长江大学遗传学第三章遗传物质的分子基础.ppt

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1、第三章 遗传的分子基础,本章主要内容,一.DNA是主要的遗传物质 二.DNA的分子组成与结构 三.DNA分子的变性 四.DNA分子的复性 五.DNA与染色质,第一节 DNA是主要的遗传物质,Why is DNA the genetic material?,(一)细菌的转化：1928，Griffith，F肺炎双球菌感染家鼠试验(Pneumococcus),1944年，Avery等从S 菌中提取的DNA与R菌混合后，R S，且转化率与DNA纯度呈正相关，若将DNA预先用DNA酶降解，转化就不发生。结论是:S型菌的DNA将其遗传特性传给了R型菌，DNA是遗传物质。,Diplococcum pneum

2、onice DNA as genetic material,1944 Avery O.T.(Canada),Bachelor,(二)噬菌体的侵染与繁殖1952，赫尔希(Hershey,A.D.)等用32P和35S分别标记 T2 噬菌体的DNA与蛋白质，感染大肠杆菌。,DNA is a main genetic material,1952 Hershey lambdar phage cycle,DNA作为遗传物质的优点(自然选择的优势),具有自我复制的能力,储存遗传信息量大,第二节 DNA的分子组成与结构,DNA(deoxyribonucleic acid),Nucleotide(Nt)basi

3、c unit,Mono-phosphate(Mp),Nucleoside(Ns),Deoxy-ribose(Ribose),Base,L DNA 与RNA的区别,l Ribose,l Base：A、G、C、T/U,l D.S.&S.S.：DNA多为双链,l Numbers&length：DNA链较长,l Stability：DNA RNA,脱氧核糖,碱基,磷酸,Nucleotide(Nt),一、DNA分子基本单位核苷酸,戊 糖,碱基 嘌呤（Pu）:A、G 嘧啶（Py）:C、T,核苷的构象(conformation of nucleoside),=C4-N9-C1-O4,purin,pyimid

4、ine,=C2-N1-C1-O4,0o,0o,二、DNA的一级结构,核酸链的简写式 5 p3,1、DNA 双螺旋结构模型(DNA Double Helix Model),1950.Chargaff,1952.Alexander Todd,NtNt NtNtNt,Rich AT form&rich GC form,3,5 phosphodiester bond,三、DNA的二级结构,phosphodiester bond,M.H.F.Wilkins&Rosalind Frankin,Xray photograph of DNA with high quality,1952.Kings Lab.U

5、K,DNA的双螺旋结构（19532003）,核酸的分子结构及其在遗传信息传递中的作用,2、DNA双螺旋的结构特点,Right handed B-form DNA Double helix Model,1.主链：两条长链反向平行 螺旋而成螺旋直径为2nm2.碱基对3.螺距：为3.4 nm4.大沟、小沟,单链核苷酸链间按A、T、C、G 配对 以氢键方式连接成双链分子,Right handed B-form DNA Double helix Model,l 碱基顶部基团裸露在DNA 大沟内,l 蛋白质因子与DNA 的特异结合依赖于 氨基酸与DNA 间的氢键的形成,l 蛋白质因子沿大沟与DNA形成专一

6、性 结合的机率与多样性高于沿小沟的结合,l 大沟的空间更有利于与蛋白质的结合,DNA双螺旋中的大沟与小沟,3.影响双螺旋结构稳定性的因素,碱基堆积的棒状实体,l氢键(Hydrogen bond 46 kc/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(phosphoester bond 8090 kc/mol),l 0.2 mol/L Na+生理盐条件,强键,需酶促解链,l 碱基堆积力(非特异性结合力),3.4A,磷酸骨架,氨基,酮基周围水分子间的有序排列,Van de waals force(1.7A/嘌呤环与嘧啶环作用半径)

7、,(0.34 nm/碱基对间距),疏水作用力(Hydrophobic interaction),不溶于水的非极性分子在水中相互联合,成串结合的趋势力即为熵 Entrophy(S),l 磷酸基团间的静电斥力,DNA二级结构的多态性,B-DNA右手双股螺旋，细胞内最稳定、最常见的构象,A-DNA右手双股螺旋，存在于脱水DNA，DNA-RNA杂交分子,Z-DNA左 手 双 股 螺 旋与基因的表达调控有关,三链螺旋结构,B-DNA的大沟处，一条DNA链与DNA双螺旋结构中的一条链结合而成；B-DNA与其自身的一条链结合形成分子内三链DNA；B-DNA中与第三链相结合的这条链必需含有一段连续的嘌呤核苷酸

8、序列，为核心链。稳定性较差,四链DNA,G四联体（G-quarter）为基本单位，即四个鸟嘌呤在一个正方形平面内以氢键环形连接而成。位于染色体末端，可能起着稳定染色体，参与端粒DNA的复制等功能。,DNA的超螺旋结构,某种因素的影响下，正常B-DNA分子双螺旋额外少转或多转几圈，使每圈的碱基对数目大于或小于10，DNA分子双螺旋空间改变，分子内产生额外张力。DNA分子产生扭曲，缓解张力，造成超螺旋结构（supercoil）负向超螺旋、正向超螺旋,DNA的超螺旋结构(supercoiling),超螺旋结构的生物学意义 反映DNA结构的多样性，介导DNA结构的 变化，为其功能发挥提供条件；DNA复

9、制、重组，以及基因的表达调控；使DNA形成高度紧密的状态，得以容纳在有效空间。,D.S.DNA,S.S.DNA,(加温,极端pH,尿素,酰胺),第三节 DNA分子变性(DNA denaturation),DNA变性：天然的有规则的双链DNA分子，在被加热 或某些试剂的作用下，氢键和碱基间堆积力受到破坏，逐步变为单链线型状态的过程，又称熔解。,变性过程的表现：S.S.DNA粘度降低,DNA热变性过程,电子显微镜下的DNA分子的部分变性,溶液粘度取决于分子流动过程中的内摩擦和阻力,高分子溶液 普通溶液线状分子 不规则线团 球形分子,D.S.DNA 钢性较强，结构较为舒展的 Double helix

10、 S.S.DNA 没有氢键的支撑 由螺旋结构向折叠和线团结构转变,变性过程的表现,沉降速度加快,S.S.DNA分子的A 260 nm UV 值上升增色效应(Hyperchromicity)：指由DNA变性而引起的光吸收值的增加。,影响 Tm值的因素,1、DNA分子的碱基组成,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,熔解温度（Tm）：50的DNA双螺旋结构被破坏 的温度，一般在8595。,大片段D.S.DNA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,小于100bp 的 D.S DNA分子比较,片段愈短，

11、变性愈快，Tm值愈小,3、变性液中含有尿素，酰胺等,2、DNA分子的长度,4、DNA溶液的离子强度（盐浓度的影响）,单链DNA主链的磷酸基团,负电荷的静电斥力,两条单链DNA的分离,Na+在磷酸基团周围形成的电子云对静电斥力产生屏蔽作用,减弱静电斥力,pH 12,酮基 烯醇基,pH 2-3,NH2 NH2+(质子化),改变氢键的形成与结合力,5、pH 值（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,D.S DNA,S.S DNA,Denaturation,Renaturation,复性过程依赖于单链分子间的随机碰撞(Depends on the collision

12、 of plementary S.S.DNA),第四节 DNA分子的复性(anneal or renaturation),DNA复性：变性的单链DNA在一定的条件下又恢复 为原天然双链DNA的过程，也叫退火。,影响DNA复性过程的因素：,影响DNA复性过程的因素：,5、DNA 分子中,dNt 的排列状况(随机排列,重复排列),4、S.S,DNA 的初始浓度 C0,3-ATCTATGCTGTCAT-5,5-TAGATACGACAGTA-3,5-TAGATACGACAGTA-3,3-ATCTATGCTGTCAT-5,3-ATATATATATAT-5,5-TATATATATATA-3,3-ATATA

13、TATATAT-5,5-TATATATATATA-3,5-TATATATATATA-3,3-ATATATATATAT-5,3-ATATATATATAT-5,5-TATATATATATA-3,复性的过程 单链DNA彼此不断随机碰撞，具互补关系的部位进行碱基配对，产生短的双螺旋区；双螺旋区沿着两条单链配对延伸形成双链DNA分子；DNA复性服从化学动力学的二级反应,六、DNA的分子杂交（hybridization）,DNA的分子杂交：不同来源的DNA变性后，混合一起，含有碱基互补配对的序列，在一定条件下退火形成杂合双链结构的过程。杂交方法：Southern 杂交、Northern 杂交、dot bl

14、oting作用：基因鉴定 鉴别 识别亲缘关系远近,Southern 杂交（Southern（1975）建立）将DNA固定在滤膜上，用标记好的同位素DNA探针与之杂交，通过放射自显影显示与探针互补的区带，识别特异序列。,Northern 分子杂交 与Southern 分子杂交相对应；将RNA固定在滤膜上，用DNA探针与之杂交。,斑点杂交（dot bloting）将DNA样品变性后直接点滴到滤膜上，烘烤固定，再与标记好的探针进行杂交。,DNA芯片、DNA微阵列 DNA chip，DNA microarray,DNA chip,第五节 DNA与染色质,Histone octamer,DNA,核小体,螺线管,超螺线管,染色单体,压缩7倍,压缩6倍,压缩40倍,压缩5倍,共计压缩8400倍,chromatin,DNA double helix,histone,DNA,核小体,螺线管,超螺线管,染色单体,压缩7倍,压缩6倍,压缩40倍,压缩5倍,共计压缩8400倍,DNA是主要的遗传物质DNA的基本组成成分 DNA的一级和二级结构 DNA在体内稳定存在的因素 DNA的变性和复性，核酸分子杂交DNA双螺旋分子到染色质的组装,Summary,