分子生物學(xué)：第二章 DNA結(jié)構(gòu)

第二章遺傳物質(zhì)-DNA第一節(jié)核酸遺傳物質(zhì)第二節(jié)DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)第三節(jié)DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)第四節(jié)DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)第一節(jié)核酸是遺傳物質(zhì)攜帶負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)、氨基酸合成的組成信息攜帶關(guān)于基因選擇性表達(dá)的信息一、DNA是遺傳物質(zhì)二、DNA是遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)：

1928年，Griffith的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)R型肺炎鏈球菌因?yàn)闆](méi)有莢膜多糖而失去致病能力S型細(xì)菌加熱殺死后，與活的R型菌混合，能夠使小鼠感染三、DNA是遺傳物質(zhì)的證明：

O.Avery等的體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

OswaldAvery等用去垢劑裂解加熱滅活的S型細(xì)菌，得到保留了轉(zhuǎn)化能力的溶菌液。分別向溶菌液中加入SIII（除去莢膜多糖），蛋白酶和RNA酶，轉(zhuǎn)化能力不受影響。向溶菌液中加入DNA酶，轉(zhuǎn)化能力喪失。證明DNA是遺傳物質(zhì)。四、DNA是遺傳物質(zhì)的證明：

1952，Hershey和ChaseT2噬菌體轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)五、RNA也是遺傳物質(zhì)（在病毒中）：

煙草花葉病毒重建實(shí)驗(yàn)

第二節(jié)DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)單位——核苷酸1、核糖脫氧核糖（DNA）核糖（RNA）指嘌呤或嘧啶環(huán)。通過(guò)嘧啶的N1或嘌呤的N9位糖苷鍵與戊糖的1位相連；每種核酸包含4種堿基。DNA包括A,T,

G,C，而RNA包括A,U,G,C。2、堿基戊糖與堿基以N－糖苷鍵連接組成核苷。核苷中堿基與糖環(huán)平面互相垂直戊糖包括核糖與脫氧核糖，均為呋喃型環(huán)狀結(jié)構(gòu)糖環(huán)中碳原子的標(biāo)號(hào)右上角加撇,堿基中原子的標(biāo)號(hào)不加撇3、核苷3、核苷酸每個(gè)核苷酸分子有三部分組成：一個(gè)五碳糖，一個(gè)堿基和一個(gè)磷酸基Nucleicacid:核酸Nucleoside:核苷Nucleotide:核苷酸Ribose:核糖Deoxyribose:脫氧核糖Base：堿基相關(guān)概念：二、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指DNA分子中的核苷酸排列順序。核酸中的核苷酸以

3’，5’-磷酸二酯鍵連接而成。DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的意義主要在于它決定著遺傳信息。三、DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的寫法第三節(jié)DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)主鏈:脫氧核糖與磷酸通過(guò)3’，5’－磷酸二酯鍵交互連接，成為螺旋的骨架；兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸相互纏繞，兩條鏈均為右手螺旋堿基：位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)，堿基平面與縱軸垂直；堿基互補(bǔ)配對(duì)原則（A與T，G與C）一、DNA雙螺旋的基本特征螺距為3.4nm,包含10個(gè)核苷酸;直徑2nm；大溝和小溝:蛋白因子的識(shí)別、結(jié)合部位二、維持DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的因素堿基對(duì)之間的氫鍵：A、T間有二個(gè)氫鍵，G、C間有三個(gè)氫鍵，所以，G、C含量高的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。堿基堆積力：堿基呈疏水性，大量堆積使雙螺旋內(nèi)部形成強(qiáng)大的疏水區(qū)，與介質(zhì)的水分子隔開(kāi)。磷酸基團(tuán)靜電斥力：每個(gè)磷酸基團(tuán)上帶一個(gè)負(fù)電荷，靜電排斥作用使雙鏈分開(kāi)。正電陽(yáng)離子可以有效屏蔽磷酸基團(tuán)之間的靜電斥力。三、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的呼吸作用在DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)中，配對(duì)堿基之間的氫鍵處于連續(xù)不斷的斷裂和再生的動(dòng)態(tài)平衡中，這種現(xiàn)象稱為DNA鏈的呼吸作用。特別是富含A/T的區(qū)域，呼吸作用更強(qiáng)。這對(duì)于DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄起始具有重要作用。四、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多形性B-DNA

A-DNAZ-DNA螺旋方向右手右手左手Bp數(shù)/螺旋101112螺距3.42.84.5大溝寬和中等深細(xì)、深平伏小溝窄和中等深寬、淺很窄、很深糖磷骨架呈“之”字形（Zigzag）走向。左旋。G的糖苷鍵呈順式(Syn)，使G殘基位于分子表面。大溝消失，小溝窄而深。每個(gè)螺旋有12bp。1、Z-DNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在活細(xì)胞中如果m5C,則無(wú)需嘌呤-嘧啶相間排列，在生理鹽水的濃度下可產(chǎn)生Z型。高鹽：NaCl>2Mol/L,MgCl2>0.7Mol/LPu,Py相間排列：某些蛋白質(zhì)如Z-DNA結(jié)合蛋白帶有正電荷，可使DNA周圍形成局部的高鹽濃度和微環(huán)境。負(fù)超螺旋的存在2、Z-DNA存在條件可能提供某些調(diào)節(jié)蛋白的識(shí)別。嚙齒類動(dòng)物病毒的復(fù)制起始部位有d（GC）有交替順序的存在；在SV40的增強(qiáng)子中有三段8bp的Z-DNA存在。原生動(dòng)物纖毛蟲，它有大、小兩個(gè)核，大核有轉(zhuǎn)錄活性，小核和繁殖有關(guān)。Z-DNA抗體以螢光標(biāo)記后，顯示僅和大核DNA結(jié)合，而不和小核的DNA結(jié)合，說(shuō)明大核DNA有Z-DNA的存在，可能和轉(zhuǎn)錄有關(guān)。3、Z-DNA的功能五、DNA的變性、復(fù)性與雜交變性：DNA雙螺旋區(qū)的氫鍵斷裂，使雙螺旋的兩條鏈完全分開(kāi)變成單鏈，鏈分離的過(guò)程叫做變性(denaturation)或熔解(melting)。導(dǎo)致變性的條件：維持DNA雙螺旋的力由氫鍵和堿基的疏水作用提供，因此，凡是破壞氫鍵和疏水作用的因素都能導(dǎo)致雙螺旋的破壞，如加熱、極端的pH、有機(jī)溶劑、低鹽濃度等。1、變性DNA熱變性：當(dāng)將DNA的稀鹽溶液加熱到80-l00℃時(shí)，雙螺旋的結(jié)構(gòu)即發(fā)生解體，兩條鏈分開(kāi)，形成無(wú)規(guī)則線團(tuán)。增色效應(yīng)(hyperchromiceffect)：在DNA變性的過(guò)程中，隨著雙鏈的分離，堿基充分暴露，從而增加在紫外區(qū)的光吸收，這種現(xiàn)象稱為增色效應(yīng)DNA的熔點(diǎn)或熔解溫度：通常把DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)失去一半時(shí)的溫度稱為該DNA的熔點(diǎn)或熔解溫度，用Tm表示。在適宜的生理?xiàng)l件下，DNA的Tm值一般在85-95℃之間，所以在細(xì)胞狀態(tài)下，雙螺旋DNA是穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。DNA的熔解曲線(meltingcurve)：以溫度為橫坐標(biāo)，以光吸收值為縱坐標(biāo)，可以得到DNA的熔解曲線(meltingcurve)。曲線常常表現(xiàn)為相同的形狀，但在溫度坐標(biāo)上的絕對(duì)位置（Tm）卻受DNA的堿基組成和變性環(huán)境的影響。影響DNATm值的因素DNA的均一性：均一性越高的樣品熔解過(guò)程越是發(fā)生在一個(gè)很小的溫度范圍內(nèi)。G-C的含量：G-C含量越高，Tm值越高，成正比關(guān)系。這是因?yàn)镚-C比A-T堿基對(duì)更穩(wěn)定的緣故。所以測(cè)定Tm值可推算出G-C的含量，其經(jīng)驗(yàn)公式為：（G-C）％=（Tm－69.3)×2.44。介質(zhì)中的離子強(qiáng)度：一般說(shuō)離子強(qiáng)度較低的介質(zhì)中，DNA的熔解溫度較低，熔解溫度的范圍也較窄。而在較高的離子強(qiáng)度的介質(zhì)中，情況則相反。復(fù)性：變性DNA在適當(dāng)條件下，兩條彼此分開(kāi)的鏈又可重新形成氫鍵，締合成為雙螺旋結(jié)構(gòu)，這個(gè)過(guò)程叫做復(fù)性(renaturation)。復(fù)性反應(yīng)經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段：首先在溶液中DNA的單鏈以隨機(jī)發(fā)生相遇，如果它們的序列可以互補(bǔ)，兩條鏈就通過(guò)堿基配對(duì)形成一個(gè)短的雙螺旋區(qū)域。然后，這個(gè)堿基配對(duì)的區(qū)域延伸至整個(gè)分子，形成一個(gè)長(zhǎng)的雙螺旋分子2、復(fù)性影響復(fù)性的因素：溫度：溫度高復(fù)性困難。但是，低溫減少了互補(bǔ)鏈碰撞的機(jī)會(huì)，而且解開(kāi)已經(jīng)誤配的片段以尋找正確的互補(bǔ)鏈，在低溫下也很困難。因此復(fù)性溫度不能過(guò)低，一般比熔點(diǎn)低25℃左右是最佳溫度。DNA濃度：同一種DNA濃度高時(shí)，互補(bǔ)序列碰撞的機(jī)會(huì)增加，復(fù)性速度也快。DNA片段的大小：因?yàn)榇笃蔚臄U(kuò)散速度慢，減少了發(fā)現(xiàn)互補(bǔ)序列的機(jī)會(huì)，因此在復(fù)性實(shí)驗(yàn)中，往往把DNA鏈剪切成一定大小的片段。序列復(fù)雜程度：序列復(fù)雜的DNA比序列簡(jiǎn)單的DNA復(fù)性所需的時(shí)間要長(zhǎng)復(fù)性DNA中，如果兩條鏈來(lái)源不同，就叫做雜交。3、雜交第四節(jié)DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)雙螺旋超螺旋相互纏繞正超螺旋螺旋負(fù)超螺旋螺旋擰緊放松天然的DNA都呈負(fù)超螺旋如果在一端使繩子向緊纏方向捻轉(zhuǎn)，再將繩子兩端連接起來(lái)，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)左旋的超螺旋以解除外加的捻轉(zhuǎn)造成的脅變，這種超螺旋叫正超螺旋；相反如果在一端使繩子向松纏方向捻轉(zhuǎn)，再將繩子兩端連接起來(lái)，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)右旋的超螺旋以解除外加的捻轉(zhuǎn)造成的脅變，這種超螺旋叫負(fù)超螺旋。L為連接數(shù)（linkingnumber），是指環(huán)形DNA分子兩條鏈間交叉的次數(shù)。只要不發(fā)生鏈的斷裂，L是個(gè)