分子生物學(xué) 第一章 DNA結(jié)構(gòu)

《分子生物學(xué)》

MolecularBiology

邢繼紅工作單位：生命學(xué)院分子生物學(xué)與生物信息學(xué)系聯(lián)系電話：7528251E-mail:xingjihong2000@126.com

主要參考書目：孫乃恩等.《分子遺傳學(xué)》

南京大學(xué)出版社.1999朱玉賢等.《現(xiàn)代分子生物學(xué)》科學(xué)出版社.2000/2004（第二版）/2007(第三版)Lewin.B.《GeneⅧ》OxfordUniversityPress2004

學(xué)科地位分子生物學(xué)當(dāng)前生命科學(xué)中發(fā)展最快一門學(xué)科分子生物學(xué)的興起僅有區(qū)區(qū)幾十年的歷史，它所取得的成果，已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及醫(yī)藥衛(wèi)生等方面得到重要應(yīng)用。1、農(nóng)業(yè)方面生物品種的改良速度更快、目標(biāo)更準(zhǔn)確，甚至創(chuàng)造新物種轉(zhuǎn)基因動物－－－－－豬、牛、羊、魚等植物－－－－－抗蟲棉（Bt毒素蛋白基因）、轉(zhuǎn)基因大豆、耐貯藏番茄等重組DNA技術(shù)的應(yīng)用熒光魚產(chǎn)藥的小雞不感染瘧疾的蚊子抗癌老鼠翡翠海參

轉(zhuǎn)基因動物-生物反應(yīng)器

蜘蛛羊1212野生型轉(zhuǎn)基因抗真菌病的轉(zhuǎn)基因草坪草抗棉鈴蟲棉花抗蟲水稻全球轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物銷售額及預(yù)測2、醫(yī)藥方面利用重組DNA產(chǎn)生的工程菌來大量高效地合成人體活性多肽（疾病的診斷、預(yù)防和治療）

基因工程疫苗（細(xì)菌疫苗、病毒疫苗、寄生蟲疫苗）以及正在研制的癌癥疫苗3、工業(yè)方面

3.1酶制劑工業(yè)用酶的生產(chǎn)、酶的定向改造3.3環(huán)境保護(hù)生物傳感器--環(huán)境監(jiān)測生物修復(fù)3.2

食品工業(yè)上：氨基酸，助鮮劑，甜味劑，食品添加劑淀粉酶，纖維素酶。3.4化學(xué)與能源工業(yè)上：基因工程修飾過的淀粉及重組DNA技術(shù)生產(chǎn)酒精等石油替代品噴灑工程菌清除石油污染美國GE公司構(gòu)造成功具有巨大烴類分解能力的工程菌，并獲專利，用于清除石油污染。分子生物學(xué)已經(jīng)滲透到生物學(xué)的幾乎所有領(lǐng)域

分子生物學(xué)已經(jīng)成為生命科學(xué)領(lǐng)域的帶頭學(xué)科分子結(jié)構(gòu)生物學(xué)分子發(fā)育生物學(xué)分子神經(jīng)生物學(xué)分子育種學(xué)分子腫瘤學(xué)分子細(xì)胞生物學(xué)分子免疫學(xué)分子病毒學(xué)分子生理學(xué)分子考古學(xué)分子遺傳學(xué)分子數(shù)量遺傳學(xué)分子生態(tài)學(xué)分子進(jìn)化學(xué)…………….分子生物學(xué)成為現(xiàn)代生命科學(xué)的“共同語言”和深入研究的工具，一門生命科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科。分子生物學(xué)使生命科學(xué)的各個領(lǐng)域在分子水平上密切聯(lián)系，互相滲透，交叉融合，從而成為了解所有生命現(xiàn)象的分子基礎(chǔ)。微生物遺傳細(xì)胞農(nóng)林醫(yī)學(xué)生態(tài)環(huán)境生理分子課程大綱：緒論第一章DNA的結(jié)構(gòu)第二章有機(jī)體、染色體和基因第三章DNA的復(fù)制第四章RNA轉(zhuǎn)錄第五章蛋白質(zhì)翻譯第六章原核生物基因表達(dá)調(diào)控分子生物學(xué)的概念蛋白質(zhì)及核酸等生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的研究都屬于分子生物學(xué)的范疇，即從分子水平闡明生命現(xiàn)象和生物學(xué)規(guī)律偏重于核酸（基因）的分子生物學(xué)，主要研究基因或DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、表達(dá)和調(diào)控等過程，以涉及與這些過程相關(guān)的蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu)與功能的研究基因的分子生物學(xué)MolecularBiology廣義的分子生物學(xué)：狹義的分子生物學(xué)：分子生物學(xué)的三大原則

*

構(gòu)成生物大分子的單體是相同的

共同的核酸語言（Nt）共同的蛋白質(zhì)語言（aa）

*

生物遺傳信息表達(dá)的中心法則相同DNARNApolypeptidesproteincharacterprotein

*

生物大分子單體的排列（核苷酸、氨基酸）個性

高級結(jié)構(gòu)生物大分子之間的互作第一章

DNA的結(jié)構(gòu)

第一節(jié)遺傳物質(zhì)的本質(zhì)第二節(jié)核酸的化學(xué)組成第三節(jié)DNA的二級結(jié)構(gòu)第四節(jié)DNA的物理化學(xué)性質(zhì)第一節(jié)遺傳物質(zhì)的本質(zhì)

a、編碼蛋白質(zhì)和RNA的信息(編碼tRNA、rRNA)

64個三聯(lián)體密碼子3個終止密碼子編碼氨基酸的61個密碼子有簡并性、通用性一、DNA攜帶兩類不同的遺傳信息

b、編碼基因選擇性表達(dá)的信息基因選擇性表達(dá)表現(xiàn)在：

細(xì)胞周期的不同時相中個體發(fā)育不同階段不同的器官和組織不同的外界環(huán)境下基因的表達(dá)與否以及量的差異*原核生物的結(jié)構(gòu)基因占Genome的比例很大

Φx174phage5386bp結(jié)構(gòu)基因用去5169bp

比例達(dá)96％*真核生物的結(jié)構(gòu)基因占Genome的比例很小

哺乳動物中結(jié)構(gòu)基因只占10％～15％

其余80％以上的DNA起什么作用目前還無法精確解釋，但可以肯定其中大部分DNA序列是編碼基因選擇性表達(dá)的遺傳信息

所以又稱－－調(diào)控序列二、RNA也可作為遺傳物質(zhì)

*RNA病毒傳染媒介是病毒顆粒（病毒基因組RNA、蛋白質(zhì)外殼）如:煙草花葉病毒（TobaccoMosaicVirus，TMV)

*類病毒（viroid）使高等植物產(chǎn)生疾病的傳染性因子分子結(jié)構(gòu)：含

246~375個核苷酸的單鏈環(huán)狀RNA分子，沒有蛋白質(zhì)外殼。專性活細(xì)胞內(nèi)寄生。三、是否存在核酸以外的遺傳物質(zhì)

Prion(proteinaccousinfectionsparticle)朊病毒－－－蛋白質(zhì)樣的感染因子羊搔癢病(scripie)人類庫魯（

kuru）病牛海綿狀腦炎(瘋牛病)…

均由傳染性病原蛋白顆粒引起統(tǒng)稱Prion(朊病毒)

Prion

復(fù)制?轉(zhuǎn)錄?翻譯?

①朊病毒蛋白有兩種構(gòu)象：細(xì)胞型（正常型PrPc）和瘙癢型（致病型PrPsc）。②PrPsc可脅迫PrPc轉(zhuǎn)化為PrPsc，實(shí)現(xiàn)自我復(fù)制，并產(chǎn)生病理效應(yīng)；致病原理：③基因突變可導(dǎo)致細(xì)胞型PrPsc中的α螺旋結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，至一定量時產(chǎn)生自發(fā)性轉(zhuǎn)化，β片層增加，最終變?yōu)镻rPsc型。朊病毒帶來了諾貝爾生理/醫(yī)學(xué)獎

1997

StanleyB.Prusiner發(fā)現(xiàn)朊病毒是作為老年性癡呆癥等疾病的病原并能在寄主細(xì)胞中傳播第二節(jié)核酸的化學(xué)組成嘧啶Pyrimidines嘌呤Purines

一、堿基、核苷、核苷酸☉堿基NitrogenousbasesUracil(U)☉核苷（nucleotide）糖苷鍵Glycosidicbond嘧啶的1位N原子、嘌呤的9位N原子核糖是戊糖RNA－核糖核苷

DNA－脫氧核糖核苷1’9☉核苷酸（nucleotideacid）核苷的磷酸酯脫氧核糖核苷酸核糖核苷酸其中α和β、β和γ之間是高能磷酸鍵αβγdNTP堿基＋戊糖＝核苷核苷＋磷酸＝核苷酸核糖核苷三磷酸縮寫為NTP

二、DNA分子的一級結(jié)構(gòu)

(DNAsequence)1、多聚核苷酸鏈

主鏈?zhǔn)呛颂呛土姿醾?cè)鏈為堿基由3’,5’磷酸二酯鍵連接2、鏈的方向：同一個磷酸基的3’酯鍵到5’酯鍵的方向

(5’→3’)5’-UCAGGCUA-3’=UCAGGCUA

默認(rèn)書寫順序5‘→3’3’5’3、一級結(jié)構(gòu)的概念指DNA分子中的核苷酸排列順序。簡稱DNA序列或序列。由于核苷酸之間的差異僅僅是堿基的不同，故可稱為堿基序列。

不同生物借此貯存遺傳信息決定DNA的二級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)第三節(jié)DNA的二級結(jié)構(gòu)*

1953.Watsosn&Crick

右手B-DNADoublehelixModel

一、DNA雙螺旋模型（doublehelixmodel）每一單鏈具有

5’3’極性兩條單鏈極性相反反向平行兩條單鏈間以氫鍵連接以中心為軸，向右盤旋（直徑2nm）雙螺旋中存在大/小溝

*

雙螺旋的主鏈磷酸二酯鏈(PhosphodiesterBackbone)C-GT-A

堿基互補(bǔ)·直徑20?

*雙螺旋模型參數(shù)·螺距為34?（任一條鏈繞軸一周所升降的距離）·每圈有10個核苷酸（堿基）·有大溝和小溝配對堿基并不充滿雙螺旋空間，且堿基對占據(jù)的空間不對稱

·兩個堿基之間的垂直距離是3.4?。螺旋轉(zhuǎn)角是36度Pitch34?Rise3.4?Width20?MajorGrooveMinorGroove10.4bp/turnTwist36°二、影響雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素

l

氫鍵

(Hydrogenbond4~6kc/mol)

消除DNA單鏈上磷酸基團(tuán)間的靜電斥力

弱鍵,可加熱解鏈氫鍵堆積,有序排列(線性,方向)

l

磷酸酯鍵

(phosphoesterbond80~90kc/mol)l

0.2mol/LNa+

生理鹽條件

強(qiáng)鍵,需酶促解鏈*維持穩(wěn)定性的因素l

磷酸基團(tuán)間的靜電斥力

堿基內(nèi)能增加(溫度),使氫鍵因堿基排列有序狀態(tài)的破壞而減弱

*不穩(wěn)定因素三、雙螺旋結(jié)構(gòu)的基本形式

·B-DNA資料來自相對濕度為92％所得到的DNA鈉鹽纖維·

此外人們還發(fā)現(xiàn)了A、C、D、E等右手雙螺旋和左手雙螺旋

Z構(gòu)象等形式DNA結(jié)構(gòu)的多態(tài)性：幾種不同的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)以及同一種雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)參數(shù)存在差異的現(xiàn)象。ABZHandednessBaseInclinationABZ大溝寬小溝窄小溝窄大溝變深小溝寬淺大溝不存在小溝窄而深

反向重復(fù)序列與二級結(jié)構(gòu)