02 第二章 DNA结构.pptx

第1页：本章内容目录

第一节遗传物质的本质第二节核酸的化学组成第三节DNA的二级结构第四节DNA的物理化学性质第五节超螺旋和拓扑异构第二章DNA的结构

第2页：第一节 遗传物质的本质

第一节遗传物质的本质

第3页：携带两类不同的遗传信息

DNA携带两类不同的遗传信息1、遗传物质必须具有的特性DNA的特征a、贮存并表达遗传信息各异的碱基序列储存大量的遗传信息1kbDNA序列41000种遗传信息b、能把信息传递给子代DNA的复制是其表达和传递遗传信息的基础c、物理和化学性质稳定生理状态下物理、化学性质稳定d、具有遗传变化的能力有突变和修复能力，可稳定遗传是生物进化的基础

第4页：编码蛋白质

DNA携带两种遗传信息a、编码蛋白质和RNA的信息(编码tRNA、rRNA)64个三联体密码子3个终止密码子编码氨基酸的61个密码子有简并性、通用性

第5页：编码基因选择性表达

b、编码基因选择性表达的信息基因选择性表达表现在：细胞周期的不同时相中个体发育不同阶段不同的器官和组织不同的外界环境下基因的表达与否以及量的差异

第6页：原核生物的结构基因占

原核生物的结构基因占Genome的比例很大Φx174phage5386bp结构基因用去5169bp比例达96％*真核生物的结构基因占Genome的比例很小哺乳动物中结构基因只占10％～15％

第7页：起什么作用目前还无法精确解释

其余80％以上的DNA起什么作用目前还无法精确解释，但可以肯定其中大部分DNA序列是编码基因选择性表达的遗传信息所以又称－－调控序列

第8页：病毒基因组

RNA也可作为遗传物质* RNA病毒传染媒介是病毒颗粒（病毒基因组RNA、蛋白质外壳）如:烟草花叶病毒（Tobacco Mosaic Virus，TMV)*类病毒（viroid）:使高等植物产生疾病的传染性因子只由RNA组成

第9页：蛋白质样的感染因子羊搔痒病

是否存在核酸以外的遗传物质Prion (proteinaccous infections particle)朊病毒－－－蛋白质样的感染因子羊搔痒病(scripie)人类库鲁（kuru）病牛海绵状脑炎(疯牛病)…均由传染性病原蛋白颗粒引起统称Prion(朊病毒)Prion复制

第10页：人类朊病毒疾病比较

第11页：致死性中枢神经系统的慢性退化病理表现

致死性中枢神经系统的慢性退化病理表现：大脑皮层的神经原细胞退化、空泡变性、死亡、消失，最终被星状细胞取代，因而造成海棉状态

第12页：朊病毒带来了诺贝尔生理

朊病毒带来了诺贝尔生理/医学奖1997Stanley B.Prusiner发现朊病毒是作为老年性痴呆症等疾病的病原并能在寄主细胞中繁殖传播

第13页：第二节 核酸的化学组成

第二节核酸的化学组成

第14页：嘧啶Pyrimidines嘌呤

嘧啶Pyrimidines嘌呤Purines一、碱基、核苷、核苷酸☉碱基Nitrogenous basesUracil (U)

第15页：脱氧核糖核苷

☉核苷（nucleotide）糖苷键Glycosidic bond嘧啶的1位N原子、嘌呤的9位N原子核糖是戊糖RNA－核糖核苷DNA－脱氧核糖核苷

第16页：核苷的磷酸酯脱氧核糖核苷酸核糖核苷酸其中

’9☉核苷酸（nucleotide acid）核苷的磷酸酯脱氧核糖核苷酸核糖核苷酸其中α和β、β和γ之间是高能磷酸键αβγdNTP

第17页：核苷酸核糖核苷三磷酸缩写

碱基＋戊糖＝核苷核苷＋磷酸＝核苷酸核糖核苷三磷酸缩写为NTP

第18页：磷酸二酯键连接

DNA分子的一级结构(DNAsequence)1、多聚核苷酸链主链是核糖和磷酸侧链为碱基由3’,5’磷酸二酯键连接2、链的方向：同一个磷酸基的3’酯键到5’酯键的方向(5’→3’)5’-UCAGGCUA-3’= UCAGGCUA默认书写顺序5‘→3’3’5’

第19页：第二节 DNA的二级结构

第二节DNA的二级结构

第20页：双螺旋模型的提出

1953.Watsosn&Crick右手B-DNA Double helix Model一、DNA双螺旋模型的提出（doublehelixmodel）

第21页：每一单链具有

每一单链具有5‘3’极性两条单链极性相反反向平行 两条单链间以氢键连接 以中心为轴，向右盘旋（直径2nm） 双螺旋中存在大，小沟*双螺旋的主链

第22页：磷酸二酯链

磷酸二酯链(PhosphodiesterBackbone)

第23页：C-GT-A碱基互补

C-GT-A碱基互补

第24页：双螺旋模型参数

• 直径20Å*双螺旋模型参数·螺距为34Å（任一条链绕轴一周所升降的距离）·每圈有10个核苷酸（碱基）·有大沟和小沟配对碱基并不充满双螺旋空间，且碱基对占据的空间不对称·两个碱基之间的垂直距离是3.4Å
• 螺旋转角是36度

第25页：Pitch34

Pitch34 ÅRise3.4 ÅWidth 20 ÅMajorGrooveMinorGroove10.4 bp/turn

第26页：影响双螺旋结构稳定性的因素

影响双螺旋结构稳定性的因素 氢键(Hydrogen bond 4~6 kc / mol)消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力弱键,可加热解链氢键堆积,有序排列(线性,方向) 磷酸酯键(phosphoester bond 80~90 kc /mol) 0.2 mol / L Na+生理盐条件强键,需酶促解链*维持稳定性的因素

第27页：碱基堆积力

碱基堆积力(非特异性结合力)( 1 kc / mol—0.6kc / mol )×n 范德华力（Van de waals force）(1.7A°/嘌呤环与嘧啶环作用半径)(0.34 nm/碱基对间距)3.4A°

第28页：疏水作用力

疏水作用力(Hydrophobic interaction)不溶于水的非极性分子在水中相互联合,成串结合的趋势力.(磷酸骨架,氨基,酮基周围水分子间的有序排列) 磷酸基团间的静电斥力 碱基内能增加(温度),使氢键因碱基排列有序状态的破坏而减弱*不稳定因素

第29页：双螺旋结构的基本形式

双螺旋结构的基本形式·B-DNA资料来自相对湿度为92％所得到的DNA钠盐纤维·此外人们还发现了A、C、D、E等右手双螺旋和左手双螺旋Z构象等形式DNA结构的多态性：几种不同的DNA双螺旋结构以及同一种双螺旋结构内参数存在差异的现象原因：多核苷酸链的骨架含有许多可转动的单键磷酸二酯键的两个P-O键、糖苷键、戊糖环各个键

第30页：A/B/Z构象对比

ABZHandednessBase Inclination

第31页：大沟宽小沟窄小沟窄大沟变深小沟

ABZ大沟宽小沟窄小沟窄大沟变深小沟宽浅大沟不存在小沟窄而深

第32页：反向重复序列与二级结构反向重复序列

反向重复序列与二级结构反向重复序列（invertedrepeatitivesequenceorinvertedrepeatsIR）又称回文序列（廻文）：指两段同样的核苷酸序列同时存在于一个分子中，但具有相反的方向有时也有不完全相同的情况RNA和DNA中都可能存在此外还可有directedrepeatitivesequence---正向重复序列四、一些DNA序列的不寻常结构

第33页：C

C

第34页：反向重复序列

反向重复序列间间隔较短或无间隔反向重复序列间间隔较长

第35页：较短的回文序列可能是作为一种信号如

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一些调控蛋白的识别位点例如限制性内切酶EcoRⅠ的识别位点5‘－－GAATTC－－3’3‘－－CTTAAG－－5’

第36页：形成条件一股为嘌呤

形成条件一股为嘌呤，另一股为嘧啶的核苷酸双链能够形成三链如：polyA/polyUpolydA/polydTpolyd(AG)/polyd(CT)2、三螺旋DNA(TribleHelixDNA,T.SDNA)可能与基因调控区域的功能和染色体重组有关

第37页：三链DNA的组成形式

PolyT/ATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAAPolyT/ATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAAD.S. DNA + D.S.DNAT.S.DNA +S.S.DNA（2）组成形式

第38页：第三条链位

第三条链位于B-DNA的Majorgroove中

第39页：均有形成四股螺旋

股螺旋DNA( tetraplex DNA, Tetrable Helix DNA)均有形成四股螺旋DNA的可能5’---TTAGGGTTAGGGTTAGGG-3’3’---AATCCCAATCCC-5’ Poly(G) 染色体端粒高度重复的DNA序列形成条件－－串联重复的鸟苷酸已有实验结果表明－－真核细胞端粒中存在四链结构

第40页：可能的功能

可能的功能A、稳定真核生物染色体结构B、保证DNA末端准确复制C、与DNA分子的组装有关D、与染色体的meiosis & mitosis有关Hoogsteen Bonding5’-----TTAGGGTTAGGGTTAGGGT3’-----AATCCCAATCCCGGGTA

第41页：

第42页：第四节 DNA的物理

第四节DNA的物理、化学性质

第43页：双股链的互补是其结构和功能上

DNA双股链的互补是其结构和功能上的一个基本特征也是DNA研究中一些实验技术的基础

第44页：分子的变性变性

DNA分子的变性变性（denaturation或融解melting）：DNA双螺旋区的氢键断裂，使双螺旋的两条链完全分开变成单链，这一双链分离的过程叫做变性1、条件：加热,极端pH,有机溶剂（尿素、酰胺)，低盐浓度等2、变性过程的表现¤是一个爆发式的协同过程，变性作用发生在一个很窄的温度范围¤导致一些理化性质发生剧烈变化

第45页：熔液黏度降低

表现为：※熔液黏度降低※沉降速度加大※浮力密度上升※此外吸收值升高（A260nm），即增色效应指在DNA变性的过程中，他在260nm的吸收值先是缓慢上升，达到某一温度时及骤然上升天然DNA和变性DNA的吸收值相差可达34％D.S DNA A260= 1.0S.S DNA A260= 1.37dNTPs A260= 1.60当浓度为50μg/ml时：

第46页：双螺旋结构失去一半时的温度

1.01.37OD℃Tm= OD增加值的中点温度(一般为85-95℃)或DNA双螺旋结构失去一半时的温度3、熔解曲线与融解温度(Tm值)缓慢而均匀地增加DNA溶液的温度（现可做到0.1℃／分）可根据各点的A260值绘制成DNA的熔解曲线这也是一般PCR实验技术中把变性温度定为94 ℃的原因

第47页：随机分布的情况下

影响Tm值的因素（1）在A, T, C, G随机分布的情况下，决定于GC含量（2）GC%含量相同的情况下GC%愈高→Tm值愈大GC%愈低→Tm值愈小AT形成变性核心，变性加快，Tm值小碱基排列对Tm值具有明显影响5` GC 3`CG n＞＞5` CG 3`GC n5` TA 3`AT n＜＜5` AT 3`TA n36.7 ℃ 57.02 ℃Tm136.12 ℃ 72.55 ℃

第48页：嘌呤嘧啶的排列顺序对双螺旋结构

※嘌呤嘧啶的排列顺序对双螺旋结构（稳定性）的影响即－－氢键数目相同，但相邻碱基的堆积力不同从嘌呤到嘧啶方向的碱基堆积力作用显著地大于同样组成的嘧啶到嘌呤方向的碱基堆积作用Pyrimidine-Purine Steps Have Little Base Stacking5’3’3’5’CGAT5’ CA 3’3’ GT 5’

第49页：嘌呤嘧啶步的碱基堆积

Purine-Pyrimidine Steps Have Extensive Base Stacking5’3’3’CATG5’5’ AC 3’3’ TG 5’

第50页：生物体内仅

生物体内仅UAA为最有效的终止密码子因为：UAAAUU的Tm值是最低的一个，即使生理温度下也不稳定

第51页：分子之间比较片段长短对

大片段D.S DNA分子之间比较片段长短对Tm值的影响较小,与组成和排列相关（4）小于100bp的D.S DNA分子比较片段愈短，变性愈快，Tm值愈小（5）变性液中含有尿素，甲酰胺等尿素，甲酰胺与碱基间形成氢键改变碱基对间的氢键Tm值可降至40℃左右（6）盐浓度的影响每升0.18mol Na+是常用的标准条件思考题：室温下蒸馏水中的DNA会如何

第52页：碱基堆积力的因素均将

pH ~ 12酮基→烯醇基pH ~ 2-3NH2→ NH2+(质子化)改变氢键的形成与结合力（7）极端pH条件的影响一切减弱氢键，碱基堆积力的因素均将使Tm值降低

第53页：常用的变性方法

常用的变性方法 热变性 碱变性应用广泛，特别是用于变性动力学研究缺点：高温引起磷酸二酯键的断裂，得到长短不一的单链pH11.3时，全部氢键被淘汰无热变性的缺点，为制备单链DNA的首选方法◎保存单链DNA的条件保持pH大于11.3盐浓度低于0.01mol/L

第54页：复性过程依赖于单链分子间的随机碰撞

D.S DNAS.S DNADenaturation▲▼Renaturation复性过程依赖于单链分子间的随机碰撞( Depends on the collision of complementary S.S. DNA )二、DNA分子的复性（anneal or renaturation）概念：变性DNA在适当条件下，两条彼此分开的链又可以重新地合成双螺旋结构的过程（退火）

第55页：复性过程的因素

影响DNA复性过程的因素：阳离子浓度0.18 ~ 0.2M Na+可消除polydNTP间的静电斥力复性反应的温度低于Tm值25℃左右(60-65℃)S.S, DNA的初始浓度C0DNA分子中,碱基的排列状况(随机排列,重复排列)S.S. DNA分子的长度（片段的大小）S.S.DNA愈长S.S. DNA愈短→分子扩散愈慢→复性愈慢→分子扩散愈快→复性愈快

第56页：ATCTATGCTGTCAT-5

’-ATCTATGCTGTCAT-5’5‘-TAGATACGACAGTA-3’5‘-TAGATACGACAGTA-3’3’-ATCTATGCTGTCAT-5’3’-ATATATATATAT-5’5‘-TATATATATATA-3’3’-ATATATATATAT-5’5‘-TATATATATATA-3’5‘-TATATATATATA-3’3’-ATATATATATAT-5’3’-ATATATATATAT-5’5‘-TATATATATATA-3’

第57页：复性发生过程的讨论

C0t曲线－－复性发生过程的讨论dCt/ dt = KC02反应初始t=0单链DNA的随机碰撞过程（randomly collision）单链DNA浓度=C0反应达t时单链DNA浓度= CtK＝复性速度常数包括两个因素：DNA的浓度（C，mol/L）和时间(s)

第58页：dCt/dt=KC02积分Ct/ C0=

dCt/dt=KC02积分Ct/ C0= 1 / (1+KC0t )当Ct/ C0= 1/2时Ct/C0=1/2=1/(1+KC0t(1/2))K=1/Cot(1/2)Cot(1/2)=1/K(mol.Sec/L)常数

第59页：Ct/C0是C0t的函数按此公式

Ct/C0是C0t的函数按此公式作图得C0t曲线Ct/C001C0t(1/2)C0t

第60页：基因组的复杂性

基因组的复杂性＝单一序列的长度＋重复序列的长度复杂性的单位为核苷酸的数目例如：含单一序列a, b, c, d复杂性＝a+b+c+d复杂性＝分子量含106a, 103b, 10c, d复杂性＝a+b+c+d复杂性＜＜分子量基因组的复杂性(genomic complexity)

第61页：的复杂性间存

复杂性*C0t和DNA的复杂性间存在线性关系：the more complex a DNA, the higher itsCot(1/2)1 :10－62×105:0.42×109:4000

第62页：曲线能解释单一来源

A "typical" mammalianC0t curve has threeplateaus*C0t曲线能解释单一来源的DNA所具有的不同复杂性部分真核生物的基因组由高度重复（highly repetitive)序列、中度重复（moderately repetitive or mid-repetitive)序列单一（single copy)序列组成

第63页：双螺旋结构的呼吸作用

富含A－T序列和DNA双螺旋结构的呼吸作用 高等生物染色体的某一区段，A·T含量变化很大很多有重要调节功能的的DNA区段都富含A·T（原核、真核－－复制起点、启动子、终止子等区域） DNA双螺旋结构的呼吸作用：DNA双螺旋结构内部，配对碱基的氢键的迅速断裂和再生的过程 DNA内富含A·T区段呼吸作用尤为明显这对于某些特殊的蛋白质与DNA发生反应并阅读链内部的信息具有重要作用

第64页：第五节 超螺旋和拓扑异构

第五节超螺旋和拓扑异构

第65页：超螺旋是所有线性或环形

超螺旋（superhelixORsupercoil） 最早在SV40和多瘤病毒中发现 超螺旋是所有线性或环形DNA的共有的重要特征The supercoils ofthe SV40minichromosomecan be relaxed togenerate a circularstructure, whoseloss of histones thengenerates supercoilsin the free DNA.

第66页：超螺旋结构的方向性

• 超螺旋结构的方向性B-DNA紧缠overwinding(右旋)正超螺旋（positive supercoiled）导致左手超螺旋以一根绳子做实验：原来的绳子的两股以右旋方向缠绕
• 在绳子的一端向紧缠方向捻转，再将绳子的两端连接起来，则产生一个左旋的超螺旋以解除外加捻转的协变

第67页：再将绳子的两端连接起来

B-DNA松缠unwinding(左旋)负超螺旋（Negative Supercoiled）导致右手超螺旋在绳子的一端向松缠方向捻转，再将绳子的两端连接起来，则产生一个右旋的超螺旋以解除外加捻转的协变

第68页：超螺旋的形成总

超螺旋的形成总是要向着抵消初级螺旋改变的方向发展所有生物的DNA几乎有5%为Negative Superhelix二、超螺旋状态的描述1、可用数学公式描述Vinograd方程式L=T+W(α=β+γ)

第69页：不发生链断裂时

L连接数（Linkingnumber）双链DNA的交叉数，不发生链断裂时，L为定值T盘绕数（Twisting number）双链DNA的缠绕数，初级螺旋圈数W超盘绕数（Writhing number）直观上为双螺旋在空间的转动数W=负值（negativesuperhelix）W =正值( positive superhelix）

第70页：中保留一单链区域

bp*B-DNA是力学上稳定的结构( 10 bp/ helix)*螺旋数改变的结果之一是产生超螺旋或是在B_DNA中保留一单链区域，但须能量的功给

第71页：向正超螺旋发展

DNA在水溶液中,构型偏B型状态＊DNA以10.5 bp/helix为最稳定构型＊小于10.5bp/helix向正超螺旋发展(紧缩态)＊大于10.5bp/helix向负超螺旋发展(松弛态)天然的DNA都是负超螺旋但一些生命活动过程中存在正超螺旋B-DNA的变化情况：

第72页：体外可产生正超螺旋溴化乙锭

basebase3.4埃EB7.0埃basebasebasebase局部DNA的紧缩2、体外可产生正超螺旋溴化乙锭（Ethidium bromide EB）放线菌素Da、EB的插入只改变盘绕数T－－使其降低但L值不变W＝L－TL值不变T值降低W＝正值产生正超螺旋

第73页：对超螺旋结构

o/helix 360o-26o/helix / 0ne of EB inserted负SuperhelixL不变,T减少正SuperhelixEB对超螺旋结构的影响

第74页：拓扑异构酶的类别和特性

第75页：改变超螺旋的方式结合

改变超螺旋的方式结合到一条链上形成复合物切断一条链形成酶和DNA的复合体共价连接Tyrosine-5’P一条链穿越重新连接L=2L=31、拓扑异构酶Ⅰ(topoisomeraseI)结果：连接数增加一个增加一个负超

第76页：拓扑异构酶（续）

拓扑异构酶Ⅱ－TopII旋转酶(gyrase)TopⅡ亚类之一引入负超螺旋作用于双链涉及双链的断裂和连接－－每次使DNA的连接数改变2

第77页：拓扑异构酶的生物学功能

拓扑异构酶的生物学功能b、防止细胞DNA的过度超螺旋多种拓扑异构酶的作用严格控制体内负超螺旋维持在5%水平所以－－一种拓扑异构酶的单向突变对细胞来说是致命的因而一般两种拓扑异构酶的突变水平相当a、恢复由一些细胞过程产生的超螺旋如：复制叉前面正超的消除转录酶前正超的消除，后面负超的产生

第78页：名词解释反向重复序列

• 复习题1、名词解释反向重复序列DNA链的呼吸作用Cot曲线DNA变性DNA的熔解温度DNA复性2、简答题＊DNA是否唯一的遗传物质
• 如何确定DNA一级结构的方向性
• 决定DNA双螺旋结构状态的因素如何
• B-DNA中出现的大沟、小沟有何差别
• DNA结构多态性及其产生的原因
• 室温中蒸馏水中的DNA变化如何
• 为什么
• Ⅰ、Ⅱ型拓扑异构酶的作用方式和结果的情况