高中物理DNA的分子特性

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1、一、核酸的分子结构二、DNA的变性和复性1 1一、核酸的分子结构一）核酸的化学成分二）DNA的一级结构三）DNA的二级结构四）DNA结构的多态性2 21）核酸是由什么组成的？核酸是生物体内的高分子化合物。核苷酸脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）DNA和RNA都是由一个一个核苷酸 (nucleotide)头尾相连而形成的。含氮有机碱(称碱基) 戊糖 磷酸嘌呤：、嘧啶：、一）核酸的化学成分3 3碱基结构图4 4戊糖:RNA中是D核糖，DNA中是D2脱氧核糖糖苷键的连接都是构型。 5 5核苷 nucleoside 6 6

2、核苷酸(nucleotide)核苷的磷酸酯核酸分子的结构单元 3核苷酸 5核苷酸5磷酸腺苷的结构式7 72）核苷酸是怎么连接的？8 83，5 - 磷酸二酯9 9寡核苷酸（oligonucleotide)指二十个核苷酸残基以磷酸二酯键连接而 成的线性多核苷酸片段。使用时，对核苷酸残基的数目并无严格规定寡核苷酸目前已可由仪器自动合成，作为 DNA合成的引物（primer)、基因探针（probe)等 10103）核酸链的简写式表示的主要内容是核酸链中的核苷酸或碱基两种常用的简写式字符式线条式1111（1）字符式 英文大写字母缩写符号 碱基 小写英文字母p 磷酸残基 糖基、糖苷键和酯键等均省略不写 碱

3、基和磷酸相间排列1212例：DNA链和RNA链片段的简写式 5ppppppppp3DNA 5ppppppppp3RNA可进一步简化为： 5p3 5p3若5端不写p，则表示5末端为自由羟基。1313双链DNA分子的简写式省略磷酸残基，同时再增加一条互补链；链间的配对碱基用短纵线相连或省略；错配碱基对错行书写在互补链的上下两边。53 355C（错配） 1414（2）线条式垂线（位于碱基之下） 糖基斜线（位于垂线与之间） 磷酸酯键1515简写式表示的含义核酸分子的一级结构核酸分子中的核苷酸排列顺序 16161）DNA一级结构的概念DNA分子中核苷酸的排列顺序，又称碱基顺序53 35如：二）DNA的一

4、级结构1717 生物遗传信息：包含在碱基排列顺序中； 基因：DNA分子中不同排列顺序的DNA区段 构成特定的功能单位； 不同基因的功能各异，各自分布在DNA的一 定区域； 基因的功能取决于DNA的一级结构。18182）DNA物理图谱DNA链的限制性酶切片段的排列顺序，即酶 切片段在DNA链上的定位。 限制性内切酶识别DNA内特异序列 核苷酸序列不同，酶切图谱也不同 1919DNA物理图谱是DNA分子结构的特征之一53 35co20201）DNA双螺旋结构的主要依据（1）50年代初的核酸研 究现状使人们普遍接受的 观点：多核苷酸的特定序 列是遗传信息所在。 三）DNA的二级结构2121（2）组成

5、DNA的四种碱基的比例关系1949-1951年间，Chatgaff应用紫外分光光度法结合纸 层析等技术，对不同来源的DNA进行了碱基定量分析：DNA 来源 腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤胞嘧啶(A+T) /(G+C)大肠杆菌25.424.824.125.71.01小麦26.828.023.222.71.21鼠29.725.621.922,81.21猪:肝胸腺脾29.4 30.0 29.629.7 28.9 29.220.5 20.4 20.420.5 20.7 20.81.43酵母31.332.918.717.11.0792222Chatgaff 对DNA碱基组成的研究结果A、以摩尔含量表示， A=T和

6、C=G；B、 不同物种组织DNA总碱基组成上有很大变化 ，表现在A+T/G+C比值的不同，但同种生物的 不同组织DNA碱基组成相同； C、嘌呤碱基的总和与嘧啶碱基的总和相等。 2323(3)Wilkins及其同事Franklin等用X射线衍 射方法获得的DNA结构资料 高度定向DNA纤维晶体 DNA结构螺旋周期性碱基的空间取向24242）DNA双螺旋结构的要点(1)主链(backbone)2525(2)碱基对(base pair) 碱基位于螺旋的内则 以垂直于螺旋轴的取向通过糖苷键与主链糖 基相连 同一平面的碱基在二条主链间形成碱基对 配对碱基总是A与T和G与C。碱基对以氢键 维系，A=T ，

7、G = C。 2626(3)大沟和小沟：小沟位于双螺旋的互补链之间， 而大沟位于相毗邻的双股之间。(4)结构参数：螺旋直径2nm；螺旋周期包含10对碱 基；螺距3.4nm；相邻碱基对平面的间距0.34nm。 27273）DNA双螺旋结构与DNA复制l 双螺旋结构模型能够圆满地解释作为遗传功能分 子的DNA是如何进行复制的；l 半保留复制机制(semi-conservative replication)。是生物体遗传信息传递的最基本方式 2828电镜下的DNA复制2929四）DNA结构的多态性atson和Crick以在生理盐溶液中抽出的 DNA纤维在92相对湿度下进行X射线衍射 图谱得出的DNA

8、称B构象。研究表明DNA的结构是动态的30303131A构象：以钠、钾或铯作反离子，相对湿度为75 时，DNA分子的X射线衍射图。出现于脱水DNA中出现于DNARNA杂交分子中C构象：以锂作反离子，相对湿度进一步降为66 ，DNA分子的X射线衍射图。仅在实验室中观察到32323333D和E构象：相对湿度进一步下降，同时DNA分 子中G-C碱基对较少的X-衍射图。不同构象DNA的共同特点都是右手双螺旋两条反向平行核苷酸链通过Watson-Crick碱 基配对结合在一起链的重复单位是单核苷酸 都有两个螺旋沟，即大沟与小沟3434CGCGCG单晶的X射线衍射图谱研究左手双螺旋主链中各个磷酸根呈锯齿状

9、排列如“之”字形一样，称为Z构象重复单位：二核苷酸只有一个螺旋沟3535 ZDNA的形成DNA单链上出现嘌呤与嘧啶 交替排列所成。 嘌呤碱是顺式的 嘧啶碱是反式的 嘧啶糖苷链向外挑出 嘌呤糖苷键弯向小沟 ZDNA主链呈锯齿状或“ 之”字形 3636 ZDNA生物学意义？ ZDNA的形成通常在热力学上是不利的。静电排斥解链位点 与基因调节有关 沟的特征在其信息表达过程中起关键作用 ZDNA中大沟消失，小沟狭而深，使调控蛋白识别方式 也发生变化3737pDNA二级结构多态性的发现拓宽人 们的视野p生物体中最为稳定的遗传物质可 以采用不同的姿态来实现其丰富多 采 DNA构象的可变性3838二、DNA

10、的变性和复性一）DNA的变性 二）DNA的复性 三）核酸分子杂交 3939变性(denaturation)和复性(renaturation) u 是双链核酸分子的两个重要物理特性。u 是核酸研究中经常引用的术语。u 双链DNA、RNA双链区，DNA: RNA杂种双 链(hybrid duplex)以及其它异源双链核酸分子 (heteroduplex) 都具有此性质。 4040一) DNA的变性指DNA分子由稳定的双螺旋结构松解为 无规则线性结构的现象。n本质：氢键和疏水键断裂n部分的或全部的n可逆的或非可逆的n不涉及到其一级结构的改变4141变性DNA 的理化及生物学性质溶液粘度降低 溶液旋光

11、性发生改变 增色效应或高色效应DNA的增色反应 4242破坏双螺旋稳定性的因素加热 极端的pH甲醇 乙醇尿素 甲酰胺 4343热变性使DNA分子双链解开所需温度 ( melting temperature)很狭的温度范围内突发的跃变过程熔解温度（Tm）4444不同来源DNA间的Tm存在差别的原因（A）DNA的均一性DNA分子中碱基组成的均一性 待测样品DNA的组成是否均一4545(B) DNA的(G+C)含量(G+C)含量越高，即G-C碱 基对越多，Tm值越高。Tm与(G+C)含量(X)百分数 的关系可用以下经验公式表示 (DNA溶于0.2mol/L NaCl中)： X%(G+C)=2.44(

12、Tm69.3)DNA的Tm值与G-C含量的关系 4646 离子强度低，Tm值低，融点范围宽 离子强度增高，Tm值增高，融点范围变窄DNA制剂不应保存在离子强度过低的溶液中，一般 保存在1mol/ NaCl溶液中较稳定。 （C）溶剂的性质4747二) DNA的复性 指变性DNA 在适当条件下，两条互补链全部或 部分恢复到天然双螺旋结构的现象。是变性的一种逆转过程经缓慢冷却即可复性，又称为“退火”4848热变性过程和两种冷却过程示意图 4949影响因素a）温度和时间 比Tm低25左右的温度是复性的最佳条件 越远离此温度，复性速度就越慢 复性时温度下降必须缓慢 降温时间太短及温差大不利于复性 505

13、0b）DNA浓度复性速度与DNA浓度的平方成正比5151c）DNA顺序的复杂性顺序越简单，配对越快。DNA片段愈大，扩散速度愈低，复性越慢。 盐浓度越高，复性速度越快。 d）DNA分子的大小e）溶液的离子强度5252三）核酸分子杂交 分子杂交(hybridization)是核酸研究中一项 最基本的实验技术。基本原理：应用核酸分子的变性和复性的性质，使来 源不同的DNA(或RNA)片段，按碱基互补关系 形成杂交双链分子。5353杂交双链可以在DNA与DNA链之间，也可 在RNA与DNA链之间形成。杂交的本质就是在一定条件下使互补核酸 链实现复性(加热或碱处理)，使双螺旋解开成 为单链，因此，变性技术也是核酸杂交的一个 环节 。5454杂交的目的是识别靶DNA中的特异核苷酸序列，需 探针(probe)的制备技术。探针是指带有某些标记物的特异性核酸序列片段。 5555蛙受精卵细胞荧光标记5656GFP荧光图片5757基因芯片5858基因芯片5959基因芯片6060已应用于核酸结构与功能研究的各个方面。在医学上，已用于多种遗传性疾病的基因诊断 ，恶性肿瘤的基因分析，传染病病原体的检测 等领域中。 6161