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1、第二章 核酸的结构与功能,第一节 遗传物质的本质第二节 核酸的化学组成第三节 DNA的二级结构第四节 DNA分子的高级结构 第五节 RNA的结构与功能第六节 核酸的变性、复性与分子杂交,第一节 遗传物质的本质,1、 遗传物质必须具有的特性,a、贮存并表达遗传信息,b、能把信息传递给子代,c、物理和化学性质稳定,d、具有遗传变化的能力,DNA的特征,各异的碱基序列储存大量的遗传信息,碱基互补是其复制、转录表达遗传信息的基础,生理状态下物理、化学性质稳定,有突变和修复能力，可稳定遗传是生物进化的基础,一、DNA携带两类不同的遗传信息,2、 DNA携带两种遗传信息,a、编码蛋白质和RNA的信息(编码
2、tRNA、rRNA),64个三联体密码子 三个终止密码子编码氨基酸的61个密码子由简并性、通用性,b、编码基因选择性表达的信息,* 原核生物的结构基因占Genome的比例很大,x174phage 5386bp 结构基因用去5169bp比例达96,* 真核生物的结构基因占Genome的比例很小,哺乳动物中结构基因只占1015,其余80以上的DNA起什么作用目前还无法精确解释，但可以肯定其中大部分DNA序列是编码基因选择性表达的遗传信息,表现在： 细胞周期的不同时相中个体发育不同阶段不同的器官和组织不同的外界环境下各种基因的表达与否以及量的差异,所以又称调控序列,二、 RNA也可作为遗传物质,*
3、RNA病毒传染媒介是病毒颗粒（病毒基因组RNA、蛋白质外壳）Tobacco Mosaic Virus (TMV),* 类病毒（viroid）: 使高等植物产生疾病的传染性因子只由RNA组成,三、 是否存在核酸以外的遗传物质,Prion (proteinaccous infections particle) 引起的风波 朊病毒蛋白质样的感染因子,羊搔痒病 (scripie),Prion 复制? 转录? 翻译?,人类库鲁（ kuru） 病,牛海绵状脑炎(疯牛病),均由传染性病原蛋白颗粒引起,统称Prion (朊病毒),第二节 核酸的化学组成,核 苷 酸 的 结 构,左 边 是 电 脑 模 型 ，
4、右 边 是 简 化 的 表 示 法,酯键,糖苷键,嘧啶Pyrimidines,嘌呤Purines,一、 含氮碱基、核苷、核苷酸, 碱基 Nitrogenous bases, 核苷（nucleotide）,嘧啶的1位N原子、嘌呤的9位N原子,核糖是戊糖 RNA核糖核苷DNA脱氧核糖核苷,1,9, 核苷酸（nucleotide acid）,核苷的磷酸酯 脱氧核糖核苷酸核糖核苷酸,Deoxynucleotides,其中和、和之间是高能磷酸键,dNTP,Ribonucleotides,核糖核苷三磷酸缩写为NTP,二、DNA分子的一级结构(DNA sequence),1、 多聚核苷酸链主链是核糖和磷酸侧
5、链为碱基,由3,5磷酸二酯键连接,2、 链的方向：同一个磷酸基的3酯键到5酯键的方向(53),5-UCAGGCUA-3= UCAGGCUA默认书写顺序53,3、 DNA一级结构的特点,a、脱氧核糖是其显著特点DNA极其稳定的根本原因,DNA在高pH值时磷酸酯键非常稳定 只是碱基存在构像的变化变化,酮式,烯醇式,酮式,烯醇式,RNA 在高pH时则稳定性很差,由于2OH导致的水解,b、磷酸呈四面体构型，脱氧核糖呈折叠的五元环，碱基是平面的,C、主链是亲水的，侧链（碱基）是疏水的主链的脱氧核糖的羟基能与水形成氢键，而磷酸基团在生理条件下离解为负离子这些特点保证了多核苷酸链可形成稳定的构象,4、 一级
6、结构的概念指DNA分子中的核苷酸排列顺序不同生物借此贮存遗传信息决定DNA的二级结构和高级结构,第三节 DNA的二级结构,一、 DNA双螺旋模型的提出（double helix model）,* 依据,a、 1938. W. T. Astbury 首次用X射线分析DNA,b、 1950 Chargaff A + G / T + C = 1 A+T G + C,c、 1952 Alexander Todd发现了核苷酸和核苷酸之间由磷酸二酯键联接,d、 1952 M.H.F.Wilkins & Rosalind Franklin得到了高度定向的DNA纤维的X-射线照片发现原子长轴存在0.34和3.
7、4nm两种周期性,此外，之前的密度测定表明螺旋由两条多核苷酸链组成，且直径恒定（2nm)。,* 提出 1953. Watsosn & Crick,右手 B- DNA Double helix Model,* 双螺旋的主链,Phosphodiester Backbone,C-G,T-A,碱基互补, 直径20,* 双螺旋模型参数, 螺距为34（任一条链绕轴一周所升降的距离）, 每圈有10个核苷酸 （碱基）, 有大沟和小沟配对碱基并不充满双螺旋空间，且碱基对占据的空间不对称, 两个碱基之间的垂直距离是3.4。螺旋转角是36度,Major Groove,Minor Groove,10.4 bp/tur
8、n,Twist 36, 大、小沟的差异, 大沟中碱基差异容易识别 ，往往是蛋白质因子结合特异DAN序列的位点, 小沟相对体现的信息较少,二、 影响双螺旋结构稳定性的因素,l 氢键 (Hydrogen bond 46 kc / mol),消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力,弱键, 可加热解链,氢键堆积, 有序排列(线性, 方向),l 磷酸酯键 (phosphoester bond 8090 kc / mol),l 0.2 mol / L Na+ 生理盐条件,强键, 需酶促解链,* 维持稳定性的因素,l 碱基堆积力 (非特异性结合力),( 1 kc / mol 0.6kc / mol ) n,
9、范德华力（Van de waals force）(1.7A/ 嘌呤环与嘧啶环 作用半径),(0.34 nm/碱基对间距), 疏水作用力 (Hydrophobic interaction),不溶于水的非极性分子在水中相互联合, 成串结合的趋势力. 即熵 值(Entrophy)S上升-热力学上的稳定态,成为碱基间的部分堆积力,(磷酸骨架, 氨基, 酮基周围水分子间的有序排列 ),非极性分子间（嘌呤和嘧啶碱基）的相互成串结合 熵值 上升(S going up),l 磷酸基团间的静电斥力,碱基内能增加(温度), 使氢键因碱基排列有序状态的破坏而减弱,* 不稳定因素,三、双螺旋结构的基本形式, B-DN
10、A 资料来自相对湿度为92所得到的DNA钠盐纤维, 此外人们还发现了A、C、D、E等右手双螺旋和左手双螺旋Z构象等形式,DNA结构的多态性：几种不同的DNA双螺旋结构以及同一种双螺旋结构内参数存在差异的现象,原因：多核苷酸链的骨架含有许多可转动的单键磷酸二酯键 的两个P-O键、糖苷键、戊糖环各个键,戊糖的构象,A DNA,B DNA,A,B,Z,A,B,Z,大沟宽,小沟窄,小沟窄,大沟变深,小沟宽深,大沟不存在,小沟窄而深,1、反向重复序列与二级结构反向重复序列（inverted repeatitive sequence or inverted repeats IR）又称回文序列（廻文）：指两
11、段同样的核苷酸序列同时存在于一个分子中，但具有相反的方向.有时也有不完全相同的情况, RNA和DNA中都可能存在. 此外还可有directed repeatitive sequence -正向重复序列,第四节 DNA序列的高级结构,C,反向重复序列间间隔较短或无间隔,反向重复序列间间隔较长,* 较短的回文序列可能是作为一种信号如：限制性内切酶的识别位点 一些调控蛋白的识别位点,2、三螺旋DNA (Trible Helix DNA, T.S DNA),例如限制性内切酶 EcoR的识别位点 5GAATTC33CTTAAG5,（1） 发现和证实, 1953 年 Watson & Crick D.S
12、DNA model证明沿大沟存在多余的氢键给体与受体,潜在的专一与DNA (蛋白质) 结合的能力,形成T.S DNA 可能性,这些发现促进了三螺旋DNA的研究,（2） 形成条件 第二股中间链必须是嘌呤链 第三股链至少长于八个核苷酸, 1957 Felsenfeld等 发现一股为嘌呤，另一股为嘧啶的核苷酸双链能够形成三链如： polyA/polyU polydA/polydT polyd (AG)/polyd(CT), 1987 年 Mirkin . S . M,证明plasmid DNA 在 pH= 4.3的溶液中, 有T.S DNA的存在,三螺旋DNA的概念提出,a、 D.S. DNA +
13、D.S.DNA,T.S. DNA + S.S. DNA,（3） 组成形式, 双链DNA的同源回文序列形成的三链DNA（镜向重复）,Mirkin (1987) pGG332 plasmid DNA,b、 分子组成PY/PU + PU (偏碱性介质中稳定) GG 、 AA 、GAPY/PU + PY (偏酸性介质中稳定) 常见类型 GC AT,第三条链位于B-DNA的 Major groove中,H-DNA,两种异构体,T. S. DNA 的连接键,Watson bondingA TG C(D. S. DNA),H+,Hoogsteen 氢键 G C+(质子化 ) (第三链 , pH 小于7),三
14、股螺旋DNA结构特点总结,第三条单链DNA分子位于B-DNA大沟内,与B-DNA以 Hoogsteen 键连接,poly(Py) : (Pu) : (Py)为常见类型,* 可能功能可能与基因调控区域的功能和染色体重组有关,3、 四股螺旋DNA ( tetraplex DNA, Tetrable Helix DNA ),发现,1958. Poly(G) X-ray photograph,碱基形成环状氢键连接结构,Tetrable Helix DNA,均有形成 四股螺旋DNA 的可能,形成条件串联重复的鸟苷酸, 已有实验结果表明真核细胞端粒中存在四链结构,结 构 特 点,碱基之间靠 Hoogste
15、en 键连接,基本结构单元鸟嘌呤四联体,可能的功能,A、 稳定真核生物染色体结构,B、 保证DNA末端准确复制,C、 与DNA分子的组装有关,D、 与染色体的 meiosis & mitosis 有关,4、超螺旋（superhelix OR supercoil）, 最早在SV40和多瘤病毒中发现, 超螺旋是所有线性或环形DNA的共有的重要特征,The supercoils of the SV40 minichromosome can be relaxed to generate a circular structure, whose loss of histones then generates supercoils in the free DNA.,
