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1、第二章第二章 遗传的物质基础遗传的物质基础n生物亲代与子代之间，在形态、结构和生理功能上生物亲代与子代之间，在形态、结构和生理功能上常常相似，这就是常常相似，这就是遗传现象遗传现象。n生物的遗传特性，使生物界的物种能够保持相对稳生物的遗传特性，使生物界的物种能够保持相对稳定。定。根据现代细胞学和根据现代细胞学和遗传学的研究得知，控遗传学的研究得知，控制生物性状的主要遗传制生物性状的主要遗传物质是物质是脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸（DNA）。）。生物的各项生命活动都有生物的各项生命活动都有它的物质基础。生物遗传的物它的物质基础。生物遗传的物质基础是什么呢？质基础是什么呢？金丝猴的后代仍然是金丝猴金丝
2、猴的后代仍然是金丝猴牛的后代仍然是牛牛的后代仍然是牛n n第一节第一节 遗传物质的本质遗传物质的本质n n第二节第二节 核酸的核酸的化学组成化学组成n n第三节第三节 DNA的的二级结构二级结构n n第四节第四节 二级结构的其他形式二级结构的其他形式n n第五节第五节 DNA的超螺旋结构的超螺旋结构第一节第一节 遗传物质的本质遗传物质的本质1.DNA是遗传物质是遗传物质2.RNA也可以作为也可以作为遗传物质遗传物质3.核酸之外的其他遗传物质？核酸之外的其他遗传物质？1.1核素的发现核素的发现1.2 肺炎双球菌转化实验肺炎双球菌转化实验1.3 大肠杆菌噬菌体捣碎实验大肠杆菌噬菌体捣碎实验1.4化
3、学实验化学实验1.5 遗传物质必须具备以下基本条件遗传物质必须具备以下基本条件1 DNA 是遗传物质是遗传物质1 DNA 是遗传物质是遗传物质1.11.1核素的发现核素的发现核素的发现核素的发现pp18681868年，瑞士年，瑞士年，瑞士年，瑞士F.MiescherF.Miescher从绷带上从绷带上从绷带上从绷带上的白细胞核中分离出一种含磷的酸的白细胞核中分离出一种含磷的酸的白细胞核中分离出一种含磷的酸的白细胞核中分离出一种含磷的酸性物质，命名为性物质，命名为性物质，命名为性物质，命名为核素核素核素核素（nucleinnuclein）。）。）。）。pp核素的主要成分是核素的主要成分是核素的主
4、要成分是核素的主要成分是染色质染色质染色质染色质，是是是是DNADNA和蛋白质的混合物和蛋白质的混合物和蛋白质的混合物和蛋白质的混合物。这是首次对基。这是首次对基。这是首次对基。这是首次对基因的化学本质进行探索。因的化学本质进行探索。因的化学本质进行探索。因的化学本质进行探索。pp核酸核酸核酸核酸(nucleicacids)(nucleicacids)这一名词于这一名词于这一名词于这一名词于2020年后才被正式启用。年后才被正式启用。年后才被正式启用。年后才被正式启用。n n19世纪末期，世纪末期，DNA和和RNA已经从细胞已经从细胞中分离出来，为进一步的化学分析奠定中分离出来，为进一步的化学
5、分析奠定了基础。了基础。n n20世纪世纪30年代，年代，P.Levene和和W.Jacobs等等搞清了搞清了DNA和和RNA的的基本化学组成基本化学组成。还。还注意到了注意到了DNA和和RNA所含核糖的差异。所含核糖的差异。1.2 肺炎双球菌转化实验肺炎双球菌转化实验（transformation）n n肺炎双球菌有两种类型肺炎双球菌有两种类型光滑型（光滑型（S型）型）粗糙型（粗糙型（R型）型）1）1928年，英国年，英国 F.Griffth2)1944年，年，O.Avery图图 GriffthGriffth的的的的肺炎双球菌的转化实验肺炎双球菌的转化实验大肠杆菌噬菌体捣碎实验大肠杆菌噬菌体
6、捣碎实验噬菌体侵染细菌的过程：噬菌体侵染细菌的过程：吸附吸附侵入侵入合成合成组装组装释放释放最后，这些噬菌体最后，这些噬菌体由于细菌的解体而由于细菌的解体而被释放出来，再去被释放出来，再去侵染其他的细菌。侵染其他的细菌。大肠杆菌噬菌体捣碎实验大肠杆菌噬菌体捣碎实验n n1952年年Herchey和和Chase。n n用用32P和和35S分别标记噬菌体的分别标记噬菌体的DNA和蛋白质，和蛋白质，发现发现只有只有DNA进入宿主细菌内进入宿主细菌内，而蛋白质，而蛋白质则没有。则没有。1.4化学实验化学实验n n1950年以后，年以后，Chargaff、Markham等。等。n n不同生物的碱基组成不
7、同，具有严格的不同生物的碱基组成不同，具有严格的种种的特异性的特异性。n n单体在不同生物中都是相同的。单体在不同生物中都是相同的。n nATGC等量等量n n四种碱基的分子浓度可变。四种碱基的分子浓度可变。1.5DNA是遗传物质的间接证据是遗传物质的间接证据 （1 1）一种生物不同组织的细胞，不论年龄）一种生物不同组织的细胞，不论年龄大小，功能如何，它的大小，功能如何，它的DNADNA含量是恒定的，含量是恒定的，而生殖细胞精子的而生殖细胞精子的DNADNA含量则刚好是体细胞含量则刚好是体细胞的一半。多倍体生物细胞的的一半。多倍体生物细胞的DNADNA含量是按其含量是按其染色体倍数性的增加而递
8、增的，但细胞核里染色体倍数性的增加而递增的，但细胞核里的蛋白质并没有相似的分布规律。的蛋白质并没有相似的分布规律。（2 2）DNADNA在代谢上较稳定。在代谢上较稳定。（3 3）DNADNA是所有生物的染色体所共有的，而某是所有生物的染色体所共有的，而某些生物的染色体上则没有蛋白质。些生物的染色体上则没有蛋白质。（4 4）DNADNA通常只存在于细胞核染色体上，但通常只存在于细胞核染色体上，但某些能自体复制的细胞器，如线粒体、某些能自体复制的细胞器，如线粒体、叶绿体有其自己的叶绿体有其自己的DNADNA。（5 5）在各类生物中能引起）在各类生物中能引起DNADNA结构改变的化结构改变的化学物质
9、都可引起基因突变。学物质都可引起基因突变。n n（1）储存并表达遗传信息）储存并表达遗传信息:n n（2）能够复制，把遗传信息传递给子代：）能够复制，把遗传信息传递给子代：n n (3)物理和化学稳定性：物理和化学稳定性：n n（4）有遗传变化的能力：）有遗传变化的能力：遗传物质必须具备以下基本条件：遗传物质必须具备以下基本条件：第一节第一节 遗传物质的本质遗传物质的本质1.DNA是遗传物质是遗传物质2.RNA也可以作为也可以作为遗传物质遗传物质3.核酸之外的其他遗传物质？核酸之外的其他遗传物质？2 RNA也可以作为遗传物质也可以作为遗传物质 2.1RNA病毒病毒:n n一些病毒也采用另一种核
10、酸一些病毒也采用另一种核酸RNA作为遗传作为遗传物质物质，如逆转录病毒。，如逆转录病毒。n n烟草花叶病毒（烟草花叶病毒（tobaccomosaicvirus,TMV）遗传物质是遗传物质是RNA的实验证据的实验证据2.2 类病毒类病毒（viroid）n n类病毒：类病毒：类病毒：类病毒：不具蛋白质衣壳，仅有不具蛋白质衣壳，仅有不具蛋白质衣壳，仅有不具蛋白质衣壳，仅有RNARNA组成的新病组成的新病组成的新病组成的新病毒。毒。毒。毒。n n 1922 1922年年年年 美国美国美国美国 马铃薯纺锤形块茎病毒（马铃薯纺锤形块茎病毒（马铃薯纺锤形块茎病毒（马铃薯纺锤形块茎病毒（Potato Pota
11、to spindle tube viroidspindle tube viroid，PSTV PSTV）。）。）。）。n n特点：特点：特点：特点：n n单股闭合环状的单股闭合环状的单股闭合环状的单股闭合环状的RNARNA分子，分子量约分子，分子量约分子，分子量约分子，分子量约105Da105Da。n n能耐受紫外线和作用于蛋白质的各种理化因素，能耐受紫外线和作用于蛋白质的各种理化因素，能耐受紫外线和作用于蛋白质的各种理化因素，能耐受紫外线和作用于蛋白质的各种理化因素，在在在在9090下仍能存活。下仍能存活。下仍能存活。下仍能存活。n n类病毒复制如何进行？类病毒复制如何进行？n n由宿主细胞
12、的酶来完成，其由宿主细胞的酶来完成，其RNA作为复制模作为复制模板。板。n n类病毒现在仅在高等植物中发现，一般通过类病毒现在仅在高等植物中发现，一般通过接触，擦伤，节肢动物和菟丝子传播。接触，擦伤，节肢动物和菟丝子传播。第一节第一节 遗传物质的本质遗传物质的本质1.DNA是遗传物质是遗传物质2.RNA也可以作为也可以作为遗传物质遗传物质3.核酸之外的其他遗传物质？核酸之外的其他遗传物质？3 非核酸的其他遗传物质非核酸的其他遗传物质n n朊病毒朊病毒Prion：又称蛋白质侵染因子。又称蛋白质侵染因子。n n朊病毒是一类能侵染动物并在宿主细胞内朊病毒是一类能侵染动物并在宿主细胞内复制的小分子的无
13、免疫性疏水蛋白质。复制的小分子的无免疫性疏水蛋白质。n n羊瘙痒病羊瘙痒病羊瘙痒病羊瘙痒病n n19821982年，美国年，美国年，美国年，美国 斯坦利斯坦利斯坦利斯坦利 普鲁辛纳发现羊瘙痒病是普鲁辛纳发现羊瘙痒病是普鲁辛纳发现羊瘙痒病是普鲁辛纳发现羊瘙痒病是蛋白质侵染引起的疾病，并称为蛋白质侵染引起的疾病，并称为蛋白质侵染引起的疾病，并称为蛋白质侵染引起的疾病，并称为“Prion”“Prion”即朊病即朊病即朊病即朊病毒。毒。毒。毒。n n马鹿和鹿的慢性消瘦病、猫的海绵状脑病。马鹿和鹿的慢性消瘦病、猫的海绵状脑病。马鹿和鹿的慢性消瘦病、猫的海绵状脑病。马鹿和鹿的慢性消瘦病、猫的海绵状脑病。n
14、 n19961996年春天年春天年春天年春天“疯牛病疯牛病疯牛病疯牛病”：牛海绵状脑炎牛海绵状脑炎牛海绵状脑炎牛海绵状脑炎n n人慢性退化性紊乱疾病：人慢性退化性紊乱疾病：人慢性退化性紊乱疾病：人慢性退化性紊乱疾病：老年痴呆、帕金森氏病、老年痴呆、帕金森氏病、老年痴呆、帕金森氏病、老年痴呆、帕金森氏病、糖尿病等。糖尿病等。糖尿病等。糖尿病等。朊病毒朊病毒引起的风波引起的风波朊病毒特点：朊病毒特点：n n仅有蛋白质组成，仅有蛋白质组成，n n分子量分子量29kDa，n n具有蛋白质性质：能被蛋白酶灭活，具有蛋白质性质：能被蛋白酶灭活，不被不被核酸酶和辐射灭活，核酸酶和辐射灭活，对许多理化因子有很
15、对许多理化因子有很强的抵抗力。强的抵抗力。n n1997年年Prusiner对对朊病毒蛋白朊病毒蛋白的感染机制进行了探讨。的感染机制进行了探讨。n n朊病毒蛋白（朊病毒蛋白（PrP）以两种形式存在：）以两种形式存在：n n正常的脑组织中发现的正常的脑组织中发现的PrPC不具有感染性，不具有感染性，对蛋白酶敏感，可以被完全降解；对蛋白酶敏感，可以被完全降解；n n致病组织中的致病组织中的PrPSC具有感染性，具有抗蛋具有感染性，具有抗蛋白酶的性能。白酶的性能。n nPrPC和和PrPSC的一级结的一级结构完全相同，但二级构完全相同，但二级结构差异很大结构差异很大：n nPrPC：螺旋的含量约螺旋
16、的含量约为为40，几乎没有，几乎没有片片层结构；层结构；n nPrPSC：含有高达含有高达50的的片层结构，只有片层结构，只有20的的螺旋。螺旋。致病致病n n 正常正常朊蛋白构型发生异常改变朊蛋白构型发生异常改变后导致疯牛后导致疯牛病，病，无需无需DNA或或RNA的参与的参与，致病因子朊，致病因子朊蛋白就可以传染复制。蛋白就可以传染复制。n n所谓所谓朊病毒的繁殖就是正常的朊病毒的繁殖就是正常的PrPC蛋白质蛋白质转变为转变为PrPSC的过程，而且朊病毒感染后也的过程，而且朊病毒感染后也具有指数增长的特性具有指数增长的特性。1 1）合成朊病毒所需的信息可能存在于寄主细胞中）合成朊病毒所需的信
17、息可能存在于寄主细胞中）合成朊病毒所需的信息可能存在于寄主细胞中）合成朊病毒所需的信息可能存在于寄主细胞中n n朊病毒的作用，仅在于激活在寄主细胞中为朊病毒朊病毒的作用，仅在于激活在寄主细胞中为朊病毒朊病毒的作用，仅在于激活在寄主细胞中为朊病毒朊病毒的作用，仅在于激活在寄主细胞中为朊病毒的编码的基因，使得朊病毒得以复制繁殖。的编码的基因，使得朊病毒得以复制繁殖。的编码的基因，使得朊病毒得以复制繁殖。的编码的基因，使得朊病毒得以复制繁殖。2 2）朊病毒的蛋白质能为自己编码遗传信息）朊病毒的蛋白质能为自己编码遗传信息）朊病毒的蛋白质能为自己编码遗传信息）朊病毒的蛋白质能为自己编码遗传信息n n发生
18、逆转译产生为朊病毒编码的发生逆转译产生为朊病毒编码的发生逆转译产生为朊病毒编码的发生逆转译产生为朊病毒编码的RNARNA或或或或DNADNA，必须，必须，必须，必须存在逆转译酶，甚至还要有逆转录酶。存在逆转译酶，甚至还要有逆转录酶。存在逆转译酶，甚至还要有逆转录酶。存在逆转译酶，甚至还要有逆转录酶。n n蛋白质指导下的蛋白质合成，即蛋白质本身可作为蛋白质指导下的蛋白质合成，即蛋白质本身可作为蛋白质指导下的蛋白质合成，即蛋白质本身可作为蛋白质指导下的蛋白质合成，即蛋白质本身可作为遗传信息。遗传信息。遗传信息。遗传信息。朊病毒的复制机理朊病毒的复制机理：n n第一节第一节 遗传物质的本质遗传物质的
19、本质n n第二节第二节 核酸的化学组成核酸的化学组成n n第三节第三节 DNA的二级结构的二级结构n n第四节第四节 二级结构的其他形式二级结构的其他形式n n第五节第五节 DNA的超螺旋结构的超螺旋结构第二节第二节 核酸的化学组成核酸的化学组成嘧啶嘧啶Pyrimidines嘌呤嘌呤Purines1含氮碱基、核苷、核苷酸含氮碱基、核苷、核苷酸 碱基碱基Nitrogenous basesHUracil(U)DNA:D-2-脱氧核糖脱氧核糖 A,G,C,TRNA:D-2-核糖核糖 A,G,C,U2 核酸的化学组成核酸的化学组成n n 核酸的元素组成核酸的元素组成C、H、O、N、P（9-10%）核酸
20、核酸 核苷酸核苷酸 磷酸磷酸 核苷核苷 戊糖戊糖 碱基碱基3 DNA的一级结构：的一级结构：即即是指四种核苷酸是指四种核苷酸(dAMP、dCMP、dGMP、dTMP)按照按照一定的排列顺序，通一定的排列顺序，通过磷酸二酯键连接形过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸也称为成的多核苷酸也称为碱基顺序。碱基顺序。DNADNA一级结构的两种缩写方式：一级结构的两种缩写方式：线条式：线条式：pTpGpCpApT pTpGpCpApT pT-G-C-A-T pT-G-C-A-T 文字式：文字式：n n第一节第一节 遗传物质的本质遗传物质的本质n n第二节第二节 核酸的化学组成核酸的化学组成n n第三节第三节 D
21、NA的二级结构的二级结构n n第四节第四节 二级结构的其他形式二级结构的其他形式n n第五节第五节 DNA的超螺旋结构的超螺旋结构n n1 DNA双螺旋模型的提出n n2 维持DNA双螺旋的力n n3 双螺旋结构的基本形式n n4 变性和复性第三节第三节 DNA的二级结构的二级结构1.1研究背景：研究背景：pp1950年，年，Chargaff从大量的不同来源的从大量的不同来源的DNA样品的分析中发现了样品的分析中发现了DNA组成的组成的当量规律当量规律，即即AT，GC，AGCT。n n不同生物种属的不同生物种属的DNA碱基组成不同，碱基组成不同，n n同一个体不同器官、不同组织的同一个体不同器
22、官、不同组织的DNA具有相具有相同的碱基组成。同的碱基组成。1 DNA双螺旋模型的提出n n理论化学家L.Pauling运用化学的简单定律来推理，研究了蛋白质-螺旋结构，此方法启发了Watson和和Crick。n nM.Wilkins、R.Franklin等在DNA的X射线晶体结构方面作出了重大的贡献。n nR.Franklin的X-射线衍射图1953年沃森和克里克提出年沃森和克里克提出DNA分子双螺旋结构模型。分子双螺旋结构模型。1.2 DNA双螺旋结构模型的提出：双螺旋结构模型的提出：Fig.2-5 Watson and Cricks paper in Nature 1953.1.3DNA
23、双螺旋结构模型的要点：双螺旋结构模型的要点：脱氧核糖和磷酸通过脱氧核糖和磷酸通过3,5磷酸二酯键交磷酸二酯键交互连接，成为螺旋链的互连接，成为螺旋链的骨架。骨架。n n两条链方向以两条链方向以反向平行反向平行的方式组成的方式组成右手右手双螺旋双螺旋。n n碱基互补配对：碱基互补配对：只有A和T配对，G和C配对才能满足正常螺旋（直径20）的要求和chargaff的当量规律。螺旋参数螺旋参数螺旋直径螺旋直径nm。螺旋每旋转一周螺旋每旋转一周10对碱基，对碱基，每个碱基的旋转角度为每个碱基的旋转角度为36。螺距；螺距；碱基平面之间的距离为。碱基平面之间的距离为。大沟小沟大沟小沟大沟小沟大沟小沟 n
24、n对于遗传上有重要功能的对于遗传上有重要功能的对于遗传上有重要功能的对于遗传上有重要功能的蛋白质识别蛋白质识别蛋白质识别蛋白质识别DNADNA双螺旋结双螺旋结双螺旋结双螺旋结构上的特定信息是非常重构上的特定信息是非常重构上的特定信息是非常重构上的特定信息是非常重要的。要的。要的。要的。p大沟大沟大沟大沟(2.2nm)(2.2nm)p小沟小沟小沟小沟(1.2nm)(1.2nm)n n1 DNA双螺旋模型的提出双螺旋模型的提出n n2 维持维持DNA双螺旋的力双螺旋的力n n3 双螺旋结构的基本形式双螺旋结构的基本形式n n4 变性和复性变性和复性第三节第三节 DNA的二级结构的二级结构2 维持维
25、持DNA双螺旋的力双螺旋的力2.1 氢键氢键n nGC之间有三条氢键，之间有三条氢键，AT之间有两条氢键，这是之间有两条氢键，这是DNA双螺旋结构的重要双螺旋结构的重要特征之一，特征之一，DNA的许多的许多物理性质物理性质如变性、复性以如变性、复性以及及Tm值值等都与此有关。等都与此有关。2.2 碱基堆集力碱基堆集力DNA同一条链相邻碱基同一条链相邻碱基之之间的非特异性作用力，包括间的非特异性作用力，包括疏水作用力和疏水作用力和范范德华力德华力。n n疏水作用力：疏水作用力：不溶于水或难溶于水的两个分不溶于水或难溶于水的两个分子在水中具有相互联合，成串联地结合在一子在水中具有相互联合，成串联地
26、结合在一起的趋势。起的趋势。n n嘌呤和嘧啶有一定程度的疏水性，双螺旋结嘌呤和嘧啶有一定程度的疏水性，双螺旋结构内部形成一个强大的疏水区，构内部形成一个强大的疏水区，使使DNA相邻相邻的碱基有相互堆集在一起的趋势，这是形成的碱基有相互堆集在一起的趋势，这是形成碱基堆集力的重要因素之一。碱基堆集力的重要因素之一。n n范德华力：范德华力：存在于分子间的一种吸引力；存在于分子间的一种吸引力；n nDNA双链中嘌呤双链中嘌呤环环和嘧啶和嘧啶范环德华的半径范环德华的半径是是1.7 左右左右，其累积的，其累积的范德华力范德华力是相当可是相当可观的，这观的，这样范德华力加强了疏水作用，样范德华力加强了疏水
27、作用，这这是形成碱基堆集力的另一个重要因素。是形成碱基堆集力的另一个重要因素。氢键与碱基堆集力的氢键与碱基堆集力的协同作用协同作用n n已经堆基的碱基更容易发生氢键的键合，已经堆基的碱基更容易发生氢键的键合，相应地已经被氢键定向的碱基更容易堆集。相应地已经被氢键定向的碱基更容易堆集。n n两种作用力相互协同，形成一种非常稳定两种作用力相互协同，形成一种非常稳定的结构。如果一种作用力被消除，另一种的结构。如果一种作用力被消除，另一种作用力也大为减弱。作用力也大为减弱。磷酸基团间的静电斥力磷酸基团间的静电斥力带负电荷的磷酸基的带负电荷的磷酸基的静电斥力静电斥力，所以，所以DNA需要保存在含需要保存
28、在含Na+生理盐条件生理盐条件。碱基分子内能碱基分子内能p物体的内能是物体内全部分子的分子动能与物体的内能是物体内全部分子的分子动能与分子势能之和。分子势能之和。p温度升高，碱基分子内能增加时，碱基的定温度升高，碱基分子内能增加时，碱基的定向排列遭受破坏，消弱了碱基的氢键结合力向排列遭受破坏，消弱了碱基的氢键结合力和碱基的堆集力，会使和碱基的堆集力，会使DNA的双螺旋结构的双螺旋结构受到破坏。受到破坏。2.3 2.3 不稳定因素不稳定因素n n1 DNA双螺旋模型的提出双螺旋模型的提出n n2 维持维持DNA双螺旋的力双螺旋的力n n3 双螺旋结构的基本形式双螺旋结构的基本形式n n4 变性和
29、复性变性和复性第三节第三节 DNA的二级结构的二级结构3 双螺旋结构的基本形式双螺旋结构的基本形式 三种不同形式的三种不同形式的三种不同形式的三种不同形式的DNADNA构象构象构象构象 A，B，Z型双螺旋的特性型双螺旋的特性双螺双螺双螺双螺旋旋旋旋类类类类型型型型直直直直径径径径(n(nm)m)螺螺螺螺距距距距(n(nm)m)每每每每轮轮轮轮碱基碱基碱基碱基数数数数碱基碱基碱基碱基间间间间距距距距(nm)(nm)碱基碱基碱基碱基倾倾倾倾角角角角()()螺旋螺旋螺旋螺旋扭角扭角扭角扭角()()存在的条件存在的条件存在的条件存在的条件沟型沟型沟型沟型相相相相对对对对湿度湿度湿度湿度盐盐盐盐种种种种
30、类类类类大沟大沟大沟大沟小沟小沟小沟小沟A A2.32.32.82.811110.260.261313333375%75%NaNa+、KK+、CsCs+窄，深窄，深窄，深窄，深宽宽宽宽，深，深，深，深B B2.02.03.43.410.410.40.340.340 0363692%92%NaNa+低低低低盐盐盐盐宽宽宽宽，中，中，中，中等深等深等深等深窄，中窄，中窄，中窄，中等深等深等深等深Z Z1.81.84.64.612120.380.389 9-30-3043%43%NaNa+、MgMg2+2+高高高高盐盐盐盐平浅平浅平浅平浅窄，深窄，深窄，深窄，深ABZ大大沟沟宽宽小小沟沟窄窄小小沟沟
31、窄窄大大沟沟变变深深小小沟沟宽宽深深大大沟沟不不存存在在小小沟沟窄窄而而深深n nA构象构象:在相对湿度在相对湿度75以下获得的以下获得的DNA纤维具有不同与纤维具有不同与B-DNA的结构特点。的结构特点。DNA-RNA杂交分子和杂交分子和RNA-RNA双链结双链结构均采取构均采取A构象。构象。n nZ-DNA的形成是的形成是DNA单链上出现嘌呤和单链上出现嘌呤和嘧啶交替排列所造成的，比如嘧啶交替排列所造成的，比如CGCGCGCG或或CACACACACA。Z-DNA有什么生物学意义呢有什么生物学意义呢?n nZ-DNA在热力学上是不利的。带负电荷的磷在热力学上是不利的。带负电荷的磷酸根距离太近
32、，产生静电排斥。酸根距离太近，产生静电排斥。n nDNA链的链的局部不稳定区的存在就成为潜在的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点解链位点。n nDNA解链是解链是DNA复制和转录等过程中必要复制和转录等过程中必要的环节，因此的环节，因此Z-DNA的结构与基因调节有的结构与基因调节有关。关。B-DNA是活性最高的是活性最高的DNA构象，构象，B-DNA变构成为变构成为A-DNA后，仍有活性，后，仍有活性，但若局部变构为但若局部变构为Z-DNA后则活性明显降后则活性明显降低。低。三种不同构象的三种不同构象的DNA活性活性n n1 DNA双螺旋模型的提出双螺旋模型的提出n n2 维持维持DNA双
33、螺旋的力双螺旋的力n n3 双螺旋结构的基本形式双螺旋结构的基本形式n n4 变性和复性变性和复性第三节第三节 DNA的二级结构的二级结构4 变性和复性变性和复性4.1 变性变性(denaturation)概念：概念：在某些理化因素作在某些理化因素作用下，用下，DNA分子互补碱基分子互补碱基对之间的氢键断裂，对之间的氢键断裂，DNA双螺旋结构松散，变成单双螺旋结构松散，变成单链的过程链的过程。4.1.2常用的变性方法常用的变性方法热变性热变性碱变性碱变性应用广泛，特别是用于变性动力学研究应用广泛，特别是用于变性动力学研究缺点：缺点：高温引起磷酸二酯键的断裂，得到长高温引起磷酸二酯键的断裂，得到
34、长短不一的单链短不一的单链时，全部氢键被淘汰时，全部氢键被淘汰无热变性的缺点，为制备单链无热变性的缺点，为制备单链DNADNA的首选方法的首选方法 4.1.3 核酸变性程度的鉴定核酸变性程度的鉴定紫外测定法：紫外测定法：n n原理：原理：嘌呤碱、嘧啶碱存在共轭双键，碱基、核苷、嘌呤碱、嘧啶碱存在共轭双键，碱基、核苷、核苷酸、核酸在核苷酸、核酸在240-290nm处有强烈的紫外处有强烈的紫外吸收，最大吸收峰在吸收，最大吸收峰在260nm处。处。n n紫外光吸收值：紫外光吸收值：紫外光吸收值：紫外光吸收值：1 1 双链双链双链双链DNA ADNA A260260 2 2 单链单链单链单链DNA A
35、DNA A260260 3 3 自由碱基自由碱基自由碱基自由碱基 A A2602601.01.37ODTm=OD增加值的中点温度增加值的中点温度(一般为一般为85-95)或或DNA双螺旋结构失去一半时的温度双螺旋结构失去一半时的温度4.1.4熔解曲线与熔解曲线与Tm值值 缓慢而均匀地增加缓慢而均匀地增加DNA溶液的温度（现可做到溶液的温度（现可做到 分分）可根据各点的可根据各点的A260值绘值绘制成制成DNA的熔解曲线。的熔解曲线。这也是一般这也是一般PCRPCR实验技术中把变性温度定为实验技术中把变性温度定为9494的原因的原因 熔链温度熔链温度Tm4.1.5 影响影响DNA Tm值大小的因
36、素：值大小的因素：n nDNA的均一性：的均一性：n nG-C含量：含量：TmTm值计算公式：值计算公式：值计算公式：值计算公式：TmTm69.3+0.41(G+C)%69.3+0.41(G+C)%GC%=GC%=（）（）（）（）n n介质中的离子强度：介质中的离子强度：n nDNA保存在高浓度的缓冲液中，如保存在高浓度的缓冲液中，如 1mol/LNaCl中。中。4.2 复性及杂交复性及杂交 4.2.1 DNA复性复性(renaturation)n n变性变性DNA在适当条件下，分开的两条单链分在适当条件下，分开的两条单链分子按照碱基互补原则重新恢复天然的双螺旋子按照碱基互补原则重新恢复天然的
37、双螺旋构象的现象，又称为构象的现象，又称为退火退火（annealing）。n nDNA的复性的复性的条件有两个的条件有两个：（1）有）有足够的盐浓度足够的盐浓度以消除磷酸基的静电斥以消除磷酸基的静电斥力；力；（2）有）有足够高的温度足够高的温度以破坏无规则的链内氢以破坏无规则的链内氢键，但又不能太高，键，但又不能太高，n n一般使用一般使用比比Tm值低值低2025。复性的机制复性的机制 n n 一般认为需要一般认为需要1020个碱基对个碱基对，特别是富，特别是富含含GC的节段首先形成一个（或几个）双螺的节段首先形成一个（或几个）双螺旋核心，这一步叫旋核心，这一步叫成核作用成核作用。然后两条单。
38、然后两条单链的其余部分就会迅速形成双螺旋结构。链的其余部分就会迅速形成双螺旋结构。n n绝大部分的复性绝大部分的复性DNA分子都不是原配的。分子都不是原配的。4.2.2 复性的影响因子：复性的影响因子：n n 温度和时间温度和时间：低于低于低于低于TmTm值值值值2525左右左右左右左右(60-65)(60-65)n n DNA浓度浓度：n n DNA片段的大小片段的大小：n n DNA顺序的复杂性顺序的复杂性；n n 反应溶液中的离子强度反应溶液中的离子强度。n n多聚酶链式反应（多聚酶链式反应（polymerasechainreaction,PCR）n n是一种是一种DNA体外扩增技术体外
39、扩增技术，其基本原理类，其基本原理类似于似于DNA的的天然复制过程天然复制过程。n n在待扩增的在待扩增的DNA片段两侧和与其两侧互补片段两侧和与其两侧互补的两个寡核苷酸的两个寡核苷酸引物引物，经，经变性、退火和延变性、退火和延伸伸若干个循环后，若干个循环后，DNA扩增扩增2n倍。倍。4.3 杂交（杂交（hybridization）n n杂交：杂交：亲缘关系很近的亲缘关系很近的不同来源的不同来源的DNA单链单链或或RNA单链与单链与DNA单单链之间通过碱基互补形链之间通过碱基互补形成杂交分子的过程。成杂交分子的过程。图核酸杂交及其应用示意图图核酸杂交及其应用示意图1粗细线粗细线分别代分别代表不
40、同表不同DNA。杂化双链杂化双链B代表天然代表天然DNA；C是是B的缺失突变的缺失突变体；虚线框体；虚线框内是已缺失内是已缺失的部分的部分,D显显示从天然示从天然DNA链鼓出链鼓出小泡小泡.突变体的鉴别突变体的鉴别I 变性、复性和杂交变性、复性和杂交.分子探针标记分子探针标记n n核酸分子探针：核酸分子探针：用同位素、生物素或荧光用同位素、生物素或荧光染料染料标记一小段已知核苷酸序列标记一小段已知核苷酸序列作为探针，作为探针，探针的序列如果与探针的序列如果与DNA或或RNA序列互补，序列互补，就可以探知核酸分子。就可以探知核酸分子。粗线表示分子探针粗线表示分子探针图核酸杂交及其应用示意图图核酸
41、杂交及其应用示意图2杂交分类：杂交分类：1）液相杂交：）液相杂交：不同来源的不同来源的DNA在溶液中进行杂在溶液中进行杂交。交。2)滤膜杂交：滤膜杂交：将将DNA或或RNA吸附到硝酸纤维素吸附到硝酸纤维素膜上再进行杂交。膜上再进行杂交。n nSouthern杂交：杂交：用于鉴别用于鉴别DNA的杂交的杂交n nNorthern杂交：杂交：用于鉴别用于鉴别RNA的杂交的杂交Southern 印迹法（印迹法（Southern blotting）：）：DNA限制片段限制片段限制性内切酶限制性内切酶带有带有DNA片段的凝胶片段的凝胶琼脂糖凝胶电泳琼脂糖凝胶电泳碱液浸泡，并中和碱液浸泡，并中和凝胶上凝胶上
42、DNA变性变性变性的单链变性的单链DNA转移转移至硝酸纤维素薄膜上至硝酸纤维素薄膜上放射性标记探针杂交放射性标记探针杂交杂交杂交DNA-DNA分子分子放射自显影放射自显影显示出杂交分子的位置显示出杂交分子的位置n n遗传的物质基础的证明实验遗传的物质基础的证明实验n nDNA双螺旋结构模型的基本参数双螺旋结构模型的基本参数n n维持维持DNA双螺旋结构的力双螺旋结构的力n nDNA变性、变性、DNA复性、杂交复性、杂交回顾回顾n n第一节第一节 遗传物质的本质遗传物质的本质n n第二节第二节 核酸的化学组成核酸的化学组成n n第三节第三节 DNA的二级结构的二级结构n n第四节第四节 二级结构
43、的其他形式二级结构的其他形式n n第五节第五节 DNA的超螺旋结构的超螺旋结构第四节 二级结构的其他形式n n1 单链核酸形成的二级结构单链核酸形成的二级结构n n2 反向重复与反向重复与二级结构二级结构n n3 三螺旋三螺旋DNAn n4 DNA的的四链结构四链结构1 单链核酸形成的二级结构n n单链核酸的某段碱基可以与另一独立的单单链核酸的某段碱基可以与另一独立的单链分子的碱基配对，形成双螺旋，可以是链分子的碱基配对，形成双螺旋，可以是DNA-DNA、RNA-RNA，也有，也有DNA-RNA分子杂交。分子杂交。发夹结构（发夹结构（hairpin structure）：n n同一个单链同一个
44、单链RNA/DNA的一段碱基序列附的一段碱基序列附近存在着和它互补的碱基序列时，这个单近存在着和它互补的碱基序列时，这个单链自身回折产生一个反平行的双螺旋结构。链自身回折产生一个反平行的双螺旋结构。单链单链RNA形成发夹结构形成发夹结构 发夹结构由碱基配对的双螺旋区发夹结构由碱基配对的双螺旋区茎茎和末端不配对的和末端不配对的环环构成。构成。互补序列间间隔较短或无间隔互补序列间间隔较短或无间隔互补序列间间隔较长互补序列间间隔较长2反向重复与二级结构反向重复与二级结构n n反向重复反向重复（invertedrepeatitiveinvertedrepeatitiveIRIR）：双链：双链DNA中的
45、一段序列按中的一段序列按确定的方向，确定的方向，读双链读双链中的每条链的中的每条链的序列都相同序列都相同，n n反向重复中的序列又称回文序列。反向重复中的序列又称回文序列。单链形成发夹结构单链形成发夹结构形成十字结构要更耗能，所以在体外反向形成十字结构要更耗能，所以在体外反向重复结构存在多，而体内无该结构。重复结构存在多，而体内无该结构。反反向向重重复复与与十十字字结结构构作用：作用：1）较短的回文序列可能是作为一种信号）较短的回文序列可能是作为一种信号如：限制性内切酶的识别位点如：限制性内切酶的识别位点一些调控蛋白的识别位点一些调控蛋白的识别位点例如限制性内切酶例如限制性内切酶EcoR的识别
46、位点的识别位点5GAATTC33CTTAAG52 2）转录作用的终止与回文结构也有关系。）转录作用的终止与回文结构也有关系。第四节 二级结构的其他形式n n1 单链核酸形成的二级结构单链核酸形成的二级结构n n2 反向重复与二级结构反向重复与二级结构n n3 三螺旋三螺旋DNAn n4 DNA的四链结构的四链结构1953年年Watson&Crick双螺旋双螺旋DNA构型构型证明沿大沟存在多余的氢键作为给体与受体证明沿大沟存在多余的氢键作为给体与受体潜在的专一与潜在的专一与DNA(蛋白质蛋白质)结合的能力结合的能力形成三链形成三链DNA可能性可能性3 三螺旋三螺旋DNA（triple helix
47、 DNA）n n1957年年Felsenfield发现：当双螺旋发现：当双螺旋DNA中的中的一条链为全嘌呤链，另外一条链为全嘧啶链一条链为全嘌呤链，另外一条链为全嘧啶链时，会出现核酸三链结构。时，会出现核酸三链结构。poly(U)+poly(U)+poly(A)三螺旋三螺旋RNA双螺旋双螺旋DNA的概念的概念n n三链三链DNA是由三条核苷酸链按一定的规律是由三条核苷酸链按一定的规律绕成的螺旋状结构。绕成的螺旋状结构。结构单元：三碱基体，结构单元：三碱基体，结合方式：碱基间形成氢键；结合方式：碱基间形成氢键；三螺旋三螺旋双螺旋基本类型：基本类型：基本类型：基本类型：n n嘧啶嘧啶嘧啶嘧啶-嘌呤
48、嘌呤嘌呤嘌呤-嘧啶型（嘧啶型（嘧啶型（嘧啶型（YR*YYR*Y）：）：）：）：第三条嘧啶链以平第三条嘧啶链以平第三条嘧啶链以平第三条嘧啶链以平行于双螺旋中嘌呤链的方向，缠绕到双螺旋的大沟行于双螺旋中嘌呤链的方向，缠绕到双螺旋的大沟行于双螺旋中嘌呤链的方向，缠绕到双螺旋的大沟行于双螺旋中嘌呤链的方向，缠绕到双螺旋的大沟上，与嘌呤链结合。上，与嘌呤链结合。上，与嘌呤链结合。上，与嘌呤链结合。n n如如如如TA*TTA*T和和和和CG*CCG*C；n n其中其中其中其中C C必须质子化才能稳定三螺旋的结构，其碱基必须质子化才能稳定三螺旋的结构，其碱基必须质子化才能稳定三螺旋的结构，其碱基必须质子化才
49、能稳定三螺旋的结构，其碱基氢键构造是霍氏（）首先提出，称为氢键构造是霍氏（）首先提出，称为氢键构造是霍氏（）首先提出，称为氢键构造是霍氏（）首先提出，称为HoogsteenHoogsteen霍霍霍霍氏氢键氏氢键氏氢键氏氢键。n n嘌呤嘌呤嘌呤嘌呤-嘌呤嘌呤嘌呤嘌呤-嘧啶（嘧啶（嘧啶（嘧啶（YR*R YR*R）：）：）：）：第三条嘌呤链反平行第三条嘌呤链反平行第三条嘌呤链反平行第三条嘌呤链反平行于双螺旋嘌呤链的方向缠绕到双螺旋的大沟上，与于双螺旋嘌呤链的方向缠绕到双螺旋的大沟上，与于双螺旋嘌呤链的方向缠绕到双螺旋的大沟上，与于双螺旋嘌呤链的方向缠绕到双螺旋的大沟上，与嘌呤链结合；嘌呤链结合；嘌呤
50、链结合；嘌呤链结合；n n如如如如CG*GCG*G、TA*ATA*A、TA*TTA*T、CG*ACG*A四种。四种。四种。四种。三链三链DNA可能的功能可能的功能a)可阻止调节蛋白与可阻止调节蛋白与DNA结合结合,关闭基因转录过程关闭基因转录过程b)b)与基因重组与基因重组,交换有关交换有关c)加入第三条加入第三条DNA作为分子剪刀作为分子剪刀,定点切割定点切割DNA分子分子d)加入反义的第三条链终止基因的表达加入反义的第三条链终止基因的表达4 DNA的四链结构的四链结构(TetrableHelixDNA)DNA3-末末端端较较长长的的富富含含G序序列列能能够够形形成成回回折折结结构构（下下图