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1、,第二章 染色体与DNA,2,一、遗传物质是DNA的证据 二、遗传物质的化学组成 三、遗传物质的空间结构 四、遗传物质的不同存在形态 五、遗传物质的不同类型,基本内容,3,一、遗传物是DNA的证据 1、遗传物质的必备条件 1）能储存大量的遗传信息 2）结构相对稳定 3）能够精确复制 4）能够世代传递 5）能表达为其它大分子物质 6）具有变异能力,4,1868年，瑞士科学家F.Miescher从外科绷带上的 脓细胞中分离一种有机物质核素（nuclein）是 人类第一次有了核酸的概念。但到1928年人们仍 然认为遗传物质是蛋白质 蛋白质由20种氨基酸组成，若蛋白分子都为100个氨基酸，则可形成20
2、100 种蛋白质。 1875年以后，Miescher对核素的热情有所减退，在否掉核素作为遗传物质的可能后，他猜测遗传信息 也许是藏在细胞内的哪个大分子的立体构象中毕竟，一个蛋白质内只要含有50个手性碳原子，就代表它的立体异构体能有2的50次方那么多种，那是十万亿 那个数量级。,5,2、遗传物质是DNA的间接证据 DNA的稳定性：作为遗传物质要有稳定性，要 有世代连续性（种类、数量） DNA 蛋白质 不同细胞 一样 不一样 不同组织 一样 不一样 不同发育时期 一样 不一样 不同个体 一样 不一样 子代与亲代 一样 不一样 代谢过程中 不被分解 被分解,6,3、遗传物质是DNA的直接证据 1）肺
3、炎双球菌的转化试验：（Griffith 1928) 两种肺炎双球菌的区别 光滑型（S） 粗糙型（R） 荚膜 有 无 毒性 有 无 保护作用 有 无 致病作用 有（肺炎、败血症） 无 菌落类型 光滑 粗糙,7,8,对试验结果的解释： Griffith的实验高温（65O C)破坏的是蛋白 质，结果已经说明用高温杀死的S型细菌中 有一种物质能够进入R型细菌，使R细菌转化 为S型细菌。实际上进入R型细菌的是DNA， 是遗传物质，但是，他却指出是一些营养 上的“汁”。得出了非常重要的结果，却没 能科学的解释它,9,2）Avery的转化试验：（1944年）,10,Avery的进一步证实： 对猜想物质的超离
4、心，根据分子重量证明是DNA 对猜想物质的电泳，证明是DNA 对猜想物质的紫外线吸收测定(260)，证明是DNA （蛋白质的吸收波长为280） 对猜想物质氮与磷比值较高为1.67，也证明是DNA 对猜想物质用蛋白酶、多糖酶、核糖核酸酶处理， 均不被破坏，只被DNA酶所破坏。,11,Avery试验的意义： 发现了生命的本质， 为分子遗传学的发展奠定了基础， 让人们知道了应该升入研究什么， 提供了一个巧妙的实验设计方法 我是世界上第一个手拿一试管基因的人。 Avery没有获得诺贝尔奖金的原因： 蛋白质是遗传物质的观念根深蒂固 提取的核酸中仍然有少量蛋白质污染 Avery不善于宣传自己和争辩 Ave
5、ry去世过早,12,35S标记细菌 32P标记细菌,噬菌体,3）噬菌体的感染试验:(Hershey Chase 1952),13,离心管上面是噬菌体外壳，具有80%的放射活性，下面是细菌，具有20%的放射活性（部分噬菌体还在细菌细胞上面）说明蛋白质外壳没有进入细菌细胞 离心管上面是噬菌体外壳，具有30%的放射活性（有部分噬菌体还没有把DNA注入细菌细胞细胞），下面是细菌，具有70%的放射活性。说明噬菌体的DNA进入了细菌细胞 说明DNA是遗传物质,14,4）烟草花叶病毒重建试验（1957，Fraenkel),烟草花叶病毒有一圆筒状蛋白质外壳，由2130 个蛋白质亚基组成，内含一个单链RNA分子
6、。把 此病毒放在水和苯酚中震荡可以把蛋白质与RNA 分开。1956年，Gierer 病毒RNA RNAase处理RNA,有病斑 出 现,无病斑 出 现,15,烟草花叶病毒A： 烟草花叶病毒B： 感染时出现A病斑 感染时出现B病斑 RNA 蛋白质 RNA 蛋白质,蛋白质 蛋白质 RNA RNA,B病斑,A病斑,16,17,三、核酸的化学组成 1、元素组成 含有C.H.O.N外，还有大量P，个别核酸中还有S 2、193040年，Kossel & Levene等确定核酸的的组分：把核酸水解后会产生嘌呤及嘧啶的衍生物 戊糖 磷酸,18,核酸的组成成分,核酸 nucleic acid,核苷酸 nucle
7、otide,核苷 nucleoside,磷酸 phosphate,嘌呤碱 purine base 或 嘧啶碱 pyrimidine base,（碱基 base）,核糖 ribose 或 脱氧核糖 deoxyribose,（戊糖 amyl sugar）,19,嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),碱 基,20,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),21,戊 糖,22,核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR,核苷酸的结
8、构(nucleotide structure),四、遗传物质的空间结构,23,核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,24,C,G,A,25,一级结构（primary structure）,一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序及连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。,1、核苷酸的连接方式： 3, 5磷酸二酯键,2、核酸的基本结构形式：多核苷酸链,信息量：4n 末端： 5 端、 3端 多核苷酸链的方向： 5端3端(由左至右),26,DNA分子的大小 天然存在的DNA分子最显著的特点是很长，分子质量很大，一般在106-101
9、0 。 DNA的碱基组成有如下特点：,具有种的特异性。 没有器官和组织的特异性。 在同一种DNA中，A=T 、G = C ，即A+G = T+C ， 即嘌呤碱基的总摩尔数与嘧啶碱基的总摩尔数相等碱基当量 定律又称Chargaff原则。 年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA的碱基组成。,27,DNA的二级结构,（一） WatsonCrick右手双螺旋结构模型 1、实验根据 X射线衍射方法研究DNA纤维的结构. 1938年Astbury & Bell用x衍射技术研究DNA。1947年拍摄了第一张DNA的衍射 照片，并推断DNA分子的结构是： 柱状； 多核苷酸是一叠扁平的核苷酸； 核酸残基取向和分
10、子长轴垂直,间距为3.4。,28,1950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AT，GC，AGCT。 1951年， Pauling和Corey运用化学的定律来推理，而不做具体的实验，建立了蛋白质的-螺旋模型； Franklin & Wilkins在1952年底拍得了DNA结晶X衍射照片。,29,1951年，Pauling提出了蛋白质的-螺旋结构。,30,1952年， Wilkins和Franklin用高度定向的DNA纤维作出高质量的X-光衍射照片,31,1953年，Watson和Crick提出DNA的反向平行双螺旋模型,32,DNA双螺旋结构的
11、要点,（1）DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5端3端，而另一条链的方向为3端5端。,（2）嘌呤和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90角。,（3）螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34 nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈的高度）为3.4 nm。,35,（4）维持两条DNA链相互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结合具有严格的配对规律:A与T结合，G与C结
12、合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。 在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。,36,（5）螺旋表面形成大沟(major groove)及小沟(minor groove)，彼此相间排列。小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础。 （6）氢键维持双链横向稳定性；碱基堆积力维持双链纵向稳定性（芳香族碱基间的电子间相互作用）。,37,Watson and Cricks 1953 Nature paper proposing a double helix structure for DNA: A structure for Deoxy
13、ribose Nucleic Acid 2 April 1953 MOLECULAR STRUCTURE OF NUCLEIC ACIDS,38,维持DNA双螺旋稳定性的因素,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。 DNA双螺旋结构中，配对碱基之间的氢键处于连续不断的断裂和再生的动态平衡之中。,39,碱基配对及氢键形成,40,2、碱基堆积力 碱基堆积作用对维持DNA的二级结构起着主要作用，它是碱基对之间在垂直方向上的相互作用。它包括：疏水作用、范德华力等。 疏水作用力使DNA相邻的碱基有相互
14、堆集在一起的趋势，这是形成碱基堆集力的重要因素之一。 DNA双链中存在大量的嘌呤环和嘧啶环，其累积的范德华力是相当可观的，这是形成碱基堆集力的另一个重要因素。 已经堆积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。,41,带负电荷的磷酸基的静电斥力 DNA溶液中的离子浓度降低时，阳离子在磷酸基周围形成的屏蔽作用减弱，使得磷酸基地静电斥力增大，因而Tm值随之降低。所以纯蒸馏水中的DNA在室温下就会变性。 碱基分子内能 温度升高，碱基分子内能增加时，碱基的定向排列遭受破坏，削弱了碱基的氢
15、键结合力和碱基的堆集力，会使DNA的双螺旋结构受到破坏。,42,目前已知DNA双螺旋结构可分为A、B、C、D及Z型等数种，除Z型为左手双螺旋外，其余均为右手双螺旋。,Z-DNA B-DNA,43,44,45,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后活性明显降低。B-DNA和Z-DNA之间的变构是转录调节的一种模式。 首次揭示Z-DNA分子的生物功能，科学家怀疑这个Z-DNA分子根本就是细胞自己产生的突变剂(mutagen) Proc. Natl. Acad. Sci. USA,2006 在活的生物体内，不论是DNA的二级结构还是高级结构，都存在一个动力学的平衡。,46,47,二级结构的其他形式,（一）单链核酸形成的二级结构 RNA是主要的单链核酸，RNA分子内部存在部分序列之间的碱基配对，核酸链自身回折配对产生反向平行的双螺旋结构，叫发夹结构（hairpin）。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。,48,49,端粒DNA四链结构：鸟嘌呤四聚体,50,3、三链DNA 1) 三链DNA的发现 1957年Felsenfeld等
