长江大学遗传学第三章遗传物质的分子基础.ppt

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1、第三章第三章 遗传的分子基础遗传的分子基础本章主要内容本章主要内容o一一.DNA是主要的遗传物质是主要的遗传物质o二二.DNA的分子组成与结构的分子组成与结构o三三.DNA分子的变性分子的变性o四四.DNA分子的复性分子的复性o五五.DNA与染色质与染色质第一节第一节 DNA DNA是主要的遗传物质是主要的遗传物质Why is DNA the genetic material?(一一)细菌的转化细菌的转化：1928，Griffith，F肺炎双球菌感染家鼠试验肺炎双球菌感染家鼠试验(Pneumococcus)无致病力无致病力转化源转化源有致病力有致病力1944年年，Avery等从等从S菌中提取的

2、菌中提取的DNA与与R菌混合后菌混合后，RS，且转化率与，且转化率与DNA纯度呈正相关纯度呈正相关，若将若将DNA预先预先用用DNA酶降解，转化就不发生酶降解，转化就不发生。结论是结论是:S型菌的型菌的DNA将其遗传特性传给了将其遗传特性传给了R型菌型菌，DNA是遗传物质是遗传物质。Diplococcum pneumoniceDNAasgeneticmaterial1944 Avery O.T.(Canada)Bachelor(二)噬菌体的侵染与繁殖噬菌体的侵染与繁殖o1952，赫尔希，赫尔希(Hershey,A.D.)等用等用32P和和35S分别标记分别标记T2噬菌体的噬菌体的DNA与蛋白质

3、，感染大肠杆菌。与蛋白质，感染大肠杆菌。35S32P DNADNA is a main genetic materialRNA is genetic material also Tobacco Mosaic Virus (TMV)1952 Hershey lambdar phage cycleRIIDNASIII 1928 Griffith 1944 Avery O.T qDNA作为遗传物质的优点作为遗传物质的优点(自然选择的优势自然选择的优势)o具有自我复制的能力具有自我复制的能力储存遗传信息量大储存遗传信息量大1kb DNA序列序列4 410001000 种遗传信息种遗传信息 核糖的核糖的

4、2 OH 脱氧脱氧在水溶液中的稳定性高于在水溶液中的稳定性高于RNA 可以突变可以突变方便修复方便修复以求不断进化以求不断进化以求稳定遗传以求稳定遗传A/T,C/G A/T,C/G 互补互补双螺旋结构双螺旋结构复制复制,转录转录遗传稳定遗传稳定第二节第二节 DNA DNA的分子组成与结构的分子组成与结构 DNA(deoxyribonucleic acid)Nucleotide(Nt)basic unitMono-phosphate(Mp)Nucleoside(Ns)Deoxy-ribose(Ribose)Base Purin(pu)Pyrimidine(py)(A)(T)/(U)(G)(C)L

5、L DNA与与RNA的区别的区别lRiboselBase：A、G、C、T/UlD.S.&S.S.：DNA多为双链多为双链lNumbers&length：DNA链较长链较长lStability：DNARNA 脱氧脱氧核糖核糖碱基碱基磷酸磷酸Nucleotide(Nt)一、一、DNADNA分子基本单位分子基本单位核苷酸核苷酸戊戊 糖糖碱基碱基嘌呤（嘌呤（嘌呤（嘌呤（PuPu）:A:A、GG嘧啶（嘧啶（嘧啶（嘧啶（PyPy）:C:C、T TPurinesPyrimidines 核苷的构象核苷的构象(conformation of nucleoside)=C4-N9-C1-O4purinpyimidi

6、ne=C2-N1-C1-O40o0o二、二、DNADNA的一级结构的一级结构o核酸链的简写式核酸链的简写式 5p31、DNA 双螺旋结构模型双螺旋结构模型(DNA Double Helix Model)1950.Chargaff A+G/T+C=1A+G=T+C1952.Alexander ToddNtNtNtNtNt Rich AT form&rich GC form 3,5phosphodiesterbond三、三、DNADNA的二级结构的二级结构phosphodiesterbondM.H.F.Wilkins&Rosalind Frankin Xray photograph of DNA

7、with high quality 1952.KingsLab.UKDNADNA的双螺旋结构的双螺旋结构的双螺旋结构的双螺旋结构 （1953195320032003）v核酸的分子结构及其在遗传信息传递中的作用核酸的分子结构及其在遗传信息传递中的作用2 2、DNADNA双螺旋的结构特点双螺旋的结构特点Right handed B-form DNA Double helix Model1.主链：主链：两条长链反向平行两条长链反向平行 螺旋而成螺旋直径为螺旋而成螺旋直径为2nm2.碱基对碱基对3.螺距：为螺距：为3.4nm4.大沟、小沟大沟、小沟 单链核苷酸链间按单链核苷酸链间按A、T、C、G 配对

8、配对 以氢键方式连接成双链分子以氢键方式连接成双链分子Right handed B-form DNA Double helix Model 每一单链具有每一单链具有 5 5 3 3极性极性 两条单链间以氢键连接两条单链间以氢键连接 两条单链，极性相反，两条单链，极性相反，反向平行反向平行 以中心为轴以中心为轴，向右盘旋向右盘旋 (B-form)B-form)双双 螺螺 旋旋 中中 存存 在在 大大 沟沟 (2.2nm)(2.2nm)小小 沟沟 (1.2nm)(1.2nm)小沟大沟l碱基顶部基团裸露在碱基顶部基团裸露在DNA 大沟大沟内内l蛋白质因子与蛋白质因子与DNA的特异结合依赖于的特异结合

9、依赖于 氨基酸与氨基酸与DNA间的氢键的形成间的氢键的形成l蛋白质因子沿蛋白质因子沿大沟大沟与与DNA形成专一性形成专一性 结合的机率与多样性结合的机率与多样性高于沿小沟高于沿小沟的结合的结合l 大沟的空间大沟的空间更有利于与蛋白质的结合更有利于与蛋白质的结合DNADNA双螺旋中的大沟与小沟双螺旋中的大沟与小沟3.影响影响双螺旋结构双螺旋结构稳定性的因素稳定性的因素碱基堆积的棒状实体碱基堆积的棒状实体 l氢键氢键(Hydrogen bond 46 kc/mol)消除消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力单链上磷酸基团间的静电斥力弱键弱键,可加热解链可加热解链氢键堆积氢键堆积,有序排列有序排列(线

10、性线性,方向方向)l磷酸酯键磷酸酯键(phosphoester bond 8090 kc/mol)l0.2 mol/L Na+生理盐条件生理盐条件强键强键,需酶促解链需酶促解链l碱基堆积力碱基堆积力(非特异性结合非特异性结合力力)3.4A 磷酸骨架磷酸骨架,氨基氨基,酮基周围水分子间的有序排列酮基周围水分子间的有序排列 Van de waals force(1.7A/嘌呤环与嘧啶环作用半径)(0.34nm/碱基对间距碱基对间距)疏水作用力疏水作用力(Hydrophobicinteraction)不溶于水的非极性分子在水中相互联合不溶于水的非极性分子在水中相互联合,成成串结合的趋势力即为熵串结合

11、的趋势力即为熵Entrophy(S)l磷酸基团间的静电斥力磷酸基团间的静电斥力DNA二级结构的多态性二级结构的多态性Z-DNAZ-DNAA-DNAB-DNAB-DNAB-DNA右手双股螺旋，细胞内右手双股螺旋，细胞内右手双股螺旋，细胞内右手双股螺旋，细胞内最稳定、最常见的构象最稳定、最常见的构象最稳定、最常见的构象最稳定、最常见的构象A-DNAA-DNA右手双股螺旋，存在于脱水右手双股螺旋，存在于脱水右手双股螺旋，存在于脱水右手双股螺旋，存在于脱水DNADNA，DNA-RNADNA-RNA杂交分子杂交分子杂交分子杂交分子Z-DNA左左左左 手手手手 双双双双 股股股股 螺螺螺螺 旋旋旋旋与基因

12、的表达调控有关与基因的表达调控有关与基因的表达调控有关与基因的表达调控有关 三链螺旋结构三链螺旋结构o B-DNA的大沟处，一条的大沟处，一条DNA链链与与DNA双螺旋结构中的一条链结双螺旋结构中的一条链结合而成；合而成；B-DNA与其自身的一条链结与其自身的一条链结合形成分子内三链合形成分子内三链DNA；B-DNA中与第三链相结合的中与第三链相结合的这条链必需含有一段连续的嘌呤这条链必需含有一段连续的嘌呤核苷酸序列，为核心链。核苷酸序列，为核心链。稳定性较差稳定性较差四链四链DNAoG四联体（四联体（G-quarter）为基本单位，即四个鸟嘌呤为基本单位，即四个鸟嘌呤在一个正方形平面内以氢键

13、在一个正方形平面内以氢键环形连接而成。环形连接而成。位于染色体末端，可能起位于染色体末端，可能起着稳定染色体，参与端粒着稳定染色体，参与端粒DNA的复制等功能。的复制等功能。DNA的超螺旋结构的超螺旋结构 某种因素的影响下，正常某种因素的影响下，正常B-DNA分子双螺旋额外少转或分子双螺旋额外少转或多转几圈，使每圈的碱基对数目大于或小于多转几圈，使每圈的碱基对数目大于或小于10，DNA分子双分子双螺旋空间改变，分子内产生额外张力。螺旋空间改变，分子内产生额外张力。DNA分子产生扭曲，缓解张力，造成超螺旋结构分子产生扭曲，缓解张力，造成超螺旋结构（supercoil）负向超螺旋、正向超螺旋负向超

14、螺旋、正向超螺旋DNA的超螺旋结构的超螺旋结构(supercoiling)(supercoiling)o超螺旋结构的生物学意义超螺旋结构的生物学意义 反映反映DNA结构的多样性，介导结构的多样性，介导DNA结构的结构的 变化，变化，为其功能发挥提供条件；为其功能发挥提供条件；DNA复制、重组，以及基因的表达调控；复制、重组，以及基因的表达调控；使使DNA形成高度紧密的状态，得以容纳在有效空间。形成高度紧密的状态，得以容纳在有效空间。D.S.DNAS.S.DNA(加温加温,极端极端pH,尿素尿素,酰胺酰胺)第三节第三节DNA分子变性分子变性 (DNAdenaturation)DNA变性变性：天然

15、的有规则的双链天然的有规则的双链DNA分子分子，在被加热在被加热 或某些试剂的作用下或某些试剂的作用下，氢键和碱基间堆积力受到破坏氢键和碱基间堆积力受到破坏，逐步变为单链线型状态的过程，又称熔解逐步变为单链线型状态的过程，又称熔解。变性过程的表现：变性过程的表现：S.S.DNA粘度降低粘度降低DNADNA热变性过程热变性过程电子显微镜下的电子显微镜下的DNADNA分分子的部分变性子的部分变性D.S DNA S.S DNA 粘度降低粘度降低？溶液粘度取决于分子流动过程中的内摩擦和阻力溶液粘度取决于分子流动过程中的内摩擦和阻力高分子溶液高分子溶液 普通溶液普通溶液线状分子线状分子 不规则线团不规则

16、线团 球形分子球形分子D.S.DNA 钢性较强，结构较为舒展的钢性较强，结构较为舒展的 Double helix S.S.DNA 没有氢键的支撑没有氢键的支撑 由螺旋结构向折叠和线团结构转变由螺旋结构向折叠和线团结构转变D.S DNA S.S DNA 粘度降低粘度降低变性过程的表现变性过程的表现 沉降速度加快沉降速度加快 S.S.DNA分子的分子的A260nmUV 值上升值上升增色效应增色效应(Hyperchromicity)：指由指由DNA变性而引起的光吸收值的增加。变性而引起的光吸收值的增加。影响影响Tm值的因素值的因素1、DNA分子的碱基组成分子的碱基组成GC%含量相同的情况下含量相同的

17、情况下GC%愈高愈高Tm值愈大值愈大，GC%愈低愈低Tm值愈小值愈小AT形成变性核心，变性加快，形成变性核心，变性加快，Tm值小值小 熔解温度熔解温度（Tm）：）：50的DNA双螺旋结构被破坏 的温度，一般在8595。大片段大片段D.S.DNA分子之间比较分子之间比较片段长短对片段长短对Tm值的影响较小值的影响较小,与组成和排列相关与组成和排列相关小于小于100bp的的D.SDNA分子比较分子比较片段愈短，片段愈短，变性愈快，变性愈快，Tm值愈小值愈小3、变性液中含有尿素，酰胺等变性液中含有尿素，酰胺等尿素，酰胺与碱基间形成氢键尿素，酰胺与碱基间形成氢键改变碱基对间的氢键改变碱基对间的氢键Tm

18、值值可降至可降至40左右左右2、DNA分子的长度分子的长度4、DNA溶液的离子强度溶液的离子强度（盐浓度的影响）（盐浓度的影响）单链单链DNA主链的磷酸基团主链的磷酸基团负电荷的静电斥力负电荷的静电斥力两条单链两条单链DNA的分离的分离Na+在磷酸基团周围形成的电子云在磷酸基团周围形成的电子云对静电斥力产生屏蔽作用对静电斥力产生屏蔽作用减弱静电斥力减弱静电斥力pH12酮基酮基烯醇基烯醇基pH2-3NH2NH2+(质子化质子化)改变氢键的形成与结合力改变氢键的形成与结合力5、pH值（值（极端极端pH条件的影响条件的影响）一切减弱氢键、碱基堆积力的因素一切减弱氢键、碱基堆积力的因素 均将使均将使T

19、m值降低值降低D.SDNAS.SDNADenaturationRenaturation复性过程依赖于单链分子间的随机碰撞复性过程依赖于单链分子间的随机碰撞(Depends on the collision of plementary S.S.DNA)第四节第四节 DNADNA分子的复性分子的复性(anneal or renaturation)oDNA复性复性：变性的单链变性的单链DNA在一定的条件下又恢复在一定的条件下又恢复为原天然双链为原天然双链DNA的过程，也叫退火。的过程，也叫退火。影响影响DNA复性过程的因素复性过程的因素：1、阳离子浓度阳离子浓度（盐浓度）0.180.2MNa+可消除

20、可消除polydNt间的静电斥力间的静电斥力2、复性反应的温度、复性反应的温度Tm-25(60-65)以消除以消除S.S.DNA分子内的部分二级结构（氢键）分子内的部分二级结构（氢键）3、S.S.DNA分子的长度分子的长度S.S.DNA愈长愈长S.S.DNA愈短愈短分子扩散愈慢分子扩散愈慢复性愈慢复性愈慢分子扩散愈快分子扩散愈快复性愈快复性愈快影响影响DNA复性过程的因素复性过程的因素：5、DNA分子中分子中,dNt的排列状况的排列状况(随机排列随机排列,重复排列重复排列)4、S.S,DNA的初始浓度的初始浓度C03-ATCTATGCTGTCAT-55-TAGATACGACAGTA-35-TA

21、GATACGACAGTA-33-ATCTATGCTGTCAT-53-ATATATATATAT-55-TATATATATATA-33-ATATATATATAT-55-TATATATATATA-35-TATATATATATA-33-ATATATATATAT-53-ATATATATATAT-55-TATATATATATA-3o复性的过程复性的过程 单链单链DNA彼此不断随机碰撞，具互补关系的部位进行彼此不断随机碰撞，具互补关系的部位进行碱基配对，产生短的双螺旋区；碱基配对，产生短的双螺旋区；双螺旋区沿着两条单链配对延伸形成双链双螺旋区沿着两条单链配对延伸形成双链DNA分子；分子；DNA复性服从化学动

22、力学的二级反应复性服从化学动力学的二级反应六、六、DNA的分子杂交（的分子杂交（hybridization）oDNA的分子杂交：的分子杂交：不同来源的不同来源的DNA变性后，混合一起，含有碱基互补变性后，混合一起，含有碱基互补配对的序列，在一定条件下退火形成杂合双链结构的过程。配对的序列，在一定条件下退火形成杂合双链结构的过程。o杂交方法：杂交方法：Southern 杂交、杂交、Northern 杂交、杂交、dotblotingdotblotingo作用：作用：基因鉴定基因鉴定鉴别鉴别识别亲缘关系远近识别亲缘关系远近 Southern 杂交（杂交（Southern（1975）建立）建立）将将D

23、NA固定在滤膜上，用标记好的同位素固定在滤膜上，用标记好的同位素DNA探针探针与之杂交，通过放射自显影显示与探针互补的区带，识别与之杂交，通过放射自显影显示与探针互补的区带，识别特异序列。特异序列。oNorthern 分子杂交分子杂交 与与Southern 分子杂交相对应；分子杂交相对应；将将RNA固定在滤膜上固定在滤膜上，用，用DNA探针与之杂交。探针与之杂交。n n斑点杂交（斑点杂交（dotbloting）将将将将DNADNA样品变性后直接点滴到滤膜上，样品变性后直接点滴到滤膜上，样品变性后直接点滴到滤膜上，样品变性后直接点滴到滤膜上，烘烤固定，烘烤固定，烘烤固定，烘烤固定，再与标记好的探

24、针进行杂交。再与标记好的探针进行杂交。再与标记好的探针进行杂交。再与标记好的探针进行杂交。DNA芯片、芯片、DNA微阵列微阵列DNAchip，DNAmicroarrayDNAchipDNAchip第五节第五节 DNA DNA与染色质与染色质Histoneoctamer DNA DNA核小体核小体核小体核小体螺线管螺线管螺线管螺线管超螺线管超螺线管超螺线管超螺线管染色单体染色单体染色单体染色单体压缩压缩7 7倍倍压缩压缩6 6倍倍压缩压缩4040倍倍压缩压缩5 5倍倍共计压缩共计压缩84008400倍倍chromatinDNAdoublehelixhistone DNA核小体核小体核小体核小体螺线管螺线管螺线管螺线管超螺线管超螺线管超螺线管超螺线管染色单体染色单体染色单体染色单体压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍共计压缩共计压缩84008400倍倍oDNA是主要的遗传物质是主要的遗传物质oDNA的基本组成成分的基本组成成分o DNA的一级和二级结构的一级和二级结构o DNA在体内稳定存在的因素在体内稳定存在的因素o DNA的变性和复性，核酸分子杂交的变性和复性，核酸分子杂交oDNA双螺旋分子到染色质的组装双螺旋分子到染色质的组装Summary