人教版教学课件生物：31《DNA是主要的遗传物质》课件1新人教版必修2共109张

1、 第 一 章 遗传物质的分子结构、性质和功能生化教研室 肖建英 第 一 章 遗传物质的分子结构、性质和功能第一节 核酸是遗传物质第二节 核酸的结构第三节 核酸的功能第四节 核酸的变性、复性和杂交第五节 病毒核酸第六节 反义核酸 第一节 核酸是遗传物质一、核酸的种类和分布核酸（nucleic acid）脱氧核糖核酸 核糖核酸（deoxyribonucleic acid）（ribonucleic acid）1868年核素核酸的分类及分布 90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic

2、 acid, RNA)脱氧核糖核酸 核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。（一）遗传信息储存在DNA的一级结构中1、“转化”现象的发现： 1928年，英国医生发现非致病的R型肺炎球菌可以转变为致病的S型肺炎球菌。 1931年，Dawson、Sia、Alloway在体外重复了这个转化实验。二、核酸是遗传物质19世纪中叶20世纪初，认为遗传物质是蛋白质。2、“转化因子”的化学本质： 1944年，Avery等发表他们历经10年的研究结果， DNA就是将S型肺炎球菌的致病性转移给R型肺炎球菌的化学物质 D

3、NA是细菌的遗传物质。结论依据：这种化学物质符合DNA的性质；这种物质的光学特性、电泳特性及超速离心均符 合DNA的特征。将蛋白质和磷脂去除不影响转化作用。用胰蛋白酶和糜蛋白酶处理不影响转化作用。用RNA酶处理也不影响转化作用。用未被加热的血清处理则丧失转化能力，而已知血清中含有能降解DNA的酶。DNA是病毒的遗传物质噬菌体感染试验证明DNA是病毒的遗传物质。DNA是动物细胞的遗传物质外加DNA转染的结果使真核细胞获得新的表型。第二节 核酸的结构（Structure of Nucleic Acid）一、DNA的结构核酸中核苷酸的排列顺序即称碱基序列。（ 一）DNA的一级结构核酸的组成分子 分子

4、组成 碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖 磷酸(phosphate)碱基戊糖 磷酸核酸酶核酸DNARNA核苷酸(ribonucleoside)嘌呤(purine) 腺嘌呤(adenine, A)鸟嘌呤(guanine, G)1、碱 基(base)嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶(thymine, T)2.戊 糖(ribose)：（构成RNA）12345核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：dAMP, dGMP,

5、 dTMP, dCMP 3. 核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。 5端3端CGA4、 核苷酸的连接 核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。A G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 （二）DNA的一级结构与种属的差异 DNA一级结构的不同是物种差异的根本原因。1、基因组的概念：一个细胞中的全部DNA或一个物种的单倍体染色体中的全部DNA，称为该物种的基因组(genome)。2、C值的概念：一个单倍体基因组的DNA含量

6、总是恒定的，它通常称为该物种DNA的C值(C value)。 随着生物的进化，生物体的结构与功能越来越复杂，需要的基因产物种类也越来越多，即C值就越大。3、C值矛盾：在真核生物中，物种进化的复杂程度与DNA含量C值并不完全一致，称之为C值矛盾(C value paradox)。（三） DNA的二级结构 双螺旋模型 DNA的二级结构是指两条脱氧多核苷酸链反向平行盘绕所形成的双螺旋结构。1、 DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）DNA分子由两条反向平行的右手双螺旋的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架排列在外侧，绕同一公共轴盘旋。螺旋直径为2nm，形成

7、了相间的大沟(major groove)及小沟(minor groove) 。 DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键互补配对（A=T; GC） 。相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。 DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）氢键维持双链横向稳定性.碱基堆积力维持双链纵向稳定性。对双螺旋的稳定由为重要.2、DNA双螺旋结构的多样性 DNA双螺旋结构不同构型的意义： 由于双螺旋结构的不同构型，引起螺旋表面结构的改变，进而影响其生物学功能。如： B型DNA表面有

8、大沟和小沟； A型DNA也有两个沟； Z型DNA仅有一个很深很窄的沟。 DNA双螺旋的这种表面结构有助于DNA结合 蛋白识别并结合特定的DNA序列。 而这种表面构型的变化对于基因组DNA与其DNA结合蛋白的特异性相互作用具有重要的意义。（四）DNA的三级结构 DNA的三级结构是指DNA中单链与双链、双链之间的相互作用形成的三链或四链结构。 三股螺旋DNA即三链DNA： （triple strand DNA，tsDNA） 三条链均为同型嘌呤(Hpu)或同型嘧啶(Hpy)， 即整段的碱基均为嘌呤或嘧啶。 两种基本类型四种同分异构体： 嘌呤-嘌呤-嘧啶型（Pu-Pu-Py型） 即：AAT；GG C

9、嘧啶-嘌呤-嘧啶型（Py-Pu-Py型） 即：TAT；C G C（五）DNA的拓扑结构DNA的拓扑结构超螺旋结构(superhelix 或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 主要指正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同 负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反 超螺旋DNA比松弛型DNA更紧密，使DNA分子体积变得更小，对其在细胞的包装过程更为有利。 人每条染色体的平均长度约5cm，而细胞核的直径仅约5m，所以DNA分子压缩近万倍。超螺旋能影响双螺旋的解链程序，因而影响DNA分子与其它分子（如

10、酶、蛋白质）之间的相互作用。对基因表达的调控有重要意义。 超螺旋结构的生物学意义： DNA拓扑异构体的相互转化由拓扑异构酶（型和型）催化完成。（六）DNA的四级结构真核生物中核酸与蛋白质相互作用形成的核糖体、剪接体，即可看成核酸的四级结构。另外DNA缠绕组蛋白构成核小体。二、RNA的结构 （Structure of RNA）RNA的种类、分布、功能RNA单链结构环状结构（loop）局部双螺旋结构三级结构折叠分子伴侣 生物活性分子具有催化活性的RNA称为核酶。1、DNA的基本功能：是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。第三节

11、核酸的功能一、DNA的功能及基因治疗 基因的分子定义： 基因就是贮存RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。 大多数生物的遗传信息以特定的核苷酸 排列顺序储存在DNA分子中。 DNA分子携带两类遗传信息： 编码信息：编码RNA（mRNA、tRNA、rRNA）或蛋白质的遗传信息，为有功能活性的DNA序列所携带。 调控信息，是一些特定的DNA区段。决定有关基因选择性表达的信息。2、基因治疗：定义：早期是指用正常的基因整合入细胞基因组，以校正和置换致病基因的一种治疗方法。 目前广义上来讲是指将某种遗传物质转移到患者细胞内，使其在体内发挥作用，以达到治疗疾病目的的方法。 基因治疗的基本程序

12、治疗性基因的选择和制备基因载体的选择靶细胞的选择基因导入方式选择外源基因表达的筛选 利用在体中的标记基因病毒载体（逆转录病毒、腺病毒）非病毒载体（脂质体、直接注射等）体细胞（造血c、肝c、淋巴c等）生殖细胞（国际上严禁使用）间接体内疗法（回输法） 体外途径直接体内疗法体内途径 基因治疗的主要策略基因矫正 (gene correction)基因置换 (gene replacement)基因增补 (gene augmentation)基因失活 (gene inactivation) 反义核酸技术核酶技术三链技术RNA干扰技术 基因失活技术 基因治疗的临床应用肿瘤的基因治疗（ 61%病例）感染性疾病

13、的基因治疗 艾滋病（24%病例） 乙型肝炎遗传病的基因治疗 心血管疾病的基因治疗 神经系统疾病的基因治疗 全球临床方案数达300多项，病例数超过 3500人，其中美国病例占80%。二、RNA的功能hnRNA mRNA （一）hnRNA和mRNA的功能内含子(intron) 外显子(exon)断裂基因 (DNA) mRNA的功能 把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则抄录下来，以三联体密码的形式决定蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞 细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞 tRNA的一级结构特点：1.含有稀有碱基，如 DH

14、U 甲基化嘌呤 假尿嘧啶2.含有茎环结构3末端为 CCA-OH4. tRNA序列中有反密码子（二）tRNA的功能 tRNA的二级结构三叶草形氨基酸臂DHU环反密码环额外环TC环氨基酸臂额外环 tRNA的三级结构 倒L形 tRNA的功能： 2. 活化氨基酸； 1. 搬运氨基酸； 3. 在密码子与对应氨基酸之间起接合体 (adaptor) 的作用。如：密码子GGU-携带反密码子ACC的tRNA-Gly密码子tRNA反密码子氨基酸是对号入座的。 rRNA的结构（三）rRNA的功能 rRNA的功能：参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。 rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5S rRNA28S

15、 rRNA5.8S rRNA18S rRNA原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA原核生物16S21种 23S 5S31种真核生物49种28S 5.85S 5S18S33种rRNA蛋白质小亚基大亚基 (50S)(30S)(40S) (60S)小亚基大亚基（四 ）其他小分子RNA除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 snmRNAs: snmRNAs的种类:核内小RNA (small nuclear RNA, snRNA)核仁小RNARNA (small

16、 nucleolar RNA, snoRNA)胞质小RNA (small cytoplasmic RNA, scRNA)催化性小RNA (small catalytic RNA)小片段干涉 RNA (small interfering RNA, siRNA)起始RNA (initiator RNA，iRNA) 微小RNA（micro RNA, miRNA） snmRNAs的功能： U系列snRNA与蛋白质结合构成snRNP，参与hnRNA和rRNA的加工和转运。如U1、U2、U3、U4、U5、U6等。多种多样 siRNA和miRNA参与某些基因表达调控。 iRNA作为DNA合成的引物。（五）端

17、粒酶RNA与核酶1、端粒（telomere）：是真核生物染色体末端的一种特殊结构由端粒DNA和端粒蛋白质构成作用：稳定染色体结构 防止染色体末端融合 保护染色体结构基因 避免遗传信息在复制过程中丢失1930，著名的遗传学家 B.Mcclintock 和HJ.Mller发现：染色体的末端可维持染色体的稳定性Mller将它定义为“telomere”，这是由希腊语“末端”（telos）及“部分”（meros）组成的染色体失去了这些片段，就会互相粘连到一块，发生结构及功能上的改变，从而影响到细胞的分裂与生长 端粒的发现1970，EH.Blackburn 利用四膜虫揭示 了端粒DNA的初步结构：由非常短

18、且数目精确的串联重复 DNA 片段 组成，富含嘌呤G。结构：一条链Gn（T/A)m，互补链Cn（A/T)m。 n1，m为14。重复次数由几十到数千不等 端粒DNA结构 不同生物端粒DNA序列 人：（TTAGGG）n ，联重复，515kb酵母：（TTTGGG）， 200 400 bp尖毛虫：TTTTGGGG ， 20 bp小鼠： 5 80 kb大鼠： 150 kb2、端粒酶 (telomerase)是端粒复制所必须的一种特殊的DNA聚合酶。具有逆转录酶活性。能以hTR为模板，向染色体末端添加TTAGGG序列。 端粒酶组成端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR)端粒酶协

19、同蛋白(human telomerase associated protein 1, hTP1)端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase, hTRT) 端粒酶RNA的一级结构缺乏保守性，但都有保守的二级结构。 端粒酶的结构具有酶促活性的RNA称为核酶。3、核酶(ribozyme)催化性RNA (RNAzyme) 作为序列特异性的核酸内切酶降解mRNA核酶。 催化性DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。 四膜虫rRNA的剪接采用自我剪接方式最简单的核酶二级结构槌头状结构(hammerhead str

20、ucture)底物部分通常为60个核苷酸左右同一分子上包括有催化部份和底物部份 催化部份和底物部份组成锤头结构 除rRNA外，tRNA、mRNA的加工也可采用自我剪接方式。 核酶研究的意义核酶的发现，对中心法则作了重要补充；核酶的发现是对传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成人工核酶 。 核 酸 的 变性、复性和杂交denaturation， renaturation and hybridization of nucleic acid第 四 节一、核酸的变性(denaturation)定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、 酰胺以及

21、某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后理化性质发生变化：260nm的紫外吸收值增加粘度降低，浮力密度升高二级结构的改变等。例：变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。热变性解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。 Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(melting temperature, Tm)。其大小与 DNA分子G+C含量成正比。一般

22、7085.1. DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50g/ml双链DNA40g/ml单链DNA（或RNA）20g/ml寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA纯品: OD260/OD280 = 1.8RNA纯品: OD260/OD280 = 2.0OD260的应用二、核酸的复性(renaturation) 定义:在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。减色效应DNA复性时，其溶液OD260降低。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing) 。复性条件：有足够的盐浓度。 有足够高的温度，比Tm低2025。在DNA变性后的复

23、性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。三、核酸的杂交(hybridization)与应用 这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。 探针 (probe) 一小段用同位素、生物素或荧光染料标记其末端或全链的已知序列的多聚核苷酸，与固定在NC膜上的核苷酸结合，判断是否有同源的核酸分子存在。 探针技术探针种类： DNA探针单链或双链 R

24、NA探针单链 印迹技术 印迹技术（blotting）是指将存在于凝胶中的生物大分子转移（印迹）于固定化介质上并加以检测分析的技术。 目前，这种技术已被广泛用于DNA、RNA和蛋白质的检测。 印迹技术的类别及应用（一）DNA印迹技术 (Southern blotting) 用于基因组DNA、重组质粒和噬菌体的分析。（二）RNA印迹技术 (Northern blotting) 用于RNA的定性定量分析。（三）蛋白质的印迹分析 (Western blotting) 用于蛋白质定性定量及相互作用研究。也称为免疫印迹技术 （immunoblotting) 其他斑点印迹 (dot blotting) 原位

25、杂交 (in situ hybridization)DNA点阵 (DNA array) DNA芯片技术 (DNA chip)三种印迹技术的比较分子杂交实验放射自显影照片 核酸分子杂交的应用研究DNA分子中某一种基因的位置定两种核酸分子间的序列相似性检测某些专一序列在待检样品中存在与否是基因芯片技术的基础 四、生物芯片基因芯片 生物芯片主要指通过平面微细加工技术在固体芯片表面构建的微流体分析单元和系统，以实现对细胞、蛋白质、核酸以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。 何为生物芯片（biochip）? 它是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。 生物芯片分类基因芯片技术是

26、指通过微阵列技术将高密度DNA片段阵列（探针）通过高速机器人或原位合成方式以一定的顺序或排列方式使其附着在如硅胶片等固相表面(400/cm2），用荧光标记的DNA序列或样品与芯片上的探针进行杂交，通过检测每个探针分子杂交信号的强度，获取样品分子的数量和序列信息。（一）基因芯片（Gene chip） 基因芯片发展历史Southern & Northern BlotDot BlotMacroarrayMicroarray（二）基因芯片的主要类型芯片固相载体支持物有： 硅胶片、聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、 尼龙膜等。（三）基因芯片的杂交及检测（四）基因芯片的应用1、基因表达方法的检测2、用于定位克隆，寻

27、找新基因3、在基因组文库中确定重叠样的排列4、基因的测序5、测定基因突变的多态性DNA点阵第五节 病毒核酸 按照细胞的特征(自我装配、自我调节、自我复制) 病毒既不是真核细胞，也不是原核细胞， 它只是具有部分生命特征的感染物。 是一类亚显微专属性的细胞内寄生物。一、病毒的基本概念： 病毒必须依赖宿主细胞进行繁殖，它在细胞中复制和装配是靠细胞的代谢活动来完成的。 在细胞内组装成熟后释放到细胞外，感染其它细胞。 病毒概念的限定： 病毒粒子由蛋白质外壳与内部核酸构成； 病毒粒子是由预先形成的组分装配而成的； 病毒自身不具备能量代谢的遗传信息； 病毒自身不具备物质代谢的遗传信息。病毒外壳蛋白质的作用：

28、一是保护核酸，防止被核酸酶破坏；二是识别宿主细胞，帮助病毒感染细胞。 根据病毒所含核酸的性质和状态不同分六类：双链DNAmRNA蛋白质单链DNADNAmRNA蛋白质双链RNAmRNA蛋白质单链RNARNAmRNA蛋白质单链RNAmRNA蛋白质单链RNADNADNAmRNA蛋白质 病毒的分类： 根据寄生的宿主不同分三类： 动物病毒、植物病毒、细菌病毒（噬菌体）。 无外壳蛋白，仅有传染性的环状RNA分子称为类病毒(viroid)。 类病毒主要在植物中引起一些疾病。 无基因组，而仅由蛋白质组成的传染因子称为朊病毒(prions)。 也称侵染性蛋白质或蛋白质感染因子。 如疯牛病、脑软化病、 人纹状体脊

29、髓变性病的感染因子。 两类特殊的病毒：病毒核酸分子大小差别很大，一般在1030nm之间，3kb300kb不等。二、病毒核酸的一般特征病毒核酸存在形式多样：如单链RNA，双链RNA，单链DNA，双链DNA。 病毒核酸形状有线状和环状两种。病毒基因组具有操纵子结构,。 噬菌体基因组中无内含子，但动物病毒的基因组中具有内含子。病毒基因组织有重叠基因的存在。 病毒核酸分正、负链： 正链病毒（能起mRNA作用） 负链病毒（互补链作为mRNA）三、DNA病毒的核酸结构线形双链DNA病毒的特殊结构：多在末端1、粘性末端2、末端重复序列3、末端回文结构4、痘苗病毒：其两条多核苷酸链在末端以 共价键相连，故与其

30、它线形DNA病毒不同。5、腺病毒在DNA两条链的5 端有一共价键连接 的蛋白质。四、RNA病毒的核酸结构1、单链RNA病毒： 正链RNA病毒：病毒RNA能起mRNA的作用 负链RNA病毒：其互补链能起mRNA的作用RNA 5 端有帽子，3 端有poly ARNA 5 端有三磷酸核苷，没有帽子；互补链有帽。3 端没有poly A，需利用宿主的poly A聚合酶。2、逆转录病毒RNA：为正链RNA，且有两条正链RNA； 5 端有一个连接结构形成“双倍体”。第六节 反义核酸一、反义核酸（antisense nucleic acid）概述 反义核酸也称反义寡核苷酸，最初是指与单链RNA互补的一段寡核苷

31、酸序列。 概念：反义核酸是根据碱基互补原理，用人工或体内合成的特定DNA或RNA片段（或化学修饰衍生物）与目的序列结合，通过空间位阻效应或诱导RNase活性，在复制、转录、剪接、mRNA转运及翻译水平上，抑制或封闭目的基因的表达。 反义核酸作用于靶核酸的部位：1、mRNA 5 端非翻译区，包括SD序列和RBS。2、mRNA 5 端编码区，主要是起始密码AUG。3、mRNA 5 末端帽子形成位点。4、前体mRNA外显子与内含子结合部位，5、mRNA polyA形成位点。6、阻止mRNA成熟及其向胞浆转运的序列。反义核酸 靶核酸二聚体形成易被核酸酶降解促进自身剪接修饰二、反义技术（ antisense technology） 反义技术即指根据碱基互补原理，用人工或体内合成的特定DNA或RNA片段（或化学修饰衍生物）抑制或封闭目的基因表达的技术。反义寡核苷酸药物分三代：第一代反义寡核苷酸药物：硫代修饰寡核苷酸第二代反义寡核苷酸药物：甲氧/乙氧基反义寡核苷酸第三代反义寡核苷酸药物：肽核酸（一）反义DNA 是人工合成的能与特定 DNA 或 RNA 互补结合的短核酸片段，从而在 DNA 或 RNA 水平上抑制特定基因