第一章 基因与DNA(新的20101009).ppt

基因与DNA 自然界的两大生物大分子 蛋白质 进行生命活动的执行者 储存遗传信息 可以传给后代 核酸 DNA RNA 遗传信息表达的参与者 核酸nucleicacid 大分子 核苷酸nucleotide 基本单位 核苷 磷酸 嘌呤或嘧啶 碱基 戊糖 核糖或脱氧核糖 一 核酸的组成 嘌呤 purinebase 1 2 3 4 5 6 7 8 9 腺嘌呤adenine A N H2N N N N H 鸟嘌呤guanine G N N N H N NH2 嘌呤环 嘧啶 1 3 4 5 6 2 NH2 O N N 胞嘧啶Cytosine C H HN O N H 尿嘧啶uracil U HN O N 胸腺嘧啶thymine T CH3 H 嘧啶 pyrimidinebase 核苷酸 RNA组成 DNA组成 戊糖的不同 DNA脱氧核糖 碱基的不同 DNAA G C T RNAA G C U DNARNA RNA核糖 故二者的基本组成单位分别是 DNA脱氧核糖核苷酸dAMP dGMP dCMP dTMP RNA核糖核苷酸AMP GMP CMP UMP 5 末端的磷酸基团 3 5 磷酸二酯键 3 末端羟基 核苷酸之间的连接 核酸分子的基本结构就是 各个核苷酸组成的核苷酸链 方向5 端3 端 5 pApCpGpTpAOH3 5 ACGTA3 二 DNA的分子结构 一 DNA的基本结构 一级结构 指DNA分子中脱氧核糖核苷酸残基的排列顺序 DNA主要存在于细胞核内 携带遗传信息 其基本功能即作为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板 是生命遗传繁殖的物质基础 DNA对遗传信息的携带是依靠核苷酸中的碱基排列顺序变化而实现的 也就是说生物体遗传信息蕴含在碱基顺序中 二 DNA的空间结构双螺旋结构 1953年4月25日 Watson和Crick在国际权威杂志 自然 上发表题为 核酸的分子结构 脱氧核糖核酸的结构模型 的论文 指出 DNA是双螺旋分子模型 该论文被誉为破解人类生命奥秘的 罗塞达石碑 在核酸研究中具有划时代意义 1962年10月18日他们与Wilkins一起因此获得诺贝尔生理学和医学奖 双螺旋结构的主要建立基础 1 核酸化学研究中所获得的DNA化学组成及结构单元的知识 腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数总是相等 A T 鸟嘌呤的含量总是与胞嘧啶相等 G C 不同生物种属的碱基组成不同 同一个体不同器官 不同组织的具有相同的碱基组成 这里已预示着分子中的碱基A与T G与C以互补配对方式存在的可能性 该理论推翻了当时盛行一时的 四核苷酸假说 特别是20世纪40年代末至50年代初 ErwinChargaff等人采用层析和紫外吸收分析等技术研究了DNA分子的碱基成分 他们提出了以下有关DNA分子的碱基组成的Chargaff规则 5 遗传学研究所积累的有关遗传信息的生物学属性的知识 4 电位滴定证明 嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接 2 Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X射线衍射图谱 其获得的高质量的照片显示出DNA是双螺旋型分子 并测量出DNA螺旋的相关数据 从密度上也提示其为双链分子 3 Pauling研究发现蛋白质多肽链具有 螺旋的空间结构 推测DNA的结构可能也是螺旋结构 Waston 美国分子生物学家 15岁进入芝加哥大学读书 25岁揭示DNA双螺旋模型 34岁获诺贝尔奖 是一位 瘦骨嶙峋 孤寂 腼腆胆怯 说话不多 但才华横溢 总是坚持自己的信念 不管合作者的论点多么貌似强而有力 的人 Crick 英国生物物理学家 1951年与Waston相识 开始共同研究DNA结构 37岁揭示DNA双螺旋模型 46岁获诺贝尔奖 是一位 高大而有绅士风度 充满自信 热情洋溢而又善于表达的人 与Waston是 一个争论不休但富有创造性的共生体 Franklin 英国物理化学家 1951年研究DNA的X射线衍射实验 拍到一张高清晰度的DNA潮湿状态下的照片 即著名的第51号照片 1953年1月得出结论DNA的潮湿状态是双螺旋结构 1953年2月她认为DNA的潮湿和干燥状态都是双螺旋结构 并测出DNA结构的相关数据 是一位 思想机敏而专一 爱好辩论 的人 她在Waston和Crick之前得出DNA的双螺旋结构 却与诺贝尔奖擦肩而过 1958年38岁去世 1962年10月19日早晨 在前一天刚获得诺贝尔奖的Waston在哈佛大学上生物学课 记者蜂拥而至 记者请他船上新的白色实验服 拿好移液管 摆好自姿势 拍下了这张照片 当时 Waston当选美国国家科学院院士 1997年12月6日 Waston接受克林顿总统的国家科学勋章 总统表示 50年来 他在分子生物学领域的科学和智力方面发挥着领导作用 从他与别人合作的DNA双螺旋结构的发现 到人类基因组计划的启动 都是如此 2002年Waston获大不列颠王国荣誉爵士 双螺旋结构模型要点 B DNA 1 DNA分子是由两条长度相同 相互平行 方向相反的多脱氧核苷酸链围绕同一中心轴形成的双螺旋结构 一条链方向为3 5 另一条链方向为5 3 2 相邻的两个单核苷酸的磷酸基和脱氧核糖基之间借3 5 磷酸二酯键相连形成糖 磷酸骨架 这是螺旋的主链部分 并位于螺旋的外侧 各碱基从骨架突出指向螺旋的内侧 3 两条链的碱基之间以氢键相连由于各碱基结构不同 造成了其形成氢键的能力不同 因此产生了固有的配对方式 即A始终与T配对存在 形成两个氢键 A T G始终与C配对存在 形成三个氢键 G C 这种碱基间的氢键连接配对原则 称为碱基互补配对原则 4 DNA是右手螺旋结构螺旋直径为2nm 双螺旋每转一周有10个bp 每个碱基的旋转角度为36 螺距3 4nm 每个碱基平面间的距离为0 34nm 从外观看 DNA双螺旋分子存在一个大沟和一个小沟 目前认为这些沟状结构与蛋白质和DNA间的识别有关 DNA双螺旋的结构多样性 B DNA 右手螺旋 92 相对湿度 接近细胞内的DNA构象 与Watson和Crick提出的模型相似 A DNA 右手螺旋 75 相对湿度 其碱基平面倾斜20 螺距与每一转碱基对数目都有变化 Z DNA 左手螺旋 主链呈锯齿型左向盘绕 直径约1 8nm 螺距4 5nm 每一转含12个bp 只有小沟 三 DNA的三级结构 超螺旋结构 生物的DNA分子是十分巨大的高信息分子 不同物种间的DNA大小和复杂程度差别很大 DNA的长度要求其形成紧密折叠旋转的方式才能够存在于小小的细胞核内 因此 DNA在形成双链螺旋式结构的基础上 在细胞内还将进一步折叠成为超螺旋结构 并且在蛋白质的参与下形成核小体 然后再进一步折叠将DNA紧密压缩于染色体中 DNA的超螺旋 原核生物的高级结构 绝大部分原核生物都是封闭的环状双螺旋分子 这种双螺旋分子还需再次螺旋化形成超螺旋结构以保证其可以较致密的形式存在于细胞内 DNA在真核生物细胞核内的组装 真核生物内 DNA以非常致密的形式存在于细胞核内 在细胞生活周期的大部分时间里以染色质 chromatin 的形式出现 在细胞分裂期形成的染色体在光学显微镜下即可见到 染色体是由DNA和蛋白质构成的 是DNA的超级结构形式 染色体的基本单位是核小体 DNA 组蛋白核小体组蛋白共有5种 H1 H2A H2B H3和H4各两分子的H2A H2B H3和H4共同构成了核小体的核心 称为组蛋白八聚体 又称核心组蛋白 DNA 核心核小体的核心颗粒核心颗粒之间再由DNA 约60个碱基对 bp 和组蛋白构成的连接区连接起来形成串珠样的结构 真核生物DNA的三级结构 核小体的形成仅是在细胞核内精密压缩的第一步 在此基础上 核小体又进一步旋转折叠 形成纤维状结构及襻状结构 最后形成棒状的染色体 将近1m长的分子容纳于直径只有数微米的细胞核中 线形分子 双链环状 dcDNA 超螺旋 核小体 旋转折叠 染色体包装 染色体包装的结构模型 多级螺旋模型压缩倍数76405 8400 DNA 核小体 螺线管 超螺线管 染色单体2nm10nm30 10 nm300nm2 10 m一级包装二级包装三级包装四级包装 DNA中的核糖和磷酸构成的分子骨架是没有差别的 不同区段的分子只是四种脱氧核苷酸中的碱基排列顺序不同 因此不同基因间的差异是碱基排列顺序的差异 基因是DNA片段的核苷酸序列 DNA分子中最小的功能单位 经过复制可以遗传给子代 经过转录和翻译可以保证支持生命活动的各种蛋白质在细胞内有序地合成 一个生物体的全部基因序列之和称为基因组 genome 人的基因组则约3 2 109个bp组成 基因 调节基因 结构基因 基因组 三 RNA的结构和功能 主要的三种RNA分子 mRNA 信使RNA tRNA 转运RNA rRNA 核蛋白体RNA RNA也是由核苷酸以3 5 磷酸二酯键相连形成的长而无分支的大分子 故其一级结构 基本结构 是核糖核苷酸残基的排列顺序 除有些病毒的RNA是双链外 一般RNA分子皆是单链 由于RNA分子中的部分碱基是配对结构 所以容易通过自身回折形成短的双螺旋发夹结构 信使RNA mRNA mRNA的概念首先于1961年由雅各布 F FrancoisJacob 及莫诺德 J JacquesMonod 提出 真核生物的mRNA在一级结构上不同于原核细胞 具有5 端帽子结构 3 端尾结构和信息区 功能 储存DNA的遗传信息 是蛋白质合成的模板 每个被表达的基因均有相应的mRNA mRNA是一类非常不均一的分子 寿命最短 转运RNA tRNA 一级结构 分子量最小 平均约70 90个核苷酸 含有较多的稀有碱基 一般每分子含7 15个稀有碱基 多数是A G C U的甲基化衍生物 mN 以及双氢尿嘧啶 DHU hU或D 次黄嘌呤 I 等 还有稀有核苷如假尿嘧啶核苷 等 分子的5 末端多为PG 3 末端都是 CCA tRNA片段间存在互补性 因而互补区容易形成短的双螺旋区 而非互补区则膨出呈环状 氨基酸臂 由7对碱基组成双螺旋区 其末端为3 CCA 可结合氨基酸并将其转呈给mRNA DHU环 由8 12个核苷酸组成 有两个DHU 故此得名 反密码环 由7个核苷酸组成 环中部由3个核苷酸组成的反密码子 能与mRNA上的密码子互补结合 由5对碱基组成双螺旋区 T 环 由7个核苷酸组成环 通过5对碱基组成双螺旋区 额外环 由3 18个核苷酸组成 不同的具有大小不同的额外环 是分类的重要指标 tRNA的二级结构 tRNA的三级结构 功能 把活化的氨基酸一个个按mRNA模板的顺序带到核糖体上以合成肽链 即识别特异氨基酸 特异识别mRNA上的密码子 核糖体RNA rRNA 是核糖体的主要成分 和蛋白质一起