分子生物学 第一章 DNA结构

《分子生物学》

MolecularBiology

邢继红工作单位：生命学院分子生物学与生物信息学系联系电话：7528251E-mail:xingjihong2000@126.com

主要参考书目：孙乃恩等.《分子遗传学》

南京大学出版社.1999朱玉贤等.《现代分子生物学》科学出版社.2000/2004（第二版）/2007(第三版)Lewin.B.《GeneⅧ》OxfordUniversityPress2004

学科地位分子生物学当前生命科学中发展最快一门学科分子生物学的兴起仅有区区几十年的历史，它所取得的成果，已在工业、农业及医药卫生等方面得到重要应用。1、农业方面生物品种的改良速度更快、目标更准确，甚至创造新物种转基因动物－－－－－猪、牛、羊、鱼等植物－－－－－抗虫棉（Bt毒素蛋白基因）、转基因大豆、耐贮藏番茄等重组DNA技术的应用荧光鱼产药的小鸡不感染疟疾的蚊子抗癌老鼠翡翠海参

转基因动物-生物反应器

蜘蛛羊1212野生型转基因抗真菌病的转基因草坪草抗棉铃虫棉花抗虫水稻全球转基因农作物销售额及预测2、医药方面利用重组DNA产生的工程菌来大量高效地合成人体活性多肽（疾病的诊断、预防和治疗）

基因工程疫苗（细菌疫苗、病毒疫苗、寄生虫疫苗）以及正在研制的癌症疫苗3、工业方面

3.1酶制剂工业用酶的生产、酶的定向改造3.3环境保护生物传感器--环境监测生物修复3.2

食品工业上：氨基酸，助鲜剂，甜味剂，食品添加剂淀粉酶，纤维素酶。3.4化学与能源工业上：基因工程修饰过的淀粉及重组DNA技术生产酒精等石油替代品喷洒工程菌清除石油污染美国GE公司构造成功具有巨大烃类分解能力的工程菌，并获专利，用于清除石油污染。分子生物学已经渗透到生物学的几乎所有领域

分子生物学已经成为生命科学领域的带头学科分子结构生物学分子发育生物学分子神经生物学分子育种学分子肿瘤学分子细胞生物学分子免疫学分子病毒学分子生理学分子考古学分子遗传学分子数量遗传学分子生态学分子进化学…………….分子生物学成为现代生命科学的“共同语言”和深入研究的工具，一门生命科学的基础学科。分子生物学使生命科学的各个领域在分子水平上密切联系，互相渗透，交叉融合，从而成为了解所有生命现象的分子基础。微生物遗传细胞农林医学生态环境生理分子课程大纲：绪论第一章DNA的结构第二章有机体、染色体和基因第三章DNA的复制第四章RNA转录第五章蛋白质翻译第六章原核生物基因表达调控分子生物学的概念蛋白质及核酸等生物大分子结构和功能的研究都属于分子生物学的范畴，即从分子水平阐明生命现象和生物学规律偏重于核酸（基因）的分子生物学，主要研究基因或DNA的复制、转录、表达和调控等过程，以涉及与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能的研究基因的分子生物学MolecularBiology广义的分子生物学：狭义的分子生物学：分子生物学的三大原则

*

构成生物大分子的单体是相同的

共同的核酸语言（Nt）共同的蛋白质语言（aa）

*

生物遗传信息表达的中心法则相同DNARNApolypeptidesproteincharacterprotein

*

生物大分子单体的排列（核苷酸、氨基酸）个性

高级结构生物大分子之间的互作第一章

DNA的结构

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的物理化学性质第一节遗传物质的本质

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、通用性一、DNA携带两类不同的遗传信息

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*原核生物的结构基因占Genome的比例很大

Φx174phage5386bp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10％～15％

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分子结构：含

246~375个核苷酸的单链环状RNA分子，没有蛋白质外壳。专性活细胞内寄生。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?

①朊病毒蛋白有两种构象：细胞型（正常型PrPc）和瘙痒型（致病型PrPsc）。②PrPsc可胁迫PrPc转化为PrPsc，实现自我复制，并产生病理效应；致病原理：③基因突变可导致细胞型PrPsc中的α螺旋结构不稳定，至一定量时产生自发性转化，β片层增加，最终变为PrPsc型。朊病毒带来了诺贝尔生理/医学奖

1997

StanleyB.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传播第二节核酸的化学组成嘧啶Pyrimidines嘌呤Purines

一、碱基、核苷、核苷酸☉碱基NitrogenousbasesUracil(U)☉核苷（nucleotide）糖苷键Glycosidicbond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（nucleotideacid）核苷的磷酸酯脱氧核糖核苷酸核糖核苷酸其中α和β、β和γ之间是高能磷酸键αβγdNTP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

(5’→3’)5’-UCAGGCUA-3’=UCAGGCUA

默认书写顺序5‘→3’3’5’3、一级结构的概念指DNA分子中的核苷酸排列顺序。简称DNA序列或序列。由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同，故可称为碱基序列。

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*

1953.Watsosn&Crick

右手B-DNADoublehelixModel

一、DNA双螺旋模型（doublehelixmodel）每一单链具有

5’3’极性两条单链极性相反反向平行两条单链间以氢键连接以中心为轴，向右盘旋（直径2nm）双螺旋中存在大/小沟

*

双螺旋的主链磷酸二酯链(PhosphodiesterBackbone)C-GT-A

碱基互补·直径20Å

*双螺旋模型参数·螺距为34Å（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3.4Å。螺旋转角是36度Pitch34ÅRise3.4ÅWidth20ÅMajorGrooveMinorGroove10.4bp/turnTwist36°二、影响双螺旋结构稳定性的因素

l

氢键

(Hydrogenbond4~6kc/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

(phosphoesterbond80~90kc/mol)l

0.2mol/LNa+

生理盐条件

强键,需酶促解链*维持稳定性的因素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-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。ABZHandednessBaseInclinationABZ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

反向重复序列与二级结构