页数：97页文件大小：13.31 MB来源： 分子生物学ppt课件
本课件围绕DNA的结构展开，先说明遗传物质的特性与DNA携带的两类遗传信息，再讲核酸的化学组成与一级结构特点，系统解析双螺旋模型的依据、结构参数与稳定因素，并延伸介绍DNA的物理化学性质与超螺旋、拓扑异构。
第二章DNA的结构
第一节遗传物质的本质
第一节遗传物质的本质
1、遗传物质必须具有的特性a、贮存并表达遗传信息b、能把信息传递给子代c、物理和化学性质稳定d、具有遗传变化的能力DNA的特征各异的碱基序列储存大量的遗传信息碱基互补是其复制、转录表达遗传信息的基础生理状态下物理、化学性质稳定有突变和修复能力，可稳定遗传是生物进化的基础1kbDNA序列41000种遗传信息一、DNA携带两类不同的遗传信息
2、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个三联体密码子三个终止密码子编码氨基酸的61个密码子由简并性、通用性b、编码基因选择性表达的信息*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％
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各种基因的表达与否以及量的差异所以又称－－调控序列
二、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）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组成三、是否存在核酸以外的遗传物质Prion (proteinaccous infections particle) 引起的风波朊病毒－－－蛋白质样的感染因子
羊搔痒病(scripie)Prion
上节课内容回顾:基因概念的演变:五种关于遗传的认识基因概念的发展:顺反子理论操纵元理论经典的基因概念:第二章内容DNA携带的两类遗传信息DNA以外的遗传物质:RNA蛋白质??
第二节核酸的化学组成
嘧啶Pyrimidines嘌呤Purin
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
核苷酸
Ribonucleotides 核糖核苷三磷酸缩写为NTP
二、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’
3、DNA一级结构的特点a、脱氧核糖是其显著特点－－－－DNA极其稳定的根本原因DNA在高pH值时磷酸酯键非常稳定只是碱基存在构像的变化变化酮式烯醇式酮式烯醇式
RNA 在高pH时则稳定性很差OH自由的5’-OH2’, 3’-环式单核苷酸碱由于2‘－OH导致的水解
b、磷酸呈四面体构型，脱氧核糖呈折叠的五元环，碱基是平面的
C、主链是亲水的，侧链（碱基）是疏水的主链的脱氧核糖的羟基能与水形成氢键，而磷酸基团在生理条件下离解为负离子这些特点保证了多核苷酸链可形成稳定的构象4、一级结构的概念指DNA分子中的核苷酸排列顺序不同生物借此贮存遗传信息决定DNA的二级结构和高级结构
第二节DNA的二级结构
一、DNA双螺旋模型的提出（doublehelixmodel）*依据a、1938.W.T.Astbury首次用X－射线分析DNAb、1950 Chargaff A + G / T + C = 1 A+T ≠ G + C c、1952AlexanderTodd发现了核苷酸和核苷酸之间由磷酸二酯键联接d、1952M.H.F.Wilkins&RosalindFranklin得到了高度定向的DNA纤维的X-射线照片发现原子长轴存在0.34和3.4nm两种周期性此外，之前的密度测定表明螺旋由两条多核苷酸链组成，且直径恒定（2nm)。
*提出1953.Watsosn&Crick右手B-DNA Double helix Model
每一单链具有5‘3’极性两条单链极性相反
PhosphodiesterBackbone
C-GT-A碱基互补
直径20Å*双螺旋模型参数
Pitch 34 ÅRise3.4 ÅWidth 20 ÅMajor GrooveMinor Groove10.4 bp/turn
Twist 36°
大、小沟的差异
二、影响双螺旋结构稳定性的因素l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)l磷酸酯键(phosphoester bond 80~90 kc / mol)l0.2 mol / L Na+生理盐条件强键, 需酶促解链*维持稳定性的因素
l碱基堆积力(非特异性结合力)
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. 即熵值(Entrophy)ΔS上升-----热力学上的稳定态成为碱基间的部分堆积力(磷酸骨架, 氨基, 酮基周围水分子间的有序排列)非极性分子间（嘌呤和嘧啶碱基）的相互成串结合熵值上升(ΔS going up)
l磷酸基团间的静电斥力λ碱基内能增加
戊糖的构象A DNAB DNA
1、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
C
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
上节课内容回顾:1、碱基、核苷、核苷酸的化学组成2、核酸的一级结构书写方向3、Watson＆Crick的DoubleHelixModel参数大小沟二级结构的多态性4、影响二级结构的作用力：稳定因素不稳定因素5、DNA序列的不寻常结构：反向重复序列
较短的回文序列可能是作为一种信号如
这些发现促进了三螺旋DNA的研究
PolyT/A TTTTTTTTTTTAAAAAAAAAA PolyT/ATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAAa、D.S. DNA + D.S.DNAT.S.DNA +S.S.DNA（3）组成形式
三链螺旋双链螺旋
分子组成
T. S. DNA 的连接键Watson bondingA ＝TG ≡ C(D. S. DNA)H+Hoogsteen 氢键G ＝C+(质子化)(第三链, pH 小于7)
三股螺旋DNA结构特点总结第三条单链DN
四股螺旋DNA
结构特点碱基之间靠Hoogsteen 键连接GGGG基本结构单元－－鸟嘌呤四联体
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
第四节DNA的物理、化学性质
一、DNA分子的变性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
熔液黏度降低沉降速度加大浮力密度上升
1.1851.01.37OD℃Tm = ℃ of Ct = C0/2= 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
1、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 ℃
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’
Purine-Pyrimidine Steps Have Extensive Base Stacking5’3’3’CATG5’5’ AC 3’3’ TG 5’
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
（3）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）盐浓度的影响思考题：室温下蒸馏水中的DNA会如何？
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
常用的变性方法热变性
S DNAS.S
影响DNA复性过程的因素
3’-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’
2、复性动力学的研究方法Hydroxyapatitecolumn羟基磷灰石柱Low C of PHigh C of Pabsorb D.S. DNArelease D.S. DNA
C0t曲线－－复性发生过程的讨论
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Ct/C0是C0t的函数按此公式作图得C0t曲线C0t(1/2)值对DNA具有特征性，其中与DNA的碱基对数目成反相关
在控制反应条件相同的前提下,两种DNA分子的C0t(1/2)值,取决于dNt的排列复杂性(复性动力学的复杂性,Kineticcomplexity,K.CX)AAAAAAAAK.C.=1C0t(1/2)=2×10-6ATCGATCGATCG K.C. = 4 K.C. = 5 ×105 C0t(1/2)= 1Ct/C00101C0t(1/2)C0t(1/2)Fraction reassociated
因此－－*C0t曲线提供了一种测定DNA分子量的方法*同时也能解释单一来源的DNA所具有的不同复杂性部分复杂性
P74图－16
上节课内容回顾:1、DNA的不寻常结构：三螺旋DNA四链DNA2、第四节DNA的物理化学性质变性：溶解曲线Tm影响因素（GC、化学试剂、盐、pH）复性C0t曲线C0t（1／2）
Ct/C00101C0t(1/2)C0t(1/2)Fraction reassociated纵坐标1－Ct／Co
杂交（hybridization）概念
杂交形式固相杂交（滤膜）液相杂交
富含A－T序列和DNA双螺旋结构的呼吸作
45A260小时24*甲醛只能和自由氨基
第五节超螺旋和拓扑异构
超螺旋
超螺旋结构的方向性B
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
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)？
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）
420bp* 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
＊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：
basebase3.4埃EB 7.0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
360o/helix 360o-26o/helix / 0ne of EB inserted负SuperhelixOC, L, DNA正SuperhelixEB对超螺旋结构的影响
三、拓扑异构酶λ拓扑异构体：只在连接数上有差别的同种DAN分子称为这种DNA的拓扑异构体λ拓扑异构酶（topoisomerase ）：催化DNA由一种拓扑异构体转变成另一种拓扑异构体的酶类拓扑异构酶的类别和特性被切割的DNA链1 1 2 2对ATP的需求否否是是依赖于DNA的ATP酶否否是是产生负超螺旋否否是否松弛负超螺旋是是否是松弛正超螺旋否是是是性质Ⅰ型Ⅱ型原核生物原核生物真核生物真核生物
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蛋白的复合体共价连接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
3、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
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复习题1
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