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1、DNA分子的组成和结构分子的组成和结构 一、一、DNA的碱基组成规律的碱基组成规律-Chargaff规则规则 1950年，年，Erwin Chargff（查尔加夫）用纸层析法分析（查尔加夫）用纸层析法分析多种生物多种生物DNA分子的组成成分，发现所有物种内的分子的组成成分，发现所有物种内的DNA的的A与与T，G与与C之比值都接近。他对之比值都接近。他对DNA双螺旋结构模型的提出双螺旋结构模型的提出提供了重要依据。要点如下：提供了重要依据。要点如下：碱基当量定律碱基当量定律 同一种生物的不同组织或器官的同一种生物的不同组织或器官的DNA的碱的碱基组成相同，并且，基组成相同，并且，A与与T的的mo
2、l数相等，即数相等，即A=T；G与与C的的mol数相等，即数相等，即G=C，从而，从而，AG=CT，AG/TC=1 不对称比率不对称比率 不同种生物的不同种生物的DNA碱基组成存在差异。碱基组成存在差异。A T AT 、均有差异。均有差异。G C GC二、二、DNA分子结构分子结构一、一、DNA的一级结构的一级结构（一）核苷酸之间的连接方式：（一）核苷酸之间的连接方式：3，5磷酸二酯键：一个核苷酸磷酸二酯键：一个核苷酸的的3羟基和相邻一个核苷酸的羟基和相邻一个核苷酸的5磷酸基团以酯键相连。磷酸基团以酯键相连。5533（二）（二）DNA的一级结构的一级结构 1、DNA的一级结构及表示方法的一级结
3、构及表示方法 DNA的一级结构的一级结构是指是指DNA分子中脱氧核苷分子中脱氧核苷酸的排列顺序，也叫序列。酸的排列顺序，也叫序列。核酸一级结构的表示方法核酸一级结构的表示方法 T53OH U53OH OH OH OH OH DNA RNA 简化表示法简化表示法：竖线表示戊糖碳链，原子编：竖线表示戊糖碳链，原子编号自上而下，号自上而下，C1连着碱基，连着碱基，A、T、G、C表表示示DNA中的四种碱基，中的四种碱基，P代表磷酸残基，磷酸代表磷酸残基，磷酸二酯键自竖线中部引出二酯键自竖线中部引出（C3）对角至相邻竖线）对角至相邻竖线下段（下段（C5），对角线中间为，对角线中间为P。缩写式：缩写式：根
4、据简化式从左至右按序写出碱基符根据简化式从左至右按序写出碱基符号（代表核苷），以号（代表核苷），以P代表磷酸基，代表磷酸基，P写在碱基符写在碱基符号左边时表示号左边时表示P结合在结合在C5位上，碱基符号右边的位上，碱基符号右边的P表示与表示与C3 结合。如：结合。如：PAPCPGPT 或或 PACGT 或或 PACGT 或或 PACGTOH 简化式的读向简化式的读向：从左至右表示的碱基序列是：从左至右表示的碱基序列是5 3。二、二、DNA的二级结构的二级结构（一）（一）DNA二级结构的典型二级结构的典型双螺旋结构模型双螺旋结构模型 1953年，年，Jamse.Wstson和和Francis.C
5、rick在前人研究的基础上，推导出在前人研究的基础上，推导出DNA的双螺旋结构的双螺旋结构模型及模型及DNA复制机制。复制机制。Francis Crick(35y)James Watson(23y)丹麦丹麦 哥本哈根哥本哈根剑桥大学剑桥大学 Cavendish Lab.1、双螺旋模型要点双螺旋模型要点 两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴向右盘旋两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴向右盘旋形成右手双螺旋；形成右手双螺旋；双螺旋的骨架是由磷酸和脱氧核糖组成，位于外侧，双螺旋的骨架是由磷酸和脱氧核糖组成，位于外侧，碱基位于螺旋内侧，配对平行，与轴垂直；碱基位于螺旋内侧，配对平行，与轴垂直；双螺
6、旋平均直径为双螺旋平均直径为2nm，螺距为，螺旋一周包含，螺距为，螺旋一周包含10个碱基对个碱基对(bp)，相邻碱基距离为，之间旋转角度为，相邻碱基距离为，之间旋转角度为36；双螺旋结构上有两条螺形凹槽，大沟和小沟，对于双螺旋结构上有两条螺形凹槽，大沟和小沟，对于DNA与与PRO结合时的相互识别很重要，利于遗传信息的结合时的相互识别很重要，利于遗传信息的传递与表达。传递与表达。碱基按互补配对原则进行配对，碱基按互补配对原则进行配对，A与与T配对，之间形配对，之间形成两个氢键，成两个氢键，C与与G配对，之间形成三个氢键。配对，之间形成三个氢键。2.0 nm小沟小沟大沟大沟 互补配对原则的重要性：
7、互补配对原则的重要性：A：当一条多核苷酸链的序列被确定：当一条多核苷酸链的序列被确定以后，即可推知另一条互补链的序列；以后，即可推知另一条互补链的序列；B：是遗传信息传递的分子基础，：是遗传信息传递的分子基础，DNA的复制、转录、逆转录和翻译都以的复制、转录、逆转录和翻译都以碱基互补原则为基础进行。碱基互补原则为基础进行。2、稳定、稳定DNA双螺旋结构的作用力双螺旋结构的作用力 有利的：有利的：碱基堆积力：碱基堆积力：主要作用力主要作用力，包括碱基之间的范德华，包括碱基之间的范德华力和碱基疏水作用。碱基堆积后，在双螺旋结构内部形成力和碱基疏水作用。碱基堆积后，在双螺旋结构内部形成一个强大的疏水
8、区，产生疏水作用。一个强大的疏水区，产生疏水作用。碱基对之间的氢键：碱基对之间的氢键：基本作用力基本作用力 离子键离子键 不利的：不利的：（1）静电斥力：磷酸基团之间；）静电斥力：磷酸基团之间；（2）碱基分子内能）碱基分子内能 平衡的结果。平衡的结果。3、生物学意义、生物学意义 第一次描述了第一次描述了DNA分子的结构，提分子的结构，提出了遗传信息的储存方式以及出了遗传信息的储存方式以及DNA的复的复制机理，对制机理，对DNA复制、基因遗传、复制、基因遗传、RNA翻译、基因表达、调控等方面的研究都翻译、基因表达、调控等方面的研究都奠定了基础，揭开了分子生物学研究的奠定了基础，揭开了分子生物学研
9、究的序幕，为分子遗传学的研究奠定了基础。序幕，为分子遗传学的研究奠定了基础。人类基因组计划 人类基因组计划人类基因组计划(human genome project,HGP)是是由美国科学家于由美国科学家于1985年率先提出，于年率先提出，于1990年正式启动年正式启动的。美国、英国、法兰西共和国、德国、日本和我国的。美国、英国、法兰西共和国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一价值达科学家共同参与了这一价值达30亿美元的人类基因组亿美元的人类基因组计划。按照这个计划的设想，在计划。按照这个计划的设想，在2005年，要把人体内年，要把人体内约约10万个基因的密码全部解开，同时绘制出人类基因万个基
10、因的密码全部解开，同时绘制出人类基因的谱图。换句话说，就是要揭开组成人体的谱图。换句话说，就是要揭开组成人体10万个基因万个基因的的30亿个碱基对的秘密。人类基因组计划与曼哈顿原亿个碱基对的秘密。人类基因组计划与曼哈顿原子弹计划和阿波罗并称为三大科学计划。子弹计划和阿波罗并称为三大科学计划。什么是基因组什么是基因组(Genome)?基因组就是一个物种中所基因组就是一个物种中所有基因的整体组成。人类基因组有两层意义：遗传信有基因的整体组成。人类基因组有两层意义：遗传信息和遗传物质。要揭开生命的奥秘，就需要从整体水息和遗传物质。要揭开生命的奥秘，就需要从整体水平研究基因的存在、基因的结构与功能、基
11、因之间的平研究基因的存在、基因的结构与功能、基因之间的相互关系。相互关系。人类基因组计划的目的人类基因组计划的目的 为什么选择人类的基因组进行研究？因为人类是在为什么选择人类的基因组进行研究？因为人类是在“进化进化”历程上最高级的生物，对它的研究有助于认历程上最高级的生物，对它的研究有助于认识自身、掌握生老病死规律、疾病的诊断和治疗、了识自身、掌握生老病死规律、疾病的诊断和治疗、了解生命的起源。解生命的起源。测出人类基因组测出人类基因组DNA的的30亿个碱基对的序列，发现亿个碱基对的序列，发现所有人类基因，找出它们在染色体上的位置，破译人所有人类基因，找出它们在染色体上的位置，破译人类全部遗传
12、信息。类全部遗传信息。在人类基因组计划中，还包括对五种生物基因组的在人类基因组计划中，还包括对五种生物基因组的研究：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠，称之为研究：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠，称之为人类的五种人类的五种“模式生物模式生物”。HGP的目的是解码生命、了解生命的起源、了解生的目的是解码生命、了解生命的起源、了解生命体生长发育的规律、认识种属之间和个体之间存在命体生长发育的规律、认识种属之间和个体之间存在差异的起因、认识疾病产生的机制以及长寿与衰老等差异的起因、认识疾病产生的机制以及长寿与衰老等生命现象、为疾病的诊治提供科学依据。生命现象、为疾病的诊治提供科学依据。1994年，我
13、国年，我国HGP在在吴旻吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕、强伯勤、陈竺、杨焕明的倡导下启动，最初由国家自然科学基金会和明的倡导下启动，最初由国家自然科学基金会和863高高科技计划的支持下，先后启动了科技计划的支持下，先后启动了“中华民族基因组中中华民族基因组中若干位点基因结构的研究若干位点基因结构的研究”和和“重大疾病相关基因的重大疾病相关基因的定位、克隆、结构和功能研究定位、克隆、结构和功能研究”，1998年在国家科技年在国家科技部的领导和牵线下，部的领导和牵线下，1998年在年在上海上海成立了南方基因中成立了南方基因中心，心，1999年在北京成立了北方人类基因组中心，年在北京成立了北方人类基因组中
14、心，1998年，组建了中科院遗传所。年，组建了中科院遗传所。1999年年7月在国际人类基月在国际人类基因组注册，得到完成人类因组注册，得到完成人类3号染色体短臂上一个约号染色体短臂上一个约30Mb区域的测序任务，该区域约占人类整个基因组的区域的测序任务，该区域约占人类整个基因组的1。人类基因组计划（人类基因组计划（Human genome project）由）由美国于美国于1987年启动，我国于年启动，我国于1999年年9月积极参加到这月积极参加到这项研究计划中的，承担其中项研究计划中的，承担其中1%的任务，即人类的任务，即人类3号染号染色体上约色体上约3000万个碱基对的测序任务。我国因此成
15、为万个碱基对的测序任务。我国因此成为参加这项研究计划的唯一的发展中国家。参加这项研究计划的唯一的发展中国家。2000年年6月月26日人类基因组工作草图完成。由于人类基因测序和日人类基因组工作草图完成。由于人类基因测序和基因专利可能会带来巨大的商业价值，各国政府和一基因专利可能会带来巨大的商业价值，各国政府和一些企业都在积极地投入该项研究，如些企业都在积极地投入该项研究，如1997年年AMGE公公司转让了一个与中枢神经疾病有关的基因而获利亿美司转让了一个与中枢神经疾病有关的基因而获利亿美元。元。(二二)DNA二级结构的多态性二级结构的多态性 指在不同提取条件下得到的同种指在不同提取条件下得到的同
16、种DNA分分子的二级结构亦不一定相同。子的二级结构亦不一定相同。当DNA钠盐纤维相对湿度和盐的种类改变时，DNA的构象发生改变。不同DNA纤维的空间结构 类型结晶状态ANa盐，相对湿度75%时结晶BNa盐，相对湿度92%时结晶C锂盐，相对湿度66%时结晶双螺旋双螺旋DNADNA的的结构参数构参数类型型旋旋转方向方向螺旋螺旋直径直径（nm）螺距螺距（nm）每每转碱基碱基对数数目目碱基碱基对间垂直距离垂直距离（nm）碱基碱基对与水平与水平面面倾角角A-DNAB-DNAZ-DNA右右右右左左2.02.31.82.83.44.51110120.2550.340.272007三、三、DNA的三级结构的三
17、级结构-超螺旋结构超螺旋结构 1、双螺旋、双螺旋DNA分子在二级结构基础上进一步扭曲分子在二级结构基础上进一步扭曲折叠形成的特定构象。折叠形成的特定构象。2、环形双链、环形双链DNA分子可以进一步扭曲成超螺旋结分子可以进一步扭曲成超螺旋结构，首尾可共价连接成环状，分为负超螺旋、正超构，首尾可共价连接成环状，分为负超螺旋、正超螺旋。螺旋。当将处于松弛状态的双螺旋向左捻动时（即沿右手螺旋相反方向捻动）当将处于松弛状态的双螺旋向左捻动时（即沿右手螺旋相反方向捻动），等于解旋（所谓的，等于解旋（所谓的“卸劲卸劲”）。处于这样状态的DNA分子相对于它的松弛状态是一种没有达到原有旋转状态的状态，所以称之欠
18、旋欠旋。反之称为过旋。由于DNA分子的两端被固定，过旋和欠旋都会给双螺旋DNA分子增加了额外的应力。当将线性过旋或欠旋的双螺旋DNA连接形成一个环时，都会自动形成额外的超螺旋（supercoils）来抵消过旋或欠旋造成的应力，目的是维持B构象。过旋DNA会自动形成额外左手螺旋，这样的超螺旋称之正超螺旋（positive supercoils）；而欠旋形成额外右手螺旋，称之负超螺旋（negative supercoils）。四、核小体四、核小体 由真核细胞的DNA与组蛋白结合成的核蛋白。组蛋白是碱性蛋白，富含Arg 和Lys，约1/4。分为五类：H1、H2a 、H2b、H3、H4。核小体由H2a 、H2b、H3、H4各两分子组成的八聚体和DNA的160240个碱基对构成。140个DNA碱基对绕组蛋白八聚体外围盘绕圈，剩余DNA连接在相邻核小体核心之间，组蛋白H1结合其上，看起来似一串珠子。一系列的核小体重复单位组成染色质丝，染色质折叠成染色体。本节结束