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1、1 DNA作为遗传物质的证据（间接和直接证据）作为遗传物质的证据（间接和直接证据）2 核酸概述（化学成分、种类和分布）核酸概述（化学成分、种类和分布）3 DNA的化学结构（一级、二级和高级结构）的化学结构（一级、二级和高级结构）4 DNA的变性与复性的变性与复性5 DNA的精细结构的精细结构6 DNA的超螺旋结构的超螺旋结构7 一些一些DNA序列的不寻常结构序列的不寻常结构 第二讲第二讲 DNA的发现与结构的发现与结构（4）DNA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、叶绿某些能自体复制的细胞器，如线粒体、叶绿体有其自己的体有其自己的DNA
2、。（5）在各类生物中能引起）在各类生物中能引起DNA结构改变的结构改变的化学物质都可引起基因突变。在物理诱变中，化学物质都可引起基因突变。在物理诱变中，以紫外线诱发突变时，以紫外线诱发突变时，DNA的吸收光谱的吸收光谱（=260nm）与最有效的诱发突变的光谱波）与最有效的诱发突变的光谱波长一致。长一致。赫尔歇（赫尔歇（Hershcy）等（）等（1952）在噬菌体）在噬菌体感染实验中用放射性同位素感染实验中用放射性同位素35S标记蛋白质，标记蛋白质，32P标记标记DNA，把宿主细菌培养在含有，把宿主细菌培养在含有35S的的培养基中或培养在含培养基中或培养在含32P的培养基中。宿主细的培养基中。宿
3、主细菌在生长过程中，就被菌在生长过程中，就被35S或或32P标记上了。标记上了。DNA是遗传物质的直接证据之一是遗传物质的直接证据之一图图2-1直接证据之二直接证据之二-肺炎链球菌试验肺炎链球菌试验 肺炎链球菌有两种不同的类型：一种是光滑型（肺炎链球菌有两种不同的类型：一种是光滑型（S型），被一层多糖类的荚膜所保护，具有毒性，在型），被一层多糖类的荚膜所保护，具有毒性，在培养基上形成光滑的菌落。另一种是粗糙型（培养基上形成光滑的菌落。另一种是粗糙型（R型），型），没有荚膜和毒性，在培养基上形成粗糙的菌落。在没有荚膜和毒性，在培养基上形成粗糙的菌落。在R型和型和S型内还可以按血清免疫反应的不同，
4、分为许多型内还可以按血清免疫反应的不同，分为许多抗原型，常用抗原型，常用RI、RII和和SI、SII、SIII等加以区别。等加以区别。R型与型与S型的各种抗原型都比较稳定，在一般惰况下型的各种抗原型都比较稳定，在一般惰况下不发生互变。不发生互变。DNA的一级结构，就是指的一级结构，就是指4种核昔酸的连接及其种核昔酸的连接及其排列顺序（排列顺序（图图2-3），表示了该），表示了该DNA分子的化学构分子的化学构成。核苷酸序列对成。核苷酸序列对DNA高级结构的形成有很大影高级结构的形成有很大影响，如响，如BDNA中多聚（中多聚（GC）区易出现左手螺）区易出现左手螺旋旋DNA（ZDNA），而反向重复的
5、），而反向重复的DNA片段易片段易出现发卡式结构等。出现发卡式结构等。DNA不仅具有严格的化学组不仅具有严格的化学组成，还具有特殊的空间结构（二级和高级结构），成，还具有特殊的空间结构（二级和高级结构），它主要以有规则的双螺旋形式存在。它主要以有规则的双螺旋形式存在。DNA的一级结构的一级结构图图 2-3DNA的二级结构的二级结构 1953年，年，Watson和和Crick根据碱基互补配对的规律根据碱基互补配对的规律以及对以及对DNA分子的互射线衍射研究的成果，提出了著分子的互射线衍射研究的成果，提出了著名的名的DNA双螺旋结构模型（双螺旋结构模型（图图2-4）。这个模型已为以）。这个模型已为
6、以后拍摄的电镜直观形象所证实。这个空间构型满足了后拍摄的电镜直观形象所证实。这个空间构型满足了分子遗传学需要解答的许多问题，例如：分子遗传学需要解答的许多问题，例如：DNA的复制、的复制、DNA对于遗传信息的贮存及其改变和传递等，从而奠对于遗传信息的贮存及其改变和传递等，从而奠定了分子遗传学与分子生物学的基础。定了分子遗传学与分子生物学的基础。（1）两条多核苷酸链以右手螺旋的形式彼此）两条多核苷酸链以右手螺旋的形式彼此以一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上；以一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上；（2）两条多核苷酸链走向为反向平行，即一）两条多核苷酸链走向为反向平行，即一条链磷酸二脂键为条链磷
7、酸二脂键为53方向，而另一条为方向，而另一条为3一一5方向，二者刚好相反；方向，二者刚好相反；DNA双螺旋结构主要内容双螺旋结构主要内容（3）每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱）每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过基一方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过氢键与它互补的碱基相联系。互补碱基对氢键与它互补的碱基相联系。互补碱基对A与与T之间形成两对氢键，而之间形成两对氢键，而C与与G之间形成三对之间形成三对氢键。上下碱基对之间的距离为氢键。上下碱基对之间的距离为0.34nm；（4）每个螺旋为）每个螺旋为3.4nm长，刚好含有长，刚好含有10个碱个碱基对，其直径约为
8、基对，其直径约为2nm；（5）在双螺旋分子的表面大沟和小沟）在双螺旋分子的表面大沟和小沟 交替出交替出现。现。维持双螺旋结构稳定性的力维持双螺旋结构稳定性的力1 氢键氢键2 疏水作用疏水作用-碱基堆集力碱基堆集力3 范德华力范德华力4 磷酸基的负电荷静电斥力磷酸基的负电荷静电斥力5 碱基分子内能碱基分子内能氢氢 键键 碱基配对是碱基配对是DNA双螺旋结构的重要特征之双螺旋结构的重要特征之一。当氢原子与一些电负性强的原子成键时，一。当氢原子与一些电负性强的原子成键时，电子云偏于负电性强的原子，氢原子带部分正电子云偏于负电性强的原子，氢原子带部分正电荷。这种氢部分正电性与另一碱基上电负性电荷。这种
9、氢部分正电性与另一碱基上电负性强的原子相互吸引而形成氢键。大小一般为强的原子相互吸引而形成氢键。大小一般为1530kJ/mol。现人们已经证实，现人们已经证实，碱基碱基A-T间有间有2个氢键，个氢键，而而C-G间则有间则有3个氢键个氢键。疏疏 水水 作作 用用 疏水作用是疏水作用是指两个不溶于水的分子或基团之间指两个不溶于水的分子或基团之间的相互作用，也称疏水键。的相互作用，也称疏水键。虽然虽然DNA的主链部分是的主链部分是亲水的，但嘌呤和嘧啶环本身却带有一定程度的疏亲水的，但嘌呤和嘧啶环本身却带有一定程度的疏水性，这些不溶于水的有机基团在水溶液中具有相水性，这些不溶于水的有机基团在水溶液中具
10、有相互聚集缔合的趋势，使有序的水分子壳层减少到互聚集缔合的趋势，使有序的水分子壳层减少到最低的限度。最低的限度。从热力学角度来看，从热力学角度来看，DNA倾向于形成的三维结倾向于形成的三维结构是使构是使高溶解性的磷酸基团与水的接触增加到最大高溶解性的磷酸基团与水的接触增加到最大限度，而使碱基与水接触减少到最低限度限度，而使碱基与水接触减少到最低限度。磷酸基的负电荷静电斥力磷酸基的负电荷静电斥力 核苷酸上的磷酸基团都带有一核苷酸上的磷酸基团都带有一个负电荷，双链之间这种强有力个负电荷，双链之间这种强有力的静电斥力使两条链分开。的静电斥力使两条链分开。碱基分子内能碱基分子内能 当温度等因素使碱基分
11、子内能增当温度等因素使碱基分子内能增加时，碱基的定向排列遭到破坏，加时，碱基的定向排列遭到破坏，从而削弱碱基的氢键结合力和碱基从而削弱碱基的氢键结合力和碱基堆集力，会使堆集力，会使DNA双螺旋结构受到双螺旋结构受到破坏。破坏。DNA二级结构的多态性二级结构的多态性 Z-DNA结构是结构是1979年由年由Rich提出的。提出的。Rich对对d（CGCGCG）结晶进行）结晶进行X射线衍射射线衍射结构分析，提出了结构分析，提出了Z-DNA结构模型（结构模型（图图2-6）。）。该模型的提出曾一度动摇过右手螺旋学说。该模型的提出曾一度动摇过右手螺旋学说。现已证明，左手螺旋现已证明，左手螺旋Z-DNA只是
12、右手螺旋结只是右手螺旋结构模型的一个补充和发展。构模型的一个补充和发展。DNA二级结构中左螺旋的研究二级结构中左螺旋的研究（1）Z-DNA是左手螺旋，每个螺旋含是左手螺旋，每个螺旋含12个碱个碱基对，比基对，比A-DNA拧得更紧；拧得更紧；（2）双螺旋中不存在深沟，只有浅沟；）双螺旋中不存在深沟，只有浅沟；（3）双螺旋的轴心也在碱基对之外，即轴心）双螺旋的轴心也在碱基对之外，即轴心不再穿过碱基对之间的氢键，而位于氢键之外不再穿过碱基对之间的氢键，而位于氢键之外靠近胞嘧啶碱基一侧。靠近胞嘧啶碱基一侧。Z-DNA轴心所处的方轴心所处的方向正好与向正好与A-DNA相反；相反；Z-DNA的结构特点的结
13、构特点DNA的高级结构的高级结构 DNA的高级结构是指的高级结构是指DNA双螺旋进一双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。超螺步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。超螺旋结构是旋结构是DNA高级结构的主要形式，可高级结构的主要形式，可分为正超螺旋与负超螺旋两大类，他们在分为正超螺旋与负超螺旋两大类，他们在特殊情况下可以相互转变，如：特殊情况下可以相互转变，如：DNA变性的基本概念变性的基本概念就是就是DNA从双链变从双链变成单链的过程。成单链的过程。DNA变性的重要性质变性的重要性质增色效应：增色效应：是指在是指在DNA的变性过程中，的变性过程中，它在它在 260 nm的吸收值先是缓慢上升，的吸
14、收值先是缓慢上升，到达某一温度后即骤然上升的效应到达某一温度后即骤然上升的效应（图图2-7）。）。DNA的超螺旋结构的超螺旋结构（1）DNA超螺旋结构的发现；超螺旋结构的发现；（2）DNA超螺旋结构的形成；超螺旋结构的形成；（3）DNA超螺旋的生物学意义；超螺旋的生物学意义；（4）拓扑异构酶的分类与作用）拓扑异构酶的分类与作用 在活体中，在活体中，DNA的结构不是一成不变的。的结构不是一成不变的。DNA的各种构象是互变的，是动态的。的各种构象是互变的，是动态的。DNA的这的这种结构变化对它的功能具有重要意义。而种结构变化对它的功能具有重要意义。而DNA超超螺旋程度的改变介导了这种结构变化。螺旋
15、程度的改变介导了这种结构变化。B-DNA是是一种能热力学上稳定的结构，超螺旋的引入就提一种能热力学上稳定的结构，超螺旋的引入就提高了它的能量水平。负超螺旋的存在会影响高了它的能量水平。负超螺旋的存在会影响DNA结构变化的平衡，具超螺旋的结构变化的平衡，具超螺旋的DNA能实现松弛态能实现松弛态DNA所不能实现的结构转化。所不能实现的结构转化。超螺旋的生物学意义超螺旋的生物学意义 含（含（TC）n和（和（AG）n这样的同型嘧这样的同型嘧啶和同型嘌呤，并形成镜像重复的序列啶和同型嘌呤，并形成镜像重复的序列（图图2-24）。在低）。在低pH条件下能形成分子条件下能形成分子内的三链内的三链DNA，它是由双链，它是由双链DNA拆开后拆开后产生的多聚嘧啶链回折并嵌入剩下的双产生的多聚嘧啶链回折并嵌入剩下的双链链DN A的大沟中形成的（的大沟中形成的（图图2-25）。）。三链三链DNA结构的形成结构的形成图图 2-25渗透为负，压力为正渗透为负，压力为正植物吸水的动力：根压植物吸水的动力：根压 蒸腾压力蒸腾压力