第一讲遗传物质与

遗传物质——

DNA与RNA当前第1页\共有88页\编于星期三\8点生物亲代与子代之间，在形态、结构和生理功能上常常相似，这就是遗传现象。生物的遗传特性，使生物界的物种能够保持相对稳定。

根据现代细胞学和遗传学的研究得知，控制生物性状的主要遗传物质是脱氧核糖核酸（DNA）。生物的各项生命活动都有它的物质基础。生物遗传的物质基础是什么呢？金丝猴的后代仍然是金丝猴牛的后代仍然是牛当前第2页\共有88页\编于星期三\8点（1）储存并表达遗传信息:（2）能够复制，把遗传信息传递给子代：(3)物理和化学稳定性：（4）有遗传变化的能力：遗传物质必须具备以下基本条件：当前第3页\共有88页\编于星期三\8点核酸（DNA、RNA）的

化学组成知识点1当前第4页\共有88页\编于星期三\8点嘧啶嘌呤1含氮碱基、核苷、核苷酸☉碱基HUracil(U)当前第5页\共有88页\编于星期三\8点DNA:D-2-脱氧核糖A,G,C,TRNA:D-2-核糖A,G,C,U2核酸的化学组成核酸的元素组成C、H、O、N、P（9-10%）核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基当前第6页\共有88页\编于星期三\8点当前第7页\共有88页\编于星期三\8点3DNA的一级结构：即是指四种核苷酸(dAMP、dCMP、dGMP、dTMP)按照一定的排列顺序，通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸也称为碱基顺序。当前第8页\共有88页\编于星期三\8点DNA一级结构的两种缩写方式：线条式：…pTpGpCpApT……pT-G-C-A-T…文字式：当前第9页\共有88页\编于星期三\8点1DNA双螺旋模型的提出2维持DNA双螺旋的力3双螺旋结构的基本形式4变性和复性知识点2当前第10页\共有88页\编于星期三\8点研究背景：1950年，大量不同来源DNA样品的分析发现了DNA组成的当量规律，即A＝T，G＝C，A＋G＝C＋T。不同生物种属的DNA碱基组成不同，同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。1DNA双螺旋模型的提出当前第11页\共有88页\编于星期三\8点理论化学家L.Pauling运用化学的简单定律来推理，研究了蛋白质-螺旋结构，此方法启发了Watson和Crick。M.Wilkins、R.Franklin等在DNA的X－射线晶体结构方面作出了重大的贡献。当前第12页\共有88页\编于星期三\8点R.Franklin的X-射线衍射图当前第13页\共有88页\编于星期三\8点1953年沃森和克里克提出DNA分子双螺旋结构模型。DNA双螺旋结构模型的提出：当前第14页\共有88页\编于星期三\8点Fig.

2-5WatsonandCrick’spaperinNature1953.当前第15页\共有88页\编于星期三\8点DNA双螺旋结构模型的要点：①脱氧核糖和磷酸通过3’,5’磷酸二酯键交互连接，成为螺旋链的骨架。两条链方向以反向平行的方式组成右手双螺旋。当前第16页\共有88页\编于星期三\8点当前第17页\共有88页\编于星期三\8点②碱基互补配对：只有A和T配对，G和C配对才能满足正常螺旋（直径20Å）的要求和chargaff的当量规律。当前第18页\共有88页\编于星期三\8点③螺旋参数螺旋直径２nm。螺旋每旋转一周10对碱基，每个碱基的旋转角度为36°。螺距3.4nm；碱基平面之间的距离为0.34nm。当前第19页\共有88页\编于星期三\8点④大沟小沟对于遗传上有重要功能的蛋白质识别DNA双螺旋结构上的特定信息是非常重要的。大沟(2.2nm)小沟(1.2nm)当前第20页\共有88页\编于星期三\8点2维持DNA双螺旋的力氢键GC之间有三条氢键，AT之间有两条氢键，这是DNA双螺旋结构的重要特征之一，DNA的许多物理性质如变性、复性以及Tm值等都与此有关。当前第21页\共有88页\编于星期三\8点碱基堆集力DNA同一条链相邻碱基之间的非特异性作用力，包括疏水作用力和范德华力。

疏水作用力：不溶于水或难溶于水的两个分子在水中具有相互联合，成串联地结合在一起的趋势。嘌呤和嘧啶有一定程度的疏水性，双螺旋结构内部形成一个强大的疏水区，使DNA相邻的碱基有相互堆集在一起的趋势，这是形成碱基堆集力的重要因素之一。当前第22页\共有88页\编于星期三\8点范德华力：存在于分子间的一种吸引力；

DNA双链中嘌呤环和嘧啶范环德华的半径是1.7Å左右

，其累积的范德华力是相当可观的，这样范德华力加强了疏水作用，这是形成碱基堆集力的另一个重要因素。当前第23页\共有88页\编于星期三\8点

氢键与碱基堆集力的协同作用已经堆基的碱基更容易发生氢键的键合，相应地已经被氢键定向的碱基更容易堆集。两种作用力相互协同，形成一种非常稳定的结构。如果一种作用力被消除，另一种作用力也大为减弱。当前第24页\共有88页\编于星期三\8点

磷酸基团间的静电斥力

带负电荷的磷酸基的静电斥力，所以DNA需要保存在含Na+

生理盐条件。

碱基分子内能

物体的内能是物体内全部分子的分子动能与分子势能之和。温度升高，碱基分子内能增加时，碱基的定向排列遭受破坏，消弱了碱基的氢键结合力和碱基的堆集力，会使DNA的双螺旋结构受到破坏。不稳定因素当前第25页\共有88页\编于星期三\8点3双螺旋结构的基本形式三种不同形式的DNA构象当前第26页\共有88页\编于星期三\8点A，B，Z型双螺旋的特性双螺旋类型直径(nm)螺距(nm)每轮碱基数碱基间距(nm)碱基倾角(°)螺旋扭角(°)存在的条件沟型相对湿度盐种类大沟小沟A2.32.8110.26133375%Na+、K+、Cs+窄，深宽，深B2.03.410.40.3403692%Na+低盐宽，中等深窄，中等深Z1.84.6120.389-3043%Na+、Mg2+高盐平浅窄，深当前第27页\共有88页\编于星期三\8点ABZ大沟宽小沟窄小沟窄大沟变深小沟宽深大沟不存在小沟窄而深当前第28页\共有88页\编于星期三\8点A构象:在相对湿度75％以下获得的DNA纤维具有不同与B-DNA的结构特点。DNA-RNA杂交分子和RNA-RNA双链结构均采取A构象。Z-DNA的形成是DNA单链上出现嘌呤和嘧啶交替排列所造成的，比如CGCGCGCG或CACACACACA。当前第29页\共有88页\编于星期三\8点Z-DNA有什么生物学意义呢?Z-DNA在热力学上是不利的。带负电荷的磷酸根距离太近，产生静电排斥。DNA链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点。DNA解链是DNA复制和转录等过程中必要的环节，因此Z-DNA的结构与基因调节有关。当前第30页\共有88页\编于星期三\8点B-DNA是活性最高的DNA构象，B-DNA变构成为A-DNA后，仍有活性，但若局部变构为Z-DNA后则活性明显降低。三种不同构象的DNA活性当前第31页\共有88页\编于星期三\8点变性和复性

变性

概念：在某些理化因素作用下，DNA分子互补碱基对之间的氢键断裂，DNA双螺旋结构松散，变成单链的过程。当前第32页\共有88页\编于星期三\8点常用的变性方法☆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

当前第33页\共有88页\编于星期三\8点核酸变性程度的鉴定——紫外测定法：原理：嘌呤碱、嘧啶碱存在共轭双键，碱基、核苷、核苷酸、核酸在240-290nm处有强烈的紫外吸收，最大吸收峰在260nm处。当前第34页\共有88页\编于星期三\8点紫外光吸收值：1双链DNAA260=1.002单链DNAA260=1.373自由碱基A260=1.60当前第35页\共有88页\编于星期三\8点1.1851.01.37OD℃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℃的原因熔链温度Tm当前第36页\共有88页\编于星期三\8点影响DNATm值大小的因素：DNA的均一性：G-C含量：

Tm值计算公式：Tm＝69.3+0.41(G+C)%GC%=（Tm-69.3）×2.44介质中的离子强度：DNA保存在高浓度的缓冲液中，如1mol/LNaCl中。当前第37页\共有88页\编于星期三\8点复性及杂交DNA复性变性DNA在适当条件下，分开的两条单链分子按照碱基互补原则重新恢复天然的双螺旋构象的现象，又称为退火。当前第38页\共有88页\编于星期三\8点DNA的复性的条件有两个：（1）有足够的盐浓度以消除磷酸基的静电斥力；（2）有足够高的温度以破坏无规则的链内氢键，但又不能太高，一般使用比Tm值低20－25℃。当前第39页\共有88页\编于星期三\8点复性的机制

一般认为需要10－20个碱基对，特别是富含GC的节段首先形成一个（或几个）双螺旋核心，这一步叫成核作用。然后两条单链的其余部分就会迅速形成双螺旋结构。绝大部分的复性DNA分子都不是原配的。当前第40页\共有88页\编于星期三\8点复性的影响因子：温度和时间：低于Tm值25℃左右(60-65℃)

DNA浓度：

DNA片段的大小：DNA顺序的复杂性；反应溶液中的离子强度。当前第41页\共有88页\编于星期三\8点多聚酶链式反应（PCR）是一种DNA体外扩增技术，其基本原理类似于DNA的天然复制过程。在待扩增的DNA片段两侧和与其两侧互补的两个寡核苷酸引物，经变性、退火和延伸若干个循环后，DNA扩增2n倍。当前第42页\共有88页\编于星期三\8点当前第43页\共有88页\编于星期三\8点杂交杂交：亲缘关系很近的不同来源的DNA单链或RNA单链与DNA单链之间通过碱基互补形成杂交分子的过程。当前第44页\共有88页\编于星期三\8点图核酸杂交及其应用示意图1粗细线分别代表不同DNA。杂化双链B代表天然DNA；C是B的缺失突变体；虚线框内是已缺失的部分,D显示从天然DNA链鼓出小泡.Ⅱ.突变体的鉴别I变性、复性和杂交当前第45页\共有88页\编于星期三\8点Ⅲ.分子探针标记核酸分子探针：用同位素、生物素或荧光染料标记一小段已知核苷酸序列作为探针，探针的序列如果与DNA或RNA序列互补，就可以探知核酸分子。粗线表示分子探针图核酸杂交及其应用示意图2当前第46页\共有88页\编于星期三\8点杂交分类：1）液相杂交：不同来源的DNA在溶液中进行杂交。2)滤膜杂交：将DNA或RNA吸附到硝酸纤维素膜上再进行杂交。Southern杂交：用于鉴别DNA的杂交Northern杂交：用于鉴别RNA的杂交当前第47页\共有88页\编于星期三\8点Southern印迹法：DNA限制片段限制性内切酶带有DNA片段的凝胶琼脂糖凝胶电泳碱液浸泡，并中和凝胶上DNA变性变性的单链DNA转移至硝酸纤维素薄膜上放射性标记探针杂交杂交DNA-DNA分子放射自显影显示出杂交分子的位置当前第48页\共有88页\编于星期三\8点当前第49页\共有88页\编于星期三\8点当前第50页\共有88页\编于星期三\8点1、二级结构的其他形式2、真核生物染色体端粒DNA结构3、DNA的超螺旋结构(三级结构)知识点3当前第51页\共有88页\编于星期三\8点二级结构的其他形式1单链核酸形成的二级结构2反向重复与二级结构3三螺旋DNA4DNA的四链结构当前第52页\共有88页\编于星期三\8点1单链核酸形成的二级结构单链核酸的某段碱基可以与另一独立的单链分子的碱基配对，形成双螺旋，可以是DNA-DNA、RNA-RNA，也有DNA-RNA—分子杂交。当前第53页\共有88页\编于星期三\8点发夹结构：同一个单链RNA/DNA的一段碱基序列附近存在着和它互补的碱基序列时，这个单链自身回折产生一个反平行的双螺旋结构。当前第54页\共有88页\编于星期三\8点单链RNA形成发夹结构发夹结构由碱基配对的双螺旋区—茎和末端不配对的环构成。当前第55页\共有88页\编于星期三\8点互补序列间间隔较短或无间隔互补序列间间隔较长当前第56页\共有88页\编于星期三\8点当前第57页\共有88页\编于星期三\8点当前第58页\共有88页\编于星期三\8点2反向重复与二级结构

反向重复

：双链DNA中的一段序列按确定的方向，读双链中的每条链的序列都相同，反向重复中的序列又称回文序列。当前第59页\共有88页\编于星期三\8点单链形成发夹结构当前第60页\共有88页\编于星期三\8点形成十字结构要更耗能，所以在体外反向重复结构存在多，而体内无该结构。反向重复与十字结构当前第61页\共有88页\编于星期三\8点作用：1）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’当前第62页\共有88页\编于星期三\8点2）转录作用的终止与回文结构也有关系。

当前第63页\共有88页\编于星期三\8点

1953年Watson&Crick双螺旋DNA构型证明沿大沟存在多余的氢键作为给体与受体潜在的专一与DNA(蛋白质)

结合的能力形成三链DNA可能性3三螺旋DNA当前第64页\共有88页\编于星期三\8点1957年Felsenfield发现：当双螺旋DNA中的一条链为全嘌呤链，另外一条链为全嘧啶链时，会出现核酸三链结构。poly(U)+poly(U)+poly(A)三螺旋RNA

双螺旋DNA的概念当前第65页\共有88页\编于星期三\8点三链DNA是由三条核苷酸链按一定的规律绕成的螺旋状结构。结构单元：三碱基体，结合方式：碱基间形成氢键；三螺旋双螺旋当前第66页\共有88页\编于星期三\8点基本类型：嘧啶-嘌呤-嘧啶型（YR*Y）：第三条嘧啶链以平行于双螺旋中嘌呤链的方向，缠绕到双螺旋的大沟上，与嘌呤链结合。如TA*T和CG*C；其中C必须质子化才能稳定三螺旋的结构，其碱基氢键构造是霍氏（K.Hoogsteen）首先提出，称为Hoogsteen霍氏氢键。嘌呤-嘌呤-嘧啶（YR*R）：第三条嘌呤链反平行于双螺旋嘌呤链的方向缠绕到双螺旋的大沟上，与嘌呤链结合；如CG*G、TA*A、TA*T、CG*A四种。当前第67页\共有88页\编于星期三\8点三链DNA可能的功能

可阻止调节蛋白与DNA结合,关闭基因转录过程

b)与基因重组,交换有关

加入第三条DNA作为分子剪刀,定点切割DNA分子

d)加入反义的第三条链终止基因的表达

当前第68页\共有88页\编于星期三\8点4DNA的四链结构

当前第69页\共有88页\编于星期三\8点DNA3’-末端较长的富含G序列能够形成回折结构（下图a和b），通过碱基间的非标准配对形成G的四链DNA（下图c和d）。在这样的结构中，G形成一种四联体，相互间通过霍氏氢键方式结合。GGGG当前第70页\共有88页\编于星期三\8点在G-四链体结构中：G-四联体以螺旋方式堆积而成，四个鸟嘌呤构成G-四方体平面，其中每个鸟嘌呤都作为碱基对氢键的供体和受体。结构单元：鸟嘌呤四联体GGGG当前第71页\共有88页\编于星期三\8点类型:当前第72页\共有88页\编于星期三\8点5‘3‘TTTGGGGGGGGGGGGGGGGGGTTTTTTGGGGTTTGGGGTTTGGGGTTT真核生物染色体端粒DNA结构当前第73页\共有88页\编于星期三\8点可能的功能

A稳定真核生物染色体结构，抑制端粒酶的活性；B保证DNA末端准确复制

C与DNA分子的组装有关

D与染色体的减数分裂和有丝分裂有关当前第74页\共有88页\编于星期三\8点DNA的超螺旋结构(三级结构)当前第75页\共有88页\编于星期三\8点1超螺旋绝大多数原核生物及病毒的完整DNA分子都是共价封闭环分子。这种双螺旋环状分子再度螺旋化成为超螺旋，真核生物线状DNA与蛋白质结合以环状的形成存在。当前第76页\共有88页\编于星期三\8点因此超螺旋结构是DNA三级结构的主要形式。超螺旋是有方向的，有正超螺旋和负超螺旋两种。真核生物染色体线形分子DNA组蛋白多级螺旋多个类似环型的结构当前第77页\共有88页\编于星期三\8点超螺旋的成因共价封闭环状DNA或者与蛋白质结合的DNA中，双链不能自由转动，额外的张力不能释放，导致DNA扭曲来缓解张力，最终形成超螺旋。当前第78页\共有88页\编于星期三\8点

超螺旋结构的方向性DNA分子无论是闭合还是开放结构，只要缺乏超螺旋结构，称为松旋结构。负超螺旋：形成超