遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)和功能

關(guān)于遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)和功能什么是分子生物學(xué)？1938年洛克菲勒基金會主席WarrenWeaver在年終報告里提出“漸漸地又產(chǎn)生了一門科學(xué)—分子生物學(xué)，這是揭開許多生命細(xì)胞基本單元奧秘的開端……”基金會對有關(guān)蛋白質(zhì)X晶體衍射提供了資助1938年，Astburu,W.T.和Bell,F.D.首次發(fā)表脫氧核糖核酸的X光衍射研究。第2頁,共61頁，2024年2月25日，星期天分子生物學(xué)（molecularbiology）是在分子水平研究生命現(xiàn)象的科學(xué)，是現(xiàn)代生命科學(xué)的“共同語言”，它的核心內(nèi)容是通過對生物的物質(zhì)基礎(chǔ)—核酸、蛋白質(zhì)、多糖等生物大分子結(jié)構(gòu)、功能及其相互作用的研究來闡明生命的分子基礎(chǔ)。狹義的分子生物學(xué)側(cè)重于核酸的分子生物學(xué)，基因的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、表達和調(diào)控等。第3頁,共61頁，2024年2月25日，星期天第4頁,共61頁，2024年2月25日，星期天第5頁,共61頁，2024年2月25日，星期天第6頁,共61頁，2024年2月25日，星期天請回答以下幾個問題?

遺傳物質(zhì)是DNA、RAN、還是pr？描述DNA的一級結(jié)構(gòu)、二級結(jié)構(gòu)？列舉你所知道的RAN種類和主要功能？復(fù)習(xí)一下證實遺傳物質(zhì)的本質(zhì)是核酸的三個經(jīng)典實驗？第7頁,共61頁，2024年2月25日，星期天雙螺旋結(jié)構(gòu)的多態(tài)性與Z-DNADNA的三級結(jié)構(gòu)與三鏈DNAsnmRNAs與核酶核酸的變性、復(fù)性和雜交RNAi第8頁,共61頁，2024年2月25日，星期天一、核酸的化學(xué)組成核酸的元素組成

基本元素：CHONP核酸的元素組成有兩個特點：

1.一般不含S2.P含量較多，并且恒定（9%-10%）。

因此，實驗室中用定磷法進行核酸的定量分析。（DNA9.9%、RNA9.5%）第9頁,共61頁，2024年2月25日，星期天二、DNA一級結(jié)構(gòu)四種脫氧單核苷酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）是DNA的基本組成單位，它們按照一定的方式、數(shù)量和排列順序而形成的多核苷酸鏈即為DNA的一級結(jié)構(gòu)。書寫：按5′→3′方向書寫。如：5′pACGT3′或pACGT、dACGT或5′dACGT3′、ACGT表示脫氧多核苷酸的結(jié)構(gòu)。DAN的一級結(jié)構(gòu)決定種屬差異第10頁,共61頁，2024年2月25日，星期天三、DNA的二級結(jié)構(gòu)

1953年Watson和Crick在Chargaff規(guī)則和DNAX-射線衍射結(jié)果的基礎(chǔ)上提出了著名的DNA雙螺旋（doublehelix）結(jié)構(gòu)模型，即B-DNA模型（圖2-3）。模型的結(jié)構(gòu)特征如下：（1）兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸盤繞成右手雙螺旋。（2）核糖與磷酸在外側(cè)形成螺旋的軌跡，彼此通過3′,5′-磷酸二酯鍵相連。（3）堿基伸向內(nèi)部，其平面與螺旋軸垂直。第11頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

（4）兩條核酸鏈依靠彼此堿基之間形成的氫鍵相連系而結(jié)合在一起，且總是A與T，G與C配對。（5）雙螺旋的平均直徑為2nm，每個螺旋圈上升10對核苷酸，螺距為3.4nm。（6）沿螺旋中心軸方向看去，雙螺旋結(jié)構(gòu)上有兩個凹槽，一個較寬深，稱大溝（majorgroove），另一個較淺小，稱小溝（minorgroove）。第12頁,共61頁，2024年2月25日，星期天DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多態(tài)性A-DNA：右手螺旋，在高鹽濃度下存在，是DNA的脫水構(gòu)型，螺圈含有11bp。A－DNA比較短和密，大溝深而窄，小溝寬而淺。DNA－RNA、RNA－RNA雙螺旋。除B-DNA外，人們還發(fā)現(xiàn)了其它的結(jié)構(gòu)參數(shù)有一定差異的雙螺旋DNA，如A-DNA,Z-DNA等。這一現(xiàn)象稱為DNA結(jié)構(gòu)的多態(tài)性（polymorphism）。第13頁,共61頁，2024年2月25日，星期天B-DNA：Watson-Crick模型，右手螺旋,生理條件下DNA最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形式Z-DNA：左手螺旋，每個螺圈含有12個堿基對。并只有一個深溝。可能在基因表達的調(diào)控中起作用第14頁,共61頁，2024年2月25日，星期天活性：B-DNA>A-DNA>Z-DNA第15頁,共61頁，2024年2月25日，星期天計算機模擬DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)（藍色）大溝中結(jié)合著肽（紅色）

雙螺旋中的大溝對于DNA和蛋白質(zhì)結(jié)合時的相互識別很重要，在溝內(nèi)可以辨認(rèn)堿基的順序。第16頁,共61頁，2024年2月25日，星期天雙螺旋結(jié)構(gòu)的構(gòu)象變異引起DNA雙螺旋構(gòu)象改變的因素有:核苷酸順序堿基組成鹽的種類相對濕度第17頁,共61頁，2024年2月25日，星期天Z-DNA的發(fā)現(xiàn)1972年，Pohletal

發(fā)現(xiàn)poly(dG-dC)在高鹽下旋光性發(fā)生改變；1979年，WangA.H-J(王惠君)，A.Rich對d(CGCGCG)單晶作X衍射分析提出Z-DNA模型。第18頁,共61頁，2024年2月25日，星期天Z-DNA的結(jié)構(gòu)特點核糖磷酸骨架呈“之”字形（Zigzag）走向。左旋G的糖苷健呈順式（Syn），使G殘基位于分子表面。分子外形呈波形。大溝消失，小溝窄而深。每個螺旋有12bp。第19頁,共61頁，2024年2月25日，星期天Z-DNA存在的條件高鹽：NaCl>2mol/L,MgCl2>0.7mol/LPu,Py相間排列。在活細(xì)胞中如果m5C,則無需嘌呤-嘧啶相間排列，在生理鹽水濃度下即可產(chǎn)生Z型。體內(nèi)的多胺化合物，如精胺、亞胺及亞精胺和陽離子一樣，可和磷酸基團結(jié)合，使B-DNA轉(zhuǎn)變?yōu)閆-DNA.某些蛋白質(zhì)如Z-DNA結(jié)合蛋白帶有正電荷，可使DNA周圍形成局部高鹽濃度的微環(huán)境。第20頁,共61頁，2024年2月25日，星期天Z-DNA的生物學(xué)意義第21頁,共61頁，2024年2月25日，星期天第22頁,共61頁，2024年2月25日，星期天雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定因素DNA雙螺旋在生理狀態(tài)下十分穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。穩(wěn)定DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要作用力1、堿基堆積力（主要因素）是雙螺旋中垂直方向的作用力

2、氫鍵

為雙螺旋中水平方向的作用力3、離子鍵

磷酸基團上的負(fù)電荷與介質(zhì)中的陽離子或陽離子化合物之間所形成的鹽鍵。第23頁,共61頁，2024年2月25日，星期天四、DNA的三級結(jié)構(gòu)--DNA的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雙螺旋→進一步扭曲（一）DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)僅在閉合DNA中產(chǎn)生，環(huán)狀或線狀正超螺旋---反向扭轉(zhuǎn)每圈雙螺旋堿基數(shù)小于10.5(緊纏)。負(fù)超螺旋---同向扭轉(zhuǎn)每圈雙螺旋堿基數(shù)大于10.5(松纏)。第24頁,共61頁，2024年2月25日，星期天線狀DNA形成的超螺旋第25頁,共61頁，2024年2月25日，星期天環(huán)狀DNA形成的超螺旋第26頁,共61頁，2024年2月25日，星期天意義:DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄的啟動具有重要的調(diào)控作用。第27頁,共61頁，2024年2月25日，星期天DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶解鏈過程中正超螺旋的形成第28頁,共61頁，2024年2月25日，星期天拓?fù)洚悩?gòu)酶作用特點

既能切斷、又能連接磷酸二酯鍵分類：拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ;拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ作用機制：切斷DNA雙鏈中一股鏈，使另一條鏈通過切口；適當(dāng)時候封閉切口，DNA變?yōu)樗沙跔顟B(tài)。反應(yīng)不需ATP。切斷DNA分子兩股鏈，斷端通過切口旋轉(zhuǎn)。利用ATP供能，連接斷端，DNA分子進入負(fù)超螺旋狀態(tài)。拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ第29頁,共61頁，2024年2月25日，星期天回文結(jié)構(gòu)—DNA序列中以某一中心區(qū)域為對稱軸，其兩側(cè)的堿基對順序正讀和反讀都相同的雙螺旋結(jié)構(gòu)。即對稱軸一側(cè)的片段旋轉(zhuǎn)180°后，與另一側(cè)片段對稱重復(fù)。

回文結(jié)構(gòu)能形成十字結(jié)構(gòu)和發(fā)夾結(jié)構(gòu)五、回文結(jié)構(gòu)與三股螺旋（H-DNA）第30頁,共61頁，2024年2月25日，星期天AATTCAAGGGAGAAGTATAGAAGAGGGAAGGATTTAAGTTCCCTCTTCATATCTTCTCCCTTCCTAG*鏡像重復(fù)

存在于同一股上的某些DNA區(qū)段的反向重復(fù)序列。此序列各單股中沒有互補序列，不能形成十字型或發(fā)夾結(jié)構(gòu)。第31頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

同聚嘧啶和同聚嘌呤組成的DNA螺旋區(qū)段，其序列中有較長的鏡像重復(fù)時，形成局部三股配對，并互相盤繞的三股螺旋，其中兩股的堿基按Watson-Crick方式配對，第三股形成非Watson-Crick配對。

三螺旋DNA不是DNA在自然態(tài)下的主要結(jié)構(gòu)，而是在特定的條件下形成的。

*三鏈DNA（H-DNA,ts-DNA）第32頁,共61頁，2024年2月25日，星期天三堿基體Py-Pu-Py型：T-A.T、C-G.C+

，Hoogsteen鍵Pu-Pu-Py型：G.G-C、A.A-T，反Hoogsteen鍵第33頁,共61頁，2024年2月25日，星期天DNA三螺旋的堿基配對G：C兩個氫鍵第34頁,共61頁，2024年2月25日，星期天DNA的三股螺旋D-loop鉸鏈DNA平行匯接第35頁,共61頁，2024年2月25日，星期天DNA的三股螺旋第36頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

RNA的一級結(jié)構(gòu)是由數(shù)量極其龐大的四種核糖核苷酸（AMP、GMP、CMP、UMP）按一定順序，通過3′,5′—磷酸二酯鍵連成的線形分子，其表示方法與DNA相同。

RNA的二級結(jié)構(gòu)是短的，不完全螺旋的多核苷酸鏈。（天然RNA并不像DNA一樣都是雙螺旋結(jié)構(gòu)，而是單鏈線形分子。只有局部區(qū)域為雙螺旋結(jié)構(gòu)。雙螺旋區(qū)約占RNA分子的50%）

RNA的三級結(jié)構(gòu)是在莖環(huán)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進一步扭曲折疊而成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。RNA只有具備復(fù)雜的三級結(jié)構(gòu)才能成為有活性的分子。四、RNA的結(jié)構(gòu)第37頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

這種由單鏈自身折疊形成的結(jié)構(gòu)稱為莖環(huán)結(jié)構(gòu)。莖環(huán)結(jié)構(gòu)是各種RNA的共同的二級結(jié)構(gòu)特征。第38頁,共61頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)核酸的功能一、DNA的功能

DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個體生命活動的信息基礎(chǔ)。第39頁,共61頁，2024年2月25日，星期天二、RNA的種類、分布、功能第40頁,共61頁，2024年2月25日，星期天四、其他小分子RNA及RNA組學(xué)除了上述三種RNA外，細(xì)胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子RNA，大小為100-300個核苷酸，統(tǒng)稱為非mRNA小RNA(snmRNAs)。

snmRNAs第41頁,共61頁，2024年2月25日，星期天snmRNAs的種類核小RNA（snRNA）:參與hnRNA的剪接，snRNP，5種snRNA與蛋白質(zhì)、剪接因子等共同構(gòu)成剪接體。核仁小RNA（snoRNA）：參與rRNA的加工與修飾，首次切割，甲基化，合成假尿苷。

胞漿小RNA（scRNA）：scRNP催化性小RNA小片段干涉RNA

第42頁,共61頁，2024年2月25日，星期天核酶（Ribozyme）美國科學(xué)家Cech和Altman發(fā)現(xiàn)了核酶(ribozyme)。最早發(fā)現(xiàn)大腸桿菌RNaseP（375ntRNA+20kD多肽），蛋白質(zhì)部分除去后，在體外高濃度Mg2+存在下，留下的RNA部分具有與全酶相同的催化活性。是指本質(zhì)為RNA或以RNA為主含有蛋白質(zhì)輔基的一類具有催化功能的物質(zhì)。RNA單獨作用就能進行催化反應(yīng)。主要參加RNA的加工與成熟?？煞譃楫愺w催化，如RNaseP，tRNA5`末端的剪切；自體催化，Ⅰ、Ⅱ類內(nèi)含子自我剪接第43頁,共61頁，2024年2月25日，星期天錘頭結(jié)構(gòu)（hammer-head）第44頁,共61頁，2024年2月25日，星期天第45頁,共61頁，2024年2月25日，星期天第46頁,共61頁，2024年2月25日，星期天在DNA變性后的復(fù)性過程中，如果將不同種類的DNA單鏈分子或RNA分子放在同一溶液中，只要兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對關(guān)系，在適宜的條件（溫度及離子強度）下，就可以在不同的分子間形成雜化雙鏈。這種雜化雙鏈可以在不同的DNA與DNA之間形成，也可以在DNA和RNA分子間或者RNA與RNA分子間形成。這種現(xiàn)象稱為核酸分子雜交。四、核酸分子的雜交第47頁,共61頁，2024年2月25日，星期天第48頁,共61頁，2024年2月25日，星期天第49頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

核酸分子雜交的應(yīng)用（1）研究DNA分子中某一基因的位置（2）確定兩種核酸分子間的序列相似性（3）檢測某些專一序列在待檢樣品中存在與否（4）是基因芯片技術(shù)的基礎(chǔ)可發(fā)生雜交的核酸分子(1)兩條DNA鏈(2)兩條RNA鏈(3)一條DNA鏈一條RNA鏈第50頁,共61頁，2024年2月25日，星期天核酸雜交技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)用復(fù)性動力學(xué)原理雜交可以在固相或液相上進行；硝酸纖維素膜，尼龍膜探針（probe）：一小段用同位素、生物素或熒光染料標(biāo)記，其末端或全鏈的序列已知的多聚核苷酸，與固定在NC膜上的核苷酸結(jié)合，判斷是否有同源的核酸分子存在。探針的標(biāo)記：32P、熒光基團、生物素第51頁,共61頁，2024年2月25日，星期天印跡技術(shù)的類別及應(yīng)用（一）DNA印跡技術(shù)(Southernblotting)

檢測目標(biāo)DNA片段（二）RNA印跡技術(shù)(northernblotting)

用于RNA的定性定量分析。（三）蛋白質(zhì)的印跡分析(Westernblotting)

用于蛋白質(zhì)定性定量及相互作用研究第52頁,共61頁，2024年2月25日，星期天（一）Southern印跡雜交（Southernbloting）第53頁,共61頁，2024年2月25日，星期天Westernblotting第54頁,共61頁，2024年2月25日，星期天原位雜交（insituhybridization）第55頁,共61頁，2024年2月25日，星期天五、生物芯片-基因芯片基因芯片(genechip