长江大学遗传学遗传物质分子基础.pptx

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1、本章主要内容本章主要内容一一.DNA是主要的遗传物质是主要的遗传物质二二.DNA的分子组成与结构的分子组成与结构三三.DNA分子的变性分子的变性四四.DNA分子的复性分子的复性五五.DNA与染色质与染色质第1页/共61页第一节第一节 DNADNA是主要的遗传物质是主要的遗传物质第2页/共61页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)无致病力转化源有致病力第3页/共61页1944年，Avery等从S菌中提取的DNA与R菌混合后，RS，且转化率与DNA纯度呈正相关，若将DNA预

2、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 pneumoniceDNAasgeneticmaterial1944 Avery O.T.(Canada)Bachelor第4页/共61页(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。35S32P DNA第5页/共61页DNA is a main genetic materialRNA is genetic material also Tobacco Mosaic Virus (TMV

3、)1952 Hershey lambdar phage cycleRIIDNASIII 1928 Griffith 1944 Avery O.T 第6页/共61页qDNA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储存遗传信息量大1kb DNA序列序列4 410001000 种遗传信息种遗传信息 核糖的核糖的2 OH 脱氧脱氧在水溶液中的稳定性高于在水溶液中的稳定性高于RNA 可以突变可以突变方便修复方便修复以求不断进化以求不断进化以求稳定遗传以求稳定遗传A/T,C/G A/T,C/G 互补互补双螺旋结构双螺旋结构复制复制,转录转录遗传稳定遗传稳定第7页/共61页第二

4、节第二节 DNADNA的分子组成与结构的分子组成与结构 DNA(deoxyribonucleic acid)Nucleotide(Nt)basic unitMono-phosphate(Mp)Nucleoside(Ns)Deoxy-ribose(Ribose)Base Purin(pu)Pyrimidine(py)(A)(T)/(U)(G)(C)第8页/共61页LL DNA与与RNA的区别的区别lRiboselBase：A、G、C、T/UlD.S.&S.S.：DNA多为双链多为双链lNumbers&length：DNA链较长链较长lStability：DNARNA第9页/共61页 脱氧核糖碱基

5、磷酸Nucleotide(Nt)一、一、DNADNA分子基本单位分子基本单位核苷酸核苷酸第10页/共61页戊 糖第11页/共61页碱基嘌呤（嘌呤（PuPu）:A:A、GG嘧啶（嘧啶（PyPy）:C:C、T TPurinesPyrimidines第12页/共61页 核苷的构象核苷的构象(conformation of nucleoside)=C4-N9-C1-O4purinpyimidine=C2-N1-C1-O40o0o第13页/共61页二、二、DNADNA的一级结构的一级结构核酸链的简写式 5p3第14页/共61页1、DNA 双螺旋结构模型双螺旋结构模型(DNA Double Helix M

6、odel)1950.Chargaff A+G/T+C=1A+G=T+C1952.Alexander ToddNtNtNtNtNt Rich AT form&rich GC form 3,5phosphodiesterbond三、三、DNADNA的二级结构的二级结构第15页/共61页phosphodiesterbond第16页/共61页M.H.F.Wilkins&Rosalind Frankin Xray photograph of DNA with high quality 1952.KingsLab.UK第17页/共61页DNADNA的双螺旋结构的双螺旋结构 （195319532003200

7、3）J.D.WatsonF.H.C.Crickv核酸的分子结构及其在遗传信息传递中的作用第18页/共61页2 2、DNADNA双螺旋的结构特点双螺旋的结构特点Right handed B-form DNA Double helix Model1.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3.4nm4.大沟、小沟第19页/共61页 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第20页/共61页Right handed B-form DNA Double helix Model 每一单链具有每一单链具有 5 5 3 3极性极性 两条单链间以氢键连接两条

8、单链间以氢键连接 两条单链，极性相反，两条单链，极性相反，反向平行反向平行 以中心为轴以中心为轴，向右盘旋向右盘旋 (B-form)(B-form)双双 螺螺 旋旋 中中 存存 在在 大大 沟沟 (2.2nm)(2.2nm)小小 沟沟 (1.2nm)(1.2nm)第21页/共61页小沟大沟第22页/共61页l碱基顶部基团裸露在碱基顶部基团裸露在DNA 大沟大沟内内l蛋白质因子与蛋白质因子与DNA的特异结合依赖于的特异结合依赖于 氨基酸与氨基酸与DNA间的氢键的形成间的氢键的形成l蛋白质因子沿蛋白质因子沿大沟大沟与与DNA形成专一性形成专一性 结合的机率与多样性结合的机率与多样性高于沿小沟高于沿

9、小沟的结合的结合l 大沟的空间大沟的空间更有利于与蛋白质的结合更有利于与蛋白质的结合DNADNA双螺旋中的大沟与小沟双螺旋中的大沟与小沟第23页/共61页3.影响影响双螺旋结构双螺旋结构稳定性的因素稳定性的因素碱基堆积的棒状实体碱基堆积的棒状实体 l氢键氢键(Hydrogen bond 46 kc/mol)消除消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力单链上磷酸基团间的静电斥力弱键弱键,可加热解链可加热解链氢键堆积氢键堆积,有序排列有序排列(线性线性,方向方向)l磷酸酯键磷酸酯键(phosphoester bond 8090 kc/mol)l0.2 mol/L Na+生理盐条件生理盐条件强键强键,需

10、酶促解链需酶促解链第24页/共61页l碱基堆积力碱基堆积力(非特异性结合非特异性结合力力)3.4A 磷酸骨架磷酸骨架,氨基氨基,酮基周围水分子间的有序排列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)(0.34nm/碱基对间距)疏水作用力疏水作用力(Hydrophobicinteraction)不溶于水的非极性分子在水中相互联合不溶于水的非极性分子在水中相互联合,成成串结合的趋势力即为熵串结合的趋势力即为熵Entrophy(S)第25页/共61页l磷酸基团间的静电斥力磷酸基团间的静电斥力第26页/共61页DNA二级结构的多态性Z-DNAZ-

11、DNAA-DNAB-DNA第27页/共61页B-DNAB-DNA右手双股螺旋，细胞内右手双股螺旋，细胞内最稳定、最常见的构象最稳定、最常见的构象A-DNAA-DNA右手双股螺旋，存在于脱水右手双股螺旋，存在于脱水DNADNA，DNA-RNADNA-RNA杂交分子杂交分子第28页/共61页Z-DNA左左 手手 双双 股股 螺螺 旋旋与基因的表达调控有关与基因的表达调控有关第29页/共61页 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序列，为核

12、心链。稳定性较差第30页/共61页四链DNAG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。第31页/共61页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、正向超螺旋第32页/共61页DNA的超螺旋结构(supercoiling)(supercoiling)第33页/共61页超螺旋结构的生物学意义

13、 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。第34页/共61页 D.S.DNAS.S.DNA(加温加温,极端极端pH,尿素尿素,酰胺酰胺)第三节第三节DNA分子变性分子变性 (DNAdenaturation)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。第35页/共61页变性过程的表现：变性过程的表现：S.S.DNA粘度降低粘度降低DNADNA热变性过程电子显微镜下的DNADNA分子的部分变

14、性第36页/共61页D.S DNA S.S DNA 粘度降低？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 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D.S DNA S.S DNA 粘度降低第37页/共61页变性过程的表现变性过程的表现 S.S.DNA 沉降速度加快沉降速度加快 S.S.DNA分子的分子的A260nmUV 值上升值上升增色效应增色效应(Hyperchromicity)：指由DNA变性而引起的光吸收值的增加。第38页/共61页影响Tm值的因素1、D

15、NA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。第39页/共61页大片段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.SDNA分子比较片段愈短，变性愈快，Tm值愈小3、变性液中含有尿素，酰胺等尿素，酰胺与碱基间形成氢键改变碱基对间的氢键Tm值可降至40左右2、DNA分子的长度第40页/共61页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

16、围形成的电子云对静电斥力产生屏蔽作用减弱静电斥力第41页/共61页pH12酮基烯醇基pH2-3NH2NH2+(质子化)改变氢键的形成与结合力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、碱基堆积力的因素一切减弱氢键、碱基堆积力的因素 均将使均将使Tm值降低值降低第42页/共61页D.SDNAS.SDNADenaturationRenaturation复性过程依赖于单链分子间的随机碰撞(Depends on the collision of complementary S.S.DNA)第四节 DNADNA分子的复性(anneal or renaturation)DNA复性：

17、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。第43页/共61页影响DNA复性过程的因素：1、阳离子浓度（盐浓度）0.180.2MNa+可消除polydNt间的静电斥力2、复性反应的温度Tm-25(60-65)以消除S.S.DNA分子内的部分二级结构（氢键）3、S.S.DNA分子的长度S.S.DNA愈长S.S.DNA愈短分子扩散愈慢复性愈慢分子扩散愈快复性愈快第44页/共61页影响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第45页/共61页3-ATCTATGCTGTCAT-55-TAGATACGACA

18、GTA-35-TAGATACGACAGTA-33-ATCTATGCTGTCAT-53-ATATATATATAT-55-TATATATATATA-33-ATATATATATAT-55-TATATATATATA-35-TATATATATATA-33-ATATATATATAT-53-ATATATATATAT-55-TATATATATATA-3第46页/共61页复性的过程 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第47页/共61页六、DNA的分子杂交（hybridization）DNA

19、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、dotblotingdotbloting作用：基因鉴定鉴别识别亲缘关系远近第48页/共61页 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。第49页/共61页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。第50页/共61页n n斑点杂交（斑点杂交（d

20、otblotingdotbloting）将将DNADNA样品变性后直接点滴到滤膜上，样品变性后直接点滴到滤膜上，烘烤固定，烘烤固定，再与标记好的探针进行杂交。再与标记好的探针进行杂交。第51页/共61页DNA芯片、DNA微阵列DNAchip，DNAmicroarray第52页/共61页DNAchipDNAchip第53页/共61页第五节第五节 DNADNA与染色质与染色质Histoneoctamer第54页/共61页第55页/共61页第56页/共61页第57页/共61页 DNA DNA核小体核小体核小体核小体螺线管螺线管螺线管螺线管超螺线管超螺线管超螺线管超螺线管染色单体染色单体染色单体染色单

21、体压缩压缩7 7倍倍压缩压缩6 6倍倍压缩压缩4040倍倍压缩压缩5 5倍倍共计压缩共计压缩84008400倍倍第58页/共61页chromatinDNAdoublehelixhistone DNA核小体核小体核小体核小体螺线管螺线管螺线管螺线管超螺线管超螺线管超螺线管超螺线管染色单体染色单体染色单体染色单体压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍共计压缩共计压缩84008400倍倍第59页/共61页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第60页/共61页感谢您的观看！第61页/共61页