分子生物学电子教案第二章_图形学第2章电子教案
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第二章 核酸的结构和功能
1、主要内容
v 细胞内的遗传物质
v 核酸的化学组成与共价结构
v DNA的二级结构
v DNA分子的高级结构
v 真核生物的染色体及其组装
v RNA的结构与功能
v 核酸的变性、复性与分子杂交
2、教学要求
v 掌握遗传物质的只要特点和种类；
v 掌握DNA双螺旋结构特点，核酸的变性、复性和分子杂交原理；
v 熟悉核酸的物理化学性质
v 熟悉DNA 多种高级结构
第一节 细胞的遗传物质
一、DNA携带两类不同的遗传信息
1.遗传物质必须具有的特性
a.贮存并表达遗传信息
b.能把信息传递给子代
c.物理和化学性质稳定
d.具有遗传变化的能力
l DNA的特征
a)各异的碱基序列储存大量的遗传信息
b)碱基互补是其复制、转录表达遗传信息的基础
c)生理状态下物理、化学性质稳定
d)有突变和修复能力，可稳定遗传是生物进化的基础
！遗传物质核酸是如何被证明的？
2、DNA携带两种遗传信息
a、编码蛋白质和RNA的信息(编码tRNA、rRNA)：64个三联体密码子：3个终止密码子，编码氨基酸的61个密码子具有简并性、通用性
b、编码基因选择性表达的信息
¨原核生物的结构基因占Genome的比例很大，Φx174phage 5386bp，结构基因用去5169bp比例达96％。
¨真核生物的结构基因占Genome的比例很小，哺乳动物中结构基因只占10％～15％。
¨其余80％以上的DNA起什么作用目前还无法精确解释，但可以肯定其中大部分DNA序列是编码基因选择性表达的遗传信息。
¨表现在：细胞周期的不同时相中
个体发育不同阶段
不同的器官和组织
不同的外界环境下各种基因的表达与否以及量的差异
¨所以又称－－调控序列
二、RNA也可作为遗传物质
n RNA病毒：传染媒介是病毒颗粒（病毒基因组RNA、蛋白质外壳）
n Tobacco Mosaic Virus
(TMV)
n 类病毒（viroid）: 使高等植物产生疾病的传染性因子，只由RNA组成。
三、是否存在核酸以外的遗传物质
n Prion(proteinaccous infections particle)引起的**
n 朊病毒－－－蛋白质样的感染因子
1)羊搔痒病(scripie)
2)人类库鲁（kuru）病
3)牛海绵状脑炎(疯牛病)
n 均由传染性病原蛋白颗粒引起，统称Prion(朊病毒)资料：1982年，美国加利福尼亚大学教授斯坦利?普利西纳提出雅克氏病的病原体是一种“蛋白质性质的感染颗粒”，并用prion（普利昂）一词表示这种因子，国内曾译为朊病毒或锯蛋白。但这种蛋白质粒子缺乏核酸，称为病毒并不妥当，故现在称为朊毒体。
疯羊病、疯牛病及人类所患的新型雅克氏症等海绵状脑病，都是由朊毒体发生变异引起的。包括人在内的哺乳动物体内都存在朊毒体，它在正常形态下呈折叠状，但变异时会张开如同锯齿状，在大脑中撑出大量的小洞，引起人或动物患上痴呆型的传染性海绵状脑病。
朊毒体的致病过程是：首先经一定传播途径（如进食患病动物的肉和内脏）侵入机体并进入脑组织，其后沉积于不同的神经元溶酶体内，导致被感染的脑细胞受损、坏死，释出的朊毒体又侵犯其它脑细胞，使病变不断发展；病变的神经细胞死亡后，脑组织中留下大量小孔呈海绵状，并出现相应的临床症状，这就是众所周知的海绵状脑病。
普利西纳学说公布之初，在学术界曾遭到猛烈反对，多数人持否定态度。因为分子生物学的中心命题是“生物的遗传基因以核糖核酸和脱氧核糖核酸为本体”，在此之前，人们普遍认为，不存在没有核酸的病原体，这已成为常识，但普利西纳的学说却与这种认识背道而驰。经过10多年的研究和争论，大量事实确证了朊毒体的存在，普利西纳的学说最终得到了认可。鉴于这一发现的重大科学价值，普利西纳荣获1997年度诺贝尔生理学或医学奖。
第二节 核酸的化学组成一、含氮碱基、核苷、核苷酸
l DNA is a nucleotide polymer with covalent bonds between the sugar and Phosphate groups.l A long molecular chain containing a sugar, a phosphate and one of four different nucleotide bases.l Chemical Composition（化学组成）:
Sugar(糖): Deoxyribose(ribose核糖in RNA)Phosphate(磷酸):-phosphodiester
Bases(碱基):(G)guanine
(C)cytosine
(A)adenine
(T)thymine！稀有碱基：假尿苷（）、二氢尿嘧啶（DHU）、2`-O-甲基腺苷、N6，N6-二甲基腺苷。
名称与缩写(1)¡ RNA：ribonucleic acid
核糖核酸
¡ DNA：deoxyribonucleic acid
脱氧核糖核酸
¡ pyrimidine：
cytosine(Cyt)
胞嘧啶
嘧啶
thymine(Thy)
胸腺嘧啶
uracil(Ura)
尿嘧啶
¡ purine：
adenine(Ade)
腺嘌呤
嘌呤
guanine(Gua)
鸟嘌呤
名称与缩写(2)¡ ribonucleoside
核糖核苷（不带磷酸）
adenosine(Ado)
腺(嘌呤核)苷
guanosine(Guo)
鸟(嘌呤核)苷
cytidine(Cyd)
胞(嘧啶核)苷
thymidine(Thd)
胸(腺嘧啶脱氧核)苷
uridine
(Urd)
尿(嘧啶核)苷
¡ ribonucleotide
核糖核苷酸（带磷酸）
adenosine 5’-mono(di, tri)phosphaste；
AMP, ADP, ATP ¡ deoxyribonucleoside
脱氧核糖核苷
deoxyadenosine(dAdo)…… ¡ deoxyribonucleotide
脱氧核糖核苷酸
dAMP, dADP, dATP……dNTP
二、DNA分子的一级结构
1.多聚核苷酸链主链是核糖和磷酸，侧链为碱基，由3’,5’磷酸二酯键连接
2.链的方向：同一个磷酸基的5’酯键到3’酯键的方向(5’→3’)
3、DNA一级结构的特点
a.脱氧核糖是其显著特点－－－－DNA极其稳定的根本原因
b、磷酸呈四面体构型，脱氧核糖呈折叠的五元环，碱基是平面的c、主链是亲水的，侧链（碱基）是疏水的
n 主链的脱氧核糖的羟基能与水形成氢键，而磷酸基团在生理条件下离解为负离子, 这些特点保证了多核苷酸链可形成稳定的构象。
4、一级结构的概念
n 指DNA分子中的核苷酸排列顺序
n 不同生物借此贮存遗传信息
n 决定DNA的二级结构和高级结构
第三节 核酸二级结构
一、DNA双螺旋模型的提出
依据
n a.1938.W.T.Astbury 首次用X－射线分析DNA
n b.1950 Chargaff
A + G / T + C = 1
A+T ≠
G + C n c.1952 Alexander Todd
发现了核苷酸和核苷酸之间由磷酸二酯键联接
n d.1952 M.H.F.Wilkins & Rosalind Franklin
得到了高度定向的DNA纤维的X-射线照片
发现原子长轴存在0.34和3.4nm两种周期性
n 此外，之前的密度测定表明螺旋由两条多核苷酸链组成，且直径恒定（2nm)。
Watson-Crick的DNA双螺旋
n 两条相互独立的单链DNA分子以螺旋方式相互缠绕，形成右手双螺旋；
n 带有负电的戊糖-磷酸骨架在分子的外侧；
n 碱基则平面堆积于螺旋的内部；
n 由于骨架双链在螺旋轴上的间距不相等，从而在分子表面形成大沟和小沟。大沟和小沟。双螺旋表面的沟对DNA和蛋白质的相互识别是很重要的，因为在沟内才能觉察到碱基的顺序，而在双螺旋的表面，是脱氧核糖和磷酸重复结构，没有信息可言。（蛋白质
核酸，核酸
核酸、锌指结构）
n
双螺旋模型参数
n 直径20Å
n 螺距为34Å(任一条链绕轴一周所升降的距离)n 每圈有10个核苷酸(碱基)
n 两个碱基之间的垂直距离是3.4Å。螺旋转角是36度。
n 有大沟和小沟，配对碱基并不充满双螺旋空间，且碱基对占据的空间不对称。
二、影响双螺旋结构稳定性的因素
氢键
范德华力（Van de waals force）
疏水作用力(Hydrophobic interaction)* 不稳定因素
n 磷酸基团间的静电斥力
n 碱基内能增加(温度), 使氢键因碱基排列有序状态的破坏而减弱
三、双螺旋结构多样性
B-DNA：资料来自相对湿度为92％所得到的DNA钠盐纤维。
此外人们还发现了A、C、D、E等右手双螺旋和左手双螺旋Z构象等形式。
DNA结构的多态性：几种不同的DNA双螺旋结构以及同一种双螺旋结构内参数存在差异的现象。
原因：多核苷酸链的骨架含有许多可转动的单键，磷酸二酯键的两个P-O键、糖苷键、戊糖环各个键。
第四节 DNA的高级结构
1、反向重复序列与二级结构
n 反向重复序列（inverted repeatitive sequence or inverted
repeats, IR）,又称回文序列（廻文）：指两段同样的核苷酸序列同时存在于一个分子中，但具有相反的方向。有时也有不完全相同的情况。
¨RNA和DNA中都可能存在
n 此外还可有directed repeatitive sequence---正向重复序列
n 较短的回文序列可能是作为一种信号
n
如：限制性内切酶的识别位点
n
一些调控蛋白的识别位点
n 例如限制性内切酶 EcoRⅠ的识别位点
5′－－GAATTC－－3′
3′－－CTTAAG－－5′
2.DNA(Trible Helix DNA, T.S DNA)的三股螺旋结构
（1）发现和证实
1953年，Watson & Crick D.S DNA model证明沿大沟存在多余的氢键给体与受体
潜在的专一与DNA(蛋白质)结合的能力
形成T.S DNA 可能性
1957 年Felsenfeld等发现一股为嘌呤，另一股为嘧啶的核苷酸双链能够形成三链
如： polyA/polyU
polydA/polydT
polyd(AG)/polyd(CT)——三螺旋DNA的概念提出
1987年Mirkin.S.M证明plasmid DNA在 pH= 4.3的溶液中, 有T.S DNA的存在，这些发现促进了三螺旋DNA的研究
（2）组成形式
a、D.S.DNA + D.S.DNA→T.S.DNA + S.S.DNA b、分子组成
☆ PY/PU + PU(偏碱性介质中稳定)
G＊G、A＊A、G＊C＋
☆ PY/PU + PY(偏酸性介质中稳定)常见类型
G＊C＋
A＊T
3、四股螺旋DNA(tetraplex DNA, Tetrable Helix DNA 结构特点：基本结构单元－－鸟嘌呤四联体
可能的功能：
A、稳定真核生物染色体结构
B、保证DNA末端准确复制
C、与DNA分子的组装有关
D、与染色体的meiosis & mitosis 有关
4、DNA的超螺旋结构
⑴超螺旋(superhelix
OR
supercoil)的形成和类型
l形成
松驰态DNA（relax form）
低能量
常态
超螺旋（Supercoied）DNA
正超螺旋
负超螺旋
DNA的超螺旋结构
正超螺旋（positive supercoiled）紧缠overwinding(右旋)负超螺旋（Negative Supercoiled）
松缠unwinding(左旋)原核生物DNA的三级结构：
n 绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋三级结构。
⑵超螺旋的定量描述
n White方程： L=T+W
n 连接数L（Linking nnmber）：指cccDNA中一条链绕另一条链的总次数。其特点是
(1)L是整数；
(2)在cccDNA的任何拓扑学状态中其值保持不变；
(3)右手螺旋对L取正值。
n T（Twisting number）：盘绕数，即DNA分子中Watson-Crick螺旋数，初级螺旋圈数。其特点是：
(1)可以是非整数；
(2)是变量；
(3)右手螺旋时T为正值。
n W（Writhing number）：超盘绕数，即超螺旋数，直观上为双螺旋在空间的转动数。其特点是：
(1)可以是非整数；
(2)是变量；
l(3)右手螺旋时，W取负值。
l 拓扑异构酶解超螺旋的特点。
第五节 真核生物的染色体及其组装
一、真核细胞染色体组成
1、组成：DNA和蛋白质,以及少量的 RNA.2、染色体体和染色质的概念
v 染色质(chromatin)：是指细胞周期间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成的复合结构，因其易被碱性染料染色而得名。
v 染色体(chromosome)：是指在细胞分裂期出现的一种能被碱性染料强烈染色，并具有一定形态、结构特征的物体。携带很多基因的分离单位。只有在细胞分裂中才可见的形态单位。
！分类：
v 常染色质(euchromatin)
（间期纤丝的包装密度度比分裂期染色体的要小很多）
v 异染色质(heterochromatin)
（间期纤丝染色质区的包装密度十分致密，可与有丝分裂期染色体相比）
组成型异染色质(constitutive
heterochromatin)
兼性异染色质(facultative heterochromatin)
3、染色体中的蛋白质
组蛋白分为H1、H2A、H2B、H3和H4。其特性：
v 进化上的极端保守性
不同种生物组蛋白的氨基酸组成是十分相似的，特别是H3和H4。
v 无组织特异性
到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞不含H1而带有H5，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白两个例外。
v 肽链上氨基酸分布不对称性
碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上。
v 组蛋白的修饰作用
包括甲基化、乙酰化、磷酸化及ADP核糖基化等。
v 富含赖氨酸的组蛋白H5
非组蛋白：
(1)HMG 蛋白（high mobility group protein）, 这类蛋白可能与DNA的超螺旋结构有关。
(2)DNA结合蛋白
可能是一些与DNA复制或转录有关的酶或调节物质。
(3)A24非组蛋白
位于核小体内功能不详。
4、核小体的形成
八聚体在中间，DNA盘绕在外而H1则在核小体的外面，每个核小体只有一个H1。所以核小体中组蛋白和DNA的比例是每200bpDNA有H2A，H2B，H3，H4各两个，H1各一个。
5、染色体的高级包装
v 核小体的形成是染色体压缩的第一阶段，约1/7；
v 螺旋管的每个螺旋包含6个核小体，压缩比为6；
v 中期的染色质是一个细长中空的圆筒，为400nm, 由30nm螺旋管缠绕而成，压缩比为40;
v 这个超螺旋圆筒进一步压缩1/5便成为染色单体，总压缩比是7x6x40x5，将近10000倍。
第六节 RNA的结构与功能
一、RNA 的功能：
l 信息分子
遗传信息由DNA到蛋白质的中间体 的核心作用。
l 功能分子
1.作为细胞内蛋白质生物合成的主要参与者，参与在蛋白质合成中核蛋白复合物的结构组成和功能发挥；
2.具有生物催化的功能，作用于初始转录产物的剪接加工；
3.与生物机体的生长发育密切相关，参与基因的表达调控；
4.与生物体的进化有很大的关系。
5.核糖体
6.信息体
7.拼接体
8.编辑体
二、RNA的分类
v mRNA的结构
v tRNA的结构
v rRNA的结构
v snRNA v snoRNA
v 非编码mRNA！每种RNA的基本结构和功能！！！
第七节 核酸的物理化学性质
DNA双股链的互补是其结构和功能上的一个基本特征，也是DNA研究中一些实验技术的基础。
一、DNA分子的变性
1、条件：加热，极端pH，有机溶剂（尿素、酰胺)，低盐浓度等
2、变性过程的表现
¤ 是一个爆发式的协同过程，变性作用发生在一个很窄的温度范围
¤ 导致一些理化性质发生剧烈变化
3、熔解曲线与Tm值
缓慢而均匀地增加DNA 溶液的温度（现可做到 0.1 ℃／分）可根据各点的A260值绘制成DNA的熔解曲线。
Tm=℃ of Ct = C0/2 = OD增加值的中点温度(一般为85-95℃)或DNA双螺旋结构失去一半时的温度
这也是一般PCR实验技术中把变性温度定为94 ℃的原因。
4、影响 Tm值的因素
（1）在 A, T, C, G 随机分布的情况下，决定于GC含量
n GC%愈高
→
Tm值愈大
n GC%愈低
→
Tm 值愈小
（2）GC%含量相同的情况下
AT形成变性核心，变性加快，Tm 值小。
碱基排列对Tm值具有明显影响
生物体内仅UAA为最有效的终止密码子
n 因为：UAA、AUU的Tm值是最低的一个，即使生理温度下也不稳定。
二、DNA分子的复性
（anneal or renaturation）
n 概念：变性DNA在适当条件下，两条彼此分开的链又可以 重新地合成双螺旋结构的过程（退火）。
根据复性动力学公式我们可以知道什么？
(1)单链浓度随着时间的增大而减小；
(2)反应速率取决于初始的单链浓度Co；
(3)以反应浓度和COt1/2为座标可绘复性曲线;(4)通过COt1/2值可测原核生物基因组的大小;
已知大肠杆菌的基因组为4.2x106bp, COt1/2 = 9M.Sec
则
(5)原核生物基因组大小不同，复性曲线也不同;(6)可用以区分真核生物和原核生物基因组。
在复性反应中如何知道单链已经结合成双链了呢？可以通过哪些法来检测？
(1)减色效应（hpochromic effcef）
测定光密度，即OD值(optical density），DNA从单链变成双链，OD260减少30%(2)羟基磷灰石柱层析
羟基磷灰石对双链DNA吸附较牢，不易吸附单链。
四、核酸分子杂交（hybridization）※ 杂交形式：
n 液相杂交
n 固相杂交(滤膜杂交)¨1975 E.M.Southern ¨Southern blot
S.S.DNA × S.S.DNA ¨1977.J.C.Alwine ¨Northern blot
S.S.RNA × S.S.DNA ¨1978.Hany Towbin ¨Western blot
Protein(antigen)× antibody ＊固相分子杂交(1975 E.M.Southern)
！复习思考题
1、碱基、核苷、核苷酸的化学组成2、核酸的一级结构
书写方向
3、Watson ＆ Crick 的Double Helix Model
参数
大小沟
二级结构的多态性
4、影响二级结构的作用力：
稳定因素
不稳定因素
5、DNA的不寻常结构：
反向重复序列
三螺旋DNA
四链DNA
6、真核生物的染色体：核小体的组成和组装
染色体的多级包装
7、RNA的种类及其相关结构和功能与及应用
8、变性：溶解曲线
Tm
影响因素（GC、化学试剂、盐、pH）
9、复性
C0t曲线
C0t（1／2）
10、核酸分子杂交的类型
11、DNA的超螺旋结构
形成、类型
组蛋白和非组蛋白
