范文一:中心法则与现代生物学的发展
第16卷
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自然辩证法研究
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文章编号:looo一8934(2000109—005卜05
中心法则与现代生物学的发展
刁
生富
佛山
528000)
(佛山大学政法系.广东
摘要:表示遗传信息传递规律的中心法则(centrajno舢a),是现代生物学中最基本、最重要的
规律之一.该法则的产生有其深刘的科学思想和科学社会基础。自其产生以后,随着研究的潭入,内容和邢式都得到了丰富和修正.显示出其核心思想不是简单的单向决定作用.而是复杂的相互作用,确立这一杖心思想有助于预测其未来的发展。中心法则在探讨生命现象的规律方面显示出巨大的作用.掘大地推动了生特科学的发展,是现代生物学的理论基石,并为生物学基础理论的统一拍明了方向.在生命科学史上占有重要的地位。
关髓词:tp心法则;现代生物学;核心思想;生物学理论统一;生命科学史中图分类号:N031;Q75
文献标识码:A
进了对生物体内遗传信息贮存、传递和转移觇律的
1
中心法则产生的基础
中心法则
研究。而且.这一模型本身就隐含着一个明显的特征.揭示了DNA分子何以复制其自身。这种半保留
(1】中心法则产生的科学思想基础复制机制得到科恩伯格(AKomberg)、梅塞尔森
实质上蕴涵着核酸和蛋白质这两类生物大分子之问的相互联系和相互作用,而其产生和发展则与人类对核酸结构和功能的认识密切相关。1928年.格里菲斯(F.G^ffith)首次观察到肺炎双球菌的转化现象。1944年,艾菲里(OT.Avery)等发现转化因子是DNA。1952年.赫尔希(A.He巧hey)和蔡斯(M.chase)进行噬菌体的侵染宴验.证明新的噬苗体
颗粒是由DNA复制的,从而使人们的注意力从蛋白质转向棱酸分子上。
一时间.许多不同专业的科学家从不同的角度对DNA进行广泛深入的研究.并且认识到阐明DNA的
(M.M幅el∞n)和泰勒(J.H.Thylor)等人的l吐实,
DNA半保留复制机制阐明了遗传信息f}|=代问
的传递。然而,遗传信息究竟以什么方式控制遗传
呢?许多学者都曾指出.基因是以某种方式通过细
胞代谢而起作用的,但歃乏令人信服的证据。1902年,加罗德(Acarrod)关丁先天性代谢缺陷的研究
可以看作是这一领域里实验研究的开端,而比德尔
(G.&adle)和塔特埘(ETatum)的工作则强有力地证明丁基因突变引起r酶的改变,而H每一种基因
一定控制着一种特定的酶的合成.从而提出r一个基冈一种酶的假说。
一个基l!|一种酶假说暗示了基因的作用是指导
化学结构在了解基因如何复制上将是主要的一步。
最后,沃森(Jwats【m)和克里克(Fck)综合各方面
蛋白质分子的最后构型,从而决定其特异性。这对
人们认汉基因控制蛋白质生物合成具有很大的启麓
的研究.建掏了DNA的双螺旋结构模型。
DNA双螺旋结构完美地说明了遗传物质的遗传、结构和生化的主要特征,成为生物科学史上的罩程碑.标志着分子生物学的正式诞生.极大地促
收稿日期:2000一04—24
作用.促进了对基因和蛋白质线性对应关系的认识.为以后的研究指明丁方向。可以说,对基因功能的认识就是在全面论证这一假说的过程中,被逐渐阐
作者简介:刁生富(1964一),男,河南南阳人,副教授,哲学博士,从事科技哲学和科技社会学教学与研究。
5l
自然辩证珐研宽明的。
DNA“螺旋结沟和一个基冈一种酶假说分别
中.在这样的社会基础卜产生的。
第16眷第9期
从结构上和功能E阐述了遗传物质的基本特征,把
“基因是什么”和“基因如何起作用”这两个重要问题联系在一起了。冈此,我们认为.DNA舣螺旋结掏
2中心法则的核心思想及其发展预测
1957年,克里克提出,在DNA与蛋白质之间.RNA可能是中间体。1958年,他又提出,在作勾摸
模型的建立和一个基因一种酶假说的提出是中心法
则产生的科学思想基础。
(2J中,■法则产生的科学社会基础
科学中的
板的RNA同把氨基酸携带到蛋白质肽链的合成之
间可能存在着一个中间受体。根据这些推论,他发表了(论蛋白质的合成)一丈,提出了著名的连接物
重大突破不仅有其科学思想基础,而且还有其科学社会基础。当许多不同领域或不同专业的科学家由
于某一特定问题的诱发.共同转向同一领域,构成一
假说,讨论了核酸中碱基顺序同蛋白质中氯基酸顺
序之间的线性对应关系.并详细地阐述了中心法
个强大的科学共同体,从事同~认识主题的探索活动时,往往预示着一项重大的科学发现或科学理沦的诞生。这种情况既可看作是一种科学的认识现
象.但更重耍的,叉可看作是一种科学的社会现象。
我仃]知道。中心法则是分了-遗传学的核心内容.而分子遗传学是从经典遗传学中发展起来的。从1900年孟德尔定律被重新发现到1953年以前的
则“】。克里克所设想的受体很快被证明为tRNA。1961年,雅可布(F.Jacob)和奠诺(J.Moflod)证明在DNA同蛋白质之间的中间体是mRNA。随着遗传密码的破译.到60年代基本上揭示丁蛋白质的合成
过程。这样.就得到r中心法则的最丰JJ的基本形式。
克里克在提出中心法则时,根据当时有限的资
料.把中心法则的公式表述为“DNA—RNA一蛋白质”,并且认为中心法则的一个基本持征足遗传信息流是从核鳆到蛋白质的单向信息传递.而且这种单向信息流是永远不可逆的。然而.通过1960到1970这10年的研究.坦明(H.Tem,n)和巴梯摩尔
(D
半个多世纪里.经典遗传学虽然在理论和应用上都取得了重大成就,但它的主要内容是基因的传递规律,而对基因——遗传物质的基本单位.仍然被认为
是一个不可分割的抽象的概念.缺乏明确的物质的
内容。尽管有些科学家曾天才地预言过基因可能的结掏和功能,但那时大多敦的遗传学家还无法说明
染色体上的基因怎样控制细胞内特定的生理、生化过程.从而控制生物体的遗传性状。
Bdnmore)等发现并证实了反转录酶的存在.使
匣转录现象得到了公认。这样,中心法则就得到丁修正。
反转录酶的发现.曾使科学界震动不小。但克里克马上解释说,他并没有说过信息不能从核酸转移到核酸上.反转录同中心法则没有矛盾.只不过是把信息从一种形式的核酸转移到另一种形式的棱酸上而已.而在这两种形式的核酸巾.碱基配对的基本过程是一致的。然而,以后的发现愈来愈表明信息转移方式可能有其多样性,以致连克里克本人看来
也承认,他最初表达遗传信息传递观念时,误解了
这种状况不能不引起科学界各方面的广泛注意和高度兴趣。首当其冲的是物理学家。早在1933
年,玻尔(NRo}u)就发表了(沦光和生命)的文章,试
刚用物理学的观点来解释生命现象。他的思想在簿尔布吕克(M.Ddbn】ck)那里得到了发展.他试图用量子力学的观点来处理“基四分子”。其推测在1944年
薛定谔(E
schr砌n孵)发表的(生命是什么?)一书中
得到了广泛的传播,不仅把一批富有创造力的年轻物
理学家吸引到生物学领域,而且使一大批来自化学、
“法则(Do肿a)”一词,如果现在重新表达这一概念,
应称之为“中心假说(centralHypoth幅is)”,以清楚表明这一概念并非是确定不变的事实,而只是一种暂
时的假设【”。
生物化学、微生物学、遗传学以及医学等领域里的科学家都投身到对基因的研究中。他们相互结合.群策群力.凝成一个协约的体制,并建立了互通情报的系统。所有这些学科所探讨的问题,最终都集中到对信息流的研究上。也就是说,对生物体内信息流的研究,已形成了一个强大科学共同体,并且确立了明确的科学认识主题。中心法则正是在这样的科学氛围
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科学的发展常常是出人意料的,中心法则更是如此。有人在离体实验中观察到,与棱糖体相互作用的某些抗生素如链霉幂和新霉素,能打乱核糖体对信使的选择.而接受单链DNA分子代替mRNA。然后由单链DNA指导.把它的核苷酸顺序译成多肚
中心法则与现代生物学的艇展
的氨基酸顺序。此外,还有人发现.细胞棱里的DNA还可“直接转穆到细胞质的核糖体上,不需要
到r指导作用,导致了现代生物学研究战略的擞本
转变。在这个思想指导下.大批科学蒙JF展了数手
通过RNA即可控制蛋白质的合成。这样.中心法则
就得到新的修正。
中心法则的以上形式强调了核酸对蛋白质的决
次有益的实验研究.从而进一步澄清了遗传信息据以编码、贮存,转录及转侈的方式。中心法则&其附
属的“顺序假说”使人们相信r遗传密码的存在。遗
定作用,但蛋白质对棱酸必然存在着反作用。1967年.梅克勒(MehIer)提出,蛋白质的空间构型(不是线性顺序)可以技“逆转录”成RNA顺序。1982年,普鲁塞纳(S.Prllsjner)在研究羊痒痤(scr丑画e)的致病因子时发现一种比病毒更为简单的亚病毒为其病原。令人奇怪的是,这种病原含有侵染所必须的物
质是蛋白质而不是核酸。这种羊痒疫的致病圈子坡
传密码的解读是20世纪的重大科学变破之一。在中心法则的思想指导和启发下.基凶的慨念宵了许
多新的发展.如顺反子、操纵子、跳跃基冈、断裂基
因,重叠基因、重复基幽、假基因等,也产生了~些重
要的理沦.如基因表达的调节控制理论等。中心法
则从一个全新的角度——信息角度论证了生物界的统一性,不仪揭示了蛋白质合成中遗传信息在不同物种间的统一性.而且也证明了同一物种不同世代间信息转移的统一性。中心法则对生命物质基础和生命主宰物质这两个不同的概念给予了实质性的凹答。就信息流而言.桉酸是主宰物质.DNA可以贮存信息、复制信息和发射信息,RNA可以转录信息、传导信息流。就物质运动而言.蛋白质是主宰物质。酶催化物质代澍和能量代谢、蛋白匝掏戚原生质的主体.主宰一切反应并对信息实行反馈调控。只有在一定条件下,当以棱酸为主宰的信息系统和以蛋白质为主宰的代谢系统发生耦联时.生命运动才能够发生和持续进行。因此,生命的物质基础是以棱
称为朊病毒(v-nno)或蛋白侵染于(p九on)”J。它的发现.表明自然界中存在着以蛋白质为遗传信息的可能性,即在蛋白质的指导下台成蛋白质。那么.随着研究的进展.能否将中心法则丰富成如下形式:
这作为一项对中心法则未来发展方向的预测,只有等待科学实践来证实。
通过上述历史考察和现实分析,不难看出.巾心法则的棱心思想不是简单的单向线性决定作用.而是蛋白质和核酸之间复杂的相互作用。我们对中心法则未来发展方向的预测也就是根据这个核心思想.按照历史与逻辑相统一的原则作出的。
酸蛋白质整合体系为主宰的原生质各种必要的物质组分及其实在的相互作用。如果说,细胞学说和达尔文进化论充分体现丁近代自然科学的理论特征.把联系与发展的观点引入了生物学,从而成为马克思主义哲学产生的自然科学前提和证据,那幺可以说.中心法则充分庠现了_现代自然科学的理沧特征.把多因子的、动态的、复杂的相互作用引入生物学.必将对丰富和发展马克思主义哲学产生影响;如果说.细咆学说和达尔文进化论是近代生物学的理论基石,那幺可以说,中心法则是现代生物学的理沦基
3中心法则与生物学基础理论
(1】中心法则是现代生物学的理论基石
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石。我国著名遗传学家淡家桢认为,中心法则是“生物学上继达尔文提出进化论后的第二个里程碑”¨J。
不仅如此,就生物学理沦自身价值而言,中心法
则甚至比达尔丈进化论还要大。因为选尔文进化论
知道,近代生物学的两大理论基石是细胞学说和达尔文进化论。细胞学说第一次从结构上论证了植物界和动物界在生命本质上的统一性。达尔文进化论第一次从起源上论证了生物界的统一性,第一次把生物学放在完全科学的基础上。两者不仅自身具有重大的科学价值.而且都导致了近代生物学研究战略的根本转变。中心法则第一次阐明了生物体内信息传遗的规律,对以后大量关于基因性质的研究起
中的许多假说、结论和预测既不容易被证实.也不容易被征曲.甚至带有思辨的性质,而中心法则则是建立在精密的实验科学基础之上的严密的理论.它的每一个细节,以及由此所做出的预测.既可以用物理、化学的工具,以实验科学的方法来证实,也可问
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自然辩证法研究
或被证伪。正因为如此,它其有极强的说服力:正吲为如此.它具有更欠的解释功能、规范功能和预测功
能;正因为如此,它体现的足现代自然科学的理论特征;也正四为如此,我们才把它看作足现代生物学的
理、仓基石。
(2)中心法则为现代生物擎理论的太统一奠定了基础我们知道,遗传、发育和进化是最基本的三大生命现象。对这三者的研究分别形成丁遗传学、胚胎学和进化论。长期以来,这三门学科各自在自己的领域内都取得了长足的进展.但在遗传与发育、发育与进化的相互关系方面却留下丁大片空白,始
终都没有形成统一的解释理论.这是生物学的最大
难题之一。
现代生物学愈来愈表明.遗传是生命活动中两大类基本现象——个体发育和系统进化的棱心机制。遗传学是发育生物学、进化生物学乃至整个生物科学的中心环节。如果从信息角度上看,遗传的实质是遗传信息的传递;发育的实质是遗传信息的展现;而进化的实质是遗传信息的发展。在分子水平上,细胞分化和性收发育都基于表现专一的生物
大分子的合成,凶而归根到底依赣于基囡在发育过程中按照一定的时空有秩序、有选择的功能表现。反之,基因的功能又可用相应的mRNA的转录和专
一蛋白质的合成来表示。因此.非常复杂的发育过程.便可以简化为从基因到大分子的合成,再通过大分于的装配到彤态结构的发生。而发育程序的来源,则可看作是受长期的进化过程中所获得的遗传性状决定的,并在卵子的发生过程中就贮存于卵于的结构中。因此,从科学本体论讲,已不难看出,中心法则揭示了生物遗传、发育和进化的内在联系.为
生物学理论的大统一在总体上指明了方向、奠定了基础。另一方面.从科学认识论上讲,由于中心法则
的产生.使人ffJ对遗传、发育和进化的相互关系的研究置于同一认议框架之中。在这个框架内,找到了同一的认识层次——分子层次;同一认识视角——信息视角;同一认识方法——实验科学的方法.从而使人们对这一问题的研究进入常规时期。美国著名
生物史家艾伦说:“中心法则甚至象进化论那样影响
深远。首先.它提供了基因突变的分子解释,…..这个例予及其它例于都暗示,甚至进化的机制都能还原到分子水平。并用说明遗传传递、转录、转侈及胚
胎分化的同样概念来加以理解。人们经过长时间努
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第16卷筇9l【Ij
力寻求的生物学的大统一似乎就在眼前丁.’【5
追求统一性是科学和哲学的崇高使命。对生物界统一性的探讨贯穿于生命科学发展的始终。生命科学中的每一次蕈大的理i仑突破,都从不同方面论证r生物界的统一性,『fIf这种论证既标志着生命科
学的综合和发展.又为进一步的研究奠定r基础.同
时还会对哲学思想产生影口向。如果说,遗传学是生物学的核心.它提供丁一个框架.生命的多样性及其过程可在其中被弹解为一个理性的统一体.那么.就可以、兑,巾心法mll是遗传学的核心.它提供丁一个统一解释的规律,使我们能够更探划地理解这个统一体。如果说2l世纪生物学足带头学科,那幺在这个崭新的“生物学世纪”里,我们定能体会到生物学基础理论大统一那种“壮丽的感觉”!
4中心法则在生命科学
发展史中的地位
(1l中心法则在遗传学思想演变中的地位
人
类对遗传现象的认识可以追溯到远古E{代。在褪长
的历史发展中.先后出现了许多假说和理沦,推动着
对遗传本质认识的发展。在不同的历史时期,基丁
当时的认识水平,形成币同的遗传范式。
古代的泛生论.中世纪的特创论,18世纪的预成
论和渐成沦,所有这些便构成了融合遗传的范式。
从19世纪下半叶开始.人们逐渐认识到遗传和发育是两回事。发育为遗传所控制,但遗传并非整体的遗传。遗传的载体是某种颗粒性的东西。当时的许多生物学家都以不同的术语来表达这种大致相同
的思想或学说。如生理因子(s嘲艟Ils64):生殖微粒
(Darwin,1868);成形微粒(Eu5b卿.1876;卜h种kd.
1876);细胞种(n酶h.1884);异细胞(H既t试gt1884);
种质(w由n诅n,1884);泛于(dev一皓,1889)。所有这些便构成了鞭粒遗传的模式。在颗粒遗传范式内,认为遗传是一种粒子行为,可眦在细咆内研究。盂德尔遗传学说可以认为是颗粒遗传的最高成就,奠定r经典遗传学的科学基础。摩尔根的基凶论可以认为是在颗粒遗传范式内的一种重大垃展。
19世纪末.由于放射性的发现.揭示了原于结构
的秘密.物理、化学和生物学相继进入到分子和量子
水平.遗传学也逐渐发展到了分子水平。1948年美国数学家维纳的控制沧问世之后,信息概念立刻和
主一生鲨型皇墨丛垒塑主塑垄曼
遗传概念结合了起来。1953年,沃森和克罩克建立
于的结丰勾、功能硬相互关东和相旺作用.确札肄体的凼果联系和作用中舟。这一时期的中心课题是围绕梭酸和蛋白质之间的戈系展开的.揭示丁复制、转录和转译的本质和机制。
第三个时期可称为理论应片j时期,造一时期在理沦上继续探讨生物大分丁之l可的关系.但已不限于饭酸和蛋白质。棱酸、蛋白质与多糖驶脂肪的关系受到了重视.生物体内大分子与小分丁之间的关系也引
起注意。更为重要的是.刨立了遗传T程的方法.将
了DNA叔螺旋模型,并在此基础上研究遗传信息的复制、转录和转译等问题,揭示遗传信.息从DNA到
蛋白质之间的传递规律,从而形成r信息遗传范式。
综上所述,遗传范式的演变经历了融合遗传——颗粒遗传——信息遗传.从而使人们对遗传的
认识经历丁臆测——机体水甲一一细咆水平——分
子水半。这种对遗传物质结构和功能的不断深化的认议过程符合人类基本的认识规律。中心法则使信
息遗传范式得以形成,从而更深刻地揭示_r遗传现
分子生物学的理论成果转向改造生物体的实践巾,并在农业和医学等方面的得到厂广泛的应用。
综L所述.中心法则标志着讣子生物学理论的成
象乃至整个生命现象的规律。
(2】中心法则在分子生物学发展史中的地位分子生物学的发展,大致经历厂三个时期,每一个时期都有自己的中心课题。第一个时期可称为孕育时期,大体上是20世纪30年代到50年代初。也有人认为分于生物学是从艾弗里的实验开始的。如果是这样,那么分子生物学的孕育时期可以看作是从1944年艾弗里的转化实验到1953年沃森和克里克的DNA双螺旋模型的建立。也可以认为,继摩尔根、缨勒之后.比德尔、塔吐姆、利德伯格以及德尔布吕克、赫尔希和鲁利亚等50年代之前的工作,都属于这个时期。其巾心课题是寻找基因的物质实体.解决基因的本质问题。
第二叶、时期是分子生物学理沦成熟时期。这个时期以建立DNA双螺旋结构为开端.吸引了大批科学家进行广泛而深入的研究,从而揭示了生物大分
熟。一方面是第~阶段的深化和继续:另一方面.也
足分子生物学实际应用的理论基础。可以说,中心法则的产生和发展足分子生物学发展啦中的黄金时代。
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中心法则与现代生物学的发展
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
刁生富
佛山大学政法系,广东佛山 528000自然辩证法研究
STUDIES IN DIALECTICS OF NATURE2000,16(9)3次
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引证文献(3条)
1.刁生富 中心法则与分子生物学的生命观[期刊论文]-自然辩证法研究 2003(11)2.刁生富 科学的价值中立与价值负载[期刊论文]-学术研究 2001(6)3.蒋功成 生物学课程中的"假说"[期刊论文]-生物学通报 2001(10)
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范文二:遗传学的中心法则--DNA的生物合成精品课件(可编辑)
遗传学的中心法则--DNA的生物合成精品课件
二引发突变的因素 物理因素 紫外线 ultra violet UV 各种辐射 UV可以导致DNA分子上相邻的两个嘧啶碱基发生共价交联生成嘧啶二聚体环丁基环cyclobutane ring
化学因素 很多的化学诱变剂同时就是致癌剂 化学诱变剂的来源 1化工原料化工产品化工副产品 2工业排放物汽车排放的废气 3农药食品防腐剂或添加剂 目前已经检出6万多种而且每年增加超过千种 4物质代谢过程中产生的自由基等因素能直接损伤DNA或干扰DNA的复制过程 确定致癌物的检测方法 检测该物质是否对细菌有突变作用 Ames试验 试验选用有缺陷的沙门菌 1His组氨酸异养型 必须加入组氨酸才生长 2细胞壁缺陷 化学物质易透入 3修复系统不活化缺陷 三突变的分子改变类型 从化学本质看突变的类型包括 错配
mismatch 重排 rearrangement 缺失 deletion 插入 insertion 缺失和插入都有可能导致框移frame-shift突变 一错配 DNA分子上的碱基错配又称点突变 point mutation 有两种类型 1 转换发生在同型碱基之间即嘌呤代替另一嘌呤或嘧啶代替另一嘧啶 2 颠换发生在异型碱基之间即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤 如果点突变发生在基因编码区则会导致氨基酸改变蛋白质一级结构改变进而影响该蛋白质的功能 与疾病有关的点突变例子 镰型红细胞贫血 β基因编码链 GAG?GTG HbS α2β26Glu?Valβ链 膀胱癌细胞
c-rasH基因编码链GGC?GTC 表达产物12位Gly?Val 二缺失插入和框移 缺失 一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失 插入 原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到DNA大分子中间 缺失或插入可导致框移突变 框移突变 是指三联体密码的阅读方式改变造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变 三重排 DNA分子内较大片段的交换称重组或重排 四DNA损伤的修复 修复 repairing 是对已发生分子改变的补偿措施使其回复为原有的天然状态 修复的主要类型 光修复 light repairing 重组修复 recombination repairing 切除修复 excision repairing 最重要有效的方式 SOS修复 四SOS修复 当DNA损伤广泛难以继续复制时由此而诱发出一系列复杂的反应 在E coli各种与修复有关的基因组成一个称为调节子 regulon 的网络式调控系统 这种修复特异性低对碱基的识别选择能力差通过SOS修复复制如能继续细胞是可存活的然而DNA保留的错误较多导致较广泛长期的突变 1(突变是进化分化的分子基础 自然界的生物进化过程是突变造成的没有突变就没有遗传学突变是缓慢而长期的长期突变的积累造成了同一物种的个体差异自发突变或自然突变不知道发生突变的真正原因 2(只有基因型改变的突变而没有可察觉的表型改变 例如简并密码子第三碱基的改变蛋白质非功能区编码基因序列的改变等DNA多态性polymophism是描述个体间的基因差别现象的 多态性分析技术的应用法医学的个体差别亲子鉴定临床医学上的器官移植配型预防医学上个体对某种疾病易感性的分析等 3(致死性的突变 突变发生在生命过程的重要基因可导致个体和细胞死亡人类利
用致死性突变来消灭有害的病原体 4(突变是某些疾病的发病基础
遗传病血友病地中海贫血等有遗传倾向的疾病肿瘤高血压糖尿病溃
疡肥胖等内科学记载的4000余种病13以上属于遗传性或有遗传倾向
的疾病人们认为突变有害就是指这类突变疾病是众多基因改变和环
境因素共同作用的结果 自发突变的频率极低在10-9左右 但是高
等生物基因组庞大细胞繁殖快所以突变的作用不容忽视 实验室用生
活环境中导致突变的因素可以诱发突变 包括物理因素和化学因素2
大类 第三节
DNA生物合成过程
The Process of DNA Replication 一复制的起始 需要解决两个
问题 1 DNA解开成单链形成复制叉提供模板 2 形成引发体并合成引
物提供3-OH末端 一原核生物的DNA生物合成 Ecoli复制起始点
oriC GATTNTTTATTT???GATCTNTTNTATT???GATCTCTTATTAG??? 1 13 17 29 32
44 TGTGGATTA-‖-TTATACACA-‖
-TTTGGATAA-‖-TTATCCACA 58 66 166
174 201 209 237 245 串联重复序列 识别区 反向重复序列 富含AT区 1 DNA解链 5
3 5 3 解链过程 DnaABC三种蛋白参与 DnaB 解螺旋酶 DnaC DnaA蛋
白 四个相同亚基组成 3 5 5 3 DnaB 解螺旋酶 DnaC 2 引发体和引
物 Dna A SSB 含有解螺旋酶DnaC蛋白引物酶和DNA复制起始区
域的复合结构称为引发体 DnaG 引物酶 DNA 拓扑 异构酶 ? 3 5 5
3 DnaB 解螺旋酶 DnaC SSB DnaG 引物酶 DNA 拓扑 异构酶 ? 合成引物 引物的合成 3 5 5 3 DnaB 解螺旋酶 DnaC SSB DNA 拓扑 异构酶 ? 合成引物 DnaG 引物酶 解链方向 引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子 二复制的延长 复制的延长指在DNA-pol催化下dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上其化学本质是磷酸二酯键的不断生成 DnaG SSB SSB SSB α α τ τ DNA-Pol ? 前导链 后随链-冈崎片断 5 3 3 5 3 5 5 3 DnaB 解螺旋酶 5 3 5 3 随从链 领头链 3 3 5 5 3 5 复制的过程 -OH ADPPi ATP DnaBC
DnaG 形成引发体 5′ 3′ 5′ 3′ 解螺旋酶 拓扑异构酶 单链DNA结合蛋白 DNA-Pol? DNA连接酶 原核生物基因是环状DNA双向复制的复制片段在复制的终止点 ter 处汇合 三复制的终止 冈崎片断的连接 5 5 DNA Pol-? RNA酶 水解RNA引物留下空隙 填补引物水解后留下的空隙保留缺口 DNA连接酶 DNA连接酶 ATP ADPPi 5 5 DNA
连接酶 5 5 P 形成磷酸二酯键连接片段之间缺口 二真核生物的DNA生物合成 细胞周期Cell cycle 指细胞分裂的时相变化 典型的细胞周期分为4期 G1期DNA合成前期 S期细胞分裂的合成期合成DNA G2期 G2期主要合成一些与有丝分裂中新细胞形成所必需的物质 M期细胞染色体形成并发生细胞分裂新细胞在此期形成 体内活细胞周期长短相差悬殊关键在G1进入S期营养良好的培养细胞周期约24小时 真核生物DNA复制特点 不同染色体各自进行复制 每个染色体有上千个复制子复制起点多 复制有时序性 复制子以分组方式激活而不是同步启动 转录活性高的DNA在S期早期就开始复制 卫星DNA高度
重复序列中心体连接染色体双倍体的部位端粒线性染色体两端在S期最后复制 复制起始点比大肠杆菌起始点OriC短 复制起始需要DNA-Pol α引物酶δ解螺旋酶拓扑酶复制因子 replication factor
RF增殖细胞核抗原 proliferation cell nuclear antigen PCNA参与 一真核生物复制的起始 复制起始也是打开复制叉形成引发体并合成RNA引物但详细机制不清楚 细胞能否分裂决定于进入S期及M期这两个关键点G1?S及G2?M的调节与蛋白激酶活性有关 蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而实施调控作用 相关的蛋白激酶 具有四级结构的蛋白质有两类亚基 调节亚基细胞周期蛋白
cyclin 催化亚基细胞周期蛋白依赖激酶cyclin dependent
kinaseCDK 二者都有多种而且可以交叉配伍实现对DNA复制的多样化和精确的调节 哺乳类动物细胞内还发现天然抑制CDK的蛋白 锚蛋白ankynin抑制CDK4 P21蛋白抑制多种CDK还抑制PCNA还参加P53介导的细胞凋亡级联反应 P21 和锚蛋白被称为细胞检查点蛋白 3 领头链 随从链 引物 核小体 二真核生物复制的延长 当随从链延长了一个或多个核小体的长度后要重新合成引物 亲代DNA 真核生物DNA复制与核小体组装同步进行复制完成后随即组装成染色体并从G2过渡到M期 染色体DNA呈线状复制在末端停止 复制中冈崎片段的连接复制子之间的连接都可以在线性DNA内部完成 染色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物去除后留下空隙剩下的DNA单链要填补成双链否则会被核内的DNase水解变短 三真核生物复制的终止 线性DNA复制的末端 复制完成后子链末端留下空隙母链成单链 端
粒 telomere 指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构形态学上染色体DNA末端膨大成粒状 结构特点 由末端单链DNA序列和蛋白质构成 末端DNA序列是多次重复的富含GC碱基的短 序列仓鼠和人类端粒DNA末端都有TnGnx重复序列 功能 维持染色体的稳定性 维持DNA复制的完整性 端粒酶 telomerase 组成 端粒酶RNA human
telomerase RNA hTR 端粒酶协同蛋白 human telomerase associated protein 1 hTP1 端粒酶逆转录酶 human telomerase reverse transcriptase hTRT 功能 提供RNA模板催化逆转录 端粒酶通过爬行模型的机制维持染色体的完整 端粒酶的RNA 端粒DNA末端 1端粒酶靠hTRAnCnx 与母链DNA端粒结合 内在模板RNA 2以端粒酶RNA为模版逆转录延长DNA母链 3端粒酶移位空出RNA模板再次延长母链同时DNA母链反摺利于下游复制延伸 端粒酶的RNA 4延伸足够长度后端粒酶脱离母链代之以DNA-Pol 此时母链3′-OH反折同时作为引物和模板完成末端双链复制 端粒酶的RNA DNA-Pol 第四节 逆转录和其他复制方式 Reverse Transcription and Other DNA
Replication Ways 双链DNA是大多数生物的遗传物质 某些病毒的遗传物质是RNA 少数低等生物如M13噬菌体的感染型只含有单链DNA 染色体外DNA原核生物的质粒真核生物的线粒体都采用特殊的方式
复制 逆转录或反转录 reverse transcription 逆转录酶 reverse transcriptase 全称依赖RNA的DNA聚合酶 逆转录酶 一逆转录病毒和逆转录酶 信息流动方向 逆转录酶作用特点 逆转录酶具有三种酶活性 以RNA作模板的dNTP 聚合活性 以RNA作模板合
成DNA单链形成RNA-DNA杂化分子 RNase活性 水解杂化分子中的RNA单链生成DNA单链模板 此作用可以由被感染细胞内RNase代替 以DNA为模板的的dNTP聚合活性 DNA作模板合成DNA单链形成双链DNA分子 酶作用需要Zn2 作为辅助因子 合成反应也按照5′?3′延长的规律 逆转录酶的存在 致癌RNA病毒蛙卵白细胞滋养层细胞 逆转录酶的作用 逆转录酶 逆转录酶RNase H 逆转录酶 逆转录病毒
在细胞内的逆转录现象 dNTP PPi H2O NMP dNTP
PPi tRNA引物 RNA 单链 模板 RNA-DNA 杂化双链 DNA 单链 DNA 双链 前病毒 与宿主基因组 DNA整合 分子生物学研究可应用逆转录酶作为获取基因工程目的基因的重要方法之一此法称为cDNA法 以mRNA为模板经逆转录合成的与mRNA碱基序列互补的DNA链 试管内合成cDNA cDNA complementary DNA 逆转录酶 SI核酸酶 DNA聚合酶? 碱水解 二逆转录研究的意义 逆转录酶和逆转录现象是分子生物学研究中的重大发现 逆转录现象说明 至少在某些生物RNA同样兼有遗传信息传代与表达功能 对逆转录病毒的研究拓宽了20世纪
初已注意到的病毒致癌理论 三滚环复制和D环复制 滚环复制 rolling circle replication 是某些低等生物的复制形式如X174和M13噬菌体等不需要引物 D环复制 D-loop replication 是线粒体DNA mitochondrial DNAmtDNA 的复制形式复制时需要合成引物
第五节
DNA损伤突变与修复
DNA Damage Mutation and Repair 遗传物质的结构改变而引起的
遗传信息改变均可称为突变 分子水平上的突变就是DNA上碱基的改
变 在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤 DNA damage 一突变
的意义 一突变是进化分化的分子基础 二突变导致基因型改变 三突
变导致死亡 四突变是某些疾病的发病基础 突变就其后果而言并非
都是危害生命的也有积极意义且在生物界普遍存在 转录 翻译 DNA RNA
蛋白质 反转录
复制 复制 DNA的生物合成 复制 DNA BiosynthesisReplication 复制 replication 是指遗传物质的传代以母链DNA为模板合成子
链DNA的过程 亲代DNA 复制 子代DNA 复制 分子基础碱基配对规律
和DNA双螺旋结构 化学本质酶促的生物细胞内单核苷酸聚合 复制
的保证各种酶和蛋白质因子的参与 复制的基本规律 Basic Rules of
DNA Replication 第一节 半保留复制 semi-conservative
replication 半不连续复制 semi-discontinuous replication 复制方向为双向 bidirectional replication 高保真性复制
high fidelity 复制的特点 一半保留复制的实验依据和意义
DNA生物合成时母链DNA解开为两股单链各自作为模板 template 按
碱基配对规律合成与模板互补的子链 子代细胞的DNA一股单链从亲
代完整地接受过来另一股单链则完全从新合成两个子细胞的DNA都
和亲代DNA碱基序列一致这种复制方式称为半保留复制 一 半保留
复制的概念 二 半保留复制的理论设想 T G G T A C T G C C A C T G G A C C A T G A C G G T G A C C T G G T A C T G C C A C T G
G A C C A T G A C G G T G A C C C C A C T G G G G T G A C C T
G G T A C T G A C C A T G A C A C C A T G A C T G G T A C T G
T G G T A C T G C C A C T G G A C C A T G A C G G T G A C C 母链DNA 复制过程中形成的复制叉 子代DNA 三 子链继承母链遗传
信息的
几种可能方式 全 保 留 半 保 留 混 合 式 亲代DNA 子代DNA 四半保留复制的证明实验 细菌可以利用NH4Cl作氮源合成DNA 轻链 14N-DNA 重链 15N-DNA 轻重链 DNA混合 半保留复制 第一代DNA 半保留复制 第二代DNA 半保留复制 第三代DNA 细菌在含NH4Cl 的普通培养液中培养后提取DNA 把细菌放在含15NH4Cl 的培养液中培养若干代后提取含15N的重DNA 把含15N-DNA的细菌放回含NH4Cl 的普通培养液中培养20分钟后提取子一代DNA 把含15N-DNA的细菌在含NH4Cl 的普通培养液中培养40分钟后提取子二代DNA 将轻链DNA和重链DNA混合 把含15N-DNA的细菌在含NH4Cl 的普通培养液中培养60分钟后提取子三代DNA 普通培养液培养细菌的轻链DNA在密度梯度离心时区带在离心管上方 子二代DNA密度梯度离心分析时有介于重带与轻带之间的中间带轻带两种 将轻链和重链DNA混合后密度梯度离心时在离心管中有与轻重链对应的两条区带 子三代DNA密度梯度离心分析时仍有中间带和轻带两种 以后各代DNA分子密度梯度离心结果相同但轻带变浓而中间带逐渐被稀释 含15NH4Cl培养液培养的重链DNA在密度梯度离心时区带在离心管下方 子一代DNA密度梯度离心分析时致密带介于重带与轻带之间没有单独的重带和
轻带 实验结果说明 子一代DNA双链中 一股是15N单链从亲代接受和保留下来的 另一股是14N单链完全是新合成的 Messelson和Stahl的实验支持半保留复制 半保留复制的意义 按半保留复制方式子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致即子代保留了亲代的全部遗传信息体现了遗传的保守性 遗传的保守性是物种稳定性的分子基础但不是绝对的 在强调遗传恒定性的同时不能忽视其变异性 二双向复制 原核生物DNA 复制时DNA从起始点 origin 向两个方向解链形成两个延伸方向相反的复制叉称为双向复制 复制中的放射自显影图像眼睛状图形 大肠杆菌DNA经放射性标记后电镜下观察结果 ter A 环
状双链DNA及复制起始点 origin B 复制中的两个复制叉replication fork C 复制接近终止点 termination ter 复制叉指的是DNA双链分成两股各自作为模板子链沿模板延长形成的Y字形结构 复制叉指的是DNA双链分成两股各自作为模板子链沿模板延长形成的Y字形结构 Ecoli origin 真核生物 真核生物有多个染色体均需要复制每个染色体有多个起始点是多复制子的复制 习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一个复制子 replicon 复制子是独立完成复制的功能单位 高等生物有数以万计的复制子长度差异很大 原核生物是单复制子复制称为复制体replisome 真核生物的多复制子复制 5 3 ori ori ori ori 5 3 5 5 3 3 5 5 3 3 复制子 已完成复制的复制子 DNA母链ori为复制点 复制子的大小和起始的先后不同 复制子长度为相邻起点间距离 其中一个复制子已经完成复制 复 制 进 程 三复制的半不连续性 5 3 解链方向 3′ 5′ 领头链
leading strand 随从链 lagging strand 3 5 3′ 3′ 5′ 5′ 领头链连续复制 随从链不连续复制 这就是复制的半不连续性 DNA的两股单链走向相反一股为5至3另一股互补链为3至5 复制叉上两股母链也是走向相反 子链沿母链模板复制只能从5向3延伸 同一个复制叉上只能有一个解链方向 顺着解链方向生成的子链复制是连续进行的这股链称为领头链 另一股链因为复制的方向与解链方向相反不能顺着解链方向连续延长这股不连续复制的链称为随从链 冈崎片段 复制中的不连续片段称为冈崎片段 okazaki fragment 第二节 DNA复制的酶学 The Enzymology of DNA Replication 参与DNA复制的物质 DNA复 制系统 底物 dNTP 聚合酶 DNA-pol 模板 解成单链单链 的DNA母链 引物 与模板互补的 RNA片段 其它酶 和蛋白
质因子 底物 substrate dATP dGTP dCTP dTTP 聚合酶
polymerase 依赖DNA的DNA聚合酶 简写 为 DNA-pol 模板 template 解开成单链的DNA母链 引物 primer 提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合 解螺旋酶 引物酶 单链DNA结合蛋白 DNA连
接酶等 一复制的化学反应 单链延长的方向 单链延长的方向 dNMP n dNTP ? dNMP n1 PPi 新链生成需引物 新链的延长只可沿 5 ? 3方向进行 脱氧核糖核苷酸之间生成 35,磷酸二酯键
而逐一聚合 二DNA聚合酶 全称依赖DNA的DNA聚合酶 DNA-dependent DNA polymerase 简称DNA-pol 活性作用有两方面 53 的聚合活性 延53方向延长脱氧核苷酸链 核酸外切酶活性两种情况 3 5外切酶活性能辨认错配的碱基对并将其水解 5 3外切
酶活性能切除突变的 DNA片段 核酸外切酶活性 3 ? 5外切酶活性 能辨认错配的碱基对并将其水解 5 ? 3 外切酶活性能切除突变的 DNA片段 合成中的DNA分子 一原核生物的DNA聚合酶 DNA-pol ? DNA-pol ? DNA-pol ? 三种酶共同点 都具有 5 ? 3 聚合酶活性 3 ? 5外切酶活性 二真核生物的DNA聚合酶 真核生物 DNA-Pol DNA-Pol α DNA-Pol β DNA-Pol γ DNA-Pol δ DNA-Pol ε 分子量 kD 5?3 聚合活性 3?5 外切活性 功能 165 40 140 125
255 中 起始引发 引物酶活性 - 高 高 高 - 低保真度的 复制 线粒体DNA的 复制 延长子链的 主要酶 解螺旋酶活性 填补引物空隙 切除修复 重组 三复制保真性的酶学依据 复制按照碱基配对规律进行使遗传信息能准确传代 二复制的保真性 DNA聚合酶对模板的依赖性是子链与母链准确配对是遗传信息得以延续和传代的保证碱基配对的关键是氢键的形成 三聚合酶对碱基的选择 原核生物DNA聚合酶III 对核苷酸的参入有选择功能 复制保真性的酶学机制 一DNA-pol有两种活性 聚合酶活性 核酸外切酶活性和即时校读 2聚合酶 在复制延长时 对碱基的选择功能 1 遵守 严格的 碱基配对规律 3复制出错时 DNA-pol的 及时校读功能 DNA复制的 保真性 至少要依赖 三种机制 四复制中的分子解链及DNA 分子拓扑学变化 DNA分子的碱基埋在双螺旋内部只有把DNA解成单链它才能起模板作
用 一解螺旋酶引物酶和单链DNA结合蛋白 二DNA拓扑异构酶
DNA topoisomerase 拓扑异构酶作用特点 既能水解 又能连接磷酸二酯键 拓扑异构酶 拓扑异构酶? 拓扑异构酶? 拓扑异构酶?
原 核 原 核 真 核 真 核 转轴酶 解缠酶 切口-封闭酶 松弛酶 ω蛋白 旋转酶 又分为 几种亚型 最近发现 曾用名 11个 螺旋 9个螺旋 被压缩 超螺旋局部解开后 DNA复制过程中正超螺旋的形成 2 复制过程中正超螺旋的形成 超螺旋解开前 2 9 拓扑异构酶? 切断DNA双链中一股链使DNA解链旋转不致打结适当时候封闭切口DNA变为松弛状态 反应不需ATP 拓扑异构酶? 切断DNA分子两股链断端通过切口旋转使超螺旋松弛 利用ATP供能连接断端 DNA分子进入负超螺旋状态 拓扑异构酶的作用 五DNA连接酶 DNA连接酶 DNA ligase 作用方式 连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P末端使二者生成磷酸二酯键把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链 DNA连接酶功能 在复制中起最后接合缺口的作用 在DNA修复重组及剪接中也起缝合缺口作用 也是基因工程的重要工具酶之一 1(突变是进化分化的分子基础 自然界的生物进化过程是突变造成的没有突变就没有遗传学突变是缓慢而长期的长期突变的积累造成了同一物种的个体差异自发突变或自然突变不知道发生突变的真正原因 2(只有基因型改变的突变而没有可察觉的表型改变 例如简并密码子第三碱基的改变蛋白质非功能区编码基因序列的改变等DNA多态性polymophism是描述个体间的基因差别现象的 多态性分析技术的应用法医学的个体差别亲子鉴定临床医学上的器官移植配型预防医学上个体对某种疾病易感性的分析等 3(致死性的突变 突变发生在生命过程的重要基因可导致个体和细胞死亡人类利用致死性突变来消灭有害的病原体 4(突变是某些疾病的发病基础 遗传病血友病
地中海贫血等有遗传倾向的疾病肿瘤高血压糖尿病溃疡肥胖等内科学记载的4000余种病13以上属于遗传性或有遗传倾向的疾病人们认为突变有害就是指这类突变疾病是众多基因改变和环境因素共同作用的结果 自发突变的频率极低在10-9左右 但是高等生物基因组庞大细胞繁殖快所以突变的作用不容忽视 实验室用生活环境中导致突变的因素可以诱发突变 包括物理因素和化学因素2大类 亲代 环形DNA 复制眼 复制叉 子代 新环形DNA 子代 新环形DNA 相同 相同 功能对复制中的错误进行校读对复制和修复中出现的空隙进行填补 DNA-pol ?109kD B F A H K I J R N M P L O
Q G D E C 18个α-螺旋区组成A?R H和I螺旋之间有较大的非螺旋区 50个氨基酸未标示出 小片段A,F323肽 5 核酸外切酶活性 大片段Klenow 片段 G,R 604肽 DNA聚合酶活性\ 5 核酸外切酶活性 Klenow片段是实验室合成DNA进行分子生物学研究中常用的工具酶 N 端 C 端 木瓜蛋白酶 DNA-pol ? B F A
D E C H K I J R N M P L O Q G DNA-pol ?120kD DNA-pol ?基因发生突变细菌依然能存活 据此推想 此酶是在 Pol ?? 缺失情况下暂时起作用 DNA-pol ?对模板的特异性不高可以利用损伤的DNA模板催化核苷酸聚合 因此认为 它参与DNA损伤的应急状态修复SOS修复 见本章第四节 DNA-pol ? 250kD 功能 是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶 α β β τ τ θ θ λ λ α ε β ε β δδχφ 2 Pol ?活性高于Pol ? 每分钟达105次聚合反应 据此认为 此酶是
原核生物DNA复制延长反应中真正起作用的酶 DNA,Pol ?由10种
亚基组成不对称的异源二聚体 核心酶 αεθ亚基组成兼有5,3
聚合及3,5外切活性 ε亚基为复制保真性所必需 β亚基可以夹稳
模板并使酶沿模板移动 其余亚基统称为λ-复合物作用是促进全酶
组装至模板增强核心酶作用 20 多亚基不对称二聚体 250
DNA-Pol ? 120 DNA-Pol ? 400 单肽链 109 DNA-Pol ? 5
?3核酸外切酶活性 基因突变后致死性 分子数细胞 组成 分子量
kD 催化DNA聚合 参与DNA损伤的应急状态修复 修复合成切除引物
填补空隙 功能 20 40 400 分子数细胞 10 1 1 亚基数 - 5 外切
酶活性 5外切酶活性 5 聚合酶活性 pol III pol II pol I 聚合酶 E Coli中的DNA聚合酶 一DNA-pol的核酸外切酶活性和及
时校读 B如果碱基配对正确 DNA-pol I 则不表现外切酶活性只表现
聚合酶活性 DNA-pol I 外切活性 聚合活性 dCTP A碱基配对错误
DNA-pol I表现外切酶活性切除错配碱基并用其聚合活性掺入正确配
对的底物 模板链 新合成链 模板链 新合成链 复制的保真性和碱基
选择 DNA聚合酶靠其大分子结构协调非共价氢键与共价磷酸二酯键
键的有序形成 嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型 与相应的嘧
啶形成氢键配对嘌呤应处于反式构型 反式 顺式 N N N N N P-R H H 6 9 N N N N N R-P H H 6 9 E Coli 基因图 umuCD dnaC dnaG dnaL mutH mutS dnaZ mutL dnaI dnaA dam rpoAD oriC mutD polC mutT polB
dnaJK ter rep recC recB recD gyrA gyrB recA lig uvC uvB polA
dnaP mutU uvD dnaB ssb rpoBC uvA 0100 10 20 30 40 50 60 70 80
90 原核生物复制其始的相关蛋白质 原核生物复制其始的相关蛋
白质 DnaA dnaA 辨认起始点 DnaC dnaC 运送并协同DnaB 拓扑异
构酶 gyrAB 理顺DNA链 单链DNA结合蛋白 SSB 稳定已解开的单链
复制蛋白rep 解螺旋酶 DnaB dnaB 解开DNA双链 注括号内为该蛋
白质的基因 蛋白质名称首字母大写 解螺旋酶 helicase
利用ATP供能作用于氢键使DNA双链解开成为两条单链 引物酶
primase 复制起始时催化生成RNA引物的酶 引物酶 DnaG dnaG 催
化RNA引物生成 单链DNA结合蛋白 single stranded DNA binding
protein SSB 在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整
拓扑异构酶 I 的作用方式 放大超螺旋 放大双螺旋 OH3 P-5 拓
扑 酶I 拓扑酶I 切断DNA双链中的一股使两个螺旋变为一个适当时
候再封闭缺口 拓扑异构酶?的作用方式 正超螺旋 负超螺旋 拓
扑异构酶? 1 3 4 5 ADP Pi H2O ATP 2 DNA连接酶 ATP ADP HO 5
3 5 3 3 5 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 ATP ADP DNA连接酶 E Coli 基
因图 umuCD dnaC dnaG dnaL mutH mutS dnaZ mutL dnaI dnaA dam rpoAD oriC mutD polC mutT polB dnaJK ter rep recC recB recD gyrA gyrB recA lig uvC uvB polA dnaP mutU uvD dnaB ssb rpoBC uvA 0100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 oriC 在82分钟位点 跨度为245bp 复
制的化学反应 单链延长的方向 单链延长的方向 dNMP n dNTP
? dNMP n1 PPi 新链生成需引物 新链的延长只可沿 5 ? 3方
向进行 脱氧核糖核苷酸之间生成 35,磷酸二酯键而逐一聚合
复制的延长 dATP dGTP dTTP dCTP dTTP dGTP dATP dCTP 3 dATP dGTP
dTTP dCTP dTTP dGTP dATP dCTP 5 3 5 OH 3 DNA-pol E Coli
基因图 oriC ter 0100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 oriC 在82分钟位点 跨度为245bp 终止点 ter在32分钟位点 猿猴病毒SV40 ori ter 50 0 细胞周期cell cycle是指连续分裂细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂结束所经历的整个过程 整个过程中细胞遗传物质复制并加倍且在分裂结束时平均分配到两个子细胞中去 哺乳动物的细胞周期 DNA合成期 G1 G2 S M 细胞周期示意图 细胞周期cell cycle是指连续分裂细胞从一次有丝分裂结束到下一次
有丝分裂结束所经历的整个过程
整个过程中细胞遗传物质复制并加倍且在分裂结束时平均分配到两
个子细胞中去
2001年诺贝尔生理医学奖获奖者 Leland Hartwell Tim Hunt
Paul Nurse 细胞周期分期 细胞周期又可以分为 间期interphase又分为G1期S期和G2期 从一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂开始的时期就是间期 间期在光学显微镜下看不到细胞有明显的变化但细胞内却正在进行一系列的生化活动主要的活动围绕制造完全相同的又一套遗传物质展开 这一期以DNA合成为标志 有丝分裂期 M phase 在光学显微镜下可以看到的只是M期经过分裂期加倍的染色体和其他细胞组分被平均分配到两个完全一样的子细胞中换句话通过分裂形成了一个新细胞 G1期又称为DNA合成前期准备时期 此期DNA的合成还没有开始但此期中所进行的RNA和蛋白质合成却是DNA复制所必须的而且S期中DNA合成的启动也在这一时期受到调控 S
期中DNA进行合成同时合成染色体形成所必需的组蛋白非组蛋白等物质 G2期主要合成一些与有丝分裂中新细胞形成所必需的物质如细胞骨架中的微管蛋白等 M期中细胞染色体形成并发生细胞分裂新细胞在此期形成 滚环复制方式 dNTP DNA-pol γ D环复制 第一引物以内环为模板延伸 第二引物反向以外环为模板进行反向延伸 嘧啶二聚体的形成与解聚 化学诱变剂的来源 1化工原料化工产品化工副产品 2工业排放物汽车排放的废气 3农药食品防腐剂或添加剂 目前已经检出6万多种而且每年增加超过千种 4物质代谢过程
中产生的自由基等因素能直接损伤DNA或干扰DNA的复制过程 Bruce Ames实验 药物涂布于不含组氨酸的培养板 加入诱变剂后缺陷菌逆转可以合成组氨酸而能生长 观察细菌成活的菌落数目 确定被检药物是否导致突变 北特利平皿薄层琼脂接种109个组氨酸异养型沙门氏菌37?培养2天缺陷菌在无诱变剂时只有30个自发诱变加入05微克2-氨基蒽时有11000个逆转菌落 镰型贫血基因与血红蛋白的改变 膀胱癌细胞 c-rasH基因点突变 细胞株EJT24基因 CAG GTC 模板链 编码链 CCG GGC 模板链 编码链 正常细胞基因 P 产物正常---------gly12-----gln61---- ras 21 P 产物膀胱癌------val12--------------- ras 21 缺失使阅读框前移 插入使阅读框后移 缺失或插入点以后的密码全部改变 基因重排引起的两种地中海贫血 由基因重排引起的两种地中海贫血基因型 β ε γ1 γ2 δ 位于11号染色体上的Hbβ基因家族 δ β β δ
β δ β δ β 重排 一光修复
嘧啶二聚体的形成与解聚 重组修复 损伤面大又不能及时修复的DNA可以复制但复制的子链带有错误甚至缺口 这种损伤需要进行重组修复 重组蛋白RecA的核酸酶活性将另一股健康母链与缺口部分交换以填补缺口 Ecoli中与重组有关的基因包括 recArecBrecC等RecA是recA基因的产物 健康母链指同一细胞中已完成复制或来自亲代的一股DNA链 错误的模板 有缺口子链 有损伤DNA 正常的模板 无缺口子链 复制 RecA 随复制次数增多损伤链所占比例越来越小逐渐被稀释掉 二重组修复机制 1损伤的DNA 2UvrBUvrAUvrC辨认并结合与DNA损伤的部位 3UvrC切除损伤部位 4DNAPol ?利用dNTP填补空隙但仍然留有缺口 5DNA连接酶利用ATP连接缺口 三切
除修复
范文三:高中生物教学中中心法则的运用
A,T C=, … …? “中心法则”中涉及碱
据?可推出以下关系:
碱基分子数:,,,,,,,,,,,,,+, 基、氨基酸数量的有关计算
… …?
碱基含量: ,,,+ T + G =1 … …? 杨心兵 徐国仁 (湖北省当阳市第二高级中学 444100) ,,,,,,,,,,,,,,,,0.5 … …?
例,:高中《生物》,全一册,课本,二,。已知, 144丶丶
“遗传的物质基础”是高中《生物》中的一个重要内占,,% ~则据?、?有,,,,,,,,×,,,%,,,%~容~是学生进一步学习遗传规律的基础。在“DNA的结构”、再据?知,占,,%。
“中心法则”中均涉及到碱?, 单链
A T C G 基、氨基酸数量、含量的有1 ??, 互补的二碱基,,,,或,,,,的含量在单链、其
DAN 关计算~学生普遍感到困难。互补链、双链中都相等。 … …?
T A G C 有的觉得碱基间的数量关系2 单链,中:,,,,,n+n,/3n 12
A U C G mRNA 难辩~致使解题思路混乱~3 单链,中:,,,,(n+n)/3n 12
不能得出正确结果,有的张 DNA双链中:,,,,,,n+n,/6n=(n+n)/3n 1212冠李戴~错漏百出,有的束手无策~无法着手。所以有必 故:,,,的含量在链,、互补链2、双链中均相等。要对此类问题作系统探讨~总结出典型题目的解法~帮助 同理可知~,,,的含量也有同样的特点。 学生积累解题策略~这对训练学生的思维能力也大有帮助。 另据?不难推知~,,,,,,,,,,,的比值在链为简化思路~将,NA、m,,,链上的碱基分类集中排布,如,、互补链,、双链中也都相等。 … …? 上图,~不会影响其数量、含量之计算。 设 由 m,,,翻1.2.2 非互补的两个碱基之和与另两个碱基和的比值?,,,译的蛋白质含n个氨基酸~m条链。,,, 之 链,所含碱,,,,,,,,、,,,,,,,,,,,等?在两条互补链基,、,、,、,的分子数分别设为n、n、 n、n~则根1234中互为倒 数。 … …? 据碱基互补配对原则~其互补链,上碱基,、,、,、,的设链,上,,,,,,,,,,,,, 分子数依次为n、n、n、n~经转录,若以链,为模板链,,243 ?链,上,,,,,,,,,,,,,n+n,/(n+n) 1423m,,,上,、,、,、,分别为n、n、 n、n。另根据1234 ?链,上,,,,,,,,,,,,,n+n,/(n+n)=1/p 2314翻译的特点,不考虑起始、终止密码子,~ 有n+n+n+n=3n~1234例,:,,,分子的一条甲链中,C,T,,,G,A,,0.8~,,,分子碱基总数为6n。此蛋白质肽键数为n-m。 另一条乙链中的,,,,,,,,,G,,,.,,,那么~和
? ,,,分子中 它们互补的链中~相应的碱基比例分别是多少, ?, 双链 互补的碱基的分子数、含量相等。 解析:据?知~甲链的互补链中,,,,,,,,,,,
,,,,(,,,(,,,据?知乙链的互补链中,,,,,例6:牛胰岛素分子是由51个氨基酸组成的两条肽链~决,,,,,,,,(,,( 定这个胰岛素分子合成的基因至少应有多少个碱基和多少个2 转录中 肽键,
由于mRNA与其模板链,有义链~链2,成互补关系~所解析:碱基数=6n=6×51=306个 以上述分析中的?、?、?等仍成立~只是在涉及mRNA时 肽键数=n,m=51,2=49个 需以U替T。mRNA相对于反义链,链3与链1,来说~碱基, 需注意的问题
排列顺序相同~仅只是T换成了U。 学生在解答上述各类题时~往往把碱基含量之间的关系
例3:某信使RNA的碱基中腺嘌呤占10%~尿嘧啶占20%~及其在单双链中的关系混淆~有的搞不清氨基酸数与碱基数、那么~作为它的模板的DNA分子中胞嘧啶占多少, 肽键数之间的关系。除要求学生认真审题外~尚须特别注意如
解析:mRNA中 ? A=10% U=20% ,分清单、双链~弄清双链是否是互补链。如在,下问题:,1
? C+G=70% ,据?, ,,双链中~,=T ,而在其一条链中却无此关系。,2,两个
DNA分子中 C+G=70% ,据?, 碱基和与另两个碱基和之比率是相等~还是倒数关系,要据
则: C=35% ,据?, ?、?分清。,3,蛋白质有多少条肽链(m),在计算肽键数时~
例4:DNA分子的一条链中,C+T,/,G+A,=,.4~由学生容易忽视。,4,在感到无从下手时~要注意变换思维方式。该链转录的信使,,,分子中,,,,,,,,,,,的比例若顺推,从已知趋向未知,不得~看看逆推,从未知趋向已知,是多少, 能否奏效,
解析:据?知,,,,,,,,,,,的值在其互补链中只要学生确实理解了碱基互补配对原则和中心法则~通 为倒数关系~故为,,,.4=2.5。 过一定的典型题目的训练~熟能生巧~就能提高解题能力~最3 翻译中 终达到提高思维能力的目的。
若不考虑起始、终止密码子~mRNA上的一个密码子对应
一个氨基酸~则mRNA的碱基总数,n,,是蛋白质中氨基酸
数目,n,的3倍~即有:n,= n+n+n+n=3n … …? 1234
3., 顺推:根据DAN,基因,中碱基数推知氨基酸数、肽键
数。
例5:一个DNA分子片段含有60个碱基~那么经它转录、
翻译后合成的一条肽链中含肽键最多有多少个,
解析:已知6n=60 ,则氨基酸数n为10~肽键个数为10,
1=9个。
3(2 逆推 根据氨基酸数推知碱基数。
范文四:[doc格式] 基于生物学中心法则的策略系统模型
基于生物学中心法则的策略系统模型
第35卷
Vo1.35
第l7期
No.17
计算机工程
ComputerEngineering
2009年9月
September2009
?
人工智能及识别技术?文章编号:l00_3428(2o09)17—_0178—_03文献标识码:A中田分类号,TP311
基于生物学中心法则的策略系统模型
藏节永,苏丹,罗川
(江南计算技术研究所,无锡214083)
摘要:通过对生物学中心法则,基因结构,基因表达调控等机理概念的
,策略 描述,提出一种基于策略运行的系统模型.对规则,策略
组和予系统等概念进行形式化定义,分析它们在模型中的层次关系和网络特性,借助原核生物基因表达调控中操纵元概念举例说明一个基
于策略运行的分布式检测监控系统.
关奠诃:基因;基因表达调控;规则;策略;策略组
PolicySystemModelBasedonCentralDogmaofMolecularBiology
DAIJie—yong,SUDan,LUOChuan
(JiangnanInstituteofComputingTechnology,Wuxi214083)
[AbstractlWiththedescriptionofthecentraldogmaofmolecularbiology,thestructureofgene,themechanismofgeneexpressionandregulation,
asystemmodelbasedonpolicydrivingisdescribed.Theconceptsofrule,policy,policygroupandsubsystemareformallydefined,andtheirlevel
relationsandnetworkcharacteristicsareanalyzed.Itillustratesadistributeddetectingandmonitoringsystembasedonpolicieswiththeconceptot
operonofprokaryote’Sgeneexpressionandregulation.
[Keywordslgene;geneexpressionandregulation;rule;policy;policygroup
目前的软件绝大多数是根据功能的需求具体实现的,自
我管理能力差,而基于策略运行的系统可提高系统的自动化
程度和自适应自组织能力.”生物学中心法则”IJ给人们以有
益的启示,有机生命体通过编码在DNA中的遗传信息进行
生存,发育,活动,繁殖.本文将这种机制应用到控制有关
信息系统运行的策略系统中,使信息系统能在策略系统的
指导下自适应外部复杂环境稳定运行,实现系统所要达到的
目标.
l生物学中心法则机理
1.1生物学中心法月
生物体的遗传信息以三联密码子…(eP3个碱基编码一个
氨基酸)形式编码在DNA分子上,表现为特定的核苷酸排列
顺序,并以基因作为遗传的基本单位,在细胞分裂前,DNA
自我复制将遗传信息由亲代传递给子代.在后代的个体发育
过程中,遗传信息自DNA转录给RNA,并指导合成蛋白质,
多肽,RNA以执行各种生命功能,使后代表现出与亲代相似
的遗传性状,同时某些RNA病毒的遗传信息也可存在于RNA
分子中,由RNA通过逆转录的方式将遗传信息传递给DNA,
这种遗传信息的传递过程即”生物学中心法则”,见图1.
复制/变异堙构
,
复制rRNA
m
.
iRNAf
A
案詈多肽
图1生访学中心法则
1.2基因结构
自然界存在的蛋自质由20种氨基酸组合而成,它们对应
于由4种碱基A,U,C,G组合而成的64种三联密码子中的
61个,即这2O种氨基酸至少对应1种密码子.这64个密码
一
】78一
中包含了基因合成蛋白质的起始密码和终止密码.基因是遗
传的基本单位,由若干个密码子连接而成,具有编码RNA
和/或多肽功能的信息单位,是负载特定遗传信息的DNA分
子片断.
1.3基因表达调控
生物体使用基因合成蛋白质的过程中.经历了一系列复
杂的基因表达调控过程.
基因组是指含有一个生物体生存,发育,活动和繁殖所
需要的全部遗传信息的整套基因,但基因组中的基因并非同
时全部表达出来,而是按功能的需要,某一特定基因的表达
严格按特定的时间顺序发生,同时在个体生长全过程中某些
基因表达产物按不同组织空间顺序出现.
基因在生物体内的表达分为组成性表达(不受环境变化
影响的基因表达),适应性表达(环境的变化容易使其表达水
平变动的基因表达)和协调调节表达(功能上相关的一组基因
在表达时必须协调一致,共同表达)3类.
在特定环境信号刺激下相应基因表达产物增加,这样的
基因成为可诱导基因;相反,随环境条件变化能使表达水平
降低的基因被称为可阻遏的基因.基因的诱导和阻遏受基因
的启动子与RNA聚合酶相互作用的影响外,还受其他机制的
调节(如增强子,沉默子).原核生物基因表达调控以操纵元(包
括结构基因群,启动子,操纵子,调控基因,终止子)作为基
因表达调控的单元,而真核生物为蛋白质编码的基因绝大多
数是不连续的,且有外显子和内含子,转录后需经剪接去除
作者筒介:戴节永(1973一),男,硕士,主研方向:信息安全;
苏丹,罗川,硕士
收稿日期:2009—02—28E-mail:jndjy@163.com
内含子,才能翻译获得完整的蛋白质.真核生物参与基因表
达调控的元件有启动子,增强子,沉默子,反式作用因子等.
生物体的基因表达调控可以在复制,扩增,基因激活,转录,
转录后,翻译和翻译后等多级水平上进行.所有情形指明基
因组中基因之间具有复杂的相互关系,是一个复杂网络J.
2策略系统模型
一
组具有一定功能的蛋白质可组织为一个细胞器,在细
胞内行使一定的生理功能;不同的组织细胞表达不同的基因,
产生具有特殊功能的蛋白质,进行不同的生命活动.
在信息系统中,也可以通过类似于有机生物体的基因,
蛋白质,细胞器,细胞4个层次描述.这里把信息系统划分
为4个层次:元组件,组件,块组件,系统.元组件定义为
一
个具体算法和执行该算法所要求的状态条件的二元关系;
组件被定义为一组元组件的集合和该集合中各个元组件之间
的关系集合的二元关系集合,在系统中实现为一个功能模块;
块组件被定义为一组组件的集合和该集合中各个组件间的关
系集合的二元关系集合,在系统中实现为一个子系统;而若
干个子系统及其之间有关联性的二元关系则可组装为一个完
整的系统.
接着使用”生物学中心法则”机理建立策略系统模型.
在策略系统中,与元组件,组件,块组件3个层次概念
相对应的概念为:规则,策略,策略组【jj.一条规则定义为
一
个条件,动作对及两者的关联关系构成的二元关系,一条
策略是全体规则组成的集合的一个子集及该子集中规则之间
的关联关系构成的二元关系,策略组则为全体策略形成的集
合的一个子集及该子集合中策略之问的关联关系构成的二元
关系.一条规则确定一个元组件,一条策略确定一个组件,
一
个块组件确定一个策略组.
在系统的运行过程中,策略组之间,策略之间,规则之
间在3个层次上的关联性是动态变化的.即策略中包含的规
则及策略组中的策略可以添加,修改,删除,相互之间的关
联会动态变化;同时策略组之间的关系也是动态变化的.假
设系统中有n条规则(对应于基因概念),则系统的策略(对应
于基因组概念)空间中包含元素个数为?,即2一1,进i=1
一
步,策略组(对应于蛋白质组概念)空间中包含的元素个数
为21,即21,可见,越往上层发展,系统的可能变
化越具有多样性,而一个真实的系统是由规则空间的子集到
策略空间的子集再到策略组空间的子集一步一步适应发展而
来的,是这些空间中的一条轨迹.
当一条规则的输出消息序列直接影响另一条规则中的输
入消息序列时,这2条规则是相互连接的;同样当一条策略
的输出消息序列直接影响另一条策略中的输入消息序列时,
这2条策略是相互连接的;一个策略组的输出消息序列直接
影响另一个策略组中的输入消息序列时,这2个策略组也是
相互联系的.赋予规则,策略,策略组以主体身份,则它们
之问的关联性就被定义为个体之间的交互,各自具有状态.
显然,在规则,策略,策略组这3个层次上的交互复杂度是
依次递增的.这样系统将在这3个概念层次上形成3层动态
变化的网络,影响网络变化的因素是系统的各个元组件,组
件,块组件的输入,输出及其在3个层次上的相互关联性质
和它们各自的状态.
对规则,策略,策略组,子系统的概念作以下的形式化
定义:
首先定义2个集合:
C:<()>={cl,C2,’一,}
其中,f??且i?,表示系统所有可能的条件集合:
A:<(口,)>={al,02,…,amj
其中,i?N且i?m,表示系统所有可能的动作集合.
(1)规则定义
R:<(Ci,ai,g)>,R=“,r2,…,}
其中,f?N且i?n,ci?C,al?A;g为Ci,af的关系函数.
规则状态转换函数:
:(f,,S,)(OrSr)
其中,ir?Ir,S,?Sr,S:?Sr,0,?or;,r表示规则r的输入集合;
表示规则r的状态集合;(),表示规则r的输出集合.
(2)策略定义
P:<ri,rJ,…,rk,g>,P={Pl,P2,…,)
其中,i?N,J?N,k?N且i?,J?,k?n;’?R,?
R,rk?R;g为I,r『,…,rk之间的关系函数.
策略状态转换函数:
:(,)_?(,)
其中,,,Sp?,;Ip表示策略P的输入集
合;Sp表示策略P的状态集合;Op表示策略P的输出集合.
(3)策略组
PG.<Pi,Pj,…,,g>,PG={Pgl,Pg2,…,Pg.}
其中,i?N,J?N,k?N且i?聆,J?,k?,Pi?P,Pj?
P,P?P;g为P,P一,Pk之间的关系函数.
策略组状态转换函数:
:(,)一?(,)
其中,?,,??,o?D;表示策略组Pg
的输入集合;表示策略Pg的状态集合;表示策略Pg
的输出集合.
(4)子系统
Subsys:<Pgf,Pg,,…,Pg,g>
Subsys={subsysl,subsys2…subsys}
其中,i?N,J?N,k?N且i?,?,k?n;Pg?PG,Pg,?
PgEPG,Pgj?PG,Pg?PG;g为Pg,Pgj,…,PgI之间的关
系函数.
子系统状态转换函数:
:(f,)(0,)
其中,i?,,S?S,?S,0?0;,表示子系统subsys的输入集
合;S表示子系统subsys的状态集合;0表示子系统subsys
的输出集合.
从以上定义可以看出,规则,策略,策略组,子系统的
概念是层层迭代产生的,同时,关系函数和状态转换函数【4】
的存在导致各层次内部,层次之间形成复杂网络.系统中的
元件自下而上非线性叠加,上层元件的活动又反过来影响下
层元件的构造和它们之间的关系.由此可知系统先是自下而
上构建,然后自上而下反馈影响,再自下而上调整系统运行
循环进行的,使系统动态白适应外界环境的变迁.
根据基因调控的机理,在策略系统模型中定义6种可以
在上述规则,策略,策略组3个概念层次中操作的6个基本
算子:复制算子,突变算子,合成算子,重构算子,执行算
一
179—
子,评估决策算子,它们组成了策略系统运行的基本框架.
在这6个基本算子的作用下,系统具备了根据外部环境变化
自动完成策略的突变和/或重构合成新的规则,策略,策略组,
具有自演化,自组织,自适应J外部环境的能力,即在此过
程中系统可以组织生成新算法,改造原有算法,关闭某些算
法和/或激活某些算法的运行.
系统要达到自适应外界环境变化,进行自组织,自演化
的目的,显然要求以上6个算子具有智能特性,尤其是评估
算子.评估算子需要不问断地评估外界环境状态变化,自身
运行状态以及策略执行的结果,再作出决策,并把相应的决
策信息提交给适当的其他算子.而策略系统虽然处理信息系
统中所有的规则策略,但在整个信息系统中还是作为一个子
系统存在,各个子系统有各自的运行规则,策略,策略组,
它们在策略系统6个机制的控制下组织运行演化,而策略系
统自身的6个机制作为策略的6条策略也在运行过程中随系
统环境进行自我演进.策略系统如图2所示.
圈2策略系统模型
在构建系统之初,规则,策略,策略组及其转换函数集
合是有限的,随着系统的不断演化,它们将经历合成,重构,
突变,复制等过程,并且在集合意义上,它们的个数都是可
数的.系统在与外界交换信息时,一方面维持系统运行的稳
定性,另一方面又完善自身适应环境的能力,并不断地实现
系统设计之初赋予的使命.
3策略系统实例
本文使用以上模型建立了一个分布式检测监控策略系
统.该系统方案是基于原核生物基因表达调控(操纵元组织)
机制的,策略组对应于能协同完成一定生物功能的一组操纵
元集合,策略的概念对应于操纵元,策略中包含的规则概念
对应于结构基因和调控基因.
操纵元中的启动子对应于”启动规则执行标记”,操纵子
对应于”规则活动状态标记”,终止子对应于规则终止执行标
记.这里的策略概念正是基于操纵元概念中的五元组建立起
来的.在检测监控系统各子系统运行的同时启动一个策略决
策服务线程和一个策略调控服务线程,调控线程参与策略表
达执行的正向和反向调控(由效应物即诱导剂或阻遏剂作用
于调控线程进行策略表达调控,效应物指的是调控服务线程
收到的消息,由审计子系统或态势评估子系统生成发送),正
向调控即为促进策略表达,负向调控为阻遏策略的表达.态
势评估子系统和审计子系统也可以根据评估结果和审计结果
调用策略管理模块中的策略修改接171进行相应的策略更新操
作,此操作对应于生物学中的基因突变/重组,以这种方式关
闭,打开或修改相关策略的表达执行(如生物体中相关基因的
激活,失活,变异的过程).
系统运行过程如图3所示.
图3检测监控系统运行过程
在定义策略时需要进行策略一致性检查,检查所定义的
策略是否符合定义要求,能否在系统特定的状态下激活执行,
是否和其他已定义的策略保持一致;在执行策略时要进行策
略冲突检测,避免冲突策略同时执行或混乱策略执行的次序
等情形的发生.这部分任务由上面的调控线程完成.
4结束语
本文的策略系统模型从”生物学中心法则”运行机理引
出,模型的实现关键在于对遗传算法的有效应用,并要求对
系统的规则,策略进行有效的预定义.在模型的状态转换函
数中可进一步引入马尔科夫过程进行分析.在此基础上提出
的基于策略运行的检测监控系统采用分布式信息融合技术,
通过综合分析各监测节点信息,确定态势,动态调整系统策
略,保证系统自适应地稳定安全运行.
参考文献
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[S.1.】:Addison—WesleyPub.Co.,1996.
[5]李夏,戴汝为.系统科学与复杂性(II)[J].自动化,1998,
24f41:476—480.
编辑张正兴
范文五:高中生物“中心法则”的拓展与分析人教版
“中心法则”的拓展与分析
浙江省桐庐中学(311500) 徐玉华
发表于《中学生物教学》2007?9(下半月)47~48
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。 1 DNA复制、转录、翻译、RNA复制和逆转录的比较
表1
项目 转录 翻译 逆转录 DNA复制 RNA复制 信息mRNA?蛋白质 DNA?DNA DNA?RNA RNA?RNA RNA?DNA 传递
蛋白质的合成过程,持续整个生命不含逆转录含逆转录酶时间 细胞分裂间期 活动 酶的RNA病的RNA病
毒,如SARS毒,如HIV
病毒,发生在病毒,发生在场所 主要在细胞核 主要在细胞核 细胞质的核糖体
宿主细胞中 宿主细胞中 模板 DNA的两条链 DNA某一条链 mRNA RNA RNA
具有特定氨基酸两个子代DNAmRNA、tRNA产物 顺序的多肽(蛋RNA DNA 分子(复制1次) 和rRNA 白质)
4种核糖核苷4种脱氧核苷原料 4种脱氧核苷酸 4种核糖核苷酸 20种氨基酸 酸 酸
A-T;T-A; A-U;T-A; A-U;U-A; A-U;U-A; A-T;U-A; 原则 G-C;C-G G-C;C-G C-G;G-C C-G;G-C G-C;C-G
解旋酶、DNA聚解旋酶、RNA酶、ATP、转移RNA复制酶,逆转录酶,能条件 合酶、ATP 聚合酶、ATP 能量 量 RNA
DNA边解旋,一个连续结合多生成物具有半保留复制、 边转录;遵循碱个核糖体;遵循与转录过程特点 与模板完全边解旋边复制 基互补配对原碱基互补配对原相反 相同的结构 则 则
2 与碱基互补配对相关的计算
(1)核酸中A=T,G=C,可作为判断是双链DNA的依据。而核酸中无T有U是作为判断RNA的依据。
(2)在双链DNA分子中,已知某碱基的百分含量,求其它碱基的百分含量,可用:A=T,G=C,A+G=T+C=50%。
(3)在双链DNA中,一条单链的(A+G)/(C+T)= m,则另一条互补链的(A+G)/(C+T)= 1/m。
(4)在双链DNA中,互补配对的碱基之和的比值(A+T)/(G+C)与每一条单链中这一比值相等。
(5)不同生物的DNA分子中,(A+T)/(G+C)不同,代表了每种生物DNA分子的特异性。
- 1 -
3 与DNA复制相关的计算 n15(1)若一个DNA分子经过n次复制,可得2个DNA分子,若某个含N的DNA分
1415n15子,放在含N的培养基中复制n次,则含N的DNA分子占其总数的2 / 2,含N的14nDNA单链与N的单链之比为1/(2 ,1)。
(2)双链DNA分子中,如含某种碱基x个,复制n次,则需加入的含该碱基的脱氧
n核苷酸数为(2 ,1)x。
4 与基因控制蛋白质合成有关的计算
(1)已知蛋白质中的氨基酸数n(或基因中的碱基数),利用:基因中的碱基数:mRNA中的碱基数:蛋白质中的氨基酸数 = 6: 3 :1,求控制这个蛋白质合成的基因中的碱基数(或蛋白质中的氨基酸数)。由于基因包括编码区和非编码区,对于原核基因,只有编码区能编码蛋白质;对于真核基因,只有编码区中的外显子能编码蛋白质,而且外显子控制合成的终止密码子不能决定氨基酸,实际上基因中的碱基数大于6n 。
(2)已知基因中的碱基数(n个),氨基酸的平均相对分子质量(m),求它控制合成的蛋白质的最大相对分子质量(蛋白质由a条肽链构成)。氨基酸数最多为n/6,则蛋白质的最大相对分子质量 = mn/6,(n/6,a)×18。
(3)已知蛋白质的相对分子质量(n),由a条肽链构成,氨基酸的平均相对质量(m),求控制它合成的基因中的碱基数。设蛋白质中的氨基酸数为X个,则Xm,(X,a)×18 = n,则X =(n,18a)/(m,18),所以基因中的碱基数(至少) = 6X = 6(n,18a)/(m,18)个。
个人简介:最近连续4年担任高三生物教学,曾在《中学生物教学》、《中学生物学》、《考试报》、《中学生学习报》、《学习方法报》等独立发表文章24篇,还参与《中学生物教学》?互动15期;担任K12生物论坛的斑竹,中学学科网高三生物和高考生物的审核站长,中国生物教学网高考交流研讨区的斑竹和全品高考网浙江站总督和生物学科主任。
- 2 -
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