遗传物质的分子结构性质和功能讲稿.ppt

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1、关于遗传物质的分子结构性质和功能第一页，讲稿共六十一页哦什么是分子生物学？什么是分子生物学？v1938年洛克菲勒基金会主席年洛克菲勒基金会主席Warren Weaver在年终报告里提出在年终报告里提出“渐渐地又产生了一门科渐渐地又产生了一门科学学分子生物学，这是揭开许多生命细胞基分子生物学，这是揭开许多生命细胞基本单元奥秘的开端本单元奥秘的开端”v基金会对有关蛋白质基金会对有关蛋白质X晶体衍射提供了资助晶体衍射提供了资助v1938年，年，Astburu,W.T.和和Bell,F.D.首次发表首次发表脱氧核糖核酸的脱氧核糖核酸的X光衍射研究。光衍射研究。第二页，讲稿共六十一页哦v分子生物学（分子

2、生物学（molecular biology）是在分）是在分子水平研究生命现象的科学，是现代生命子水平研究生命现象的科学，是现代生命科学的科学的“共同语言共同语言”，它的核心内容是通，它的核心内容是通过对生物的物质基础过对生物的物质基础核酸、蛋白质、多核酸、蛋白质、多糖等糖等生物大分子结构、功能及其相互作用生物大分子结构、功能及其相互作用的研究的研究来阐明生命的分子基础。来阐明生命的分子基础。v狭义的分子生物学侧重于核酸的分子生物狭义的分子生物学侧重于核酸的分子生物学，基因的复制、转录、表达和调控等。学，基因的复制、转录、表达和调控等。第三页，讲稿共六十一页哦第四页，讲稿共六十一页哦第五页，讲稿

3、共六十一页哦第六页，讲稿共六十一页哦请回答以下几个问题请回答以下几个问题?v遗传物质是遗传物质是DNA、RAN、还是、还是pr？v描述描述DNA的一级结构、二级结构？的一级结构、二级结构？v列举你所知道的列举你所知道的RAN种类和主要功能？种类和主要功能？v复习一下证实遗传物质的本质是核酸的三个复习一下证实遗传物质的本质是核酸的三个经典实验？经典实验？第七页，讲稿共六十一页哦v双螺旋结构的多态性与双螺旋结构的多态性与Z-DNAvDNA的三级结构与三链的三级结构与三链DNAvsnmRNAs与核酶与核酶v核酸的变性、复性和杂交核酸的变性、复性和杂交vRNAi第八页，讲稿共六十一页哦一、核酸的化学组

4、成一、核酸的化学组成核核酸的元素组成酸的元素组成 基本元素：基本元素：C H O N P核酸的元素组成有两个特点：核酸的元素组成有两个特点：1.一般不含一般不含S 2.P含量较多，并且恒定（含量较多，并且恒定（9%-10%）。）。因此，实验室中用因此，实验室中用定磷法定磷法进行核酸的定量分析。进行核酸的定量分析。（DNA9.9%、RNA9.5%）第九页，讲稿共六十一页哦二、二、DNA一级结构一级结构v 四种脱氧单核苷酸（四种脱氧单核苷酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）是）是DNA的基本组成单位，它们按照一定的基本组成单位，它们按照一定的方式、数量和排列顺序而形成的多核苷酸链的方式、数

5、量和排列顺序而形成的多核苷酸链即为即为DNA的一级结构。的一级结构。v书写：按书写：按53方向书写。方向书写。如：如：5pACGT3或或pACGT、dACGT或或5dACGT3、ACGT表示脱氧多核苷酸的结构。表示脱氧多核苷酸的结构。vDAN的一级结构决定种属差异的一级结构决定种属差异第十页，讲稿共六十一页哦三、三、DNA的二级结构的二级结构 1953年年Watson和和Crick在在Chargaff规规则则和和DNA X-射射线线衍衍射射结结果果的的基基础础上上提提出出了了著著名名的的DNA双双螺螺旋旋（double helix）结结构构模模型型，即即B-DNA模模型型（图（图2-3）。模型

6、的结构特征如下：）。模型的结构特征如下：（1）两两条条反反向向平平行行的的多多核核苷苷酸酸链链围围绕绕同同一一中中心心轴轴盘盘绕绕成成右手右手双螺旋。双螺旋。（2）核核糖糖与与磷磷酸酸在在外外侧侧形形成成螺螺旋旋的的轨轨迹迹，彼彼此此通通过过3,5-磷酸二酯键相连。磷酸二酯键相连。（3）碱基伸向内部，其平面与螺旋轴垂直。）碱基伸向内部，其平面与螺旋轴垂直。第十一页，讲稿共六十一页哦（4 4）两条核酸链依靠彼此碱基）两条核酸链依靠彼此碱基之间形成的氢键相连系而结合在之间形成的氢键相连系而结合在一起，且总是一起，且总是A A与与T T，G G与与C C配对。配对。（5 5）双螺旋的平均直径为）双螺

7、旋的平均直径为2 nm 2 nm，每个螺旋圈上升，每个螺旋圈上升1010对核苷酸，对核苷酸，螺距为螺距为3.4 nm3.4 nm。（6 6）沿螺旋中心轴方向看去，）沿螺旋中心轴方向看去，双螺旋结构上有两个凹槽，一个双螺旋结构上有两个凹槽，一个较宽深，称大沟（较宽深，称大沟（major major groovegroove），另一个较浅小，称），另一个较浅小，称小沟（小沟（minor grooveminor groove）。）。第十二页，讲稿共六十一页哦DNA双螺旋结构的双螺旋结构的多态性多态性A-DNA：右手螺旋，：右手螺旋，在高盐浓度下存在，是在高盐浓度下存在，是DNA的脱水构型，螺圈含有的

8、脱水构型，螺圈含有11bp。ADNA比较短和比较短和密，大沟深而窄，小沟宽而浅。密，大沟深而窄，小沟宽而浅。DNARNA、RNARNA双螺旋。双螺旋。除除B-DNA外，人们还发现了其它的结构参数外，人们还发现了其它的结构参数有一定差异的双螺旋有一定差异的双螺旋DNA，如，如A-DNA,Z-DNA等。这一现象称为等。这一现象称为DNA结构的多态性结构的多态性（polymorphism）。）。第十三页，讲稿共六十一页哦B-DNA：Watson-Crick模型，右手螺旋模型，右手螺旋,生理生理条件下条件下DNA最稳定最稳定的结构形式的结构形式Z-DNA：左手左手螺旋，每个螺圈含有螺旋，每个螺圈含有1

9、2个碱基对。个碱基对。并只有一个深沟。可能在基因表达的调控中起并只有一个深沟。可能在基因表达的调控中起作用作用第十四页，讲稿共六十一页哦活性：活性：B-DNA A-DNA Z-DNA第十五页，讲稿共六十一页哦计算机模拟计算机模拟DNA双螺双螺旋结构（旋结构（蓝色蓝色）大沟中结合着肽（大沟中结合着肽（红色红色）双螺旋中的大沟对双螺旋中的大沟对于于DNA和蛋白质结合和蛋白质结合时的相互识别很重要时的相互识别很重要，在沟内可以辨认碱基，在沟内可以辨认碱基的顺序。的顺序。第十六页，讲稿共六十一页哦双螺旋结构的构象变异双螺旋结构的构象变异v引起引起DNA双螺旋构象改变的因素有双螺旋构象改变的因素有:1.

10、核苷酸顺序核苷酸顺序2.碱基组成碱基组成3.盐的种类盐的种类4.相对湿度相对湿度第十七页，讲稿共六十一页哦Z-DNA的发现的发现v1972年，年，Pohl et al 发现发现poly(dG-dC)在高盐在高盐下旋光性发生改变；下旋光性发生改变；v1979年，年，Wang A.H-J(王惠君王惠君)，A.Rich对对d(CGCGCG)单晶作单晶作X衍射分析提出衍射分析提出Z-DNA模型。模型。第十八页，讲稿共六十一页哦Z-DNA的结构特点的结构特点1.核糖磷酸骨架呈核糖磷酸骨架呈“之之”字形（字形（Zigzag）走）走向。向。2.左旋左旋3.G的糖苷健呈顺式（的糖苷健呈顺式（Syn），使），使

11、G残基位于残基位于分子表面。分子表面。4.分子外形呈波形。分子外形呈波形。5.大沟消失，小沟窄而深。大沟消失，小沟窄而深。6.每个螺旋有每个螺旋有12 bp。第十九页，讲稿共六十一页哦Z-DNA存在的条件存在的条件1.高盐：高盐：NaCl2mol/L,MgCl20.7mol/L2.Pu,Py相间排列。相间排列。3.在活细胞中如果在活细胞中如果m5C,则无需嘌呤则无需嘌呤-嘧啶相间排列，在生嘧啶相间排列，在生理盐水浓度下即可产生理盐水浓度下即可产生Z型。型。4.体内的多胺化合物，如精胺、亚胺及亚精胺和阳离体内的多胺化合物，如精胺、亚胺及亚精胺和阳离子一样，可和磷酸基团结合，使子一样，可和磷酸基团

12、结合，使B-DNA转变为转变为Z-DNA.5.某些蛋白质如某些蛋白质如Z-DNA结合蛋白带有正电荷，可使结合蛋白带有正电荷，可使DNA周围形成局部高盐浓度的微环境。周围形成局部高盐浓度的微环境。第二十页，讲稿共六十一页哦Z-DNA的生物学意义的生物学意义第二十一页，讲稿共六十一页哦第二十二页，讲稿共六十一页哦双螺旋结构的稳定因素双螺旋结构的稳定因素vDNADNA双螺旋在生理状态下十分稳定，结构不发生双螺旋在生理状态下十分稳定，结构不发生变化。变化。v稳定稳定DNADNA双螺旋结构的主要作用力双螺旋结构的主要作用力1 1、碱基堆积力碱基堆积力（主要因素）（主要因素）是双螺旋中垂直方向的作用力是双

13、螺旋中垂直方向的作用力 2 2、氢键氢键 为双螺旋中水平方向的作用力3 3、离子键离子键 磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子或阳离子化合物之间所形成的盐键。第二十三页，讲稿共六十一页哦四、四、DNA的三级结构的三级结构-DNA的拓扑结构的拓扑结构双螺旋双螺旋进一步扭曲进一步扭曲（一）（一）DNA的超螺旋结构的超螺旋结构超螺旋结构仅在闭合超螺旋结构仅在闭合DNA中产生，环状或线状中产生，环状或线状正超螺旋正超螺旋-反向扭转反向扭转每圈双螺旋碱基数小于每圈双螺旋碱基数小于10.5(紧缠紧缠)。负超螺旋负超螺旋-同向扭转同向扭转每圈双螺旋碱基数大于每圈双螺旋碱基数大于10.5(松缠松缠)。第二十四页

14、，讲稿共六十一页哦线状线状DNA形成的超螺旋形成的超螺旋第二十五页，讲稿共六十一页哦环状环状DNA形成的超螺旋形成的超螺旋第二十六页，讲稿共六十一页哦意义意义:DNA复制、转录的启动具有重要的调控作用。复制、转录的启动具有重要的调控作用。第二十七页，讲稿共六十一页哦vDNA拓扑异构酶拓扑异构酶解解链链过过程程中中正正超超螺螺旋旋的的形形成成第二十八页，讲稿共六十一页哦v拓扑异构酶作用特点拓扑异构酶作用特点 既能切断、又能连接既能切断、又能连接磷酸二酯键磷酸二酯键 v分类：拓扑异构酶分类：拓扑异构酶;拓扑异构酶拓扑异构酶 v作用机制：作用机制：切断切断DNA双链中双链中一股一股链，使另一条链通链

15、，使另一条链通过切口；适当时候封闭切口，过切口；适当时候封闭切口，DNA变为变为松弛状态松弛状态。反应反应不需不需ATP。切断切断DNA分子分子两股两股链，断端通过切口链，断端通过切口旋转。旋转。利用利用ATP供能供能，连接断端，连接断端，DNA 分子进分子进入入负超螺旋状态负超螺旋状态。拓扑异拓扑异构酶构酶拓扑异拓扑异 构酶构酶第二十九页，讲稿共六十一页哦回文结构回文结构DNA序列中序列中以某一中心区域为对称轴，以某一中心区域为对称轴，其两侧的碱基对顺序正读其两侧的碱基对顺序正读和反读都相同的双螺旋结和反读都相同的双螺旋结构。即对称轴一侧的片段构。即对称轴一侧的片段旋转旋转180后，与另一侧

16、片后，与另一侧片段对称重复。段对称重复。回文结构能形成回文结构能形成十字结构十字结构和发夹结构和发夹结构五、回文结构与三股螺旋（五、回文结构与三股螺旋（H-DNA）第三十页，讲稿共六十一页哦AATTCAAGGGAGAAG TATA GAAGAGGGAAGGAT TTAAGTTCCCTCTTC ATAT CTTCTCCCTTCCTAG*镜像重复镜像重复 存在于存在于同一股同一股上的某些上的某些DNA区段的反向重复区段的反向重复序列。此序列各序列。此序列各单股中没有互补序列单股中没有互补序列，不能形成，不能形成十字型或发夹结构。十字型或发夹结构。第三十一页，讲稿共六十一页哦 同聚嘧啶和同聚嘌呤组成

17、的同聚嘧啶和同聚嘌呤组成的DNA螺旋区段，螺旋区段，其序列中有较长的镜像重复时，形成局部三股配其序列中有较长的镜像重复时，形成局部三股配对，并互相盘绕的三股螺旋，其中两股的碱基按对，并互相盘绕的三股螺旋，其中两股的碱基按Watson-Crick方式配对，第三股形成非方式配对，第三股形成非Watson-Crick配对。配对。三螺旋三螺旋DNA不是不是DNA在自然态下的主要结构，在自然态下的主要结构，而是在特定的条件下形成的而是在特定的条件下形成的。*三链三链DNA（H-DNA,ts-DNA）第三十二页，讲稿共六十一页哦三碱基体三碱基体vPy-Pu-Py型：型：T-A.T、C-G.C+，Hoogs

18、teen键键vPu-Pu-Py型：型：G.G-C、A.A-T，反，反Hoogsteen键键第三十三页，讲稿共六十一页哦DNA三螺旋的碱基配对三螺旋的碱基配对G：C两个氢两个氢键键第三十四页，讲稿共六十一页哦DNA的三股螺旋的三股螺旋D-loop铰链铰链DNA平行汇接平行汇接第三十五页，讲稿共六十一页哦DNA的三股螺旋的三股螺旋第三十六页，讲稿共六十一页哦 RNA的的一级结构一级结构是由数量极其庞大的四种核糖核苷酸是由数量极其庞大的四种核糖核苷酸（AMP、GMP、CMP、UMP）按一定顺序，通过）按一定顺序，通过3,5磷酸二酯键磷酸二酯键连成的线形分子，其表示方法与连成的线形分子，其表示方法与D

19、NA相同。相同。RNA的的二级结构二级结构是短的，不完全螺旋的多核苷酸链。是短的，不完全螺旋的多核苷酸链。（天然天然RNA并不像并不像DNA一样都是双螺旋结构，而是单链线一样都是双螺旋结构，而是单链线形分子。只有局部区域为双螺旋结构。双螺旋区约占形分子。只有局部区域为双螺旋结构。双螺旋区约占RNA分子的分子的50%）RNA的的三级结构三级结构是在是在茎环结构茎环结构基础上进一步扭曲折叠基础上进一步扭曲折叠而成的复杂结构。而成的复杂结构。RNA只有具备复杂的三级结构才能成只有具备复杂的三级结构才能成为有活性的分子。为有活性的分子。四、四、RNA的结构的结构第三十七页，讲稿共六十一页哦 这种由单链

20、自身折叠形成的结构称为这种由单链自身折叠形成的结构称为茎环结构茎环结构。茎环结构是各种茎环结构是各种RNA的共同的二级结构特征。的共同的二级结构特征。第三十八页，讲稿共六十一页哦第三节第三节 核酸的功能核酸的功能一、一、DNA的功能的功能 DNA的的基基本本功功能能是是以以基基因因的的形形式式荷荷载载遗遗传传信信息息，并并作作为为基基因因复复制制和和转转录录的的模模板板。它它是是生生命命遗遗传传的的物物质质基基础础，也也是是个个体体生生命命活活动动的的信信息息基础。基础。第三十九页，讲稿共六十一页哦二、二、RNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能第四十页，讲稿共六十一页哦四四、其他小分子、其

21、他小分子RNA及及RNA组学组学 除除了了上上述述三三种种RNA外外，细细胞胞的的不不同同部部位位存存在在的的许许多多其其他他种种类类的的小小分分子子RNA，大大小小为为100-300个个核核苷苷酸酸，统统称称为为非非mRNA小小RNA(snmRNAs)。snmRNAs第四十一页，讲稿共六十一页哦snmRNAs的的种类种类核小核小RNA（snRNA）:参与参与hnRNA 的剪接，的剪接，snRNP，5种种snRNA与蛋白质、剪接因子等共同构成剪接体。与蛋白质、剪接因子等共同构成剪接体。核仁小核仁小RNA（snoRNA）：）：参与参与rRNA 的加工与修饰，的加工与修饰，首次切割，甲基化，合成假

22、尿苷。首次切割，甲基化，合成假尿苷。胞浆小胞浆小RNA（scRNA）：）：scRNP催化性小催化性小RNA小片段干涉小片段干涉 RNA 第四十二页，讲稿共六十一页哦核酶（核酶（Ribozyme）v美国科学家美国科学家Cech和和Altman发现了核酶发现了核酶(ribozyme)。最早发。最早发现大肠杆菌现大肠杆菌RNase P（375nt RNA+20kD多肽），蛋白质部多肽），蛋白质部分除去后，在体外高浓度分除去后，在体外高浓度Mg2+存在下，留下的存在下，留下的RNA部分具部分具有与全酶相同的催化活性。有与全酶相同的催化活性。v是指本质为是指本质为RNA或以或以RNA为主含有蛋白质辅基的

23、一类具有为主含有蛋白质辅基的一类具有催化功能的物质。催化功能的物质。vRNA单独作用就能进行催化反应。单独作用就能进行催化反应。主要参加主要参加RNA的加的加工与成熟。可分为异体催化，如工与成熟。可分为异体催化，如RNase P，tRNA 5末末端的剪切；自体催化，端的剪切；自体催化，、类类内含子自我剪接内含子自我剪接 第四十三页，讲稿共六十一页哦锤头结构（锤头结构（hammer-head）第四十四页，讲稿共六十一页哦第四十五页，讲稿共六十一页哦第四十六页，讲稿共六十一页哦在在DNA变变性性后后的的复复性性过过程程中中，如如果果将将不不同同种种类类的的DNA单单链链分分子子或或RNA分分子子放

24、放在在同同一一溶溶液液中中，只只要要两两种种单单链链分分子子之之间间存存在在着着一一定定程程度度的的碱碱基基配配对对关关系系，在在适适宜宜的的条条件件（温温度度及及离离子子强强度度）下下，就就可可以以在在不不同同的的分分子子间间形形成成杂杂化化双双链链。这这种种杂杂化化双双链链可可以以在在不不同同的的DNA与与DNA之之间间形形成成，也也可可以以在在DNA和和RNA分分子子间间或或者者RNA与与RNA分分子子间间形形成成。这种现象称为核酸分子杂交。这种现象称为核酸分子杂交。四、核酸分子的杂交四、核酸分子的杂交第四十七页，讲稿共六十一页哦第四十八页，讲稿共六十一页哦第四十九页，讲稿共六十一页哦

25、核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用（1）研究）研究DNA分子中某一基因的位置分子中某一基因的位置（2）确定两种核酸分子间的序列相似性）确定两种核酸分子间的序列相似性（3）检测某些专一序列在待检样品中存在与否）检测某些专一序列在待检样品中存在与否（4）是基因芯片技术的基础）是基因芯片技术的基础 可发生杂交的核酸分子可发生杂交的核酸分子(1)两条两条DNA链链(2)两条两条RNA链链(3)一条一条DNA链一条链一条RNA链链第五十页，讲稿共六十一页哦核酸杂交技术的应用核酸杂交技术的应用v应用复性动力学原理应用复性动力学原理v杂交可以在固相或液相上进行；硝酸纤维素杂交可以在固相或液相上进行；硝酸纤

26、维素膜，尼龙膜膜，尼龙膜v探针（探针（probe）：）：一小段用同位素、生物素一小段用同位素、生物素或荧光染料标记，其末端或全链的序列已知或荧光染料标记，其末端或全链的序列已知的多聚核苷酸，与固定在的多聚核苷酸，与固定在NC膜上的核苷酸膜上的核苷酸结合，判断是否有同源的核酸分子存在。结合，判断是否有同源的核酸分子存在。v探针的标记：探针的标记：32P、荧光基团、生物素、荧光基团、生物素第五十一页，讲稿共六十一页哦印迹技术的类别及应用印迹技术的类别及应用v（一）（一）DNA印迹技术印迹技术(Southern blotting)检测目标检测目标DNA片段片段v（二）（二）RNA印迹技术印迹技术(n

27、orthern blotting)用于用于RNA的定性定量分析。的定性定量分析。v（三）蛋白质的印迹分析（三）蛋白质的印迹分析(Western blotting)用于蛋白质定性定量及相互作用研究用于蛋白质定性定量及相互作用研究第五十二页，讲稿共六十一页哦（一）（一）Southern印迹杂交（印迹杂交（Southern bloting）第五十三页，讲稿共六十一页哦Western blotting第五十四页，讲稿共六十一页哦原位杂交（原位杂交（in situ hybridization）第五十五页，讲稿共六十一页哦五、生物芯片五、生物芯片-基因芯片基因芯片v基因芯片基因芯片(gene chip),

28、也称也称DNA芯片芯片(DNA chip)是指将数以万计的是指将数以万计的cDNA片段或预先设计好的寡核片段或预先设计好的寡核苷酸作为探针，有规律地紧密排列固定于单位面积的苷酸作为探针，有规律地紧密排列固定于单位面积的支持物上支持物上，形成高密度的探针点阵，与待分析样品中，形成高密度的探针点阵，与待分析样品中的同源寡核苷酸分子杂交。的同源寡核苷酸分子杂交。v原理原理:核酸分子杂交核酸分子杂交v用途用途:核酸测序核酸测序基因诊断基因诊断表达水平研究表达水平研究 第五十六页，讲稿共六十一页哦第五十七页，讲稿共六十一页哦第六节第六节 反义核酸与反义技术反义核酸与反义技术v反义核酸：根据碱基互补原理，

29、用人工合成或生物体合成反义核酸：根据碱基互补原理，用人工合成或生物体合成的特定互补的的特定互补的DNA或或RNA片断（或其化学修饰产物），片断（或其化学修饰产物），其能够和目标基因序列特异结合，从而抑制或封闭基因的其能够和目标基因序列特异结合，从而抑制或封闭基因的表达。表达。v反义反义DNA/反义反义RNA/肽核酸肽核酸v反义核酸的应用反义核酸的应用 1、基因的定位、定量分析（原位杂交）；、基因的定位、定量分析（原位杂交）；2、基因的功能分析；、基因的功能分析；3、反义核酸药物（高选择性、反义核酸药物（高选择性/低毒性）低毒性）第五十八页，讲稿共六十一页哦v反义核酸药物反义核酸药物v第一代为硫

30、代修饰寡核苷酸第一代为硫代修饰寡核苷酸 v第二代为甲氧基第二代为甲氧基/乙氧基寡核苷酸乙氧基寡核苷酸v第三代为肽核酸第三代为肽核酸v肽核酸肽核酸(peptide nucleic acid，PNA):是以类氨是以类氨基多肽链替代核酸中的核糖磷酸骨架，并按基多肽链替代核酸中的核糖磷酸骨架，并按一定的序列连接四种碱基而形成的核酸类似一定的序列连接四种碱基而形成的核酸类似物。物。第五十九页，讲稿共六十一页哦v是一类新型的核酸类似物是一类新型的核酸类似物v其特点是：其特点是：1.与核酸的杂交能力强；与核酸的杂交能力强；2.热稳定性高于核酸间的热稳定性高于核酸间的杂交体；杂交体；3.抗酶解能力增强，由于抗酶解能力增强，由于其非肽和非核酸的结构特其非肽和非核酸的结构特点，蛋白酶和核酸酶均不点，蛋白酶和核酸酶均不能降解能降解PNA。第六十页，讲稿共六十一页哦感谢大家观看第六十一页，讲稿共六十一页哦