遗传物质的分子结构性质和功能

关于遗传物质的分子结构性质和功能什么是分子生物学？1938年洛克菲勒基金会主席WarrenWeaver在年终报告里提出“渐渐地又产生了一门科学—分子生物学，这是揭开许多生命细胞基本单元奥秘的开端……”基金会对有关蛋白质X晶体衍射提供了资助1938年，Astburu,W.T.和Bell,F.D.首次发表脱氧核糖核酸的X光衍射研究。第2页,共61页，2024年2月25日，星期天分子生物学（molecularbiology）是在分子水平研究生命现象的科学，是现代生命科学的“共同语言”，它的核心内容是通过对生物的物质基础—核酸、蛋白质、多糖等生物大分子结构、功能及其相互作用的研究来阐明生命的分子基础。狭义的分子生物学侧重于核酸的分子生物学，基因的复制、转录、表达和调控等。第3页,共61页，2024年2月25日，星期天第4页,共61页，2024年2月25日，星期天第5页,共61页，2024年2月25日，星期天第6页,共61页，2024年2月25日，星期天请回答以下几个问题?

遗传物质是DNA、RAN、还是pr？描述DNA的一级结构、二级结构？列举你所知道的RAN种类和主要功能？复习一下证实遗传物质的本质是核酸的三个经典实验？第7页,共61页，2024年2月25日，星期天双螺旋结构的多态性与Z-DNADNA的三级结构与三链DNAsnmRNAs与核酶核酸的变性、复性和杂交RNAi第8页,共61页，2024年2月25日，星期天一、核酸的化学组成核酸的元素组成

基本元素：CHONP核酸的元素组成有两个特点：

1.一般不含S2.P含量较多，并且恒定（9%-10%）。

因此，实验室中用定磷法进行核酸的定量分析。（DNA9.9%、RNA9.5%）第9页,共61页，2024年2月25日，星期天二、DNA一级结构四种脱氧单核苷酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）是DNA的基本组成单位，它们按照一定的方式、数量和排列顺序而形成的多核苷酸链即为DNA的一级结构。书写：按5′→3′方向书写。如：5′pACGT3′或pACGT、dACGT或5′dACGT3′、ACGT表示脱氧多核苷酸的结构。DAN的一级结构决定种属差异第10页,共61页，2024年2月25日，星期天三、DNA的二级结构

1953年Watson和Crick在Chargaff规则和DNAX-射线衍射结果的基础上提出了著名的DNA双螺旋（doublehelix）结构模型，即B-DNA模型（图2-3）。模型的结构特征如下：（1）两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴盘绕成右手双螺旋。（2）核糖与磷酸在外侧形成螺旋的轨迹，彼此通过3′,5′-磷酸二酯键相连。（3）碱基伸向内部，其平面与螺旋轴垂直。第11页,共61页，2024年2月25日，星期天

（4）两条核酸链依靠彼此碱基之间形成的氢键相连系而结合在一起，且总是A与T，G与C配对。（5）双螺旋的平均直径为2nm，每个螺旋圈上升10对核苷酸，螺距为3.4nm。（6）沿螺旋中心轴方向看去，双螺旋结构上有两个凹槽，一个较宽深，称大沟（majorgroove），另一个较浅小，称小沟（minorgroove）。第12页,共61页，2024年2月25日，星期天DNA双螺旋结构的多态性A-DNA：右手螺旋，在高盐浓度下存在，是DNA的脱水构型，螺圈含有11bp。A－DNA比较短和密，大沟深而窄，小沟宽而浅。DNA－RNA、RNA－RNA双螺旋。除B-DNA外，人们还发现了其它的结构参数有一定差异的双螺旋DNA，如A-DNA,Z-DNA等。这一现象称为DNA结构的多态性（polymorphism）。第13页,共61页，2024年2月25日，星期天B-DNA：Watson-Crick模型，右手螺旋,生理条件下DNA最稳定的结构形式Z-DNA：左手螺旋，每个螺圈含有12个碱基对。并只有一个深沟。可能在基因表达的调控中起作用第14页,共61页，2024年2月25日，星期天活性：B-DNA>A-DNA>Z-DNA第15页,共61页，2024年2月25日，星期天计算机模拟DNA双螺旋结构（蓝色）大沟中结合着肽（红色）

双螺旋中的大沟对于DNA和蛋白质结合时的相互识别很重要，在沟内可以辨认碱基的顺序。第16页,共61页，2024年2月25日，星期天双螺旋结构的构象变异引起DNA双螺旋构象改变的因素有:核苷酸顺序碱基组成盐的种类相对湿度第17页,共61页，2024年2月25日，星期天Z-DNA的发现1972年，Pohletal

发现poly(dG-dC)在高盐下旋光性发生改变；1979年，WangA.H-J(王惠君)，A.Rich对d(CGCGCG)单晶作X衍射分析提出Z-DNA模型。第18页,共61页，2024年2月25日，星期天Z-DNA的结构特点核糖磷酸骨架呈“之”字形（Zigzag）走向。左旋G的糖苷健呈顺式（Syn），使G残基位于分子表面。分子外形呈波形。大沟消失，小沟窄而深。每个螺旋有12bp。第19页,共61页，2024年2月25日，星期天Z-DNA存在的条件高盐：NaCl>2mol/L,MgCl2>0.7mol/LPu,Py相间排列。在活细胞中如果m5C,则无需嘌呤-嘧啶相间排列，在生理盐水浓度下即可产生Z型。体内的多胺化合物，如精胺、亚胺及亚精胺和阳离子一样，可和磷酸基团结合，使B-DNA转变为Z-DNA.某些蛋白质如Z-DNA结合蛋白带有正电荷，可使DNA周围形成局部高盐浓度的微环境。第20页,共61页，2024年2月25日，星期天Z-DNA的生物学意义第21页,共61页，2024年2月25日，星期天第22页,共61页，2024年2月25日，星期天双螺旋结构的稳定因素DNA双螺旋在生理状态下十分稳定，结构不发生变化。稳定DNA双螺旋结构的主要作用力1、碱基堆积力（主要因素）是双螺旋中垂直方向的作用力

2、氢键

为双螺旋中水平方向的作用力3、离子键

磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子或阳离子化合物之间所形成的盐键。第23页,共61页，2024年2月25日，星期天四、DNA的三级结构--DNA的拓扑结构双螺旋→进一步扭曲（一）DNA的超螺旋结构超螺旋结构仅在闭合DNA中产生，环状或线状正超螺旋---反向扭转每圈双螺旋碱基数小于10.5(紧缠)。负超螺旋---同向扭转每圈双螺旋碱基数大于10.5(松缠)。第24页,共61页，2024年2月25日，星期天线状DNA形成的超螺旋第25页,共61页，2024年2月25日，星期天环状DNA形成的超螺旋第26页,共61页，2024年2月25日，星期天意义:DNA复制、转录的启动具有重要的调控作用。第27页,共61页，2024年2月25日，星期天DNA拓扑异构酶解链过程中正超螺旋的形成第28页,共61页，2024年2月25日，星期天拓扑异构酶作用特点

既能切断、又能连接磷酸二酯键分类：拓扑异构酶Ⅰ;拓扑异构酶Ⅱ作用机制：切断DNA双链中一股链，使另一条链通过切口；适当时候封闭切口，DNA变为松弛状态。反应不需ATP。切断DNA分子两股链，断端通过切口旋转。利用ATP供能，连接断端，DNA分子进入负超螺旋状态。拓扑异构酶Ⅰ拓扑异构酶Ⅱ第29页,共61页，2024年2月25日，星期天回文结构—DNA序列中以某一中心区域为对称轴，其两侧的碱基对顺序正读和反读都相同的双螺旋结构。即对称轴一侧的片段旋转180°后，与另一侧片段对称重复。

回文结构能形成十字结构和发夹结构五、回文结构与三股螺旋（H-DNA）第30页,共61页，2024年2月25日，星期天AATTCAAGGGAGAAGTATAGAAGAGGGAAGGATTTAAGTTCCCTCTTCATATCTTCTCCCTTCCTAG*镜像重复

存在于同一股上的某些DNA区段的反向重复序列。此序列各单股中没有互补序列，不能形成十字型或发夹结构。第31页,共61页，2024年2月25日，星期天

同聚嘧啶和同聚嘌呤组成的DNA螺旋区段，其序列中有较长的镜像重复时，形成局部三股配对，并互相盘绕的三股螺旋，其中两股的碱基按Watson-Crick方式配对，第三股形成非Watson-Crick配对。

三螺旋DNA不是DNA在自然态下的主要结构，而是在特定的条件下形成的。

*三链DNA（H-DNA,ts-DNA）第32页,共61页，2024年2月25日，星期天三碱基体Py-Pu-Py型：T-A.T、C-G.C+

，Hoogsteen键Pu-Pu-Py型：G.G-C、A.A-T，反Hoogsteen键第33页,共61页，2024年2月25日，星期天DNA三螺旋的碱基配对G：C两个氢键第34页,共61页，2024年2月25日，星期天DNA的三股螺旋D-loop铰链DNA平行汇接第35页,共61页，2024年2月25日，星期天DNA的三股螺旋第36页,共61页，2024年2月25日，星期天

RNA的一级结构是由数量极其庞大的四种核糖核苷酸（AMP、GMP、CMP、UMP）按一定顺序，通过3´,5´—磷酸二酯键连成的线形分子，其表示方法与DNA相同。

RNA的二级结构是短的，不完全螺旋的多核苷酸链。（天然RNA并不像DNA一样都是双螺旋结构，而是单链线形分子。只有局部区域为双螺旋结构。双螺旋区约占RNA分子的50%）

RNA的三级结构是在茎环结构基础上进一步扭曲折叠而成的复杂结构。RNA只有具备复杂的三级结构才能成为有活性的分子。四、RNA的结构第37页,共61页，2024年2月25日，星期天

这种由单链自身折叠形成的结构称为茎环结构。茎环结构是各种RNA的共同的二级结构特征。第38页,共61页，2024年2月25日，星期天第三节核酸的功能一、DNA的功能

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39页,共61页，2024年2月25日，星期天二、RNA的种类、分布、功能第40页,共61页，2024年2月25日，星期天四、其他小分子RNA及RNA组学除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，大小为100-300个核苷酸，统称为非mRNA小RNA(snmRNAs)。

snmRNAs第41页,共61页，2024年2月25日，星期天snmRNAs的种类核小RNA（snRNA）:参与hnRNA的剪接，snRNP，5种snRNA与蛋白质、剪接因子等共同构成剪接体。核仁小RNA（snoRNA）：参与rRNA的加工与修饰，首次切割，甲基化，合成假尿苷。

胞浆小RNA（scRNA）：scRNP催化性小RNA小片段干涉RNA

第42页,共61页，2024年2月25日，星期天核酶（Ribozyme）美国科学家Cech和Altman发现了核酶(ribozyme)。最早发现大肠杆菌RNaseP（375ntRNA+20kD多肽），蛋白质部分除去后，在体外高浓度Mg2+存在下，留下的RNA部分具有与全酶相同的催化活性。是指本质为RNA或以RNA为主含有蛋白质辅基的一类具有催化功能的物质。RNA单独作用就能进行催化反应。主要参加RNA的加工与成熟。可分为异体催化，如RNaseP，tRNA5`末端的剪切；自体催化，Ⅰ、Ⅱ类内含子自我剪接第43页,共61页，2024年2月25日，星期天锤头结构（hammer-head）第44页,共61页，2024年2月25日，星期天第45页,共61页，2024年2月25日，星期天第46页,共61页，2024年2月25日，星期天在DNA变性后的复性过程中，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。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。四、核酸分子的杂交第47页,共61页，2024年2月25日，星期天第48页,共61页，2024年2月25日，星期天第49页,共61页，2024年2月25日，星期天

核酸分子杂交的应用（1）研究DNA分子中某一基因的位置（2）确定两种核酸分子间的序列相似性（3）检测某些专一序列在待检样品中存在与否（4）是基因芯片技术的基础可发生杂交的核酸分子(1)两条DNA链(2)两条RNA链(3)一条DNA链一条RNA链第50页,共61页，2024年2月25日，星期天核酸杂交技术的应用应用复性动力学原理杂交可以在固相或液相上进行；硝酸纤维素膜，尼龙膜探针（probe）：一小段用同位素、生物素或荧光染料标记，其末端或全链的序列已知的多聚核苷酸，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。探针的标记：32P、荧光基团、生物素第51页,共61页，2024年2月25日，星期天印迹技术的类别及应用（一）DNA印迹技术(Southernblotting)

检测目标DNA片段（二）RNA印迹技术(northernblotting)

用于RNA的定性定量分析。（三）蛋白质的印迹分析(Westernblotting)

用于蛋白质定性定量及相互作用研究第52页,共61页，2024年2月25日，星期天（一）Southern印迹杂交（Southernbloting）第53页,共61页，2024年2月25日，星期天Westernblotting第54页,共61页，2024年2月25日，星期天原位杂交（insituhybridization）第55页,共61页，2024年2月25日，星期天五、生物芯片-基因芯片基因芯片(genechip