分子生物学第二章 遗传的物质基础课件

分子生物学第二章第二章遗传的物质基础分子生物学第二章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分子生物学第二章第一节遗传物质的本质第二节核酸的化学组成第三节DNA的二级结构第四节二级结构的其他形式第五节DNA的超螺旋结构分子生物学第二章第一节遗传物质的本质DNA是遗传物质RNA也可以作为遗传物质核酸之外的其他遗传物质？分子生物学第二章1.1核素的发现1.2肺炎双球菌转化实验1.3大肠杆菌噬菌体捣碎实验1.4化学实验1.5遗传物质必须具备以下基本条件1DNA是遗传物质分子生物学第二章1DNA是遗传物质1.1核素的发现

1868年，瑞士F.Miescher从绷带上的白细胞核中分离出一种含磷的酸性物质，命名为核素（nuclein）。核素的主要成分是染色质，是DNA和蛋白质的混合物。这是首次对基因的化学本质进行探索。核酸(nucleicacids)这一名词于20年后才被正式启用。分子生物学第二章19世纪末期，DNA和RNA已经从细胞中分离出来，为进一步的化学分析奠定了基础。20世纪30年代，P.Levene和W.Jacobs等搞清了DNA和RNA的基本化学组成。还注意到了DNA和RNA所含核糖的差异。分子生物学第二章1.2肺炎双球菌转化实验（transformation）肺炎双球菌有两种类型光滑型（S型）粗糙型（R型）分子生物学第二章

1）1928年，英国F.Griffth2)1944年，O.Avery分子生物学第二章图

Griffth的肺炎双球菌的转化实验分子生物学第二章分子生物学第二章1.3大肠杆菌噬菌体捣碎实验分子生物学第二章噬菌体侵染细菌的过程：吸附

侵入

合成

组装

释放最后，这些噬菌体由于细菌的解体而被释放出来，再去侵染其他的细菌。分子生物学第二章

大肠杆菌噬菌体捣碎实验1952年Herchey和Chase。用32P和35S分别标记噬菌体的DNA和蛋白质，发现只有DNA进入宿主细菌内，而蛋白质则没有。分子生物学第二章分子生物学第二章1.4化学实验1950年以后，Chargaff、Markham等。不同生物的碱基组成不同，具有严格的种的特异性。单体在不同生物中都是相同的。ATGC等量四种碱基的分子浓度可变。分子生物学第二章1.5DNA是遗传物质的间接证据

（1）一种生物不同组织的细胞，不论年龄大小，功能如何，它的DNA含量是恒定的，而生殖细胞精子的DNA含量则刚好是体细胞的一半。多倍体生物细胞的DNA含量是按其染色体倍数性的增加而递增的，但细胞核里的蛋白质并没有相似的分布规律。分子生物学第二章（2）DNA在代谢上较稳定。（3）DNA是所有生物的染色体所共有的，而某些生物的染色体上则没有蛋白质。（4）DNA通常只存在于细胞核染色体上，但某些能自体复制的细胞器，如线粒体、叶绿体有其自己的DNA。（5）在各类生物中能引起DNA结构改变的化学物质都可引起基因突变。分子生物学第二章（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：1.6遗传物质必须具备以下基本条件：分子生物学第二章第一节遗传物质的本质DNA是遗传物质RNA也可以作为遗传物质核酸之外的其他遗传物质？分子生物学第二章2RNA也可以作为遗传物质2.1RNA病毒:一些病毒也采用另一种核酸－RNA作为遗传物质，如逆转录病毒。烟草花叶病毒（tobaccomosaicvirus,TMV）

分子生物学第二章遗传物质是RNA的实验证据分子生物学第二章2.2类病毒（viroid）类病毒：不具蛋白质衣壳，仅有RNA组成的新病毒。

1922年美国马铃薯纺锤形块茎病毒（Potatospindletubeviroid，PSTV）。特点：单股闭合环状的RNA分子，分子量约105Da。能耐受紫外线和作用于蛋白质的各种理化因素，在90℃下仍能存活。分子生物学第二章类病毒复制如何进行？由宿主细胞的酶来完成，其RNA作为复制模板。类病毒现在仅在高等植物中发现，一般通过接触，擦伤，节肢动物和菟丝子传播。分子生物学第二章第一节遗传物质的本质DNA是遗传物质RNA也可以作为遗传物质核酸之外的其他遗传物质？分子生物学第二章3非核酸的其他遗传物质朊病毒Prion

：又称蛋白质侵染因子。朊病毒是一类能侵染动物并在宿主细胞内复制的小分子的无免疫性疏水蛋白质。分子生物学第二章羊瘙痒病1982年，美国斯坦利·普鲁辛纳S.B.Prusiner发现羊瘙痒病是蛋白质侵染引起的疾病，并称为“Prion”即朊病毒。马鹿和鹿的慢性消瘦病、猫的海绵状脑病。1996年春天“疯牛病”：牛海绵状脑炎人慢性退化性紊乱疾病：老年痴呆、帕金森氏病、糖尿病等。朊病毒引起的风波分子生物学第二章朊病毒特点：仅有蛋白质组成，分子量29kDa，具有蛋白质性质：能被蛋白酶灭活，不被核酸酶和辐射灭活，对许多理化因子有很强的抵抗力。分子生物学第二章1997年Prusiner对朊病毒蛋白的感染机制进行了探讨。朊病毒蛋白（PrP）以两种形式存在：正常的脑组织中发现的PrPC不具有感染性，对蛋白酶敏感，可以被完全降解；致病组织中的PrPSC具有感染性，具有抗蛋白酶的性能。分子生物学第二章PrPC和PrPSC的一级结构完全相同，但二级结构差异很大：PrPC：α螺旋的含量约为40％，几乎没有β片层结构；PrPSC：含有高达50％的β片层结构，只有20％的α螺旋。分子生物学第二章致病

正常朊蛋白构型发生异常改变后导致疯牛病，无需DNA或RNA的参与，致病因子朊蛋白就可以传染复制。所谓朊病毒的繁殖就是正常的PrPC蛋白质转变为PrPSC的过程，而且朊病毒感染后也具有指数增长的特性。分子生物学第二章1）合成朊病毒所需的信息可能存在于寄主细胞中朊病毒的作用，仅在于激活在寄主细胞中为朊病毒的编码的基因，使得朊病毒得以复制繁殖。2）朊病毒的蛋白质能为自己编码遗传信息发生逆转译产生为朊病毒编码的RNA或DNA，必须存在逆转译酶，甚至还要有逆转录酶。蛋白质指导下的蛋白质合成，即蛋白质本身可作为遗传信息。朊病毒的复制机理：分子生物学第二章第一节遗传物质的本质第二节核酸的化学组成第三节DNA的二级结构第四节二级结构的其他形式第五节DNA的超螺旋结构分子生物学第二章第二节核酸的化学组成分子生物学第二章嘧啶Pyrimidines嘌呤Purines1含氮碱基、核苷、核苷酸☉碱基NitrogenousbasesHUracil(U)分子生物学第二章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

戊糖碱基分子生物学第二章分子生物学第二章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。分子生物学第二章DNA一级结构的两种缩写方式：

线条式：

…pTpGpCpApT…

…pT-G-C-A-T…

文字式：分子生物学第二章第一节遗传物质的本质第二节核酸的化学组成第三节DNA的二级结构第四节二级结构的其他形式第五节DNA的超螺旋结构分子生物学第二章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变性和复性第三节DNA的二级结构分子生物学第二章1.1研究背景：1950年，Chargaff从大量的不同来源的DNA样品的分析中发现了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双螺旋模型的提出分子生物学第二章理论化学家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。分子生物学第二章R.Franklin的X-射线衍射图分子生物学第二章1953年沃森和克里克提出DNA分子双螺旋结构模型。1.2DNA双螺旋结构模型的提出：分子生物学第二章Fig.

2-5WatsonandCrick’spaperinNature1953.分子生物学第二章1.3DNA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。分子生物学第二章分子生物学第二章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。分子生物学第二章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。分子生物学第二章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)分子生物学第二章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变性和复性第三节DNA的二级结构分子生物学第二章2维持DNA双螺旋的力2.1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。分子生物学第二章2.2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。分子生物学第二章范德华力：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。分子生物学第二章

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。分子生物学第二章

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。2.3不稳定因素分子生物学第二章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变性和复性第三节DNA的二级结构分子生物学第二章3双螺旋结构的基本形式

三种不同形式的DNA构象分子生物学第二章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，深分子生物学第二章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分子生物学第二章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。分子生物学第二章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。分子生物学第二章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活性分子生物学第二章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变性和复性第三节DNA的二级结构分子生物学第二章4变性和复性

4.1变性(denaturation)

4.1.1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。分子生物学第二章4.1.2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

分子生物学第二章4.1.3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。分子生物学第二章紫外光吸收值：

1双链DNAA260=1.002单链DNAA260=1.373自由碱基A260=1.60分子生物学第二章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4.1.4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分子生物学第二章4.1.5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。分子生物学第二章4.2复性及杂交

4.2.1DNA复性(renaturation)

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（annealing）。分子生物学第二章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℃

。分子生物学第二章复性的机制

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。分子生物学第二章4.2.2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。分子生物学第二章多聚酶链式反应（polymerasechainreaction,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。分子生物学第二章分子生物学第二章4.3杂交（hybridization）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。分子生物学第二章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、复性和杂交分子生物学第二章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分子生物学第二章杂交分类：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的杂交分子生物学第二章Southern印迹法（Southernblotting）：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分子生物学第二章分子生物学第二章分子生物学第二章遗传的物质基础的证明实验DNA双螺旋结构模型的基本参数维持DNA双螺旋结构的力DNA变性、DNA复性、杂交回顾分子生物学第二章第一节遗传物质的本质第二节核酸的化学组成第三节DNA的二级结构第四节二级结构的其他形式第五节DNA的超螺旋结构分子生物学第二章第四节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的四链结构分子生物学第二章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。分子生物学第二章发夹结构（hairpinstructure）：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。分子生物学第二章单链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。分子生物学第二章互补序列间间隔较短或无间隔互补序列间间隔较长分子生物学第二章分子生物学第二章分子生物学第二章2反向重复与二级结构

反向重复（invertedrepeatitiveIR）

：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。分子生物学第二章单链形成发夹结构分子生物学第二章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分子生物学第二章

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’分子生物学第二章2）转录作用的终止与回文结构也有关系。

分子生物学第二章第四节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的四链结构分子生物学第二章

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（triplehelixDNA）分子生物学第二章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的概念分子生物学第二章三链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；三螺旋双螺旋分子生物学第二章基本类型：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。分子生物学第二章三链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

分子生物学第二章4DNA的四链结构(TetrableHelixDNA)

分子生物学第二章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分子生物学第二章在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分子生物学第二章类型:分子生物学第二章5‘3‘TTTGGGGGGGGGGGGGGGGGGTTTTTTGGGGTTTGGGGTTTGGGGTTT真核生物染色体端粒DNA结构分子生物学第二章可能的功能

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分子生物学第二章第一节遗传物质的本质第二节核酸的化学组成第三节DNA的二级结构第四节二级结构的其他形式第五节DNA的超螺旋结构分子生物学第二章第五节DNA的超螺旋结构(三级结构)分子生物学第二章1超螺旋（superhelixORsupercoil）绝大多数原核生物及病毒的完整DNA分子都是共价封闭环(covalentlyclosedcircle,CCC)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。分子生物学第二章因此超螺旋结构是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分子生物学第二章1.1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。分子生物学第二章

1.2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：形成超螺旋时，旋转方向与DNA双螺旋方向相反，使得DNA分子内张力减少，使得解旋。正超螺旋:刚好相反，形成超螺旋的旋转方向与DNA螺旋方向相同，加大了DNA分子内