基因-結(jié)構(gòu)和功能(講義)2018.5.4

1、2018-5-14 分子生物學(xué)發(fā)展歷史 基因的分子特性 基因的功能基因結(jié)構(gòu)與功能趙勝梅山東省臨床檢驗中心分子生物學(xué)在分子水平上研究基因的結(jié)構(gòu)與功能18561863 Gregor Mendel 豌豆實驗12018-5-141902 染色體發(fā)現(xiàn)Walter Sutton1910 Thomas Hunt Morgan 果蠅實驗22018-5-141869 Friedrich Miescher 核素(nuclein)發(fā)現(xiàn)1928 Frederick Griffith肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗1952 Hershey and Chase 噬菌體侵染細(xì)菌實驗1944 Avery 體外轉(zhuǎn)化實驗George Bead

2、le and E. L. Tatum1952 DNA X射線晶體衍射照片1941 鏈孢菌試驗Rosalind Franklin32018-5-141953 DNA的雙螺旋造型1952 Edwin Chargaff Chargaff 法則James Watson and Francis Crick 分子生物學(xué)發(fā)展歷史 基因的分子特性 核酸的化學(xué)組成DNA的結(jié)構(gòu)RNA的結(jié)構(gòu) 核酸的理化性質(zhì) 基因的功能化學(xué)組成基本組成單位是核苷酸脫氧核糖核酸（DNA）核酸堿基核苷（含糖不同分類）mRNA核糖核酸（RNA） rRNAtRNA核苷酸戊糖磷酸基本組成單位是核苷酸DNA存在于細(xì)胞核和線粒體內(nèi),是遺傳信息的載

3、體DNA的基本組成單位是脫氧核苷酸RNA的基本組成單位是核苷酸RNA存在于細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核和線粒體內(nèi)，在蛋白質(zhì)的合成中起重要作用42018-5-14堿基種類戊糖嘌呤嘧啶-D-2-脫氧核糖（ DNA ）-D-核糖（RNA ）5H O C HO HH O C HH2O2O HHOHH1HH4H2H3O HO HD-2-脫氧核糖嘌呤和嘧啶環(huán)中均含有共軛雙鍵，因此對波長 260nm左右的紫外光有較強(qiáng)吸收。D-核糖穩(wěn)定性：DNARNA堿基和核糖或脫氧核糖生成核苷或脫氧核苷N-糖苷鍵磷酸核苷酸的種類核苷或脫氧核苷C-5原子上的羥基可以與磷酸反應(yīng)，脫水后生成酯鍵，構(gòu)成核苷酸或脫氧核苷酸。核苷一磷酸核苷二磷酸核

4、苷三磷酸52018-5-14DNA的一級結(jié)構(gòu)3,5-磷酸二酯鍵核苷酸構(gòu)成的其他衍生物，參與各種物質(zhì)代謝的調(diào)控和多種蛋白質(zhì)功能的調(diào)節(jié)。DNA分子的一級結(jié)構(gòu)的表示方法核苷酸按照一定的排列順序，通過3,5-磷酸二酯鍵相連形成的,由多個脫氧核苷酸構(gòu)成的、具有方向性的線性大分子，稱為多聚脫氧核苷酸，即DNA。結(jié)構(gòu)式表示法：線條式表示法：文字式表示法：DNA的堿基組成（Chargaff法則）核酸的一級結(jié)構(gòu)是核苷酸序列，也就是它的堿基序列。核酸分子的大小常用堿基數(shù)目或堿基對數(shù)目來表示。脫氧核糖和磷酸基團(tuán)構(gòu)成DNA的骨架，而DNA攜帶的遺傳信息完全依靠堿基排列順序變化。美國生物化學(xué)家E.Chargaff利用層

5、析和紫外吸收光譜等技術(shù)研究了DNA的化學(xué)成分。DNA 巨大的遺傳信息編碼潛力（4N）腺嘌呤與胸腺嘧啶得摩爾數(shù)相等，而鳥嘌呤與胞嘧啶的摩爾數(shù)相等（A=T ，G=C）。有種的特異性：同種生物（各組織、器官） DNA堿基組成相同，異種生物DNA堿基組成差異很大。不對稱比率A+T/G+C的相近程度表示種間親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近。53DNA堿基組成不受年齡，營養(yǎng)狀況及環(huán)境的影響.（對維持物種的穩(wěn)定性起很重要的作用）。62018-5-14不同生物來源的DNA四種堿基比例關(guān)系25.71.01DNA的二級結(jié)構(gòu)兩條單鏈DNA通過堿基互補(bǔ)配對的原則形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。暗示了DNA的堿基A與T，G與C是以某種相互配對的方式存

6、在的。反向平行右手螺旋：直徑：2.37nm；螺距：3.4nm雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)（J.Watson和F.Crick）骨架：脫氧核糖、磷酸大溝；小溝DNA是反向平行、右手螺旋的雙鏈結(jié)構(gòu)互補(bǔ)堿基對：互補(bǔ)鏈一個螺旋：10.5bp兩個堿基：36兩個堿基對平面:0.34nmDNA雙鏈之間形成了互補(bǔ)堿基對疏水作用力和氫鍵共同維持著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定basephosphatedeoxyribose穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)的力DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)多樣性堿基堆積力氫鍵B-DNA螺旋：標(biāo)準(zhǔn)的 Watson, Crick雙螺旋，92%相對濕度，DNA在水性環(huán)境下和生理條件下最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。A-DNA螺旋：DNA在75%相對濕度

7、的鈉鹽中的構(gòu)型。Z-DNA螺旋：左手的DNA螺旋，這種螺旋可能在基因表達(dá)或遺傳重組中起作用。離子鍵72018-5-14DNA的三級結(jié)構(gòu)超螺旋在DNA雙螺旋二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步盤繞形成的超螺旋。正超螺旋，負(fù)超螺旋DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)是在拓?fù)洚悩?gòu)酶參與下實現(xiàn)的。DNA的右手雙螺旋結(jié)構(gòu)不是自然界DNA的唯一存在方式。真核生物DNA高度有序和高度致密的結(jié)構(gòu)染色質(zhì)染色體（細(xì)胞分裂期）DNA處在極為復(fù)雜的動態(tài)變化中原核生物DNA（環(huán)狀DNA）形成的超螺旋染色質(zhì)基本組成單位核小體染色質(zhì)細(xì)絲進(jìn)一步盤繞形成中空狀螺線管第二層次折疊，使DNA的體積又減少了約6倍。組蛋白H2A、H2B、H3、H4八聚體的核心組蛋

8、白DNA雙鏈（150bp）在八聚體上盤繞1.75圈形成核心顆（11nm6nm的盤狀顆粒）。核小體的核心顆粒之間由DNA（約6bp）和組蛋白H1構(gòu)成的連接串珠狀的染色質(zhì)細(xì)絲。DNA第一次折疊（體積壓縮6-7倍）染色質(zhì)纖維空管進(jìn)一步卷曲和折疊形成直徑為400nm的超螺線管(體積又壓縮了40倍)。染色質(zhì)纖維進(jìn)一步壓縮成染色單體，在核內(nèi)組裝成染色體(DNA被壓縮了800010000倍)。整個折疊盒組裝過程是在蛋白質(zhì)參與下精確調(diào)控的動態(tài)過程。82018-5-14RNARNA比DNA小得多，但是它的種類、大小和結(jié)構(gòu)都遠(yuǎn)比DNA復(fù)雜的多，這與它的功能多樣化密不可分。真核生物DNA高度有序和高度致密的結(jié)構(gòu)rR

9、NA (ribosomal RNA ）核糖核酸t(yī)RNA (transfer RNA）（RNA）mRNA (messenger RNA ）RNA的一級結(jié)構(gòu)：也是多個核苷酸分子通過酯化反應(yīng)形成的線性大分子，并且具有方向性。RNA二級結(jié)構(gòu)：可mRNA信使RNA以通過鏈內(nèi)的堿基配對形成局部的雙螺旋二級結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)合成的模板。豐度最?。俁NA的2%5%）種類最多（約有105種）壽命最短（從幾分鐘到數(shù)小時）。mRNA初級產(chǎn)物hnRNA含有許多外顯子和內(nèi)含子，分別對應(yīng)著基因的編碼序列和非編碼序列。真核生物mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是含有特殊的5-末端的帽結(jié)構(gòu)和3-末端的多聚A尾結(jié)構(gòu)。mRNA的成熟過程是hnRNA

10、的剪接過程。3-多聚A尾結(jié)構(gòu)和5“-帽結(jié)構(gòu)共同負(fù)責(zé)mRNA從核內(nèi)向細(xì)胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位、維系mRNA的穩(wěn)定性以及翻譯起始的調(diào)控。92018-5-14tRNA轉(zhuǎn)運(yùn)RNAmRNA為蛋白質(zhì)的生物合成提供模板。從5-末端起的第一個AUG開始，每3個核苷酸為一組定義了一個密碼子，每一個密碼子編碼了一個氨基酸。AUG被稱為起始密碼子。決定肽鏈終止的密碼子則被稱為終止密碼子。位于起始密碼子和終止密碼子之間的核苷酸序列稱為開放閱讀框ORF。在蛋白質(zhì)生物合成中作為氨基酸的載體。tRNA占細(xì)胞總RNA的15%，由7495個核苷酸組成。tRNA具有較好的穩(wěn)定性。tRNA含有多種稀有堿基rRNA核糖體RNA（10%20%）。

11、tRNA具有莖環(huán)結(jié)構(gòu)，形成三葉草形二級結(jié)構(gòu)。以rRNA為組分的核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所。細(xì)胞內(nèi)最多的RNA，約占RNA總量的80%以上。倒L形三級結(jié)構(gòu)。tRNA的3-末端連有氨基酸。tRNA的反密碼子能夠識別mRNA的密碼子。rRNA核糖體RNArRNA眾多的頸環(huán)結(jié)構(gòu)為核糖體蛋白的結(jié)合和組裝提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。真核生物有四種rRNA，分別與不同的核糖體蛋白質(zhì)結(jié)合分別形成核糖體的大亞基和小亞基。102018-5-14核酸在真核細(xì)胞中的時空特性大小亞基之間的連接處是mRNA的結(jié)合部位。進(jìn)位：A位結(jié)合氨基酰-tRNA的氨基酰位成肽：P位結(jié)合肽酰-tRNA的肽酰位。轉(zhuǎn)位：核糖體從mRNA的5-末端到3-末

12、端的每三個核苷酸的移動核酸分子具有強(qiáng)烈的紫外吸收核酸分子中含有嘌呤堿和嘧啶堿，因而具有紫外吸收的的性質(zhì)，在260nm處核酸紫外吸收最強(qiáng)。核酸的紫外吸收是核酸定量測定的基礎(chǔ)。31 天然DNA2 變性DNA3 核苷酸總吸值核酸的理化性質(zhì)0.40.321核酸的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特征決定了它本身的一些特殊的理化性質(zhì)。這些理化性質(zhì)被廣泛用于基礎(chǔ)研究及疾病診斷中光吸收 0.2A260=1.0相當(dāng)于 50g/ml雙鏈DNA40g/ml單鏈DNA/RNA20g/ml寡核苷酸0.1220 240 260280純DNA OD /OD280=1.8260波長（nm）純RNA OD260/OD280=2.0溶液中的核酸分

13、子在引力場中沉降核酸的兩性電離與等電點(diǎn)核酸的磷酸基具有酸性，堿基具有堿性，因此，核酸具有兩性電離的性質(zhì)。沉降速度：RNA 環(huán)狀DNA 開環(huán)、線狀DNA核酸中磷酸基的酸性大于堿基的堿性，其等電點(diǎn)偏酸性。超速離心法提取和純化核酸的理論基礎(chǔ)。DNA的pI約為45，RNA的pI約為2.02.5，在pH78電泳時泳向正極。112018-5-14DNA變性是雙鏈解離為單鏈的過程DNA是線性高分子，因此溶液的粘滯度極大，而RNA遠(yuǎn)小于DNA，溶液的粘滯度也小得多。DNA變性的概念：指DNA分子中的雙螺旋結(jié)構(gòu)解鏈為無規(guī)則線性結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。DNA變性的本質(zhì)：維持雙螺旋穩(wěn)定性的氫鍵斷裂，堿基間的堆積力遭到破壞，但不

14、涉及到其一級結(jié)構(gòu)的改變。DNA在機(jī)械力的作用下易發(fā)生斷裂，為基因組DNA的提取帶來一定困難。導(dǎo)致DNA變性的因素：凡能破壞雙螺旋穩(wěn)定性的因素，如加熱、極端的pH、有機(jī)試劑甲醇、乙醇、尿素及甲酰胺等，均可引起核酸分子變性。變性DNA的特征：溶液粘度降低DNA雙螺旋是緊密的剛性結(jié)構(gòu)，變性后轉(zhuǎn)化成柔軟而松散的無規(guī)則單股線性結(jié)構(gòu)，因此粘度明顯下降。紫外吸收增強(qiáng)在DNA解鏈過程中，由于有更多的共軛雙鍵得以暴露，DNA在260nm處的吸光度隨之增加（增色效應(yīng)）加熱部分雙螺旋解開無規(guī)則線團(tuán)鏈內(nèi)堿基配對DNA的變性過程Tm：熔解溫度Tm值的大小的影響因素熔解溫度(Tm ):通常把熱變性過程中A260達(dá)到最大值

15、一半時的溫度稱為該DNA的熔解溫度Tm值可以根據(jù)DNA的長度以及其GC含量來計算DNA變性發(fā)生在一個很窄的溫度范圍內(nèi)小于20bp的寡核苷酸片段與離子強(qiáng)度有關(guān)：溶液的離子強(qiáng)度較低時，Tm值較低，熔點(diǎn)范圍也較寬，反之亦然。解鏈曲線122018-5-14變性的核酸可以復(fù)性或形成雜交雙鏈 分子生物學(xué)發(fā)展歷史 基因的分子特性復(fù)性：當(dāng)變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補(bǔ)鏈可重新配對，恢復(fù)原來的雙螺旋結(jié)構(gòu)。影響因素：溫度、DNA濃度、復(fù)性時間退火：熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后可以復(fù)性。將熱變性的DNA迅速冷卻至4以下，DNA不可能發(fā)生復(fù)性用來保持DNA的變性狀態(tài) 基因的功能 信息儲存 復(fù)制 突變核酸分子雜交：DNA-DNA，RNA-RNA以及RNA-DNA的雜化雙鏈Southern印跡、Northern印跡、斑點(diǎn)印跡、基因芯片DNA？RNA？1958，F(xiàn).Crick 中心法則1970，H. Temin 逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象132018-5-14復(fù)制是以dNTP為原料，在DNA-pol催