现代分子生物学第二章.ppt
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1、Chapter 2 Structure and function of Nucleic Acids,Contents 2.1 细胞的遗传物质 2.2 核酸的化学组成与共价结构 2.3 DNA的二级结构 2.4 DNA 的超螺旋结构 2.5 真核生物的染色体及其组装 2.6 RNA 的结构和功能 2.7 核酸的性质 2.8 研究核酸的常用方法,第一节 细胞的遗传物质,一、DNA是主要的遗传物质 1、In 1869, Miescher:分离出核素 2、In 1930s, P. Levene and W. Jacobs RNA :核糖,碱基 DNA :脱氧核糖,碱基,3. In 1928, Fred
2、erick Griffith:细菌的转化实验,光滑型(S)肺炎双球菌可致小鼠死亡,粗糙型(R)肺炎双球菌不会导致小鼠死亡,加热杀死S型,小鼠不会死亡,将R型和加热杀死的S型混合后注射小鼠,小鼠死亡。,结果分析: R型在转化过程中从杀死的S型获得了基因(遗传物质),4、DNA 是转化物质 In 1944, Oswald Avery (1)将S型杀死后分别提取多糖、脂类、RNA、蛋白质、DNA等分别加入R菌中, 仅加入DNA的发生了转化 (2)向提取液加入胰蛋白酶或糜蛋白酶,转化可发生 (3)向提取液加入DNA酶,转化不能发生,(4)直接的理化分析 超速离心(Ultracentrifugation
3、) 转化的物质沉降的速度快 电泳(Electrophoresis) 转化物质移动的速度快 紫外吸收 转化物质在260nm波长处有最大吸收峰 基本化学分析: N/P比为1.67 结论:DNA是转化物质,1950年,Chargaff DNA并不是四核苷酸的简单重复,DNA碱基组成在不同物种之间不同。 Hotchkiss将转化物质纯化到只含0.02%的蛋白质,转化仍可发生。,5、噬菌体侵染实验:1952年, Hershey and Chase,二、 RNA 也是遗传物质 In 1957, Heinz Fraenkel-Conrat and B. Singer: 烟草花叶病毒重建实验,小结: 基因由核
4、酸组成,通常是DNA。 一些简单的遗传系统(如病毒)是RNA。,作为遗传物质的DNA具有以下特性: 贮存并表达遗传信息 能把遗传信息传递给子代 物理和化学性质稳定 有遗传变异的能力,第二节 核酸的化学组成与共价结构,一、 核酸的化学组成 核酸(Nuleic acid) 核苷酸(Nucleotides) 核苷(nucleosides)+ 磷酸 (Phosphoric acid) 戊糖(pentose) + 碱基(Bases),(一)碱基(Bases):嘧啶碱和嘌呤碱,(二)核苷(Nucleosides) 糖与碱基之间以糖苷键相连 核糖核苷 脱氧核糖核苷,(三)核苷酸(Nucleotides),二
5、、核酸的共价结构 (一)DNA的一级结构 DNA分子中的核苷酸序列 3,5-磷酸二酯键 5-末端: 自由的磷酸基团 3-末端: 自由的羟基,(二)RNA的一级结构 无分支的多聚核糖核苷酸链 4种核糖核苷酸:A、G、U、C 核苷酸中的戊糖为核糖,第三节 DNA的二级结构,一、DNA双螺旋模型的诞生 In 1951, Pauling: -螺旋 Chargaff : A = T, G = C In 1952, Franklin and Wilkins: 清晰的X-射线衍射照片 In 1953, Watson and Crick DNA double helix model,二、双螺旋模型的特征 1、
6、主链: (1)DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链组成,(2)两条主链围绕同一中心轴相互缠绕,形成双螺旋,螺旋方向为右手螺旋,(3)糖-磷酸主链位于双螺旋的外侧,碱基位于双螺旋的内侧; (4)碱基对平面与螺旋轴垂直,2、碱基配对,3、螺旋参数: (1)每一圈螺旋含10个碱基对 (2)双螺旋螺距为3.4nm,上下相邻碱基的垂直距离为0.34nm,交角为36 (3)螺旋直径为2nm,4、大沟和小沟 大沟:宽1.2nm ,深0.85nm, 小沟 :宽0.6nm,深0.75nm,三、维持DNA双螺旋的作用力 1、氢键(Hydrogen bonding) 2、碱基堆积力: 堆积碱基间的疏水作用 3、其他
7、作用因素: (1)范德华力; (2)磷酸基的负电荷斥力,四、DNA双螺旋的多种形式 B-DNA: Watson-Crick 模型 A-DNA: 在较低的湿度下形成;RNA-RNA、RNA-DNA杂交分子具有A-DNA这种结构,A-DNA,B-DNA,Top view,Top view,Z-DNA: 左手螺旋的双螺旋DNA,其糖-磷酸骨架呈Z字形,Z-DNA,B-DNA,小结,B-DNA是最常见的DNA构象(Watson-Crick双螺旋DNA); A-DNA构象对基因转录有重要意义; Z-DNA可能与基因转录调控有关(左手螺旋),五、十字形结构 由 反向重复(回文序列)DNA形成,较长的回文结
8、构(单链),可形成茎环结构(发夹结构),较长的回文结构,可形成十字形结构,六、三股螺旋DNA(Triple helix DNA) 1、类型: 分子内的DNA三螺旋结构(H-DNA) 分子间的三螺旋结构 平行的三螺旋结构,2、氢键 原来的双螺旋:Watson-Crick氢键 第三股链与双螺旋之一:Hoogsteen氢键,Watson-Crick 配对 Hoogsteen 氢键,3、意义:可能与基因表达调控有关 形成三股螺旋结构可阻止调控蛋白的结合,从而关闭基因的表达,七、四链DNA 端粒DNA:G四链体结构,一、超螺旋DNA(Superhelix DNA) 1、定义: DNA双螺旋自身盘绕而形成
9、的空间结构,第四节 DNA 的超螺旋结构,2. 功能: (1)超螺旋DNA具有更为致密的结构,可以将很长的DNA分子压缩到染色体中 (2)对DNA的稳定性具有十分重要的意义,3. 正超螺旋和负超螺旋 负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反 (2) 正超螺旋(positive supercoil): 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同,负超螺旋 正超螺旋,4. 超螺旋的定量描述 White 方程:L=T+W (1)连结数(linking number , L) DNA闭环前两条链交叉的次数 (2)扭转数(twisting number , T) DNA分子中
10、的Watson-Crick螺旋数目 (3)超螺旋数(缠绕数 , writhing number , W) 双螺旋DNA自身盘绕的次数,负超螺旋 正超螺旋 双螺旋DNA松开导致负超螺旋,而拧紧则导致正超螺旋.,天然DNA分子一般为负超螺旋。 Why? 负超螺旋DNA更易于局部解链,易于 参加DNA的复制、转录等,(4)比连接差():表示DNA的超螺旋程度 =(L - L0)/ L0 大多数生物的超螺旋程度大约在 -0.05左右,二、拓扑异构体(Topoisomers) 具有不同连接数的相同DNA分子,Bp: 360; L: 36; T: 36; W: 0,Bp: 360 L: 32; T: 36
11、; W: -4,Topoisomerase,三、拓扑异构酶(Topoisomerase) 能够改变DNA连接数从而改变DNA分子超螺旋水平的酶 1、 I型拓扑异构酶 : 作用机制:切开环状一条链,连接数改变1,不需ATP 2、 型拓扑异构酶 : 作用机制: 切开环状两条链,连接数改变2,需要ATP,Topoisomerase II,3、细菌的拓扑异构酶 (1)旋转酶(Gyrase-topoisomerase II): 引入负超螺旋; 与复制有关 (2)拓扑异构酶 I: 松弛负超螺旋; 与转录有关,第五节 真核生物的染色体及其组装,一、染色体和染色质 1、染色质(chromatin) 指间期细胞
12、核内由DNA、组蛋白、非组蛋白组成的线性复合结构, 是间期细胞遗传物质存在的形式。,2、染色体(chromosome): 指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中, 由染色质聚缩而成的棒状结构。,3、二者关系 (1)染色质与染色体具有基本相同的化学组成,但包装程度不同,构象不同。 (2) 染色质与染色体是在细胞周期不同的功能阶段可以相互转变的的形态结构,4、形成染色体或染色质的意义 压缩DNA 提高稳定性 有助于细胞分裂 有助于重组,二、真核生物的染色质 1、Euchromatin(常染色质) 间期细胞核中,螺旋化程度小、分散度大、浅染的染色质 特点:转录活跃 2、 Heterochromatin (
13、异染色质) 间期高度压缩,螺旋化程度高、深染的染色质 特点: A、高度浓缩 B、 转录不活跃 C、在细胞周期中表现为晚复制(晚S期)、早凝缩,(1)组成性异染色质(结构性异染色质) 在整个细胞周期内都处于凝聚状态的染色质 (主要为卫星DNA,构成染色体特殊区域, 如着丝粒) (2)功能性异染色质(兼性异染色质) 指在某些特定的细胞中,或在一定的发育时期和生理 条件下凝聚,由常染色质转变而来的异染色质 如X 染色体,巴氏小体 是真核生物基因表达调控的一种途径,三、染色体的结构(chromosome structure) 1、有丝分裂期的染色体,2、Centromere(着丝粒) 指中期染色单体相
14、互联系在一起的特殊部位, 是纺锤体附着位点 (1)功能:保证有丝分裂和减数分裂中复制 的染色体平均分配到两个子细胞,(2)着丝粒DNA: 特点:含大量串联的重复序列-卫星DNA 酵母着丝粒DNA:为单一序列 (200bp) 88bp富含AT序列+两侧保守区 哺乳动物着丝粒DNA: 长序列+大量的重复序列,3、Telomere(端粒) 是真核生物染色体末端的起保护作用的一种特殊结构 (1)功能:保持染色体的稳定性,(2)端粒DNA: 特点: A、短串联重复序列 B、富含GC C、形成特殊的二级结构,四、真核生物染色体和染色质的组成 (一) 化学组成: DNA / protein(蛋白质) Non
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