渭南师院科学技术概论教案05现代生命科学.docx

第五章现代生命科学教学目标：掌握孟德尔遗传规律、摩尔根基因理论；熟悉DNA双螺旋结构；了解遗传密码与中心法则。教学重点：孟德尔遗传规律、DNA双螺旋结构、摩尔根基因理论。教学难点：DNA双螺旋结构，摩尔根基因理论。教学方法与手段：讲授法。本章主要阅读文献资料：吴国盛著，科学的历程，北京：北京大学出版社2002年10月版。胡显章、曾国屏编，科学技术概论，北京：高等教育出版社2002年2月第2版。第一节进化论一、科学与宗教的冲突神创论与进化论达尔文的斗犬猴子审判智能设计论二、达尔文的理论物种并非恒定不变所有物种都来自共同的祖先进化是逐渐的物种的增殖自然选择三、进化论的解释模型事实1：超生殖力事实2：群体稳定事实3：资源有限推论1：个体中存在生存竞争事实4：个体独特性事实5：个体变异可以遗传推论2：生存差异（群体中个体的生存概率彼此不同）即自然选择推论3：进化四、达尔文理论形成过程神学院学生1831年贝格尔号启航1838年读到马尔萨斯人口论1844年提纲1858年华莱士来信1859年论通过自然选择的物种起源，或生存斗争中的最适者生存批评第二节现代遗传学一、现代遗传学的产生和发展（一）孟德尔遗传定律及其重新发现孟德尔（G.Mendel1822-1884）早年为生计所迫入修道院。修道院于1851-1853年送他到维也纳大学学习自然科学。他从1854年夏天开始以豌豆为材料进行植物杂交育种的遗传研究。豌豆是自花授粉植物，孟德尔同时进行自花授粉和人工杂交授粉。1865年写出植物杂交试验的实验报告。该论文中他提出遗传因子的概念，论述了他发现的遗传规律。孟德尔的这些科学发现和见解,在当时并没有引起生物学界的注意。直到35年之后，即1900年才被荷兰的德弗里斯、德国的柯林斯与奥地利的切马克等植物学家重新发现。孟德尔被公认为是现代遗传学的创始人。1 .孟德尔分离规律：孟德尔用产生圆形种子的植株同产生皱形种子的植株杂交，得到的杂交子一代的种子全是圆形的。第二年，他种了圆形杂交种子，并让它们自交，结果得到的子二代种子中，有圆形的，也有皱形的。用统计学方法计算得出，圆皱比为3：1o进一步推广即：子一代自交后，子二代出现性状分离，两个亲本的性状都得到表现。但表现显性性状的个体多于表现隐性性状的个体，比例大致是3:1o2 .自由组合规律：孟德尔还研究了具有两种彼此不同的对立性状的2个豌豆品系之间的双因子杂交试验。他选用产生黄色圆形种子的豌豆品系同产生绿色皱形种子的豌豆品系进行杂交，所产生的杂种子一代种子，全是黄色圆形的。但在自交产生的子二代种子中，不但出现了两种亲代类型，而且还出现了两种新的组合类型(黄色皱形、绿色圆形)。其中黄色圆形：黄色皱形：绿色圆：绿色皱形的比例接近于9：3：3：1。当两对或多对遗传因子在异质接合状态时,它们进入配子的分离过程是独立的，互不干扰的，每对遗传因子都各自遵守分离规律向下遗传。3 .遗传因子说。根据长期的实验结果，孟德尔推测植物种子内存在稳定的遗传因子；认为生物的每一种性状都是由成对遗传因子控制的，性状有显性和隐性之分；当成对因子是至少有一个是显性的时候，则呈显性性状；当成对因子都是隐性时才呈隐性性状。这些因子从亲代到子代，代代相传；在体细胞中，遗传因子是成对存在的，其中一个来自父本，一个来自母本，父本和母本的生殖细胞各贡献一个遗传因子。杂交子一代中只能有一种性状表现出来，另i种不表现，不表现的并没有消失，会在下一代以四分之一的比例重新表现出来。4 .孟德尔遗传学的意义：用数学方法把生物遗传定量地表示出来，从而奠定了现代遗传学的基础。他的理论有力地支持了达尔文的进化论。二、摩尔根基因理论孟德尔遗传因子在细胞中的什么地方呢？孟德尔被重新发现之前，科学家们已经发现染色体并认识到它在细胞分裂时候有很重要的意义。孟德尔被重新发现之后，人们推测染色体可能是遗传因子。1909年，丹麦生物学家约翰逊(W.L.Johannsen)提出用基因这个术语代替孟德尔的遗传因子。经过多年的研究科学家们认识到染色体虽然和基因不等价，但可以肯定基因就在染色体内。(染色体与DNA相同点)那么基因在染色体内如何排列呢？美国著名的遗传学家摩尔根(T.H.Morgan,18661945)以果蝇为材料进行了遗传学研究，建立了基因学说。1910年，摩尔根和他的助手从红眼的果蝇群体中发现了1只白眼的雄果蝇。因为正常的果蝇都是红眼的，叫做野生型，所以称白眼果蝇为突变型。摩尔根将白眼雄果蝇同红眼雌果蝇交配，所产生的子一代不论是雄的还是雌的，无一例外地都是红眼果蝇。让这些子一代的红眼果蝇互相交配，所产生的子二代有红眼的也有白眼的，但有趣的是所有的白眼果蝇都是雄性的。摩尔根认为，只有假定红眼和白眼性状是由遗传因子所决定，而且这些因子还与细胞中决定性别的因子有关，才能解释这一现象。进一步说，就是只有不同基因排列在同一染色体上时，才有可能产生上述现象。这就第一次用实验证明了坐落在染色体上的基因决定着遗传性状。摩尔根把这种伴随决定性别的染色体而遗传的现象叫做伴性遗传。此后，摩尔根和他的合作者发现不同染色体上的基因虽然可以自由组合，但在同一条染色体上的基因总是连锁在一起，就不能自由组合了。摩尔根把这种遗传现象叫做基因的连锁。摩尔根把他的上述发现叫做基因的连锁定律。这显然是对孟德尔定律的发展。摩尔根和他的学生还推算出了各种基因的染色体上的位置,并画出了果蝇的4对染色体上的基因所排列的位置图。由于他发现了果蝇的遗传机制，在1933年获得诺贝尔生理学或医学奖。第三节分子生物学在生物学领域，20世纪分子生物学的产生和发展是继物理学革命以后的又一重大事件。19世纪生物学最突出的成就是细胞理论和达尔文生物进化论的创建。但由于研究手段的局限，生物学还停留在非定量、非精确描述的初级阶段。20世纪以来，随着化学和物理学的飞速发展和渗透，特别是物理学的思想和方法与生物学相结合，引起了生物学的深刻革命。这个革命的主要标志就是分子生物学的诞生。从此，生物学开始进入了定量的、分子水平的研究阶段，并取得了一系列震惊世界的科学成果。一、分子生物学的产生(一)基因的物质基础染色体中既有蛋白质，又有DNA,而且蛋白质多于DNAo最初大多数专家都认为基因是由蛋白质组成的，而DNA只不过在遗传过程中发挥某些辅助的生理作用罢了。通过对肺炎双球菌的研究美国细菌学家艾弗里(OswaldAvery)1944年发现，培养出来的细菌种类取决于细菌的DNA,当移走某种细菌的DNA,代之以另一种细菌的DNA时，培养出来的菌种也改变了，由此断定DNA是遗传信息的载体。但是人们怀疑他的研究结果。1952年，美国噬菌体小组中的两位成员赫尔希(HerShey)和蔡斯用放射性标记的细菌病毒(即噬菌体)进行实验，为DNA是遗传物质提供了令人信服的证据。噬菌体小组的核心成员有德裔美国生物学家德尔布吕克(DelbrUck)和卢里亚(LUria)、赫尔希。(二)DNA双螺旋结构的发现1949年奥地利生物学家查哥夫(E.Chargaff,1905)在美国哥伦比亚大学对核酸化学结构作了进一步分析，证明核酸中四种碱基含量并不是彼此相等的，而是喋吟碱基的总量和喀噬碱基的总量相等，其中腺喋岭和胸喀咤的分子当量相等，即AT相当，鸟喋岭和胞喀咤分子当量相等，即GC相当。它打破了统治核酸结构研究20多年之久的“四核甘酸假说”，并为DNA双螺旋结构中十分关键的“碱基配对”原则奠定了化学基础。最终发现DNA的双螺旋结构是沃森(J.Watson,1928)与克里克(F.H.C.Crick,1916)合作解出了。沃森是卢里亚的弟子，同时也是噬菌体小组成员。1950年当绝大部分人还认为基因是蛋白质的时候，他就对DNA是遗传物质深信不疑。为了研究基因的分子结构他赴欧洲学习。克里克原为英国物理学家。1951年他们在剑桥大学卡文迪许实验室相遇，当时克里克本应该用X射线衍射方法研究蛋白质的晶体结构，以完成他的博士论文，而沃森本应该研究植物病毒或者培养蛋白质结晶。DNA的研究不是他们的分内之职。但两人都受薛定铐生命是什么？一书的思想所鼓舞，依据相似的观点去探讨生物学问题，都认为解决DNA分子结构是打开遗传之谜的关键。他们相互讨论了生物学发展的关键，决心叩开遗传之谜的大门。他们认识到：“进一步实验将表明一切基因都由DNA组成”，“阐明DNA化学结构在了解基因如何复制上将是主要的一步”。于是，他们决定转而对DNA晶体结构进行分析。这时，伦敦国王学院的维尔金斯(MZilkins,1916)和另一名年轻的女科学家富兰克林(R.Franklin,19201958)正在进行DNA晶体结构的分析工作，1951年富兰克林得到DNA分子的X-ray衍射照片。美国加州理工学院的化学家鲍林也在从事这方面的研究。而且曾于1951年发现了蛋白质的基本结构。蛋白质也是一条长链分子，由二十种不同的氨基酸通过肽键彼此联结而成。受其他人研究特别是富兰克林演讲的启发，沃森和克里克克服重重苦难于1951年11月提出了第一个模型。这个模型是一个由三股链组成的螺旋结构，但后来发现，由于算少了DNA的含水量而设想的三股链是不对的。第一个模型失败了。实验室总监要求他们停止这方面的研究，并把研究成果转交给伦敦国王学院，后者具有研究的优先权。但是他们并没有放弃努力。一方面被要求中止研究，另一方面得不到最新的X-ray衍射照片，1952年沃森和克里克的研究进展不大。不过他们从查哥夫处得知DNA四个碱基两两相等的数据，这对他们有很大启发。当年H月沃森得知他心目中的竞争对手鲍林提出了一个新的DNA结构模型。虽然事后知道是错误的，沃森和克里克仍感到很大压力，他们把消息告诉维尔金斯，因为维尔金斯和富兰克林的关系恶化使国王学院的研究进展也不大。他们希望维尔金斯能够邀请自己从事这方面的研究。等了一个月都没有维尔金斯的消息，1953年1月30日沃森去伦敦亲自约见。最大的收获是维尔金斯把富兰克林1952年拍摄的X-ray衍射照片给他看了，而这个照片是维尔金斯偷偷拷贝的。沃森立即推出DNA应该是螺旋结构。他返回剑桥后，把他的发现告诉给同事，实验室总监不再阻止他的研究。经过大概五周的努力，1953年3月7日他们终于建立了DNA双螺旋结构模型。1953年4月25日在自然杂志上，发表了他们反映这一成果的论文核酸的分子结构。这篇不足千字的短文，立即引起了世界的轰动。从此，遗传学的研究从细胞水平进入到分子水平。这是分子生物学形成的重要标志。DNA双螺旋结构模型认为，DNA分子是由2条互补的多核昔酸链围着同一中轴旋转而构成的双股螺旋，两股链走向相反呈逆平行关系。其螺旋的骨架是由核甘酸的糖(脱氧核糖)和磷酸相结合而成的，由彼此反向的两根螺旋分别伸长开来的碱基相互结合而形成双螺旋的横栏。碱基的配对必须是腺喋吟(A)与胸腺喀咤(T)配对，鸟喋吟(G)与胞喀咤(C)配对。使两条DNA长链之间互补而稳固地并联起来。其中每条链所具有的特殊的碱基结构都可作为合成另一条互补链的模板。三、遗传密码和中心法则遗传密码：核酸中的核昔酸残基序列与蛋白质中的氨基酸残基序列之间的对应关系。；连续的3个核甘酸残基序列为一个密码子，特指一个氨基酸。标准的遗传密码是由64个密码子组成的，几乎为所有生物通用。分子生物学上将DNA自我复制、DNA转录为RNA和RNA翻译成蛋白质的遗传信息传递的流程叫做中心法则，是指遗传信息从DNA传递给RNA,再从RNA传递给蛋白质的转录和翻译的过程，以及遗传信息从DNA传递给DNA的复制过程。这是所有有细胞结构的生物所遵循的法则。在某些病毒中的RNA自我复制（如烟草花叶病毒等）和在某些病毒中能以RNA为模板逆转录成DNA的过程（某些致癌病毒）是对中心法则的补充。复习思考题及习题：1 .试述孟德尔的历史功绩和遗传规律的内容。2 .试论发展DNA双螺旋对现代生物学发展的作用。3 .简述遗传信息由DNA到蛋白质的传递过程。