第二章 遗传信息的结构和功能
第一节 DNA的结构和特征
一、DNA的分子结构
⒈ DNA分子是两条多核酸链相互平行而方向相反的双螺旋结构(图2-1)。
⒉ 骨架是脱氧核糖和磷酸组成。核糖上第3位和第五位上的羟基分别与磷酸构成酯键相连，构成链状结构。使链的末端的其中一端是核糖5位羟基，通常写作5’端，另一端是核糖3位羟基，通过写作3’端。第一位上的羟基与碱基相连。
⒊ 碱基分两类共4种。
嘌呤：鸟嘌呤(guanine,G)，腺嘌呤(adenine,A)
嘧啶：胞嘧啶(cytosine,C)，胸腺嘧啶(thymine,T)
⒋ 两条链通过碱基之间以氢键互补结合成碱基对而连接。如A≡T，C＝G。
⒌ 这样构成的DNA双链是碱基互补并且磷酸核糖的排列方向相反，即一条链是5’→3’走向，另一条链是3
’→5’走向。如一条链的碱基序列为5’-CAGTTCA-3’，另一条链的碱基组成必然是与其互补，排列方向与其相反： 5’-CAGTTCA-3’
3’-GTCAAGT-5’
二、DNA序列的分类
(一)核基因组
? 基因序列：决定蛋白质的DNA序列。
? 非基因序列：基因组中除基因序列以外的全部DNA序列，包括每个基因间的DNA序列。
? 编码序列：编码序列即编码蛋白质的序列。
? 非编码序列：内含子 + 基因间DNA序列
1．单一序列和重复序列
? 单一序列：每个基因组中一个拷贝或很少重复的DNA序列。占基因组 60~70%。
? 单一序列多为编码特异蛋白质的基因。
? 重复序列：指在每个基因组中有多个重复拷贝的DNA序列，占基因组的30~40%。
(1)串联重复DNA序列
? 串联重复DNA序列：指不同数目的核苷酸重复拷贝串联在一起的高度重复序列，一般长度为2~200bp。
? 串联重复DNA序列包括：卫星DNA、小卫星DNA和微卫星DNA。
? ①卫星DNA (satellite DNA)：当DNA经氯化?密度梯度离心时，在基因组DNA的主峰旁形成小的DNA峰，称卫星DNA。 ? 与DNA的主峰相比，卫星DNA中AT含量多，GC含量少。
? ②小卫星DNA (mini satellite DNA)：6~25个核苷酸串联重复序列称之。
? ③ 微卫星DNA (micro satellite DNA)：由2~6个bp组成。如(CA)n, (CCG)n等，数量非常多，分散存在，常构成染体着丝粒、端粒主Y染体长臂的异染质区等。
(2)分散重复DNA序列
分散重复DNA序列 (interspersed repeated sequence): 即中度重复DNA序列，这类DNA序列在长度和拷贝上有很大差别，可分为两类序列。
信息技术与信息化期刊①短分散核元件
? 短分散核元件(short interspersed nuclear element，SINE)：长度300~500bp，拷贝数目可达75万以上，占人类基因组的7%。
?
典型代表是由282bp组成的Alu序列，其因
含有一限制酶AluⅠ的识别序列AGCT得名。是区别人类、灵长类与其它动物的基因组标记。
②长分散核元件
? 长分散核元件 (long interspersed nuclear element，LINE)：长度5000~7000bp，重复拷贝数目102~104，占人类基因组的5%。最常见的是KpnⅠ元件―可被限制酶KpnⅠ切割，形成4种(1.2、1.5、1.8、1.9kb) DNA片段，构成可转座的元件。
(二)线粒体基因组
人的线粒体DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)。环状，裸露，16Kb，很少内含子，几乎没有重复序列。编码2个rRNA, 22个tRNA和13种蛋白亚单位。线粒体DNA为母系遗传。
第三节 遗传信息的传递
二、细胞分裂
(一) 细胞间期(不讲)
(二) 有丝分裂(不讲)
(三)减数分裂(略讲)
减数分裂：即DNA复制一次，细胞连续分裂两次，一个母细胞形成4个子细胞，每个子细胞的染体数目比母细胞减少一半。由于是配子发生的成熟期进行的分裂方式，也称成熟分裂。 1．前期Ⅰ
①细线期：
②偶线期：同源染体联会→联会复合体
③粗线期：非妹染单体间遗传物质互换。
④双线期：同源染体相互分离→交叉。
⑤终变期：交叉端化，核仁核膜消失。
2．中期Ⅰ：同源染体并列排列在赤道板。
3．后期Ⅰ：同源染体移向两极。
4．末期Ⅰ：两个子细胞形成。每个子细胞只含有同源染体的其中一条。
食品安全质量检测学报三、遗传的基本规律
二、细胞分裂
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细胞周期(cell cycle)：细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂完成的全过程称之。
细胞周期包括一个分裂期和分裂间期。
(一)细胞间期
细胞两次分裂之间的间隔称之(interphase)。间期中主要进行细胞的合成活动，包括DNA合成和蛋白质合成。根据合成的物质不同，将间期分为DNA合成前期、DNA合成期、DNA合成后期。
⒈ DNA合成前期(G1期)：主要进行RNA和蛋白质的合成，为S期进行物质和能量的准备。该期在不同的细胞所用时间不同。暂时不分裂的细胞停止在该期，即为G0期。
⒉ DNA合成期(S期)：进行DNA复制，同时组蛋白也在同期合成，组装成染体。
⒊ DNA合成后期(G2期)：合成在细胞分裂期所需同的蛋白质，如微管蛋白等。
(二)有丝分裂
⒈ 前期：染质变成染体，核仁核膜消失。
⒉ 中期：染体达到最大程度的浓缩，具有典型的中期染体形态，排列在细胞的中央，形成赤道板。
⒊ 后期：连接两条妹染单体的着丝粒纵裂，形成两条独立的染体，在纺锤丝的牵拉下，两条染单体分别移向两极。
⒋ 末期：两组染体到达两极，解旋形成染质，
形成新核，核仁核膜重新出现，细胞质分裂，形成两个子细胞。
(三)减数分裂
减数分裂：即细胞进行一次DNA复制，细胞连续分裂两次，由一个母细胞形成4个子细胞，每个子细胞的染体数目比母细胞减少一半。由于是在配子形成的成熟期进行的分裂方式，也称成熟分裂。
减数分裂过程中也有纺锤丝的产生，故减数分裂与有丝分裂即有相同的方面，也有不同的方面。
减数分裂包括两次分裂，分别称为第一次减数分裂(减数分裂Ⅰ)和第二次减数分裂(减数分裂Ⅱ)，其中减数分裂Ⅱ同一般的有丝分裂，减数分裂Ⅰ染体变化比较复杂，尤其在前期Ⅰ。
⒈ 减数分裂Ⅰ：
(1)前期Ⅰ：染体变化最复杂，人为分成5个分期。
①细线期：染质开始凝缩成丝状染体。
②偶线期：同源染体联会，形成联会复合体，使一对同源染体形成二价体。
③粗线期：染体进一步螺旋化，变粗变短，可见联会的同源染体的四分体结构，在非妹染单体之间进行遗传物质的互换。
④双线期：联会复合体解体，同源染体相互排斥分离，由于互换发生，使趋于分离的染体间出现交叉。
⑤终变期：染体进一步螺旋化，变粗变短，是计数的最佳时期，同时由于交叉端化，使染体呈特殊形态，便于观察，核仁核膜消失。
(2)中期Ⅰ：同源染体并列排列在赤道板上，两条同源染体分别与来自两极的纺锤丝相连。
(3)后期Ⅰ：两条同源染体被纺锤丝分别拉向两极。
(4)末期Ⅰ：两组染体到达两极，解旋形成染质，形成新核，核仁核膜重新出现，细胞质分裂，形成两个子细胞。每个子细胞只含有同源染体的其中一条。
⒉ 减数分裂Ⅱ：
(1)前期Ⅱ：染质变成染体，核仁核膜消失。
(2)中期Ⅱ：染体达到最大程度的浓缩，排列在细胞的中央，形成赤道板。
(3)后期Ⅱ: 连接两条妹染单体的着丝粒纵裂，在纺锤丝的牵拉下，两条染单体分别移向两极。
(4)末期Ⅱ：两组染体到达两极，解旋形成染质，形成新核，核仁核膜重新出现，细胞质分裂，形成两个子细胞。每个子细胞含有单倍数的染体。
傅立叶三、遗传的基本规律
遗传的基本规律包括分离律、自由组合律、连锁和交换律。
(一)分离律
⒈ 经典实验：孟德尔的豌豆杂交实验。
⒉ 分离律：生物在生殖细胞形成过程中，同源染体分离，分别进入一同的生殖细胞，即每个生殖细胞只有亲代同源染体的其中一条，或只有等位基因中的一个。
(二)自由组合律：
⒈经典实验：
⒉自由组合律：生物大禹治水玉山
在生殖细胞形成过程中，非同源染体之间是完全独立的，可分可合，随机组合这就是自由组合律。
(三)连锁和交换律
⒈经典实验：
⒉连锁和交换律：同一条染体上的基因彼此连锁在一起，构成一个连锁同源染体上的连锁基因并非固定不变，生物在生殖细胞形成过程中，同源染体在配对联会时发生交换，使基因连锁重新组合，即连锁与交换律。
交换率与基因相互间的距离有关，两基因相距越远，交换的机会就越多，交换率大，两基因相距越近，反之。摩尔根据此提出基因在染体上呈直线排列。根据交换率可以确定两基因之间的距离。交换的单位用厘摩(centiMorgan)表示。每条染体上的基因最大交换率视为100%的交换率，为100厘摩, 1%的交换率为1厘摩。
一、突变
⒈突变：指遗传物质的改变。如A→a，XA→Xa。
⒉突变的发生：
①突变的可诱发性：很多诱变剂可诱发遗传物质发生改变，如物理射线、化学诱变剂等。
②突变的有害性：有一些突变发生在结构基因中，导致所编码的蛋白质结构和功能异常，表现出机体结构和代谢异常，引发遗传病。如白化病、苯丙酮尿症等。有的突变发生在调节基因中，则可导致调节功能障碍，如发生在与转录因子结合的顺式作用元件，可造成基因表达的提高或降低。
③突变的可遗传性：发生在生殖细胞中的突变，将随着所形成的生殖细胞而传给下一代。
④突变可修复性：大多数突变可通过细胞内的DNA检测和修复系统而纠正错误。所以从亲代传递给子代的突变发生率很低，约百万分之一。
⒊突变的意义：
①突变导致物种多样性。
②突变为进化提供素材。
⒊突变的种类
(1)根据突变发生部位的大小分为两类：
①染体结构的改变
②核苷酸的改变：一个或几个核苷酸的改变称点突变。点突变包括碱基替换、插入和缺失。
③重复序列的改变：人类基因组中的一些重复序列在传递过程中重复次数发生改变。
(2)根据突变的传递情况可分为两类：
①稳定突变：在传递过程中原有的突变不发生改变，即突变可稳定地传给下一代。
②动态突变：在传递过程中原有的突变不断发生改变(图2-8)。
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(一)碱基替换
1．碱基替换(substitution)：指单个碱基被另一个碱基替代。这是最常见的突变。
(1)种类：包括转换和颠换两种：
①转换(transition)：嘧啶之间或嘌呤之间的替换，如A→G，C→T。
②颠换(transvertion)：发生在嘧啶和嘌呤之间的替换。如A→T，G→T。
(2)碱基替换的效应：
①同义突变(samesen
se mutation)：碱基替换后所编码的氨基酸不发生改变，对蛋白质结构和功能异常不发生影响，这是由于遗传密码具有兼并性。这一突变一般发生在遗传密码的第三
个碱基。如密码子GCA编码苯丙氨酸，若突变面GCG或GCC仍然是苯丙氨酸的编码。
②错义突变(missense mutation)：碱基替换后所编码的氨基酸发生改变，改变了蛋白质的一级结构，对蛋白质结构和功能异常发生影响。这一突变一般发生在遗传密码的第一、二个碱基。如DNA序列中TCA中的T→G，使mRNA中编码丝氨酸的密码UCA→GCA，译为苯丙氨酸。
③无义突变(nonsense mutation)：批碱基替换后使编码的氨基酸的密码子改变为终止密码(UAG、UAA、UGA)，造成多肽链合成提前终止，腹有肽链长度缩短，成为无活性的肽链片段。如：正常血红蛋白β珠蛋白基因的145密码子TAT突变为TAA，转录的mRNA成为GAA(终止密码)，肽链缩短，形成异常血红蛋白Hb Mcdee-Rock。
(二)碱基的插入和缺失
碱基的插入(insertion)和缺失(deletion)。是指在DNA编码序列中插入或丢失一个或几个碱基，造成插入或缺失点下游的DNA编码框架全部改变，其结果是突变点以后的氨基酸序列都发生改变。这种突变又称移码突变(frameshift mutation)。
如异常血红蛋白HbW，就是由于α珠蛋白基因突变，导致第138密码中的TCC中的C缺失，造成突变点下游的编码全部改变，使α链从138位氨基酸以后的序列包括第141位的原终止全部不正常，肽链无功能并且延长至147个氨基酸。
(三)动态突变
动态突变(dynamic mutation)：人类基因组中的一些重复序列在传递过程中重复次数发生改变导致遗传病的发生，称动态突变。尤其是基因编码序列或侧翼序列的三核苷酸重复在传递过程中重复次数增加，如，遗传性舞蹈症(Hintington’s disease)，是由于HD基因5’端CAG重复序列的拷贝数由正常的重复6~35次，增加至35~100次所致。动态突变导致疾病发生的机制，可能是引起了妹染单体的不等交换或重复序列中的断裂错位。
二、DNA修复
DNA突变是可修复的，使突变率维持在在一个较低的水平，使遗传物质保持稳定。
核苷酸切除修复：形成胸腺嘧啶二聚体会引起DNA双螺旋结构的变形，这样的损伤也可以通过核苷酸切除系统修复。修复系统中的主要酶ABC切除核酸酶。（图）给出了ABC切除核酸酶修复DNA损伤的过程。首先ABC切除核酸酶从损伤部位的两侧切去含有损伤的DNA链。然后，解旋酶
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