遗传物质的分子结构性质和功能.ppt

第一章 遗传物质的分子结构性质和功能 授课教师 孙维洋 v核酸与蛋白质一样，是一切生物机 体不可缺少的组成部分。 v核酸是生命遗传信息的携带者和传 递者，它不仅对于生命的延续，生 物物种遗传特性的保持，生长发育 ，细胞分化等起着重要的作用，而 且与生物变异，如肿瘤、遗传病、 代谢病等也密切相关。 v因此，核酸是现代生物化学、分子 生物学和医药科学的重要基础之一 。 核酸与遗传 v早在1868年，瑞士人F. Miescher从细 胞核中分离得到一种酸性物质，即现在 被称为核酸的物质。 v1928年，英国Fredrick Griffith等第 一次用实验方法证实DNA是生命遗传的 基础物质。 v1953年，Watson和Crick提出的DNA双螺 旋模型真正使人们相信DNA才是遗传物 质。 v大部分生物的遗传物质是DNA，但 是也有些生物是以RNA作为遗传物 质 如：烟草花叶病毒中分离得到的RNA 也能够侵染植物，如果用RNA酶处 理，就失去侵染能力，而分离的蛋 白部分则没有这种侵染能力。 第二节 核酸的结构 v一、核酸的一级结构 v多聚核苷酸是由四种不同的核苷酸单元按特定 的顺序组合而成的线性结构聚合物，因此，它 具有一定的核苷酸顺序，即碱基顺序。 v核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。 vDNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子 形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中 四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。 v而mRNA(信息RNA)的碱基顺序，则直接为蛋白 质的氨基酸编码，并决定蛋白质的氨基酸顺序 。 C值：在每一种生物中，其单倍体 的基因组DNA总量是特异的，称 之为C值。 C值矛盾：某生物的C值与进化的 复杂程度不一致就称为C值矛盾 （C -value paradox ） 例如一些植物的基因组DNA含量 比人类还要高几十倍，这显然是 无法解释的，这就是C值矛盾。 二、DNA的二级结构 v1953年，J. Watson和 F. Crick 在前人研究 工作的基础上，根据 DNA结晶的X-衍射图谱 和分子模型，提出了 著名的DNA双螺旋结构 模型，并对模型的生 物学意义作出了科学 的解释和预测。 1DNA双螺旋结构的特点 vDNA分子由两条DNA 单链组成。 vDNA的双螺旋结构 是分子中两条DNA 单链之间基团相互 识别和作用的结果 。 v双螺旋结构是DNA 二级结构的最基本 形式。 DNA双螺旋结构的要点 （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53，而另一条链的方 向为35。 （2）嘌呤碱和嘧啶 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。 DNA双螺旋结构的要点 （3）螺旋横截面的直 径约为2 nm，每条 链相邻两个碱基平 面之间的距离为3.4 nm，每10个核苷酸 形成一个螺旋，其 螺矩（即螺旋旋转 一圈）高度为34 nm 。 DNA双螺旋结构的要点 DNA双螺旋结构的要点 （4）两条DNA链相互结合 以及形成双螺旋的力是 链间的碱基对所形成的 氢键。 碱基的相互结合具 有严格的配对规律，即 腺嘌呤（A）与胸腺嘧 啶（T）结合，鸟嘌呤 （G）与胞嘧啶（C）结 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。 2DNA双螺旋的稳定性 vDNA双螺旋结构在生理条件下是很稳 定的。 维持这种稳定性的因素包括： v两条DNA链之间形成的氢键； v同一条链中的相邻碱基能够形成一 种堆积力，称为碱基堆积力 DNA的二级结构分为两大类 右手螺旋：右手螺旋：A-DNAA-DNA B-DNA B-DNA C-DNA C-DNA D-DNA D-DNA 左手螺旋：左手螺旋：Z-DNAZ-DNA 生物体内正常的DNA为B-DNA； 转录时的DNA-RNA杂交链为A-DNA，对 基因表达有重要意义； 左手螺旋Z-DNA不能推翻右手双螺旋模 型，而是其有益的补充和发展，通 过B-DNA和Z-DNA之间的相互转化， 可以影响聚合酶能否与模板链结合 而调节转录起始活性。 三、DNA的三级结构 DNA的三级结构即在DNA双螺旋结 构基础上，进一步扭曲所形成的 特定空间结构。 也就是超螺旋结构，分为正超螺 旋和负超螺旋 拓扑异构酶（topoisomerase）： 为催化DNA拓扑学异构体相互转变的 酶之总称。 在闭环状双链DNA的拓扑学转变中，切 断一个链而改变拓扑结构的称为型 拓扑异构酶，通过切断二个链来进行 的称为型拓扑异构酶。 拓扑异构酶：1切口，解旋 拓扑异构酶：2切口，超螺旋 二、RNA的结构 单链线性分子，局部双螺旋 也具有高级结构 有些RNA具有催化活性，称为核酶 （ribozyme） 第三节 核酸的功能 v一、DNA的功能及基因治疗 v结构基因：编码蛋白质中氨基酸序列的 基因 v调控基因：调节基因选择性表达的基因 v基因治疗：利用分子生物学技术，校正 基因结构和功能异常，阻止病变的进展 ，杀灭病变细胞或抑制外源病原体基因 的复制，而治疗疾病的方法。 v基因治疗分为体外和体内治疗两种方式 。 二、RNA的功能 1.hnRNA和mRNA的功能 mRNA的原是转录物是分子量极大的前体，在 核内加工过程中形成分子大小不同的中间产物 ，称为核内不均一RNA，hnRNA。 真核生物由DNA转录成RNA的过程发生在细胞 核内，而翻译过程则发生在细胞质中。 原核生物因为没有核膜，所以其转录核翻译 过程几乎是同时进行的。 mRNA (信使RNA) v约占总RNA的5%。 v不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很 大。 v它的功能是将DNA的遗传信息传递到蛋 白质合成基地 核糖核蛋白体。 Messenger RNA tRNA (转移RNA) v约占总RNA的10-15%。 v它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信 息，并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋 白体的作用。 v已知每一个氨基酸至少有一个相应的 tRNA。 vRNA分子的大小很相似，链长一般在73- 78个核苷酸之间。 lTransfer RNA tRNA的功能： 1.与活化的AA形成氨酰tRNA（AAtRNA） tRNA分子上决定其携带氨基酸种类的区 域被称为副密码子。能够携带同一种AA 的tRNA称为同功tRNA。 2.将AA携带到核糖体上 在蛋白质合成中起着原料运输“车辆”的 作用。 3.具有反密码子，可以识别mRNA上的相应 的密码子，将AA合成到蛋白质适当的位 置中 rRNA (核糖体RNA) v约占全部RNA的80%， v是核糖核蛋白体的主要组成部分。 vrRNA 的功能与蛋白质生物合成相关 。 Ribosome RNA vsnRNA、scRNA、iRNA、gRNA v真核细胞内存在许多种类的小分子RNA， 其大小为100至300个核苷酸，这类小分 子RNA按其在细胞内的位置可分为：核内 小RNA（snRNA）和胞浆小RNA（scRNA） 。 v起始RNA（iRNA）DNA生物合成的后滞链 合成时，需要一个短的RNA片段作为引物 ，长约10个核苷酸，是由DNA引发酶所合 成的，这一通用引物称为起始RNA。 v指导RNA（gRNA）RNA编辑过程中的模板 。 v端粒酶RNA、核酶 v端粒：真核生物染色体末端的蛋白质 DNA结构，其功能是完成染色体末端的复 制，防止染色体融合、重组或降解。 v端粒酶：一种自身携带模板RNA的逆转录 酶，催化端粒DNA的合成。 v端粒酶RNA：作为合成端粒DNA模板的核 RNA，是端粒酶的组成部分，对端粒酶的 结构和催化活性是必须的。 v核酶：和通常的蛋白质酶一样，可以催 化各种生化反应。 第四节 核酸的变性、复性与杂交 v(1) 核酸的变性 v核酸的变性是指核酸双螺旋区的多聚核 苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的 过程。变性核酸将失去其部分或全部的 生物活性。核酸的变性并不涉及磷酸二 酯键的断裂，所以它的一级结构(碱基 顺序)保持不变。 v能够引起核酸变性的因素很多。温度升 高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在 均可引起核酸的变性。 vRNA本身只有局部的双螺旋区，所以 变性行为所引起的性质变化没有DNA 那样明显。 v利用紫外吸收的变化，可以检测核 酸变性的情况。 v例如，天然状态的DNA在完全变性后 ，紫外吸收(260 nm)值增加25 40%. v而RNA变性后，约增加1.1%。这种现 象称为增色效应. DNA变性的特征 vDNA的变性过程是突变性的，它在很窄 的温度区间内完成。因此，通常将引起 DNA变性的温度称为熔点，用Tm表示。 v一般DNA的Tm值在70-85C之间。DNA的Tm 值与分子中的G和C的含量有关。 vG和C的含量高，Tm值高。因而测定Tm值 ，可反映DNA分子中G, C含量，可通过 经验公式计算： v （G+C)%=(Tm-69.3)X2.44 DNA变性 v当DNA的稀盐溶 液加热到80- 100时，双螺 旋结构即发生解 体，两条链彼此 分开，形成无规 线团。 vDNA变性后，它 的一系列性质也 随之发生变化， 如紫外吸收(260 nm)值升高, 粘 度降低等。 (2) 核酸的复性 v变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的 单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一 过程称为复性。DNA复性后，一系列性质将 得到恢复，但是生物活性一般只能得到部 分的恢复。 vDNA复性的程度、速率与复性过程的条件有 关。 v将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不 可能复性。但是将变性的DNA缓慢冷却时， 可以复性。分子量越大复性越难。浓度越 大，复性越容易。此外，DNA的复性也与它 本身的组成和结构有关。 DNA复性 (3) 核酸的杂交与应用 v核酸的杂交是指序列互补单链的RNA 和DNA，或异源DNA、异源RNA之间， 根据碱基配对原则，借助氢键相连 而形成双链杂交分子的过程。 v核酸的杂交在分子生物学和遗传学 的研究中具有重要意义。 核 酸 的 杂 交 核酸杂交的应用 v核酸探针的定义：带有检测标记的 能够与靶分子特异性的相互作用的 一段核酸分子。 vSouthern印迹（DNADNA） vNorthern印迹（DNARNA） v原位杂交（探针组织或细胞中的 DNA或RNA） 第五节 病毒核酸 一、病毒的基本概念 二、病毒核酸的一般特征 一、病毒的基本概念 v病毒就是一类由蛋白质外壳和DNA组成的专 属性的细胞内寄生物，不能进行独立的能量 及遗传物质代谢，只能依靠寄主繁殖的非细 胞生物。 二、病毒核酸的一般特性 v有环形的也有线形的 v有正链（能起mRNA的作用）及负链之分 v病毒核酸分子量差别很显著 v病毒核酸利用率很高，同一段病毒核酸可以 编码出几种不同的多肽链 v病毒核酸的基因结构与其所寄生的真核生物 相似，而不是与原核生物相似。是不连续的 ，具有内含子。 v核糖核酸病毒(RNA virus) ，又称 RNA病毒，其遗传物质为RNA，相 较于DNA病毒，的RNA病毒都具有 高变异性，因为它们缺乏具有修正 错误的DNA聚合酶。 v植物病毒，除少数例外（如花椰菜 花叶病毒Caulif- lower mosaic virus ），几乎都是RNA病毒。 双链核糖核酸病毒 The dsRNA Viruses 囊状噬菌体科(Cystoviridae) 呼肠孤病毒科(Reoviridae) 双核糖核酸病毒科(Birnaviridae) 整体病毒科(Totiviridae全病毒科) 金色病毒科(Chrysoviridae):金色病毒属(Chrysovirus) 分体病毒科(Partitiviridae) 低毒性病毒科(Hypoviridae):低毒性病毒属(Hypovirus) 正链核糖核酸病毒 The positive-sense ssRNA Viruses v 光滑病毒科(Leviviridae):光滑噬菌体科 v 二顺反子病毒科(Dicistroviridae) v 微小核糖核酸病毒科(Picornaviridae):小核糖核酸病毒 科 v 随伴病毒科(Sequiviridae伴生病毒科) v 豇豆镶嵌病毒科(Comoviridae) v 马铃薯Y病毒科(Potyviridae) v 杯状病毒科(Caliciviridae):嵌杯病毒科 v 肝炎病毒科(Hepeviridae) v 星状病毒科(Astroviridae) v 野田病毒科(Nodaviridae) v 四病毒科(Tetraviridae) v 西红柿丛矮病毒科(Tombusviridae) 反链核糖核酸病毒 The negative-sense ssRNA Viruses v单股反链病毒目(Mononegavirales) v副黏液病毒科(Paramyxoviridae):麻 疹病毒 v副黏液病毒亚科(Paramyxovirinae) v肺炎病毒亚科(Pneumovirinae)肺病毒亚科 v炮弹病毒科(Rhabdoviridae)杖竿状 病毒科 v纤维病毒科(Filoviridae) 第六节 反义核酸 一、反义核酸概述 反义核酸是指能与特定mRNA精确互 补、特异阻断其翻译的RNA或DNA分 子（antisense nucleic acid）。 利用反义核酸特异地封闭某些基因表 达，使之低表达或不表达，这种技术 即为反义核酸技术。它包括反义RNA 、反义DNA和核酶(ribozymes)三大技 术。 v反义核酶作为一种基因下向调节作 用因子，在抑制一些有害基因的表 达和失控基因的过度表达上发挥着 重要作用。 二、反义核酸的作用原理 u反义核酸目前有三种来源： u一是利用固相亚磷酰胺法人工合成的短 小反义寡聚核苷酸antisense oligodeoxy nucleotides, AONs) ； u二是更具有实用价值的人工表达载 体，包括单个基因和多个基因的联 合反义表达载体，它是利用基因重 组技术将靶基因序列反向插入到载 体的启动子和终止子之间，通过转 录可源源不断产生反义RNA分子； u三是天然存在的反义核酸分子，但 目前分离纯化尚存在困难。 三、反义核酸的作用特点 v反义核酸作为基因治疗药物之一， 与传统药物相比具有诸多优点。 v1)高度特异性：反义核酸药物通过 特异的碱基互补配对作用于靶RNA 或DNA，犹如“生物导弹”。 v2)高生物活性、丰富的信息量；反 义核酸是一种携带特定遗传信息的 信息体，碱基排列顺序可千变万化 ，不可穷尽。 v3)高效性：直接阻止疾病基因的转录和 翻译。 v4)最优化的药物设计：反义核酸技术从 本质上是应用基因的天然顺序信息，实 际上是最合理的药物设计。 v5)低毒、安全：反义核酸尚未发现其有 显著毒性，尽管其在生物体内的存留时 间有长有短，但最终都将被降解消除， 这避免了如转基因疗法中外源基因整合 到宿主染色体上的危险性。 根据宿主病变的不同，基因治疗的策略 也不同，概括起来主要有下列几种： （一）基因修正 （二）基因替代 （三）基因增强 （四）基因抑