《生物学》课程教学资源（教材讲义）第三部分 生物能学 第14章 DNA——遗传物质

第14章DNA：遗传物质要点概述14.1什么是遗传物质？Hammerling的试验：遗传信息在细胞核中移植试验：每个细胞都含有一整套的遗传信息Griffith试验：遗传信息可以在个体间传递Avery和Hershey一Chase试验：遗传因子是DNA14.2DNA的结构核酸的化学性质：核酸是含有四种核苷酸的聚合体。DNA的三维结构：DNA分子是一个双螺旋，两条链间依靠碱基对的相互作用结合。14.3DNA是如何复制的？Meselson-Stahl试验：DNA的复制是一个半保留过程复制的过程。DNA的复制是通过DNA聚合酶II以及其他一些酶的活动。它的复制是半保留式的，合成两条互补链。真核细胞DNA的复制。真核细胞的染色体含有许多复制起始点14.4基因是什么一个基因一条肽链的假说。一个基因中包含了决定一个功能蛋白所需的全部信息。DNA是如何编码蛋白质结构信息。基因的核苷酸序列决定了蛋白质的氨基酸序列

第 14 章 DNA:遗传物质 要点概述 14.1 什么是遗传物质？ Hammerling 的试验：遗传信息在细胞核中 ：遗传信息在细胞核中 移植试验：每个细胞都含有一整套的遗传信息 ：每个细胞都含有一整套的遗传信息 Griffith 试验：遗传信息可以在个体间传递 ：遗传信息可以在个体间传递 Avery 和 Hershey－Chase 试验：遗传因子是 DNA 14.2 DNA 的结构 核酸的化学性质：核酸是含有四种核苷酸的聚合体。 DNA 的三维结构：DNA 分子是一个双螺旋，两条链间依靠碱基对的相互作 用结合。 14.3 DNA 是如何复制的？ Meselson-Stahl 试验：DNA 的复制是一个半保留过程 复制的过程。DNA 的复制是通过 DNA 聚合酶 III 以及其他一些酶的活动。 它的复制是半保留式的，合成两条互补链。 真核细胞 DNA 的复制。真核细胞的染色体含有许多复制 。 起始点 14.4 基因是什么 一个基因一条肽链的假说。一个基因中包含了决定一个功能蛋白所需的全部 。 信息。 DNA 是如何编码蛋白质结构信息。基因的核苷酸序列决定了蛋白质的氨基酸 。 序列

在人们认识到遗传性状可以用减数分裂时染色体(chromosome)的分离来解释之后，又一个问题困扰了生物学家长达50年。什么才是染色体和遗传性状之间联系的本质？本章中我们将列举一系列的试验，这些试验使我们对遗传的分子机理（图14.1）的研究达到了现在这个水平。它们也是科学史上最为经典的试验。就像邀游在一本引人入胜的推理小说中一样，每一个结论又引发了新的问题。通向智慧的道图14.1DNA：所有生物每个细胞中的路并非总是一条捷径，最本质的问题也并遗传蓝图是这条长而卷曲的分子，脱非总是那么显而易见。然而无论试验之路氧核糖核酸（DNA）如何回环曲折，我们对遗传机理轮廓的勾勒已逐渐清晰，它的全景已被清晰地展现出来。14.1什么是遗传物质？Hammerling的试验：遗传信息在细胞核中也许关于遗传信息的最最基本的问题是：它在细胞的哪一部分？在20世纪30年代，丹麦的生物学家JoachimHammerling工作于柏林的MaxPlank学院，从事海洋生物学的研究。他将细胞切为几份，以观察哪一部分能够表达遗传信息。为此，他要求细胞足够大，可以方便的切割：同时细胞必须有明显的特征便于区分。他选择了一种可以长至5厘米的单细胞藻类，伞藻（Acetabularia），以此作为他试验模型的研究对象。就像孟德尔用豌豆、Sturtevant用果蝇作为他们研究的研究对象一样。Hammerling选择了一种生物来研究，它能够符合他所提出的要求，并假定由它所得到的结果适用于其他生物。伞藻中的各个属有区别明显的假根、伞柄和伞帽，它们都是单个细胞的不同部分。细胞核在假根里。Hammerling先做了一个预备试验，他切除了一些细胞的假根或伞帽。他发现，那些被切除了伞帽的细胞可以从它剩余的部分（假根和伞柄）中长出新的伞帽。因此他推测伞藻的遗传信息就藏在它的假根里

在人们认识到遗传性状可以用减数分 裂时染色体(chromosome)的分离来解释之 后，又一个问题困扰了生物学家长达 50 年。什么才是染色体和遗传性状之间联系 的本质？本章中我们将列举一系列的试 验，这些试验使我们对遗传的分子机理（图 14.1）的研究达到了现在这个水平。它们 也是科学史上最为经典的试验。就像遨游 在一本引人入胜的推理小说中一样，每一 个结论又引发了新的问题。通向智慧的道 路并非总是一条捷径，最本质的问题也并 非总是那么显而易见。然而无论试验之路 如何回环曲折，我们对遗传机理轮廓的勾 勒已逐渐清晰，它的全景已被清晰地展现出来。 14.1 什么是遗传物质？ Hammerling 的试验：遗传信息在细胞核中 ：遗传信息在细胞核中 也许关于遗传信息的最最基本的问题是：它在细胞的哪一部分？在 20 世纪 30 年代，丹麦的生物学家 Joachim Hammerling 工作于柏林的 Max Plank 学院， 从事海洋生物学的研究。他将细胞切为几份，以观察哪一部分能够表达遗传信息。 为此，他要求细胞足够大，可以方便的切割；同时细胞必须有明显的特征便于区 分。他选择了一种可以长至 5 厘米的单细胞藻类，伞藻（Acetabularia），以此作 为他试验模型的研究对象。就像孟德尔用豌豆、Sturtevant 用果蝇作为他们研究 的研究对象一样。Hammerling 选择了一种生物来研究，它能够符合他所提出的 要求，并假定由它所得到的结果适用于其他生物。 伞藻中的各个属有区别明显的假根、伞柄和伞帽，它们都是单个细胞的不同 部分。细胞核在假根里。Hammerling 先做了一个预备试验，他切除了一些细胞 的假根或伞帽。他发现，那些被切除了伞帽的细胞可以从它剩余的部分（假根和 伞柄）中长出新的伞帽。因此他推测伞藻的遗传信息就藏在它的假根里。 图 14.1 DNA 所有生物每个细胞中的 遗传蓝图是这条长而卷曲的分子，脱 氧核糖核酸（DNA）

对单个细胞的手术A.crenulata为了验证这个假设，HammerlingA.mediterranea选取了伞藻属的两个不同种，它们的伞帽有着很大的差别。地中海伞藻（A.mediterranea）有一个圆形的伞帽而巨尺伞藻（A.crenulata）则有一个分叉的花盘形的伞帽。Hammerling将巨尺伞藻的伞柄嫁接到地中海伞Nucleus inbase determinestypeof capregenerated藻的假根上（图14.2）。长出的伞帽图14.2Hammerling的伞藻交叉嫁接试验与巨尺伞藻略有不同。他将每一种伞藻的伞柄嫁接到另一种的假根上。在所有的情况下，最终长出的伞帽接着Hammerling切下这个伞帽，都是由含有细胞核的假根决定的，而非伞第二次以及以后的每一次所长出的伞柄。A.cremulate巨尺伞藻：A.mediterranea地帽都与地中海伞藻的完全相同。这个中海伞藻；试验有力的支持了Hammerling的假Nucleus in base determines type of capregenerated新生成的伞帽是由基部的细胞设，指导形成某种类型的伞帽的指令核决定的；在细胞核中，而这些指令必须通过伞柄才能到达伞帽。在这个试验中，最初长出的那个伞帽在形状上与后来的圆盘状的伞帽不同，而像是二者的中间体。Hammerling推测，这个与巨尺伞藻有几分相似的伞帽是由已经存在于主轴中的指令指导的，而这些指令早在主轴从巨尺伞藻中切下来时已经存在其中了。相应的，对于那些所有的随后产生的伞帽的合成，都使用地中海伞藻的假根中产生的信息，虽然它被嫁接了巨尺伞藻的伞柄。由于某些未知的原因，最初存在于主轴中的那些指令被“耗尽”了。我们现在知道这些遗传信息（以信使RNA的形式存在，在第I5章讨论）由假根中的细胞核出发、经由伞柄上传到生长中的伞帽中。伞藻的遗传信息在它的假根里，而细胞核也在其中。移植试验：每个细胞都含有一整套的遗传信息

对单个细胞的手术 为了验证这个假设，Hammerling 选取了伞藻属的两个不同种，它们的 伞帽有着很大的差别。地中海伞藻 （A. mediterranea）有一个圆形的伞 帽而巨尺伞藻（A. crenulata）则有一 个分叉的花盘形的伞帽。Hammerling 将巨尺伞藻的伞柄嫁接到地中海伞 藻的假根上（图 14.2）。长出的伞帽 与巨尺伞藻略有不同。 接着 Hammerling 切下这个伞帽， 第二次以及以后的每一次所长出的伞 帽都与地中海伞藻的完全相同。这个 试验有力的支持了 Hammerling 的假 设，指导形成某种类型的伞帽的指令 在细胞核中，而这些指令必须通过伞 柄才能到达伞帽。 在这个试验中，最初长出的那个伞帽在形状上与后来的圆盘状的伞帽不同， 而像是二者的中间体。Hammerling 推测，这个与巨尺伞藻有几分相似的伞帽是 由已经存在于主轴中的指令指导的，而这些指令早在主轴从巨尺伞藻中切下来时 已经存在其中了。相应的，对于那些所有的随后产生的伞帽的合成，都使用地中 海伞藻的假根中产生的信息，虽然它被嫁接了巨尺伞藻的伞柄。由于某些未知的 原因，最初存在于主轴中的那些指令被“耗尽”了。我们现在知道这些遗传信息 （以信使 RNA 的形式存在，在第 15 章讨论）由假根中的细胞核出发、经由伞 柄上传到生长中的伞帽中。 伞藻的遗传信息在它的假根里，而细胞核也在其中 ，而细胞核也在其中。 移植试验：每个细胞都含有一整套的遗传信息 ：每个细胞都含有一整套的遗传信息 图 14.2Hammerling 的伞藻交叉嫁接试验 他将每一种伞藻的伞柄嫁接到另一种的假 根上。在所有的情况下，最终长出的伞帽 都是由含有细胞核的假根决定的，而非伞 柄。 A.crenulate 巨尺伞藻；A. mediterranea 地 中海伞藻； Nucleus in base determines type of cap regenerated 新生成的伞帽是由基部的细胞 核决定的；

Uv light destroysnucleus,oritisremovedAbnormalwith micropipette.embryoEmbryoNogrowthEggNucleus is1)(two2removedinnucleoli)micropipette.Tadpole3EpithelialcellnucleusisinsertedintoEmbryoEpithelialcellsenucleateTadpoleOccasionallyanare isolatedegg.(oneadultfrog developsfromtadpolenucleolus)Itscellspossessintestine.onenucleolus.图14.3Briggs和King的细胞核移植试验两种蛙有不同的核仁数。其中一种蛙的细胞核被去掉，这可以用一根微吸管吸取或是，更简单一些，用紫外线照射而破坏细胞核。从另一种蛙中取出细胞核植入前一种蛙的去核卵中。这个杂和的细胞可以发育。这个试验可能的三种结果是（1）不发育，也许是由于移植过程中对卵细胞造成了伤害：（2）能够正常地发育至早期胚胎阶段，但接下来的发育异常，无法存活（3）正常生长发育至成熟的蛙。这只蛙是提供细胞核的那只蝌蚪的后代，而非提供卵子的那只。仅有少数试验得到了这个结果，但是它们足以作为细胞核指导蛙发育的明证。Egg (two nucleoli)卵子（双核仁)；UV light destroys nucleus, or it is removed withmicropipette.用紫外线破坏细胞核或用微吸管将其移出。Tadpoleonenucleolus）蝌蚪（单核仁）；Epithelialcellsareisolatedfromtadpoleintestine.从蝌蚪的肠道中分离出上皮细胞；Nucleusisremovedinmicropipette.用微管取走细胞核；Epithelialcellnucleusisinsertedintoenucleateegg.上皮细胞的细胞核被注入已经被摘除自身细胞核的细胞中；Embryo胚胎；Abnormalembryo异常的细胞；nogrowth不生长；tadpole蝌蚪：Occasionally.anadultfrogdevelops.Itscellsprossessonenucleolus.少数情况下会发育成成蛙。它的细胞有一个细胞核。由于伞藻的假根中含有细胞核，Hammerling推测细胞核可能是遗传物质的贮存地点。这个假设的直接证明是由美国的两个胚胎学家一一RobertBriggs和ThomasKing-于1952年完成的。他们将玻璃吸液管拉制出一个细尖，以此在显微镜的下去掉蛙卵的细胞核。失去了细胞核的蛙卵不再生长。接着他们为其植入一个细胞核一一它来于自另一个已进一步分化的蛙胚细胞，这个被移植细胞核的蛙卵发育成一个成熟的蛙。很明显，细胞核指导着细胞的发育（图14.3)。被成功移植的细胞核

由于伞藻的假根中含有细胞核，Hammerling 推测细胞核可能是遗传物质的贮 存地点。这个假设的直接证明是由美国的两个胚胎学家——Robert Briggs 和 Thomas King——于 1952 年完成的。他们将玻璃吸液管拉制出一个细尖，以此在 显微镜的下去掉蛙卵的细胞核。失去了细胞核的蛙卵不再生长。接着他们为其植 入一个细胞核——它来于自另一个已进一步分化的蛙胚细胞，这个被移植细胞核 的蛙卵发育成一个成熟的蛙。很明显，细胞核指导着细胞的发育(图 14.3)。 被成功移植的细胞核 图 14.3 Briggs 和 King 的细胞核移植试验 两种蛙有不同的核仁数。其中一种蛙的细 胞核被去掉，这可以用一根微吸管吸取或是，更简单一些，用紫外线照射而破坏细胞核。 从另一种蛙中取出细胞核植入前一种蛙的去核卵中。这个杂和的细胞可以发育。这个试 验可能的三种结果是（1）不发育，也许是由于移植过程中对卵细胞造成了伤害；（2）能 够正常地发育至早期胚胎阶段，但接下来的发育异常，无法存活（3）正常生长发育至成 熟的蛙。这只蛙是提供细胞核的那只蝌蚪的后代，而非提供卵子的那只。仅有少数试验 得到了这个结果，但是它们足以作为细胞核指导蛙发育的明证。 Egg (two nucleoli)卵子（双核仁）；UV light destroys nucleus, or it is removed with micropipette.用紫外线破坏细胞核或用微吸管将其移出。Tadpole(one nucleolus) 蝌蚪（单 核仁）；Epithelial cells are isolated from tadpole intestine.从蝌蚪的肠道中分离出上皮细胞； Nucleus is removed in micropipette. 用微管取走细胞核；Epithelial cell nucleus is inserted into enucleate egg.上皮细胞的细胞核被注入已经被摘除自身细胞核的细胞中；Embryo 胚 胎；Abnormal embryo 异常的细胞；no growth 不生长； tadpole 蝌蚪；Occasionally.an adult frog develops.Its cells prossess one nucleolus.少数情况下会发育成成蛙。它的细胞有一个细 胞核

是否生物体内的每一个细胞都可以指导产生一个完整的个体？Briggs和King的试验不能给出确定的答案。因为被植入细胞核的卵常常不能正常地发育。接着进行的两个试验明确的回答了上述问题。第一个实验是约翰格登在牛津和耶鲁用另一种蛙做的。他将蝌蚪的细胞核植入去核卵中。这是一个困难的试验一一他必须使供体和受体的分裂期同步。在一些情况下卵可以正常发育，这就证明了进一步发育的细胞的细胞核仍然保有全部的遗传信息，它可以指导其他细胞发育。植物细胞的全能性（topipotency）在第二个试验中，由F.C.Steward于1958年在康奈尔大学进行。他将充分发育的胡萝卜的小块（由韧皮部（phloem）分离出来）放入含有培养液的培养瓶中。他观察到由组织块中分离出的单个细胞将分化并发育成根。当他将根固定在一个固体培养基上时，它们正常地发育成完整成熟的植株。Steward的试验证明了：即使在成熟植物的组织内，单个细胞仍然是“全能”的一一各自都含有一整套完整的遗传信息，也可以发育成完整的个体。正如你们将在19章中学到的那样，动物细胞与植物细胞一样具有全能性，一个成体动物细胞可以发育为一个完整的成熟个体。遗传信息储存在真核细胞的细胞核中。每个细胞核都含有完整的遗传信息。Griffith试验：遗传信息可以在个体间传递确定了细胞核储藏有遗传信息之后，人们的目光集中到染色体上，孟德尔学说早就认为它是遗传信息的载体。孟德尔所研究的遗传信息的单位，基因（genes），也特别为科学家关注，它们到底是如何在染色体中组织的？当时人们已经知道染色体含有蛋白质和脱氧核糖核酸（DNA）。它们到底谁承载着基因？开始于20世纪20年代并延续了30年的研究最终回答了这些疑问。在1928年，英国的微生物学家Frederick.Griffith用一种病菌做了一系列试验，得到了料想不到的结果。当他用一种致命的病菌（肺炎链球菌的一种，肺炎双球菌（pheumococus））感染老鼠，老鼠死于败血。而当它用病菌的突变体肺炎性肺炎双球菌(S.pheumoniae)感染老鼠，这种突变体缺少致病菌所具有的荚膜

是否生物体内的每一个细胞都可以指导产生一个完整的个体？Briggs 和 King 的试验不能给出确定的答案。因为被植入细胞核的卵常常不能正常地发育。 接着进行的两个试验明确的回答了上述问题。第一个实验是约翰 格登在牛津和 耶鲁用另一种蛙做的。他将蝌蚪的细胞核植入去核卵中。这是一个困难的试验— —他必须使供体和受体的分裂期同步。在一些情况下卵可以正常发育，这就证明 了进一步发育的细胞的细胞核仍然保有全部的遗传信息，它可以指导其他细胞发 育。 植物细胞的全能性（topipotency） 在第二个试验中，由 F. C. Steward 于 1958 年在康奈尔大学进行。他将充分 发育的胡萝卜的小块（由韧皮部（phloem）分离出来）放入含有培养液的培养瓶 中。他观察到由组织块中分离出的单个细胞将分化并发育成根。当他将根固定在 一个固体培养基上时，它们正常地发育成完整成熟的植株。Steward 的试验证明 了：即使在成熟植物的组织内，单个细胞仍然是“全能”的——各自都含有一整 套完整的遗传信息，也可以发育成完整的个体。正如你们将在 19 章中学到的那 样，动物细胞与植物细胞一样具有全能性，一个成体动物细胞可以发育为一个完 整的成熟个体。 遗传信息储存在真核细胞的细胞核中。每个细胞核都含有完整的遗传信息 。每个细胞核都含有完整的遗传信息。 Griffith 试验：遗传信息可以在个体间传递 ：遗传信息可以在个体间传递 确定了细胞核储藏有遗传信息之后，人们的目光集中到染色体上，孟德尔学 说早就认为它是遗传信息的载体。孟德尔所研究的遗传信息的单位，基因 （genes），也特别为科学家关注，它们到底是如何在染色体中组织的？当时人们 已经知道染色体含有蛋白质和脱氧核糖核酸（DNA）。它们到底谁承载着基因？ 开始于 20 世纪 20 年代并延续了 30 年的研究最终回答了这些疑问。 在1928年，英国的微生物学家Frederick. Griffith用一种病菌做了一系列试验， 得到了料想不到的结果。当他用一种致命的病菌（肺炎链球菌的一种，肺炎双球 菌（pheumococus） ）感染老鼠，老鼠死于败血。而当它用病菌的突变体肺炎性 肺炎双球菌(S. pheumoniae)感染老鼠，这种突变体缺少致病菌所具有的荚膜

MixtureofHeat-killedheat-killedLivepathogenicpathogenicnonpathogenicPstrainofand livestrain ofS.pneumoniae nonpathogenicS.pneumoniaeLivestrains ofpathogenicPolysaccharideS.pneumoniaestrain ofcoat0o+S.pneumoniae面(2) Mice live(3)Mice live(4)Micedie:theirblood containslive(1) Mice diepathogenic strainofS.pneumoniae图14.4Griffith发现了转化作用（1）注射肺炎链球菌的致病型导致老鼠死亡。这种细菌表面有一层自身合成的多糖荚膜。（2）注射无荚膜的活的细菌并不引起疾病，可是荚膜本身并不是病因。（3）当格里菲思向老鼠注射有荚膜的死细菌时，老鼠并未发病。（4）但是当他将死亡的致病菌和活着的非致病菌混合注射时，许多老鼠死亡。致病菌又出现了。他得出结论，活着的细菌被死亡的致病菌转化了；也就是说指导英膜合成的遗传信息由死细菌转移到了活细菌上。LivepathogenicstrainofS.pneumoniae活的肺炎性肺炎双球菌的致病型；micedie老鼠死亡；LivenonpathogenicstrainofS.pneumoniae活的肺炎性肺炎双球菌非致病型；micelive老鼠存活：Heat-killedpathogenicstrainofS.pneumoniae加热处死的肺炎性肺炎双球菌的致病型；mice live 老鼠存活：Mixture of heat-killed pathogenic and live nonpathogenic strains ofS.pneumoniae加热处死的肺炎性肺炎双球菌的致病型和非致病型混合物；Micedie，heirbloodcontainslivepathogenic strainof S.pneumoniae老鼠死亡，它们的血液中含有活的肺炎性肺炎双球菌的致病型（coat)，老鼠并无感染症状。似乎是由荚膜导致了病症。这种病菌的正常致病型会在培养皿上形成轮廓整齐的光滑的菌落，被称作S株。那种突变体由于缺少合成荚膜所需的酶，形成粗糙的菌落，被称作R株。为了确定荚膜是否有毒性，Griffith将致病的S株杀死后注入老鼠体内，老鼠仍然很健康。作为对照，他又将杀死的S株与不致病的R株的混合物注入老鼠体内（图14.4）。意外发生了，老鼠出现了症状，很多老鼠死去。死亡的老鼠血液中发现了高浓度的病菌，它们是活着的有致病能力的S株，而它们表面蛋白的特征原来是R型的。不知何故，指导多糖膜合成的遗传信息由死亡的S株进

（coat），老鼠并无感染症状。似乎是由荚膜导致了病症。这种病菌的正常致病 型会在培养皿上形成轮廓整齐的光滑的菌落，被称作 S 株。那种突变体由于缺少 合成荚膜所需的酶，形成粗糙的菌落，被称作 R 株。 为了确定荚膜是否有毒性，Griffith 将致病的 S 株杀死后注入老鼠体内，老鼠 仍然很健康。作为对照，他又将杀死的 S 株与不致病的 R 株的混合物注入老鼠 体内（图 14.4）。意外发生了，老鼠出现了症状，很多老鼠死去。死亡的老鼠血 液中发现了高浓度的病菌，它们是活着的有致病能力的 S 株，而它们表面蛋白的 特征原来是 R 型的。不知何故，指导多糖荚膜合成的遗传信息由死亡的 S 株进 图 14.4 Griffith 发现了转化作用 （1）注射肺炎链球菌的致病型导致老鼠死亡。这种细菌 表面有一层自身合成的多糖荚膜。（2）注射无荚膜的活的细菌并不引起疾病，可是荚膜本身 并不是病因。（3）当格里菲思向老鼠注射有荚膜的死细菌时，老鼠并未发病。（4）但是当他 将死亡的致病菌和活着的非致病菌混合注射时，许多老鼠死亡。致病菌又出现了。他得出结 论，活着的细菌被死亡的致病菌转化了；也就是说指导荚膜合成的遗传信息由死细菌转移到 了活细菌上。 Live pathogenic strain of S.pneumoniae 活的肺炎性肺炎双球菌的致病型；mice die 老鼠死亡； Live nonpathogenic strain of S.pneumoniae 活的肺炎性肺炎双球菌非致病型；mice live 老鼠存 活；Heat-killed pathogenic strain of S.pneumoniae 加热处死的肺炎性肺炎双球菌的致病型； mice live 老鼠存活；Mixture of heat-killed pathogenic and live nonpathogenic strains of S.pneumoniae 加热处死的肺炎性肺炎双球菌的致病型和非致病型混合物；Mice die，heir blood contains live pathogenic strain of S.pneumoniae 老鼠死亡，它们的血液中含有活的肺炎性肺炎 双球菌的致病型

入了存活的R株体内，使得没有荚膜的R株转化为致病的S株。转化作用（transformation）是指遗传信息由一个细胞进入另一细胞，并改变受体的遗传性状。遗传信息可以从死亡的细胞进入活细胞，并将其转化Avery和Hershey一Chase试验：遗传因子是DNAAvery试验直到1944年人们才发现了将链球菌转化的物质。通过一系列经典的试验，(OswaldAvery和他的同事ColinMacleod及MaclynMccarty鉴别出被他们称为“转化因子（transformingprinciple）”的物质。他们首先准备了Griffith曾采用过的混合物，其由杀死的S链球菌和活的R链球菌组成。Avery及其同事尽可能得从混合物中去除蛋白质，直到99.98%的纯度。虽然去除了几乎全部的蛋白质，转化的活性还是没有减小。而且，转化因子的特性在许多方面与DNA相似：1.当用化学方法分析这些纯化后的因子时，其成分的排列与DNA十分相符。2.当在离心机中高速旋转时，转化因子总是迁移到与DNA相同的液层（密度）。3.从纯化的转化因子中分离脂类和蛋白质并不会降低它的活性。4.蛋白酶和RNA酶都无法降低转化因子的活性。5.DNA酶降低了转化因子的活性。证据是颇具说服力的。他们得出结论：“一种含有脱氧核糖的核酸是肺炎双球菌II型中转化因子的核心单元。”一句话，DNA是遗传物质。Hershey-Chase试验由于很多生物学家更倾向于认为蛋白质是遗传信息的载体，Avery的结果最初并没有被广泛接受。在1952年Alfred.Hershey和MarthaChase提出了进一步的证据，支持Avery的结论。他们使用一种能够感染细菌的病毒一一噬菌体（bacteriophage）一一进行试验。我们将在第33章进一步讨论病毒，它是由蛋白

入了存活的 R 株体内，使得没有荚膜的 R 株转化为致病的 S 株。转化作用 （transformation）是指遗传信息由一个细胞进入另一细胞，并改变受体的遗传性 状。 遗传信息可以从死亡的细胞进入活细胞，并将其转化。 Avery 和 Hershey－Chase 试验：遗传因子是 DNA Avery 试验 直到 1944 年人们才发现了将链球菌转化的物质。通过一系列经典的试验， (Oswald Avery 和他的同事 Colin Macleod 及 Maclyn Mccarty 鉴别出被他们称为 “转化因子（transforming principle）”的物质。他们首先准备了 Griffith 曾采用过 的混合物，其由杀死的 S 链球菌和活的 R 链球菌组成。Avery 及其同事尽可能得 从混合物中去除蛋白质，直到 99.98％的纯度。虽然去除了几乎全部的蛋白质， 转化的活性还是没有减小。而且，转化因子的特性在许多方面与 DNA 相似： 1. 当用化学方法分析这些纯化后的因子时，其成分的排列与 DNA 十分相符。 2.当在离心机中高速旋转时，转化因子总是迁移到与 DNA 相同的液层（密 度）。 3.从纯化的转化因子中分离脂类和蛋白质并不会降低它的活性。 4.蛋白酶和 RNA 酶都无法降低转化因子的活性。 5.DNA 酶降低了转化因子的活性。 证据是颇具说服力的。他们得出结论：“一种含有脱氧核糖的核酸是肺炎双球菌 III 型中转化因子的核心单元。”一句话，DNA 是遗传物质。 Hershey－Chase 试验 由于很多生物学家更倾向于认为蛋白质是遗传信息的载体，Avery 的结果最 初并没有被广泛接受。在 1952 年 Alfred. Hershey 和 Martha Chase 提出了进一步 的证据，支持 Avery 的结论。他们使用一种能够感染细菌的病毒——噬菌体 （bacteriophage）——进行试验。我们将在第 33 章进一步讨论病毒，它是由蛋白

T2bacteriophagesare labeledwithradioactiveisotopesBacteriophages infectbacterialcellsBacterial cellsareagitatedtoremoveprotein coatsO32Pradioactivityfound35Sradioactivityinthe bacterial cellsfoundinthemedium图14.5Hershey一Chase赫什和蔡斯发现放射性的35s并未进入细菌，而32p却进入了。他们得到结论，是病毒的DNA而非蛋白质指导了新病毒的繁殖。Proteincoat labeledwith35s用35s标记的蛋白质外壳；DNAlabeledwith32p用32p标记的DNA；T2bacteriophages are labeled withradioactiveisotopes.T2噬菌体被放射性同位素标记。Bacteriophagesinfectbacterialcell.噬菌体侵染细菌。Bacterialcellsareagitatedtoremoveproteincoat.剧烈搅动细菌以除去蛋白质外壳。35sradioactivityfoundinthemedium.在培养基中发现了放射性的35s32Pradioactivityfound in thebacterial cells.在细胞内发现了放射性的32p。质外壳（coat）包裹着DNA或是RNA（核酸）而成。当一个可以溶菌（可以导致细胞破裂）的噬菌体要感染细菌时，它首先与细胞的外表面结合，再将遗传物质注入细胞内部。在细菌内，噬菌体的遗传物质指导合成了成千上万的病毒。接着细菌破裂，即溶菌，进而释放出新病毒。为了确定最初注入细菌的遗传物质，Hershey和Chase使用了含有DNA而非RNA的噬菌体T2。他们分别用不同的放射性物质分别标记DNA和蛋白质外壳以便进行追踪。在一部分试验中，病毒在含有磷的同位素(isotope)32p的环境中生长，这样同位素就会出现在新合成的DNA分子中。另一部分试验中，病毒在含

质外壳（coat）包裹着 DNA 或是 RNA（核酸）而成。当一个可以溶菌（可以导 致细胞破裂）的噬菌体要感染细菌时，它首先与细胞的外表面结合，再将遗传物 质注入细胞内部。在细菌内，噬菌体的遗传物质指导合成了成千上万的病毒。接 着细菌破裂，即溶菌，进而释放出新病毒。 为了确定最初注入细菌的遗传物质，Hershey 和 Chase 使用了含有 DNA 而非 RNA 的噬菌体 T2。他们分别用不同的放射性物质分别标记 DNA 和蛋白质外壳 以便进行追踪。在一部分试验中，病毒在含有磷的同位素(isotope)32P 的环境中生 长，这样同位素就会出现在新合成的 DNA 分子中。另一部分试验中，病毒在含 图 14.5 Hershey－Chase 赫什和蔡斯发现放射性的 35S 并未进入细菌，而 32P 却进 入了。他们得到结论，是病毒的 DNA 而非蛋白质指导了新病毒的繁殖。 Protein coat labeled with 35S 用 35S 标记的蛋白质外壳； DNA labeled with32P 用 32P 标记的 DNA； T2 bacteriophages are labeled with radioactive isotopes. T2 噬菌体被放射性同位素标 记。 Bacteriophages infect bacterial cell.噬菌体侵染细菌。 Bacterial cells are agitated to remove protein coat.剧烈搅动细菌以除去蛋白质外壳。 35S radioactivity found in the medium. 在培养基中发现了放射性的 35S. 32Pradioactivity found in the bacterial cells.在细胞内发现了放射性的 32P

有硫的同位素35s的环境中生长，同样的,在新合成的外壳蛋白的氨基酸中也会出现硫的同位素。由于衰变时释放的粒子有不同的能量，32P和35s很容易区分。当用标记的病毒感染细菌后，剧烈搅动细菌细胞以去除细菌表面侵染病毒的蛋白质外壳。这一方法除去了几乎所有含35S的标记（也就是几乎所有的病毒的蛋白质）。然而，含32P的标记（即病毒的DNA）已经进入细菌，并且不断地出现在被释放出来的噬菌体中（图14.5）。因此，被注入细菌内部并指导合成后代的遗传物质是DNA，不是蛋白质。Avery的试验确证了DNA就是Griffith所谓的转化因子。噬菌体的遗传物质是DNA而非蛋白质。14.2DNA的结构核酸的化学性质在孟德尔的工作发表仅四年后，一位德国化学家FriedrichMiesher于1869年发现了DNA。Miesher从人的细胞和鱼类的精子中分离出一种白色物质。它的氮磷含量都与当时已知的细胞中组份不同。这使得他相信自已发现了新物质，称之为“核素(nuclein)”，因为它似乎与核紧密相关。Levene的分析结果：DNA是聚合体由于核素带有弱酸性，它接着被称为核酸。在后来的五十年中，由于不了解它在细胞中的功能，生物学家对它研究甚少。20世纪20年代，生物化学家P.A.Levene确定了DNA的基本结构（图14.6)。（1）磷酸基（PO4)；(2)五碳糖；（3）含氮碱基，嘌呤（腺嘌呤A，鸟嘌呤G）和嘧啶（胞嘧啶C，胸腺嘧啶T，RNA中由尿嘧啶U代替胸腺嘧啶T)。由于这几个部分含量基本相同，Levene正确地推断DNA和RNA是由这三种成份循环构成的。每一个单位都是由一个糖和一个碱基加上一个磷酸根组成，叫核苷酸。核苷酸间通过不同的碱基区别开来。为了区分DNA和RNA中不同的化学基团，通常要对碱基和糖的碳原子进行编号，以便命名与某个碳原子相连的化学基团。糖的四个碳原子和一个氧原子形

有硫的同位素 35S 的环境中生长，同样的,在新合成的外壳蛋白的氨基酸中也会出 现硫的同位素。由于衰变时释放的粒子有不同的能量，32P 和 35S 很容易区分。 当用标记的病毒感染细菌后，剧烈搅动细菌细胞以去除细菌表面侵染病毒的 蛋白质外壳。这一方法除去了几乎所有含 35S 的标记（也就是几乎所有的病毒的 蛋白质）。然而，含 32P 的标记（即病毒的 DNA）已经进入细菌，并且不断地出 现在被释放出来的噬菌体中（图 14.5）。因此，被注入细菌内部并指导合成后代 的遗传物质是 DNA，不是蛋白质。 Avery 的试验确证了 DNA 就是 Griffith 所谓的转化因子。噬菌体的遗传物质是 。噬菌体的遗传物质是 DNA 而非 蛋白质。 14.2 DNA 的结构 核酸的化学性质 在孟德尔的工作发表仅四年后，一位德国化学家 Friedrich Miesher 于 1869 年 发现了 DNA。Miesher 从人的细胞和鱼类的精子中分离出一种白色物质。它的氮 磷含量都与当时已知的细胞中组份不同。这使得他相信自己发现了新物质，称之 为“核素(nuclein)”，因为它似乎与核紧密相关。 Levene 的分析结果：DNA 是聚合体 由于核素带有弱酸性，它接着被称为核酸。在后来的五十年中，由于不了解 它在细胞中的功能，生物学家对它研究甚少。20 世纪 20 年代，生物化学家 P.A.Levene 确定了 DNA 的基本结构（图 14.6）。（1）磷酸基（PO4）；(2)五碳糖； （3）含氮碱基，嘌呤（腺嘌呤 A，鸟嘌呤 G）和嘧啶（胞嘧啶 C，胸腺嘧啶 T， RNA 中由尿嘧啶 U 代替胸腺嘧啶 T）。由于这几个部分含量基本相同，Levene 正确地推断 DNA 和 RNA 是由这三种成份循环构成的。每一个单位都是由一个 糖和一个碱基加上一个磷酸根组成，叫核苷酸。核苷酸间通过不同的碱基区别开 来。 为了区分 DNA 和 RNA 中不同的化学基团，通常要对碱基和糖的碳原子进行 编号，以便命名与某个碳原子相连的化学基团。糖的四个碳原子和一个氧原子形

成一个五元HHHOHHOC-H-0环。如图14.7OHOHHH-Y所示，这些原HHH子从氧原子OH HOH OHDeoxyriboseRiboseO起以顺时针(DNAonly)(RNA only)HO-方向由1编0NH2OPhosphate号至5”；“，”-N-HC-H表示这些碳H-NH2NAdenineHGuanine H原子是在糖PurinesoNH20中而不是在1CH3HH-HH-NC-碱基中。在这-HHQOO种编号体系UracilHThymineH.Hcytosine(DNAonly)(RNAonly)下，磷酸基是Pyrimidines与糖的5碳图14.6DNA与RNA的核苷酸构成DNA与RNA的基本单位是由三部分组成：一个五碳糖（在DNA中是脱氧核糖，在RNA中是核糖），相连，碱基则个磷酸基以及一个含氮的碱基（嘌呤或嘧啶）。是连在1碳Deoxyribose(DNAonly）脱氧核糖（只在DNA中）；Ribose（RNAonly）核糖（只在RNA中）；phosphate磷酸基；purine嘌呤；adenine腺嘌呤；上。另外，guanine鸟嘌呤；pyrimidine嘧啶：cytosine胞嘧啶；thymine胸腺嘧啶；个自由的羟uracil尿嘧啶；基被加合到3碳上。由于5磷酸基和3'羟基之间可以发生化学反应，这使得DNA和RNA得以形成由核苷酸构成的长链结构。一个核苷酸的磷酸基和另一核苷酸的羟基发生脱水反应，生成一个水分子而形成共价键，它将二者相连（图14.8）。这一连接被称为磷酸二脂键，因为磷酸基是通过一对脂键（P一O一C）与两个糖相连。由这一反应生成的聚合物在两端仍然有一个3羟基和5磷酸基，因此它可以再与其他羟基相连。这样千万个核苷酸聚合为长链

成 一 个 五 元 环。如图 14.7 所示，这些原 子 从 氧 原 子 起 以 顺 时 针 方向由 1’编 号至5’；“ ’ ” 表 示 这 些 碳 原 子 是 在 糖 中 而 不 是 在 碱基中。在这 种 编 号 体 系 下，磷酸基是 与糖的 5’碳 相连，碱基则 是连在 1’碳 上。另外，一 个 自 由 的 羟 基 被 加 合 到 3’碳上。 由于 5’磷酸基和 3’羟基之间可以发生化学反应，这使得 DNA 和 RNA 得以 形成由核苷酸构成的长链结构。一个核苷酸的磷酸基和另一核苷酸的羟基发生脱 水反应，生成一个水分子而形成共价键，它将二者相连（图 14.8）。 这一连接被称为磷酸二脂键，因为磷酸基是通过一对脂键（P—O—C）与两个 糖相连。由这一反应生成的聚合物在两端仍然有一个 3’羟基和 5’磷酸基，因此 它可以再与其他羟基相连。这样千万个核苷酸聚合为长链。 图 14.6 DNA 与 RNA 的核苷酸构成 DNA 与 RNA 的基本单位是由三 部分组成：一个五碳糖（在 DNA 中是脱氧核糖，在 RNA 中是核糖）， 一个磷酸基以及一个含氮的碱基（嘌呤或嘧啶）。 Deoxyribose (DNA only) 脱氧核糖（只在 DNA 中）；Ribose（RNA only） 核糖（只在 RNA 中）；phosphate 磷酸基；purine 嘌呤；adenine 腺嘌呤； guanine 鸟嘌呤；pyrimidine 嘧啶；cytosine 胞嘧啶；thymine 胸腺嘧啶； uracil 尿嘧啶；