遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)

關(guān)于遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)教學(xué)目的：學(xué)習(xí)分子遺傳學(xué)的基本理論，重點(diǎn)是遺傳物質(zhì)在分子水平上的遺傳信息流向和基因表達(dá)調(diào)控。利用分子遺傳學(xué)的基本理論指導(dǎo)相關(guān)科研工作。教學(xué)組織：教師講述和學(xué)生自學(xué)結(jié)合。成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)：課程論文（50%）；按指定題目在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成。閉卷考試（50%）。參考書(shū)籍：分子遺傳學(xué)。南京大學(xué)分子遺傳學(xué)，張玉靜

95年以后出版的分子生物學(xué)教材或?qū)Ｖ?頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章

遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)――DNA

DNAisthegeneticmaterial第3頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天原核細(xì)胞和真核細(xì)胞

原核真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)多為單細(xì)胞,多細(xì)胞,含多種細(xì)胞器,

無(wú)細(xì)胞核,無(wú)核膜、有完整的核結(jié)構(gòu)核仁遺傳物質(zhì)一條染色體，一般多條染色體,

裸露核酸分子,核小體結(jié)構(gòu),經(jīng)雌雄配子通過(guò)質(zhì)粒介導(dǎo)進(jìn)行進(jìn)行遺傳物質(zhì)交流單向遺傳物質(zhì)交流其他功能無(wú)溶酶體,不能通過(guò)有吞噬和胞飲作用,

吞噬和胞飲作用進(jìn)行電子傳遞在線粒體膜異物的消化，電子傳遞在細(xì)胞膜第4頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、DNA所帶的遺傳信息作為遺傳物質(zhì)所應(yīng)具備的條件多樣性貯存并表達(dá)多種遺傳信息連續(xù)性準(zhǔn)確傳遞后代穩(wěn)定性物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定多變性有遺傳變化的能力第5頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天DNA是遺傳物質(zhì)的證明1928年Griffith的肺炎球菌對(duì)小鼠的轉(zhuǎn)化第6頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天1944年Avery對(duì)肺炎球菌的轉(zhuǎn)化第7頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天1952Hershey等利用噬菌體的搗碎試驗(yàn)第8頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天1952年病毒重組第9頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天真核細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)化第10頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天第11頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天第12頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天1953年

Watson和Crick，DNA雙螺旋模型

第13頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天核酸之外的遺傳物質(zhì)克雅氏?。?913庫(kù)魯?。╧uru）－－1950羊搔癢?。╯crapie）－－1959瘋牛?。?985共同特征：退行性神經(jīng)疾病，影響大腦功能，大腦細(xì)胞死亡。過(guò)濾性因子，可感染，能被蛋白質(zhì)酶滅活，但不能被核酸酶或UV滅活，朊病毒（prion），即蛋白質(zhì)樣的感染粒子第14頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天遺傳信息負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)氨基酸組成的信息――結(jié)構(gòu)基因基因選擇性表達(dá)的信息――調(diào)控基因高等生物的結(jié)構(gòu)基因占基因組的10-15%，占基因組80%以上的DNA有什么作用？無(wú)準(zhǔn)確的回答。與基因表達(dá)的調(diào)控有關(guān)。第15頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)DNA分子中的核苷酸排列順序通過(guò)測(cè)序確定擬南芥，水稻，人類(lèi)、家蠶一般寫(xiě)法：5‘pApCpApGpT3’ACAGT第16頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天AGTC3-5磷酸二脂鍵第17頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)第18頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天Watson-Crick的DNA雙螺旋的特征主鏈右手雙螺旋，脫氧核糖和P為骨架，位于外側(cè)，反向平行螺旋,直徑￠2nm堿基配對(duì)位于內(nèi)側(cè)，嘌呤和嘧啶（A-T,G-C）螺旋參數(shù)任一條鏈繞軸一周的升降的距離。3.4nm，10對(duì)核苷酸，相鄰堿基0.34nm。大溝和小溝骨架雙鏈在螺旋軸上的間距不等，在DNA表面形成寬窄不等的大小溝。大溝寬2.2nm，是蛋白質(zhì)識(shí)別DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)上的特定信息位點(diǎn)。小溝寬1.2nm。第19頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天第20頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天決定雙螺旋穩(wěn)定的因素1、氫鍵結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與G+C的含量成正比，G-C>A-T.2、堿基堆積力嘌呤和嘧啶具疏水性,產(chǎn)生疏水區(qū)而與介質(zhì)分開(kāi),使堿基與水的接觸為最小。3、其他帶負(fù)電荷的磷酸基與介質(zhì)中的陽(yáng)離子形成離子鍵,可有效地屏蔽磷酸基間的靜電斥力。

第21頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、DNA物理結(jié)構(gòu)的不均一性富含A+T的序列AT含量在染色體的不同區(qū)域不同，螃蟹衛(wèi)星DNA的AT含量高達(dá)97%。AT區(qū)域?qū)?fù)制和轉(zhuǎn)錄的起點(diǎn)很重要。嘌呤和嘧啶的排列順序堿基組成相同，但排列不同，雙螺旋的穩(wěn)定性有差別5’GC>5’CG，和堿基堆積力有關(guān)，堿基堆聚力是嘌呤向嘧啶方向大于嘧啶向嘌呤方向。Tm值，DNA熔解溫度雙螺旋失去一半時(shí)的溫度，GC含量與Tm成正比。Tm值低的雙鏈容易解開(kāi)，復(fù)制起點(diǎn)的核苷酸多為T(mén)A第22頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天反向重復(fù)序列回文序列（palindrome）形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，十字形結(jié)構(gòu)，是限制酶的酶切位點(diǎn)。第23頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天A-DNA相對(duì)濕度75％以下，右手雙螺旋，雙鏈反向平行，每周螺旋10.9對(duì)堿基，螺距0.26nm，堿基平面不與螺旋軸垂直，大溝極深五、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的基本形式第24頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天B－DNA天然狀態(tài)DNA，相對(duì)濕度92％。右手雙螺旋，每周螺旋10對(duì)堿基(10.4)，螺距3.4nm，堿基平面與螺旋軸垂直，大溝寬而深。第25頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天Z－DNA左手雙螺旋，每圈螺旋12對(duì)堿基，螺距4.6nm，堿基平面與螺旋軸不垂直，無(wú)大溝，小溝深而窄

第26頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天其他形式四鏈DNA第27頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天三鏈DNA

一條DNA鏈為全嘌呤，另一條鏈為全嘧啶的區(qū)段產(chǎn)生，結(jié)果一條嘌呤鏈和兩條嘧啶鏈構(gòu)成，H-DNA.

與DNA的復(fù)制可能有關(guān)。第28頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天一條嘌呤和兩條嘧啶鏈構(gòu)成，(YR*Y)CG*C，TA*T星號(hào)左邊的堿基正常配對(duì)，右邊的堿基異常配對(duì)第29頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天或兩條嘌呤和一條嘧啶鏈構(gòu)成(YR*R)CG*G，TA*A，CG*A。GGGACAATC第30頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天六、DNA的變性和復(fù)性變性：熱，試劑，氫鍵、堿基堆積力破壞，DNA由雙鏈變成單鏈溫度：80～100℃變性劑：尿素，甲酰胺增色效應(yīng)（hyperchromicity）正常雙鏈（50μg/ml）A260=1.00完全變性的單鏈DNAA260=1.37單核苷酸A260=1.60DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)失去一半時(shí)，A260=1.185第31頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天Tm值的影響因素：DNA的均一性均一性高，Tm值的范圍小G-C含量G-C含量高，Tm值高經(jīng)驗(yàn)公式G-C%=(Tm-69.3)×2.44介質(zhì)中的離子強(qiáng)度

低離子強(qiáng)度易熔解變性

DNA保存在高濃度緩沖液中防變性（TE）

第32頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天復(fù)性單鏈重新締合為雙螺旋的過(guò)程，一般比Tm低20～25℃下進(jìn)行復(fù)性過(guò)程：復(fù)性時(shí)溶液中單鏈DNA隨機(jī)碰撞。GC先配對(duì)形成短的雙鏈，然后配對(duì)區(qū)域延伸，象拉鏈一樣復(fù)性產(chǎn)生的不一定是原有的互補(bǔ)鏈，非原配第33頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天影響DNA復(fù)性的因素：DNA復(fù)雜性簡(jiǎn)單序列復(fù)性快DNA濃度高濃度復(fù)性快DNA片斷片斷小復(fù)性快，移動(dòng)碰撞機(jī)會(huì)多溫度過(guò)低溫度減少互補(bǔ)鏈的碰撞機(jī)會(huì)鹽濃度過(guò)低鹽濃度使復(fù)性后的DNA又變性第34頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天雜交：不同來(lái)源的單鏈核酸經(jīng)堿基互補(bǔ)配對(duì)而形成的雙螺旋，DNA-DNA,DNA-RNADNA雜交可反映不同生物中DNA的共同序列和不同序列，研究生物的進(jìn)化，

核酸雜交是現(xiàn)代分子生物學(xué)的基礎(chǔ)第35頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天液相雜交第36頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天濾膜雜交第37頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天Cot曲線DNA復(fù)性時(shí)的單鏈消失的速度

1C/Co=――――1+KCotC：?jiǎn)捂淒NA濃度，Co：DNA總濃度，t：時(shí)間秒，k：=二級(jí)反應(yīng)常數(shù)復(fù)性的分?jǐn)?shù)C/Co是起始濃度和經(jīng)過(guò)時(shí)間的乘積（Cot）的函數(shù)。

第38頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天Cot曲線第39頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天定義C/Co=1/2時(shí)，Cot值定義為Cot1/2；即復(fù)性一半時(shí)DNA總濃度和時(shí)間乘積

11/2=――――――1+Kcot1/21+KCot1/2=2Cot1/2=1/k不同DNA的Cot1/2

值不同，總DNA濃度相同時(shí)，片斷越短，Cot1/2

值越小，DNA復(fù)雜性越高，復(fù)性越慢，基因組大復(fù)性慢.第40頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天第41頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天DNA復(fù)雜性（X）：最長(zhǎng)的沒(méi)有重復(fù)序列的DNA核苷酸對(duì)的數(shù)值：ATATAT---,X=2ATGC------,X=4

X=KCot1/2第42頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天七、DNA超螺旋結(jié)構(gòu)生物體中大多數(shù)DNA是以超螺旋的形成存在，而缺少超螺旋的DNA則為松弛型DNA原核生物DNA，共價(jià)封閉環(huán)，再經(jīng)螺旋就成為超螺旋真核生物DNA為線性，DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合之間的DNA可形成一個(gè)小“環(huán)”，類(lèi)似共價(jià)封閉環(huán)，從而螺旋成為超螺旋第43頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天第44頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天正超螺旋：和DNA內(nèi)部雙螺旋纏繞方向相同的方向纏繞形成的超螺旋，結(jié)構(gòu)更加緊密。

DNA每圈初級(jí)螺旋的堿基對(duì)小于10.5，則為正超螺旋。

第45頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天負(fù)超螺旋：DNA繞其軸與右手雙螺旋方向相反的方向纏繞所產(chǎn)生的超螺旋，結(jié)果減少每個(gè)堿基對(duì)的旋轉(zhuǎn)，每圈初級(jí)螺旋的堿基對(duì)大于10.5，則為負(fù)超螺旋。超螺旋是耗能過(guò)程，超螺旋的產(chǎn)生可能為能量的儲(chǔ)存形式第46頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ催化DNA鏈斷裂和重新連接。每次只作用于一條單鏈，無(wú)需ATP，功能是松弛DNA，代表：

E.coli拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ，對(duì)單鏈DNA的親和力比雙鏈高，能識(shí)別負(fù)超螺旋區(qū)，使負(fù)超螺旋擴(kuò)大化而成松弛狀，該酶不能松弛正超螺旋真核生物拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ可結(jié)合15-19核苷酸的雙鏈區(qū)域,其斷裂點(diǎn)在此區(qū)域中間.該酶傾向于結(jié)合超螺旋而不是結(jié)合松弛DNA區(qū)域,對(duì)正負(fù)超螺旋都有松弛功能.第47頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天

拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ

大腸桿菌拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ又稱(chēng)DNA旋轉(zhuǎn)酶(DNAgyrase)，能催化斷裂和連接雙鏈DNA，需能量ATP參與，無(wú)堿基序列特異性，

DNA旋轉(zhuǎn)酶結(jié)合到雙鏈閉環(huán)分子中在ATP的作用下產(chǎn)生負(fù)超螺旋。無(wú)ATP時(shí)只能緩慢松弛負(fù)超螺旋而不能松弛正超螺旋。第48頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天

大腸桿菌拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ主要功能是引入負(fù)超螺旋以抵消復(fù)制叉移動(dòng)所產(chǎn)生的正超螺旋，還具有形成或拆開(kāi)雙鏈DNA環(huán)連體的能力。該酶對(duì)DNA的結(jié)合順序是正超螺旋>松弛>負(fù)超螺旋第49頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天

拓?fù)洚悩?gòu)酶的生物學(xué)功能

恢復(fù)細(xì)胞過(guò)程產(chǎn)生的DNA超螺旋，如復(fù)制叉前的正超螺旋、轉(zhuǎn)錄時(shí)聚合酶前產(chǎn)生的正超螺旋。防止細(xì)胞DNA過(guò)度超螺旋，維持超螺旋的穩(wěn)定水平。生物體內(nèi)5％負(fù)超螺旋，有利于基因的轉(zhuǎn)錄、基因組穩(wěn)定、促進(jìn)重組。去連環(huán)活性（大腸桿菌）、染色體凝縮（真核）、解開(kāi)纏繞DNA雙螺旋

第50頁(yè),共