第二章--DNA结构PPT课件

.,1,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的物理化学性质第五节超螺旋和拓扑异构,第二章DNA的结构,.,2,第一节遗传物质的本质,.,3,一、DNA携带两类不同的遗传信息,1、遗传物质必须具有的特性,DNA的特征,a、贮存并表达遗传信息,各异的碱基序列储存大量的遗传信息,b、能把信息传递给子代,DNA的复制是其表达和传递遗传信息的基础,c、物理和化学性质稳定,生理状态下物理、化学性质稳定,d、具有遗传变化的能力,有突变和修复能力，可稳定遗传是生物进化的基础,.,4,2、DNA携带两种遗传信息,a、编码蛋白质和RNA的信息(编码tRNA、rRNA),64个三联体密码子3个终止密码子编码氨基酸的61个密码子有简并性、通用性,.,5,b、编码基因选择性表达的信息,基因选择性表达表现在：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基因的表达与否以及量的差异,.,6,*原核生物的结构基因占Genome的比例很大,x174phage5386bp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,.,7,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,所以又称调控序列,.,8,二、RNA也可作为遗传物质,*RNA病毒传染媒介是病毒颗粒（病毒基因组RNA、蛋白质外壳）如:烟草花叶病毒（TobaccoMosaicVirus，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,无蛋白质外壳保护,游离的共价闭合环状单链RNA分子,.,9,三、是否存在核酸以外的遗传物质,Prion(proteinaccousinfectionsparticle)朊病毒蛋白质样的感染因子,羊搔痒病(scripie),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),Prion复制?转录?翻译?,.,10,人类朊病毒疾病、症状及发病机理,.,11,致死性中枢神经系统的慢性退化,病理表现：大脑皮层的神经原细胞退化、空泡变性、死亡、消失，最终被星状细胞取代，因而造成海棉状态,.,12,朊病毒带来了诺贝尔生理/医学奖1997StanleyB.Prusiner,发现朊病毒是作为老年性痴呆症等疾病的病原并能在寄主细胞中繁殖传播,.,13,第二节核酸的化学组成,.,14,嘧啶Pyrimidines,嘌呤Purines,一、碱基、核苷、核苷酸,碱基Nitrogenousbases,.,15,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,.,16,1,9,核苷酸（nucleotideacid）,核苷的磷酸酯脱氧核糖核苷酸核糖核苷酸,其中和、和之间是高能磷酸键,dNTP,.,17,碱基戊糖核苷核苷磷酸核苷酸,核糖核苷三磷酸缩写为NTP,二、DNA分子的一级结构(DNAsequence),1、多聚核苷酸链主链是核糖和磷酸侧链为碱基,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,.,19,第二节DNA的二级结构,.,20,*1953.Watson&Crick,右手B-DNADoublehelixModel,一、DNA双螺旋模型的提出（doublehelixmodel）,.,21,*双螺旋的主链,磷酸二酯链(PhosphodiesterBackbone),C-G,T-A,碱基互补,.,24,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,.,25,二、影响双螺旋结构稳定性的因素,l氢键(Hydrogenbond46kc/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(phosphoesterbond8090kc/mol),l0.2mol/LNa+生理盐条件,强键,需酶促解链,*维持稳定性的因素,.,26,l碱基堆积力(非特异性结合力),(1kc/mol0.6kc/mol)n,范德华力（Vandewaalsforce）(1.7A/嘌呤环与嘧啶环作用半径),(0.34nm/碱基对间距),.,27,疏水作用力(Hydrophobicinteraction),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.,(磷酸骨架,氨基,酮基周围水分子间的有序排列),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,.,28,三、双螺旋结构的基本形式,B-DNA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,.,29,A,B,Z,.,30,A,B,Z,大沟宽,小沟窄,小沟窄,大沟变深,小沟宽浅,大沟不存在,小沟窄而深,.,31,A,B,Z,Z-DNAPhosphateBackboneisKinked,14,.,32,1、反向重复序列与二级结构反向重复序列（invertedrepeatitivesequenceorinvertedrepeats,IR）又称回文序列（廻文）：指两段同样的核苷酸序列同时存在于一个分子中,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directedrepeatitivesequence,DR-正向重复序列,四、一些DNA序列的不寻常结构,.,33,C,.,34,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,.,35,*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,例如限制性内切酶EcoR的识别位点5GAATTC33CTTAAG5,.,36,（1）形成条件,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/polyUpolydA/polydTpolyd(AG)/polyd(CT),2、三螺旋DNA(TribleHelixDNA,T.SDNA),可能与基因调控区域的功能和染色体重组有关,.,37,D.S.DNA+D.S.DNA,T.S.DNA+S.S.DNA,（2）组成形式,第三条链位于B-DNA的Majorgroove中,.,39,3、四股螺旋DNA(tetraplexDNA,TetrableHelixDNA),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,.,40,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,.,41,.,42,第四节DNA的物理、化学性质,.,43,DNA双股链的互补是其结构和功能上的一个基本特征也是DNA研究中一些实验技术的基础,.,44,一、DNA分子的变性,变性（denaturation或融解melting）：DNA双螺旋区的氢键断裂，使双螺旋的两条链完全分开变成单链，这一双链分离的过程叫做变性,1、条件：加热,极端pH,有机溶剂（尿素、酰胺)，低盐浓度等,2、变性过程的表现是一个爆发式的协同过程，变性作用发生在一个很窄的温度范围导致一些理化性质发生剧烈变化,.,45,表现为：熔液黏度降低沉降速度加大浮力密度上升此外吸收值升高（A260nm），即增色效应指在DNA变性的过程中，他在260nm的吸收值先是缓慢上升，达到某一温度时及骤然上升,天然DNA和变性DNA的吸收值相差可达34,当浓度为50g/ml时：,.,46,1.185,3、熔解曲线与融解温度(Tm值)缓慢而均匀地增加DNA溶液的温度（现可做到0.1分）可根据各点的A260值绘制成DNA的熔解曲线,这也是一般PCR实验技术中把变性温度定为94的原因,.,47,1、影响Tm值的因素,（1）在A,T,C,G随机分布的情况下，决定于GC含量,（2）GC%含量相同的情况下,GC%愈高Tm值愈大,GC%愈低Tm值愈小,AT形成变性核心，变性加快，Tm值小,碱基排列对Tm值具有明显影响,36.757.02,Tm,136.1272.55,.,48,嘌呤嘧啶的排列顺序对双螺旋结构（稳定性）的影响,即氢键数目相同，但相邻碱基的堆积力不同从嘌呤到嘧啶方向的碱基堆积力作用显著地大于同样组成的嘧啶到嘌呤方向的碱基堆积作用,Pyrimidine-PurineStepsHaveLittleBaseStacking,5CA33GT5,.,49,Purine-PyrimidineStepsHaveExtensiveBaseStacking,5AC33TG5,.,50,生物体内仅UAA为最有效的终止密码子,因为：,UAA,AUU,的Tm值是最低的一个，即使生理温度下也不稳定,.,51,（3）大片段D.SDNA分子之间比较,片段长短对Tm值的影响较小,与组成和排列相关,（4）小于100bp的D.SDNA分子比较,片段愈短，变性愈快，Tm值愈小,（5）变性液中含有尿素，甲酰胺等,（6）盐浓度的影响每升0.18molNa+是常用的标准条件,思考题：室温下蒸馏水中的DNA会如何？,.,52,pH12,酮基烯醇基,pH2-3,NH2NH2+(质子化),改变氢键的形成与结合力,（7）极端pH条件的影响,一切减弱氢键，碱基堆积力的因素均将使Tm值降低,.,53,2、常用的变性方法,热变性,碱变性,应用广泛，特别是用于变性动力学研究,缺点：高温引起磷酸二酯键的断裂，得到长短不一的单链,pH11.3时，全部氢键被淘汰,无热变性的缺点，为制备单链DNA的首选方法,保存单链DNA的条件保持pH大于11.3盐浓度低于0.01mol/L,.,54,D.SDNA,S.SDNA,Denaturation,Renaturation,复性过程依赖于单链分子间的随机碰撞(DependsonthecollisionofcomplementaryS.S.DNA),二、DNA分子的复性（annealorrenaturation）,概念：变性DNA在适当条件下，两条彼此分开的链又可以重新地合成双螺旋结构的过程（退火）,.,55,1、影响DNA复性过程的因素：,S.S,DNA的初始浓度C0,DNA分子中,碱基的排列状况(随机排列,重复排列),.,56,3-ATCTATGCTGTCAT-5,5-TAGATACGACAGTA-3,5-TAGATACGACAGTA-3,3-ATCTATGCTGTCAT-5,3-ATATATATATAT-5,5-TATATATATATA-3,3-ATATATATATAT-5,5-TATATATATATA-3,5-TATATATATATA-3,3-ATATATATATAT-5,3-ATATATATATAT-5,5-TATATATATATA-3,.,57,二、C0t曲线复性发生过程的讨论,dCt/dt=KC02,反应初始t=0,单链DNA的随机碰撞过程（randomlycollision）,单链DNA浓度=C0,反应达t时,单链DNA浓度=Ct,K复性速度常数,包括两个因素：DNA的浓度（C，mol/L）和时间(s),.,58,dCt/dt=KC02积分,Ct/C0=1/(1+KC0t),当Ct/C0=1/2时,Ct/C0=1/2=1/(1+KC0t(1/2),K=1/Cot(1/2),.,59,Ct/C0是C0t的函数按此公式作图得C0t曲线,.,60,基因组的复杂性单一序列的长度重复序列的长度,复杂性的单位为核苷酸的数目,例如：含单一序列a,b,c,d,复杂性a+b+c+d,复杂性分子量,含106a,103b,10c,d,复杂性a+b+c+d,复杂性分子量,基因组的复杂性(genomiccomplexity),.,61,复杂性,*C0t和DNA的复杂性间存在线性关系：themorecomplexaDNA,thehigheritsCot(1/2),1:1062105:0.42109:4000,.,62,AtypicalmammalianC0tcurvehasthreeplateaus,*C0t曲线能解释单一来源的DNA所具有的不同复杂性部分,真核生物的基因组由高度重复（highlyrepetitive)序列、中度重复（moderatelyrepetitiveormid-repetitive)序列单一（singlecopy)序列组成,.,63,四、富含AT序列和DNA双螺旋结构的呼吸作用,高等生物染色体的某一区段，AT含量变化很大,很多有重要调节功能的的DNA区段都富含AT（原核、真核复制起点、启动子、终止子等区域）,DNA双螺旋结构的呼吸作用：DNA双螺旋结构内部，配对碱基的氢键的迅速断裂和再生的过程,DNA内富含AT区段呼吸作用尤为明显这对于某些特殊的蛋白质与DNA发生反应并阅读链内部的信息具有重要作用,.,64,第五节超螺旋和拓扑异构,.,65,一、超螺旋（superhelixORsupercoil）,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,ThesupercoilsoftheSV40minichromosomecanberelaxedtogenerateacircularstructure,whoselossofhistonesthengeneratessupercoilsinthefreeDNA.,.,66,1、超螺旋结构的方向性,正超螺旋（positivesupercoiled）,导致左手超螺旋,以一根绳子做实验：原来的绳子的两股以右旋方向缠绕；在绳子的一端向紧缠方向捻转，再将绳子的两端连接起来，则产生一个左旋的超螺旋以解除外加捻转的协变,.,67,负超螺旋（NegativeSupercoiled）,导致右手超螺旋,在绳子的一端向松缠方向捻转，再将绳子的两端连接起来，则产生一个右旋的超螺旋以解除外加捻转的协变,.,68,超螺旋的形成总是要向着抵消初级螺旋改变的方向发展,所有生物的DNA几乎有5%为NegativeSuperhelix,二、超螺旋状态的描述,1、可用数学公式描述,Vinograd方程式,L=T+W(=+),.,69,L连接数（Linkingnumber）双链DNA的交叉数，不发生链断裂时，L为定值,T盘绕数（Twistingnumber）双链DNA的缠绕数，初级螺旋圈数,W超盘绕数（Writhingnumber）直观上为双螺旋在空间的转动数,W=负值（negativesuperhelix）W=正值(positivesuperhelix）,.,70,420bp,*B-DNA是力学上稳定的结构(10bp/helix),*螺旋数改变的结果之一是产生超螺旋或是在B_DNA中保留一单链区域，但须能量的功给,.,71,DNA在水溶液中,构型偏B型状态,DNA以10.5bp/helix为最稳定构型,小于10.5bp/helix向正超螺旋发展(紧缩态),大于10.5bp/helix向负超螺旋发展(松弛态)天然的DNA都是负超螺旋但一些生命活动过程中存在正超螺旋,B-DNA的变化情况：,.,72,2、体外可产生正超螺旋溴化乙锭（EthidiumbromideEB）放线菌素D,a、EB的插入只改变盘绕数T使其降低但L值不变,WLTL值不变T值降低W正值产生正超螺旋,.,73,360o/he