大小差异都很大，而染色体大小主要指长度而言，在宽度上同一物种的染色体大致是相同的。一般染色体长度变动于０.２０－－５０微米；宽度变动于０.２０－－２.００微米。在高等植物中单子叶植物一般比双子叶植物的染色体大些，但双子叶植物中牡丹属和鬼臼属是例外，具有较大的染色体。玉米，小麦，大麦和黑麦的染色体比水稻为大；而棉花，苜蓿。三叶草等植物的染色体较小。     各种生物的染色体形态结枸不仅是相对稳定的，而且数目一般是成对存在的。这样形态和结构相同的一对染色体称为同源染色体；而这一对染色体与另一对形态结构不同的染色体，则互称为非同源染色体。例如，水稻有１２对同源染色体，这１２对同源染色体彼此即互称为非同源染色体。在细胞遗传上可以根据各对同源染色体的形态特征，予以编号，以便识别和研究。例如，水稻和玉米可按各对染色体长度和着丝点的位置而编号列于表１－１，根据长臂与短的比值，可在细胞分裂后期看到染色体形态的不同，凡比值接近１的，染色体呈ｖ形；比值接近或大于２的，将呈Ｌ形；比值更大，将呈棒状。     近年来由于染色体分带技术的发展，可以更确切地鉴定各对同源染色体。染色体分带技术开始于１９６９年，是最近十几年发展起来的一项细胞学新技术。它使用特殊的染色方法，使染色体产生明显的染色的色带（暗带）和未染色的明显相间的带型，形成了鲜明的染色体个体性。因此，可作为鉴别单个染色体和染色体组的一种手段。同时，对研究染色体结构和功能，开辟了一条新的途径。 染色体分带技术有下列几种方法：      （１）荧光显带法本法是最先用于分带技术的。动、植物染色体都可用荧光染料奎吖因（quinaerine)，染液处理后，在荧光显微镜下呈现明暗不同的带区。由于用奎吖因处理后才显带的故称Ｑ带。其缺点是不能制作永久标本片。    （２）吉姆萨（Ｇiemsa）显带法本法将材料经过处理后，进行Ｇimesa染色，最后能做成永久的封片，在光学显微镜下观察。因为它是用Ｇiemsa染色体显带的，故称Ｇ带。一般讲Ｇ带与Ｑ带是一致的。     （３）反带（reverseband）法应用本法染色后所显示的带与其他带型相反，如用Ｇiemsa染色显带的地区，即Ｇ－带，用反带法则相反，成为明亮区，故称Ｒ－带。本法可用吖啶橙染色，也可用Ｇiemsa染色,但染色程序与G－带的方法不同。     （４）末端（termind)显带法本法是对染色体末端区的特殊显带法，能产生特殊的末端带型，故称Ｔ－带。对分析染色体易位时有一定价值。     （５）Ｃ－带法本法专门为显示着丝点区附近的结构异染色质的，故称Ｃ－带。此法先用现酸（ＨＣＬ）和硷（ＮaＯＨ）作变性处理，最后用Ｇiemsa染色。（和显Ｇ－带的方法也不同）     根据各对染色体上表现出琐的染色带型或萤光区域，从而可以在染色体长度，着丝点位置长短臂比，随体有无等特点的基础上，进一步根据染色的显带表现区分出各对同源染色体，予以分类和编号。例如，人类的染色体有２３对（2n=46),其中２２对为常染色体，另一对为性染色体。目前国际上已根据人类各对染色体的形态特征及其染色的显带表现，把它们统一地划分为７组（Ａ、Ｂ......Ｇ），分别予以编号。这样把生物核内全部染色体的形态特征所进行的分析，称为组型分析或称核型分析。 二、染色体的数目      各种生物的染色体数目往往差异很大。     有些生物的细胞中除具有正常恒定数目的染色体以外，还常出现额外的染色体。通常把正常的染色体统称为Ｂ染色体，也称超数染色或副染色体。现已６４０多种植物和１７０多种动物中发现Ｂ染色体，最常见的有玉米、黑麦、山羊草等植物。它较Ａ染色体为小，多由异染色质所组成，不载有基因一般对细胞和个体的生存没有明显的影响。它能自我复制，并在细胞分裂过程中传递给子代，只是当它增加到一定数目时，则会影响生存。例如玉米超过５个，黑麦超过６个，即不利于生存。     原核生物虽然没有一定结构的细胞核，但它们同样具有染色体，是裸露的ＤＮＡ分子或ＲＮＡ分子，但没有与组蛋白结合在一起；在形态上，有些呈线条状，有些连接成环状，通常在原核生物的细胞里只有一个染色体，因而它们在ＤＮＡ含量上远低于核生物的细胞。例如，大肠杆菌含有一个染色体，呈环状。它的ＤＮＡ分子中含有的核苷酸对为３，长度为１、１ｍｍ。而蚕豆配子中染色体（n=6）核苷酸对为２１０，长度为６０００ｍｍ。 第三节染色体的一般结构     染色体的结构是单线还是多线，这也是长期争论的问题，目前来看，侧向于单线说，一般都认为在间期核Ｓ期中，每条染色体已含有两染色线。每一条染色线含有一个ＤＮＡ分子，称为染色单体，每条中期染色体上可清楚地看到含有两条染色单体。在染色线上还可以看到含有两条染色单体。在染色线上还可以看到染色很深的颗粒称为染色粒。染色粒的大小不同，在染色线上有一定的排列顺序。一般认为它们就是由于染色质线反复盘绕卷缩形成的。在染色质线的周围，过去认为存在着基质，并在基质表面还可能有一层表膜。但是，根据电子显微镜等方面的研究没有能够证实基质和表膜的存在。 二染色体的超徽结构     染色质是染色体在细胞分裂的间期所表现的形态，呈纤细的丝状结构，故也称为染色质线。它是ＤＮＡ和蛋白质的复合物，其中ＤＮＡ的含量约占染色质重量的３０－４０％，是最重要的遗传物质。组蛋白是与ＤＮＡ结合的硷性蛋白；它与ＤＮＡ的含量比率大致相等，是很稳定的，在染色质结构上具有决定的作用。     根据染色的反应，染色体中的染色质可区分为两种：异染色质和常染色质。异染色质是染色质线中染色很深的区段，这称为异染色质区；常染色质是染色很浅的区段，称为常染色质区。据分析，异染色质和常染色质在化学性质上并没有什么差别，只是核酸含量上的不同。并且根据电子显微镜的观察，二者在结构上是连续的。在细胞分裂间期异染色质区的染色质线仍然是高度螺旋化而紧密卷缩的，故能染色很深。而常染色质区的染色质线是解脱螺旋而松散的，故染色很浅，不易看到。这种染色体的某些部分与所有其它部分不同步的成螺旋现象称为异固缩。 copyright©2005-2006天津农学院农学系遗传教研室版权所有e农网站 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制作地址：天津农学院农学系email:zl1952@yahoo.com.cnTel:022-23789376第三章遗传物质的分子基础     遗传学自1900年诞生后，在差不多半个世纪的时间里，人们一直在探索到底什么是遗传物质。生物性状的遗传和变异都是由遗传物质控制的，Mendel称遗传物质为遗传因子（inheritedfactor）。1909年，Johannsen用gene替代Mendel的遗传因子，沿用至今。由于性状的遗传，即分离与重组行为与染色体的行为是平行的，因而认为遗传物质——基因存在于染色体上。那么，基因的化学本质是什么，基因是怎样控制性状的呢？要了解基因的化学本质，首先要考虑基因所在的染色体的化学成分。染色体主要由DNA、组蛋白、非组蛋白、以及RNA组成。DNA和组蛋白的分量大致相等，两者相加，构成了染色体的大部分。非组蛋白的比率变化很大，RNA含量很低。在很长一段时间内，人们以为蛋白质是遗传物质。人们之所以认为蛋白质是遗传物质而不认为DNA是遗传物质，其主要原因是：人们认为生物界是多样性的，生物种类成千上万，各种生物又有成百上千的不同性状，控制这些性状的遗传物质也应该是多样性的。只有蛋白质的多样性才符合这一要求。1、每个物种中，不同组织的细胞，无论其大小和功能如何，细胞核中的DNA含量都是恒定的。而且精子和卵子种的DNA含量正好是体细胞中的一半。多倍体系列的一些物种，细胞中DNA的含量随染色体倍数的增加也呈倍数性递增。而细胞中RNA和蛋白质的含量在不同细胞中的变化很大。2、DNA是所有生物所共有的，从噬菌体（phage），病毒（virus）直到人类的染色体中都含有DNA，而蛋白质则不同，噬菌体和病毒的染色体上不含有的蛋白质不存在于染色体上，而蛋白质只存在于外壳上，细菌的染色体上也没有蛋白质，只有真核生物的染色体上才有蛋白质的存在。3、DNA在代谢上是稳定的。细胞内的其他分子，如蛋白质，都是一面迅速合成，一面又不断分解，但是若某个元素被DNA分子所吸收，则在细胞健全生长的条件下，它不会离开DNA。两类核酸及其分布    核酸（nucleicacid）是一种高分子化合物。构成核酸的基本单元是核苷酸（nucleotide）。核酸是核苷酸的多聚体。　　每个核苷酸又由三部分组成：五碳糖、磷酸和环状的含氮碱基。　　含氮碱基共有5种：两种双环结构的嘌呤（purine）和三种单环结构的嘧啶（pyrimidine）。见图HYPERLINK"http://course.tjac.edu.cn/3-4.jpg"3－4。嘌呤有腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）；嘧啶有胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）和尿嘧啶（U）。　　在多聚体中，两个核苷酸之间由5'和3'位的磷酸二脂键相连。见图HYPERLINK"http://course.tjac.edu.cn/3-5.jpg"3－5。　　核酸有两种：核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。　　两种核酸的主要区别如下：DNARNA磷酸磷酸脱氧核糖核糖A、T、G、CA、U、G、C　　此外，DNA通常以双链形式存在，RNA则多以单链形式存在。   在真核生物中，绝大部分DNA存在于细胞核内的染色体上，少量DNA存在于细胞质中的叶绿体、线粒体等细胞器中。RNA在细胞核和细胞质中都有，在核内，RNA主要集中在核仁上，少量在染色体上。     　　细菌也含有DNA和RNA。　    多数噬菌体只含有DNA；多数植物病毒只含有RNA；动物病毒有的含RNA，有的含DNA。   DNA分子是脱氧核苷酸的多聚体。脱氧核苷酸有四种，即：脱氧腺嘌呤核苷酸（dATP）、脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTTP）、脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGTP）、脱氧胞嘧啶核苷酸（dCTP）    DNA双螺旋结构模型1953年4月25日，Watson，J·D和Crick，F.在英国Nature杂志上发表论文（HYPERLINK"http://jpkc.yzu.edu.cn/course/yichuanxue/chap/IMAGE/watsoncrick-DNA%20structure.pdf"WatsonCrickDNAStructure)，根据碱基互补配对的规律HYPERLINK"http://jpkc.yzu.edu.cn/course/yichuanxue/chap/CH3/part2/biao3-1.htm"（表3-1）以及对DNA分子X射线衍射研究的成果HYPERLINK"http://course.tjac.edu.cn/3-6.jpg"（图3-6），提出了著名的DNA双螺旋结构模型（图3-7）。这个模型已为以后拍摄的电镜直观形象所证实。这个空间构型满足了解答分子遗传学许多基本问题的需要。例如：DNA的复制、DNA对于遗传信息的贮存及其改变和传递等，从而奠定了分子遗传学的基础。Watson和Crick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（hydrogenbond）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（HYPERLINK"http://course.tjac.edu.cn/3-8.jpg"图HYPERLINK"http://course.tjac.edu.cn/3-7.jpg"3-8）。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（majorgroove）和小沟（minorgroove）交替出现。表3-1不同物种中DNA的碱基含量物种鸟嘌呤（G）腺嘌呤（A）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）A+G/T+CG+C/A+T人19.930.919.829.41.030.66小麦23.825.624.626.00.970.94洋葱18.431.818.231.31.010.58菜豆20.629.720.129.61.010.69酵母48.331.717.432.61.000.56大肠杆菌26.024.725.723.61.021.07T2噬菌体18.232.516.832.51.020.54 由上可知，DNA的分子结构是由A-T和C-G两种核苷酸对从头到尾连接起来的，每个DNA分子一般有上万个这两种核苷酸对，但是他们在分子链内排列的位置和方向只有以下4种形式：A---TC---GA---TG---C或或或C---GA---TG---CA---T   假设某一段DNA分子链有1000对核苷酸，则该段就可以有41000种不同的排列组合形式，41000种不同排列组合的分子结构，反映出来的就是41000种不同性质的基因。因为现在已经知道基因是DNA分子链上的一个区段，其平均大小为1000对核苷酸。   然而，对一特定物种的DNA分子来说，其碱基顺序是一定的，并且通常保持不变，这样才能保持该物种遗传特性的稳定。只有在特殊的条件下，改变期碱基顺序或碱基类似物代替某一碱基时，才出现遗传的变异（突变）。 DNA构型    DNA的构型并不是固定不变的，除主要以Watson和Crick提出的右手双螺旋构型存在外，还有许多变型。现在一般将Watson和Crick提出的双螺旋结构称为B-DNA（如图HYPERLINK"http://course.tjac.edu.cn/BDNA.gif"B－DNA）。B-DNA是DNA在生理状态下的构型。生活细胞中绝大多数DNA以B-DNA形式存在。        但当外界环境条件发生变化时，DNA的构型也会发生变化。实际上在生活细胞中，B-DNA一螺圈也并不正好是10个核苷酸对，而平均为10.4对。DNA在高盐浓度下时，则以A-DNA形式存在（HYPERLINK"http://course.tjac.edu.cn/3-9.jpg"图3-9）（HYPERLINK"http://course.tjac.edu.cn/ADNA.gif"A－DNA）。A-DNA是DNA的脱水构型，右手螺旋，但每螺圈含有11个核苷酸对。A-DNA比较短和密，其平均直径为2.3nm。大沟深而窄，小沟宽而浅。在活体内DNA并不以A构型存在，但细胞内DNA-RNA或RNA-DNA双螺旋结构，却与A-DNA非常相似。                                           B－DNA                                   A－DNA                                          Z－DNA    现在还发现，某些DNA序列可以以左手螺旋的构型存在，称为Z-DNA（HYPERLINK"http://course.tjac.edu.cn/3-9.jpg"图3-9）（HYPERLINK"http://course.tjac.edu.cn/ZDNA.gif"Z－DNA）。当某些DNA序列富含G-C，并且当嘌呤和嘧啶交替出现时，可形成Z-DNA。Z-DNA除左手螺旋外，其每个螺圈含有12个碱基对，分子直径为1.8nm，并只有一个深沟。现在还不知道Z-DNA在活体内是否存在。DNA除上述构型外，在特定的条件下，如脱水等，还可以C、D、E等多种形式的右手螺旋构型存在，但是通常他们在生物体内并不存在。    DNA结构除上述构型变化外，在体内还可能以超螺旋的形式存在。从病毒到高等生物，DNA在生物体内表现为负超螺旋（negativesupercoil）形式。负超螺旋是DNA在复制过程中在拓扑异构酶（toposomerase）的催化下形成的。现在已有很多证据表明，这种负超螺旋结构与DNA复制、重组以及基因的表达和调控等有关。 RNA的分子结构从化学组成上看，RNA的分子也是由四种核苷酸组成的多聚体。它与DNA的不同在于：　　首先，在RNA中没有胸腺嘧啶(T),只有尿嘧啶(U),也就是说U代替了T。 　　其次，核糖代替了脱氧核糖。 此外，还有一个重要的不同点，就是绝大部分RNA以单链形式存在，而不是象DNA那样始终是以双链形式存在的。但是单链RNA可以自身折叠起来形成若干双链区域。在这些区域内，凡互补的碱基对间可以形成氢键（HYPERLINK"http://course.tjac.edu.cn/3-10.jpg"图3-10）。但有少数以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。第三节染色体的结构染色体名称的由来    染色体(chromosome)之所以称为染色体，是因为它能被碱性染料染色，而细胞的其他组成分都不能被碱性染料染色的缘故。　　前面我们介绍过，染色体是遗传物质的载体，我们也已经知道，DNA（或RNA）是生物共同的遗传物质。那么DNA（或RNA）又是如何组成染色体的呢？下面我们对染色体的结构作一介绍。原核生物的染色体    与真核生物相比，原核生物的染色体要简单的多，其染色体通常只有一个核酸分子（DNA或RNA），其遗传信息的含量也比真核生物少得多。    病毒染色体只含一条DNA或者RNA分子，可以是单链也可以是双链；大多呈环状，少数呈线性分子。    细菌染色体均为环状双链DNA分子。虽然病毒和细菌的染色体比真核生物小的多，但其伸展长度仍然远远大于自身细胞的最大长度。例如；λ噬菌体DNA伸展长度为17μm，而染色体存在的噬菌体头部直径只有0.1μm。大肠杆菌（Escherichiacoli）的DNA分子伸展长度有1200μm，而细菌直径只有1～2μm（HYPERLINK"http://course.tjac.edu.cn/3-11.jpg"图3-11）。这样长的DNA是如何装载到病毒或者细菌里去的呢？    很长时间以来，人们一直认为原核生物的染色体就是裸露的DNA或RNA分子。但是，近年来的研究发现，实际情况并非如此。原核生物的染色体并不是像过去人们认为的那样是“露裸”的DNA分子，其DNA分子同样与蛋白质和RNA等其他分子结合在一起。例如：大肠杆菌DNA与几种DNA结合蛋白(DNA-bindingprotein)相结合。这些DNA结合蛋白很小，但在细胞内数量很多，他们含有较高比例带正电荷的氨基酸，可以与DNA分子上带负电荷的磷酸基团相结合，其特性与真核生物染色体中的组蛋白（histone）相类似。大肠杆菌的染色体DNA除与蛋白质结合外，还结合有RNA。它的染色体是由50-100个独立的负超螺旋组成的环状结构（HYPERLINK"http://course.tjac.edu.cn/3-12.jpg"图3-12），RNA和蛋白质结合在上面，以保持其结构的稳定性。染色质的基本结构    染色体在细胞分裂的间期表现为染色质（chromatin）的状态，呈纤细的丝状结构，故亦成为染色质线（chromatinfiber）。在真核生物中，它是脱氧核糖核酸（DNA）和蛋白质及少量核糖核酸（RNA）组成的复合物，其中DNA的含量约占染色质重量的30%。    蛋白质包括组蛋白和非组蛋白二类。组蛋白是与DNA结合的碱性蛋白，有H1、H2A、H2B、H3和H4五种，其在细胞中的比例大致是1：2：2：2：2。它们是除精子等少数细胞外，为所有生物和细胞所共有。它与DNA的含量比率大致相等，是很稳定的，在染色质结构上具有决定性作用。而非组蛋白在不同细胞间变化很大，在决定染色体结构中的作用可能不是很大，它们可能与基因的调控有关。    近来研究发现，染色质的基本结构单位是核小体（nucleosome）。在核小体与核小体之间由连接DNA（linkerDNA）和一个小分子的组蛋白H1相连。每个核小体的核心是由H2A、H2B、H3和H4四种组蛋白各以两个分子组成的八聚体，其形状近似于扁球体（HYPERLINK"http://course.tjac.edu.cn/3-13.jpg"图3-13）(HYPERLINK"http://course.tjac.edu.cn/nucleosome.gif"nucleosoms)。DNA双螺旋就盘绕在这八个组蛋白分子的表面。连接丝是两个核小体之间的双链DNA,由它把两个相邻的核小体串联起来。组蛋白H1结合于连接丝和核小体的接合部位。如果H1被除去，核小体的基本结构并不会因此而改变。据测定，在大部分细胞中，一个核小体及其连接丝约含有180-200个碱基对(basepair，bp)的DNA，其中约146bp盘绕在核小体表面1.75圈，其余碱基则为连接丝，其长度变化较大，从8bp到114bp不等。    根据染色反应，间期细胞核中的染色质可以分为两种：异染色质（heterochromatin）和常染色质(euchromatin)。异染色质是染色质中染色较深的区段，常染色质是染色较浅的区段。    异染色质和常染色质在化学组成上并没有什么区别，而只是螺旋化程度不同。在细胞分裂间期，异染色质区的染色质仍然是高度螺旋化而紧密卷缩的，相对而言，在单位空间内DNA的浓度很高，故染色很深。而常染色质区的染色质因为脱螺旋化而呈松散状态，相对而言，在单位体积内DNA的浓度很低，故染色很浅。    异染色质又可分为组成型异染色质（constitutiveheterochromatin）和兼性异染色质(facultativeheterochromatin)。    组成型异染色质主要是高度重复的DNA序列，大多分布在染色体的特殊区域，如着丝点、端粒部位等，一般来说这些区域只与染色体结构有关，而不含有结构基因。兼性异染色质可以存在于任何部位，它可以在某类细胞内表达，而在另一细胞内完全不表达。哺乳动物的X染色体就是兼性异染色质。对某个雌性动物来说，其中一条X染色体表现为异染色质而完全不表达其功能，而另一条则表现为功能活跃的常染色质。染色体的结构模型   在细胞有丝分裂的中期，利用光学显微镜可以观察到：染色体的结构是由两条染色单体(chrmatid)组成的。每条染色单体包括一条染色线(chromonema)，以及位于线上的许多染色很深的颗粒状染色粒（chromomere）。染色粒的大小不同，在染色线上有一定的排列顺序，一般认为它们是由于染色线反复盘绕卷缩形成的。现已证实每个染色体所含的染色线是单线的，即一个染色体所包含的两条染色单体都分别是单线的，换言之，每条染色单体是一个DNA分子与蛋白质结合形成的染色线。当完全伸展时，其直径不过10nm，而其长度可达几毫米，甚至几厘米。当它盘绕卷曲时，可以收缩得很短，于是表现出染色体所特有的形态特征。如人的最长的一条染色体，在分裂间期其分子伸展时长达85mm，但在中期，却卷曲成为直径为0.5μm、长度只有10μm的染色体，其长度只有完全伸展时的1/10000还不到。　在细胞分裂过程中染色质线到底是怎样卷缩成具有一定形态结构的染色体的呢？现在认为至少存在三个层次的卷缩，一般称为染色体的四级结构HYPERLINK"http://jpkc.yzu.edu.cn/course/yichuanxue/chap/IMAGE/3-14.JPG"（图3-14)。第一个层次是DNA分子超螺旋化形成核小体，形成直径约为10nm是间期染色质线，在此过程中组蛋白H2A、H2B、H3和H4参与作用。第二个层次是核小体长链进一步螺旋化形成直径约为30nm的超微螺旋，称为螺线管(solenoid)，在此过程中组蛋白H1参与作用。　第三个层次是螺线管进一步卷曲成为一定形态的染色体。　但有关三个层次卷缩的机理至今尚不清楚。   因为分裂过程中的染色体本身就是细胞分裂间期染色质的卷曲压缩，所以染色体也会像染色质一样出现异染色质区和常染色质区。不同生物的染色体、同一细胞内的各个染色体异染色质区的分布是不同的。例如茅膏菜(Drosersa)的异染色质位于染色体的末端；蚕豆、番茄、月见草和果蝇等分布于着丝点附近。在玉米中可能在着丝点的两边或一边，例如，玉米第7染色体的长臂上靠近着丝粒处就有一处明显膨大的异染色质区。在动物的性染色体上，Y染色体的异染色质显然比X染色体为多。 着丝粒的结构特征   染色体在有丝分裂过程中由于纺锤丝的牵引而分向两极。着丝粒就是细胞分裂过程中染色体与纺锤丝（spindlefiber）结合的区域。因此，着丝粒在细胞分裂过程中对于母细胞中的遗传物质能否均衡地分配到子细胞去是至关重要的。缺少着丝粒的染色体片断，就不能和纺锤丝相连，在细胞分裂过程中经常容易丢失。    着丝粒区域的DNA序列具有明显的特征。近来对酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)染色体着丝粒区域的研究发现，该区域在不同染色体间可以相互替换，也就是说将一条染色体的着丝粒区域与另外一条互换，对染色体的结构和功能没有明显的影响。进一步分析发现，该区域由110-120bp的DNA链组成，可分为三个部分，两端为保守的边界序列，中间为90bp左右富含A+T（A+T>90%）的中间序列。边界序列中DNA的碱基序列非常保守，可能是纺锤丝结合的识别位点。而中间序列的碱基序列变化较大，因此认为其长度及其富含A+T的特性，可能比其具体的碱基序列更为重要。端体    端体(telomere)也就是染色体的末端，也称为端粒。端粒具有特殊的结构，主要有三方面的功能：　　①防止染色体末端被DNA酶酶切；　　②防止染色体末端与其它DNA分子结合；　　③使染色体末端在DNA复制过程中保持完整。　　对不同物种染色体末端的结构分析发现，所有染色体的末端都存在着串联的重复序列。尽管不同物种的重复序列有所不同，但均可用下列通式表示：5‘-T1-4-A0-1-G1-8-3‘。如人类为TTAGGG，原生动物嗜热四膜虫(Tetrahymenathermophila)为TTGGG，而植物拟南芥(Arabidopsisthaliana)为TTTAGGG。但这种保守序列重复的次数在不同生物、同一生物的不同染色体，甚至同一染色体在不同的细胞生长时期也可能不同。端粒的结构与功能是当前分子生物学研究的热点之一。第四章孟德尔遗传    遗传学中把生物体所表现出来的形态特征和生理生化特征统称为性状（character）。这里所说的性状是统称，也可以说是一个抽象概念，是指生物体的总的表现型特征。    早在Mendel以前，人们就认识了遗传现象，看到子代和亲代在很多性状上是相似的。但却笼统地认为母本性状和父本性状是混合遗传给子代的，而且认为一旦混合以后便不能再分开了。是Mendel的天才的工作冲破了这一传统观念。    Mendel先从市场上买了34种不同的豌豆，种了两年，从中选出了22个在遗传上稳定的品种（品系）进行详细观察。这些品种的性状都很稳定，是真实遗传的，很符合他的试验要求。他用这些豌豆进行了8年（1856-1864）的杂交试验，获得了重要的成果。    他选择了七对区别分明的相对性状进行研究。这7对相对性状是：种子的形状：圆的和皱的子叶的颜色：黄色和绿色花的颜色：红花和白花成熟豆荚的形状：饱满的和不饱满的未成熟豆荚的颜色：绿色和黄色花的着生位置：腋生和顶生茎蔓的高度：高的（2m±）和矮的（小于0.5m）   他选用具相对性状的品种作为亲本，分别进行杂交，并按照杂交后代的系谱进行详细的记载，采用统计学的方法分析杂种后代表现相对性状的株数并计算其比例1．遗传因子的分离和组合。Mendel提出了一系列的假设，试图对分离现象作出解释。他提出：    性状是由遗传因子控制的。遗传因子(inheritedfactor)在体细胞内是成对的，在性细胞内是成单的。体细胞中成对的遗传因子彼此分离，分配到不同的配子中去，每个配子中只具有成对遗传因子中的一个。遗传因子有显隐性之分，但在细胞内独立存在，互不沾染。在亲本中成对的遗传因子是相同的，如红花植株含有CC两个遗传因子（用大写字母表示显性遗传因子），白花植株含有cc两个遗传因子（用小写字母表示隐性遗传因子），杂种一代（F1）体细胞内的遗传因子是杂合的（Cc），在杂合的两个遗传因子中，显性因子对隐性因子具有遮盖作用，因而F1只表现显性性状。   现以豌豆红花×白花的杂交组合为例说明如下： P            红花（雌）×白花（雄）                  CC  ↓     cc F1                     Cc      雌配子                             C     c                   雄配子  C  CC    Cc F2                         c  Cc     cc3/4红花 ：1/4白花    F1植株产生配子时，Cc因子分配到不同的配子中去，产生两种配子，一种带有C遗传因子，一种带有c，各占50%，比例为1：1，雌配子是如此，雄配子也是如此。当F1雌雄配子受精结合为合子时，含C因子的雌配子与含C和含c的雄配子相结合的机会是均等的，反之，含有C因子的雄配子与含有C或c的雌配子结合的机会也是均等的。这样F2的合子中遗传因子的组合可以归纳为：1/4CC     2/4Cc      1/4cc    带有CC因子的个体与红花亲本一样，表现为红花，带有cc因子的个体与白花亲本一样，表现为白花，带有Cc因子的植株与F1个体一样，也表现为红花。所以，按个体所表现的性状来分组，只有两组：3/4是红花，1/4是白花，即红花与白花之比是3：1。这就是Mendel对分离现象的解释。    关系。1906年，丹麦遗传学家Johannsen把Mendel所称的遗传因子叫做基因（Gene）。细胞内遗传因子即Gene的组合称为基因型（genotype）。基因型是性状表现必须具备的内因，即遗传的物质基础。例如，CC和Cc基因型决定花的颜色是红色，cc基因型决定花为白色。人们所能见到或用仪器设备能够检测到的性状称为表现型（phenotype）。表现型是基因型在外界环境条件作用下的具体表现，基因型是表现型的内在遗传基础。基因型是不能直接观察的，只有通过表现型才能推测基因型。    在遗传研究中，生物所表现出来的单位性状是数不胜数的，人们不可能在同一个试验中研究生物体的全部表现型或全部基因型，一般只能研究个别的性状或少数几个性状（表现型）及其基因型。在豌豆的红花×白花组合中，F2群体中有三种基因型，CC，Cc，cc，比例为1：2：1。C对c为显性，CC和Cc两种不同的基因型同样表现为红花表现型，所以只有两种表现型，即红花和白花，比例为3：1。再从基因的组合（基因型）来看，CC和cc两个基因型中成对的基因都是相同的，在遗传学中称为纯合基因型（homozygousgenotype），携带纯合基因型的个体称为纯合体（homozygote）。在Cc基因型中，成对的基因不相同，一个为显性基因，一个为隐性基因，称为杂合基因型（heterozygousgenotype），携带杂合基因型的个体称为杂合体（heterozygote）。    纯合体与杂合体在遗传行为上是不一样的。一对基因的纯合体只能产生一种配子，自交子代还是纯合体，其性状不会发生分离，表现为遗传上的稳定性。而一对基因的杂合体能产生两种配子，自交子代就会出现不同的基因型和不同的表现型，表现为遗传上的不稳定性。    Mendel对分离现象的解释完全是一种假设。这个假设的实质就是体细胞中成对的基因在配子形成过程中彼此分离，互不干扰，因而配子中只具有成对基因中的一个。    这个假设必需用实验来验证，若假设不能验证，充其量只是一种假说（hypothesis）而已，若在实验中得到验证，假设便成为规律。历史已经证明，解释分离现象的假设是能够验证的，因而分离现象便成为分离规律（lawofsegregation）。这是遗传学中的最基本的规律。    验证的方法有几种，主要的是测交法、自交法和F1花粉鉴定法。    一切生物，动物、植物、微生物，包括人在内，普遍存在着性状分离现象。    如动物的毛色有黑白之分，动物的有角与无角、耳朵下垂与竖立；植物果实的长与圆、有芒与无芒、抗病与不抗病、高杆与矮杆、微生物孢子的有色与无色、对药物敏感与不敏感；人的褐色眼与兰色眼、耳垂之有无、常态与白化、头发的曲与直等。    在人群中，有的人有耳垂，有的人没有。有耳垂是显性，受显性基因A控制，无耳垂是隐性，受隐性基因a控制，aa基因型个体无耳垂。其遗传表现为：P       有耳垂×无耳垂            有耳垂×无耳垂          AA     aa                Aa      aaF            有耳垂                    有：无               Aa                      Aa aa                                          1:1P         有 × 有                  有 × 有          AA   AA                  Aa    AaF           有                       有  有  无            AA                      AA   Aa  aa                                      1/4  2/4  1/4                                      3有 ：1无    根据亲本的基因型可以预测子代的基因型和表现型的概率（注意：不可预测某一具体后代的基因型和表现型），更重要的是利用子代的表现型推测亲代的基因型。    人类的白化病是受隐性基因控制的遗传病。Aa基因型的人虽携带致病基因，但不发病，表现正常。aa基因型的人才表现为白化症。据研究Aa基因型的人大约占人群的1/70，Aa基因型与Aa基因型结婚的概率大约1/5000，而Aa×Aa组合中有1/4的可能产生aa后代，因此人群中大约1/20000的白化症病人。若近亲结婚，发病机率大大增加。完全显性：     Mendel所研究的豌豆的7对相对性状，F1所表现的性状都和亲本之一完全一样，既不是中间型，也不是双亲的性状同时出现，这样的显性表现称为完全显性（completedominance）不完全显性：    F1表现为双亲性状的中间型，称为不完全显性（incompletedominance）。在这种情况下，显性纯合体与杂合体的表现不同，杂合体的表现型介于显性纯合体和隐性纯合体之间，所以又称为半显