《DNA的结构与特点》PPT课件.ppt

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1、第一节第一节 核酸是遗传物质核酸是遗传物质第一章第一章 DNA的结构与特点的结构与特点The transforming principle is DNA.1.1DNAisthegeneticmaterial（I）The genetic material of phage T2 is DNA.1.2DNAisthegeneticmaterial（II）Eukaryotic cells can acquire a new phenotype as the result of transfection by added DNA.1.3 1.3 DNADNA is the is the genetic

2、 materialgenetic material（IIIIII）1957年，年，Heinz Fraenkel-Conrat和和B.Singre的的杂合病毒实验：杂合病毒实验：烟草花烟草花叶病毒叶病毒的感染的感染和繁殖和繁殖过程过程证实证实RNA也也是遗传是遗传物质物质之之一一。1.4 1.4 RNARNA is the genetic material is the genetic materialTHE RESULTSDNA is the genetic material of all organisms except for some viruses;RNA is the genetic

3、 material of some viruses.核酸核酸(DNA和和RNA)的结构包括：的结构包括：一级结构：一级结构：碱基顺序碱基顺序二级结构：二级结构：右手双螺旋结构右手双螺旋结构高级结构：高级结构：超螺旋超螺旋第一节第一节 核酸的结构与功能核酸的结构与功能1.1 核酸的一级结构核酸的一级结构核酸是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸。核酸是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸。DNA的一级结构，即是指四种核苷酸的一级结构，即是指四种核苷酸dNMP(dAMP、dCMP、dGMP、dTMP)按照一定的按照一定的排列顺序，通过排列顺序，通过3-5 磷酸二酯键磷酸二酯键连接形成的连接形成的多核苷

4、酸，由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基多核苷酸，由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同，故又可称为碱基顺序。的不同，故又可称为碱基顺序。腺苷腺苷(AR)脱氧胞苷脱氧胞苷(dCR)1,N9-糖苷糖苷键1,N1-糖苷糖苷键11N9N1核核苷苷(核糖核糖Sugarphosphate bond碱基碱基)一一条条多多聚聚核核苷苷酸酸链链多聚核苷酸链中新生磷酸多聚核苷酸链中新生磷酸糖苷键的产生示意图糖苷键的产生示意图核苷酸链的形成核苷酸链的形成35磷酸二酯键（磷酸二酯键（phosphodiesterbond）的形成示意图）的形成示意图1.1.3 一级结构的特点一级结构的特点具有极性；具有极性；碱基排列顺序存在多

5、样性。碱基排列顺序存在多样性。1.1.4书写方式书写方式53磷酸二酯键磷酸二酯键线线条条式式法法文字式法文字式法结构式法结构式法水解水解磷酸基团磷酸基团脱氧核糖脱氧核糖(DNA(DNA）核酸核酸 单核苷酸单核苷酸戊核糖戊核糖核糖核糖(RNA(RNA）核苷核苷 T T A A DNADNA 碱基碱基G G C C RNARNA U U 小小 结：核酸的结构结：核酸的结构Nucleic Acid Structure:DNA double helixDNA double helixWatsonandCrick,1953年提出的年提出的右手双螺旋右手双螺旋结构模型，是结构模型，是B型型DNA。Thef

6、oundationofthemolecularbiology1.2DNA二级结构二级结构 双螺旋双螺旋1.2.1DNA二级结构的涵义：二级结构的涵义：B型型DNA是由两条平行互补的多核苷酸链组成是由两条平行互补的多核苷酸链组成的，构成的，构成DNA的两条核苷酸链的的两条核苷酸链的方向是相反的方向是相反的（即一条是（即一条是3 5，另一条是，另一条是5 3）；两）；两条链以右手的方向相互缠绕呈螺旋状，因此叫条链以右手的方向相互缠绕呈螺旋状，因此叫右手双螺旋结构模型。右手双螺旋结构模型。DNA的双螺旋模型的双螺旋模型螺旋螺旋1.2.3 双螺旋结构的构象变异双螺旋结构的构象变异 DNA DNA的构象

7、现已知有的构象现已知有A A，B B，C C，D D，E E，T T，Z Z 7 7种。种。引起引起DNADNA双链构象改变有以下因素：双链构象改变有以下因素：（1 1）核苷酸的一级结构顺序；）核苷酸的一级结构顺序；（2 2）碱基组成；）碱基组成；（3 3）盐的种类；）盐的种类；（4 4）相对湿度。）相对湿度。ABZ小结：几种小结：几种DNA构象的结构模式比较构象的结构模式比较 核苷酸一级序列对核苷酸一级序列对DNADNA二级结构的形成有很大影响：二级结构的形成有很大影响：A AT T丰富区常呈丰富区常呈B型型;B-DNA B-DNA中多聚（中多聚（G-CG-C）区易出现左手螺旋）区易出现左手

8、螺旋DNADNA（Z-Z-DNADNA），尤其是嘌呤嘧啶二核苷酸重复单位易于采），尤其是嘌呤嘧啶二核苷酸重复单位易于采取取Z Z型构象型构象 ；而当而当B型型DNADNA中一条链被中一条链被RNARNA替换时则呈替换时则呈A型；型；盐浓度对结构也有影响，如：盐浓度对结构也有影响，如：DNADNA晶体为晶体为A A型。型。功能：功能：B型易于表达，型易于表达，Z-DNAZ-DNA则难于结合，与基因则难于结合，与基因表达调控有关。表达调控有关。1.2.4不同类型二级结构的特点与功能：不同类型二级结构的特点与功能：1.3DNA的高级结构的高级结构超螺旋超螺旋（Supercoied）1.3.1DNA的

9、的超超螺螺旋旋结结构构是是Vinograd在在1965年年研研究究多多瘤瘤病病毒毒时时首首先先发发现现的的，多多瘤瘤病病毒毒DNA是是共共价价闭闭合合环环状状分分子子(covalentlyclosedcircle)状状结结构构，简简称称ccc分分子子。但但在在生生理理状状态态这这种种ccc分分子子再再度度螺螺旋旋化化成成为为超超螺螺旋旋结结构构(superhelix或或supercoil)，即即在在二二级级结结构构的的基基础础上上再再次次螺旋形成的，多见于原核生物。螺旋形成的，多见于原核生物。定义：定义：正超螺旋：正超螺旋：向越来越紧的方向拧形成的超向越来越紧的方向拧形成的超螺旋。螺旋。负超螺

10、旋：负超螺旋：向越来越松的方向拧形成的超向越来越松的方向拧形成的超螺旋螺旋超螺旋结构指超螺旋结构指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。是一种比双螺旋所形成的特定空间结构。是一种比双螺旋更高层次的空间构象。更高层次的空间构象。环状DNA形成的超螺旋DNADNA的超螺旋结构演示的超螺旋结构演示线状DNA形成的超螺旋不论正超还是负超，都和初级螺旋有关，超螺不论正超还是负超，都和初级螺旋有关，超螺旋和初级螺旋地关系可用公式表示旋和初级螺旋地关系可用公式表示:注：注：为超螺旋数，为超螺旋数，为超螺旋状态下初级螺旋圈为超螺旋状态下初级螺旋圈数，数，松弛状态下初级螺旋圈数；松

11、弛状态下初级螺旋圈数；当当0 0时为松弛型；当时为松弛型；当大于大于0 0时为正超螺旋；时为正超螺旋；当当小于小于0 0时为负超螺旋。时为负超螺旋。1.3.2超螺旋的生物学意义超螺旋的生物学意义目前在生物体内还没有发现正超螺目前在生物体内还没有发现正超螺旋，推测负超螺旋可能有利于复制和转旋，推测负超螺旋可能有利于复制和转录。录。凝胶凝胶电泳：泳：电镜观察：察：密度梯度离心：密度梯度离心：1.4 检测检测DNA三级结构的方法：三级结构的方法：第二节第二节 核酸的特性核酸的特性2.1.1变性（变性（Denaturation）：由双链：由双链DNA变成单变成单链链DNA的过程叫变性，也叫的过程叫变性

12、，也叫解解链（melting)。返回返回 2.1 DNA的变性和复性的变性和复性高温高温极端极端pH值值尿素尿素甲酰胺甲酰胺下列因素可导致下列因素可导致DNA变性变性：变性剂：把能使变性剂：把能使DNA发生变性发生变性的的化学试剂化学试剂叫变性剂。叫变性剂。变性原理：变性是变性原理：变性是热处理热处理或或变性剂变性剂处理的条件下处理的条件下,直接直接或间接或间接的打断的打断DNA中的中的H键，这时双链键，这时双链DNA就会逐渐变成单链。就会逐渐变成单链。碱变性：把由碱引起的变性叫碱变性：把由碱引起的变性叫碱变性碱变性；热变性：由热引起的变性叫热变性：由热引起的变性叫热变性热变性，属于物理变性。

13、，属于物理变性。热变性热变性是常用的是常用的DNA变性方法之一，因为它方法简变性方法之一，因为它方法简单、容易控制，不改变单、容易控制，不改变DNA溶液的化学成分，更重溶液的化学成分，更重要的是它能有效的使要的是它能有效的使DNA发生变性。发生变性。DNA变性后变性后DNA物理、物理、化学化学性质发生如下变化：性质发生如下变化：（1）流流体体力力学学的的性性质质发发生生改改变变：粘粘度度下下降降，而而沉沉降降 速度增加；速度增加；（2）DNA的浮力密度增高；的浮力密度增高；（3）生物功能丧失或改变；）生物功能丧失或改变；（4）DNA在在260nm处处吸收值增加吸收值增加。增增色色效效应应（hy

14、perchromic effect）:由由于于DNA变变性而引起的性而引起的260nm紫外光的光吸收值增加的现象。紫外光的光吸收值增加的现象。双双链DNA的的A260（浓度度为50g/ml时，对波波长260nm紫外紫外线的吸收能力）；的吸收能力）；单链DNA的的A260；游离碱基游离碱基或核苷酸的或核苷酸的A260。可可见，双，双链DNA变为单链DNA时，A260会逐会逐渐增加。增加。不同状不同状态下下DNA的吸光的吸光值：2.1.2溶解曲线溶解曲线与与Tm值值：溶解曲线：当缓慢而均匀地溶解曲线：当缓慢而均匀地(目前可以做到目前可以做到0.1分分)增加增加DNA溶液的温度，记录各个不同温度下的

15、溶液的温度，记录各个不同温度下的数值，即可绘制成数值，即可绘制成DNA的溶解曲线的溶解曲线，如图，如图所示。所示。返回返回Tm30507090温温度（度（）溶溶解解曲曲线线A260吸吸光光值值解解链温温度度（melting temperature,Tm）：也也叫叫熔熔点点，是是A A260260增增加加到到最最大大增增值值一一半半时时的的温温度度，是是变性温度范围的中点，用变性温度范围的中点，用TmTm表示。表示。在在生生理理条条件件下下，一一般般来来讲讲，体体内内DNADNA分分子子的的TmTm值值在在858595 95 之间。之间。2.1.3 2.1.3 影响影响TmTm值的因素：值的因素

16、：外部条件外部条件:DNA:DNA的的浓度浓度和和正离子正离子的浓度。的浓度。DNADNA浓度低于浓度低于，单价阳离子增高，单价阳离子增高1010倍，倍，TmTm增加增加16.6 16.6（为什么？）（为什么？）。除此之外，凡能影响除此之外，凡能影响H键稳定的试剂都能降低键稳定的试剂都能降低Tm.内部条件内部条件:GC GC含量：含量：当当GCGC的含量上升的含量上升1%1%，则，则TmTm上升上升0.40.4 马默多蒂（马默多蒂（Marmur-DotyMarmur-Doty）关系式：）关系式：Tm=69.3+0.41(G+C)%Tm=69.3+0.41(G+C)%，或或 GC%=GC%=（）

17、2.1.4小结：小结：Tm值的大小取决于值的大小取决于DNA的碱基组成的碱基组成和和变性条件变性条件：1）特定的）特定的DNA在特定的条件下所测得在特定的条件下所测得Tm值是相值是相对恒定的，但对恒定的，但相同的相同的DNA在在不同的条件不同的条件下或下或不同不同的的DNA在在相同的条件相同的条件下，下，Tm值是不同的。值是不同的。2）GC含含量量高高，AT含含量量低低的的DNA其其Tm值值就就高高，反之亦然。反之亦然。2.2 复性（复性（renaturation）定义定义：热热变性变性的的DNA在在一定的条件下一定的条件下还可以还可以重新形重新形成原来的双螺旋结构成原来的双螺旋结构，这个过程

18、叫复性或退火，这个过程叫复性或退火（annealing）。）。6.2.1 复性条件复性条件（1）温度降低要）温度降低要缓慢缓慢，不能，不能淬火淬火；（2）有）有足够高足够高的温度以的温度以破坏破坏无规则的无规则的链内氢键链内氢键，但，但又不能太高一般使用又不能太高一般使用比比Tm低低10-15的温度；的温度；(3)有有足够的盐浓度足够的盐浓度以消除磷酸基的静电斥力，常用以消除磷酸基的静电斥力，常用的盐浓度为至的的盐浓度为至的NaCl。返回返回 2.2.2 2.2.2 复性机制：复性机制：（1 1）无规则碰撞无规则碰撞：首先从单链分子的无规则碰撞：首先从单链分子的无规则碰撞运动开始，这种碰撞过程

19、是随机的，与运动开始，这种碰撞过程是随机的，与DNADNA的浓度，的浓度，溶液的温度和离子强度有关溶液的温度和离子强度有关;（2）成核作用成核作用（nucleation）：只有当应该配对的只有当应该配对的一部分碱基相互靠近时，一般认为需要一部分碱基相互靠近时，一般认为需要10个一个一20个个碱基对特别是富含碱基对特别是富含GC的节段首先形成氢键，产的节段首先形成氢键，产生一个生一个(或几个或几个)双螺旋核心；双螺旋核心；（3 3）拉拉链作用拉拉链作用（Zippering）：两条单链的其余两条单链的其余部分就会像拉拉链那样迅速形成双螺旋结构。部分就会像拉拉链那样迅速形成双螺旋结构。2.2.3变变

20、性性与与复复性性的的转转换换加热加热变性变性双链双链DNA单链单链DNA复性复性缓慢缓慢降温降温 2.2.4 影响复性反应的因素影响复性反应的因素(1)DNA片段的大小及复片段的大小及复杂性；性；(2)DNA的的浓度；度；(3)温温度度：最最佳佳复复性性温温度度一一般般比比Tm低低 10-15 C；(4)盐 的的 浓 度度：复复 性性 时 要要 求求 盐 的的 浓 度度 达达 到到 足足够高。高。6.2.5 检测DNA复性的方法复性的方法(1)减色效减色效应（hpochromic effect）：）：测 定定 光光 密密 度度，即即 OD值（optical density），DNA从从单链变成

21、成双双链，OD260减少减少30%;(2)羟基磷灰石柱基磷灰石柱层析：析：吸附双吸附双链DNA较牢。牢。7DNA物理结构的不均一性物理结构的不均一性、反向重复序列反向重复序列(invertedrepeats)、富含、富含AT的序列的序列、嘌呤和嘧啶的排列顺序对双螺旋结构稳、嘌呤和嘧啶的排列顺序对双螺旋结构稳定性的影响定性的影响1）反向（倒转）重复序列：能在）反向（倒转）重复序列：能在DNA单链或单链或RNA中可形成中可形成发夹结构发夹结构，在双链，在双链DNA中有可能形中有可能形成成十字架结构十字架结构。倒位重复的两个互补拷贝间倒位重复的两个互补拷贝间可有一到几个核苷酸可有一到几个核苷酸的间隔

22、，也可以没有间隔的间隔，也可以没有间隔。没有间隔的又称。没有间隔的又称回文回文序列（序列（palimdromesequence），），这种结构约占所这种结构约占所有倒位重复的三分之一。有倒位重复的三分之一。例如：大肠杆菌的转录终止子；例如：大肠杆菌的转录终止子；tRNA的三叶草的三叶草结构中的茎环结构。结构中的茎环结构。返回返回倒倒转重复序列中的重复序列中的单链可形成可形成发卡卡结构构ACGCTATGAGTAGCGT双双链倒倒转重复序列可形成十字架重复序列可形成十字架结构构核酸分子中的回文序列（核酸分子中的回文序列（Palindrome）：）：酶切位点；酶切位点；5TGGCCA5TTAGCC3

23、ACCGGT3AATCGG2）镜像重复像重复指存在于同一股上指存在于同一股上DNA区段的反向重复序区段的反向重复序列。列。AATTCAAGGGAGAAGTATAGAAGAGGGAAGGATCTTAAGTTCCCTCT TCATATCT TCTCCCTTCCTAG大肠杆菌复制起点大肠杆菌复制起点7.2富含富含AT的序列：的序列：例如例如:复制起点和转录起始点复制起点和转录起始点嘌呤和嘧啶的排列顺序不同，双螺旋的稳定性具有显著的嘌呤和嘧啶的排列顺序不同，双螺旋的稳定性具有显著的差异：差异：5-GC-3和和5-CG-3的稳定性相差很大，前者的稳定的稳定性相差很大，前者的稳定性远大于后者。性远大于后者

24、。原因：虽然它们的氢键数目是相同的，但是它们的相邻碱原因：虽然它们的氢键数目是相同的，但是它们的相邻碱基之间的堆集力不同。即从嘌呤到嘧啶的方向的碱基堆集作用基之间的堆集力不同。即从嘌呤到嘧啶的方向的碱基堆集作用显著地大于同样组成的嘧啶到嘌呤方向的碱基推集作用。显著地大于同样组成的嘧啶到嘌呤方向的碱基推集作用。(这里这里的方向就是常规的从的方向就是常规的从5端到端到3端的方向端的方向)。这是因为前者的嘌呤。这是因为前者的嘌呤环和嘧啶环重迭面积大于后者的嘧啶环和嘌呤环的重迭面积，环和嘧啶环重迭面积大于后者的嘧啶环和嘌呤环的重迭面积，这在这在B型型DNA中确是如此。中确是如此。返回返回7.3嘌呤和嘧

25、啶的排列顺序对双螺旋结构稳定性的影响嘌呤和嘧啶的排列顺序对双螺旋结构稳定性的影响5.1RNA的结构特点：的结构特点：RNARNA以单链形式存在；以单链形式存在；局部可有二级或三级结构局部可有二级或三级结构 （分子（分子内的氢键形成和碱基堆积，茎环内的氢键形成和碱基堆积，茎环结构）结构）;RNA较较DNA分子小分子小:小到数十个小到数十个核苷酸，大到数千个核苷酸核苷酸，大到数千个核苷酸;五、五、RNA structureRNA structureRNA存在高级结构，而且高级结构对存在高级结构，而且高级结构对RNA执行功能执行功能非常重要，例如非常重要，例如tRNAandrRNA，都是以高级结构，

26、都是以高级结构来执行特定的生物学功能来执行特定的生物学功能.一一级结构构RNA的的结构构二二级结构构三三级结构构 RNA RNA的一级结构：是由四种核糖核酸（的一级结构：是由四种核糖核酸（AMPAMP、GMPGMP、CMPCMP、UMPUMP）按一定顺序，通过）按一定顺序，通过33，55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DNADNA相同。相同。RNARNA二级结构：二级结构：单链单链RNARNA自行盘绕形成局部双螺旋的自行盘绕形成局部双螺旋的多多“茎茎”多多“环环”结构，结构，螺旋部分称为螺旋部分称为“茎茎”或或“臂臂”，非螺旋部分称为非螺旋部分称为“

27、环环”，在螺旋区，在螺旋区，A A与与U U配对，配对，G G与与C C配配对。对。RNARNA三级结构：在二级结构的基础上三级结构：在二级结构的基础上盘绕形成，如盘绕形成，如“L L”型型tRNAtRNA。5.2 RNA的种类的种类 rRNA(ribosomal RNA）占总量）占总量80%RNA tRNA(transfer RNA）最小最小RNA（核糖核酸）（核糖核酸）占总量占总量15%mRNA(messenger RNA）占总量）占总量3-5%在蛋白质合成中起模板作用；在蛋白质合成中起模板作用；在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。核糖体是蛋白质合成的场所；核糖体是蛋白质合成的场所；5.3 RNA与与DNA的差异的差异 DNA RNA糖糖 脱氧核糖脱氧核糖 核糖核糖碱基碱基 AGCT AGCU稀有碱基稀有碱基 不含不含 含含