高中生物競賽輔導(dǎo)-DNA與RNA之

高中生物競賽輔導(dǎo)—DNA與RNA之第1頁/共78頁生物親代與子代之間，在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理功能上常常相似，這就是遺傳現(xiàn)象。生物的遺傳特性，使生物界的物種能夠保持相對(duì)穩(wěn)定。

根據(jù)現(xiàn)代細(xì)胞學(xué)和遺傳學(xué)的研究得知，控制生物性狀的主要遺傳物質(zhì)是脫氧核糖核酸（DNA）。

生物的各項(xiàng)生命活動(dòng)都有它的物質(zhì)基礎(chǔ)。生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是什么呢？金絲猴的后代仍然是金絲猴牛的后代仍然是牛第2頁/共78頁第一組問題？DNA是遺傳物質(zhì)RNA也可以作為遺傳物質(zhì)核酸之外有其他遺傳物質(zhì)嗎？第3頁/共78頁核素的發(fā)現(xiàn)肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)大腸桿菌噬菌體搗碎實(shí)驗(yàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)遺傳物質(zhì)必須具備的基本條件DNA是遺傳物質(zhì)第4頁/共78頁DNA是遺傳物質(zhì)核素的發(fā)現(xiàn)

1868年，瑞士F.Miescher從繃帶上的白細(xì)胞核中分離出一種含磷的酸性物質(zhì)，命名為核素。核素的主要成分是染色質(zhì)，是DNA和蛋白質(zhì)的混合物。這是首次對(duì)基因的化學(xué)本質(zhì)進(jìn)行探索。核酸這一名詞于20年后才被正式啟用。第5頁/共78頁19世紀(jì)末期，DNA和RNA已經(jīng)從細(xì)胞中分離出來，為進(jìn)一步的化學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)30年代搞清了DNA和RNA的基本化學(xué)組成。還注意到了DNA和RNA所含核糖的差異。第6頁/共78頁肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)肺炎雙球菌有兩種類型光滑型（S型）粗糙型（R型）第7頁/共78頁Griffth的肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)第8頁/共78頁第9頁/共78頁大腸桿菌噬菌體搗碎實(shí)驗(yàn)第10頁/共78頁噬菌體侵染細(xì)菌的過程：吸附

侵入

合成

組裝

釋放最后，這些噬菌體由于細(xì)菌的解體而被釋放出來，再去侵染其他的細(xì)菌。第11頁/共78頁

大腸桿菌噬菌體搗碎實(shí)驗(yàn)1952年Herchey和Chase。用32P和35S分別標(biāo)記噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)，發(fā)現(xiàn)只有DNA進(jìn)入宿主細(xì)菌內(nèi)，而蛋白質(zhì)則沒有。第12頁/共78頁第13頁/共78頁化學(xué)實(shí)驗(yàn)不同生物的堿基組成不同，具有嚴(yán)格的種的特異性。單體在不同生物中都是相同的。ATGC等量四種堿基的分子濃度可變。第14頁/共78頁DNA是遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)

（1）一種生物不同組織的細(xì)胞，不論年齡大小，功能如何，它的DNA含量是恒定的，而生殖細(xì)胞精子的DNA含量則剛好是體細(xì)胞的一半。多倍體生物細(xì)胞的DNA含量是按其染色體倍數(shù)性的增加而遞增的，但細(xì)胞核里的蛋白質(zhì)并沒有相似的分布規(guī)律。第15頁/共78頁（2）DNA在代謝上較穩(wěn)定。（3）DNA是所有生物的染色體所共有的，而某些生物的染色體上則沒有蛋白質(zhì)。（4）DNA通常只存在于細(xì)胞核染色體上，但某些能自體復(fù)制的細(xì)胞器，如線粒體、葉綠體有其自己的DNA。（5）在各類生物中能引起DNA結(jié)構(gòu)改變的化學(xué)物質(zhì)都可引起基因突變。第16頁/共78頁（1）儲(chǔ)存并表達(dá)遺傳信息:（2）能夠復(fù)制，把遺傳信息傳遞給子代：

(3)物理和化學(xué)穩(wěn)定性：（4）有遺傳變化的能力：遺傳物質(zhì)必須具備以下基本條件：第17頁/共78頁RNA也可以作為遺傳物質(zhì)RNA病毒:一些病毒也采用另一種核酸－RNA作為遺傳物質(zhì)，如逆轉(zhuǎn)錄病毒。煙草花葉病毒（tobaccomosaicvirus,TMV）

第18頁/共78頁遺傳物質(zhì)是RNA的實(shí)驗(yàn)證據(jù)第19頁/共78頁類病毒（viroid）類病毒：不具蛋白質(zhì)衣殼，僅有RNA組成的新病毒。

1922年美國馬鈴薯紡錘形塊莖病毒。特點(diǎn)：單股閉合環(huán)狀的RNA分子，分子量約105da。能耐受紫外線和作用于蛋白質(zhì)的各種理化因素，在90℃下仍能存活。第20頁/共78頁類病毒復(fù)制如何進(jìn)行？由宿主細(xì)胞的酶來完成，其RNA作為復(fù)制模板。類病毒現(xiàn)在僅在高等植物中發(fā)現(xiàn)，一般通過接觸，擦傷，節(jié)肢動(dòng)物和菟絲子傳播。第21頁/共78頁非核酸的其他遺傳物質(zhì)朊病毒：又稱蛋白質(zhì)侵染因子。朊病毒是一類能侵染動(dòng)物并在宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制的小分子的無免疫性疏水蛋白質(zhì)。第22頁/共78頁羊瘙癢病1982年，美國發(fā)現(xiàn)羊瘙癢病是蛋白質(zhì)侵染引起的疾病，并稱為“Prion”即朊病毒。馬鹿和鹿的慢性消瘦病、貓的海綿狀腦病。1996年春天“瘋牛病”：牛海綿狀腦炎人慢性退化性紊亂疾病：老年癡呆、帕金森氏病、糖尿病等。朊病毒引起的風(fēng)波第23頁/共78頁朊病毒特點(diǎn)：僅有蛋白質(zhì)組成，分子量29kDa，具有蛋白質(zhì)性質(zhì)：能被蛋白酶滅活，不被核酸酶和輻射滅活，對(duì)許多理化因子有很強(qiáng)的抵抗力。第24頁/共78頁1997年P(guān)rusiner對(duì)朊病毒蛋白的感染機(jī)制進(jìn)行了探討。朊病毒蛋白（PrP）以兩種形式存在：正常的腦組織中發(fā)現(xiàn)的PrPC不具有感染性，對(duì)蛋白酶敏感，可以被完全降解；致病組織中的PrPSC具有感染性，具有抗蛋白酶的性能。第25頁/共78頁P(yáng)rPC和PrPSC的一級(jí)結(jié)構(gòu)完全相同，但二級(jí)結(jié)構(gòu)差異很大：PrPC：α螺旋的含量約為40％，幾乎沒有β片層結(jié)構(gòu)；PrPSC：含有高達(dá)50％的β片層結(jié)構(gòu)，只有20％的α螺旋。第26頁/共78頁致病

正常朊蛋白構(gòu)型發(fā)生異常改變后導(dǎo)致瘋牛病，無需DNA或RNA的參與，致病因子朊蛋白就可以傳染復(fù)制。所謂朊病毒的繁殖就是正常的PrPC蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)镻rPSC的過程，而且朊病毒感染后也具有指數(shù)增長的特性。第27頁/共78頁1）合成朊病毒所需的信息可能存在于寄主細(xì)胞中朊病毒的作用，僅在于激活在寄主細(xì)胞中為朊病毒的編碼的基因，使得朊病毒得以復(fù)制繁殖。2）朊病毒的蛋白質(zhì)能為自己編碼遺傳信息發(fā)生逆轉(zhuǎn)譯產(chǎn)生為朊病毒編碼的RNA或DNA，必須存在逆轉(zhuǎn)譯酶，甚至還要有逆轉(zhuǎn)錄酶。蛋白質(zhì)指導(dǎo)下的蛋白質(zhì)合成，即蛋白質(zhì)本身可作為遺傳信息。朊病毒的復(fù)制機(jī)理：第28頁/共78頁核酸（DNA、RNA）的

化學(xué)組成第二組問題？第29頁/共78頁嘧啶嘌呤1含氮堿基、核苷、核苷酸☉堿基HUracil(U)第30頁/共78頁DNA:D-2-脫氧核糖A,G,C,TRNA:D-2-核糖A,G,C,U2核酸的化學(xué)組成

核酸的元素組成C、H、O、N、P（9-10%）

核酸

核苷酸

磷酸核苷

戊糖堿基第31頁/共78頁第32頁/共78頁3DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)：即是指四種核苷酸(dAMP、dCMP、dGMP、dTMP)按照一定的排列順序，通過磷酸二酯鍵連接形成的多核苷酸也稱為堿基順序。第33頁/共78頁DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的兩種縮寫方式：

線條式：…pTpGpCpApT……pT-G-C-A-T…

文字式：第34頁/共78頁1DNA雙螺旋模型的提出2維持DNA雙螺旋的力3雙螺旋結(jié)構(gòu)的基本形式4變性和復(fù)性第三組問題？第35頁/共78頁研究背景：1950年，大量不同來源DNA樣品的分析發(fā)現(xiàn)了DNA組成的當(dāng)量規(guī)律，即A＝T，G＝C，A＋G＝C＋T。不同生物種屬的DNA堿基組成不同，同一個(gè)體不同器官、不同組織的DNA具有相同的堿基組成。1DNA雙螺旋模型的提出第36頁/共78頁理論化學(xué)家L.Pauling運(yùn)用化學(xué)的簡單定律來推理，研究了蛋白質(zhì)-螺旋結(jié)構(gòu)，此方法啟發(fā)了Watson和Crick。M.Wilkins、R.Franklin等在DNA的X－射線晶體結(jié)構(gòu)方面作出了重大的貢獻(xiàn)。第37頁/共78頁R.Franklin的X-射線衍射圖第38頁/共78頁1953年沃森和克里克提出DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出：第39頁/共78頁Fig.

2-5WatsonandCrick’spaperinNature1953.第40頁/共78頁DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)：①脫氧核糖和磷酸通過3’,5’磷酸二酯鍵交互連接，成為螺旋鏈的骨架。兩條鏈方向以反向平行的方式組成右手雙螺旋。第41頁/共78頁第42頁/共78頁②堿基互補(bǔ)配對(duì)：只有A和T配對(duì)，G和C配對(duì)才能滿足正常螺旋（直徑20?）的要求和chargaff的當(dāng)量規(guī)律。第43頁/共78頁③螺旋參數(shù)螺旋直徑２nm。螺旋每旋轉(zhuǎn)一周10對(duì)堿基，每個(gè)堿基的旋轉(zhuǎn)角度為36°。螺距3.4nm；堿基平面之間的距離為0.34nm。第44頁/共78頁④

大溝小溝對(duì)于遺傳上有重要功能的蛋白質(zhì)識(shí)別DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)上的特定信息是非常重要的。大溝(2.2nm)小溝(1.2nm)第45頁/共78頁2維持DNA雙螺旋的力氫鍵GC之間有三條氫鍵，AT之間有兩條氫鍵，這是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的重要特征之一，DNA的許多物理性質(zhì)如變性、復(fù)性以及Tm值等都與此有關(guān)。第46頁/共78頁堿基堆集力

DNA同一條鏈相鄰堿基之間的非特異性作用力，包括疏水作用力和范德華力。

疏水作用力：不溶于水或難溶于水的兩個(gè)分子在水中具有相互聯(lián)合，成串聯(lián)地結(jié)合在一起的趨勢。嘌呤和嘧啶有一定程度的疏水性，雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成一個(gè)強(qiáng)大的疏水區(qū)，使DNA相鄰的堿基有相互堆集在一起的趨勢，這是形成堿基堆集力的重要因素之一。第47頁/共78頁范德華力：存在于分子間的一種吸引力；

DNA雙鏈中嘌呤環(huán)和嘧啶范環(huán)德華的半徑是1.7?左右

，其累積的范德華力是相當(dāng)可觀的，這樣范德華力加強(qiáng)了疏水作用，這是形成堿基堆集力的另一個(gè)重要因素。第48頁/共78頁

氫鍵與堿基堆集力的協(xié)同作用已經(jīng)堆基的堿基更容易發(fā)生氫鍵的鍵合，相應(yīng)地已經(jīng)被氫鍵定向的堿基更容易堆集。兩種作用力相互協(xié)同，形成一種非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。如果一種作用力被消除，另一種作用力也大為減弱。第49頁/共78頁

磷酸基團(tuán)間的靜電斥力

帶負(fù)電荷的磷酸基的靜電斥力，所以DNA需要保存在含

Na+

生理鹽條件。

堿基分子內(nèi)能

物體的內(nèi)能是物體內(nèi)全部分子的分子動(dòng)能與分子勢能之和。溫度升高，堿基分子內(nèi)能增加時(shí)，堿基的定向排列遭受破壞，消弱了堿基的氫鍵結(jié)合力和堿基的堆集力，會(huì)使DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)受到破壞。不穩(wěn)定因素第50頁/共78頁3雙螺旋結(jié)構(gòu)的基本形式

三種不同形式的DNA構(gòu)象第51頁/共78頁A，B，Z型雙螺旋的特性雙螺旋類型直徑(nm)螺距(nm)每輪堿基數(shù)堿基間距(nm)堿基傾角(°)螺旋扭角(°)存在的條件溝型相對(duì)濕度鹽種類大溝小溝A2.32.8110.26133375%Na+、K+、Cs+窄，深寬，深B2.03.410.40.3403692%Na+低鹽寬，中等深窄，中等深Z1.84.6120.389-3043%Na+、Mg2+高鹽平淺窄，深第52頁/共78頁ABZ大溝寬小溝窄小溝窄大溝變深小溝寬深大溝不存在小溝窄而深第53頁/共78頁A構(gòu)象:在相對(duì)濕度75％以下獲得的DNA纖維具有不同與B-DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。DNA-RNA雜交分子和RNA-RNA雙鏈結(jié)構(gòu)均采取A構(gòu)象。Z-DNA的形成是DNA單鏈上出現(xiàn)嘌呤和嘧啶交替排列所造成的，比如CGCGCGCG或CACACACACA。第54頁/共78頁Z-DNA有什么生物學(xué)意義呢?Z-DNA在熱力學(xué)上是不利的。帶負(fù)電荷的磷酸根距離太近，產(chǎn)生靜電排斥。DNA鏈的局部不穩(wěn)定區(qū)的存在就成為潛在的解鏈位點(diǎn)。DNA解鏈?zhǔn)荄NA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄等過程中必要的環(huán)節(jié)，因此Z-DNA的結(jié)構(gòu)與基因調(diào)節(jié)有關(guān)。第55頁/共78頁B-DNA是活性最高的DNA構(gòu)象，B-DNA變構(gòu)成為A-DNA后，仍有活性，但若局部變構(gòu)為Z-DNA后則活性明顯降低。三種不同構(gòu)象的DNA活性第56頁/共78頁變性和復(fù)性

變性

概念：在某些理化因素作用下，DNA分子互補(bǔ)堿基對(duì)之間的氫鍵斷裂，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)松散，變成單鏈的過程。第57頁/共78頁常用的變性方法☆熱變性☆堿變性應(yīng)用廣泛，特別是用于變性動(dòng)力學(xué)研究缺點(diǎn)：高溫引起磷酸二酯鍵的斷裂，得到長短不一的單鏈pH11.3時(shí)，全部氫鍵被淘汰無熱變性的缺點(diǎn)，為制備單鏈DNA的首選方法

第58頁/共78頁核酸變性程度的鑒定——紫外測定法：原理：嘌呤堿、嘧啶堿存在共軛雙鍵，堿基、核苷、核苷酸、核酸在240-290nm處有強(qiáng)烈的紫外吸收，最大吸收峰在260nm處。第59頁/共78頁紫外光吸收值：

1雙鏈DNAA260=1.002單鏈DNAA260=1.373自由堿基A260=1.60第60頁/共78頁1.1851.01.37OD℃

Tm

=OD增加值的中點(diǎn)溫度(一般為85-95℃)或DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)失去一半時(shí)的溫度熔解曲線與Tm值

緩慢而均勻地增加DNA溶液的溫度（現(xiàn)可做到

0.1℃／分）可根據(jù)各點(diǎn)的A260值繪制成DNA的熔解曲線。

這也是一般PCR實(shí)驗(yàn)技術(shù)中把變性溫度定為94℃的原因熔鏈溫度Tm第61頁/共78頁影響DNATm值大小的因素：DNA的均一性：G-C含量：

Tm值計(jì)算公式：Tm＝69.3+0.41(G+C)%GC%=（Tm-69.3）×2.44介質(zhì)中的離子強(qiáng)度：DNA保存在高濃度的緩沖液中，如1mol/LNaCl中。第62頁/共78頁復(fù)性及雜交DNA復(fù)性變性DNA在適當(dāng)條件下，分開的兩條單鏈分子按照堿基互補(bǔ)原則重新恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象的現(xiàn)象，又稱為退火。第63頁/共78頁DNA的復(fù)性的條件有兩個(gè)：（1）有足夠的鹽濃度以消除磷酸基的靜電斥力；（2）有足夠高的溫度以破壞無規(guī)則的鏈內(nèi)氫鍵，但又不能太高，一般使用比Tm值低20－25℃

。第64頁/共78頁復(fù)性的機(jī)制

一般認(rèn)為需要10－20個(gè)堿基對(duì)，特別是富含GC的節(jié)段首先形成一個(gè)（或幾個(gè)）雙螺旋核心，這一步叫成核作用。然后兩條單鏈的其余部分就會(huì)迅速形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。絕大部分的復(fù)性DNA分子都不是原配的。第65頁/共78頁復(fù)性的影響因子：溫度和時(shí)間：低于Tm值25℃左右(60-65℃)

DNA濃度：

DNA片段的大小：DNA順序的復(fù)雜性；反應(yīng)溶液中的離子強(qiáng)度。第66頁/共78頁多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）是一種DNA體外擴(kuò)增技術(shù)，其基本原理類似于DNA的天然復(fù)制過程。在待擴(kuò)增的DNA片段兩側(cè)和與其兩側(cè)互補(bǔ)的兩個(gè)寡核苷酸引物，經(jīng)變性、退火和延伸若干個(gè)循環(huán)后，DNA擴(kuò)增2n倍。第67頁/共7