分子生物学遗传物质的分子结构和性质

分子生物学遗传物质的分子结构和性质第1页，共54页，2023年，2月20日，星期三第一节核酸的分子结构1869年J.T.Miescher发现核素（muclein）米歇尔在作博士论文时要确定淋巴细胞蛋白质的组成，不想却发现了一种既不溶解于水、醋酸，也不溶解于稀盐酸和食盐溶液的未知的新物质，最终证实这种物质存在于细胞核里，便将它定名为“核质”。后由瑞典著名生化学家阿尔特曼建议将“核质”定名为“核酸”。第2页，共54页，2023年，2月20日，星期三1885—1900年间，Kossel、Johnew、Levene证实核酸由不同的碱基组成。其最简单的单体结构是碱基-核糖-磷酸构成的核苷酸。1929年又确定了核酸有两种，一种是脱氧核糖核酸(DNA)，另一种是核糖核酸(RNA)。PhoebusLevene

第3页，共54页，2023年，2月20日，星期三第4页，共54页，2023年，2月20日，星期三这五种碱基的结构如图第5页，共54页，2023年，2月20日，星期三核酸分子中还发现数十种修饰碱基（themodifiedcomponent),又称稀有碱基，(unusualcomponent)。它是指上述五种碱基环上的某一位置被一些化学基团（如甲基化、甲硫基化等）修饰后的衍生物。DNA中的修饰碱基主要见于噬菌体DNA，RNA中以tRNA含修饰碱基最多。第6页，共54页，2023年，2月20日，星期三戊糖:RNA中的戊糖是D－核糖，DNA中的戊糖是D－2－脱氧核糖。D－核糖的Ｃ－2所连的羟基脱去氧就是D－2脱氧核糖。第7页，共54页，2023年，2月20日，星期三核苷（nucleoside)：由D－核糖或D－2脱氧核糖与嘌呤或嘧啶通过糖苷键连接组成的化合物。核酸中的主要核苷有八种。第8页，共54页，2023年，2月20日，星期三核苷酸(nucleotide)：核苷与磷酸残基构成的化合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分子的结构单元。核苷酸中戊糖上的所有游离羟基均可与磷酸形成酯键，但生物体内多数核苷酸的磷酸连接在核糖或脱氧核糖的C-5′上，形成5′-核苷酸。DNA分子中是含有A、G、C、T四种碱基的脱氧核苷酸；RNA分子中则是含A、G、C、U四种碱基的核苷酸。第9页，共54页，2023年，2月20日，星期三5’－磷酸腺苷的结构式第10页，共54页，2023年，2月20日，星期三含有1个磷酸基团的核苷酸称为核苷一磷酸（NMP），含有2个磷酸基团的核苷酸称为核苷二磷酸（NDP），有3个磷酸基团的核苷酸称为核苷三磷酸（NTP）。如AMP是腺苷一磷酸，GDP是鸟苷二磷酸，CTP是胞苷三磷酸。第11页，共54页，2023年，2月20日，星期三DNA的一级结构四种脱氧核苷酸按一定的排列顺序，以3′,5′-磷酸二酯键相连接，形成多聚脱氧核苷酸链，即DNA。DNA的一级结构是指DNA分子中核苷酸的排列顺序及其连接方式。DNA分子中脱氧核苷酸的连接有严格的方向性，前一个脱氧核苷酸的3′-羟基（-OH）下一个脱氧核苷酸的5′-磷酸形成3′，5′-磷酸二酯键，从而构成一个没有分支的线性大分子，其两个末端分别是5′-末端（游离磷酸基）和3′-末端（游离羟基）。

第12页，共54页，2023年，2月20日，星期三寡核苷酸（oligonucleotide)：这是与核酸有关的文献中经常出现的一个术语，一般是指二至十个核苷酸残基以磷酸二酯键连接而成的线性多核苷酸片段。但在使用这一术语时，对核苷酸残基的数目并无严格规定，在不少文献中，把含有三十甚至更多个核苷酸残基的多核苷酸分子也称作寡核苷酸。寡核苷酸目前已可由仪器自动合成，它可作为DNA合成的引物（primer)、基因探针（probe)等，第13页，共54页，2023年，2月20日，星期三第14页，共54页，2023年，2月20日，星期三核酸链的简写式字符式：用英文大写字母缩写符号代表碱基，用小写英文字母P代表磷酸残基。核酸分子中的糖基、糖苷键和酯键等均省略不写，将碱基和磷酸相间排列即可。简写式中出现Ｔ就视为DNA链，出现Ｕ则视为RNA链。以5＇和3＇表示链的末端及方向，分别置于简写式的左右二端。第15页，共54页，2023年，2月20日，星期三5＇pＡpＣpＴpＴpＧpＡpＡpＣpＧ3＇DNA

5＇pＡpＣpＵpＵpＧpＡpＡpＣpＧ3＇RNA此式可进一步简化为：5＇pＡＣＴＴＧＡＡＣＧ3＇

5＇pＡＣＵＵＧＡＡＣＧ3＇第16页，共54页，2023年，2月20日，星期三上述简写式的5´－末端均含有一个磷酸残基（与糖基的Ｃ－5´位上的羟基相连）,3´－末端含有一个自由羟基（与糖基的Ｃ－3´位相连）,若5´端不写Ｐ，则表示5´－末端为自由羟基。双链DNA分子的简写式多采用省略了磷酸残基的写法，在上述简式的基础上再增加一条互补链（complentarystrand)即可，链间的配对碱基用短纵线相连或省略。5＇ＧＧＡＡＴＣＴＣＡＴ3＇

3＇ＣＣＴＴＡＧＡＧＴＡ5＇第17页，共54页，2023年，2月20日，星期三

线条式：在字符书写基础上，以垂线（位于碱基之下）和斜线（位于垂线与Ｐ之间）分别表示糖基和磷酸酯键。斜线与垂线部的交点为糖基的Ｃ－3＇位，斜线与垂线下端的交点为糖基的Ｃ－5＇位。第18页，共54页，2023年，2月20日，星期三DNA的一级结构DNA的一级结构是指DNA分子中核苷酸的排列顺序，DNA顺序（或序列）是这一概念的简称。由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同，故可称为碱基顺序。DNA分子中不同排列顺序的DNA区段构成特定的功能单位，这就是基因，不同基因的功能各异，各自分布在DNA的一定区域。第19页，共54页，2023年，2月20日，星期三DNA的二级结构——双螺旋结构(1)主链(backbone)：由脱氧核糖和磷酸基通过酯键交替连接而成。主链有二条,它们似“麻花状绕一共同轴心以右手方向盘旋,相互平行而走向相反形成双螺旋构型。主链处于螺旋的外侧,这正好解释了由糖和磷酸构成的主链的亲水性。所谓双螺旋就是针对二条主链的形状而言的。第20页，共54页，2023年，2月20日，星期三(2)碱基对(basepair)：碱基位于螺旋的内则,它们以垂直于螺旋轴的取向通过糖苷键与主链糖基相连。同一平面的碱基在二条主链间形成碱基对。配对碱基总是A与T和G与C。碱基对以氢键维系，A与T间形成两个氢键。第21页，共54页，2023年，2月20日，星期三(3)大沟和小沟：

a核苷酸间磷酸二酯键的走向决定多核苷酸的方向，一条从5ˊ-3ˊ，一条从3ˊ-5ˊ。链间有螺旋型的凹槽，其中一条较浅叫小沟，一条较深，叫大沟，第22页，共54页，2023年，2月20日，星期三b大分子物质可到大沟中识别信息，主要是蛋白质结合的部位。c小沟可进入水分子，维持DNA结构的稳定性。(3)大沟和小沟：第23页，共54页，2023年，2月20日，星期三B型DNA仅仅是众多DNA双螺旋构象中的一种。在外界条件的改变下，双螺旋的构象也会改变。双螺旋结构的构象变异第24页，共54页，2023年，2月20日，星期三DNA的构象现已知有:A，B，C，D，E，L，P,S,Z9种。引起DNA双链构象改变有以下因素：（1）核苷酸顺序；（2）碱基组成；（3）盐的种类；（4）相对湿度。第25页，共54页，2023年，2月20日，星期三P-DNA第26页，共54页，2023年，2月20日，星期三DNA结构的多态性A-DNA和B-DNA结构的多态性

1.在溶液中，DNA为B型，当水合的B-DNA脱水，或由于加入乙醇或盐而使水的活度降低时，就转变为A型。

2.B-DNA中，2-脱氧核糖的构象出现了变化，使同股多核苷酸链中相邻磷酸基间的距离缩短0.1nm，使每匝螺旋的碱基对数由B-DNA的10（溶液中为10.5）转变为A-DNA的11。第27页，共54页，2023年，2月20日，星期三3.在B-DNA中，碱基对集中于螺旋轴，在A-DNA中，碱基对向大沟方向移动了0.5nm，从而改变了B-DNA的外形和沟的尺寸。由于大沟、小沟是DNA行使功能时蛋白质的结合位点，所以由B-DNA变为A-DNA后Pr对DNA分子的识别也发生了相应的变化。第28页，共54页，2023年，2月20日，星期三4.A-T丰富的DNA片断常呈B-DNA，若DNA双链中一条链被相应的RNA所替换，会变构成A-DNA。5.当DNA处于转录状态时，DNA模板链与由它转录所得的RNA链间形成的双链就是A-DNA，故DNA的构象对基因表达有重要意义。6.B-DNA双链都被RNA所取代而得到由两条RNA链组成的双螺旋结构也是A-DNA。第29页，共54页，2023年，2月20日，星期三Z-DNA的发现1972年,Pohl

etal发现poly(dG-dC)在高盐下旋光性发生改变；1979年,WangA.H-J(王惠君),A.Rich对d(CGCGCG)单晶作X衍射分析提出Z－DNA模型.第30页，共54页，2023年，2月20日，星期三左旋DNA（一）Z-DNA的结构特点：糖磷骨架呈“之”字形（Zigzag）走向。左旋。G残基位于分子表面。分子外形呈波形。大沟消失，小沟窄而深。每个螺旋有12bp。

Z-DNA B-DNA

第31页，共54页，2023年，2月20日，星期三Z－DNA存在的条件：高盐：NaCl>2Mol/L,MgCl2>0.7

Mol/LPu,Py相间排列：在活细胞中如果m5C,则无需嘌呤-嘧啶相间排列，在生理盐水的浓度下可产生Z型。在体内多胺化合物，如精胺和亚胺及亚精胺和阳离子一样，可和磷酸基因结合，使B-DNA转变成Z-DNA。某些蛋白质如Z-DNA结合蛋白带有正电荷，可使DNA周围形成局部的高盐浓度微环境。负超螺旋的存在第32页，共54页，2023年，2月20日，星期三生物学意义可能提供某些调节蛋白的识别。啮齿类动物病毒的复制起始部位有d（GC）有交替顺序的存在；在SV40的增强子中有三段8bp的Z-DNA存在。原生动物纤毛虫，它有大、小两个核，大核有转录活性，小核和繁殖有关。Z-DNA抗体以萤光标记后，显示仅和大核DNA结合，而不和小核的DNA结合，说明大核DNA有Z-DNA的存在，可能和转录有关。第33页，共54页，2023年，2月20日，星期三引自：.徐晋麟，徐沁，陈淳。（2005）现代遗传学原理（第二版）。科学出版社。

第34页，共54页，2023年，2月20日，星期三第35页，共54页，2023年，2月20日，星期三DNA的三级结构所谓DNA的三级结构，是指在一二结构基础上的多聚核苷酸链上的卷曲。在一定意义上，是指双螺旋基础上的卷曲三级结构包括链的扭结和超螺旋或者是单链形成的环或是环状DNA中的连环体第36页，共54页，2023年，2月20日，星期三超螺旋：由于组成DNA双螺旋的两条链没有按照理论数值互相盘绕，从而在分子内产生张力，原子位置发生重排，分子本身发生扭曲，这种空间结构叫超螺旋。可分为正超螺旋和负超螺旋，在特殊情况下可以相互转变。（在拓扑异构酶和溴乙锭的作用下）超螺旋是DNA三级结构的一种普遍形式，双螺旋DNA的松开导致形成负超螺旋，而拧紧则导致形成正超螺旋。超螺旋使DNA形成高度致密状态以容纳于有限的空间中，而且推动着结构的转化以满足功能上的需要。

（一）超螺旋（Supercoiling）第37页，共54页，2023年，2月20日，星期三

DNA的三级结构检测DNA三级结构的方法：密度梯度离心凝胶电泳电镜观察第38页，共54页，2023年，2月20日，星期三引自：.徐晋麟，徐沁，陈淳。（2005）现代遗传学原理（第二版）。科学出版社。

第39页，共54页，2023年，2月20日，星期三（二）三链和四链DNA这些DNA分子的结构单元分别是三碱基体和四碱基体；这些碱基体通过Watson-Crick氢键配对和Hoogsteen氢键配对相互作用而结合成共平面聚合体：Watson-Crick－Hoogsteen第40页，共54页，2023年，2月20日，星期三三链DNA基本结构：Py-Pu-Py构象(如T-A.T,C-G.C+)Pu-Pu-Py构象(如A.A-T,G.G-C)

第41页，共54页，2023年，2月20日，星期三H－DNA第42页，共54页，2023年，2月20日，星期三鸟嘌呤四聚体第43页，共54页，2023年，2月20日，星期三第二节核酸的变性和复性

一DNA的变性

DNA的变性是指在一系列物理化学因素的作用下，DNA的分子量不变，二级结构中的氢键遭到破坏，DNA的双螺旋结构部分解体，或维系DNA分子二级结构的氢键全部被破坏，双螺旋解旋分离成DNA单链的过程叫做DNA的变性（Denaturation）。第44页，共54页，2023年，2月20日，星期三下列因素可导致DNA变性：高温、酸、碱、尿素、甲酰胺：增加碱基在水中的溶解度，从而减弱碱基的疏水交互作用而造成。第45页，共54页，2023年，2月20日，星期三DNA变性后物理性质发生的变化：（1）流体力学的性质发生改变：粘度下降，而沉降速度增加；（2）提高了对紫外线的吸收能力，此称为增色效应（hyperchromiceffect）。双链DNA的A260=1.00（浓度为50μg/ml时，对波长260nm紫外线的吸收能力）；单链DNA的A260=1.37；游离碱基或核苷酸的A260=1.60。第46页，共54页，2023年，2月20日，星期三引自：.徐晋麟，徐沁，陈淳。（2005）现代遗传学原理（第二版）。科学出版社。

解链温度（meltingtemperature,Tm）或熔点，Tm是A260的升高达到极大值一半时的温度。即是变性温度范围的中点。第47页，共54页，2023年，2月20日，星期三影响Tm值的因素外部条件：如温度和正离子的浓度。浓度低于0.4mol/L，单价阳离子增高10倍，Tm增加16.6°内部条件：GC含量及分子类型:当GC的含量上升1%，则Tm上升0.4℃马默多蒂（Marmur-Doty）关系式：

Tm=69.3+0.41(G+C)%，或

GC%=（Tm-69.3）×2.44第48页，共54页，2023年，2月20日，星期三二DNA的复性热变性的DNA缓慢冷却，已分开的互补链按原有碱基排列顺序借助于氢键重新配对结合，致使DNA分子的许多天然性状得以恢复的特性，称为DNA的复性（Renaturation），也称退火(annealing)。DNA的复性对片段有两个要求：

(1)互补顺序的碰撞和排列；

(2)碱基的正确配对和氢键的形成。第49页，共54页，2023年，2月20日，星期三

影响复性反应的因素DNA片段的大小；DNA的浓